[Agua Superficial y Subterránea]   [Origen del Agua Subterránea]   [Cantidad y Calidad del Agua]   [Edad del Agua Subterránea]   [Recarga y Descarga]   [Propiedades Físicas]   [Acuíferos]   [Sistemas de Agua Subterránea]   {Pozos de Bombeo]   [Plantas que Bombean Agua]   [Utilización del Agua Subterránea]   [Abatimiento del Agua Subterránea]   [Tragedia de los Comunes]   [Impactos del Abatimiento de Agua Subterránea]   [Rendimiento Sostenible]   [Sostenibilidad y Calidad del Agua]   [Resumen]   Bibliografía]     

In nature, groundwater and surface water are connected
U.S. Geological Survey
Fig. 1   En la Naturaleza, el agua superficial y subterránea están conectados.


USO Y SOSTENIBILIDAD DEL AGUA SUBTERRÁNEA


Victor M. Ponce

Enero 2020


RESUMEN

El uso indiscriminado y, en ocasiones, excesivo de las aguas subterráneas ha generado dudas sobre su sostenibilidad. ¿En qué medida se puede explotar el agua subterránea sin comprometer indebidamente el principio del desarrollo sostenible? La sostenibilidad del agua subterránea debe evaluarse desde una perspectiva interdisciplinaria, donde la hidrología, la ecología, la geomorfología y la climatología juegan un papel importante. Los sistemas de flujo de aguas subterráneas poco profundas deben distinguirse de los sistemas de flujo de aguas subterráneas profundas; los primeros interactúan con el agua superficial, mientras que los segundos no. En general, el agua subterránea no se recicla tan rápido como el agua superficial, con las velocidades de reciclaje del agua subterránea varían de años a milenios, dependiendo de la ubicación, tipo, profundidad, propiedades y conectividad del acuífero.

El bombeo excesivo puede conducir al abatimiento del agua subterránea, en el cual el agua subterránea se extrae a un ritmo más rápido de lo que puede reponerse. El uso no regulado del agua subterránea conduce a la "Tragedia de los Comunes", con el eventual agotamiento del recurso y la ruina para todos. Los efectos del desarrollo excesivo de agua subterránea tienden a ser aparentes gradualmente, con el tiempo a menudo medido en décadas. Para asegurar la sostenibilidad, los estudios deben demostrar que los impactos hidrológicos, ecológicos y de otro tipo son mínimos. Además de la cantidad de agua, la sostenibilidad debe implicar la preservación de la calidad del agua.


1.  AGUA SUPERFICIAL Y SUBTERRÁNEA

[Origen del Agua Subterránea]   [Cantidad y Calidad del Agua]   [Edad del Agua Subterránea]   [Recarga y Descarga]   [Propiedades Físicas]   [Acuíferos]   [Sistemas de Agua Subterránea]   {Pozos de Bombeo]   [Plantas que Bombean Agua]   [Utilización del Agua Subterránea]   [Abatimiento del Agua Subterránea]   [Tragedia de los Comunes]   [Impactos del Abatimiento de Agua Subterránea]   [Rendimiento Sostenible]   [Sostenibilidad y Calidad del Agua]   [Resumen]   Bibliografía]     [Arriba]  

El agua subterránea es la porción del ciclo del agua de la Tierra que fluye bajo tierra. El agua subterránea se origina de la precipitación que se filtra en el suelo. La filtración es el flujo de agua a través del suelo y rocas porosas o fracturadas. La capa freática separa la zona saturada o del acuífero, de la zona no saturada o vadosa, donde el agua no llena todos los huecos o espacios en el suelo o roca (Fig. 1). La tendencia general es que el agua en la zona no saturada se mueva hacia abajo hasta llegar al nivel freático. Por otro lado, el agua en la zona saturada se mueve principalmente a lo largo de gradientes hidráulicos horizontales, de elevaciones más altas a más bajas. El océano es el sumidero natural de los flujos de agua subterránea.

El agua se encuentra entre los recursos naturales más preciados. En muchas regiones del mundo, las presiones del desarrollo económico están produciendo una escasez de agua superficial. Sin embargo, en la mayoría de los lugares, el agua subterránea se puede encontrar dentro de una distancia relativamente corta debajo de la superficie del suelo. Por ejemplo, Meinzer (1927), en sus primeros trabajos sobre plantas como indicadores de aguas subterráneas, informó profundidades de la capa freática que van de 4 a 50 pies (1.2 a 15 metros) en Sulphur Spring Valley, Arizona; 1 a 62 pies (0.3 a 19 metros) en la Cuenca Tularosa, Nuevo México; y de 2 a 60 pies (0.6 a 18 metros) en Big Smoky Valley, Nevada.

El suministro generalizado y aparentemente abundante de agua subterránea ha llevado a su uso indiscriminado y en ocasiones excesivo. Sin embargo, este uso puede tener efectos diversos y, a menudo, de gran alcance en la hidrología y ecología local y regional. Estos aspectos interdisciplinarios de la utilización del agua subterránea han puesto en tela de juicio el concepto de rendimiento seguro , definido como el mantenimiento de un equilibrio a largo plazo entre la cantidad de extracción y la cantidad de recarga (Sophocleous, 2000). Por lo tanto, ha surgido el problema de la sostenibilidad del agua subterránea (Alley y Leake, 2004). ¿En qué medida pueden explotarse los recursos de agua subterránea de una región sin comprometer indebidamente el principio del desarrollo sostenible? El desarrollo sostenible es el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades (Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo, 1987).


¿En qué medida pueden explotarse los recursos de agua subterránea de una región sin comprometer indebidamente el principio del desarrollo sostenible?

Al buscar respuestas a esta pregunta, debemos mirar no solo a la disciplina de geología de las aguas subterráneas, sino también a la síntesis de varias ciencias de la tierra relacionadas. La sostenibilidad de la utilización del agua subterránea debe evaluarse desde una perspectiva interdisciplinaria, donde la hidrología, la ecología, la geomorfología y la climatología juegan un papel importante. Este artículo contribuye a establecer una base científica sólida para esta síntesis.


