Hidrología

Hace seis años, Wellntel publicó una entrada de blog titulada «En un mundo no estacionario, la continuidad de las observaciones es fundamental»; el título era una cita extraída de un artículo publicado en la revista *Science* por Milly y otros (2008). El mensaje del blog era que los factores físicos que determinan los sistemas hidrológicos se han visto cada vez más alterados por el cambio climático y, como consecuencia, se requiere una mayor densidad temporal y espacial de los datos para desarrollar los conocimientos hidrológicos necesarios que permitan hacer frente a los retos locales y regionales relacionados con las aguas subterráneas.

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Seis años después, todos estamos experimentando la continua alteración de los patrones climáticos, la creciente variabilidad de las precipitaciones y la cada vez mayor dependencia de las aguas subterráneas por parte de la industria, la agricultura y las comunidades. La no estacionariedad, ya sea de origen natural o antropogénico, es un factor que debe tenerse cada vez más en cuenta en la ingeniería y el diseño de los sistemas e infraestructuras hidráulicas.

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La estacionariedad o no estacionariedad de los sistemas hidrológicos es un principio fundamental de la gestión del agua y es importante comprenderla. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre un conjunto de datos de series temporales estacionario y uno no estacionario? La figura anterior ilustra esta diferencia, mostrando:

• (a) una serie temporal estacionaria con media y varianza constantes, y
• (b) tres series temporales no estacionarias que presentan un desplazamiento de la media (tendencia y cambio discontinuo) y un desplazamiento de la varianza. Las líneas negras continuas y discontinuas representan la media y la varianza de las series temporales, respectivamente. (La figura y la explicación se han copiado directamente de Slater y otros, 2021)

Las infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua se diseñan basándose en los mejores conocimientos disponibles sobre la hidrología local. Históricamente, en estos planes y diseños se ha partido del supuesto de la estacionariedad, pero cada vez es más evidente que ya no se pueden ignorar los elementos de no estacionariedad, procedentes de diversas fuentes.

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Durante gran parte del siglo pasado, los datos disponibles sugerían que el hidroclima y los sistemas hidrológicos se mantenían, en general, estacionarios en torno a valores medios. Esta estacionariedad constituía la base de muchos enfoques y herramientas para la planificación y el diseño de infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua. Sin embargo, a medida que se ampliaban los registros hidrológicos, la nueva perspectiva sugería que la variabilidad natural del hidroclima no era verdaderamente estacionaria en el sentido en que se había aplicado. Según R. M. Hirsch (2010), desde hace tiempo se reconoce y acepta ampliamente en la comunidad hidrológica que la hipótesis de la estacionariedad puede ser inválida en muchos casos. Hirsch sugiere las tres razones siguientes por las que los sistemas hidrológicos pueden no mostrar estacionariedad.

1. «Las modificaciones introducidas por el ser humano en el sistema hidrológico aguas arriba del proyecto. Entre estas modificaciones se incluyen la urbanización (aumento de las superficies impermeables), los cambios en el uso del suelo —como la conversión de terrenos forestales en tierras de cultivo— o la explotación de las aguas subterráneas, lo que provoca una disminución del caudal base de los cursos de agua». «Estos problemas son relativamente manejables, pero plantean importantes retos científicos, sobre todo en el caso de algunos procesos con largos plazos de respuesta, como la deforestación y la reforestación o el agotamiento de las aguas subterráneas».
2. «Los fenómenos climáticos naturales son cuasiperiódicos y dan lugar a altos grados de persistencia hidrológica. Esta categoría se centra en fenómenos como El Niño-Oscilación del Sur, la Oscilación Decenal del Pacífico y la Oscilación Multidecadal del Atlántico. Todos estos fenómenos tienen escalas temporales características y todos tienen efectos documentados sobre la temperatura, las precipitaciones y las condiciones hidrológicas en tierra». «Independientemente de si se denomina “no estacionariedad”, esto pone de manifiesto la importancia de que el análisis hidrológico aproveche al máximo una amplia gama de fuentes de información para ayudar a caracterizar el sistema. Entre ellas se incluyen registros históricos, registros paleoclimáticos y vínculos con sistemas terrestres u oceánicos lejanos de los que se dispone de mejores registros».

3. «El cambio climático provocado por las alteraciones de la atmósfera global causadas por el ser humano, principalmente el aumento de los gases de efecto invernadero». «Muchos investigadores climáticos sugieren que los episodios de precipitaciones muy intensas son cada vez más frecuentes, y que también lo son los períodos prolongados de escasas precipitaciones. Sin embargo, en lo que respecta a la respuesta de los ríos y las aguas subterráneas a estos fenómenos climáticos cambiantes, los resultados son mucho menos claros».

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Teniendo en cuenta estas diferentes fuentes potenciales de no estacionariedad en los conjuntos de datos hidrológicos descritas por Hirsch (2010), este autor considera «imperativo» que se siga dando una alta prioridad a la medición de la precipitación y el caudal fluvial, la humedad del suelo y las aguas subterráneas, así como del manto de nieve y los glaciares. Además, Hirsch (2010) sugiere que la continuidad de los datos y su análisis en los emplazamientos ya establecidos tiene mayor prioridad que iniciar la recopilación de datos en más ubicaciones.

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Milly y otros (2015) vuelven a hacer hincapié en la importancia de los datos en su respuesta a las críticas recibidas por su artículo de 2008 titulado «Stationarity is Dead: Whither Water Management?». Debido al carácter único y a la inmensidad del impacto del cambio climático en los ciclos hidrológicos y energéticos globales, Milly y otros (2015) afirman de nuevo en 2015, al igual que hicieron en 2008: «En un mundo no estacionario, la continuidad de las observaciones es fundamental». Las observaciones hidrológicas a largo plazo son esenciales para cuantificar, de forma continua, cómo el cambio climático está alterando los factores físicos que rigen los sistemas hidrológicos y, a su vez, cómo deben evolucionar los enfoques y las herramientas para la planificación y el diseño de las infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua.

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Desde California nos llega un ejemplo de respuesta a la necesidad de contar con observaciones hidrológicas fiables y de actualizar continuamente el análisis de frecuencias hidrológicas. El Climatólogo del Estado está llevando a cabo mejoras en las previsiones hidrológicas del estado (Anderson, 2022), entre las que se incluyen el ajuste de los promedios hidrológicos para reflejar mejor los datos hidrológicos más recientes, el perfeccionamiento de los modelos estadísticos mediante datos actualizados y la adopción de nuevos enfoques para mejorar la previsión de fenómenos meteorológicos extremos (excedencia del 10 % y del 90 %).

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Las infraestructuras de abastecimiento y gestión del agua se diseñan basándose en los mejores conocimientos disponibles sobre la hidrología local. Históricamente, en estos planes y diseños se ha asumido la estacionariedad, pero cada vez es más necesario tener en cuenta elementos de no estacionariedad procedentes de diversas fuentes. La necesidad de disponer de datos hidrológicos locales y continuos es cada vez mayor, mientras que la capacidad de los organismos públicos para recopilar e interpretar dichos datos se mantiene estancada o está disminuyendo. Incluso cuando se dispone más fácilmente de fondos para la investigación científica, los organismos estatales y federales no pueden recopilar datos al ritmo necesario ni en un número suficiente de lugares como para abordar las cuestiones más importantes para las comunidades locales en materia de gestión del agua. Afortunadamente, los ayuntamientos, las comunidades y otras partes interesadas pueden ahora unirse para crear potentes redes de sistemas Wellntel que proporcionen la «continuidad de las observaciones» centrada directamente en sus preocupaciones más críticas en materia de recursos de aguas subterráneas.

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Fuentes

Anderson, M. L., «Mejora de las previsiones para adaptarse al cambio climático», taller de la Comisión del Agua de California, 16 de febrero de 2022

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Hirsch, R. M.: «Una perspectiva sobre la no estacionariedad en la gestión del agua», Colorado Water — marzo/abril de 2010, volumen 27, número 2, pp. 5-6, consultado el 20 de marzo de 2023 en «Una perspectiva sobre la no estacionariedad en la gestión del agua» (wucaonline.org)

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Milly, P. C., Betancourt, J., Falkenmark, M., Hirsch, R. M., Kundzewicz, Z. W., Lettenmaier, D. P. y Stouffer, R. J.: «La estacionariedad ha muerto: ¿hacia dónde va la gestión del agua?», 2008, Science, 319, 573-574, consultado el 20 de marzo de 2023 en https://www.law.berkeley.edu/files/CLEE/Milly_2008_Science_StationarityIsDead.pdf

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Milly, P. C. D., J. Betancourt, M. Falkenmark, R. M. Hirsch, Z. W. Kundzewicz, D. P. Lettenmaier, R. J. Stouffer, M. D. Dettinger y V. Krysanova, 2015, «Sobre las críticas a “La estacionariedad ha muerto: ¿hacia dónde va la gestión del agua?”», Water Resour. Res., 51, 7785-7789, doi:10.1002/2015WR017408. Consultado el 20 de marzo de 2023 en «Sobre las críticas a “La estacionariedad ha muerto: ¿hacia dónde va la gestión del agua?”» - Milly - 2015 - Water Resources Research - Wiley Online Library

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Slater, L. J., Anderson, B., Buechel, M., Dadson, S., Han, S., Harrigan, S., Kelder, T., Kowal, K., Lees, T., Matthews, T., Murphy, C. y Wilby, R. L.: «Fenómenos meteorológicos y hídricos extremos no estacionarios: una revisión de los métodos para su detección, atribución y gestión», 2021, Hydrol. Earth Syst. Sci., 25, 3897-3935, consultado el 20 de marzo de 2023 en https://hess.copernicus.org/articles/25/3897/2021/

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En las partes anteriores de esta serie se ha analizado cómo el seguimiento de los niveles de agua en un pozo es fundamental para comprender los recursos de agua subterránea disponibles para abastecer a un hogar, una comunidad, una explotación agrícola o una empresa. Además, el seguimiento de las fluctuaciones del nivel de agua relacionadas con la actividad de bombeo permite conocer mejor las características del acuífero local. En esta última parte de la serie se utiliza el hidrograma del mismo pozo situado en la región de Hill Country, en Texas (Figura 1). La sección resaltada del hidrograma se amplía (Figura 2) para mostrar que este episodio de bombeo concreto se compone de muchos episodios de bombeo breves, cada uno de ellos con un evento de medición de «Inicio de bombeo» y otro de «Parada de bombeo». En cada caso, tras el evento de «Parada de bombeo», se miden los niveles de agua durante la recuperación hasta que la bomba se pone en marcha de nuevo, lo que da lugar a la medición del nivel correspondiente al «Inicio de bombeo», seguida de la «Parada de bombeo» y la «Recuperación». Tras un tiempo, y unos 30 ciclos de bombeo cortos, la condición finaliza y el pozo comienza su recuperación hasta alcanzar un nivel estático real del agua.

Este tipo de ciclos de bombeo pueden deberse a diversas causas, ya sean intencionadas o no. En cualquier caso, es importante que el propietario o el operador del pozo esté al tanto de la actividad de bombeo y sea capaz de supervisar la dinámica del bombeo y la bajada del nivel freático.

