Hidrología

El agua es esencial para nuestras vidas, pero en cantidades excesivas (inundación) o reducidas (sequía) puede provocar un desastre. La intención de esta sección es proporcionar la información básica acerca de la planificación del terreno que pueda ayudar a una comunidad a evitar el daño de las inundaciones y reducir el potencial de degradación de la calidad de su suministro de agua.

El Ciclo Hidrológico

2.4.1: El ciclo hidrológico.

2.4.1: El ciclo hidrológico


2.4.2: Dos tipos de acuíferos (Acuífero "A" y Acuífero "B").

2.4.2: Dos tipos de acuíferos (Acuífero "A" y Acuífero "B")

El agua fresca es una fuente renovable, que constantemente regresa a la tierra en forma de lluvia. El ciclo hidrológico describe estos movimientos de agua alrededor de la Tierra, desde la evaporación a la atmósfera, la precipitación a la tierra (y el agua), corriendo sobre la tierra o filtrándose dentro del suelo y fluyendo lentamente como agua freática para mantener arroyos, manantiales y pozos antes de regresar finalmente al mar (Figura 2.4.1). Los hidrólogos estiman que más de la mitad de las aguas lluvias que caen a la tierra es regresada a la atmósfera mediante la evaporación y la transpiración de la vegetación, conjuntamente llamada "evapo transpiración," dejando que menos de la mitad llegue al mar mediante los ríos o el fluido subterráneo. Es este ciclo el que sostiene los suministros de agua fresca existentes en toda la Tierra.

El agua en los ríos se mueve en forma rápida y su velocidad es comúnmente medida en metros por segundo (o décimas de kilómetros por día), mientras que el agua en el suelo se mueve lentamente y su velocidad es comúnmente medida en metros por año. El agua puede ser bombeada directamente desde los arroyos o lagos para obtener suministros de agua. Comúnmente, para poder tener suficiente cantidad de agua, se usan represas para recogerla de los arroyos para la creación de reservas de suministros de agua. Debajo del suelo, al agua se le obliga a moverse a través de los poros del suelo o de roca y por lo tanto, la proporción del flujo es reducida.

Las formaciones de rocas saturadas capaces de dar cantidades útiles de agua son llamadas acuíferos. Los depósitos aluviales formados por grava suelta y arena que se encuentran en los valles pueden formar acuíferos altamente productivas que tienen un alto grado de saturación de agua. Aunque estos acuíferos pueden ser muy productivos, son por lo general superficiales y están comúnmente localizados dentro y debajo de los lechos de creciente de los ríos (ver Acuífero A en la Figura 2.4.2).

El lecho rocoso, generalmente consiste en capas de roca volcánica (ver Acuífero B en la Figura 2.4.2), es la base de una buena parte de Centro América, incluyendo los acuíferos aluviales y es también lo suficientemente absorbente como para ser fuente de agua a los pozos. Los pozos excavados en estos acuíferos son fuentes de suministro de agua.

Los manantiales ocurren donde el agua freática regresa a la superficie y se vuelve agua superficial nuevamente.

Identificación de Áreas Propensas a la Inundación:

Aunque usted no tenga el poder de controlar los extremos de la precipitación, puede seleccionar y evaluar los sitios de construcción por su vulnerabilidad a inundaciones y las fuentes de agua por su vulnerabilidad a cualquiera de los extremos ya sea sequía o inundación.

Durante las condiciones de precipitación normales puede ser difícil reconocer el potencial futuro de un torrente desastroso de inundaciones desastrosas que pueden ocurrir con un intervalo recurrente de cada 50 años. Una de las mejores herramientas accesibles para identificar las áreas susceptibles a la inundación es la historia. Si un área se ha inundado en el pasado, se inundará en el futuro. La gente que reconstruye en el mismo sitio después de haberse inundado está simplemente planificando para experimentar otra inundación. Lógicamente, es más sabio construir en un lugar nuevo, menos vulnerable.

