Características geoquímicas del agua, su contaminación y relación con acuíferos

Resumen

El agua es esencial para la mayoría de las formas de vida conocidas por el hombre, incluida la humana. El acceso al agua potable se ha incrementado durante las últimas décadas en la superficie terrestre. El presente trabajo tiene como objetivo relacionar dos importantes ciencias: química y geología; desde el punto de vista educativo. Su principal objeto es el agua, con todas sus características, propiedades y fuentes contaminantes. De manera muy sencilla se caracteriza geoquímicamente las formaciones geológicas y su relación con los acuíferos. En base a los tipos de porosidad en los medios rocosos, se clasifican los tipos de acuíferos. Se explica el ciclo hidrológico del agua en la naturaleza; así como el análisis químico y calidad de las mismas. Debido a la importancia que tienen los elementos químicos en el preciado líquido, se muestran una seria de clasificaciones: desde el punto de vista geológico, basado en su uso y por su composición química (hidroquímica). Se desglosa una seria de parámetros que explican los tipos de contaminación de las aguas y su origen. Por último se toma de ejemplo Cuba para conocer la importancia y el uso que tienen los acuíferos de agua mineral natural y mineromedicinal más importantes del Caribe. Clasificando a las aguas cubanas en bicarbonatadas cálcicas, bicarbonatadas magnésicas y cloruradas sódicas. Los principales componentes medicinales son: sulfuro, bromo y silicio. Por eso hay que tener presente que, el agua tiene un papel fundamental como motor de la actividad biológica en nuestro planeta.

Abstract

Water is essential for the majority of the kind of life known by the man, included the human being. The access to the drinking water has increased during last decades in the terrestrial surface. The present work aims related two important sciences: Chemistry and geology; from the educational point of view. His principal object is the water, with all its characteristics, properties and contaminating sources. The very simple way are characterized by Geochemical the geological formations and his relation with the water-bearing. The water-bearing are classified on the basis of the types of porosity in the rocky medium. It"s explained the hydrologic cycle of the water in the nature, as well as his chemical analysis and quality. Due the importance of the chemical elements for the precious liquid, are show some classifications from the geologic point of view, based in his use and chemical composition (hydrochemical). Are separate some parameters for explained the kind of water contamination and his origin. The example of Cuba is taken finally for to know the importance and useful of the more important mineromedical and natural mineral water bearing in the Caribbean. The Cuban waters are classifying in bi-carbonated calcic, bi-carbonated magnesic and clorurate sodium. The principal medical components are: Sulfide, bromine and silica. For that reason it is necessary to have present than, the water has an essential role as engine in the biological activity in our planet.

Introducción

El tema que se aborda en este trabajo es de gran importancia en el contexto de la Hidrogeología y las Ciencias del  Ambiente. Su aplicación se vincula a la gestión y aprovechamiento de los recursos hídricos en su concepto más amplio, que incluye las aguas naturales y minerales. El agua en la Tierra aparece en muchas formas diferentes: vapor de agua en la atmósfera, agua de lluvia y de nieve en las precipitaciones, agua salada en los océanos, marismas y aguas profundas, agua dulce en ríos, lagos y glaciares: así como el agua subterránea que se encuentra por debajo del superficie de la tierra a relativa poca profundidad. La supervivencia del hombre depende del agua. Esta es imprescindible para la vida, siendo el componente inorgánico más abundante de los seres vivos. El agua cubre más del 70 % de la superficie del planeta, se encuentra distribuida en océanos, lagos, ríos, glaciares, en el aire y en el suelo. La reserva más importante se encuentra en el mar, donde cubre el 97.5 % de la superficie del planeta. Sin embargo, hasta el presente, la desalación del agua de mar es muy costosa (Rámirez – Quirós, 2005).

Figura 1. El Río Cauto, el más caudaloso de Cuba.