La cuarta parte pone fin a esta serie de artículos breves titulada «Identificación de tres elementos locales fundamentales para la salud de los acuíferos».

El sensor Wellntel es único entre los sensores de nivel de agua, ya que etiqueta las mediciones relacionadas con el bombeo para que puedan utilizarse de formas relevantes para el análisis de datos. En la anterior «Parte 2» de esta serie, se filtraron todas las mediciones etiquetadas como «bombeo» en el ejemplo, con el fin de poder destacar los niveles de agua no relacionados con el bombeo —el espesor estático saturado—.

Pero, ¿cómo asigna el sistema de sensores Wellntel las etiquetas a las mediciones?

Mediante un transductor de corriente que se acopla al cable de alimentación de la bomba sumergible (Figura 1), el sensor Wellntel detecta cuándo comienza y cuándo se detiene el bombeo, y realiza una medición del nivel del agua en el instante en que se produce cada uno de estos eventos. Además, una vez que el sensor ha registrado la medición al detenerse el bombeo, el sistema realiza una secuencia de mediciones para capturar el perfil de recuperación.

Las diferentes etiquetas (Eventos) que se aplican a las mediciones del nivel del agua de Wellntel (Figura 2) son:

• Temporizadas: mediciones realizadas a intervalos de tiempo constantes, establecidos por el patrocinador de la red
• Arranque de la bomba: medida que se toma cuando el transductor de corriente detecta por primera vez que la bomba recibe alimentación eléctrica.
• Funcionamiento de la bomba: medida que se registra si la bomba ha seguido funcionando durante el intervalo de tiempo establecido más allá de la marca de tiempo de inicio de la bomba.
• Parada de la bomba: medida que se toma cuando el transductor de corriente detecta que se interrumpe la alimentación eléctrica de la bomba, lo que refleja la bajada total del nivel de agua provocada por el bombeo.
• Recuperación de la bomba: una serie de mediciones que comienza con una realizada 30 segundos después de la marca de tiempo de parada de la bomba, seguida de otra 120 segundos después de esa medición y, a continuación, otra 240 segundos después de la última medición, de modo que el intervalo entre las mediciones del nivel de recuperación se va duplicando hasta que alcanza el intervalo de la medición temporizada establecida. 
• Influencia de la bomba: una medición temporizada que detecta que la bomba está en funcionamiento

Las mediciones periódicas del nivel del agua son importantes para ilustrar las tendencias del espesor saturado del recurso hídrico subterráneo, tal y como se ha mostrado en la parte anterior de esta serie. Las mediciones relacionadas con el bombeo proporcionan información importante sobre el efecto de la presión de bombeo en el recurso. Cada tipo de evento de medición (Figura 2) puede incluirse o excluirse de cualquier hidrograma u otra visualización, o de la descarga de datos, según sea más adecuado para el análisis.

Si nos centramos en el intervalo de tiempo indicado por el recuadro azul en el hidrograma de un pozo de la región de Texas Hill Country (Figura 3), se pueden apreciar los detalles de varios episodios de bombeo (Figura 4). Se indican las mediciones temporales previas a los episodios de bombeo, así como las mediciones del nivel del agua en el inicio del bombeo, la parada del bombeo y la recuperación tras el bombeo.

Como se observa en la figura 4, los datos del nivel freático muestran tres episodios de bombeo consecutivos que son prácticamente idénticos: la misma duración del bombeo (esfuerzo) y la misma bajada del nivel freático resultante, seguidos del mismo perfil de recuperación. Tras estos tres episodios de bombeo, los datos muestran un episodio de bombeo con una duración considerablemente mayor, lo que da lugar a una bajada del nivel freático mucho mayor y a un perfil de recuperación muy diferente. Las características físicas tanto del acuífero como del pozo se reflejan en la respuesta al esfuerzo de bombeo.

Otro pozo de la región de Texas Hill Country ilustra cómo los episodios recurrentes de bombeo pueden determinar la capacidad específica de un pozo. Un hidrograma que abarca aproximadamente un año incluye datos de todos los episodios (Figura 5), pero puede filtrarse para representar gráficamente únicamente las mediciones «Timed» y «Pump Stop» (Figura 6). La capacidad específica —el caudal (en gpm) dividido por la bajada del nivel freático (en pies)— puede calcularse en cualquier punto del registro. El valor de la capacidad específica integra las características tanto del acuífero como del pozo y, a menudo, se realiza un seguimiento a lo largo del tiempo para detectar cualquier cambio en las condiciones del acuífero, del pozo o de la bomba.

Al representar gráficamente este pozo concreto de Hill Country junto con un pozo vecino, se obtienen datos específicos al observar la influencia que ejerce el bombeo de un pozo sobre el otro (Figura 7). Durante un periodo de bombeo frecuente, se observa una disminución general del espesor saturado en ambos pozos como respuesta a la tensión.

Centrándonos en el intervalo de tiempo indicado por el recuadro azul en el hidrograma, se muestra en detalle la influencia directa del esfuerzo de bombeo en el pozo de control que no está en funcionamiento (Figura 8). Cuando comienza un episodio de bombeo, el pozo de control presenta una tendencia descendente apreciable en el nivel freático. Cuando cesa el bombeo, el pozo de control invierte la tendencia y los niveles se recuperan. Dado que se conoce la distancia entre estos dos pozos, así como el caudal de bombeo (esfuerzo), los datos de la curva de recuperación pueden utilizarse para estimar los parámetros hidráulicos locales del acuífero.

Un último ejemplo procede de una explotación ganadera intensiva situada en el noreste de Wisconsin. La primera parte del hidrograma (Figura 9) es similar a la del ejemplo anterior, en el que se observa la influencia de un pozo de bombeo sobre los niveles de agua de un pozo de control, y puede ofrecer la oportunidad de estimar las características del acuífero local. Sin embargo, la última parte del hidrograma muestra un periodo en el que ambos pozos están bombeando y se influyen mutuamente (figuras 9 y 10). Se trata de una situación mucho más compleja, en la que las pérdidas desconocidas de los pozos complican el uso de los datos de las curvas de recuperación para estimar las características del acuífero. 

Quizá existan métodos numéricos sofisticados que puedan aplicarse en este caso, pero sin duda resulta muy útil observar cómo el bombeo de un pozo influye en el otro, ya que el agricultor se esfuerza por optimizar sus operaciones y proteger la infraestructura de abastecimiento de agua.

En la última entrega de esta serie continuaremos analizando los datos en tiempo real y etiquetados sobre el nivel del agua recopilados por los sensores de Wellntel, que ofrecen información sobre la infraestructura y el funcionamiento del suministro de agua, lo que permite reducir los riesgos relacionados con los recursos y el negocio.

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Dada la preocupación constante por la aridificación y el agravamiento de la sequía en muchos lugares,evaluar el estado de los acuíferos a medida que se producen estos cambios está cobrando cada vez más importancia para el bienestar de las empresas, las explotaciones agrícolas y las comunidades. 

Gracias al sensor Wellntel y al panel de análisis, los responsables de la gestión del agua disponen de los datos y las herramientas necesarios para identificar la dinámica de tres elementos locales fundamentales: los recursos de aguas subterráneas, los acuíferos y las operaciones. 

Durante las próximas semanas, publicaremos tres artículos breves del vicepresidente de Hidrología de Wellntel, el Dr. Charles Dunning, quien definirá cada uno de estos elementos fundamentales y ofrecerá información sobre cómo identificarlos y comprenderlos. ¡No te lo pierdas!

Una de las razones fundamentales para controlar los niveles de agua en un pozo es conocer los recursos de agua subterránea disponibles para abastecer a un hogar, una comunidad, una explotación agrícola o una empresa. Los recursos de agua subterránea explotables están directamente relacionados con el espesor saturado medible del acuífero.

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Tomando como ejemplo la región de Hill Country, en Texas, el hidrograma (figura 1) muestra que, a lo largo de un periodo de aproximadamente cuatro semanas, la cota del agua oscila entre un mínimo de unos 787 pies y un máximo de unos 854 pies sobre el nivel del mar. Las cotas mínimas se registran durante los periodos de bombeo, mientras que las máximas se registran durante los periodos en los que no se bombea.

El sensor Wellntel marca de forma específica las mediciones relacionadas con la actividad de bombeo, de modo que puedan filtrarse según criterios relevantes para el análisis de datos. Para ilustrar mejor las tendencias a corto y largo plazo del espesor saturado del acuífero, es posible identificar las mediciones marcadas como «bombeo» (Figura 2) y, a continuación, eliminarlas del hidrograma (Figura 3).

Esto se consigue en el panel de control de Wellntel Analytics simplemente desmarcando las mediciones etiquetadas como «bombeo» (Figura 4). Si la bomba está inactiva o si el pozo es un pozo de monitorización específico sin bomba, el espesor saturado resultará evidente, sin necesidad de filtrar las mediciones etiquetadas como «bombeo».

Una vez eliminadas del hidrograma las mediciones relacionadas con el bombeo, los cambios en el espesor saturado del acuífero durante este periodo de tiempo resultan más evidentes (Figura 5). Concretamente, el espesor saturado aumentó en unos 10 pies a lo largo de los 17 días que abarca el registro, y un periodo de 5 días fue responsable de aproximadamente 6,5 pies de ese aumento. Una vez que el nivel del agua alcanzó su cota máxima, ha mostrado un descenso lento.

Ser capaz de identificar y separar las mediciones de elevación del nivel freático que se ven influidas por la actividad de bombeo es fundamental para evaluar las fluctuaciones en el espesor saturado de un acuífero. A medida que la recopilación de datos continúa a lo largo de años y décadas, aumenta la comprensión local de la dinámica del recurso de aguas subterráneas —en particular, la relación entre el espesor saturado del acuífero y las influencias estacionales normales, las tendencias meteorológicas a más largo plazo, la extracción local y el cambio climático antropogénico—. La integración de datos procedentes de una red de pozos perforados en el mismo acuífero puede proporcionar una visión regional de esa misma dinámica.

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En la próxima entrega de esta serie se explicará cómo las mediciones con marcadores de bombeo, recopiladas de forma exclusiva por el sensor acústico Wellntel, pueden utilizarse para comprender mejor las características de los acuíferos locales.

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‍La gestión de los recursos hídricos para satisfacer demandas contrapuestas se está volviendo cada vez más compleja, impulsada por los compromisos con la equidad en los costes y el acceso, con la resiliencia de los recursos y con la protección ecológica.

En la práctica, la gestión del agua a escala local —ya se trate de una empresa de suministro de agua, un distrito de conservación, una explotación agrícola o una planta de fabricación— viene determinada por los datos y la información específicos necesarios para tomar decisiones de gestión y está limitada por los presupuestos operativos.

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La incertidumbre (o veracidad) de esos datos e información concretos es importante para la confianza en las decisiones de gestión que se adoptan, decisiones que afectan a las comunidades, las empresas, los agricultores y el medio ambiente. Es importante describir o cuantificar la incertidumbre de los datos y la información en los que se basan estas decisiones de gestión, al igual que lo es trabajar, en la medida de lo posible, para reducir dicha incertidumbre mediante la recopilación y el análisis de datos adicionales, pertinentes y precisos.