¿Cómo se pueden identificar y excluir urbanizaciones que son vulnerables a las inundaciones? Para sitios donde se han tomado medidas por muchos años, los científicos y los ingenieros pueden aplicar los análisis estadísticos de ese flujo de información histórico, los perfiles de los valles y otras medidas físicas de los arroyos para aplicar modelos para predecir las elevaciones de las aguas de inundación que se pueden esperar en el futuro. Ellos pueden trazar estas elevaciones en mapas topográficos para crear mapas de áreas propensas a la inundación. Los mapas de áreas propensas a la inundación son herramientas valiosas para evaluar los sitios potenciales para la construcción.

Después del huracán Mitch, los geólogos de los Estados Unidos están preparando esta clase de mapas para muchas áreas en Honduras, basada en las inundaciones de los intervalos recurrentes de cada 50 años. Los geólogos y el Cuerpo de Ingenieros de el Ejercito de Estadas Unidos también prepararon un mapa de riesgo para Santo Domingo. Lamentablemente, los estudios de ingeniería y los mapas de áreas propensas a la inundación no están accesibles para todos los lugares en cada país.

Donde no hay acceso a tales mapas o registros históricos necesarios para crearlos, se toman en cuenta otras características físicas que pueden ser utilizadas para identificar el potencial de inundación. Las formas de los terrenos son una indicación de inundaciones pasadas y potenciales para inundaciones futuras. Una zona de inundación es tierra plana adyacente a un arroyo, por lo general, menos de unos metros más alto en elevación que el mismo arroyo (Figura 2.4.2A). Hay características adicionales que pueden ayudar a identificar una zona de inundación. Una es la presencia de tierras pantanosas y la otra es el canal de un arroyo serpenteante; un canal de un arroyo que se curvea como una culebra (Figura 2.4.2A).

Una zona de inundación se produce cuando las aguas se salen de su cauce; es decir cuando la cantidad de agua es mayor que la capacidad del canal (Figura 2.4.2B). A pesar de que la zona de inundación de un río es comúnmente tierra excelente para la agricultura, a largo plazo no es una tierra adecuada para construir residencias o fábricas.

Debido a que no todas las tierras que son vulnerables a la inundación están localizadas en zonas inundables fáciles de identificar, se deben aplicar también otras pruebas para determinar el potencial de inundación. Los valles estrechos sin zonas de inundación, tales como se encuentran comúnmente en áreas montañosas también pueden experimentar inundaciones devastadoras. En estas áreas las marcas de las aguas altas en las rocas y los árboles pueden proporcionar un cálculo de niveles de inundación potenciales. Los testimonios históricos de los residentes de las áreas también sirven de ayuda. Las medidas de las áreas de las cuencas hidrológicas que recogen y contribuyen a que fluyan las aguas lluvias hacia los arroyos, pueden ser utilizadas para evaluar la cantidad potencial de agua durante una inundación.

2.4.3: Cuenca hidrológica y divisoria de drenaje para un embalse.

2.4.3: Cuenca hidrológica y divisoria de drenaje para un embalse

La cuenca hidrológica es el área geográfica de donde el agua fluye hacia un sitio. Está determinada por la forma de la tierra (topografía) y puede ser delineada en base a las curvas de nivel en los mapas topográficos (Figura 2.4.3). Se puede pensar en la cuenca hidrológica como una manera de enviar por un embudo toda las aguas de lluvia que caen en ella hacia la corriente de agua que pasa por el sitio que se quiere evaluar. El área de la cuenca hidrológica puede ser estimada sobreponiendo el mapa de la cuenca con una rejilla consistente de cuadros (tal como el papel cuadriculado) de área conocida y contando el número de cuadros comprendidos en la cuenca hidrológica.

Para conseguir un cálculo aproximado de la cantidad de agua de una tormenta, usted puede multiplicar la profundidad de la precipitación por el área de la cuenca hidrológica. El valor de este cálculo es para comparar los volúmenes del potencial del agua de inundación en diferentes sitios. Cuanto más grande es el tamaño de la cuenca hidrológica, mayor será la cantidad de agua. Por ejemplo, un río en una montaña pequeña que tiene una cuenca hidrológica de 1,000 hectáreas tendrá 5 veces el flujo de inundación de un río similar a una cuenca hidrológica de 200 hectáreas. Los sitios con cuencas hidrológicas de gran tamaño deben ser evitados para poder minimizar el potencial de daño de inundaciones futuras. La historia ha demostrado que la inundación es peor en la confluencia de dos ríos. Esto es debido al efecto aditivo dramático de dos cuencas hidrológicas que se juntan.