Cuando escasea el agua o se utiliza indebidamente, esta puede ser destructiva. Los programas de riego mal concebidos echan a perder las tierras de cultivo, al igual que las sequías o la desertificación. Por otro lado, las prácticas erróneas de utilización de la tierra, tales como el pastoreo excesivo y la deforestación, pueden convertir el agua en un poderoso agente de erosión. Por último, los residuos industriales pueden transformar los ríos en cloacas y las precipitaciones ácidas que contienen las partículas que expulsa la industria, son capaces de destruir bosques enteros y la vida acuática en lagos y embalses. Si bien el agua es un recurso renovable a escala global, a escala regional o local esto no se cumple y ocasionalmente pueden obtenerse déficit en el balance hídrico. Por otro lado, la calidad del agua en ese ciclo se deteriora, de ahí que cada día se acentúe lo que se ha denominado ¨ la crisis del agua ¨ (Rámirez – Quirós, 2005) (Figura 1).

Esta situación que ya es crítica en algunos países de África, Europa y América, exige del conocimiento riguroso de estos recursos tanto en cantidad como en calidad, así como el desarrollo de políticas y acciones encaminadas a la gestión y aprovechamiento de los recursos hídricos. En Cuba, esta situación no es tan crítica como muchos países, por la ocurrencia de precipitaciones de diferente índole (convectivas, asociadas a los frentes fríos y durante los huracanes), aunque la distribución no es uniforme en todo el país, existiendo zonas afectadas por prolongadas sequías. El problema del agua ocupa un lugar destacado a nivel internacional. Se promueven a través del PNUD, ONUDI, FAO, UNESCO, OMS, PHI y otras organizaciones de Naciones Unidas, un gran número de programas y proyectos de investigación, así como recomendaciones a gobierno, encaminadas a asegurar nuevas disponibilidades del recurso, que mitiguen su escasez en zonas críticas. En este marco es imprescindible conocer y evaluar la calidad de las aguas y precisar los efectos del vertimiento indiscriminado de residuales y otras acciones antropogénicas. El hombre que ha roto el equilibrio ecológico del planeta está, sin embargo, en condiciones de salvarlo poniendo su inteligencia y capacidad al servicio del desarrollo de tecnologías y acciones remediadoras (Rámirez – Quirós, 2005).

La hidrogeología y el ciclo del agua en la naturaleza

Según Viessman y Lewis (2003), la Hidrología es la disciplina de la ciencia que estudia el agua en su más amplia acepción. Cuando el agua se utiliza con fines terapéuticos entonces es objeto de estudio de otras disciplinas relacionadas: la Hidrología Médica, la Hidroterapia y la Talasoterapia. Si el agua es empleada para estos fines es de origen subterráneo (agua mineral y mineromedicinal) la parte de la Hidrología Médica que se encarga de su estudio se conoce como Crenoterapia. La Hidrología se subdivide a su vez atendiendo a diferentes criterios, siendo la más simple de las divisiones la que comprende la Hidrología Superficial y la Hidrología Subterránea o Hidrogeología, según se ocupen del estudio de las aguas superficiales o subterráneas respectivamente.

El ciclo hidrológico o ciclo del agua (Figura 2) es un proceso continuo en el cual el agua es evaporada desde los océanos, se mueve hacia los continentes como humedad del aire y produce precipitación. La precipitación que cae sobre los continentes y tierras firmes se distribuye por varios caminos. Una parte es retenida en el suelo y vuelve a la atmósfera por evaporación (conversión de agua líquida en vapor de agua), o puede pasar a la atmósfera en forma de vapor mediante respiración de las plantas (transpiración), la combinación de ambos fenómenos es llamada evapotranspiración. Otra porción se convierte en escorrentía superficial que alimenta los ríos. Finalmente, una parte entra en el suelo como infiltración (escorrentía subterránea) (Viessman y Lewis, 2003).

La ocurrencia de las aguas subterráneas está asociada a las formaciones geológicas más o menos permeables conocidas como acuífero (Figura 3), y su movimiento depende de las propiedades físicas de las rocas que lo componen. Este movimiento puede expresarse en términos de retención y rendimiento de agua (Fetter, 2001). Algunos materiales como la arcilla, constituyen formaciones impermeables que pueden contener agua, pero son incapaces de trasmitir cantidades significativas de la misma. Existen otras formaciones prácticamente impermeables que no contienen ni trasmiten agua, como por ejemplo el granito (acuífogos). La porosidad original se debe a los procesos geológicos primitivos de las rocas ígneas y sedimentarias (Tabla 1). Otros poros denominados secundarios, se han originado con posterioridad a la formación de la roca por agrietamiento, fisuración o disolución química. Atendiendo a su tamaño, estos poros o grietas pueden ser de dimensiones capilares o más grandes, pueden encontrarse aislados o constituyendo redes conectadas a través de conductos. El 90 por ciento de los acuíferos aprovechables consisten en rocas no consolidadas, principalmente grava y arena.