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Afortunadamente, cada vez resulta más fácil y económico recopilar datos fundamentales para la gestión del agua, gracias a una nueva generación de sensores y plataformas basadas en la nube, así como a una tecnología de teledetección cada vez más sofisticada. La utilización de conjuntos de datos hidrológicos cada vez más amplios se ve facilitada por la ciencia de datos, un campo técnico que se describe, en términos generales, como la disciplina dedicada a la recopilación, el mantenimiento, el procesamiento, el análisis y la comunicación de datos. La ciencia de datos extrae valor de cifras e información que, de otro modo, podrían pasar desapercibidas, y tiene aplicaciones en todo el espectro de entornos hidrológicos.

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Dos de los principales valores que aporta la ciencia de datos son:
—una evaluación más clara de la incertidumbre en los conjuntos de datos hidrológicos— y
—una medida de la reducción de la incertidumbre lograda gracias al aumento de la densidad de los datos y a la incorporación de nuevos tipos de datos—.  

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Podemos verlo en la práctica en Arkansas y Texas.

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Aumento del rendimiento del arroz mediante la reducción del consumo de agua en Arkansas: 

En este artículo de Forbes, el autor Steven Savage relata la experiencia de cinco agricultores de Arkansas que utilizan el sistema AWD:

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«El sistema de humectación y secado alternados es exactamente lo que su nombre indica. El arroz se siembra en un campo inundado, pero luego se deja secar mediante la evaporación y la transpiración del agua de las hojas del arroz. En un plazo de 10 a 15 días, dependiendo de las precipitaciones, el agua estancada ha desaparecido por completo y, con el paso del tiempo, el nivel del agua desciende hasta unas pocas pulgadas por debajo del nivel del suelo. Las investigaciones han demostrado que el agricultor puede dejar que el nivel del agua baje hasta las cuatro pulgadas por debajo del nivel del suelo sin ningún riesgo antes de bombear más agua. Si el secado se prolonga más allá de ese punto, el rendimiento final del arroz comienza a disminuir».

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El sistema AWD minimiza el consumo de agua y reduce las emisiones de metano en los arrozales mediante la recopilación remota de datos a escala de campo para controlar el riego y los niveles de agua. La alta densidad de datos temporales de campo y la ciencia de datos que permite sacarles partido permiten a estos agricultores reducir la incertidumbre en sus operaciones, optimizar la gestión y maximizar el valor del sistema AWD. Un agricultor de Arkansas informó de que había conseguido reducir el consumo de agua en un 50 % o más, las emisiones de metano en un 50 % (por lo que obtuvo un crédito) y el uso de nitrógeno en un 25 %, además de aumentar el rendimiento del arroz.

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Reducción de la incertidumbre en el suministro de agua a las comunidades mediante la monitorización en tiempo real del nivel de las aguas subterráneas en Texas:

Un sistema comunitario de abastecimiento de agua en Texas ofrece otro ejemplo de cómo la ciencia de datos aporta información relevante y reduce la incertidumbre gracias a un nuevo y extenso conjunto de datos en tiempo real. La localidad no incorporada de Gause se encuentra en el condado de Milam, Texas, y, históricamente, el Distrito de Conservación de Aguas Subterráneas de Post Oak Savannah (POSGCD) medía los niveles de agua del pozo municipal con una cinta métrica de acero aproximadamente una vez al año.

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Dado que las mediciones con cinta métrica de acero se realizaban con muy poca frecuencia y que no había forma de saber si los bombeos recientes estaban afectando a las lecturas, existía un alto grado de incertidumbre en cuanto a la comprensión del recurso hídrico subterráneo y su sostenibilidad a partir de los datos recopilados.

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En 2018, el distrito instaló un sensor acústico de nivel de agua Wellntel en el pozo comunitario de Gause y comenzó a recopilar datos sobre el nivel del agua en tiempo real.

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Los operadores de pozos de abastecimiento pueden ahora gestionar el pozo con confianza y confiar en Wellntel para cuantificar y documentar visualmente los niveles de bombeo y estáticos, así como para supervisar la magnitud de la respuesta de descenso del nivel freático. Además, el perfil de recuperación de cada evento de bombeo ayuda a cuantificar las características del acuífero local y podría perfeccionar el modelo local de disponibilidad de aguas subterráneas, lo que también supone un paso importante para reducir la incertidumbre en torno a la sostenibilidad de este recurso hídrico subterráneo.

Los efectos de las sequías hidrológicas son de carácter profundamente local; para comprender y gestionar los recursos de aguas subterráneas afectados, las redes de seguimiento también deben ser locales.

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La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) señala que la comunidad climatológica, siguiendo los trabajos de Wilhite y^Glantz¹, reconoce cuatro tipos de sequía:

• sequía meteorológica
• sequía hidrológica
• sequía agrícola, y
• sequía socioeconómica.

Los tres primeros son fenómenos físicos, mientras que el último aborda la sequía desde el punto de vista de la oferta y la demanda, así como su manifestación en los sistemas socioeconómicos. Las sequías son objeto de un amplio estudio y seguimiento por parte de la industria, el mundo académico y los organismos gubernamentales, impulsados en gran medida por el interés en sus repercusiones socioeconómicas.

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Sequía hidrológica

Una sequía hidrológica se caracteriza por un suministro de agua persistentemente bajo en comparación con los valores históricos, especialmente en los ríos, embalses y acuíferos poco profundos. Aunque las sequías tienen su origen en unas precipitaciones anormalmente bajas, la evolución de una sequía meteorológica a una hidrológica es el resultado de complejos procesos del ciclo del agua. Por este motivo, no todas las sequías meteorológicas dan lugar a sequías hidrológicas: una sequía meteorológica puede comenzar y terminar rápidamente antes de que ese déficit de precipitaciones pueda afectar a los recursos hidrológicos locales. Una sequía hidrológica suele tardar mucho más en desarrollarse y en recuperarse que una sequía meteorológica relacionada.

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Sequía de las aguas subterráneas: el seguimiento local es fundamental

La sequía de las aguas subterráneas poco profundas puede considerarse un subconjunto específico de la sequía hidrológica: la sequía de las aguas subterráneas se caracteriza por unos niveles de agua subterránea que se mantienen persistentemente por debajo de la media a largo plazo, lo que da lugar a una reducción del espesor saturado y de la disponibilidad. Durante una sequía de las aguas subterráneas, es probable que continúen —y que incluso aumenten— las extracciones de agua del acuífero poco profundo con fines de riego, abastecimiento municipal, industriales y de otro tipo; se trata de una influencia humana que puede amplificar los factores meteorológicos determinantes.

La mejor forma de determinar el espesor saturado y la disponibilidad de un recurso de aguas subterráneas en un momento dado es mediante una red de pozos con la densidad adecuada (tanto espacial como temporalmente) que supervise la profundidad hasta el nivel freático. Sin embargo, la cobertura espacial de los pozos de control y las redes en todo el país es limitada para observar y cuantificar las sequías de aguas subterráneas. El Servicio Geológico de los Estados Unidos gestiona la Red de Respuesta Climática, diseñada para reflejar el efecto de las sequías y otras variaciones climáticas en los niveles de las aguas subterráneas en acuíferos poco profundos, ya sean confinados o no confinados. Sin embargo, esta red nacional incluye 684 puntos de control, cuya distribución espacial parece estar sesgada hacia el este de EE. UU.

El valor de la Red de Respuesta Climática a la hora de reflejar los efectos a escala estatal y regional es evidente, pero, dado que los impactos socioeconómicos de las sequías de aguas subterráneas son de carácter profundamente local, las redes de seguimiento diseñadas para comprender y gestionar dichos impactos también deben ser locales. La gestión de los impactos socioeconómicos de una sequía de aguas subterráneas —que ha reducido el espesor saturado y la disponibilidad de un recurso hídrico subterráneo fundamental— requiere una densidad de datos que sea adecuadamente local.

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Texas Central: el poder de los datos locales y detallados

En los hidrogramas de cuatro pozos de bombeo residenciales situados en la misma urbanización del centro de Texas (Figura 1) se muestra una red de seguimiento que pone claramente de manifiesto el impacto local de una sequía de aguas subterráneas. El nivel freático de este acuífero compartido tiende a descender en estos pozos hasta finales de agosto aproximadamente, tras lo cual se observa una recuperación parcial hasta finales de año. Esta sequía de aguas subterráneas en concreto coincide claramente con una sequía meteorológica documentada, pero no siempre es así. Estos datos ponen de manifiesto una coherencia local en el efecto de la sequía que resulta importante para caracterizar la sequía de aguas subterráneas y para definir posibles medidas de gestión.

La densidad espacial adecuada de cualquier red diseñada para supervisar el espesor saturado y la disponibilidad en el contexto de las sequías de aguas subterráneas vendrá determinada por consideraciones hidrogeológicas locales y de uso del agua. La gestión del agua que se lleva a cabo a escala de condado, municipio o pueblo tendrá unas prioridades de supervisión que deberían reflejarse en la escala espacial y el carácter de su red. La figura 2 muestra un mapa de una red de seguimiento en el este de Wisconsin que resulta muy adecuada para captar el impacto local, a escala de pueblo, de una sequía sobre los recursos de aguas subterráneas. Además, dado que un buen número de los pozos monitorizados se encuentran cerca de arroyos y lagos locales, esta red resultará especialmente útil para relacionar los niveles más bajos del acuífero superficial con los cambios en la contribución del caudal base a los cursos de agua superficiales. De este modo, se establece un vínculo más amplio entre la sequía local de aguas subterráneas y la sequía hidrológica local.

Las comunidades y las empresas locales suelen ser las que más profundamente sufren los efectos de las sequías hidrológicas y las sequías de aguas subterráneas asociadas a ellas. El seguimiento de los niveles de las aguas subterráneas es fundamental para detectar y comprender las sequías de aguas subterráneas, así como para que las comunidades locales puedan definir y planificar las medidas de gestión pertinentes.

Una red Wellntel es la plataforma perfecta para diseñar y poner en marcha programas locales de seguimiento de las aguas subterráneas, así como para permitir a los expertos locales identificar y cuantificar las sequías de las aguas subterráneas y gestionar sus repercusiones.

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Fuentes

^1Wilhite, D. A.; y M. H. Glantz. 1985. «Comprender el fenómeno de la sequía: el papel de las definiciones». *Water International* 10(3):111-120.

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Los agricultores que dependen de las aguas subterráneas deberían establecer redes de seguimiento a principios del año hidrológico para cuantificar el espesor de la capa saturada antes de la temporada de cultivo.

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Existe una relación directa entre el espesor saturado de un acuífero y el volumen de agua subterránea disponible para su extracción, limitado por la normativa y/o los principios de sostenibilidad.

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En condiciones naturales, el nivel freático de un acuífero no confinado subirá y bajará en función de la recarga, la descarga y la evapotranspiración. El espesor saturado del recurso hídrico subterráneo —definido, en términos sencillos, como la distancia entre el nivel freático y la base del acuífero (Figura 1)— aumentará y disminuirá en respuesta a las fluctuaciones del nivel freático.

