TEMARIO OFICIAL Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) tema 18 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA 18. La hidrosfera. El ciclo del agua en el planeta. La calidad del agua. Contaminación acuática. Eutrofización. Sistemas de tratamiento y depuración. El agua como recurso natural. Gestión del agua. Criterios para un uso sostenible del agua. 18.1. La hidrosfera. El ciclo del agua en el planeta. 18.2. La calidad del agua. Contaminación acuática. 18.3. Eutrofización. Sistemas de tratamiento y depuración. 18.4. El agua como recurso natural. 23-23824-13 18.5. Gestión del agua. Criterios para un uso sostenible del agua. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 1. La hidrosfera. El ciclo del agua en el planeta 1.1. La hidrosfera 1.2. Componentes del ciclo hidrológico 1.2.1. Precipitación 1.2.2. Evaporación 1.2.3. Evapotranspiración 1.2.4. Escorrentía 2. La calidad del agua. contaminación acústica 2.1. La calidad del agua 2.1.1. Calidad del agua y salud 2.1.2. Indicadores biológicos 2.2. Contaminación acuática 2.2.1. Origen de la contaminación 2.2.2. Principales contaminantes 2.2.3. Contaminación de masas de agua 3. Eutrofización. Sistemas de tratamiento y depuración 3.1. Eutrofización 3.1.1. El proceso de eutrofización 3.1.2. Causas antrópicas de la eutrofización 3.2. Sistemas de tratamiento y depuración 3.2.1. Determinaciones analíticas básicas 3.2.2. Depuración natural de las aguas superficiales 3.2.3. Depuración natural de las aguas subterráneas 3.2.4. Métodos de tratamiento y depuración 4. El agua como recurso natural 4.1. Usos que el hombre da al agua 4.2. El agua como responsable de procesos naturales 5. Gestión del agua. Criterios para un uso sostenible del agua 5.1. Aspectos generales 5.2. Importancia de la gestión del agua 5.3. Gestión conjunta de aguas subterráneas y superficiales 5.4. Criterios para un uso sostenible del agua BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 3 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 INTRODUCCIÓN La hidrosfera es una de las capas fluidas que envuelve la Tierra. Está constituida por agua líquida, aunque también la contiene como componente sólido, y las nubes, como emulsiones de pequeñas gotitas de agua o cristales de hielo. El agua cubre casi las tres cuartas partes de la superficie de nuestro planeta. Los principales almacenes de agua son: los océanos (con el 97,2 % del volumen total), los glaciares (2,2 %), las aguas subterráneas (0,6 %), y los ríos y lagos, que almacenan el 0,002 %. La atmósfera contiene el 0,001 %. Estas cifras son orientativas y varían ligeramente según los autores. La mayor parte del agua presente en la hidrosfera está conectada configurando un ciclo cerrado, denominado ciclo hidrológico o ciclo del agua. La energía solar es la principal responsable de la movilización de los recursos de agua en el ciclo hidrológico. El desarrollo de la sociedad actual ha provocado que los recursos hídricos se encuentren parcial o totalmente contaminados, según las zonas. Con objeto de mitigar la contaminación de las aguas, se están desarrollando diversos métodos de depuración, los cuales dependen del tipo y características del agente contaminante. El agua representa un recurso natural imprescindible para la vida del hombre y su gestión se ha convertido en uno de los mayores retos de esta época. 5 6 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 1. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) La hidrosfera. El ciclo del agua en el planeta 1.1. La hidrosfera Todas las aguas del planeta forman la hidrosfera, la capa fluida que cubre el 71 % de la superficie terrestre y que, desde el espacio, se ve como la característica más distintiva de la Tierra. La hidrosfera está formada por los océanos y las aguas continentales, ya sean estas de ríos, lagos o aguas subterráneas, y por los hielos polares y las montañas. Esta agua se encuentra en constante movimiento, tanto por la superficie de la Tierra como por la atmósfera, donde llega mediante la evaporación. Este ciclo es tan activo que constituye el mayor movimiento de masas de materia en nuestro planeta, y afecta no solo al agua, sino también a los materiales que forman la geosfera. Estos son erosionados, arrastrados y disueltos por el agua, transportados y depositados en lugares lejanos. En buena medida, el agua es responsable del aspecto del relieve en muchos puntos de la Tierra. El agua es el ambiente en el que viven y se mueven una gran cantidad de seres vivos. De todos los conjuntos o almacenes de agua que hay en el planeta, el más extenso y profundo es el océano. Su profundidad media es de casi 4.000 metros, pero en muchos puntos (las fosas oceánicas) supera los 10.000 metros. A su lado, el resto de los almacenes de agua del planeta son insignificantes. Este flujo de agua se ve favorecido por las peculiares y específicas propiedades del agua, cuyas moléculas actúan como pequeños dipolos eléctricos, lo que permite que se unan hasta 8 o 9 moléculas mediante puentes de hidrógeno. Esta característica determina, al menos en parte, las siguientes propiedades: El punto de congelación se sitúa en 0 ºC, y el de ebullición, a 100 ºC. El hielo tiene una densidad de solo 0,917 g/cm3, mientras que la del agua dulce es de 1 g/cm3. Esta propiedad impide que se hielen los océanos polares, lo que permite el desarrollo de vida. El agua presenta un elevado calor específico, que le permite absorber grandes cantidades de calor sin modificar en exceso su temperatura. Tiene un alto calor de vaporización, es decir, las moléculas que pasan a vapor llevan gran cantidad de movimiento; como consecuencia, tiene un alto poder refrigerante. El agua tiene una elevada tensión superficial y gran capacidad adsorbente (se adhiere a un sólido y lo recubre), propiedad que le da capacidad para ascender por capilaridad. Es un gran disolvente y, por esto, se contamina con facilidad. El agua no permanece estacionaria sobre la Tierra, sino que se establece una circulación del agua entre los océanos, la atmósfera y la litosfera-biosfera de forma permanente. El concepto de ciclo se basa en el permanente movimiento o transferencia de las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro como entre sus diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Este flujo de agua se produce por dos causas principales: la energía solar y la gravedad. El ciclo hidrológico se podría definir como el proceso que describe la ubicación y el movimiento del agua en nuestro planeta. Es un proceso continuo en el que una partícula de agua evaporada del océano vuelve a este después de pasar por las etapas de precipitación, escorrentía superficial y/o escorrentía subterránea (Figura 1). Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Figura 1. El ciclo hidrológico (García y Fdez. Escalante, 2008). A partir de los lagos, ríos, mares y océanos, o bien a través de la vegetación por transpiración, el agua en forma de vapor pasa a la atmósfera cargando el aire de humedad. Cuando el vapor de agua se enfría, se condensa formando las nubes, desde donde retornará a la superficie del planeta en forma de precipitación, como lluvia, nieve, granizo, rocío o escarcha. Una vez en la superficie de la tierra, el agua circulará por la superficie de terreno, como escorrentía superficial, o pasará a formar parte de los acuíferos, como escorrentía subterránea. A título orientativo, en la Tabla 1 se presenta una estimación con la distribución del agua en la hidrosfera, según datos de World Meteorological Organization. Con frecuencia el estudio de las aguas subterráneas queda ensombrecido por la hidrología de superficie (ríos y lagos), pasando inadvertido. Si se observa la Tabla 1, puede verse que las aguas subterráneas representan el mayor volumen de agua dulce de la hidrosfera aprovechable por el hombre. % del agua total del planeta % respecto del total de agua dulce Tiempo medio de residencia Océanos y mares 97,5 - 2.500 años Glaciares y polos 1,74 68,7 9.700 años Aguas subterráneas dulces 0,76 30,1 decenas a miles de años Lagos de agua dulce 0,007 0,26 17 años Lagos de agua salada 0,006 - 150 años Ríos 0,0002 0,006 15 a 20 días Biomasa 0,0001 0,003 algunas horas Atmósfera 0,001 0,04 8 a 10 días Distribución Tabla 1. Estimación de la distribución del agua en la hidrosfera. 7 8 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 1.2. Componentes del ciclo hidrológico 1.2.1. Precipitación La precipitación es agua liberada desde las nubes en forma de lluvia, aguanieve, nieve o granizo, aunque la mayor parte se produce en forma de lluvia. Representa uno de los componentes principales del ciclo hidrológico. Los aparatos destinados a la medida de la precipitación se denominan pluviómetros. La unidad de medida suele ser el milímetro, que representa la altura que alcanza un litro en un prisma que tenga una base de un metro cuadrado de superficie. Por tanto, 1 mm equivale a 1 l/m2. 