2.  ORIGEN DEL AGUA SUBTERRÁNEA

[Cantidad y Calidad del Agua]   [Edad del Agua Subterránea]   [Recarga y Descarga]   [Propiedades Físicas]   [Acuíferos]   [Sistemas de Agua Subterránea]   {Pozos de Bombeo]   [Plantas que Bombean Agua]   [Utilización del Agua Subterránea]   [Abatimiento del Agua Subterránea]   [Tragedia de los Comunes]   [Impactos del Abatimiento de Agua Subterránea]   [Rendimiento Sostenible]   [Sostenibilidad y Calidad del Agua]   [Resumen]   Bibliografía]       [Arriba]   [Agua Superficial y Subterránea]

La precipitación es la fuente de todas las aguas subterráneas, nuevas y antiguas. La precipitación que no forma parte de la escorrentía superficial o permanece en la superficie de la tierra se filtra al suelo. Una vez allí, puede seguir tres caminos distintos (Fig. 2):

  1. Permanecer en la zona no saturada (vadosa) sujeta a acción capilar,

  2. Regresar a la atmósfera por evaporación y evapotranspiración, o

  3. Fluir hacia abajo hasta llegar al nivel freático, momento en el que se une al agua subterránea propiamente dicha.

the water cycle

Fig. 2   El ciclo hidrológico.

A lo largo de milenios, el agua subterránea se ha acumulado bajo tierra, filtrándose lentamente a través del suelo y las rocas, generalmente en dirección al océano más cercano. [Una porción más pequeña de agua subterránea se acumula en cuencas de drenaje endorreicas cerradas que se encuentran en el interior de los continentes].

En términos de su trayectoria de flujo y destino, el flujo de agua subterránea se divide en:

  • Flujo de aguas subterráneas poco profundas, y
  • Flujo profundo de agua subterránea.

El flujo de aguas subterráneas poco profundas, o escorrentía de aguas subterráneas, intercepta la superficie de la tierra, alimentando manantiales y volviendo a las aguas superficiales como el flujo perenne (o flujo base) de arroyos, ríos y otros cuerpos de agua dulce, como pantanos y lagos. Por el contrario, el flujo de aguas subterráneas profundas, o la percolación profunda del agua subterránea, no intercepta la superficie de la tierra, sino que fluye directamente hacia el océano.

La percolación superficial es la fuente del flujo de aguas subterráneas poco profundas. A nivel mundial, la cantidad anual de percolación superficial es igual a la cantidad anual de flujo base que se descarga en arroyos y ríos (World Water Balance, 1978). Dado que el flujo base constituye el 30% del flujo de la corriente, y el flujo de la corriente es aproximadamente el 40% de la precipitación, se deduce que el flujo base o la percolación superficial constituyen (0,30 x 0,40) x 100 = 12% de la precipitación (L'vovich, 1979).


Por definición, la percolación profunda no pertenece a las aguas superficiales y, por lo tanto, no puede afectar su cantidad.

La percolación profunda es la fracción de percolación que llega al agua subterránea profunda. En términos de volumen, la percolación profunda es aproximadamente 1/20 del flujo (L'vovich, 1979). Por lo tanto, sobre una base global anual, la percolación profunda constituye (0.05 x 0.40) x 100 = 2% de precipitación (Fig. 3). Este valor varía en función de la escala, de local a regional; Además, tiene una tendencia a disminuir de las regiones costeras a las del interior.

 Global annual components of precipitation
 
Fig. 3   Componentes globales anuales de la precipitación.

La cantidad de percolación profunda es de considerable interés práctico desde el punto de vista de la sostenibilidad. Por definición, la percolación profunda no pertenece a las aguas superficiales y, por lo tanto, no puede afectar su cantidad. Por otro lado, la filtración superficial es la fuente de la filtración a las aguas superficiales. Cualquier cantidad de agua extraída del agua subterránea poco profunda a través del bombeo de pozos ataja efectivamente el proceso natural, volviendo a la superficie de la tierra cantidades de agua subterránea que eventualmente regresarían a las aguas superficiales de todos modos. [Una excepción es el bombeo en zonas costeras, donde las aguas subterráneas poco profundas pueden unirse directamente al océano. Sin embargo, el bombeo excesivo de aguas subterráneas poco profundas cerca de la costa del mar puede conducir a la intrusión de agua salada].


3.  CANTIDAD Y CALIDAD DEL AGUA

[Edad del Agua Subterránea]   [Recarga y Descarga]   [Propiedades Físicas]   [Acuíferos]   [Sistemas de Agua Subterránea]   {Pozos de Bombeo]   [Plantas que Bombean Agua]   [Utilización del Agua Subterránea]   [Abatimiento del Agua Subterránea]   [Tragedia de los Comunes]   [Impactos del Abatimiento de Agua Subterránea]   [Rendimiento Sostenible]   [Sostenibilidad y Calidad del Agua]   [Resumen]   Bibliografía]       [Arriba]   [Agua Superficial y Subterránea]   [Origen del Agua Subterránea]

De toda el agua de la Tierra, solo el 3% es agua dulce; el resto es agua salina (oceánica). De todo el agua dulce en la Tierra, el 68.7% se almacena permanentemente en capas de hielo y glaciares, el 30.1% es agua subterránea, el 0.3% es agua superficial y el 0.9% es otro almacenamiento menor (Fig. 4). Por lo tanto, el agua subterránea es aproximadamente cien veces más abundante que el agua superficial. Sin embargo, aunque el agua superficial es típicamente baja en iones de sal, el agua subterránea, particularmente la que se encuentra a grandes profundidades, puede contener altas concentraciones de iones de sal, lo que limita efectivamente su uso económico. Las aguas subterráneas salinas tienen concentraciones superiores a 1,000 partes por millón (ppm). En los Estados Unidos, la profundidad de las aguas subterráneas salinas varía de menos de 500 pies (150 metros) a más de 1,000 pies (300 metros) (Alley, 2003).

The distribution of Earth's water
U.S. Geological Survey
Fig. 4   La distribución del agua de la Tierra.

Para fines de comparación, la salinidad de las aguas dulces es inferior a 500 ppm, mientras que la salinidad de las aguas oceánicas es de aproximadamente 35,000 ppm. El agua ligeramente salina, por ejemplo, el agua de riego, tiene concentraciones de 500 a 1,500 ppm, mientras que el agua moderadamente salina, como el agua de drenaje y el agua subterránea, varía de 1,500 a 5,000 ppm. Las aguas subterráneas altamente salinas pueden tener concentraciones de salinidad superiores a 5,000 ppm.