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Por lo general, se observa que las variaciones en el espesor saturado de un acuífero se repiten estacionalmente dentro de un rango histórico determinado por los cambios típicos de esos mismos factores —recarga, descarga y evapotranspiración—, aunque también pueden reflejar cambios climáticos a más largo plazo. A estas fluctuaciones naturales se suman los cambios provocados por el bombeo para riego, la recarga controlada u otras influencias humanas.

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Dado que el espesor saturado de un acuífero está directamente relacionado con el volumen de agua subterránea disponible para su extracción, cuantificar dicho espesor al inicio de la temporada de crecimiento resulta fundamental para la planificación del riego y, tal vez, incluso para la selección de cultivos. La clave para cuantificar el espesor saturado de un acuífero, que cambia dinámicamente, es, por supuesto, realizar un seguimiento minucioso de la profundidad transitoria del nivel freático.

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Las observaciones hidrológicas suelen considerarse en el marco del año hidrológico, que se define como el período de 12 meses que comienza el 1 de octubre de un año determinado y finaliza el 30 de septiembre del año siguiente. La creación de una nueva red de seguimiento del nivel freático —o la ampliación de una red ya existente— permitirá comprender mejor las fluctuaciones a corto y largo plazo del nivel freático. Al añadir estos puntos de control al inicio del año hidrológico, se puede cuantificar el espesor saturado con mayor fiabilidad espacial y temporal de cara a la temporada de riego.

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Los siguientes ejemplos ilustran las fluctuaciones del nivel freático —y, por extensión, del espesor saturado del acuífero— observadas en pozos de California y Texas.

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El primero es un hidrograma de un pozo de abastecimiento de agua de una bodega de California, que ilustra las fluctuaciones del nivel freático influidas por el bombeo del pozo y por las condiciones hidrológicas estacionales (Figura 2). Este hidrograma deja claro al explotador del viñedo que el espesor saturado de este recurso de aguas subterráneas era unos 15 pies menor al comienzo del año hidrológico 2020 que al comienzo del año hidrológico 2019, por lo que podría ser necesario modificar las operaciones de riego.

Un segundo ejemplo procede del acuífero de Ogallala, en el condado de Gray, dentro de la región de Llano Estacado de Texas: se trata de un pozo con registros más prolongados de datos sobre el nivel freático recopilados por la Junta de Desarrollo Hídrico de Texas y publicados por John E. Stout, del USDA-ARS (Stout, 2018). El hidrograma del pozo de registro proporciona datos desde 2005 hasta 2017, lo que muestra claramente la influencia del bombeo estacional de los pozos de riego vecinos al pozo de control (Figura 3). Cabe señalar que la profundidad hasta el nivel freático al inicio del bombeo estacional en los años hidrológicos 2014 y 2015 es claramente mayor en comparación con los años hidrológicos 2005 y 2006. Y aunque parezca que la diferencia es inferior a un metro, tal reducción del espesor saturado y del agua subterránea disponible puede influir en las explotaciones agrícolas locales.

Estos datos, procedentes de la región de Llano Estacado, en Texas, ponen de manifiesto la importancia de la recopilación de datos a largo plazo y, en particular, la importancia de cuantificar el espesor saturado del recurso hídrico subterráneo al comienzo del año hidrológico, con el fin de permitir una gestión del agua para uso agrícola del acuífero de Ogallala más adecuada y mejor fundamentada.

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Independientemente de si el volumen de agua subterránea disponible para su extracción está limitado por la normativa o por principios de sostenibilidad, es fundamental que los propietarios de pozos privados dispongan de datos e información sobre la evolución del espesor saturado de su acuífero local. Wellntel permite crear redes de monitorización del nivel freático compuestas por pozos privados con bombas sumergibles, así como por pozos de control, y ofrece un panel de análisis con potentes herramientas para la gestión, el análisis y la visualización de datos.

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Fuentes:

Stout, J.E., 2018, «Perturbaciones estacionales del nivel del agua bajo las altas llanuras del Llano Estacado»; Journal of Hydrology: Regional Studies, volumen 18, agosto de 2018, consultado el 18 de enero de 2020 en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581817303373

Biblioteca colaborativa de StudyBlue, consultada el 26 de enero de 2020 https://www.studyblue.com/?src_url=https://www.studyblue.com/notes/note/n/water-beneath-the-surface-ch-6-3/deck/13436902#flashcard/flip/13436902

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A finales del verano y principios del otoño de 2019, Texas sufrió una sequía de grave a extrema en algunas zonas de las regiones central, meridional y del este de Texas occidental. Esa sequía queda reflejada en los mapas semanales facilitados por el Observatorio de Sequías de Estados Unidos, gracias a una colaboración entre el Centro Nacional de Mitigación de Sequías de la Universidad de Nebraska-Lincoln, el Departamento de Agricultura de Estados Unidos y la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica.

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Ser capaz de anticipar el impacto del tiempo seco o la sequía en los niveles de agua de los acuíferos locales es fundamental para la gestión a largo plazo de los recursos hídricos subterráneos compartidos. Por lo tanto, un elemento fundamental de estos esfuerzos de planificación debe ser la recopilación de datos precisos y continuos, en forma de series temporales, sobre los niveles de agua, que reflejen los periodos de sequía a lo largo del año hidrológico. Cada sequía tiene un carácter intrínsecamente único. Al recopilar datos continuos a lo largo de muchos años, se obtiene una mayor comprensión de las variaciones de fondo en los niveles freáticos, tanto estacionales como provocadas por fenómenos concretos.

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En este trabajo no se ha intentado realizar un análisis detallado de la relación entre la sequía y los niveles de las aguas subterráneas; más bien, lo que se presenta a continuación es una simple yuxtaposición de la intensidad de la sequía con los hidrogramas de los pozos situados en las zonas afectadas por la sequía de 2019. El objetivo es documentar dicha yuxtaposición, destacar la importancia de la recopilación de datos y el seguimiento continuo, y fomentar la realización de nuevas investigaciones.

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La sequía de Texas de 2019

Three selected map images (Figure 1) provide a view of the progression of the drought intensity that was at its greatest in late September 2019 and early October 2019. These maps use a color range from yellow (D0), indicating “Abnormally Dry” conditions, to brown (D4), indicating “Exceptional Drought” conditions (Figure 2). Considering the total area of Texas, < 1% of the state was experiencing Severe or Extreme Drought Intensity (D2-D3) during the week of July 23 (Figures 1 and 3). By the week of October 15, that state-wide percentage had grown to about 26% with much of the drought appearing in the Central, Southern, and eastern West Texas Regions. By the week of December 3, much of the Extreme Drought had abated and the area of Severe Drought had lessened as well – together those categories of Drought Intensity (D2-D3) had dropped to about 8% of the area of Texas (Figures 1 and 3).

Acuíferos en condiciones de sequía

La intensidad de la sequía es una interpretación —realizada por el Observatorio de Sequías de Estados Unidos— de numerosos datos climatológicos, agrícolas e hidrológicos. Una comparación entre la intensidad de la sequía y la evolución de los niveles de agua en los pozos durante cualquier periodo de tiempo seleccionado puede aportar información sobre el efecto de las condiciones de sequía en los acuíferos locales.

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La tendencia a la baja de los niveles de agua en un acuífero durante un periodo de sequía puede deberse a numerosas causas, entre ellas:

• el aumento de las extracciones de agua del acuífero para satisfacer las mayores necesidades en épocas de sequía,
• una recarga reducida o nula procedente de las precipitaciones,
• una recarga reducida o nula procedente de las aguas superficiales que suelen alimentar las aguas subterráneas.

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Los acuíferos poco profundos de las regiones central, meridional y oriental del oeste de Texas presentan una gran variabilidad hidrogeológica —incluida su permeabilidad primaria y secundaria— y, por lo tanto, su respuesta a las condiciones climáticas e hidrológicas puede ser muy diferente. Para comprender los factores que contribuyen a los cambios en el nivel freático de un pozo de control o de bombeo concreto, es necesario llevar a cabo un estudio específico de cada pozo o red de pozos. No se han llevado a cabo investigaciones de este tipo en este caso, por lo que aún quedan por explorar los factores que contribuyen a cualquier relación entre la intensidad de la sequía y los cambios observados en el nivel freático en los hidrogramas de los pozos que se presentan a continuación.

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Niveles de agua observados en los pozos de bombeo

Cada uno de los siguientes hidrogramas muestra los niveles de agua medidos en los pozos de las redes de monitorización de Wellntel y se ha elaborado mediante el panel de control de Wellntel Analytics. Los datos presentados corresponden al periodo comprendido entre el 1 de junio y el 8 de diciembre de 2019.
La figura 4 muestra los hidrogramas de cuatro pozos de bombeo situados en la misma urbanización residencial del centro de Texas; los datos presentados corresponden a los niveles máximos semanales del agua. El nivel del agua en este acuífero compartido tiende a descender en estos pozos hasta finales de agosto aproximadamente, tras lo cual se observa una recuperación parcial.

El panel de control de Wellntel Analytics ofrece la posibilidad de visualizar los datos de la figura 4 como variación del nivel del agua con respecto a un punto de referencia cero común, mediante el conjunto de funciones «Variación». La figura 5 muestra este gráfico —Variación de la profundidad hasta el nivel del agua—, en el que se destaca que la variación entre el 1 de junio y el 8 de agosto fue de aproximadamente 44, 47, 49 y 56 pies para los cuatro pozos.

La figura 6 muestra el hidrograma de un pozo de bombeo residencial en la región del sur de Texas; los datos presentados son mediciones discretas de profundidad, tanto cronometradas como influenciadas por el bombeo. Se observa un descenso del nivel del agua de unos 20 pies entre junio y principios de octubre; sin embargo, este pozo continúa con una tendencia a la baja, cayendo otros 10 pies hasta principios de diciembre. Cabe señalar que tanto el nivel sin bombeo (estático) como la profundidad de la bajada provocada por el bombeo presentan una tendencia a la baja proporcional. Se trata de una zona rural con baja densidad de pozos, un factor a tener en cuenta a la hora de determinar en qué medida el cambio temporal del nivel del agua se ha visto influido por el bombeo local frente a los efectos de la sequía.

No muy lejos del pozo de la figura 6 hay otro pozo con un hidrograma muy diferente durante el mismo periodo de tiempo; los datos se presentan como mediciones semanales de la profundidad mínima. Tal y como se muestra en la figura 7, los niveles de agua en este pozo fluctuaron solo en torno a 0,5 pies, pero con una tendencia al alza. Es probable que los factores hidrogeológicos sean la principal causa de la diferencia en la respuesta observada en estos dos pozos.

La figura 8 muestra un pozo de abastecimiento de agua de la región central de Texas; los datos presentados son mediciones discretas de profundidad, tanto cronometradas como influidas por el bombeo. La frecuencia de bombeo parece relativamente constante a lo largo del periodo, por lo que es posible que las extracciones de agua no sean un factor sustancial que contribuya al descenso del nivel freático. Cabe señalar que el nivel sin bombeo y la profundidad de la bajada provocada por el bombeo tienden, en general, a descender de forma proporcional. La reducción del nivel freático entre junio y octubre es de unos 10 pies, con un ligero indicio de recuperación hacia diciembre.