1.2.2. Evaporación La evaporación es el principal proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso mediante la energía calorífica, normalmente producida por el sol. Diversos estudios han demostrado que los océanos, mares, lagos y ríos proveen alrededor del 90 % de humedad a la atmósfera, mediante evaporación; el restante 10 % proviene de la transpiración de las plantas. Del agua caída durante la precipitación sobre los continentes, parte se evapora desde la superficie del suelo y otra parte queda retenida sobre las hojas de los árboles. A este último fenómeno se le denomina «interceptación» y en lluvias de corta duración sobre zonas de bosque este fenómeno puede devolver a la atmósfera una gran parte del agua precipitada, sin que esta haya tocado el suelo. 1.2.3. Evapotranspiración La evapotranspiración es un término que se aplica solo a un área de terreno cubierto de vegetación, ya que de lo contrario se trataría de evaporación. Se define como el resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso, y directamente, a través de las plantas, vuelve a la atmósfera en forma de vapor. Se expresa en milímetros. En condiciones naturales es muy difícil medir aisladamente la evaporación y la transpiración; por ello el concepto de evapotranspiración aúna ambos fenómenos. Evapotranspiración potencial Es la máxima pérdida de agua posible bajo condiciones dadas de cobertera vegetal y factores climáticos, suponiendo que podemos suministrar al suelo, mediante irrigación, toda el agua que las plantas puedan consumir y los poros del suelo puedan albergar. Este proceso depende de los factores climáticos particulares de cada zona. Para su cálculo existen numerosas fórmulas, basadas todas ellas en datos que se obtienen de las estaciones meteorológicas. Evapotranspiración real Es la cantidad de evapotranspiración real u observada. Disminuye proporcionalmente a medida que se agota la humedad del suelo. 1.2.4. Escorrentía Es la fracción de la precipitación caída en una cuenca vertiente que escapa a la evapotranspiración y circula superficial y subterráneamente. XX Escorrentía superficial Se refiere al agua que circula sobre la superficie del terreno, bien de forma difusa o canalizada por río y arroyos. En determinado tipo de suelos el agua puede circular justo por debajo de la superficie, moviéndose con la misma dirección y sentido que la escorrentía superficial (paralela a ella). En este caso se habla de escorrentía subsuperficial o hipodérmica. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Escorrentía subterránea Es el agua que circula por el interior de las formaciones geológicas. Tras la precipitación, una vez que el agua se pone en contacto con la superficie de la tierra, puede movilizarse y distribuirse por alguna de las siguientes zonas (Figura 2): −− Suelo edáfico. Se corresponde con la parte más superficial, con frecuencia suelo edáfico. Su capacidad para retener agua viene determinada por su capacidad de campo, que puede definirse como la máxima cantidad de agua que es capaz de almacenar un suelo una vez que ha sido drenada el agua gravífica. El término de agua gravífica hace referencia al volumen de agua drenada por gravedad en un suelo. ´ ´ ´ −− Zona no saturada. Comprende la Figura 2. Distribución del agua en el suelo zona que hay desde la superficie (García y Fdez. Escalante, 2008). del terreno hasta el límite superior de la zona saturada o nivel freático. En ella los poros están ocupados por aire y agua. −− Infiltración. La infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en el suelo a través de la superficie de la tierra, y bien queda retenida por él, o bien alcanza un nivel acuífero incrementando el volumen acumulado anteriormente. Superada la capacidad de campo del suelo, el agua desciende por acción conjunta de las fuerzas capilares y de la gravedad. −− Zona saturada. Comprende desde el nivel freático, o límite superior de la zona saturada, hasta el límite impermeable del acuífero, cuya posición y geometría dependerá de la litología y estructura geológica. Representa el agua almacenada en los acuíferos y es por donde tiene lugar la escorrentía subterránea. En función de la permeabilidad de las rocas por las que circula el agua subterránea, así como de su capacidad de almacenamiento y transmisión del agua, se pueden definir los siguientes términos: ´ ´ Figura 3. Esquema de un acuífero libre (García y Fdez. Escalante, 2008). −− Acuífero: almacena agua en los poros y circula con facilidad por ellos. Existen varios tipos de acuíferos, según la presión a la que se encuentra el agua en su interior. Los más vulnerables a la contaminación son denominados acuíferos libres, que se caracterizan por tener una superficie libre de agua en contacto directo con el aire, es decir, que está a presión atmosférica (Figura 3). 9 10 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) −− Acuitardo: contiene agua y la transmite muy lentamente. −− Acuífugo: no posee capacidad de circulación ni retención de agua. −− Acuicludo: contiene agua en su interior, incluso hasta la saturación, pero no la transmite. ¿Cuál es el «motor de arranque» o proceso natural que influye en el ciclo hidrológico? Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 2. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 La calidad del agua. contaminación acústica 2.1. La calidad del agua 2.1.1. Calidad del agua y salud La calidad del agua es un término difícil de definir debido a su subjetividad y al uso que se le vaya a dar y su destino final. A título de ejemplo, si bien las aguas fecales en ningún caso podríamos considerarlas de calidad apropiada para la bebida, por los problemas sanitarios que conllevaría su uso, sin embargo, por su alto contenido de materia orgánica, podrían resultar excelentes para el riego de plantas ornamentales, o de plantaciones forestales. Del mismo modo, aguas de alta montaña, que intuitivamente podríamos asociarlas con pureza y buena calidad, podrían resultar poco apropiadas para la bebida debido a la escasez de sales disueltas que contienen. Desde los años setenta se ha producido un gran desarrollo en la comprensión de los efectos de la calidad del agua sobre la salud de población. Como consecuencia se ha producido un fuerte desarrollo en los sistemas de tratamiento, en los métodos de control y legislación. No obstante, hoy en día continúan produciéndose brotes de enfermedades importantes de origen hídrico, tanto en países desarrollados como en países en vías de desarrollo. El origen de la contaminación puede relacionarse con la presencia de patógenos o productos químicos. El término «brote de enfermedad» hídrica hace referencia a cuando dos o más personas experimentan una enfermedad similar después de ingerir agua potable, y cuando la evidencia epidemiológica implica al agua como fuente de enfermedad. Un solo caso de envenenamiento químico constituye un brote si un estudio de laboratorio indica que el agua ha sido contaminada por productos químicos. Entre los organismos patógenos causantes de enfermedades están las bacterias, los virus, los protozoos y las algas. Los productos químicos en el agua también pueden tener graves efectos sobre la salud de las poblaciones. La toxicología estudia los efectos adversos de determinados productos químicos sobre los organismos vivos. En general, la respuesta de un ser vivo a la exposición de un producto químico depende de la dosis del producto y del grado de exposición. La relación dosis-respuesta puede ser diferente en niños y adultos. Los principales efectos sobre la salud pueden ser de tipo tóxico, cancerígeno, genotóxico y mutagénico. Las normas internacionales de agua potable han sido consignadas por un gran número de países y organizaciones internacionales. El número de normas va cada día en aumento, por lo que se ven continuamente actualizadas. En la Unión Europea existe una directiva concreta para los Estados miembros, a quienes obliga a fijar unos valores de salubridad adicional si fuera necesario. 2.1.2. Indicadores biológicos Los ecosistemas acuáticos mantienen una gran diversidad de organismos. Por este motivo, algunos de estos organismos pueden proporcionar información de cambios físicos y químicos en el agua en función de modificaciones en la composición de la comunidad. El uso de bioindicadores se está proponiendo como una nueva herramienta para conocer la calidad del agua, complementaria de los análisis fisicoquímicos tradicionales. Un indicador biológico acuático es aquel cuya presencia y abundancia señalan algún proceso o estado del sistema en el cual habita, y se refiere a la población de individuos de la especie indicadora. Los indicadores suelen emplearse para la detección de sustancias contaminantes, ya sean estos metales pesados, materia orgánica, nutrientes (eutrofización), o elementos tóxicos como hidrocarburos, pesticidas, ácidos, bases y gases. 11 12 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) Además, proporcionan información sobre: Saturación de oxígeno. Condiciones de anoxia. Condiciones de pH. Estratificación térmica y de oxígeno en la columna de agua. Turbulencia del agua. Proceso de mezcla entre el hipolimnio y el epilimnio en cuerpos lénticos. Eutrofización natural. Grado de mineralización del agua. Presencia de determinados elementos como hierro, sílice y calcio. Fenómenos de sedimentación. 