4.  EDAD DEL AGUA SUBTERRÁNEA

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La edad es una diferencia importante entre las aguas superficiales y subterráneas. Las aguas superficiales son típicamente frescas, claramente nuevas. A nivel mundial, el agua superficial se recicla cada 9 a 16 días con un promedio de 11 días (World Water Balance, 1978; L'vovich, 1979). La evaporación, la evapotranspiración y la escorrentía superficial son los agentes responsables del reciclaje relativamente rápido del agua superficial.


Las tasas de reciclaje del agua subterránea varían de años a milenios, dependiendo de la ubicación, tipo, profundidad, propiedades y conectividad del acuífero.

A diferencia del agua superficial, el agua subterránea no se recicla fácilmente. Las tasas de renovación del agua subterránea varían de días a años, y de siglos a milenios, dependiendo de la ubicación, tipo, profundidad, propiedades y conectividad del acuífero (Fig. 5). El tiempo promedio para la renovación del agua subterránea es de 1,400 años (World Water Balance, 1978). Los tiempos de renovación más cortos tienden a estar asociados con aguas subterráneas poco profundas, mientras que los tiempos de renovación más largos están asociados con aguas subterráneas profundas. Significativamente, las tasas de renovación de las aguas subterráneas profundas son aproximadamente 1/15 de las de las aguas subterráneas poco profundas (Jones, 1997). Algunas aguas fósiles pueden tener edades superiores a 30,000 años. Las técnicas de datación por carbono se pueden usar para estimar la edad de las aguas subterráneas fósiles. Estas aguas subterráneas son prácticamente no renovables; una vez usadas, no es probable que se recarguen pronto.

Age of groundwater.
U.S. Geological Survey
Fig. 5   Edad de las aguas subterráneas.


5.  RECARGA Y DESCARGA

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Los niveles de agua subterránea varían estacionalmente y anualmente. Son altas al final de la estación húmeda y bajas al final de la estación seca; asimismo, son altas al final de un año húmedo y bajas al final de uno o más años secos (un período de sequía). Sin embargo, a largo plazo (décadas o siglos), los niveles de agua subterránea que ocurren naturalmente tienden a ser estables, es decir, experimentan muy pocos cambios.

El agua subterránea se recarga naturalmente aguas arriba y descarga aguas abajo. Las áreas de recarga están cerca de los picos de las montañas, donde es probable que la precipitación sea mayor que en las tierras bajas adyacentes. Las aguas subterráneas poco profundas se descargan en los valles y otras zonas bajas de la corteza terrestre (Fig. 6). El agua subterránea profunda se descarga directamente en el océano.

Recharge and discharge of groundwater in the Gulf Islands, British Columbia.
Ministry of Environment, British Columbia
Fig. 6   Recarga y descarga de agua subterránea en
Gulf Islands, British Columbia, Canada.

A través de la intervención humana, el agua subterránea está sujeta a descargas artificiales, es decir, el proceso de bombear agua subterránea desde un acuífero para satisfacer una necesidad socioeconómica. En algunos casos, el agua subterránea también puede estar sujeta a recarga artificial. Actualmente, algunas comunidades progresivas están logrando la recarga artificial de sus acuíferos para conservar el recurso de agua subterránea.


El bombeo excesivo puede conducir al agotamiento del agua subterránea, en donde el agua subterránea se extrae a un ritmo más rápido de lo que se puede reponer.

El bombeo excesivo puede conducir al agotamiento del agua subterránea, en donde el agua subterránea se extrae de un acuífero a un ritmo más rápido de lo que se puede reponer. El agotamiento puede tener efectos importantes en las aguas superficiales y subsaturadas (vadosas) y en los ecosistemas terrestres, ribereños y de otro tipo que dependen de estas aguas.


6.  PROPIEDADES FÍSICAS

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El flujo de agua subterránea tiene dos propiedades físicas principales:

  1. Conductividad hidráulica, y

  2. Rendimiento específico.

La conductividad hidráulica es la velocidad a la que el agua fluye a través de medios porosos (suelo y roca porosa o fracturada), expresada en unidades de velocidad (metros por segundo; pies por segundo). El rendimiento específico es el volumen de poros de drenaje libre, expresado por unidad de volumen total. Un acuífero con grandes valores de conductividad hidráulica o rendimiento específico, o ambos, puede liberar grandes cantidades de agua a pozos o manantiales.

En general, el flujo de agua subterránea se describe por la Ley de Darcy (Freeze y Cherry, 1979). Esta ley establece que el caudal volumétrico Q a través de medios porosos es proporcional al área de flujo A, la conductividad hidráulica K y el gradiente hidráulico i (Fig. 7):

       Q = A K i (Ec. 1)

en la cual

       i = (ha - hb) / L (Ec. 2)

La conductividad hidráulica de un acuífero puede cambiar con la posición (heterogeneidad) y la dirección (anisotropía), pero generalmente no cambia con el tiempo. Sin embargo, el gradiente hidráulico puede cambiar en el tiempo, dependiendo de la temporada, pero lo más importante, de la tasa de bombeo y el grado de agotamiento del acuífero.

Darcy's experimental setup
Portage County, Wisconsin
Fig. 7   El ensayo experimental de Darcy.


7.  ACUÍFEROS

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Dependiendo de su posición con respecto a la superficie del suelo y otras capas permeables o impermeables (acuitardos), los acuíferos se clasifican en:

  1. No confinados, y

  2. Confinados.

Los acuíferos no confinados se encuentran cerca de la superficie y, en su mayor parte, constituyen aguas subterráneas poco profundas. Los acuíferos confinados se encuentran a mayores profundidades, debajo de una capa de confinamiento y, a menudo, bajo presión. Los acuíferos confinados pueden constituir aguas subterráneas poco profundas o profundas, según las características del flujo regional de aguas subterráneas (véase, por ejemplo, la Fig. 8). En acuíferos confinados, el rendimiento específico es reemplazado por la capacidad de almacenamiento, para reflejar el hecho de que las liberaciones de acuíferos son causadas por cambios en la presión del fluido y no por la remocion de agua de los poros.

Conceptual hydrological flow system in Georgia's coastal plains.
U.S. Geological Survey

Fig. 8   Descripción conceptual del flujo de agua superficial y subterránea
en la zona costera del estado de Georgia, EE.UU.