La variabilidad climática de las sequías y la variabilidad hidrogeológica de los acuíferos contribuyen a la complejidad de los conjuntos de datos observados. La recopilación de datos de niveles de agua en series temporales continuas y estadísticamente adecuadas (que permitan un margen de incertidumbre aceptable) es fundamental para desentrañar la influencia combinada de la sequía, la recarga y las extracciones de agua en los hidrogramas de los pozos.

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Wellntel permite crear redes de seguimiento del nivel de las aguas subterráneas compuestas por pozos privados con bombas sumergibles. Ponte en contacto con nosotros para comentarnos tus necesidades a la hora de desarrollar una red de seguimiento de las aguas subterráneas que te ayude a gestionar de forma sostenible tus recursos hídricos subterráneos ante fenómenos meteorológicos extremos y los cambios climáticos.

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Póngase en contacto con Charles Dunning, doctor y vicepresidente de Hidrología de Wellntel, para obtener más información sobre las redes de Wellntel, la ciencia de las aguas subterráneas y los fenómenos meteorológicos extremos.

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La ciencia ciudadana es cada vez más fundamental para la gestión sostenible de los recursos.

Una red comunitaria de seguimiento del nivel freático (red comunitaria) es un conjunto de pozos privados —que a menudo extraen agua del mismo acuífero local— en los que se mide periódicamente el nivel freático. Los propietarios de estos pozos privados —residenciales, industriales o agrícolas— han decidido compartir sus datos sobre el nivel freático y se comunican entre sí o con profesionales locales especializados en aguas subterráneas. La extensión espacial de una red comunitaria compuesta por pozos privados suele estar delimitada por límites hidrogeológicos, geográficos o políticos. En la figura 1 se presenta un ejemplo: una red comunitaria definida por la extensión de tres condados del centro-oeste de Wisconsin: los condados de Dunn, Chippewa y Eau Claire.

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Motivación para unirse a una red comunitaria o crearla

Una motivación habitual para que los propietarios de pozos privados se unan a una red comunitaria o la creen es una amenaza percibida o cuantificada para su recurso de aguas subterráneas; esta amenaza puede referirse a la calidad del agua, a la disponibilidad de agua o a ambas. Otras motivaciones incluyen el interés por comprender mejor la hidrogeología de sus recursos de aguas subterráneas o por gestionarlos de forma sostenible en un contexto de cambio climático. Además, un factor que contribuye a la necesidad de una red comunitaria suele ser la capacidad cada vez menor de los organismos reguladores o científicos para satisfacer las necesidades de seguimiento.

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El reconocimiento de la necesidad de una red comunitaria y del valor que aporta a la gestión de los recursos de aguas subterráneas se basa en una comprensión sólida de las demandas contrapuestas que afectan a los recursos locales de aguas subterráneas. A la hora de crear una red, es importante articular claramente la motivación o la amenaza, de modo que se pueda definir la densidad espacial y temporal necesaria de los datos de la red. También es importante identificar a las partes interesadas que dependen del recurso, definir los puntos de colaboración y de desacuerdo, y planificar la red de tal manera que los datos recopilados sean relevantes para dichas partes. La educación y la divulgación en toda la comunidad, y no solo entre los propietarios de pozos participantes, también son importantes. Hay que identificar formas de informar a las partes interesadas y al público sobre el valor de los datos recopilados, así como colaborar con los organizadores locales para llevar a cabo actividades de divulgación y reuniones públicas con el fin de incorporar a los propietarios de pozos a la red.

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Características de las redes comunitarias

Aunque las redes comunitarias que han tenido éxito pueden presentar rasgos propios de su entorno y situación particulares, suelen compartir estas características importantes:

• la red presenta una densidad de datos espaciales y temporales adecuada para abordar las cuestiones hidrogeológicas fundamentales relativas al recurso local,
• los datos recopilados por la red son de gran calidad,
• los datos recopilados por la red se comparten con todos los participantes,
• la red se basa en el método científico para recopilar e interpretar datos,
• La red recurre, con todo respeto, a profesionales cualificados para interpretar los datos, caracterizar los recursos hídricos subterráneos y orientar su gestión sostenible,
• La red reconoce que, si bien algunos datos ofrecen una visión muy intuitiva y clara, a menudo ocurre que las redes que proporcionan conjuntos de datos de series temporales distribuidos espacialmente revelan una realidad compleja y poco intuitiva.

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Wellntel hace que las redes comunitarias sean sencillas, eficientes y valiosas

Wellntel es el primer sistema de información en tiempo real sobre el nivel de las aguas subterráneas diseñado para crear redes de monitorización comunitarias que proporcionen los datos necesarios para gestionar de forma sostenible los recursos hídricos subterráneos. El sistema utiliza sensores sencillos, fiables y precisos, junto con una plataforma visual y analítica basada en la nube, para convertir los pozos privados domésticos, industriales y agrícolas en redes de monitorización en tiempo real, con el fin de involucrar a las partes interesadas, identificar riesgos y fundamentar las decisiones de gestión.

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Con Wellntel, las comunidades pueden:

• crear redes de seguimiento continuo y en tiempo real del nivel de las aguas subterráneas de forma rápida y rentable
• identificar el impacto del bombeo y los factores ambientales para comprender los riesgos y las oportunidades
• involucrar a las partes interesadas locales
• crear conjuntos de datos densos y exhaustivos que sirvan de base para las decisiones de gestión y mejoren los modelos de flujo de las aguas subterráneas

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La figura 2 ofrece un ejemplo de datos sobre el nivel de las aguas subterráneas recopilados por una red comunitaria de Wellntel en Texas. Los niveles de agua en estos pozos residenciales descienden durante los meses de verano debido a la menor recarga y al aumento del bombeo. Los niveles de agua comienzan a recuperarse en octubre, a medida que vuelven las precipitaciones a la zona. La densidad espacial y temporal de esta red se ha diseñado para aportar información sobre cuestiones relacionadas con la separación permitida entre pozos que contribuya a la sostenibilidad de los recursos hídricos subterráneos locales.

Es importante planificar el número y la ubicación adecuados de los pozos de monitorización en las redes comunitarias para proporcionar la densidad espacial necesaria para el problema hidrogeológico que se va a investigar. La figura 3a muestra una red comunitaria debidamente definida, compuesta por 29 sistemas Wellntel y delimitada por los límites de la localidad de Richfield, en el condado de Washington (Wisconsin). La figura 3b presenta un mapa de burbujas que ilustra las variaciones del nivel freático en los pozos a lo largo de un periodo de seis meses en 2019.

Wellntel y nuestros socios han creado redes comunitarias en muchos estados de EE. UU. Ponte en contacto con Charles Dunning, doctor y vicepresidente de Hidrología de Wellntel, para obtener más información sobre las redes comunitarias de seguimiento del nivel freático de Wellntel y explorar las posibilidades para tu comunidad.

La Ley de Gestión Sostenible de las Aguas Subterráneas de California de 2014 (SGMA) exige que las Agencias de Sostenibilidad de las Aguas Subterráneas (GSA) gestionen los recursos hídricos subterráneos para evitar impactos adversos significativos e irrazonables en los usos beneficiosos de^{las aguas} superficiales^{interconectadas¹⁻²,} el agotamiento de las aguas superficiales es uno de los seis factores de sostenibilidad de la SGMA que las GSA y sus Planes de Sostenibilidad de las Aguas Subterráneas (GSP) deben tener en cuenta y esforzarse por evitar o^minimizar³.
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Entre los usos beneficiosos de las aguas superficiales se incluyen tanto los usos para consumo humano como los usos medioambientales; por lo tanto, la SGMA obliga a las GSA a gestionar los recursos de aguas subterráneas con el fin de proteger también^{los ecosistemas} que dependen de^ellas³. Las aguas superficiales interconectadas se definen como «aguas superficiales que están conectadas hidráulicamente en cualquier punto, a través de una zona saturada continua, con el acuífero subyacente, y en las que las aguas superficiales suprayacentes no se han agotado por ^{completo»⁴.}

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Como consecuencia del mandato de la SGMA de proteger los usos beneficiosos de las aguas superficiales, las GSA deberán adquirir un profundo conocimiento de las interacciones dinámicas entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales en su cuenca; el flujo puede producirse en cualquier dirección, impulsado por gradientes hidráulicos que fluctúan en diversas escalas temporales. En la siguiente figura, A es un tramo de curso de agua «ganador» que recibe agua del sistema de aguas subterráneas, mientras que B es un tramo «perdedor» que aporta agua al^sistema de aguas^{subterráneas⁵}. Un curso de agua puede tener a lo largo de su recorrido tanto tramos «ganadores» como «perdedores», en función de numerosos factores locales.

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Aunque existen diversas herramientas y métodos para cuantificar el flujo entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales (véase la tabla 2, págs. 9-10, de Cantor y otros, 2018²), el método de análisis de redes de flujo, a menudo denominado «enfoque de Darcy», es probablemente el más^utilizado⁶. En este método, se utiliza una combinación de mediciones de los niveles en pozos cercanos a la costa situados en el nivel freático y mediciones del nivel de las masas de agua superficiales adyacentes para calcular los gradientes del nivel freático entre los pozos y la masa de agua superficial. La cuantificación de los gradientes hidráulicos en el espacio y en el tiempo, junto con la aplicación de la ecuación de Darcy, permite a las autoridades responsables de la gestión de las aguas (GSA) comprender mejor la magnitud y la dinámica del flujo entre las aguas superficiales y las subterráneas.

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Es fundamental que los GSP reconozcan la escala espacial y temporal de la interacción entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales que deben gestionarse, de modo que se puedan diseñar redes que proporcionen datos a una escala adecuada. La siguiente tabla muestra que la escala temporal adecuada para la recopilación de datos en el marco del «Seguimiento de la interacción entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales» puede oscilar entre días o semanas y^décadas⁷. Dadas las condiciones estacionales y las relacionadas con los fenómenos hidrológicos a las que se verán sometidas muchas cuencas de la GSA, es probable que la frecuencia de seguimiento en la escala temporal más corta resulte la más valiosa.

La creación de redes de seguimiento de las aguas subterráneas y superficiales que alcancen la densidad espacial y temporal adecuada es fundamental para lograr el profundo conocimiento que necesitan las GSA. Con este fin, será importante aprovechar las redes de seguimiento de aguas subterráneas ya existentes, así como sacar partido de las nuevas tecnologías. El sistema de aguas subterráneas Wellntel (plataforma de sensores y análisis) complementa y amplía las redes existentes al incorporar pozos de bombeo privados como puntos de control del nivel freático, e al integrar los datos de todas las fuentes de la red y de terceros en un potente panel de análisis para optimizar la gestión, el análisis, la visualización y la elaboración de informes. El sistema de aguas subterráneas Wellntel es el enfoque más eficaz para proporcionar la densidad espacial y temporal que se requerirá para cumplir con el mandato de la SGMA de proteger los usos beneficiosos de las aguas superficiales.