2.2. Contaminación acuática 2.2.1. Origen de la contaminación La Organización Mundial de la Salud (OMS) considera que el agua está contaminada cuando su composición o estado natural se ven modificados de tal modo que pierde las condiciones aptas para los usos a los que estaba destinada. El agua contaminada presenta alteraciones físicas (temperatura, color, densidad, suspensiones, radiactividad, etc.), químicas (sustancias disueltas, composición, etc.) o biológicas, por lo que no puede cumplir sus funciones ecológicas. La contaminación de las aguas puede tener un «origen natural» o un «origen antrópico». Este último se produce a causa de las diversas actividades desarrolladas por el ser humano, las cuales son la principal fuente de contaminación de las aguas, ya que el desarrollo y la industrialización conllevan un mayor uso del agua y una gran generación de residuos, muchos de los cuales van a parar a esta. Por lo general, las fuentes de contaminación de origen natural son muy dispersas y no provocan altas concentraciones de contaminantes, excepto en lugares muy concretos, relacionados con yacimientos minerales específicos. Las principales fuentes de contaminación de origen antrópico de las aguas son: Los vertidos de aguas residuales urbanas, como son las domiciliarias, las negras y las de limpieza, fundamentalmente. Los vertidos de explotaciones ganaderas. Aportan estiércol y orines con contaminantes como microorganismos patógenos, sólidos en suspensión, materia orgánica, nitrógeno y fósforo. Los vertidos de aguas residuales agrícolas. Incluyen fertilizantes inorgánicos, estiércol y orines, otros abonos, plaguicidas diversos (DDT), herbicidas, sales del agua de riego, etc. Los vertidos industriales. Las industrias utilizan agua para varios fines (procesado, refrigeración, transporte, disolvente, etc.). Algunas industrias son especialmente contaminantes: la del refinado del petróleo, que genera aguas con cianuros, grasas, fenoles, sólidos, tóxicos diversos y álcalis; las industrias metalúrgicas, que generan vertidos similares a los de la industria petrolífera, además de agua caliente; las industrias papelera, textil y de curtidos, que generan residuos químicos orgánicos, sólidos, detergentes y sustancias tóxicas, y las industrias químicas y farmacéuticas, que vierten metales pesados, material químico tóxico y biológico. Otras causas: contaminación por embarcaciones a motor, construcción de presas y explotaciones mineras que vierten compuestos contaminantes (cobre, cadmio, cinc, plomo y mercurio). Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Tanto para el origen natural como antrópico de contaminación de las aguas, se puede establecer que cuando la contaminación se produce en lugares muy concretos, las fuentes que la provocan son «puntuales». Por el contrario, si la descarga de contaminantes se realiza en áreas muy extensas, se habla de fuentes «dispersas». 2.2.2. Principales contaminantes Debido a la gran variedad de agentes que provocan la contaminación de las aguas, se pueden clasificar según criterios muy diversos. En este apartado, para simplificar su estudio y análisis, se han agrupado en ocho categorías o grupos: XX Microorganismos patógenos Son los diferentes tipos de bacterias, virus, protozoos y otros tipos de microorganismos que transmiten enfermedades como el cólera, tifus, hepatitis, etc. En los países en vías de desarrollo las enfermedades producidas por estos organismos patógenos son uno de los motivos más importantes de muerte prematura, sobre todo en los niños. Normalmente estos microorganismos llegan al agua en las heces y otros restos orgánicos que producen las personas infectadas. Por esto, un buen índice para medir la salubridad de las aguas, en lo que se refiere a estos microorganismos, es el número de bacterias coliformes presentes en el agua. La OMS recomienda que en el agua para beber haya 0 colonias de coliformes por 100 ml de agua. XX Desechos orgánicos Son el conjunto de residuos orgánicos producidos por los seres humanos, ganado, etc. Comprende heces y otros materiales que pueden ser descompuestos por bacterias aeróbicas, es decir, en procesos de consumo de oxígeno. Cuando este tipo de desechos se encuentran en exceso, la proliferación de bacterias agota el oxígeno, y ya no pueden permanecer en esta agua seres vivos que necesiten el oxígeno para vivir. Un buen índice para medir la contaminación por desechos orgánicos es la DBO (demanda biológica de oxígeno). Este índice mide el oxígeno que se consume en un determinado volumen de agua en un plazo fijo de tiempo (5 días), a una temperatura estándar (15 ºC) y en condiciones de oscuridad. Si la DBO es alta, indica contaminación y mala calidad del agua. XX Sustancias químicas inorgánicas En este grupo están incluidos ácidos, sales y metales tóxicos, como el mercurio y el plomo. Si están en cantidades altas pueden causar graves daños a los seres vivos, disminuir los rendimientos agrícolas y corroer los equipos que se usan para trabajar con el agua. XX Nutrientes vegetales inorgánicos Nitratos y fosfatos son sustancias solubles en agua que las plantas necesitan para su desarrollo, pero si se encuentran en cantidades excesivas inducen el crecimiento desmesurado de algas y otros organismos, provocando la «eutrofización» de las aguas. Cuando estas algas y otros vegetales mueren, al ser descompuestos por los microorganismos, se agota el oxígeno y se hace imposible la vida de otros seres. El resultado es un agua maloliente e inutilizable. XX Compuestos orgánicos Muchas moléculas orgánicas, como el petróleo, los plásticos, los plaguicidas, los disolventes, los detergentes, etc., acaban en el agua y permanecen, en algunos casos, largos periodos de tiempo, ya que presentan estructuras moleculares complejas difíciles de degradar por los microorganismos. 13 14 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) La contaminación por accidentes petrolíferos libera solo el 12 % del total de hidrocarburos que llegan al mar. El resto procede de la limpieza rutinaria, con agua del mar, de los tanques de los petroleros y de los escapes no intencionados que se dan en la industria petrolera. Se vierten entre 3 y 4 millones de hidrocarburos cada año. Actualmente, la legislación nacional e internacional obliga a los petroleros a tener unos sistemas de limpieza en forma de circuito cerrado y evacuar los desechos en zonas restringidas de carga y descarga de petróleo. Se ha de mencionar que los mares y los océanos son uno de los principales sumideros de la contaminación antrópica. XX Sedimentos y materiales en suspensión Muchas partículas arrancadas del suelo y arrastradas a las aguas, junto con otros materiales que hay en suspensión en las aguas, son, en términos de masa total, la mayor fuente de contaminación del agua. La turbidez que provocan en el agua dificulta la vida de algunos organismos, y los sedimentos que se van acumulando destruyen sitios de alimentación o desove de los peces, rellenan lagos o pantanos y obstruyen canales, rías y puertos. XX Sustancias radiactivas Isótopos radiactivos solubles pueden estar presentes en el agua y, a veces, se pueden ir acumulando a lo largo de las cadenas tróficas, hasta alcanzar concentraciones considerablemente más altas en algunos tejidos vivos que las que tenían en el agua. XX Contaminación térmica El agua caliente liberada por las centrales de energía o procesos industriales eleva, en ocasiones, la temperatura de ríos o embalses, con lo que disminuye su capacidad de contener oxígeno y afecta a la vida de los organismos. Algunos ecosistemas costeros, con elevada diversidad biológica, están siendo amenazados gravemente por las actividades humanas, como por ejemplo las marismas, los estuarios, los arrecifes de coral y los manglares. 2.2.3. Contaminación de masas de agua XX Contaminación fluvial Los ríos disuelven continuamente rocas dentro de su cauce. Así pueden recargarse de sales, pero también de materia orgánica y materiales en suspensión. De las sales, la más frecuente es el bicarbonato cálcico. Pero, además, el hombre está acostumbrado a usar los ríos como vehículos para evacuar sus residuos sólidos urbanos, sus productos de desecho metálicos u otros residuos sólidos de las minas y la industria. Aunque los ríos tienen, en un principio, una importante capacidad de autodepuración, los microorganismos presentes en el agua ayudan a biodegradar los residuos orgánicos que contienen la mayoría de los cursos fluviales. No obstante, la depuración de las aguas fluviales tiene como objetivo restituirlas a su estado natural, retirando de ellas todos o parte de los contaminantes. La depuración absoluta es prácticamente imposible y, en todo caso, impracticable desde el punto de vista económico. Mientras que algunos procesos, como la decantación del material en suspensión y la neutralización de la materia orgánica, son relativamente simples, no lo son la eliminación de los pesticidas y los metales pesados, ya que se trata de un proceso largo, complejo y, en algún caso, de resultado incierto. Ninguna técnica de depuración conocida garantiza la eliminación total de los nitratos y los pesticidas presentes en los cursos fluviales. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 XX Contaminación de los lagos En alguna medida, los ríos presentan defensas contra la contaminación debido a su propia dinámica, que les permite diluir de forma más o menos continua los contaminantes. En cambio los lagos son, desde el punto de vista del medio ambiente, grandes almacenes de residuos. Aunque ningún lago es completamente estático, suelen tener aguas de fondo pobres en oxígeno. En este tipo de lagos es muy alta la sensibilidad al proceso de eutrofización o al aumento explosivo de la productividad biológica. XX Intrusión salina y contaminación de acuíferos La extracción de agua subterránea es un recurso cada vez más empleado en todo el mundo. Cuando se dan descensos del nivel freático cerca del mar, se produce lo que se llama una «intrusión salina»: el agua salada invade los poros dejados libres por el agua extraída. Su mayor densidad le facilita desalojar el agua dulce residual, hasta que todo el acuífero queda invadido por agua salobre. Este es el conocido proceso de salinización. Cada año se salinizan más de un millón de hectáreas en todo el mundo. En España, casi todos los acuíferos de la costa mediterránea están salinizados en mayor o menor grado, al igual que los de las islas Canarias orientales. La contaminación de los acuíferos es más grave que la de los ríos porque, con frecuencia, no se detecta hasta que no ha adquirido un carácter grave. Ello se debe a que, en general, un contaminante invade un acuífero no por la superficie, sino por infiltración a través de las rocas; por lo tanto, pasará un cierto tiempo entre la introducción del contaminante en el medio y su llegada al acuífero. La gran excepción son los terrenos kársticos, donde la circulación del agua subterránea, y por ello también la contaminación, es muy rápida. Es frecuente que la contaminación de un acuífero se produzca incluso décadas después de su inicio. Por ejemplo, los productos químicos vertidos en forma incontrolada en el suelo pueden tardar años en alcanzar el acuífero. Para entonces el área contaminada puede ser tan extensa que su recuperación sea prácticamente imposible. Las aguas subterráneas suelen ser más difíciles de contaminar que las superficiales, pero cuando esto se produce, su descontaminación es mas difícil. Ello es así debido a que las aguas del subsuelo tienen un ritmo de renovación muy lento. Se calcula que mientras que el tiempo de permanencia medio del agua en los ríos es solo de días, en un acuífero permanece cientos de años, lo que hace muy difícil su depuración. Los principales problemas que afectan a la calidad de las aguas subterráneas tienen relación con el descenso del nivel freático y el vertido de contaminantes, ya sea de manera puntual o difusa. XX Contaminación de los mares Los océanos son contaminados tanto por los residuos aportados de los ríos que desembocan en ellos como por los vertidos intencionados y por los accidentes marítimos. Asimismo son altamente contaminantes los procesos industriales, como por ejemplo los desarrollados por la minería, cuya actividad está dentro de la plataforma continental o próxima a esta. El estado óptimo de los mares depende de muchas variables, por lo que las contaminaciones de estos son muy difíciles de diagnosticar y, por lo tanto, de subsanar, mucho más incluso que en otros sistemas ambientales (ríos, lagos, etc.). Un ejemplo de estas variables contaminantes puede observarse en la situación ambiental del mar Mediterráneo, ya que este presenta un carácter semicerrado y sus aguas se renuevan completamente entre 100 y 200 años a través del estrecho de Gibraltar. Su tránsito marino provoca que la contaminación se produzca en el mismo mar Mediterráneo y sus aguas no son fácilmente depurables. La presión urbanística en sus costas es igualmente muy contaminante, ya que se produce una reducción importante de las playas, una transformación de los perfiles costeros que provoca cambios en la circulación de las corrientes marítimas y un aumento de la contaminación por los residuos urbanos. Por otra parte, se ha observado que la temperatura del agua del mar Mediterráneo ha 15 16 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) aumentado entre 3 y 6 ºC en los últimos diez años, dando como consecuencia una alteración tanto en las corrientes atmosféricas como marinas; este hecho está provocando, entre otras alteraciones, un aumento en el oleaje que llega a las costas, por lo que la erosión de estas es mayor. Diversas organizaciones ecologistas están denunciando en la actualidad un aumento en la cantidad de residuos plásticos vertidos al mar Mediterráneo, que provocan una alteración ambiental muy importante, ya que estos desechos no son biodegradables, con lo que la fauna marina se podrá ver perjudicada en muy poco plazo de tiempo. ¿Qué resulta más sencillo de contaminar y descontaminar, un río o un acuífero libre detrítico (arenoso)? Justifica la respuesta. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 3. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Eutrofización. Sistemas de tratamiento y depuración 3.1. Eutrofización 3.1.1. El proceso de eutrofización El término eutrofización hace referencia al enriquecimiento en nutrientes de un ecosistema y es muy empleado en masas de agua como lagos o embalses. En ecosistemas acuáticos, con la eutrofización empiezan a proliferar algas unicelulares, en general algas verdes. Este desarrollo de algas se produce en los niveles más superficiales de la masa de agua, favorecido por la actividad del sol. El propio desarrollo de algas provoca un enturbiamiento de los niveles más someros, que impide la entrada de luz solar a niveles más profundos. En épocas más frías, o simplemente debido a superpoblación, las algas mueren y caen al fondo, se descomponen y liberan nutrientes, que serán aprovechados en la siguiente estación favorable. De esta forma, la eutrofización del lago prosigue con independencia de nuevos aportes externos de materia orgánica, en lo que algunos autores llaman reacción biofísico-química en cadena, y que equivale a lo que en los seres vivos es una muerte por exceso de alimentación. Como consecuencia de lo explicado anteriormente, la fotosíntesis, productora de oxígeno libre, no es posible en niveles profundos y la actividad metabólica consumidora de oxígeno (respiración aeróbica) continúa recibiendo los excedentes de materia orgánica producidos cerca de la superficie. De esta manera en el fondo se agota pronto el oxígeno por la actividad aerobia y el ambiente se vuelve pronto anóxico. La descomposición microbiana de aquella materia no solo consume oxígeno, sino que también libera una serie de compuestos, entre ellos nitratos y fosfatos. La alteración de la calidad de la masa de agua que suponen estos cambios hace inviable la existencia de la mayoría de las especies que previamente formaban el ecosistema. En sistemas cerrados, como puede ser una laguna sin conexión superficial al exterior, si el proceso de eutrofización continúa, los nutrientes que ingresan masivamente al sistema generan una gran biomasa que al morir se acumula sobre el fondo y puede llegar a colmatar la laguna. Procesos naturales de eutrofización se pueden observar claramente en las lagunas formadas por los cauces antiguos de algunos grandes ríos del planeta. Con frecuencia estos ríos se transforman en zonas pantanosas que terminan por cubrirse de vegetación. La eutrofización también puede afectar a ecosistemas marinos, donde a veces por causas naturales se puede provocar una marea roja o marea blanca, con el desarrollo de una sola especie algar, que en muchos casos provoca la intoxicación de la fauna mayor. 3.1.2. Causas antrópicas de la eutrofización La contaminación antropogénica es con frecuencia la responsable de la eutrofización de lagos y pantanos, al añadir elementos químicos como el nitrógeno. Si esto ocurre, se producirá un incremento de la producción primaria (fotosíntesis), que aumentará la biomasa y ocasionará un empobrecimiento de la diversidad. El origen de dicha contaminación puede atribuirse a diferentes fuentes, entre las cuales las más comunes son: Contaminación urbana. Se refiere a los efluentes urbanos, generalmente aguas residuales que no han tenido un proceso de depuración, o bien esta ha sido escasa. Las aguas residuales suelen aportar dos tipos o formas de nutrientes: residuos orgánicos y residuos inorgánicos. Los residuos orgánicos enriquecen los elementos limitantes del medio acuático. Un ejemplo de residuos inorgánicos es el fosfato, muy abundante debido a su empleo como emulgente en la fabricación de detergentes. 