Figura 2. Ciclo hidrológico o ciclo del agua

Tabla 1. Material  Permeabilidad (%)

Figura 3. Tipos de Acuíferos

Análisis químico y calidad de las aguas

Enlaces por puentes de hidrógeno.

Entre las moléculas de agua se establece un tipo de enlace intermolecular débil: el enlace por puentes de hidrógeno.Un enlace por puentes de hidrógeno se establece necesariamente entre un átomo con un diferencial de carga negativo y otro con diferencial de carga positivo. Estos átomos pueden estar en diferentes moléculas como en el caso que nos ocupa, o ser parte de una misma gran molécula, como a menudo sucede en las proteínas. En el caso del agua podemos decir que una molécula de agua puede unirse con hasta otras cuatro moléculas diferentes de agua, si bien estas uniones son de muy corta duración en el tiempo; los enlaces de hidrógeno se forman y destruyen de manera muy rápida: la duración de cada uno de ellos en el agua líquida viene a ser del orden de 10 elevado a la –10 a 10 elevado  a la –21 segundos (Lloyd y Heathcote, 1985).

Clasificación de las aguas desde el punto de vista geológico

Sobre la base de su génesis, se han clasificado de forma diferente por distintos investigadores, éstas pueden agruparse de la manera siguiente:

• 1. Aguas juveniles (no involucradas en la circulación atmosférica).a) Magmáticas.Otras aguas juveniles.

• 2. Aguas surgentes o reciclables (involucradas en la circulación atmosférica).a) Aguas meteóricas.Aguas de precipitación (lluvia o nieve).Aguas de suelo.Aguas subterráneas cercanas a la superficie  (subsuperficiales).b) Aguas oceánicas que penetran en los acuíferos.c) Aguas fósiles o connatas.De origen marino.De origen no marino.d) Aguas metamórficas. Aguas con alto contenido de CO2 y boro.Otros tipos de aguas.

• 3.  Aguas magmáticas

Clasificación del agua por su uso

La composición química de un agua natural, en función del uso que a la misma se le dé, se denomina calidad del agua, y existen una serie de normas que regulan las concentraciones permisibles que debe poseer cada elemento o indicador de calidad según los diferentes usos. Por ejemplo, las normas establecidas para que un agua se pueda utilizar para el abasto exigen un contenido despreciable de los componentes de los ciclos del nitrógeno y el fósforo. Sin embargo, para el riego las aguas deben poseer un alto contenido de los mismos (Hiscock, 2005).

Las aguas superficiales y subterráneas, si se atiende al carácter de su utilización, se pueden clasificar en diez grupos:

• 1. Suministro rural y urbano.

• 2. Regadío para la producción agraria.

• 3.  Abastecimiento para los procesos industriales.

• 4. Producción de energía mecánica y eléctrica.

• 5. Agua para fines terapéuticos.

• 6. Consumo mediante embotellamiento.

• 7. Carga, descarga y transportación.

• 8. Conservación de la flora y fauna silvestre.

• 9. Reproducción y consumo de plantas y animales acuáticos.

• 10. Agua para fines recreativos y culturales.

Clasificación hidroquímica de las aguas.

Los criterios químico-físicos de la clasificación de las aguas kársticas no se distinguen de los utilizados para las aguas naturales en general. Se basan en el contenido de los iones más abundantes. En la literatura aparecen numerosas clasificaciones que responden a diferentes objetivos. De su análisis se puede considerar como más ventajosas la siguiente, el método de clasificación de Alekine Este método toma en cuenta  los tres  aniones más importantes: HCO3- + CO32- , Cl- y SO42-. A su vez cada clase se divide en tres grupos, según el catión que predomine (Ca2+, Mg2+ o Na+) (Hiscock, 2005). De esta forma, las aguas se clasifican en:

Tipo:I.    Aguas bicarbonatadas (predominio de HCO3-).II.   Aguas sulfatadas (predominio del SO42- ).III.  Aguas cloruradas (predominio del Cl-).

