Características geoquímicas del agua, su contaminación y relación con acuíferos

Resumen

El agua es esencial para la mayoría de las formas
de vida conocidas por el hombre, incluida la humana. El acceso al
agua potable se ha incrementado durante las últimas
décadas en la superficie terrestre. El presente trabajo
tiene como objetivo relacionar dos importantes ciencias:
química y geología; desde el punto de vista
educativo. Su principal objeto es el agua, con todas sus
características, propiedades y fuentes contaminantes. De
manera muy sencilla se caracteriza geoquímicamente las
formaciones geológicas y su relación con los
acuíferos. En base a los tipos de porosidad en los medios
rocosos, se clasifican los tipos de acuíferos. Se explica
el ciclo hidrológico del agua en la naturaleza; así
como el análisis químico y calidad de las mismas.
Debido a la importancia que tienen los elementos químicos
en el preciado líquido, se muestran una seria de
clasificaciones: desde el punto de vista geológico, basado
en su uso y por su composición química
(hidroquímica). Se desglosa una seria de parámetros
que explican los tipos de contaminación de las aguas y su
origen. Por último se toma de ejemplo Cuba para conocer la
importancia y el uso que tienen los acuíferos de agua
mineral natural y mineromedicinal más importantes del
Caribe. Clasificando a las aguas cubanas en bicarbonatadas
cálcicas, bicarbonatadas magnésicas y cloruradas
sódicas. Los principales componentes medicinales son:
sulfuro, bromo y silicio. Por eso hay que tener presente que, el
agua tiene un papel fundamental como motor de la actividad
biológica en nuestro planeta.

Abstract

Water is essential for the majority of the kind of life
known by the man, included the human being. The access to the
drinking water has increased during last decades in the
terrestrial surface. The present work aims related two important
sciences: Chemistry and geology; from the educational point of
view. His principal object is the water, with all its
characteristics, properties and contaminating sources. The very
simple way are characterized by Geochemical the geological
formations and his relation with the water-bearing. The
water-bearing are classified on the basis of the types of
porosity in the rocky medium. It"s explained the hydrologic cycle
of the water in the nature, as well as his chemical analysis and
quality. Due the importance of the chemical elements for the
precious liquid, are show some classifications from the geologic
point of view, based in his use and chemical composition
(hydrochemical). Are separate some parameters for explained the
kind of water contamination and his origin. The example of Cuba
is taken finally for to know the importance and useful of the
more important mineromedical and natural mineral water bearing in
the Caribbean. The Cuban waters are classifying in bi-carbonated
calcic, bi-carbonated magnesic and clorurate sodium. The
principal medical components are: Sulfide, bromine and silica.
For that reason it is necessary to have present than, the water
has an essential role as engine in the biological activity in our
planet.

Introducción

El tema que se aborda en este trabajo es de gran
importancia en el contexto de la Hidrogeología y las
Ciencias del  Ambiente. Su aplicación se vincula a la
gestión y aprovechamiento de los recursos hídricos
en su concepto más amplio, que incluye las aguas naturales
y minerales. El agua en la Tierra aparece en muchas formas
diferentes: vapor de agua en la atmósfera, agua de lluvia
y de nieve en las precipitaciones, agua salada en los
océanos, marismas y aguas profundas, agua dulce en
ríos, lagos y glaciares: así como el agua
subterránea que se encuentra por debajo del superficie de
la tierra a relativa poca profundidad. La supervivencia del
hombre depende del agua. Esta es imprescindible para la vida,
siendo el componente inorgánico más abundante de
los seres vivos. El agua cubre más del 70 % de la
superficie del planeta, se encuentra distribuida en
océanos, lagos, ríos, glaciares, en el aire y en el
suelo. La reserva más importante se encuentra en el mar,
donde cubre el 97.5 % de la superficie del planeta. Sin embargo,
hasta el presente, la desalación del agua de mar es muy
costosa (Rámirez – Quirós, 2005).

Figura 1. El Río Cauto, el
más caudaloso de Cuba.

Cuando escasea el agua o se utiliza indebidamente, esta
puede ser destructiva. Los programas de riego mal concebidos
echan a perder las tierras de cultivo, al igual que las
sequías o la desertificación. Por otro lado, las
prácticas erróneas de utilización de la
tierra, tales como el pastoreo excesivo y la
deforestación, pueden convertir el agua en un poderoso
agente de erosión. Por último, los residuos
industriales pueden transformar los ríos en cloacas y las
precipitaciones ácidas que contienen las partículas
que expulsa la industria, son capaces de destruir bosques enteros
y la vida acuática en lagos y embalses. Si bien el agua es
un recurso renovable a escala global, a escala regional o local
esto no se cumple y ocasionalmente pueden obtenerse
déficit en el balance hídrico. Por otro lado, la
calidad del agua en ese ciclo se deteriora, de ahí que
cada día se acentúe lo que se ha denominado ¨
la crisis del agua ¨ (Rámirez – Quirós,
2005) (Figura 1).