17 18 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) Contaminación agropecuaria. Procede del empleo de fertilizantes inorgánicos de origen industrial o extractivo y de los excrementos animales en instalaciones de producción masiva. Esta contaminación aporta nitrógeno, en forma de nitrato y amonio, y fósforo, como fosfato, a la vez que cationes como potasio (K+,) magnesio (Mg++), etc. Suele llegar al los lagos y embalses por escorrentía superficial. Contaminación forestal. La contaminación forestal se relaciona con el abandono de residuos forestales y restos del aprovechamiento maderero en los ríos. Estas prácticas aumentan la materia orgánica disuelta, favoreciendo la proliferación de flora eutrófica, como berros y lentejas de agua, que a su vez remansa la corriente y disminuye la autodepuración del agua. Contaminación atmosférica. Tiene su origen en la presencia de óxidos de nitrógeno y óxidos de azufre en la atmósfera. Al reaccionar con el agua atmosférica pasan a formar ión nitrato (NO3–) e ión sulfato (SO4), que pueden formar sales solubles al alcanzar el suelo y provocar el empobrecimiento de este en nutrientes. Estas sales pueden movilizarse por escorrentía superficial y subterránea, hasta alcanzar los embalses, lagos o mares y contaminarlos. 3.2. Sistemas de tratamiento y depuración 3.2.1. Determinaciones analíticas básicas Son muchas las determinaciones que pueden hacerse sobre la calidad química de las aguas; a continuación se comentan únicamente las más representativas, que deben tenerse en cuenta para poder definir el sistema más adecuado de tratamiento y depuración. XX Oxígeno disuelto en el agua El oxígeno es una sustancia indispensable para la supervivencia de los animales y de otros muchos seres vivientes, tanto acuáticos como terrestres. Pero existe el problema de la baja solubilidad de ese gas en el agua, en comparación con el aire. Un litro de agua, a 20 ºC, expuesto al aire a presión normal y al nivel del mar, contendrá en solución 9,8 partes de oxígeno en un millón de partes del agua (el aire tiene cerca de 22 partes de oxígeno para 100 partes de aire). Esa cantidad aumenta cuando la temperatura es más baja o cuando la presión es más alta. Los desperdicios orgánicos arrojados en la hidrosfera son descompuestos por microorganismos que usan el oxígeno en la respiración. De esa forma, cuanto mayor sea la carga de materia orgánica, mayor será el número de microorganismos que se descompongan y, consecuentemente, el consumo de oxígeno. Así pues, la muerte de los peces en los ríos contaminados se debe, en muchos casos, a la ausencia de oxígeno, y no a la presencia de substancias tóxicas. XX Presencia de nitrógeno El nitrógeno es uno de los elementos más importantes para la vida, pero su presencia en el agua es muy escasa. Sus fuentes principales son el aire, el cual puede ser asimilado por algunas algas, los abonos y materia orgánica en descomposición (hojas y aguas fecales). El nitrógeno que proviene de la descomposición de vegetales, animales y excrementos pasa por una serie de transformaciones. En el caso de los vegetales y animales, el nitrógeno se encuentra en forma orgánica. Al llegar al agua, es rápidamente transformado en nitrógeno en forma de amoníaco, pasa después a nitritos y finalmente a nitratos. Esas dos últimas transformaciones solamente ocurren en aguas que contengan bastante oxígeno disuelto, pues son efectuadas por bacterias de naturaleza aerobia, las llamadas nitrobacterias. De esa forma, cuando encontramos mucho nitrógeno en forma de amoníaco en el agua, estamos en presencia de materiales orgánicos en descomposición y, por lo tanto, en un medio pobre en oxígeno. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 XX Determinación del pH El término pH (índice de ión hidrógeno) es usado universalmente para determinar si una solución es ácida o básica, y es la forma de medir la concentración de iones de hidrógeno en la solución. La escala de pH contiene una relación numérica que varía de 0 a 14; esos valores miden el grado de acidez o basicidad de una solución. Los valores inferiores a 7 y los próximos a cero indican aumento de la acidez. Los valores que son mayores de 7 y próximos a 14 indican aumento de la basicidad, mientras que cuando el valor es 7 indica un pH neutro. Las medidas de pH son de extrema utilidad, pues nos proporcionan mucha información con respecto a la calidad del agua. Las aguas superficiales tienen un pH entre 4 y 9. Algunas veces son ligeramente alcalinas por la presencia de carbonatos y bicarbonatos. Es claro que en estos casos el pH refleja el tipo de suelo por donde el agua discurre. En lagunas con muchas algas, y en los días de sol, el pH puede aumentar mucho, hasta llegar a 9 o más. Generalmente un pH muy ácido o muy alcalino está relacionado con la presencia de desechos industriales. XX Conductividad eléctrica La conductividad eléctrica es la capacidad que tiene el agua de conducir la corriente eléctrica. Este parámetro tiene relación con la existencia de iones disueltos en el agua, que son partículas con cargas eléctricas. Cuanto mayor sea la concentración de iones disueltos, mayor será la conductividad eléctrica del agua. En las aguas continentales, los iones directamente responsables de los valores de la conductividad son, entre otros, el calcio, el magnesio, el potasio, el sodio, los carbonatos, los sulfatos y los cloruros. XX Temperatura del agua La temperatura es una variable muy importante en el medio acuático, pues influye en el metabolismo de las especies, como productividad primaria, respiración de los organismos y descomposición de la materia orgánica. Cuando tenemos altas temperaturas se produce una proliferación de fitoplancton, y por consiguiente una intensa absorción de nutrientes disueltos. En caso de disminución de la temperatura, se produce el efecto contrario. XX Análisis de la presencia de bacterias coliformes En el agua habitan normalmente muchos tipos de bacterias, las cuales son importantes, pues se alimentan de materia orgánica y, por tanto, son las principales responsables del proceso de autodepuración. Cuando un recurso hídrico es contaminado con aguas fecales suelen aparecer otros tipos de bacterias que pueden ser portadoras de enfermedades infecciosas. Entre estas, un grupo importante es el de las bacterias coliformes. 3.2.2. Depuración natural de las aguas superficiales Los cursos fluviales poseen cierta capacidad de autodepuración (sobre todo de la materia orgánica), que en términos generales se puede decir que tiene relación con el caudal y la turbulencia del agua. Más en detalle, la autodepuración de los ríos se basa en la existencia de seres vivos capaces de alimentarse de restos orgánicos y descomponerlos. También se basa en la producción de oxígeno disuelto (OD) procedente de la fotosíntesis de la vegetación acuática. En un río con suficiente cantidad de OD, las sustancias orgánicas se transforman en nutrientes minerales para las algas, por la actividad de bacterias anaerobias. Estas y las algas sirven de alimento a los protozoos, a los crustáceos y a los moluscos, que a su vez son comidos por los peces, etc. La muerte y la descomposición de todos ellos cierran el ciclo, al devolver los nutrientes a la vegetación. 19 20 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) Cuando a una corriente llegan cantidades importantes de aguas residuales, se pueden distinguir varias zonas: Zona de degradación: es el lugar del vertido. De aspecto sucio, antiestético y a veces maloliente. Comienza la descomposición bacteriana de la materia orgánica, que consume gran cantidad de oxígeno. El OD disminuye rápidamente de 10 a 4 ppm. Zona de descomposición activa (zona séptica): el aspecto del agua se hace más oscuro y putrefacto. El OD es muy bajo o nulo y la DBO5 es muy elevada (15 a 100 mg/l). Zona de recuperación: el agua va recuperando su aspecto natural. Aumenta paulatinamente la cantidad de organismos verdes (cianobacterias o algas), que reponen el oxígeno disuelto. Las bacterias aerobias terminan de descomponer la materia orgánica. Aparecen crustáceos y larvas de insectos. Se alcanzan los niveles normales de OD y DBO. La autodepuración funciona mientras no haya una sobrecarga de contaminantes y únicamente sobre materia biodegradable, situaciones en las que es necesaria la instalación de estaciones de depuración de aguas residuales (EDAR). 3.2.3. Depuración natural de las aguas subterráneas La contaminación de las aguas subterráneas es un proceso más difícil de advertir que la de las aguas superficiales, precisamente por circular bajo la superficie del terreno. Cuando un acuífero se contamina, el proceso de recuperación es muy complejo y costoso, y no siempre es posible. Algunos acuíferos, en particular los porosos, sí presentan cierta capacidad de autodepuración frente a determinadas sustancias contaminantes, al actuar como un filtro natural que disminuye la concentración del contaminante según nos alejamos del foco de contaminación. En su recorrido, las partículas contaminantes pueden ser neutralizadas, oxidadas, reducidas o sufren otros procesos químicos o biológicos que las degradan. En otro tipo de acuíferos, como los cársticos, la capacidad de depuración del terreno es baja; en este caso el proceso depurativo que actúa de modo más eficaz es la dilución. Es importante, de todas formas, tener en cuenta que las posibilidades de depuración en un acuífero son limitadas y que el mejor método de protección es, por tanto, la prevención. Cuando un acuífero está contaminado y hay que depurarlo, el proceso será difícil y muy costoso. En algunos casos se han usado procedimientos para la extracción del agua subterránea y así depurarla, para posteriormente volver a inyectarla limpia en el acuífero. Pero este método no siempre resulta eficaz, y consume una gran cantidad de energía, sin contar el elevado coste económico final. 