Clases:a)    Aguas cálcicas (predominio del Ca2+ ).b)    Aguas magnésicas (predominio del Mg2+ ).c)    Aguas sódicas (predominio del Na+).

Adquisición de la composición química del agua

Las aguas naturales adquieren su composición química mediante un proceso complejo, donde intervienen factores geológicos, hidrogeológicos, geomorfológicos, climáticos, pedológicos, antrópicos, químico-físicos y otros. El papel que juegan los diferentes factores (geológicos, geomorfológicos, hidrogeológicos, etc.), en el modo en que las aguas adquieren su calidad hidroquímica (Tabla 2), podrán ser ampliados en otros textos especializados. Los factores geológicos se relacionan con la litología (composición de los minerales de las rocas), el estado de yacencia de las secuencias estratigráficas, la tectónica, el agrietamiento, la textura y porosidad de las rocas, etc. La litología determina, por lo general, las facies hidroquímicas dominantes en una región determinada, es decir, el tipo de agua. Así por ejemplo, en los terrenos kársticos carbonatados las aguas suelen ser del tipo bicarbonatada cálcica (Lloyd y Heathcote, 1985).

Tabla 2. Los componentes que se tienen en cuenta, para determinar la calidad del agua, desde el punto de vista químico.

Los factores de tipo geomorfológico también influyen en la composición química de las aguas, en especial, el escarpe de los macizos, el tipo de vegetación, el grado de erosión de los terrenos y la naturaleza de las propias formas del relieve. A pesar de que las formas de adsorción (dolinas, sumideros, etc.), se pueden considerar el resultado de los procesos de erosión en terrenos kársticos, una vez creadas esas formas, éstas facilitan o limitan la ulterior acción de corrosión química sobre el medio, lo cual se refleja en la composición química de las aguas (Lloyd y Heathcote, 1985).

Contaminación de aguas

Se entiende por contaminación del medio hídrico o contaminación del agua a la acción o al efecto de introducir algún material o inducir condiciones sobre el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación a sus usos posteriores o sus servicios ambientales. Según la OMS (Organización Mundial de la Salud), el agua está contaminada cuando su composición se haya alterado de modo que no reúna las condiciones necesarias para ser utilizada beneficiosamente en el consumo del humano y de los animales. En los cursos de agua, los microorganismos descomponedores mantienen siempre igual el nivel de concentración de las diferentes sustancias que puedan estar disueltas en el medio. Este proceso se denomina auto depuración del agua. Cuando la cantidad de contaminantes es excesiva, la autodepuración resulta imposible (Drever, 1997) (Figura 1).

Figura 1. Contaminación de las aguas.

Tipos de contaminación de las aguas

• 1. Contaminantes físicos. Afectan el aspecto del agua y cuando flotan o se sedimentan interfieren con la flora y fauna acuáticas. Son líquidos insolubles o sólidos de origen natural y diversos productos sintéticos que son arrojados al agua como resultado de las actividades del hombre, así como, espumas, residuos oleaginosos y el calor (contaminación térmica).

• 2. Contaminantes químicos. Incluyen compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos o dispersos en el agua. Los contaminantes inorgánicos son diversos productos disueltos o dispersos en el agua que provienen de descargas domésticas, agrícolas e industriales o de la erosión del suelo. Los principales son cloruros, sulfatos, nitratos y carbonatos.

• 3. Los contaminantes orgánicos también son compuestos disueltos o dispersos en el agua que provienen de desechos domésticos, agrícolas, industriales y de la erosión del suelo. Son desechos humanos y animales, de rastros o mataderos, de procesamiento de alimentos para humanos y animales, diversos productos químicos industriales de origen natural como aceites, grasas, breas y tinturas, y diversos productos químicos sintéticos como pinturas, herbicidas, insecticidas, etc.

• 4. Otros contaminantes como los metales pesados (plomo, cadmio, mercurio), ciertos plaguicidas, los cianuros, los hidrocarburos, el arsénico y el fenol provocan prácticamente la destrucción de los ecosistemas acuáticos y también serios daños a las personas que consuman agua o sus productos contaminados por esta clase de productos químicos.