La evaluación de sitios de construcción con potencial de inundación debe emplear estas tres herramientas de fácil aplicación:

  1. El registro histórico de inundación
  2. La identificación de terrenos de una zona de inundación
  3. La delineación de una cuenca hidrológica y el cálculo de flujo de inundación

En un área propensa a la inundación, donde ya se ha empezado a construir y que se considera que "valga la pena el riesgo" para una nueva construcción, los costos de una información detallada acerca de las elevaciones de inundación y de la ingeniería podrían "valer el gasto" para los propósitos de la planificación. En estos casos, se pueden construir edificios sobre polines con el primer piso elevado sobre el máximo nivel de inundación calculado permitiendo que las aguas de una inundación pasen por debajo de ellos.

Las inundaciones costeras causadas por las aguas del mar, son otro tipo de inundaciones serias donde el nivel del mar generado por el viento y las olas, se elevan temporalmente durante una tormenta; en ese caso un huracán puede inundar la tierra con agua salada. Las olas grandes y las altas elevaciones del agua se combinan para adentrarse en la tierra sobre las estructuras y con vientos de alta velocidad creando un gran daño. La determinación de las áreas costeras propensas a inundarse dependerá en gran parte de la elevación de la tierra, pero también dependerá de la distancia de la costa y de la configuración del puerto y las barreras.

Los registros históricos, los mapas topográficos y los cálculos de las elevaciones a las que se puede esperar que suba el mar en futuras tormentas estadísticamente determinan y proporcionan la base para los mapas de áreas propensas a la inundación en áreas costeras. Los puertos, debido a la naturaleza de sus funciones, estarán sujetos a inundaciones costeras, pero la gente que trabaja en los puertos, por ejemplo, no necesita tener sus casas en estas mismas áreas propensas a la inundación. La planificación puede colocar la construcción residencial en suelos altos, más seguros, mientras que las áreas de alto riesgo de inundación costera se pueden limitar al desarrollo de la infraestructura portuaria, ya que debe estar localizad cerca del agua.

Esta infraestructura portuaria debe integrar la "antiinundación" dentro de su diseño de construcciones. Las medidas anti-inundación pueden incluir la colocación de los servicios urbanos y otros objetos de valor en el segundo piso del edificio sobre la elevación proyectada de la inundación. La impermeabilidad de las paredes exteriores puede también minimizar el daño de la inundación a los interiores del edificio.

Suministros de Agua Superficial

Los suministros de agua pueden ser tomados directamente de ríos, lagos y represas, pero el agua generalmente necesita algún tratamiento para hacerla potable. Comúnmente, ese tratamiento es la filtración para sacarle los sólidos suspendidos y sus patógenos, y también la clorinación o algún otro tratamiento.

Los ríos tienen un flujo variable y cantidades de sólidos suspendidos, y por lo tanto son comúnmente confinados a un dique para poder formar una reserva de gran volumen y para decantar y sacar los sólidos suspendidos. Los suministros de agua superficial de las reservas pueden retener cantidades adecuadas para las ciudades. Ellas no son usadas comúnmente para suministros que requieran volúmenes pequeños, si hay fuentes de agua freática accesibles. El suministro de agua superficial requiere más tratamiento antes de ser enviada a los usuarios, siendo necesaria una inversión adicional.

Un elemento esencial para determinar la calidad del agua producida por una fuente superficial es identificar los linderos de la cuenca hidrológica que contribuyen a la fuente de agua. (Figura 2.4.3 arriba.) El tamaño de la cuenca hidrográfica determina la cantidad de agua que la fuente puede proveer con seguridad. Los usos de la tierra dentro de esa cuenca determinan la calidad de agua y su susceptibilidad a la contaminación como consecuencia de una inundación.

Primero, la planificación para prevenir o reducir la amenaza de contaminación de un suministro de agua superficial requiere que la cuenca hidrográfica del suministro esté trazada en un mapa.