3.2.4. Métodos de tratamiento y depuración XX Estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) La mayor parte de los vertidos de aguas residuales que se hacen en el mundo son descargados a los ríos, lagos o mares sin ser tratados. En la mayoría de los países desarrollados los vertidos procedentes de aguas residuales son tratados en «estaciones depuradoras de aguas residuales» (EDAR). El objetivo de estos tratamientos es, en general, reducir la carga de contaminantes del vertido y convertirlo en inocuo para el ambiente. Las aguas residuales se pueden someter a diferentes niveles de tratamiento, dependiendo del grado de purificación que se quiera obtener. Así, se pueden distinguir los siguientes niveles: Pretratamiento: es un proceso en el que, usando cribas y rejillas, se separan restos voluminosos, como pueden ser palos, telas, plásticos, etc. Tratamiento primario: se hace sedimentar los materiales suspendidos en el agua residual usando procedimientos físicos y físico-químicos. En algunos casos, se dejan simplemente las aguas residuales un tiempo en grandes estanques, y se añaden al agua residual sustancias químicas quelantes, que hacen más rápida y eficaz la sedimentación de los materiales en suspensión presentes en el agua. De igual forma, en este proceso se procede a la neutralización del pH y a la eliminación de contaminantes volátiles, como puede ser el amoníaco. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Tratamiento secundario: elimina las partículas coloidales y similares del agua residual, mediante procesos biológicos y químicos. Finalizado el proceso de depuración de las aguas residuales, son nuevamente vertidas a los cursos fluviales próximos. XX Depuración de residuos petrolíferos La depuración de los vertidos producidos por los residuos petrolíferos requiere procedimientos y métodos muy específicos, entre los que cabe destacar: Contención y recogida del vertido. Se rodea con barreras físicas el petróleo vertido, y se recupera mediante sistemas de succión y separación del petróleo y el agua (centrifugación, bombeo por aspiración, adherencia a discos giratorios, fibras absorbentes, etc.). Su eficacia, no obstante, solo llega a un 10-15 % de recuperación del total del vertido. Dispersantes. Son sustancias químicas que rompen el petróleo en pequeñas gotitas por emulsión, con lo que se diluyen los efectos dañinos del vertido y se facilita la actuación de las bacterias que digieren los hidrocarburos. Incineración. Consiste en quemar el petróleo derramado. Es un método muy eficaz para eliminar los vertidos procedentes de hidrocarburos, pues alcanza al 95 % de estos. El problema inducido por este método es que genera gran cantidad de humo con un alto contenido en partículas, por lo que es muy espeso. Biodegradación. Dado que existen microorganismos (bacterias y hongos, principalmente) que se alimentan de hidrocarburos y los transforman en otras sustancias químicas no contaminantes, se acelera su crecimiento aportando los nutrientes y el oxígeno necesario para que se produzca un aumento considerable en el número de microorganismos. Limpieza de las costas. Cuando el vertido llega a las costas, se produce un daño ecológico muy importante en dicho ecosistema. La limpieza de las mismas se puede realizar mediante chorros de agua y/o arena sobre las rocas contaminadas, para recoger posteriormente, y de forma manual en la mayoría de los casos, el petróleo arrancado por este método. De igual forma, se limpian manualmente las zonas de playa, y se recogen los organismos vivos impregnados de petróleo, cuando la magnitud del vertido así lo permita. Explica en qué consiste la autodepuración de ríos y acuíferos. 21 22 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 4. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) El agua como recurso natural El agua en su forma líquida es el compuesto que hace posible la vida sobre la Tierra. De hecho todos los organismos vivos están compuestos por células que contienen al menos el 60 % de agua. La distribución del agua en la biosfera se ha tratado en los apartados 1 y 2 del presente tema. El agua representa un recurso natural imprescindible en la vida del hombre, ya que interviene en múltiples facetas y actividades. Sin entrar en detalle, seguidamente se enumeran los principales usos del agua, así como el papel que desempeña como recurso natural. 4.1. Usos que el hombre da al agua Uso doméstico del agua. Las actividades domésticas en países desarrollados requieren un volumen considerable, valor medio que se cifra en 400 litros por habitante y día. Toda el agua que ingresa en un hogar ha sido tratatada y purificada. Uso agrícola. Es el uso más consuntivo del agua en el mundo; representa del orden del 80 % del agua consumida en países desarrollados. Uso industrial. Representa el 23 % del uso del agua a escala mundial y el 70 % en Estados Unidos, como ejemplo de país desarrollado. Además, las corrientes superficiales tienen un grandísimo valor como agente modelador de la Tierra, como se expondrá mas adelante. Uso de agua en corrientes superficiales. Se trata de usos para la distribución de canales, generación de energía hidroeléctrica, recreación y navegación. Uso del agua de mar. Imprescindible en navegación y pesca. 4.2. El agua como responsable de procesos naturales Generación de cursos superficiales. Los ríos tienen la importante función de conectar las cuencas terrestres con los mares y la atmósfera, actuando como agentes de transporte, distribución y depuración de las aguas en muchos casos. Los cursos superficiales son también los responsables del transporte de sales minerales, del desarrollo de innumerable cantidad de especies animales y vegetales. Con frecuencia los cursos superficiales tienen conexión con los acuíferos. Agente modelador del relieve. El agua es principal agente modelador del relieve y responsable de la mayoría de los paisajes que encontramos sobre la Tierra. Es el principal responsable de la movilización de sedimentos, de la formación de grandes cuencas sedimentarias e interviene de forma directa en el ciclo de las rocas. Responsable de presencia de ecosistemas acuáticos. Además de los ríos, el agua continental forma lagos, lagunas y humedales, ecosistemas de gran valor ecológico y con implicaciones económicas y sociales relevantes. Los principales valores socioeconómicos y medioambientales de los humedales son: controlan de forma natural las inundaciones, controlan la erosión, son zonas de descarga de agua subterránea, constituyen fuentes de abastecimiento de recursos naturales como pesca, caza , madera y turba, son zonas de recreo y de gran valor educacional y paisajístico. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 5. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Gestión del agua. Criterios para un uso sostenible del agua 5.1. Aspectos generales El Consejo de Medio Ambiente de la Unión Europea reconoció el 30 de octubre de 2007, por primera vez y de manera formal, que la sequía y la escasez de agua son una «prioridad» política, porque son problemas que afectan a numerosos países de la UE y contra los que hay que luchar con medios como el ahorro o la buena gestión de los recursos y, en última instancia, con medios alternativos, como la desalación o la reutilización del agua, siempre que estos se desarrollen en términos sostenibles. La sequía y la escasez de agua requieren una gestión integrada de la misma, que, sin embargo, no puede reducirse al ámbito europeo, dado que tiene repercusiones internacionales tales como una relación directa con la pobreza y la inmigración, por lo que es conveniente tratar estos temas también desde una perspectiva internacional. La escasez de agua tiene repercusiones directas sobre los ciudadanos y sobre sectores económicos tan diferentes como pueden ser la agricultura, la silvicultura, el turismo, la industria, la energía o el transporte. También existe un estrecho vínculo entre la sequía, la degradación del suelo y la desertificación, así como con un mayor riesgo de incendios forestales, con los consiguientes efectos sobre la contaminación atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero. La «gestión ineficaz» de los recursos es un problema vital que influye en la escasez de agua, por lo que es necesario aplicar un planteamiento enfocado a la demanda, así como mejorar la eficacia hídrica, como, por ejemplo, reducir las pérdidas por filtraciones y aplicar, por último, medidas educativas y de concienciación del problema en la sociedad. 