Según el origen se considera que la contaminación es de dos tipos

a) la contaminación producida por causas naturales o geoquímicas y que generalmente no está influenciada por el hombre, y 

b) la contaminación provocada por las actividades del hombre y se le llama contaminación antropogénica.

Métodos para eliminar la contaminación de las aguas

• Usar un tratamiento avanzado de los desechos para remover los fosfatos provenientes de las plantas industriales y de tratamiento antes de que lleguen a un lago.

• Prohibir o establecer límites bajos de fosfatos para los detergentes.

• A los agricultores se les puede pedir que planten árboles entre sus campos y aguas superficiales.

• Dragar los sedimentos para remover el exceso de nutrientes.

• Retirar o eliminar el exceso de maleza.

• Controlar el crecimiento de plantas nocivas con herbicidas y plaguicidas.

• Bombear aire para oxigenar lagos y rebalses.

• Usar y desperdiciar menos electricidad.

• Limitar el número de plantas de energía que descarguen agua caliente en el mismo cuerpo de agua.

• Entregar el agua caliente en un punto lejano de la zona de playa ecológicamente vulnerable.

• Utilizar torres de enfriamiento para transferir el calor del agua a la atmósfera.

• Descargar el agua caliente en estanques, para que se enfríe y sea reutilizada.

• Usar y desperdiciar menos petróleo.

• Colectar aceites usados en automóviles y reprocesarlos para el reuso.

• Prohibir la perforación y transporte de petróleo en áreas ecológicamente sensibles y cerca de ellas.

• Aumentar en alto grado la responsabilidad financiera de las compañías petroleras para limpiar los derrames de petróleo.

• Requerir que las compañías petroleras pongan a prueba rutinariamente a sus empleados.

• Reglamentar estrictamente los procedimientos de seguridad y operación de las refinerías y plantas.

• Tratar el petróleo derramado con sustancias químicas dispersantes rociadas desde aviones.

• Usar helicóptero con láser para quemar los componentes volátiles del petróleo.

• Usar barreras mecánicas para evitar que el petróleo llegue a la playa.

• Bombear la mezcla petróleo – agua a botes pequeños llamados "espumaderas", donde máquinas especiales separan el petróleo del agua y bombean el primero a tanques de almacenamiento.

• Aumentar la investigación del gobierno en las compañías petroleras sobre los métodos para contener y limpiar derrames de petróleo.

• Prohibir la disposición de desechos peligrosos en rellenos sanitarios por inyección en pozos profundos.

• Monitorear los acuíferos.

• Disponer controles más estrictos sobre la aplicación de plaguicidas y fertilizantes.

• Requerir que las personas que usan pozos privados para obtener agua de beber hagan que se examine ese líquido una vez al año.

Conclusiones

• Se explica el ciclo hidrológico del agua en la naturaleza, caracterizando geoquímicamente las formaciones geológicas y su relación con los acuíferos.

• En base a los tipos de porosidad en los medios rocosos, se clasifican los tipos de acuíferos en confinados y libres.

• Se explica la importancia que tiene determinar las propiedades químico-físicas de un agua natural, para los hidrólogos, hidrogeólogos, karstólogos, geomorfólogos, ingenieros sanitarios, etc.

• A través de la adquisición de la composición química del agua se explican los fundamentos de química del agua.

• Se clasificaron las aguas desde el punto de vista geológico, basado en su uso y por su composición química (hidroquímica).

• Se desglosa una seria de parámetros que explican los tipos de contaminación de las aguas y su origen.

Bibliografía

Drever, J.I. (1997). The geochemistry of Natural Waters. Prentice Hall, 3ª ed. 436 pp. 

Fetter, C. W. (2001). Applied Hydrogeology. Prentice-Hall, 4ª ed., 598 pp.

Hiscock, H. (2005). Hydrogeology. Principles and practice.Blackwell, 389 pp

Lloyd, J.W. y J.A. Heathcote (1985). Natural Inorganic Hydrochemistry in Relation to Groundwater. Claredon Press, 296 pp.

Rámirez – Quirós, F. (2005). Tratamiento de Desinfección del Agua Potable. Canal Isabel II. ISBN 84-933694-3-8.

Viessman, W. & G. L. Lewis (2003). Introduction to Hydrology. Pearson Education Inc., 5ª ed., 612 pp.

Autor:

Yusdany William Garcia Lavin