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Fuentes

^1. Código de Aguas de California, artículo 10721(x)

² Cantor, Alida, Dave Owen, Thomas Harter, Nell Green Nylen y Michael Kiparsky, 2018, «Navigating Groundwater-Surface Water Interactions under the Sustainable Groundwater Management Act», Centro de Derecho, Energía y Medio Ambiente, Facultad de Derecho de la Universidad de California en Berkeley, Berkeley, California. 50 págs., consultado en https://www.law.berkeley.edu/wp-content/uploads/2018/03/Navigating_GW-SW_Interactions_under_SGMA.pdf

³ Departamento de Recursos Hídricos de California, 2017, BORRADOR de las mejores prácticas de gestión para la gestión sostenible de las aguas subterráneas, Criterios de gestión sostenible, consultado en https://water.ca.gov/LegacyFiles/groundwater/sgm/pdfs/BMP_Sustainable_Management_Criteria_2017-11-06.pdf

^4. Código de Reglamentos de California, título 23, artículo 351(o)

⁵ Barlow, P.M., y Leake, S.A., 2012, «Reducción del caudal fluvial por los pozos: comprensión y gestión de los efectos del bombeo de aguas subterráneas en el caudal fluvial»: Circular 1376 del Servicio Geológico de los Estados Unidos, 84 págs., consultado en https://pubs.usgs.gov/circ/1376/pdf/circ1376_barlow_report_508.pdf

⁶ Donald O. Rosenberry, James W. LaBaugh y Randall J. Hunt, 2008, «Uso de pozos de monitorización, piezómetros portátiles y medidores de filtración para cuantificar el flujo entre las aguas superficiales y las subterráneas», capítulo 2, en Rosenberry, D.O. y LaBaugh, J.W., 2008, «Técnicas de campo para estimar los flujos de agua entre las aguas superficiales y las subterráneas»: Técnicas y métodos del Servicio Geológico de los Estados Unidos 4–D2, 128 p., consultado en https://pubs.usgs.gov/tm/04d02/pdf/TM4-D2-chap2.pdf

⁷ Taylor, C. J. y Alley, W. M., 2001, «Seguimiento del nivel de las aguas subterráneas y la importancia de los datos a largo plazo sobre el nivel del agua»: Circular 1217 del Servicio Geológico de los Estados Unidos, consultado en https://pubs.usgs.gov/circ/circ1217/pdf/circ1217_final.pdf

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Los sistemas Wellntel recopilan datos detallados sobre la actividad de bombeo y los etiquetan para que resulten útiles a la hora de comprender el acuífero subterráneo y las características operativas de los pozos de la red.

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Etiquetado de datos

Los datos que se pueden recopilar, etiquetar y mostrar en tiempo real son:

• el nivel del agua en el pozo durante cada medición programada —etiquetada como «Programada»—
• el nivel del agua en el pozo al inicio y al final de cada ciclo de bombeo —etiquetado como «Inicio del bombeo» o «Fin del bombeo»—
• el nivel del agua en el pozo durante cada ciclo de bombeo —denominado «Pump Run»—, y
• la recuperación del nivel del agua tras el cese del bombeo, lo que se denomina «recuperación del pozo».

Dado que todas las mediciones realizadas por los sistemas Wellntel se etiquetan de esta manera, los datos pueden filtrarse y ordenarse para crear conjuntos de datos que resulten más útiles para el análisis en toda la red. Por ejemplo, se pueden analizar específicamente los datos de recuperación de pozos para cuantificar las características del acuífero, o examinar únicamente las mediciones temporizadas para comprender las tendencias del nivel estático del agua, o bien centrarse exclusivamente en las mediciones de funcionamiento de la bomba para realizar un seguimiento de los cambios en la bajada de nivel provocada por el bombeo.

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Características del acuífero

La respuesta dinámica a un episodio de bombeo es un reflejo directo de las características físicas del acuífero y, en mayor o menor medida, del pozo. En concreto, las mediciones que registran la recuperación del nivel freático tras un episodio de bombeo —denominadas «Well Recovery» por Wellntel— constituyen un conjunto de datos extremadamente valioso para cuantificar las características del acuífero. Cuando se combinan con el conocimiento del caudal y la extracción acumulada de agua de cualquier episodio de bombeo, las características del acuífero que pueden estimarse incluyen la capacidad específica, la conductividad hidráulica, la transmisividad y las propiedades de almacenamiento.

Los seis gráficos de datos de Wellntel que se muestran a continuación ilustran diversos ejemplos de curvas de recuperación de pozos que proporcionan estos datos fundamentales para el análisis de acuíferos.

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Pozo de riego de gran capacidad:

Con los sensores Wellntel, los responsables de la red también pueden tener la oportunidad de medir el efecto que tiene en un pozo de la red el bombeo realizado en otro pozo de la misma red; se trata de un tipo de análisis adicional que puede aportar información importante sobre las características del acuífero.

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Frecuencia e intensidad del bombeo

Muy a menudo, los sistemas Wellntel se instalan en pozos de los que no se han recopilado mediciones del nivel del agua, salvo alguna medición ocasional con cinta métrica; en concreto, no suele haber mediciones durante el bombeo. Por lo tanto, los datos recopilados por Wellntel ofrecen una primera visión de cómo el bombeo está afectando a los niveles de agua y al funcionamiento de los sistemas de abastecimiento de agua. En consecuencia, las suposiciones que los gestores de la red y los propietarios de los pozos puedan tener sobre la frecuencia y la profundidad de su bombeo suelen cambiar cuando estos datos se hacen visibles. Y no es raro que estos datos lleven al propietario de un pozo a realizar ajustes en los parámetros o condiciones que activan el funcionamiento de la bomba, o incluso a llevar a cabo una evaluación de la integridad del sistema para detectar fugas u otros problemas.

Los gráficos que se muestran a continuación presentan hidrogramas de la actividad de bombeo detectada mediante las mediciones de los dispositivos Wellntel; parte de esta actividad resultó bastante inesperada tanto para el patrocinador de la red como para el propietario del pozo.

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Pozos residenciales:

Pozo municipal:

Buenas características operativas

A medida que se recopila un historial de mediciones del nivel freático con marcadores, se hacen evidentes las características específicas de cada pozo en cuanto a frecuencia de bombeo, descenso del nivel freático y recuperación. Tal y como se muestra en los hidrogramas anteriores y siguientes, se pone de manifiesto una gran variedad de características operativas de los pozos. Esta singularidad depende del acuífero, del pozo, de la bomba, de la cabezada y del equipo de superficie, así como de las prácticas de explotación. Estos datos pueden informar al propietario del pozo sobre la respuesta del acuífero a las operaciones de bombeo e indicar si es necesario modificar dichas operaciones de alguna manera en el presente, o en previsión de tendencias estacionales o condiciones meteorológicas extremas.

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Pozos municipales

El etiquetado de los datos de nivel de agua para identificar el tipo de medición permite realizar operaciones sofisticadas de clasificación y filtrado de los datos de la red, lo que agiliza el análisis y aumenta el valor de las interpretaciones locales y regionales. Ponte en contacto con Wellntel para recibir más información sobre esta y otras funciones de la plataforma de información sobre aguas subterráneas de Wellntel.

El Sistema de Información sobre Aguas Subterráneas de Wellntel ofrece una plataforma analítica completa —sensores, telemetría y análisis en tiempo real— que integra datos en tiempo real sobre el suministro de agua con las necesidades de consumo, con el fin de facilitar la toma de decisiones en materia de hidrología operativa.

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A medida que las explotaciones agrícolas siguen expandiéndose en zonas donde los recursos hídricos subterráneos disponibles se ven limitados, ya sea por un espesor saturado menor o por restricciones de asignación, a menudo no es posible satisfacer la demanda total de consumo de algunos cultivos mediante los métodos de riego habituales. En estas condiciones, se está aplicando la «gestión de riego limitado» para influir en las decisiones sobre la rotación de cultivos y la gestión del agua durante las fases de crecimiento vegetativo; estas prácticas agrícolas tienen por objeto minimizar el estrés hídrico durante las fases críticas de crecimiento y proteger el rendimiento de los cultivos.

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Los gestores de aguas subterráneas, los consultores de regadío y los investigadores científicos están ampliando las redes de seguimiento del nivel freático para proporcionar la mayor densidad espacial y temporal de datos necesaria para gestionar estos recursos hídricos limitados. Sin embargo, la ampliación del seguimiento se ha visto tradicionalmente limitada por los costes que supone la elección de la ubicación y la instalación de nuevos pozos y equipos de seguimiento, así como por la imposibilidad de realizar el seguimiento en pozos de abastecimiento de agua privados. Con el Sistema de Información sobre Aguas Subterráneas de Wellntel, ampliar el seguimiento a la producción agrícola privada es ahora una realidad rentable.

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Unos sencillos sensores no invasivos instalados en la boca del pozo eliminan el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas o de daños en los equipos de los pozos con bombas sumergibles. La conexión de estos sensores mediante telemetría a una plataforma de visualización y análisis de datos basada en la nube permite realizar un seguimiento y comprender las mediciones del nivel del agua en tiempo real, que se etiquetan para cuantificar la influencia del bombeo. El sistema Wellntel ofrece acceso en línea y en tiempo real a la plataforma de análisis, proporcionando datos a escala de red listos para su uso en investigación y gestión.

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A continuación se muestra un ejemplo de los datos que ofrece el panel de control de Wellntel Analytics: el hidrograma de este pozo revela que el nivel freático sin bombeo se ha mantenido bastante constante durante los últimos 9 meses. Sin embargo, la tendencia de las curvas de descenso indica claramente el impacto del bombeo continuado en este acuífero. Si el suministro se viera limitado por la necesidad de mantener un espesor saturado mínimo, observar estas tendencias en tiempo real resultaría de un valor incalculable para optimizar las operaciones. Los datos detallados recopilados para cada evento individual de bombeo y recuperación también registran el ciclo de bombeo y ayudan a cuantificar las propiedades del acuífero. El caudal acumulado también puede ser un dato generado por la plataforma de análisis para supervisar la producción en relación con la asignación.

Gracias al Sistema de Información sobre Aguas Subterráneas de Wellntel, los agricultores que aplican la gestión de riego limitado pueden ahora integrar una evaluación en tiempo real del suministro restringido de aguas subterráneas con los datos a escala de campo que definen las necesidades de consumo. Al integrar la disponibilidad de agua y las necesidades de consumo, es posible identificar las mejores opciones de riego para minimizar el estrés de los cultivos durante las fases críticas de crecimiento y maximizar el rendimiento de los mismos en estas condiciones de escasez de agua.

El Distrito de Conservación de Aguas Subterráneas de Comal Trinity está utilizando la tecnología de Wellntel para crear una red de monitorización de aguas subterráneas eficaz y rentable que mejorará considerablemente el conocimiento hidrogeológico y la gestión de los recursos basada en datos científicos. La implantación de la red comenzó en octubre de 2018 con cuatro pozos, y se amplió a diez a principios de 2019.

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«El plan para instalar pozos de control en el acuífero Trinity se ha acelerado, ya que el coste es mucho menor de lo previsto gracias al uso del producto Wellntel», afirmó Larry Hull, presidente del consejo de administración de Comal Trinity GCD.