Dependiendo de su edad geológica, los acuíferos se clasifican en:

  1. Cuaternario, y

  2. Terciario.

Los acuíferos cuaternarios se encuentran dentro de depósitos aluviales, coluviales, glaciales o lacustres. Consisten principalmente en materiales no consolidados como arena y grava, pero también pueden tener algo de limo y arcilla. Estos acuíferos son generalmente superficiales; fluyen a través de suelos depositados en los valles y otras depresiones de la superficie de la Tierra a lo largo del Período Cuaternario (1.6 a 1.8 millones de años de edad). estos acuiferos pueden ser confinados o no confinados, y contienen, en su mayor parte, aguas subterráneas poco profundas. La conductividad hidráulica y el rendimiento específico de los acuíferos cuaternarios suelen ser grandes en comparación con los de otros acuíferos.

Los acuíferos terciarios pueden estar cerca de la superficie o a mayores profundidades, y pueden estar confinados o no confinados. Están compuestos de rocas sedimentarias o fracturadas; o, en algunos casos, de depósitos no consolidados debajo de la roca. Dependiendo de su profundidad y conectividad, los acuíferos terciarios pueden contener aguas subterráneas poco profundas o profundas, o ambas.

La conductividad hidráulica de los acuíferos sedimentarios es una función de la porosidad de la roca. Para los acuíferos fracturados, las propiedades hidráulicas dependen del tamaño, extensión, grosor, densidad, orientación y conectividad de las fracturas. A medida que los acuíferos sedimentarios más conocidos alcanzan su máximo potencial de utilización, los acuíferos de roca fracturados se aprovechan cada vez más. En algunas regiones, los acuíferos de roca fracturados constituyen una parte importante de los recursos de agua subterránea. En el continente australiano, por ejemplo, estos acuíferos subyacen al 40% de la superficie (Fig. 9).

Sedimentary and fractured rock aquifers in the Australian continent
Gobierno de Australia Del Sur

Fig. 9   Acuíferos sedimentarios y de roca fracturada en el continente Australiano.

Las tasas de movimiento de las aguas subterráneas en los acuíferos fracturados son difíciles de cuantificar, y los rendimientos a menudo son extremadamente variables y dependen de la distribución de las grandes fracturas. Por ejemplo, un estudio detallado de un acuífero de roca fracturado en el Valle de Clare, Australia del Sur, reveló una variabilidad en la conductividad hidráulica de diez órdenes de magnitud, desde 102 metros/día en algunas pruebas de bombas de acuífero hasta 10-8 metros/día en pruebas en los núcleos de roca (Love et al, 2001).

Las velocidades de flujo y las tasas de transporte de contaminantes en fracturas o cavidades pueden ser altas, lo que resulta en la aparición temprana de contaminantes en los pozos o corrientes y en la filtración y/o eliminación deficiente de los patógenos. El conocimiento de la dinámica del flujo de fractura y la orientación y ubicación de la fractura es esencial, porque las fracturas pueden causar un comportamiento notablemente anisotrópico, especialmente con respecto al transporte de contaminantes (National Research Council, 2000). En principio, la dirección del flujo en los acuíferos de roca fracturada puede diferir de la dirección del gradiente hidráulico máximo en hasta 90 o (Love et al, 2001). Por lo tanto, las rutas de flujo preferidas en los acuíferos de roca fracturada pueden cruzar los límites superficiales de la cuenca hidrográfica, desafiando la caracterización hidrológica convencional.


8.  SISTEMAS DE AGUA SUBTERRÁNEA

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Un sistema de agua subterránea puede consistir en uno o más acuíferos de diferentes tipos. La extensión de los sistemas de flujo de agua subterránea varía de unos pocos kilómetros cuadrados o menos, a decenas de miles de kilómetros cuadrados. La longitud de los flujo de agua subterránea varía de unos pocos metros a decenas de metros, y a veces cientos de kilometros. Un sistema de flujo de agua subterránea profunda, con largas distancias de flujo entre las áreas de recarga y descarga, puede estar cubierto por, y en conexión hidráulica, con varios sistemas de flujo poco profundos y más locales. Por lo tanto, la definición de un sistema de agua subterránea es en cierta medida subjetiva y depende en parte de la escala del estudio (Alley et al, 1999).


9.  POZOS DE BOMBEO

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Types of aquifers and wells
Environment Canada
Fig. 10   Tipos de acuíferos y pozos.

El bombeo desde un pozo de agua freática reduce los niveles de agua subterránea cerca del pozo (Fig. 10). La zona afectada se conoce como el cono de depresión, y la superficie de la tierra sobre ella, su área de influencia (Fig. 11). El bombeo de pozos cambia la dirección natural y el flujo de agua subterránea dentro del área de influencia. Si dos conos de depresión se superponen, la interferencia reduce el agua disponible en cada pozo (Fig. 11). La interferencia de pozos puede ser un problema cuando muchos pozos compiten por el agua del mismo acuífero, particularmente a la misma profundidad.

Cone of depression, area of influence, and well interference
 
Fig. 11   Cono de depresion, área de influencia, e interferencia de pozos.

En los casos en que el área de influencia de un pozo se extiende a un arroyo o lago cercano, se produce una inversión en la dirección del flujo y el cuerpo de agua comienza a perder agua al pozo por recarga inducida. Los arroyos, humedales y lagos pueden secarse por completo bajo condiciones sostenidas de recarga inducida.


10.  PLANTAS QUE BOMBEAN AGUA

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La característica más destacada de la flora de las regiones áridas es su relación o falta de relación con la capa freática. Por un lado, están las xerófitas adaptadas a una economía extrema del agua, que dependen de la lluvia poco frecuente para su subsistencia y que, durante períodos prolongados de sequía, se mantienen casi inactivas. Por otro lado, están las freatofitas, o plantas de pozo, que habitualmente crecen donde pueden enviar sus raíces a la capa freática, o al borde capilar que se encuentra inmediatamente sobre la capa freática; por lo tanto, pueden obtener un suministro de agua perenne y seguro (Meinzer, 1927).


Los freatofitos, o plantas de pozo, crecen habitualmente donde pueden enviar sus raíces a la capa freática.