Esta situación que ya es crítica en
algunos países de África, Europa y América,
exige del conocimiento riguroso de estos recursos tanto en
cantidad como en calidad, así como el desarrollo de
políticas y acciones encaminadas a la gestión y
aprovechamiento de los recursos hídricos. En Cuba, esta
situación no es tan crítica como muchos
países, por la ocurrencia de precipitaciones de diferente
índole (convectivas, asociadas a los frentes fríos
y durante los huracanes), aunque la distribución no es
uniforme en todo el país, existiendo zonas afectadas por
prolongadas sequías. El problema del agua ocupa un lugar
destacado a nivel internacional. Se promueven a través del
PNUD, ONUDI, FAO, UNESCO, OMS, PHI y otras organizaciones de
Naciones Unidas, un gran número de programas y proyectos
de investigación, así como recomendaciones a
gobierno, encaminadas a asegurar nuevas disponibilidades del
recurso, que mitiguen su escasez en zonas críticas. En
este marco es imprescindible conocer y evaluar la calidad de las
aguas y precisar los efectos del vertimiento indiscriminado de
residuales y otras acciones antropogénicas. El hombre que
ha roto el equilibrio ecológico del planeta está,
sin embargo, en condiciones de salvarlo poniendo su inteligencia
y capacidad al servicio del desarrollo de tecnologías y
acciones remediadoras (Rámirez – Quirós,
2005).

La
hidrogeología y el ciclo del agua en la
naturaleza

Según Viessman y Lewis (2003), la
Hidrología es la disciplina de la ciencia que estudia el
agua en su más amplia acepción. Cuando el agua se
utiliza con fines terapéuticos entonces es objeto de
estudio de otras disciplinas relacionadas: la Hidrología
Médica, la Hidroterapia y la Talasoterapia. Si el agua es
empleada para estos fines es de origen subterráneo (agua
mineral y mineromedicinal) la parte de la Hidrología
Médica que se encarga de su estudio se conoce como
Crenoterapia. La Hidrología se subdivide a su vez
atendiendo a diferentes criterios, siendo la más simple de
las divisiones la que comprende la Hidrología Superficial
y la Hidrología Subterránea o Hidrogeología,
según se ocupen del estudio de las aguas superficiales o
subterráneas respectivamente.

El ciclo hidrológico o ciclo del agua (Figura
2) es un proceso continuo en el cual el agua es evaporada
desde los océanos, se mueve hacia los continentes como
humedad del aire y produce precipitación. La
precipitación que cae sobre los continentes y tierras
firmes se distribuye por varios caminos. Una parte es retenida en
el suelo y vuelve a la atmósfera por evaporación
(conversión de agua líquida en vapor de agua), o
puede pasar a la atmósfera en forma de vapor mediante
respiración de las plantas (transpiración), la
combinación de ambos fenómenos es llamada
evapotranspiración. Otra porción se convierte en
escorrentía superficial que alimenta los ríos.
Finalmente, una parte entra en el suelo como infiltración
(escorrentía subterránea) (Viessman y Lewis,
2003).

La ocurrencia de las aguas subterráneas
está asociada a las formaciones geológicas
más o menos permeables conocidas como acuífero
(Figura 3), y su movimiento depende de las propiedades
físicas de las rocas que lo componen. Este movimiento
puede expresarse en términos de retención y
rendimiento de agua (Fetter, 2001). Algunos materiales como la
arcilla, constituyen formaciones impermeables que pueden contener
agua, pero son incapaces de trasmitir cantidades significativas
de la misma. Existen otras formaciones prácticamente
impermeables que no contienen ni trasmiten agua, como por ejemplo
el granito (acuífogos). La porosidad original se debe a
los procesos geológicos primitivos de las rocas
ígneas y sedimentarias (Tabla 1). Otros poros
denominados secundarios, se han originado con posterioridad a la
formación de la roca por agrietamiento, fisuración
o disolución química. Atendiendo a su
tamaño, estos poros o grietas pueden ser de dimensiones
capilares o más grandes, pueden encontrarse aislados o
constituyendo redes conectadas a través de conductos. El
90 por ciento de los acuíferos aprovechables consisten en
rocas no consolidadas, principalmente grava y arena.

