Intrusión de agua salada

Movimiento de agua salada hacia acuíferos de agua dulce

La intrusión de agua salada es el movimiento de agua salina hacia los acuíferos de agua dulce , lo que puede provocar la degradación de la calidad del agua subterránea, incluidas las fuentes de agua potable , y otras consecuencias. La intrusión de agua salada puede ocurrir de forma natural en los acuíferos costeros , debido a la conexión hidráulica entre el agua subterránea y el agua de mar . Debido a que el agua salina tiene un mayor contenido mineral que el agua dulce, es más densa y tiene una mayor presión de agua. Como resultado, el agua salada puede empujar tierra adentro debajo del agua dulce. ^[1] En otras topologías, la descarga de agua subterránea submarina puede empujar el agua dulce hacia el agua salada.

Ciertas actividades humanas, especialmente el bombeo de agua subterránea de pozos costeros de agua dulce, han aumentado la intrusión de agua salada en muchas áreas costeras. La extracción de agua baja el nivel de agua subterránea dulce, reduciendo su presión hídrica y permitiendo que el agua salada fluya más hacia el interior. Otros contribuyentes a la intrusión de agua salada incluyen los canales de navegación o los canales agrícolas y de drenaje , que proporcionan conductos para que el agua salada se mueva hacia el interior. El aumento del nivel del mar causado por el cambio climático también contribuye a la intrusión de agua salada. ^[2] La intrusión de agua salada también puede empeorar por eventos extremos como las marejadas ciclónicas causadas por huracanes . ^[3]

Hidrología

Causas e impacto de la intrusión de agua salada

En el margen costero, el agua subterránea dulce que fluye desde las zonas interiores se encuentra con el agua subterránea salina del océano. El agua subterránea dulce fluye desde las zonas interiores hacia la costa, donde la elevación y los niveles de agua subterránea son más bajos. ^[2] Debido a que el agua salada tiene un mayor contenido de sales y minerales disueltos , es más densa que el agua dulce, lo que hace que tenga una carga hidráulica más alta que el agua dulce. La carga hidráulica se refiere a la presión del líquido ejercida por una columna de agua: una columna de agua con una carga hidráulica más alta se moverá hacia una columna de agua con una carga hidráulica más baja, si las columnas están conectadas. ^[4]

La mayor presión y densidad del agua salada hace que se desplace hacia los acuíferos costeros en forma de cuña debajo del agua dulce. El agua salada y el agua dulce se encuentran en una zona de transición donde se mezclan por dispersión y difusión . Por lo general, la extensión interior de la cuña de agua salada es limitada porque los niveles de agua subterránea dulce, o la altura de la columna de agua dulce, aumentan a medida que aumenta la elevación del terreno. ^[2]

Causas

Extracción de aguas subterráneas

La extracción de agua subterránea es la principal causa de la intrusión de agua salada. El agua subterránea es la principal fuente de agua potable en muchas zonas costeras de los Estados Unidos, y la extracción ha aumentado con el tiempo. En condiciones de referencia, la extensión interior del agua salada está limitada por la mayor presión ejercida por la columna de agua dulce, debido a su mayor elevación. La extracción de agua subterránea puede reducir el nivel del nivel freático , reduciendo la presión ejercida por la columna de agua dulce y permitiendo que el agua salada más densa se mueva hacia el interior lateralmente. ^[2] En Cape May, Nueva Jersey , desde la década de 1940, las extracciones de agua han reducido los niveles de agua subterránea hasta 30 metros, reduciendo el nivel freático por debajo del nivel del mar y causando una intrusión generalizada y contaminación de los pozos de suministro de agua . ^{[5] [6]}

