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.
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».
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.
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.
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.
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».
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».
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.
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.
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.