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En el condado de Comal, Texas, hay dos pozos residenciales cercanos perforados en el mismo acuífero, dentro del Grupo Trinity. Durante 2019, las variaciones en el nivel de las aguas subterráneas de estos dos pozos han seguido una evolución muy similar, tal y como se observa en el hidrograma compuesto de la figura 1: subieron unos 3 pies y medio en enero y, a continuación, registraron un descenso gradual de unos 7 pies entre febrero y abril. En las dos primeras semanas de mayo se ha producido una subida de unos 4 pies.

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El hidrograma también muestra cada operación de bombeo en estos dos pozos, registrando la profundidad del nivel freático en el inicio del bombeo, la parada del bombeo y, a continuación, a lo largo de cada periodo de recuperación del pozo definido. La bajada del nivel freático provocada por el bombeo ha sido, por lo general, de entre 12 y 14 pies. Todos estos datos —tanto las mediciones temporales como las de bombeo— se facilitan a los patrocinadores y gestores de la red en tiempo real a través del panel de control de Wellntel Analytics.

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Resulta de especial interés un periodo a finales de abril durante el cual el pozo, representado por el hidrograma azul, fue bombeado repetidamente a lo largo de unas 25 horas. Las operaciones de bombeo no se distinguen individualmente cuando se representa gráficamente el conjunto completo de datos, pero sí son visibles en una vista más detallada al utilizar las herramientas de zoom, tal y como se muestra en la figura 1.

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Los sensores Wellntel de ambos pozos se configuraron para recopilar mediciones durante cada ciclo de bombeo y, cuando no se bombeaba, las mediciones programadas se realizaban a intervalos de 4 horas. Con el fin de observar la influencia hidrológica del periodo de bombeo prolongado tanto en el pozo de bombeo como en el pozo vecino (hidrograma rojo), el intervalo de medición programado se redujo a 10 minutos. Este cambio tendría la ventaja añadida de permitir la recogida de mediciones de la profundidad hasta el agua durante el bombeo, ya que la duración del bombeo suele ser más corta que el intervalo de 4 horas establecido anteriormente.

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La telemetría activa, que viene de serie con la plataforma Wellntel, permitió modificar de forma remota el intervalo de medición de ambos pozos. El cambio se realizó en el pozo de bombeo cerca del inicio del periodo de bombeo y en el pozo vecino aproximadamente a mitad de dicho periodo. En la figura 2 se indica el periodo durante el cual se estableció el intervalo de medición de 10 minutos para cada pozo.

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La influencia del bombeo a lo largo del tiempo se aprecia claramente en el pozo de bombeo, tanto en su nivel sin bombeo como en la profundidad de la bajada del nivel freático. Además, se observa una bajada relacionada del nivel freático en el pozo vecino. La relación entre el caudal acumulado durante este periodo de bombeo y la respuesta cuantificada del acuífero que se observa en ambos hidrogramas contribuirá a comprender las características del acuífero —como la conductividad hidráulica y las propiedades de almacenamiento— en el condado de Comal.

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En la figura 3 se ofrece un análisis más detallado de los datos, que revela la importante conexión hidráulica que existe en el acuífero entre el pozo de bombeo y el pozo vecino. Una vez que se empezaron a recopilar mediciones de la profundidad del agua a intervalos de 10 minutos, los datos del pozo vecino (hidrograma rojo) muestran claramente que los niveles de agua descienden durante los periodos de bombeo y aumentan cuando la bomba está apagada.

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La recopilación de estos datos es posible gracias a la tecnología de sensores de Wellntel, que convierte los pozos con bombas sumergibles en puntos de monitorización, que clasifica las mediciones de la profundidad hasta el agua según el momento en que se realizan o en función de la actividad de bombeo, y que proporciona datos en tiempo real para que los propietarios de los pozos, los promotores de la red o los gestores de recursos puedan tomar medidas.  

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Según el Sr. Hull,«el sistema de monitorización de Wellntel y las herramientas analíticas asociadas han proporcionado datos en tiempo real sobre la variada hidrología del acuífero de Trinity».

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Esperamos seguir colaborando con el Distrito de Conservación de los Recursos Hídricos de Comal Trinity (GCD) para aportar información relevante —como la dinámica de los flujos de aguas subterráneas, la distribución espacial de la recarga y los gradientes hidráulicos entre los principales acuíferos— que pueden proporcionar los datos detallados recopilados a partir de una red bien diseñada.

Los datos detallados sobre el nivel de las aguas subterráneas —recogidos porlas redes comunitarias de aguas subterráneas de Wellntel— son esenciales para satisfacer las necesidades de análisis del TMDL.

La Carga Máxima Diaria Total (TMDL) sirve de guía para la restauración

El Programa 303(d) de la Ley de Agua Limpia de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) ayuda a los estados, territorios y tribus autorizadas a presentar listas de aguas contaminadas y a elaborar la Carga Máxima Diaria Total (TMDL) para un arroyo o río. La TMDL es un término normativo que describe un plan para la restauración de aguas contaminadas y que identifica la cantidad máxima de un contaminante —la carga— que una masa de agua puede recibir diariamente sin dejar de cumplir las normas de calidad del agua. Una TMDL se compone de asignaciones de carga tanto para fuentes puntuales como para fuentes difusas.

Se han registrado niveles excesivos de nutrientes en más del 40 % de las millas fluviales estadounidenses estudiadas

Aunque el nitrógeno y el fósforo son esenciales para un ecosistema acuático saludable, un exceso de estos nutrientes en una masa de agua provoca un crecimiento excesivo de las plantas acuáticas, un aumento de las floraciones de algas nocivas, una menor penetración de la luz y una disminución de los niveles de oxígeno disuelto. Cualquiera de estas condiciones reduce el uso recreativo del agua por parte de las personas y dificulta la vida de los peces y otros animales acuáticos. La Evaluación Nacional de Ríos y Arroyos de la EPA de EE. UU. (2008/2009) evaluó 1,2 millones de millas de ríos y arroyos en EE. UU. y constató que más del 40 % de las millas de ríos y arroyos presentan niveles de nutrientes demasiado elevados.

Según informa la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA), «Las principales fuentes de contaminación por nitrógeno y fósforo son la escorrentía de fertilizantes, el estiércol animal, los vertidos de las plantas de tratamiento de aguas residuales, la escorrentía de aguas pluviales, las emisiones de los vehículos y las centrales eléctricas, y las fosas sépticas defectuosas. En la cuenca del río Misisipi, que abarca 31 estados y desemboca finalmente en el Golfo de México, los nutrientes procedentes de los cultivos en hileras y de las explotaciones ganaderas intensivas son los que más contribuyen a la contaminación por nutrientes».

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Una fuente de nutrientes que a menudo se pasa por alto es el caudal base de las aguas subterráneas que se vierte en los arroyos y ríos.

En términos generales, el caudal de base es el caudal de un arroyo o río que se mantiene incluso cuando no hay escorrentía directa de las precipitaciones sobre el terreno. En otras palabras, el caudal de base es el caudal del arroyo cuando no ha llovido durante muchos días y, por lo tanto, no hay escorrentía relacionada con las precipitaciones. Los vertidos puntuales artificiales de aguas residuales tratadas o los vertidos autorizados pueden contribuir al caudal base. Sin embargo, la descarga de aguas subterráneas suele ser el principal factor que contribuye al caudal base sostenido de un arroyo o río.

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Es imposible cumplir un TMDL si no se tiene en cuenta la aportación de nutrientes del caudal base de las aguas subterráneas.

Si la carga de nutrientes procedente del caudal base de las aguas subterráneas no se cuantifica adecuadamente o se ignora, resultará muy difícil, o incluso imposible, que los responsables locales cumplan los objetivos de gestión de nutrientes establecidos por un TMDL. ¿Qué se sabe sobre la carga de nutrientes de las aguas subterráneas? El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) llevó a cabo un análisis nacional exhaustivo de los nutrientes en los cursos de agua y las aguas subterráneas utilizando datos recopilados entre 1992 y 2004. El análisis fue publicado en 2010 por el Programa Nacional de Evaluación de la Calidad del Agua como Circular 1350 del USGS.

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Una de las principales conclusiones del análisis fue que las concentraciones de nitratos superiores al nivel máximo de contaminantes (MCL) son más frecuentes y están más extendidas en las aguas subterráneas que en los cursos de agua. De hecho, de los estudios realizados en aguas subterráneas poco profundas de zonas agrícolas, el 83 % presentaba una o más muestras (de entre 20 y 30 pozos analizados) con una concentración de nitratos superior al MCL. Solo el 28 % de los cursos de agua de las zonas agrícolas presentaba uno o más casos de superación de este límite. En entornos urbanos, el 52 % de los estudios documentó una o más muestras con una concentración de nitratos que superaba el MCL, frente a solo el 7 % de los cursos de agua.

El análisis continúa afirmando que«la aportación de nutrientes de las aguas subterráneas a los cursos de agua puede ser significativa, especialmente en el caso del nitrato». Como parte del estudio, se evaluaron 148 pequeños cursos de agua de todo el país y se constató que, en dos tercios de ellos, al menos un tercio de la carga anual total de nitrato procedía del caudal de base. En determinados entornos hidrogeológicos, las aguas subterráneas también pueden aportar una carga significativa de fósforo a los cursos de agua.

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El análisis del USGS recogido en la Circular 1350 documenta a nivel nacional lo que también se ha observado en numerosos estudios locales y a menor escala. Un ejemplo lo ilustra la siguiente figura, procedente de un estudio urbano realizado por el Instituto del Medio Ambiente de la Universidad de Minnesota. El gráfico muestra que la contribución del caudal base de las aguas subterráneas a la carga total de nutrientes de las aguas superficiales es significativa tanto para el fósforo como para el nitrógeno, pero especialmente para este último. Esta zona urbana contaba con una red de alcantarillado casi completa para las aguas pluviales y se realizó un seguimiento durante todo el año del caudal, los nutrientes y otros parámetros químicos del sistema de aguas pluviales en condiciones de tiempo seco.

Para las comunidades que participan en la elaboración de un TMDL con el fin de proteger y gestionar sus recursos hídricos, la Circular 1350 del USGS ofrece una advertencia muy importante, que se cita a continuación: –

«La contabilización y evaluación exhaustivas de las aportaciones de nutrientes procedentes de las aguas subterráneas a las aguas superficiales constituyen un paso fundamental para desarrollar estrategias de gestión que permitan alcanzar los objetivos de calidad del agua destinados a proteger los recursos de agua potable y la vida acuática. Por ejemplo, la omisión de las aportaciones de nutrientes procedentes de las aguas subterráneas en los cálculos de las cargas máximas diarias totales (TMDL) puede dar lugar a errores en la asignación de cargas a otras fuentes que deben controlarse».

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Es necesario definir los gradientes hidráulicos para cuantificar el transporte de nutrientes y las cargas del caudal de base.

Para tener plenamente en cuenta la contribución de las aguas subterráneas a un TMDL establecido, es necesario conocer bien el caudal y la dinámica del sistema de aguas subterráneas. En el documento «Relevancia de los datos sobre el nivel freático para las cuestiones relacionadas con la calidad de las aguas subterráneas»( Circular 1217 del USGS, publicada en 2001), se afirma que las predicciones sobre la velocidad y la dirección del movimiento de los contaminantes de las aguas subterráneas —incluidos los nutrientes— se «basan en la determinación del gradiente (pendiente) del nivel freático o de la superficie potenciométrica en el acuífero afectado».