El agotamiento del agua subterránea pone en riesgo la supervivencia de las plantas freatofitas. A su vez, la pérdida de vegetación puede producir un efecto dominó en el resto del paisaje, con aumento de la erosión, aumento del albedo de la superficie, disminución de la humedad ambiental y cambio climático.


11.  UTILIZACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEA

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El uso de un acuífero implica la eliminación de volúmenes considerables de agua subterránea, y esto cambia los patrones naturales de recarga y descarga del acuífero. La recarga neta se define como la diferencia entre recarga y descarga. En condiciones prístinas, la recarga es igual a la descarga y la recarga neta es cero (Fig. 12 A).

Bajo condiciones de desarrollo de aguas subterráneas, el bombeo equivale a descarga artificial. En un sitio dado, el agotamiento del acuífero y su cono de depresión pueden reducir efectivamente la descarga natural a un valor cercano a cero. En este caso, la recarga neta es la cantidad de recarga aumentada menos el bombeo, menos la descarga disminuida, si esta última sigue siendo positiva (Fig. 12 B). Si la recarga neta es cero, el nivel freático está en estado estable; si la recarga neta es negativa, como suele ser el caso en condiciones de agotamiento del acuífero, la napa freática continúa disminuyendo gradualmente con el tiempo.

A. Net recharge under pristine conditions. B. Net recharge under development conditions.
U.S. Geological Survey (Circular 1186)

Fig. 12   A. Recarga neta bajo condiciones prístinas.
B. Recarga neta bajo condiciones de desarrollo.

Al determinar los efectos del bombeo, se reconoce que no toda el agua bombeada es necesariamente consumida. Por ejemplo, no toda el agua bombeada para riego es consumida por evapotranspiración. Parte del agua regresa al sistema de agua subterránea como flujo de retorno. La mayoría de los otros usos del agua subterránea son similares, ya que parte del agua bombeada no se consume sino que se devuelve al sistema. Por lo tanto, es importante diferenciar entre la cantidad de agua bombeada y la cantidad de agua realmente consumida.

Son posibles los siguientes tres escenarios:

  1. Condiciones prístinas o de predesarrollo, en la cual la napa freática permanece sin cambios a largo plazo,

  2. Condiciones de desarrollo, con tasas moderadas de extracción, donde la napa freática alcanza un nivel hidrológico de equilibrio en un estado algo más bajo que el estado original, y

  3. Condiciones de desarrollo, bajo extracción intensiva, donde la napa freática continúa cayendo debido al bombeo de agua subterránea a tasas insostenibles.

Bajo el primer escenario, con condiciones prístinas, el sistema se encuentra en un estado de equilibrio a largo plazo, apoyando los cuerpos de agua superficiales locales (corrientes, ríos, pantanos y lagos) y ecosistemas (acuáticos, ribereños, de transición y terrestres). Bajo el segundo escenario, con tasas de extracción moderadas, las aguas superficiales locales y los ecosistemas se ven moderadamente afectados. Bajo el tercer escenario, con retiros por bombeo intensivos, muchas aguas superficiales locales se reducen sustancialmente; los ecosistemas vecinos se degradan y, en casos extremos, son gravemente comprometidos.

El gradiente hidráulico, el cual está sujeto a intervención humana, controla el flujo de agua subterránea (Ley de Darcy). En un lugar determinado, la recarga es proporcional al gradiente hidráulico horizontal (Fig. 13). Por lo tanto, a nivel local, el abatimiento del acuífero tiene la tendencia a aumentar la recarga inducida, que, si es sustancial, puede llegar a extraerse de los acuíferos vecinos conectados. Es necesario realizar estudios geofísicos e hidrogeológicos para determinar la conectividad de los acuíferos. En el caso de acuíferos conectados, el bombeo sostenido puede tener una gran área de influencia, dependiendo del relieve del terreno (plano o montañoso) y el gradiente hidráulico horizontal.

The horizontal hydraulic gradient
Portage County, Wisconsin
Fig. 13   El gradiente hidráulico horizontal.


12.  ABATIMIENDO DEL AGUA SUBTERRÁNEA

[Tragedia de los Comunes]   [Impactos del Abatimiento de Agua Subterránea]   [Rendimiento Sostenible]   [Sostenibilidad y Calidad del Agua]   [Resumen]   Bibliografía]       [Arriba]   [Agua Superficial y Subterránea]   [Origen del Agua Subterránea]   [Cantidad y Calidad del Agua]   [Edad del Agua Subterránea]   [Recarga y Descarga]   [Propiedades Físicas]   [Acuíferos]   [Sistemas de Agua Subterránea]   {Pozos de Bombeo]   [Plantas que Bombean Agua]   [Utilización del Agua Subterránea]

El agotamiento del agua subterránea ha sido documentado en muchos casos. Un caso clásico es el del valle de Borrego, en el desierto del sur de California, cerca de Borrego Springs, en el condado de San Diego. Los niveles de agua en el valle de Borrego han disminuido 0.6 metros por año en los últimos 20 años. El agua subterránea extraída se utiliza para la agricultura intensiva, así como para la recreación.

Otro ejemplo significativo de abatimiento de aguas subterráneas es el valle de Ojos Negros, en Baja California, México, a unos 40 kilómetros al este de Ensenada. En los últimos 35 años, la capa freática en el valle ha caído hasta 45 metros. El agua subterránea extraída se utiliza principalmente para agricultura intensiva. La experiencia del valle de Ojos Negros es particularmente aleccionadora, porque el valle deriva su nombre (español para "Ojos Negros") de dos pantanos de forma ovalada, o "ciénagas" (deletreada incorrectamente "sienega" en la Fig. 14), que existían antes del desarrollo, y que desde entonces se han secado y desaparecido. Otros humedales cerca de la desembocadura del valle se han reducido a una fracción de su tamaño original (Ojos Negros Research Group, 2003).

Extract of a map showing the two oval-shaped swamps <br>that gave their name to the Ojos Negros valley
Archivos Zárate, Ensenada
Fig. 14   Extracto de un mapa que muestra las dos lagunas ovaladas
que dieron su nombre al valle de Ojos Negros,
en Baja California, Mexico (datado en 1864).