Segundo, la planificación para prevenir o reducir la amenaza de contaminación requiere el control de fuentes potenciales de contaminación en la cuenca.

Para algunos suministros, la cuenca hidrológica pertenece y es controlada por el administrador del agua. Dicho control restringe algunas actividades que vengan en detrimento de la calidad del agua localizada en la cuenca hidrográfica, lo cual provee un mayor nivel de protección. En muchas situaciones, el control completo no es práctico, pero se pueden establecer mejores formas de manejo para asegurarse que las fuentes potenciales de contaminación no estén localizadas dentro de la cuenca hidrológica o que estén adecuadamente diseñadas, contenidas o restringidas de los cursos de las aguas de las inundaciones para reducir la amenaza de contaminación. Algunas de las fuentes de contaminación comúnmente conocidas son:

2.4.4: Pozos vulnerables y no vulnerables a inundaciones.

2.4.4: Pozos vulnerables y no vulnerables a inundaciones

  • lagunas de aguas residuales humanas, de haciendas e instalaciones de tratamiento;
  • lotes para alimentación animal o patios para ejercicios y establos;
  • desperdicios humanos (excremento) o áreas de eliminación de aguas residuales y fango;
  • cloacas para descarga de aguas lluvias (fuga urbana);
  • desperdicios industriales;
  • derrames de aceite y derivados;
  • residuos de minas y de molinos;
  • instalaciones de almacenaje de petróleo, tanto sobre como debajo de la tierra;
  • basureros;
  • derrames accidentales;
  • sedimentos erosionados de la minería, tala, sitios de construcción y tierra abandonada.

Mientras la amenaza de liberación de estas fuentes a una represa, pueda ser muy pequeña durante condiciones normales, una inundación puede violar sus contenciones y arrastrar contaminantes dentro de la represa de suministro de agua. Es esta catástrofe (cuando los materiales de estos tipos de usos de tierra son arrastrados dentro de una represa durante una inundación) que la planificación intenta prevenir ya sea prohibiéndoles la selección de un sitio dentro de la cuenca hidrológica o por medio de la anti-inundación (ver la sección de abajo acerca de la selección de un sitio en áreas propensas a la inundación) y la contención dentro de la cuenca hidrológica.

Suministros de Agua Freática

El agua freática (subterránea) pueda que no se encuentre en grandes volúmenes, pero casi en todas partes está en cantidades pequeñas; sin embargo hay algunas excepciones significativas. Las fuentes superficiales son generalmente preferidas para las grandes áreas metropolitanas. El agua freática tiene muchas ventajas sobre el agua superficial para suministros de municipalidades o comunidades medianas o pequeñas, por las siguientes razones.

  1. Está accesible en casi todos los lugares en cantidades capaces de sostener pequeños suministros.
  2. No tiene que ser filtrada.
  3. Por lo general está libre de patógenos y no necesita ser tratada para que sea segura para tomar, sin embargo es una buena práctica de manejo el tratar los suministros de agua freática pública o de la comunidad con la clorinación como una medida preventiva contra la exposición a contaminantes dentro del sistema de distribución.
  4. Los pozos pueden ser diseñados o localizados de manera que no sean vulnerables a la contaminación por inundaciones o sistemas de aguas residuales (sépticas u otras).
  5. Los pozos son comúnmente menos caros que construir represas de seguridad.
  6. Los suministros de agua subterránea de pozos moderadamente hondos a muy hondos son comúnmente menos vulnerables a las sequías, y los suministros de aguas superficiales menos vulnerables a la contaminación por descargas de aguas residuales o de campos abiertos.