La extracción de agua subterránea también puede provocar la contaminación de los pozos al provocar la afloración o salida de agua salada de las profundidades del acuífero. ^[7] En condiciones de referencia, una cuña de agua salada se extiende hacia el interior, por debajo del agua dulce debido a su mayor densidad. Los pozos de suministro de agua ubicados sobre o cerca de la cuña de agua salada pueden extraer el agua salada hacia arriba, creando un cono de agua salada que podría llegar al pozo y contaminarlo. Algunos acuíferos están predispuestos a este tipo de intrusión, como el acuífero de la Florida Inferior : aunque una capa de roca o arcilla relativamente impermeable separa el agua subterránea dulce del agua salada, grietas aisladas rompen la capa de confinamiento, lo que promueve el movimiento ascendente del agua salada. El bombeo de agua subterránea fortalece este efecto al bajar el nivel freático, lo que reduce el empuje descendente del agua dulce. ^[6]

Canales y redes de drenaje

La construcción de canales y redes de drenaje puede provocar la intrusión de agua salada. Los canales proporcionan conductos para que el agua salada se transporte hacia el interior, al igual que la profundización de los canales existentes para fines de navegación . ^{[2] [8]} En el estuario del lago Sabine en el Golfo de México, las vías fluviales de gran escala han permitido que el agua salada se desplace hacia el lago y río arriba hacia los ríos que lo alimentan. Además, el dragado de canales en los humedales circundantes para facilitar la perforación de petróleo y gas ha provocado el hundimiento del terreno , lo que promueve aún más el movimiento del agua salada hacia el interior. ^[9]

Las redes de drenaje construidas para drenar las zonas costeras planas pueden provocar intrusiones al reducir el nivel freático, lo que reduce la presión hídrica ejercida por la columna de agua dulce. La intrusión de agua salada en el sureste de Florida se ha producido en gran medida como resultado de los canales de drenaje construidos entre 1903 y la década de 1980 para drenar los Everglades con fines agrícolas y urbanos. La principal causa de la intrusión fue la reducción del nivel freático, aunque los canales también transportaban agua de mar hacia el interior hasta la construcción de compuertas de control del agua. ^[6]

Soluciones

Cortina de burbujas de aire de dos capas para evitar la intrusión de agua de mar en los ríos

Flujo de trabajo de ABC

La intrusión de agua de mar en los ríos puede tener muchas consecuencias negativas, especialmente en las actividades agrícolas y los ecosistemas vivos en las zonas de aguas arriba de los ríos. Se han desarrollado muchas soluciones para prevenir o reducir los efectos negativos de la intrusión de agua de mar. Una de las soluciones sostenibles para los ríos es el uso de cortinas de burbujas de aire que pueden resolver por completo los problemas de intrusión de agua de mar en los ríos. ^[10]

Efecto sobre el suministro de agua

Muchas comunidades costeras de los Estados Unidos están experimentando contaminación de agua salada en los pozos de suministro de agua, y este problema se ha observado durante décadas. ^[11] Muchos acuíferos costeros mediterráneos sufren los efectos de la intrusión de agua de mar. ^{[12] [13]} Las consecuencias de la intrusión de agua salada para los pozos de suministro varían ampliamente, dependiendo de la extensión de la intrusión, el uso previsto del agua y si la salinidad excede los estándares para el uso previsto. ^{[2] [14]} En algunas áreas como el estado de Washington, la intrusión solo alcanza partes del acuífero, afectando solo a ciertos pozos de suministro de agua. Otros acuíferos han enfrentado una contaminación por salinidad más generalizada, afectando significativamente los suministros de agua subterránea para la región. Por ejemplo, en Cape May, Nueva Jersey , donde la extracción de agua subterránea ha reducido los niveles freáticos hasta 30 metros, la intrusión de agua salada ha provocado el cierre de más de 120 pozos de suministro de agua desde la década de 1940. ^[6]

Relación Ghyben-Herzberg

Las primeras formulaciones físicas de la intrusión de agua salada fueron realizadas por Willem Badon-Ghijben  [pt] en 1888 y 1889, así como por Alexander Herzberg  [de] en 1901, por lo que se denominó relación Ghyben-Herzberg. ^[15] Derivaron soluciones analíticas para aproximar el comportamiento de la intrusión, que se basan en una serie de suposiciones que no se cumplen en todos los casos de campo.