En el centro-sur de Arizona, el bombeo de agua subterránea para apoyar el crecimiento de la población, incluidas las regiones de Tucson y Phoenix, ha resultado en caídas de la capa freática de entre 90 y 150 m, el hundimiento del terreno de hasta 3.8 m, y pérdidas significativas de ecosistemas ribereños. La Figura 15 muestra dos vistas del mismo lugar del río Santa Cruz en Martinez Hill, al sur de Tucson. La foto de la izquierda, con fecha de 1942, muestra varios grupos de árboles de mezquite y álamos bien establecidos a lo largo de las orillas de los ríos, lo que indica que la humedad suficiente para la vegetación de soporte existía en el suelo en ese entonces. La foto de la derecha, tomada en 1989, muestra que los árboles ribereños han desaparecido. Los datos de dos pozos cercanos indican que el nivel freático se ha reducido en más de 30 m debido al bombeo, y esto parece ser la razón principal de la disminución de la vegetación. Se conoce que las raíces de mezquite en la llanura de inundación del río Santa Cruz pueden llegar a profundidades de 15 a 18 m (Meinzer, 1927).

    Two snapshots, left (1942) and right (1989), of the same reach
of the Santa Cruz river, south of Tucson, Arizona.
Robert H. Webb, U.S. Geological Survey
Fig. 15   Dos vistas, izquierda (1942) y derecha (1989), del mismo tramo
del río Santa Cruz , al sur de Tucson, Arizona.

El agotamiento no se limita a las regiones semiáridas y áridas. El bombeo intensivo también puede conducir al agotamiento del agua subterránea en algunas regiones subhúmedas. La Figura 16 muestra el registro histórico de los niveles de agua en un pozo USGS en el condado de Cook, Georgia. Los últimos 35 años han visto una caída de casi 5 m.

Documented case of groundwater depletion in Cook County, Georgia
U.S. Geological Survey
Fig. 16   Un caso documentado del abatimiento de agua subterránea
en el condado de Cook, Georgia, EE.UU.


13.  TRAGEDIA DE LOS COMUNES

[Impactos del Abatimiento de Agua Subterránea]   [Rendimiento Sostenible]   [Sostenibilidad y Calidad del Agua]   [Resumen]   Bibliografía]       [Arriba]   [Agua Superficial y Subterránea]   [Origen del Agua Subterránea]   [Cantidad y Calidad del Agua]   [Edad del Agua Subterránea]   [Recarga y Descarga]   [Propiedades Físicas]   [Acuíferos]   [Sistemas de Agua Subterránea]   {Pozos de Bombeo]   [Plantas que Bombean Agua]   [Utilización del Agua Subterránea]   [Abatimiento del Agua Subterránea]

El agotamiento del agua subterránea es una consecuencia lógica de un bien común (un recurso natural utilizado conjuntamente por muchas partes interesadas) siendo explotado en ausencia de regulación o prácticas sostenibles. Al igual que con cualquier otro recurso natural que se posee en común, un acuífero tiende a ser visto por individuos que persiguen sus propios intereses como un recurso para ser explotado antes de que otros puedan usarlo.


La libertad en referencia a los bienes comunes trae la ruina a todos, ya que cada persona se ve obligada a aumentar su beneficio individual sin límite.

El marco teórico de la "Tragedia de los Comunes" se lo debemos a Hardin (1968). En resumen, Hardin observa que la libertad en los bienes comunes finalmente causa la ruina de todos, ya que cada persona está obligada a aumentar su beneficio individual sin límite, en un mundo obviamente limitado. Dada la lógica inherente de los comunes, la regulación de los acuíferos parece ser la única forma de evitar una repetición de la tragedia.


14.  IMPACTOS DEL ABATIMIENTO DE AGUA SUBTERRÁNEA

[Rendimiento Sostenible]   [Sostenibilidad y Calidad del Agua]   [Resumen]   Bibliografía]       [Arriba]   [Agua Superficial y Subterránea]   [Origen del Agua Subterránea]   [Cantidad y Calidad del Agua]   [Edad del Agua Subterránea]   [Recarga y Descarga]   [Propiedades Físicas]   [Acuíferos]   [Sistemas de Agua Subterránea]   {Pozos de Bombeo]   [Plantas que Bombean Agua]   [Utilización del Agua Subterránea]   [Abatimiento del Agua Subterránea]   [Tragedia de los Comunes]

Los impactos del abatimiento del agua subterránea son variados. El primer y más directo impacto es la pérdida de flujo de base. Las aguas subterráneas poco profundas fluyen casi horizontalmente, en dirección a la depresión más cercana en la corteza terrestre, generalmente hacia un arroyo o río que drena un valle. Cualquier agua subterránea poco profunda extraída por bombeo es agua que no llega a las aguas superficiales cercanas (Fig. 17).

An initially influent (gaining) stream has become partially effluent (losing) towards the pumping well, reducing its baseflow.
U.S. Geological Survey
Fig. 17   El bombeo excesivo convierte una corriente influyente en exfluyente,
con la consecuente reducción del flujo de base.

El impacto depende de la intensidad del bombeo y la pérdida consecuente de flujo base. Si el flujo de base desaparece y esto se puede asociar con el bombeo de agua subterránea, los efectos podrían ser de gran alcance. Por lo tanto, en general, es necesario considerar el uso conjunto de las aguas superficiales y subterráneas, en lugar de tratar estos dos recursos como si fueran sistemas separados, sujetos a políticas de gestión diferentes (National Research Council, 2000).

La interacción entre las aguas superficiales y subterráneas varía de climas áridos a húmedos. Las corrientes perennes, típicas de las regiones subhúmedas y húmedas, aumentan su flujo a través del flujo de base. Por el contrario, las corrientes efímeras, típicas de las regiones áridas y semiáridas, disminuyen su flujo a través de las pérdidas de transmisión, que son exactamente lo opuesto al flujo de base (Natural Resources Conservation Service, 2005). Por lo tanto, cuando una corriente perenne se transforma en una corriente efímera a través del agotamiento del acuífero, una fracción de la escorrentía superficial se convierte en agua subterránea poco profunda, lo que aumenta la recarga. Efectivamente, el gradiente hidráulico se ha invertido; donde originalmente fluía hacia la corriente, ahora fluye fuera de la corriente (ver Fig. 17).