Debido a estas características, los pozos son comúnmente las fuentes preferidas de agua potable para las áreas rurales, las haciendas, para comunidades, aldeas, ciudades pequeñas y para propósitos comerciales e industriales. Debido a que el agua freática se mueve a través de los pequeños poros del suelo y la roca, las partículas de materia, tales como sólidos suspendidos, bacteria y virus, son naturalmente filtrados y sacados del agua. También debido a que el agua freática se mueve lentamente, los contaminantes tales como las bacterias de las aguas de las inundaciones no pueden persistir lo suficiente para llegar hasta el pozo. Debido a estos factores, el agua freática no es generalmente vulnerable a la contaminación por inundación, exceptuando los siguientes tres casos:

  1. Las aguas de las inundaciones pueden encauzarse a un pozo a través de un equipo de bombeo, o enterrarlo en el sedimento si el pozo está en el camino de la inundación (Figura 2.4.4, Pozo1).
  2. Si la parte abierta de arriba del pozo está debajo del nivel del agua de la inundación, las aguas de la inundación pueden entrar en el pozo, fluir hacia abajo hasta dentro de la acuífera subyacente y contaminar el suministro (Figura 2.4.4, Pozo 1). Esta condición puede ser evitada, ya sea colocando el pozo en suelo más alto que el nivel de la inundación (Figura 2.4.4, Pozo 2), o levantando la tierra alrededor del pozo y extendiendo el cajón del pozo a un nivel sobre el nivel de la inundación (Figura 2.4.4, Pozo 2).
  3. El pozo puede estar localizado en una acuífera que descansa debajo de un área de inundación de agua marina cerca de la costa. Después que el agua marina inunda el área de recargo sobre una acuífera, el agua del pozo puede volverse algo salada por un largo tiempo, quizás aún años, después de la inundación. La sal puede ser lavada al renovar la recarga con agua fresca con el tiempo, pero debido a que el agua freática se mueve lentamente, el lavado puede tomar mucho tiempo.

2.4.5: Zona de protección de cabeza de pozo.

2.4.5: Zona de protección de cabeza de pozo

La planificación para proteger la calidad del agua freática no está restringida a eventos extremos tales como inundaciones. Para poder proteger la calidad del agua freática, primero los profesionales técnicos necesitan hacer un mapa de la zona de protección de cabeza de pozo que suministra la recarga a la acuífera y al pozo. La zona de captura del agua freática equivale a la cuenca hidrográfica para una fuente de agua superficial, pero no está determinada por la topografía de la superficie de la tierra. Esa área de tierra es donde se recarga el agua extraída por el pozo. El agua de la zona de captura se mueve hacia abajo dentro del manto acuífero hacia el pozo de suministro y donde los contaminantes pueden seguir el mismo camino. (Figura 2.4.5).

2.4.6: Diagrama de bloque que muestra la ubicación de la tierra (zona de captura) que recarga el agua freática para un pozo, también conocido como zona de protección de cabeza de pozo.

2.4.6: Diagrama de bloque que muestra la ubicación de la tierra (zona de captura) que recarga el agua freática para un pozo, también conocido como zona de protección de cabeza de pozo

Los hidrólogos y los profesionales técnicos como los diseñadores han identificado estas áreas contribuyentes como zonas de protección de cabeza de pozo (ZPCP). Hacer mapas de zonas de protección de cabeza de pozo requiere alguna información y análisis de los hidrólogos. Los reguladores pueden proteger la calidad del agua freática mediante la restricción de los usos de la tierra dentro de la cuenca hidrográfica. Generalmente no se trata de hacer un mapa de la zona de protección de cabeza de pozo para que sean utilizados por una sola casa o hacienda, pero si es recomendable para los pozos comunitarios y suministros más grandes. Un método simple para calcular un área de protección de cabeza de pozo para un pozo es el de utilizar la fórmula siguiente en Figura 2.4.6.

2.4.7: Fuentes comunes de contaminación de agua freática.

2.4.7: Fuentes comunes de contaminación de agua freática

Debido a que los caminos que conducen los contaminantes a las aguas y los suministros de agua freática son diferentes, las amenazas potenciales los contaminantes y usos de tierra también son diferentes (Figura 2.4.7). Estudios de casos de contaminación en los Estados Unidos durante las últimas décadas han desarrollado la siguiente lista de usos de tierra o materiales que deben ser restringidos o limitados dentro de una ZPCP.