La relación Ghyben-Herzberg ^[2]

En la ecuación,

${\displaystyle z={\frac {\rho _{f}}{(\rho _{s}-\rho _{f})}}h}$

El espesor de la zona de agua dulce sobre el nivel del mar se representa como y el de la zona por debajo del nivel del mar se representa como . Los dos espesores y , están relacionados por y donde es la densidad del agua dulce y es la densidad del agua salada. El agua dulce tiene una densidad de aproximadamente 1.000 gramos por centímetro cúbico (g/cm ³ ) a 20 °C, mientras que la del agua de mar es de aproximadamente 1.025 g/cm ³ . La ecuación se puede simplificar a ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle \rho _{f}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$ ${\displaystyle \rho _{f}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

${\displaystyle z\ =40h}$. ^[2]

La relación Ghyben-Herzberg establece que, por cada metro de agua dulce en un acuífero libre sobre el nivel del mar, habrá cuarenta metros de agua dulce en el acuífero bajo el nivel del mar.

En el siglo XX, el enorme aumento del poder computacional disponible permitió el uso de métodos numéricos (generalmente diferencias finitas o elementos finitos ) que necesitan menos suposiciones y pueden aplicarse de manera más general. ^[16]

Modelado

Se considera que la modelización de la intrusión de agua salada es difícil. Algunas dificultades típicas que surgen son:

• La posible presencia de fisuras , grietas y fracturas en el acuífero, cuyas posiciones y extensiones precisas se desconocen pero que tienen gran influencia en el desarrollo de la intrusión salina.
• La posible presencia de heterogeneidades de pequeña escala en las propiedades hidráulicas del acuífero, que son demasiado pequeñas para ser tomadas en cuenta por el modelo pero que también pueden tener gran influencia en el desarrollo de la intrusión de agua salada.
• Cambio de las propiedades hidráulicas por la intrusión de agua salada. Una mezcla de agua salada y dulce suele estar subsaturada con respecto al calcio, lo que provoca la disolución del calcio en la zona de mezcla y cambia las propiedades hidráulicas.
• El proceso conocido como intercambio de cationes , que retarda el avance de una intrusión de agua salada y también retarda el retroceso de una intrusión de agua salada.
• El hecho de que las intrusiones de agua salada a menudo no estén en equilibrio dificulta su modelización. La dinámica de los acuíferos tiende a ser lenta y el cono de intrusión tarda mucho tiempo en adaptarse a los cambios en los esquemas de bombeo, las precipitaciones, etc. Por lo tanto, la situación en el campo puede ser significativamente diferente de lo que se esperaría en función del nivel del mar, el esquema de bombeo, etc.
• En el caso de los modelos a largo plazo, el cambio climático futuro constituye una gran incógnita, pero es posible obtener buenos resultados. Los resultados de los modelos suelen depender en gran medida del nivel del mar y de la tasa de recarga. Se espera que ambos cambien en el futuro.

Mitigación y gestión

Estructura de control (esclusa) de Catfish Point en el río Mermentau en la costa de Luisiana

El agua salada también es un problema cuando una esclusa separa el agua salada del agua dulce (por ejemplo, las esclusas Hiram M. Chittenden en Washington). En este caso, se construyó una cuenca de recolección desde la cual se puede bombear el agua salada de regreso al mar. Parte del agua salada intrusa también se bombea a la escala de peces para que sea más atractiva para los peces migratorios . ^[17]

A medida que la salinización de las aguas subterráneas se convierte en un problema relevante, se deben aplicar iniciativas más complejas, desde soluciones técnicas y de ingeniería locales hasta normas o instrumentos regulatorios para acuíferos enteros o regiones. ^[18]