La pérdida de flujo de base puede desencadenar una reacción en cadena de impactos negativos a varios componentes del paisaje. Los impactos directos o primarios sobre el paisaje se pueden expresar en términos de:

  • Aumento de la magnitud y frecuencia de inundaciones,
  • Pérdida de humedales y vegetación ribereña,
  • Pérdida de freatofitas y zonas de transición acuático-terrestre,
  • Cambios en la morfología del canal,
  • Aceleración de la erosión y el desarrollo de barrancos,
  • Mayor severidad y frecuencia de sequías, y
  • Pérdida de hábitat de vida silvestre y reducción de la biodiversidad.

Otros impactos relacionados con el agotamiento del agua subterránea incluyen los siguientes (Fig. 18):

  • Secado de pozos de bombeo,
  • Aumento del costo de bombeo e infraestructura de pozos,
  • Hundimiento de la tierra (Galloway et al, 2001),
  • Intrusión salina, y
  • Cambios en el albedo de superficie y el cambio climático relacionado (Ponce et al, 1997).

Other impacts of groundwater depletion.
U.S. Geological Survey/College of Alameda Physical Geography
Fig. 18   Otros impactos del abatimiento de agua subterránea.

Los impactos del agotamiento del agua subterránea son serios y, en la mayoría de los casos, lo suficientemente importantes como para justificar una evaluación detallada. Una estrategia apropiada es desarrollar datos de referencia sobre varios componentes de la ecosfera, antes del desarrollo propuesto de las aguas subterráneas. Estos componentes incluyen:

  • Agua superficial,
  • Flujo de base,
  • Ecosistemas acuáticos,
  • Humedales y ecosistemas ribereños,
  • Freatofitas y otros ecosistemas de transición acuático-terrestre,
  • Ecosistemas terrestres,
  • Recursos de vida silvestre, incluidos corredores y corredores aéreos, y
  • Climatología y cambio climático.

En ausencia de datos de referencia, es difícil determinar una relación de causa y efecto entre el desarrollo del agua subterránea y sus consecuencias ambientales. Los efectos del desarrollo del agua subterránea tienden a ser aparentes gradualmente, con el tiempo a menudo medido en décadas, como en el caso del cambio climático (Alley y Leake, 2004). Otros impactos, como la pérdida de flujo de base, pueden hacerse evidentes en un período de tiempo más corto, generalmente en unos pocos años.


Los efectos del desarrollo del agua subterránea tienden a ser aparentes gradualmente, con el tiempo a menudo medido en décadas.

En muchos casos, es difícil conectar los efectos observados del agotamiento de agua subterránea con acciones del pasado. Por lo tanto, es imperativo que los impactos del desarrollo sean evaluados cuidadosamente y monitoreados minuciosamente. Comenzando en las primeras etapas del desarrollo de agua subterránea, se deben establecer vínculos causa-efecto y elaborar planes de contingencia y mitigación.


15.  RENDIMIENTO SOSTENIBLE

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Dado que las aguas subterráneas poco profundas están intrínsecamente conectadas a las aguas superficiales, se deduce que no deben explotarse de manera insostenible. Se observa que los acuíferos pueden haber acumulado sus volúmenes durante siglos o milenios. Por lo tanto, una política de uso del agua subterránea basada en una reducción sustancial del volumen del acuífero sería insostenible, particularmente si la tasa de reposición es lenta.

Una política sostenible para la explotación de acuíferos poco profundos debe basarse no en el volumen existente, sino en la capacidad de recarga de la cuenca. Para este propósito, se puede usar un balance de masa para evaluar los componentes del ciclo hidrológico, sobre una base anual. El balance de masa de una cuenca subterránea es (Fig. 19):

       P - E - T - Q - G - D = 0 (Ec. 3)

en la cual P = precipitación, E = evaporación (de lagos y otros cuerpos de agua superficial), T = evapotranspiración (de ecosistemas vegetativos), Q = escorrentía superficial (escorrentía directa o de flujo de avenida), G = escorrentía de agua subterránea (al flujo de base), y D = percolación profunda (las aguas que van directamente al océano, sin pasar por el flujo de base).

The basin's  mass balance
 
Fig. 19   El balance de masa de una cuenca de agua subterránea.

Un plan de gestión sostenible de las aguas subterráneas debería comenzar aprovechando la percolación profunda (D en la ecuación 3 y la Fig. 19), que de lo contrario se perdería en los océanos. En principio, la percolación superficial (G en la ecuación 3 y la Fig. 19) pertenece a las aguas superficiales y, por lo tanto, debe considerarse en tránsito a través del acuífero. En la práctica, las fracciones adecuadas de percolación superficial se pueden aprovechar solo después de que estudios detallados muestren que los impactos hidrológicos, ecológicos, geomorfológicos, climatológicos y de otro tipo son mínimos (Sophocleous, 2000).


La percolación superficial se puede aprovechar solo después de que estudios detallados muestren que los impactos hidrológicos, ecológicos y de otro tipo son mínimos.

Se requieren estudios hidrológicos e hidrogeológicos para estimar con precisión las cantidades de percolación a escala local y regional (National Research Council, 2000). En ausencia de estos estudios, una estimación inicial de la filtración profunda puede basarse en la hidrología global. Anualmente, la percolación profunda es aproximadamente 1/6 de percolación superficial o flujo de base (ver Fig. 3). Por lo tanto, la percolación profunda equivale al 2% de la precipitación (L'vovich, 1979).

Usando este valor como una estimación inicial, hasta que estén disponibles estudios detallados específicos de la cuenca, el rendimiento sostenible de un acuífero poco profundo puede calcularse como:

       Y = 0.02 A P (Ec. 4)

en la cual Y = rendimiento sostenible, en unidades de volumen por año, A = área de superficie de recarga, que puede tomarse como el área geográfica del acuífero, y P = precipitación anual [profundidad por año].

Para A en kilómetros cuadrados y P en milímetros por año, la fórmula para Y, en metros cúbicos por año, es:

       Y = 20 A P (Ec. 5)

Para tener en cuenta adecuadamente la variabilidad de la precipitación anual, el valor recomendado de P es el promedio de los últimos N años de registro, en el que N es el intervalo de recurrencia típico de los eventos de sequía en la ubicación geográfica dada. Para la mayoría de las regiones de interés práctico, el N varía entre 3 y 25 años, siendo 3-6 años para regiones áridas, 6-12 años para regiones semiáridas y 12-25 años para regiones subhúmedas (Ponce et al, 2000).