5.2. Importancia de la gestión del agua Las razones sustanciales por las que se impone y motiva realizar una correcta gestión del agua son: El crecimiento de la población mundial, que ha pasado de 1.600 millones de personas a principios del siglo XX a más de 6.000 millones en la actualidad. Un desarrollo industrial agrícola de regadío que ha pasado de 50 millones de hectáreas a principios del siglo pasado a más de 250 millones actuales. Un consumo mundial de agua dulce que se ha multiplicado por 10 en los últimos 50 años. La extracción anual de agua subterránea en el mundo se cifra en unos 7.000 hm3/año, más del doble que hace unos 50 años. Del volumen extraído, el 70 % se destina a agricultura, el 25 % a uso urbano y el 5 % restante a uso industrial. Los mayores incrementos (+ 50 %) de utilización de aguas subterráneas se ha producido en países en vías de desarrollo con climas áridos o semiáridos, con grandes desiertos, como Arabia Saudita, Egipto, Libia o Túnez. En estos países el agua es un recurso no renovable. En España la estimación de extracciones anuales de agua subterránea es de unos 5.500 hm3. El 80 % se dedica a regadío, el 17 % para uso urbano y el 3 % para uso industrial. 5.3. Gestión conjunta de aguas subterráneas y superficiales Las medidas necesarias para mejorar la gestión integral del agua pasan por la utilización conjunta de las aguas superficiales y subterráneas, con la participación efectiva de todos los implicados en la toma de decisiones. La idea básica para este propósito consiste en aprovechar las aguas superficiales 23 24 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) en épocas de lluvia y en periodos húmedos, dejando que se recarguen los acuíferos. El aprovechamiento de las aguas subterráneas se limitaría a periodos secos con escasez de agua superficial. Para que este modelo sea efectivo resulta imprescindible conocer el balance hídrico del sistema, entradas y salidas, con objeto de mantenerse siempre dentro de unos márgenes razonables de extracción de agua subterránea. Mejorar la gestión del agua en el mundo pasa por una coyuntura socioeconómica de privatización del agua de determinados servicios hídricos, realizar un desarrollo más sostenible en los modos de vida, una mayor preocupación ecológica por la explotación del agua superficial y subterránea, y sobre todo una mayor conciencia social sobre la gestión del agua. En relación con este último punto, cada vez son más los centros de interpretación del agua y la documentación e información educativa y divulgativa. 5.4. Criterios para un uso sostenible del agua Los criterios básicos sobre la gestión sostenible del agua, basados en diferentes documentos de consejos nacionales e internacionales, podrían resumirse en los siguientes puntos: Renovar los compromisos nacionales en relación con las agendas de investigación y prioridades, e inyección de fondos. Entender la calidad y cantidad de una forma interrelacionada. Invertir en la investigación del agua subterránea y desarrollarla. Realizar una gestión conjunta de las aguas superficiales y subterráneas. Elaborar planes hidrológicos con el consenso de representantes de diferentes estamentos sociales. Fomentar e incrementar la participación social en actividades educativas dirigidas a la gestión del agua. Invertir en el control y mejora de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. Aplicar y mejorar la legislación y control sobre efluentes industriales. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA REFERIDA BASTIDA, F. (2005): Geología. Una visión moderna de las Ciencias de la Tierra. Vols. I y II. Gijón: Trea. CUSTODIO, E. (2000): «Aguas subterráneas y humedales». Seminario sobre conflictos entre el desarrollo de las aguas subterráneas y la conservación de ecosistemas acuáticos. Proyecto Aguas subterráneas, 32 págs. PRICE, M. (2003): Agua subterránea. México: Limusa. BIBLIOGRAFÍA COMENTADA CRAIG, J. R.; VAUGHAN D. J. y SKINNER B. J. (2007): Recursos de la Tierra. Madrid: Pearson Alhambra. Ofrece una exposición actualizada de los recursos minerales del siglo XXI. Está estructurado en cuatro partes: (1) Introducción y origen de los recursos, (2) Historia e impacto ambiental del uso de los recursos, (3) La energía, (4) Metales, (5) Recursos utilizados para fertilizantes, productos químicos, construcción e industria y (6) Agua y suelo para el soporte de la vida. GARCÍA, M. y FERNÁNDEZ, A. E. (2008): Hidrogeología básica. Las aguas subterráneas y su flujo. Madrid: Ediciones FIEC. Por su lenguaje sencillo el libro está especialmente indicado para estudiantes de ingenierías, licenciaturas y otras titulaciones, interesados en introducirse en el mundo de las aguas subterráneas sin necesidad de conocimientos previos. El libro está estructurado en cuatro capítulos ilustrados y contiene ejercicios resueltos y propuestos. LLAMAS M. R.; FORNES, J. M., HERNÁNDEZ-MORA N. y MARTÍNEZ, L. (2001): Aguas subterráneas: retos y oportunidades. Madrid: Mundi-Prensa Libros. Ofrece un panorama amplio y detallado del papel de las aguas subterráneas en España. Se centra principalmente en aspectos relacionados con la gestión y economía del agua. PERNÍA, J. M. y FORNÉS, J. M. (2008): Cambio climático y agua subterránea. Visión para los próximos decenios. Madrid: Instituto Geológico y Minero de España (IGME). Ministerio de Ciencia e Innovación. Presenta el fenómeno del cambio climático desde una perspectiva geológica. Revisa aspectos relacionados con el agua subterránea, su lugar en el ciclo hidrológico y sus usos más habituales. TRUYOLS, S.; GARCÍA, M.; FUENTES, R., y PEÑATE, O. (2008): Desarrollo y sostenibilidad de los recursos hídricos. Dos casos de estudio. Madrid: Delta Publicaciones. En este libro de investigación realizado entre universidades de España y Cuba, se trata el problema del agua, primero en relación con las implicaciones ambientales y de gestión a escala mundial, para pasar después a comentar dos casos particulares de gestión de humedales, la ciénaga de Zapata en Cuba y las Tablas de Daimiel en España. 25 26 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) WEBGRAFÍA http://es.wikipedia.org/wiki/Hidrosfera http://www.astroyciencia.com/2007/09/11/la-hidrosfera/ www.geocities.com/ http://aguas.igme.es/igme/publica/libro20/lib20.htm http://www.isftic.mepsyd.es/profesores/asignaturas/biologia_y_geologia/ Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) RESUMEN BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 18. La hidrosfera. El ciclo del agua en el planeta. La calidad del agua. Contaminación acuática. Eutrofización. Sistemas de tratamiento y depuración. El agua como recurso natural. Gestión del agua. Criterios para un uso sostenible del agua. 18.1. 18.2. 18.3. 18.4. 18.5. La hidrosfera. El ciclo del agua en el planeta. La calidad del agua. Contaminación acuática. Eutrofización. Sistemas de tratamiento y depuración. El agua como recurso natural. Gestión del agua. Criterios para un uso sostenible del agua. 1. la hidrosfera. El ciclo del agua en el planeta 2. La calidad del agua. Contaminación acuática 1.1. la hidrosfera 2.1. La calidad del agua Todas las aguas del planeta forman la hidrosfera, la capa fluida que cubre el 71 % de la superficie terrestre y que, desde el espacio, se ve como la característica más distintiva de la Tierra. La hidrosfera está formada por los océanos y las aguas continentales, ya sean estas de ríos, lagos o aguas subterráneas, y por los hielos polares y de las montañas. Esta agua se encuentra en constante movimiento, tanto por la superficie de la Tierra como por la atmósfera, donde llega mediante la evaporación. El agua no permanece estacionaria sobre la Tierra, sino que se establece una circulación del agua entre los océanos, la atmósfera y la litosfera-biosfera de forma permanente. El concepto de ciclo se basa en el permanente movimiento o transferencia de las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro como entre sus diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Este flujo de agua se produce por dos causas principales: la energía solar y la gravedad. 1.2. Componentes del ciclo hidrológico 1.2.1. Precipitación La precipitación es agua liberada desde las nubes en forma de lluvia, aguanieve, nieve o granizo, aunque la mayor parte de la precipitación se produce en forma de lluvia. 1.2.2. Evaporación La evaporación es el principal proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso mediante la energía calorífica, normalmente producida por el sol. 1.2.3. Evapotranspiración La evapotranspiración es un término que se aplica solo a un área de terreno cubierto de vegetación, ya que de lo contrario se trataría de evaporación. Se puede hablar de evapotranspiración potencial y real. 1.2.4. Escorrentía Es la fracción de la precipitación caída en una cuenca vertiente que escapa a la evapotranspiración y circula superficial y subterráneamente. Puede ser superficial o subterránea. 2.1.1. Calidad del agua y salud La calidad del agua es un término difícil de definir debido a su subjetividad y al uso que se le vaya a dar y su destino final. Desde los años setenta se ha producido un gran desarrollo en la comprensión de los efectos de la calidad del agua sobre la salud de población. No obstante, hoy en día continúan produciéndose brotes de enfermedades importantes de origen hídrico, tanto en países desarrollados como en países en vías de desarrollo. El origen de la contaminación puede relacionarse con la presencia de patógenos o productos químicos. 