  • Sistemas de aguas residuales domésticos en el sitio (sentinas y sistemas sépticos)
  • Tratamientos de cloacas e instalaciones de eliminación
  • Tuberías de recolección de cloacas con goteras
  • Lotes para alimentación animal, o patios para ejercicios y establos
  • Almacenamiento de fertilizantes y áreas de manejo
  • Almacenamiento de pesticidas y áreas de manejo
  • Tanques de almacenamiento de combustible subterráneos con goteras
  • Basureros
  • Lagunas y áreas de eliminación de desperdicios industriales
  • Materiales peligrosos (solventes volátiles orgánicos)
  • Residuos de campos de aceite
  • Residuos de minas y residuos de molinos
  • Derramamientos accidentales de químicos industriales
  • Fuga de los lotes de estacionamiento de buses y automóviles

Esta lista es algo diferente a la lista para los suministros de agua superficial debido a las diferentes condiciones físicas que ocurren a lo largo de los caminos a los suministros superficiales y los suministros de agua freática. Mientras los contaminantes en el agua superficial están sujetos a muchas mezclas y adulteraciones, los contaminantes en el agua freática están sujetos a pocas mezclas y adulteraciones. Mientras que los materiales suspendidos pueden viajar largas distancias (muchos kilómetros) en agua superficial, pueden viajar distancias muy limitadas (décimas de metros) en agua freática. Mientras los contaminantes volátiles no persistirán en la superficie antes de ser disipados en la atmósfera dentro de unos cuantos días, ellos pueden persistir por unas decenas de años o más bajo tierra donde están atrapados en los poros de la roca.

La amenaza de contaminación del agua freática por solventes orgánicos volátiles se controla mejor a través del control de los materiales peligrosos, el inventario y el seguimiento desde el origen hasta la disposición final, que por medio de los controles del uso de la tierra.

A pesar que los suministros de agua pública son comúnmente examinados en búsqueda de contaminantes periódicamente, los pequeños suministros domésticos son raramente examinados o nunca se examinan. Algunos niveles peligrosos de contaminación pueden que no sean detectados con el paladar y los que beben de esa agua pueden envenenarse sin saberlo. Por ejemplo, el nitrato de los deshechos humanos o animales o los fertilizantes pueden estar presentes en agua de pozo en concentraciones que no afectan a los adultos, pero que son letales para los niños. Es importante que los dueños de pequeños pozos estén informados acerca de las fuentes potenciales de contaminación del agua de pozo para que puedan tomar medidas para prevenir la contaminación de sus suministros de agua.

Tabla 2.4.1 Distancias Recomendadas de Separación Entre Fuentes de Contaminación y Pozos Públicos de Auga Potable.

Tabla 2.4.1 Distancias Recomendadas de Separación Entre Fuentes de Contaminación y Pozos Públicos de Auga Potable

La lista de fuentes potenciales de contaminación de agua freática (arriba) proporciona una guía para el dueño de un pozo para la protección de la calidad del agua de su pozo. Las actividades más comunes o los usos de tierra que necesitan mantenerse separados de los pequeños pozos son los deshechos humanos, tales como sentinas o sistemas sépticos y los deshechos de animales de los establos. Para pozos domésticos y de granjas, es recomendable que se mantenga una separación de por lo menos 30 metros entre un pozo y estas fuentes de contaminación. También es recomendable que el almacenaje o la mezcla de fertilizantes y pesticidas tóxicos no sea permitida dentro de 30 metros de distancia de un pozo, porque estos se pueden deslizar hacia adentro del suelo y dentro del agua. Ningún material tóxico tal como diluyentes o pesticidas deben de desecharse sobre o dentro del suelo cercano a un pozo. La eliminación de tales materiales dentro de sistemas de eliminación de desechos subterráneos puede ser especialmente peligroso para la calidad del agua freática.

Los manantiales surgen donde el agua freática sube a la superficie y se vuelve agua superficial por lo tanto, pueden ser vulnerables a todas las fuentes de contaminación, tanto para el agua freática como para el agua superficial. La construcción que se hace cerca de un manantial es comúnmente la causa de la degradación de la calidad del agua del manantial. El cuidado y la planificación pueden ayudar a prevenir tal contaminación al restringir los sistemas sépticos, establos, almacenaje de gasolina, basureros y la eliminación de los desechos industriales tanto de la ZPCP como de la cuenca hidrológica de un manantial.

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