Áreas de ocurrencia

• Benín
• Chipre
• Bou Regreg (Marruecos)
• Pakistán
• Surinam
• Túnez
• Estados Unidos
  • Cuenca del río ACF (Florida/Georgia)
  • Medio ambiente de Florida
  • Condado de Essex, Massachusetts ^[19]
  • Esclusas Hiram M. Chittenden (Washington)
  • Isla Hutchinson (Georgia)
  • Lago Lanier (Georgia)
  • Lago Pontchartrain (Luisiana)
  • Río Miami (Florida)
  • Delta del río Misisipi
  • Llanura de Oxnard (California)
  • San Leandro (California)
  • Arroyo Sonoma (California)
  • Costa occidental del lago Superior ^[20] (Minnesota)
• Delta del Mekong
• Italia ^{[12] [21] [22]}

Véase también

• Agua subterránea
• Migrante ambiental  : personas obligadas a abandonar su región de origen debido a cambios en su entorno local.
• Garald G. Parker  – hidrólogo estadounidensePáginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
• Presa de goma inflable
• Pico hídrico  : concepto sobre la calidad y disponibilidad de los recursos de agua dulce

Referencias

1. Johnson, Teddy (2007). "Luchando contra la intrusión de agua de mar en las cuencas de la costa central y oeste" (PDF) . Distrito de reabastecimiento de agua del sur de California. Archivado desde el original (PDF) el 8 de septiembre de 2012. Consultado el 8 de octubre de 2012 .
2. Barlow, Paul M. (2003). "Agua subterránea en ambientes de agua dulce y salada de la costa atlántica". USGS . Consultado el 21 de marzo de 2009 .
3. "Intrusión de agua salada en el CWPtionary sí". LaCoast.gov. 1996. Consultado el 21 de marzo de 2009 .
4. Johnson, Ted (2007). "Luchando contra la intrusión de agua de mar en las cuencas de la costa central y oeste" (PDF) . Distrito de reabastecimiento de agua del sur de California. Archivado desde el original (PDF) el 8 de septiembre de 2012. Consultado el 8 de octubre de 2012 .
5. Lacombe, Pierre J. y Carleton, Glen B. (2002). "Marco hidrogeológico, disponibilidad de suministros de agua e intrusión de agua salada, condado de Cape May, Nueva Jersey" (PDF) . USGS . Consultado el 10 de diciembre de 2012 .
6. Barlow, Paul M. y Reichard, Eric G. (2010). "Intrusión de agua salada en regiones costeras de América del Norte". Hydrogeology Journal . 18 (1). USGS : 247–260. Bibcode :2010HydJ...18..247B. doi :10.1007/s10040-009-0514-3. S2CID  128870219 . Consultado el 10 de diciembre de 2012 .
7. Reilly, TE y Goodman, AS (1987). "Análisis de la acumulación de agua salada debajo de un pozo de bombeo". Revista de hidrología . 89 (3–4): 169–204. Bibcode :1987JHyd...89..169R. doi :10.1016/0022-1694(87)90179-x.
8. Good, BJ, Buchtel, J., Meffert, DJ, Radford, J., Rhinehart, W., Wilson, R. (1995). "Principales canales de navegación costera de Luisiana" (pdf) . Departamento de Recursos Naturales de Luisiana . Consultado el 14 de septiembre de 2013 .{{cite web}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
9. Barlow, Paul M. (2008). "Investigación preliminar: barrera de agua salada - río Sabine inferior" (PDF) . Autoridad del río Sabine de Texas . Consultado el 9 de diciembre de 2012 .^{[ enlace muerto permanente ]}
10. Kahrizi, Ehsan; et al. (2023). "Evaluación experimental de cortinas de burbujas de aire de dos capas para prevenir la intrusión de agua de mar en los ríos". Revista de agua y cambio climático . 14 (2): 543–558. doi : 10.2166/wcc.2023.384 . S2CID  255924963.