2.1.2. Indicadores biológicos Los ecosistemas acuáticos mantienen una gran diversidad de organismos. Por este motivo, algunos organismos pueden proporcionar información de cambios físicos y químicos en el agua en función de modificaciones en la composición de la comunidad. Los indicadores suelen emplearse para la detección de sustancias contaminantes, ya sean estos metales pesados, materia orgánica, nutrientes (eutrofización), o elementos tóxicos como hidrocarburos, pesticidas, ácidos, bases y gases. 2.2. Contaminación acuática 2.2.1. Origen de la contaminación La Organización Mundial de la Salud (OMS) considera que el agua está contaminada cuando su composición o estado natural se ven modificados de tal modo que pierde las condiciones aptas para los usos a los que estaba destinada. El agua contaminada presenta alteraciones físicas (temperatura, color, densidad, suspensiones, radiactividad, etc.), químicas (sustancias disueltas, composición, etc.) o biológicas, por lo que no puede cumplir sus funciones ecológicas. La contaminación de las aguas puede tener un «origen natural» o un «origen antrópico». 1 2 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 2.2.2. Principales contaminantes Debido a la gran variedad de agentes que provocan la contaminación de las aguas, se pueden clasificar según criterios muy diversos. En este apartado, para simplificar su estudio y análisis, se han agrupado en ocho categorías o grupos: microorganismos patógenos, desechos orgánicos, sustancias químicas inorgánicas, nutrientes vegetales inorgánicos, compuestos orgánicos, sedimentos y materiales en suspensión, sustancias radiactivas y contaminación térmica. 2.2.3. Contaminación de masas de agua Afecta a todas las masas de agua presentes en la biosfera: ríos, mares, lagos y acuíferos. 3. Eutrofización. Sistemas de tratamiento y depuración 3.1. Eutrofización 3.1.1. El proceso de eutrofización El término eutrofización hace referencia al enriquecimiento en nutrientes de un ecosistema y es muy empleado en masas de agua como lagos o embalses. 3.1.2. Causas antrópicas de la eutrofización La contaminación antropogénica es con frecuencia la responsable de la eutrofización de lagos y pantanos, al añadir elementos químicos como el nitrógeno. Si esto ocurre, se dará un incremento de la producción primaria (fotosíntesis), lo que aumentará la biomasa y producirá un empobrecimiento de la diversidad. El origen de dicha contaminación puede atribuirse a diferentes fuentes, entre las cuales algunas de las más comunes son: contaminación urbana, agropecuaria, forestal y atmosférica. 3.2.4. Métodos de tratamiento y depuración XX Estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) La mayor parte de los vertidos de aguas residuales que se hacen en el mundo son descargados a los ríos, lagos o mares sin ser tratados. En la mayoría de los países desarrollados los vertidos procedentes de aguas residuales son tratados en «estaciones depuradoras de aguas residuales» (EDAR). El objetivo de estos tratamientos es, en general, reducir la carga de contaminantes del vertido y convertirlo en inocuo para el ambiente. XX Depuración de residuos petrolíferos La depuración de los vertidos producidos por los residuos petrolíferos requiere procedimientos y métodos muy específicos. 4. El agua como recurso natural El agua representa un recurso natural imprescindible en la vida del hombre, ya que interviene en múltiples facetas y actividades. Sin entrar en detalle, seguidamente se enumeran los principales usos del agua, así como el papel que desempeña como recurso natural. 4.1. Usos que el hombre da al agua Uso doméstico del agua. Uso agrícola. Uso industrial. Uso de agua en corrientes superficiales. Uso del agua de mar. 4.2. El agua como responsable de procesos naturales Generación de cursos superficiales. Agente modelador del relieve. Responsable de presencia de ecosistemas acuáticos. 3.2. Sistemas de tratamiento y depuración 3.2.1. Determinaciones analíticas básicas Son muchas las determinaciones que pueden hacerse sobre la calidad química de las aguas. A continuación se comentan únicamente las más representativas, que deben tenerse en cuenta para poder definir el sistema más adecuado de tratamiento y depuración. Las más típicas son: oxígeno disuelto en el agua, presencia de nitrógeno, determinación del pH, conductividad eléctrica, temperatura del agua y análisis de la presencia de bacterias coliformes. 3.2.2. Depuración natural de las aguas superficiales Los cursos fluviales poseen cierta capacidad de autodepuración (sobre todo de la materia orgánica), que en términos generales se puede decir que tiene relación con el caudal y la turbulencia del agua. 3.2.3. Depuración natural de las aguas subterráneas La contaminación de las aguas subterráneas es un proceso más difícil de advertir que la de las aguas superficiales, precisamente por circular bajo la superficie del terreno. Cuando un acuífero se contamina, el proceso de recuperación es muy complejo y costoso, y no siempre es posible. 5. Gestión del agua. Criterios para un uso sostenible del agua 5.1. Aspectos generales El Consejo de Medio Ambiente de la Unión Europea reconoció el 30 de octubre de 2007, por primera vez y de manera formal, que la sequía y la escasez de agua son una «prioridad» política, porque son problemas que afectan a numerosos países de la UE y contra los que hay que luchar con medios como el ahorro o la buena gestión de los recursos y, en última instancia, con medios alternativos, como la desalación o la reutilización del agua, siempre que estos se desarrollen en términos sostenibles. Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 5.2. Importancia de la gestión del agua Las razones sustanciales por las que se impone y motiva realizar una correcta gestión del agua son: El crecimiento de la población mundial. Un desarrollo industrial y agrícola de regadío con gran de- manda de agua. Un consumo mundial de agua dulce que se ha multiplica- do por diez en los últimos cincuenta años. Una alta extracción anual de agua subterránea, superior a la recarga natural. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 5.4. Criterios para un uso sostenible del agua Entender la calidad y cantidad de una forma interrelacio- nada. Invertir en la investigación del agua subterránea y desarro- llarla. Realizar una gestión conjunta de las aguas superficiales y subterráneas. Elaborar planes hidrológicos con el consenso de represen- tantes de diferentes estamentos sociales. Fomentar e incrementar la participación social en activida- 5.3. Gestión conjunta de aguas subterráneas y superficiales Las medidas necesarias para mejorar la gestión integral del agua pasan por la utilización conjunta de las aguas superficiales y subterráneas, con la participación efectiva de todos los implicados en la toma de decisiones. des educativas dirigidas a la gestión del agua. Invertir en el control y mejora de los sistemas de tratamien- to de aguas residuales. Aplicar y mejorar la legislación y control sobre efluentes industriales. 3 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) AUTOEVALUACIÓN 1. La hidrosfera cubre la superficie terrestre en: a. Un 99 %. b. Aproximadamente un 70 %. c. El 48 %. d. Un 65 %. 2. La propiedad del calor específico del agua: a. Se refiere a la facilidad de absorber o soltar calor. b. Está relacionada con el punto de congelación del agua. c. Se refiere a la facilidad que tiene el agua para vaporizarse. d. Tiene relación con la densidad del agua. 3. El tiempo medio de residencia del agua en los mares y océanos es de: a. 10.000 años. b. 50.000 años. c. 250.000 años. d. 2.500 años. 4. El motor principal del ciclo hidrológico es: a. La topografía del terreno. b. Los ciclos solares. c. La energía solar. d. La energía de los ríos. 5. La evapotranspiración potencial depende de: a. Solo del agua disponible en el suelo. b. Es una valor teórico que no siempre se alcanza. c. El agua disponible y la temperatura ambiente. d. Solo de la latitud de la zona de estudio. BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 1 2 BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA tema 18 Manuel García Rodríguez ISBN: 978-84-92767-65-6. (2012) 6. La intrusión salina de refiere a: a. La entrada de sales en los ríos costeros. b. La salinización de acuíferos por presencia de evaporitas. c. La contaminación de acuíferos en zonas costeras. d. La salinización de humedales. 7. La autodepuración de las aguas superficiales tiene que ver con: a. Caudal y temperatura del agua. b. Horas de radiación solar. c. Caudal y agitación del agua. d. Presencia de microorganismos. 8. Los acuíferos con mayor capacidad de autodepuración son: a. Acuíferos libres cársticos. b. Acuíferos cautivos. c. Acuíferos en medios porosos. d. Acuíferos en zonas costeras. 9. La eutrofización tiene que ver con: a. La salinidad del agua. b. Exceso de nutrientes en el agua. c. La temperatura del fondo. d. El color del agua. 10. La gestión hidrológica de una cuenca debe basarse en: a. La escorrentía superficial. b. La escorrentía subterránea. c. Las aguas superficiales y subterráneas. d. La calidad química de los ríos.