El uso del agua subterránea más allá de la percolación profunda, el cual incluya fracciones de percolación poco profunda, tendría que mostrar de manera concluyente que no afecta negativamente a las aguas superficiales y los ecosistemas locales y/o regionales. También tendría que demostrar que no causa una caída significativa en la napa freática, lo que pondría el sistema de flujo del acuífero en un curso insostenible, y que no causa la reducción de los humedales, la degradación de las corrientes vecinas, el hundimiento del suelo, el cambio climático u otros impactos secundarios.


16.  SOSTENIBILIDAD Y CALIDAD DEL AGUA

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La sostenibilidad en la cantidad de agua debe implicar la sostenibilidad en la calidad del agua. La pérdida de calidad del agua subterránea inducida por acciones humanas es un problema generalizado tanto en los países desarrollados como en desarrollo. En los Estados Unidos, existen áreas extensas con agua subterránea debajo de materiales superficiales, los cuales pueden consistir de depósitos no consolidados y/o rocas intemperizadas, porosas, o fracturadas. Estos materiales pueden alcanzar profundidades de algunos cientos de metros y se encuentran a menudo sobre acuíferos de roca madre más profundos. El agua subterránea en estos materiales superficiales es particularmente vulnerable a la contaminación, como resultado de acciones u omisiones de individuos y corporaciones (Fig. 20). Estas acciones u omisiones incluyen uso inapropiado de la tierra, uso excesivo, negligencia, desgaste u obsolescencia, y accidentes. La contaminación puede afectar las áreas agrícolas, así como otras áreas rurales; en algunos casos, incluso las zonas urbanas se ven afectadas.


El agua subterránea en materiales superficiales es vulnerable a la contaminación como resultado de acciones/omisiones de individuos/corporaciones.

A plume of contaminated groundwater heading toward the well
U.S. Geological Survey
Fig. 20   Una pluma de agua contaminada moviéndose en direccion a un pozo de bombeo.

En un estudio exhaustivo del Servicio Geológico de los EE. UU., las concentraciones de nitrógeno en casi la mitad de las corrientes muestreadas en áreas agrícolas se clasificaron entre las más altas de todas las corrientes medidas. Además, las tasas más altas de detección de los herbicidas más utilizados (atrazina, metolacloro, alacloro y cianazina) se encontraron en arroyos y aguas subterráneas poco profundas en áreas agrícolas (Fuhrer et al, 1999).

En zonas rurales, el uso inapropiado de la tierra y otras actividades humanas pueden conducir a la contaminación del acuífero. Esto último es particularmente crítico en aquellas áreas que son altamente dependientes de aguas subterráneas. Para áreas donde el agua subterránea puede haber sido designada como única o principal fuente de agua potable, la implementación de la protección del pozo es una necesidad imperiosa. La protección del pozo es una estrategia de regulación federal diseñada para proteger el suministro público de agua potable, administrando el terreno alrededor de un pozo donde las actividades puedan afectar la calidad de agua. En algunos casos, la contaminación del acuífero se puede rastrear hasta los sistemas sépticos in situ y la fertilización del césped. Por lo tanto, los focos de desarrollo urbano en áreas predominantemente rurales deben abogar por la sostenibilidad, conciliando prácticas para obtener  agua potable de pozos y la disposición de aguas residuales a sistemas sépticos vecinos.

Se han realizado grandes esfuerzos para predecir el movimiento de agua y contaminantes bajo tierra. Sin embargo, aún es difícil establecer con confianza si un determinado uso de la tierra tendrá o no un impacto específico en un suministro de agua en particular. Gran parte de la incertidumbre en la localización de fuentes proviene de la complejidad del acuífero, incluida la heterogeneidad y la anisotropía. Los acuíferos superficiales de roca fracturada a menudo desafían la caracterización; además, el transporte de contaminantes a lo largo de las fracturas está dominado por la advección, con poca difusión de la concentración de contaminantes. Por lo tanto, las propiedades macroescala de los acuíferos son rara vez adecuadas para determinar las rutas de flujo y los tiempos de viaje necesarios para los estudios de transporte de contaminantes y los análisis de protección de la cabeza del pozo (National Research Council, 2000).


17.  RESUMEN

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El uso no sostenible de las aguas subterráneas tiene un impacto significativo en una gran cantidad de recursos y servicios hidrológicos, ecológicos y de otro tipo, incluidos los cuerpos de agua dulce y los ecosistemas acuáticos, ribereños, de transición acuática-terrestre, y terrestres. El flujo de base disminuirá, los humedales desaparecerán, los arroyos y ríos se degradarán, la erosión en los ríos aumentará y el hábitat de la vida silvestre se reducirá. Otros impactos incluyen el secado de pozos, la intrusión de agua sallina en áreas costeras y el hundimiento del terreno (Fig. 21).

Regions of the United States where land subsidence<br> 
has been linked  to groundwater pumping
U.S. Geological Survey (Circular 1182)

Fig. 21   Regiones en los Estados Unidos de América en las cuales el hundimiento
del terreno se ha asociado al bombeo de agua subterránea.

El uso sostenible del agua subterránea debe comenzar aprovechando principalmente la percolación profunda y secundariamente, la percolación superficial. Este último debe explotarse solo si se demuestra que sus efectos sobre el flujo de base de las corrientes y cuerpos de agua vecinos son mínimos. Se requieren estudios hidrológicos e hidrogeológicos detallados para determinar las cantidades de percolación. En ausencia de estudios específicos, los valores globales de percolación profunda pueden usarse para establecer una estimación inicial de referencia del rendimiento sostenible.

Son necesarios estudios hidrológicos e hidroecológicos de base y dependientes del tiempo para evaluar y monitorear el efecto del uso del agua subterránea en los cuerpos de agua dulce locales, los ecosistemas vecinos y la geomorfología. Para garantizar la sostenibilidad, estos estudios deben ser parte integral del desarrollo planificado de aguas subterráneas.

Un acuífero contaminado no se puede utilizar como recurso. Por lo tanto, se debe hacer todo lo posible para garantizar que la cantidad y la calidad del agua subterránea se conserven en beneficio de las generaciones presentes y futuras.


BIBLIOGRAFÍA

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