Las mediciones periódicas del nivel de las aguas subterráneas suelen ser insuficientes para definir una superficie potenciométrica que sea dinámica y cambie en respuesta a fenómenos hidrológicos estacionales o a las presiones derivadas del bombeo. Tal y como se indica también en la Circular 1217 , «a menudo se necesitan mediciones del nivel del agua a más largo plazo para comprender cómo migran los contaminantes de las aguas subterráneas desde sus fuentes a través del sistema de aguas subterráneas». Esto es especialmente cierto cuando se utilizan modelos de flujo de aguas subterráneas para predecir el transporte de nutrientes en estas aguas. «Se necesitan datos del nivel freático con una «duración y frecuencia de medición suficientes para calibrar y evaluar la fiabilidad del componente de flujo de estos modelos antes de que se puedan realizar simulaciones realistas del transporte de contaminantes».

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Las redes Wellntel proporcionan los datos de series temporales fundamentales necesarios para definir los gradientes hidráulicos a una escala que permita cuantificar el flujo local de aguas subterráneas y el transporte de nutrientes.

Las disposiciones locales, estatales y federales relativas a la evaluación y el seguimiento de los recursos hídricos locales siguen ampliándose. Para gestionar adecuadamente la calidad del agua en las cuencas hidrográficas es necesario comprender las aportaciones dinámicas tanto de las aguas subterráneas como de las superficiales. Los TMDL solo tendrán éxito si se comprende y se tiene en cuenta la aportación de nutrientes procedente del caudal base de las aguas subterráneas.

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Los sistemas de sensores Wellntel se han diseñado expresamente para proporcionar la densidad temporal de datos necesaria para observar los sistemas dinámicos de aguas subterráneas que responden a diversas presiones. Además, las redes de sistemas Wellntel proporcionan la densidad espacial necesaria para definir superficies potenciométricas, cuantificar gradientes hidráulicos y facilitar la evaluación de la contribución de las cargas de caudal base de las aguas subterráneas a un TMDL.

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Wellntel ofrece los medios para cuantificar la aportación de nutrientes procedentes de las aguas subterráneas con mayor precisión y a un coste mucho menor que el que era posible hasta ahora. Al cuantificar con mayor exactitud la aportación de las aguas subterráneas a la carga de nutrientes, se puede elaborar un TMDL más preciso, lo que aumentará las probabilidades de éxito.

La necesidad de disponer de datos hidrológicos continuos es cada vez mayor, mientras que la capacidad de los organismos públicos para recopilar e interpretar dichos datos se mantiene estancada o está disminuyendo.

La responsabilidad de la gestión de los recursos hídricos subterráneos está pasando de los gobiernos a los ciudadanos

La legislación y las sentencias judiciales recientes sobre el uso de las aguas subterráneas en Wisconsin han continuado la tendencia hacia una menor regulación y supervisión a nivel estatal. Si el uso de las aguas subterráneas y la gestión responsable de este recurso van a convertirse cada vez más en una responsabilidad local, mejorar la eficacia de la gestión requerirá que los vecinos y las comunidades aúnen recursos para garantizar que «muchos sepan mucho». En el contexto de las aguas subterráneas, «mucho» se refiere a información exhaustiva, precisa y objetiva, y «muchos» se refiere a todas las partes interesadas afectadas. Históricamente, los datos disponibles para la evaluación y la gestión de las aguas subterráneas se describirían mejor como «pocos saben poco». En este caso, la cantidad de datos es «poca» (o modesta) debido al coste que supone la recopilación institucional de datos por parte de «pocos», es decir, los organismos gubernamentales centralizados que han tenido la responsabilidad de recopilar e interpretar los datos sobre las aguas subterráneas.

Fuentes de datos sobre el agua

Lo ideal es que todas las partes interesadas contribuyan a los conocimientos que sustentan la gestión de los recursos hídricos basada en la ciencia. Los datos recopilados por voluntarios de la comunidad y organizaciones locales (lo que a menudo se denomina «ciencia ciudadana») son esenciales, ya que suelen cubrir las lagunas de los datos institucionales para ofrecer una visión más completa de un recurso hídrico subterráneo dinámico. Además, la ciencia ciudadana puede desempeñar un papel fundamental en la gestión de los recursos hídricos subterráneos y convertirse en la base para la educación y la participación de las comunidades locales más afectadas por los cambios en sus recursos hídricos subterráneos. El interés de estas comunidades por tener voz en la gestión local de las aguas subterráneas ha crecido considerablemente en los últimos años.

Aprovechar la recopilación de datos y la participación a nivel comunitario

Hasta ahora no existía una forma de aprovechar las habilidades y el entusiasmo de los científicos ciudadanos para recopilar datos sobre el nivel de las aguas subterráneas con el fin de comprender la dinámica de los recursos hídricos subterráneos locales. Las oportunidades para acceder a pozos de control sin bombeo suelen ser limitadas, y resulta difícil medir la profundidad del agua en los pozos de bombeo (residenciales y agrícolas). Las mejores cualidades de la ciencia ciudadana se potenciarán al permitir que las comunidades recopilen datos sobre el nivel freático que sean precisos, coherentes y continuos, y que puedan compartirse fácilmente en tiempo real con toda la comunidad.

Wellntel ofrece una solución para que las comunidades y otras partes interesadas colaboren con sus ciudadanos científicos con el fin de recopilar datos de alta calidad en pozos con y sin bombeo, con mayor densidad espacial y temporal, y a un coste mucho menor que el de los métodos tradicionales. Los sistemas de Wellntel constan de un sensor de nivel de aguas subterráneas sencillo y fácil de instalar, un receptor conectado a un router en un edificio cercano que envía los datos a Internet, un procesamiento computacional basado en la nube y la visualización en tiempo real de hidrogramas. Un sistema instalado en un pozo privado proporciona a su propietario datos operativos importantes, como los niveles de agua durante el bombeo en relación con la profundidad de la bomba o el efecto del bombeo de los pozos vecinos. Los sistemas instalados en varios pozos privados pueden analizarse de forma agregada, creando una nueva red o ampliando una red de monitorización existente con conjuntos de datos densos desde el punto de vista geoespacial y temporal.

Se ha demostrado que los sistemas Wellntel proporcionan datos precisos y objetivos sobre el nivel de las aguas subterráneas en una plataforma que resulta tan fácil de usar tanto para los científicos ciudadanos como para los científicos profesionales.

Wellntel cubre una laguna fundamental a la hora de satisfacer la creciente necesidad de disponer de datos continuos sobre las aguas subterráneas

A medida que la gestión de los recursos hídricos subterráneos locales recae cada vez más en las organizaciones locales y los voluntarios de la comunidad, resulta cada vez más esencial recopilar datos exhaustivos y precisos, además de relativamente asequibles. Con Wellntel, los ayuntamientos, las comunidades y la comunidad científica en general pueden, por primera vez, unir fuerzas para proporcionar la «continuidad de las observaciones» que se centra directamente en sus principales preocupaciones en materia de recursos hídricos subterráneos. Una red de sistemas Wellntel instalados en pozos públicos y privados proporcionará datos de series temporales que son fundamentales para visualizar y gestionar de forma global los recursos hídricos subterráneos locales, así como para interpretar a escala local las tendencias regionales. Esta nueva oportunidad de crear redes comunitarias de aguas subterráneas nos acerca a todos al objetivo de que «muchos sepan mucho», un requisito imprescindible para una gestión eficaz de los recursos.

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Fuentes

• Bradbury, K.R., Fienen, M.N., Kniffin, M.L., Krause, J.J., Westenbroek, S.M., Leaf, A.T. y Barlow, P.M., 2017, «Modelo de flujo de aguas subterráneas para la cuenca del río Little Plover en las Central Sands de Wisconsin»: Boletín 111 del Servicio Geológico y de Historia Natural de Wisconsin, 82 p.

Las aguas subterráneas ya no son estáticas…

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Es cierto que las aguas subterráneas, como recurso natural, nunca han sido realmente estáticas, en el sentido de que se desplazan constantemente desde los puntos de recarga hasta los puntos de descarga natural. Todos los componentes del ciclo hidrológico, incluidas las aguas subterráneas, se mueven continuamente en respuesta a factores físicos a gran escala y a la dinámica energética de los cambios de fase.

Sin embargo, estos factores físicos se han visto cada vez más alterados como consecuencia del cambio climático. Tal y como se expone en el «POLICY FORUM» de la revista Science, en un artículo titulado «Stationarity is Dead: Whither Water Management*» se afirma que «el cambio climático socava un supuesto básico que, históricamente, ha facilitado la gestión de los recursos hídricos, la demanda y los riesgos».

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…en el sentido de que el supuesto fundamental de la estacionariedad hidrológica ya no es válido.

El cambio climático socava el supuesto fundamental de la estacionariedad. En pocas palabras, la estacionariedad es la premisa de que los procesos medibles de los sistemas naturales varían de forma predecible, dentro de unos límites de variabilidad que no cambian. El artículo afirma además: «La estacionariedad ha desaparecido porque el cambio antropogénico sustancial del clima de la Tierra está alterando los valores medios y los extremos de las precipitaciones, la evapotranspiración y los caudales de los ríos».*

Todas las ciencias hidrológicas se han desarrollado partiendo del supuesto de la estacionariedad, al igual que las aplicaciones prácticas de la gestión del agua y la ingeniería hidráulica. El efecto del cambio climático global sobre la probabilidad de que se produzcan fenómenos hidrológicos y sobre la práctica tradicional de las ciencias del agua supone una complicación de gran calado.

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Para comprender la hidrología local y los recursos de aguas subterráneas es necesario, ahora más que nunca, recopilar datos hidrológicos locales de forma continua.

Tal y como se afirma en la columna de Science : «En un mundo no estacionario, la continuidad de las observaciones es fundamental».* Esto pone de manifiesto que se requiere una mayor densidad temporal y espacial de los datos para desarrollar los conocimientos hidrológicos necesarios que permitan hacer frente a los retos locales y regionales relacionados con las aguas subterráneas.

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Cómo te afecta esto.

La necesidad de disponer de datos hidrológicos continuos es cada vez mayor, mientras que la capacidad de los organismos públicos para recopilar e interpretar dichos datos se mantiene estancada o está disminuyendo. Incluso cuando se dispone más fácilmente de fondos para la investigación científica, los organismos estatales y federales no pueden recopilar datos al ritmo necesario ni en un número suficiente de lugares como para abordar las cuestiones más importantes para las comunidades locales. Afortunadamente, los ayuntamientos, las comunidades y otras partes interesadas pueden ahora unirse como PATROCINADORES y MIEMBROS para crear potentes redes de sistemas Wellntel que proporcionen la «continuidad de las observaciones» centrada directamente en sus preocupaciones más críticas en materia de recursos de aguas subterráneas.

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Fuentes

*Milly y otros, «Stationarity Is Dead: Whither Water Management?», Science, 1 de febrero de 2008: vol. 319, n.º 5863, pp. 573-574.

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