11. Todd, David K. (1960). "Intrusión de agua salada en acuíferos costeros de los Estados Unidos" (PDF) . Aguas subterráneas (52). IAHS Publ.: 452–461. Archivado desde el original (PDF) el 25 de octubre de 2005. Consultado el 22 de marzo de 2009 .
12. Polemio, Maurizio (1 de abril de 2016). "Monitoreo y gestión de aguas subterráneas costeras kársticas en un entorno cambiante (sur de Italia): una revisión de una experiencia regional". Agua . 8 (4): 148. doi : 10.3390/w8040148 .
13. Polemio, Mauricio; Pambuku, Arben; Limoni, Pier Paolo; Petrucci, Olga (1 de enero de 2011). "Acuífero costero de carbonato de la bahía de Vlora y descarga submarina de aguas subterráneas (suroeste de Albania)". Revista de investigaciones costeras . 270 : 26–34. doi :10.2112/SI_58_4. ISSN  0749-0208. S2CID  54861536.
14. Romanazzi A, Polemio M. "Modelado de acuíferos kársticos costeros para apoyo a la gestión: Estudio de Salento (Apulia, Italia)" (PDF) . Revista Italiana de Ingeniería Geológica y Medio Ambiente . 13, 1: 65–83.
15. Verrjuit, Arnold (1968). "Una nota sobre la fórmula de Ghyben-Herzberg" (PDF) . Boletín de la Asociación Internacional de Hidrología Científica . 13 (4). Delft, Países Bajos: Universidad Tecnológica: 43–46. doi :10.1080/02626666809493624 . Consultado el 21 de marzo de 2009 .^{[ enlace muerto permanente ]}
16. Romanazzi, A.; Gentile, F.; Polemio, M. (1 de julio de 2015). "Modelización y gestión de un acuífero costero cárstico mediterráneo bajo los efectos de la intrusión marina y el cambio climático". Ciencias Ambientales de la Tierra . 74 (1): 115–128. Bibcode :2015EES....74..115R. doi :10.1007/s12665-015-4423-6. ISSN  1866-6299. S2CID  56376966.
17. Mausshardt, Sherrill; Singleton, Glen (1995). "Mitigación de la intrusión de agua salada a través de las esclusas Hiram M. Chittenden". Revista de ingeniería de vías navegables, puertos, costas y océanos . 121 (4): 224–227. doi :10.1061/(ASCE)0733-950X(1995)121:4(224).
18. Polemio, Maurizio; Zuffianò, Livia Emanuela (2020). "Revisión de la gestión de la utilización de aguas subterráneas en riesgo de salinización". Revista de planificación y gestión de recursos hídricos . 146 (9): 03120002. doi :10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001278. ISSN  0733-9496. S2CID  225224426.
19. "Estudios de caso de diversos problemas de calidad del agua | H2O Care".
20. "En apuros: el misterio del agua salada de pozo de la costa norte". www.seagrant.umn.edu . Consultado el 27 de septiembre de 2018 .
21. Vespasiano, Giovanni; Cianflone, Giuseppe; Romanazzi, Andrea; Apolaro, Carmín; Dominici, Rocco; Polemio, Mauricio; De Rosa, Rosanna (1 de noviembre de 2019). "Un enfoque multidisciplinar para la gestión sostenible de una llanura costera compleja: el caso de la llanura de Sibari (sur de Italia)". Geología Marina y del Petróleo . 109 : 740–759. Código Bib : 2019MarPG.109..740V. doi :10.1016/j.marpetgeo.2019.06.031. ISSN  0264-8172. S2CID  197580624.
22. Zuffianò, LE; Basso, A.; Casarano, D.; Dragone, V.; Limoni, PP; Romanazzi, A.; Santaloia, F.; Polemio, M. (1 de julio de 2016). "Sistema hidrogeológico costero de Mar Piccolo (Taranto, Italia)". Investigación en ciencias ambientales y contaminación . 23 (13): 12502–12514. Código Bib : 2016ESPR...2312502Z. doi :10.1007/s11356-015-4932-6. ISSN  1614-7499. PMID  26201653. S2CID  9262421.