Figura 2. Ciclo hidrológico
o ciclo del agua

Tabla 1. Material 
Permeabilidad (%)

Figura 3. Tipos de
Acuíferos

Análisis
químico y calidad de las aguas

Enlaces por puentes de
hidrógeno.

Entre las moléculas de agua se establece un tipo
de enlace intermolecular débil: el enlace por puentes de
hidrógeno.Un enlace por puentes de hidrógeno se
establece necesariamente entre un átomo con un diferencial
de carga negativo y otro con diferencial de carga positivo. Estos
átomos pueden estar en diferentes moléculas como en
el caso que nos ocupa, o ser parte de una misma gran
molécula, como a menudo sucede en las proteínas. En
el caso del agua podemos decir que una molécula de agua
puede unirse con hasta otras cuatro moléculas diferentes
de agua, si bien estas uniones son de muy corta duración
en el tiempo; los enlaces de hidrógeno se forman y
destruyen de manera muy rápida: la duración de cada
uno de ellos en el agua líquida viene a ser del orden de
10 elevado a la –10 a 10 elevado  a la –21
segundos (Lloyd y Heathcote, 1985).

Clasificación de las aguas desde el punto de
vista geológico

Sobre la base de su génesis, se han clasificado
de forma diferente por distintos investigadores, éstas
pueden agruparse de la manera siguiente:

• 1. Aguas juveniles (no
  involucradas en la circulación
  atmosférica).a) Magmáticas.Otras aguas
  juveniles.

• 2. Aguas surgentes o reciclables
  (involucradas en la circulación atmosférica).a)
  Aguas meteóricas.Aguas de precipitación (lluvia
  o nieve).Aguas de suelo.Aguas subterráneas cercanas a
  la superficie  (subsuperficiales).b) Aguas
  oceánicas que penetran en los
  acuíferos.c) Aguas fósiles o connatas.De
  origen marino.De origen no marino.d) Aguas
  metamórficas. Aguas con alto contenido de CO2 y
  boro.Otros tipos de aguas.

• 3.  Aguas magmáticas

Clasificación del agua por su
uso

La composición química de un agua natural,
en función del uso que a la misma se le dé, se
denomina calidad del agua, y existen una serie de normas que
regulan las concentraciones permisibles que debe poseer cada
elemento o indicador de calidad según los diferentes usos.
Por ejemplo, las normas establecidas para que un agua se pueda
utilizar para el abasto exigen un contenido despreciable de los
componentes de los ciclos del nitrógeno y el
fósforo. Sin embargo, para el riego las aguas deben poseer
un alto contenido de los mismos (Hiscock, 2005).

Las aguas superficiales y
subterráneas, si se atiende al carácter de su
utilización, se pueden clasificar en diez
grupos:

• 1. Suministro rural y
  urbano.

• 2. Regadío para la
  producción agraria.

• 3.  Abastecimiento para los
  procesos industriales.

• 4. Producción de
  energía mecánica y eléctrica.

• 5. Agua para fines
  terapéuticos.

• 6. Consumo mediante
  embotellamiento.

• 7. Carga, descarga y
  transportación.

• 8. Conservación de la flora
  y fauna silvestre.

• 9. Reproducción y consumo
  de plantas y animales acuáticos.

• 10. Agua para fines recreativos y
  culturales.

Clasificación hidroquímica de las
aguas.

Los criterios químico-físicos de la
clasificación de las aguas kársticas no se
distinguen de los utilizados para las aguas naturales en general.
Se basan en el contenido de los iones más abundantes. En
la literatura aparecen numerosas clasificaciones que responden a
diferentes objetivos. De su análisis se puede considerar
como más ventajosas la siguiente, el método de
clasificación de Alekine Este método toma en
cuenta  los tres  aniones más importantes: HCO3-
+ CO32- , Cl- y SO42-. A su vez cada clase se divide en tres
grupos, según el catión que predomine (Ca2+, Mg2+ o
Na+) (Hiscock, 2005). De esta forma, las aguas se clasifican
en:

Tipo:I.    Aguas
bicarbonatadas (predominio de HCO3-).II.   Aguas
sulfatadas (predominio del SO42- ).III.  Aguas cloruradas
(predominio del Cl-).

Clases:a)    Aguas
cálcicas (predominio del Ca2+ ).b)    Aguas
magnésicas (predominio del Mg2+ ).c)   
Aguas sódicas (predominio del Na+).

Adquisición de la composición
química del agua

Las aguas naturales adquieren su composición
química mediante un proceso complejo, donde intervienen
factores geológicos, hidrogeológicos,
geomorfológicos, climáticos, pedológicos,
antrópicos, químico-físicos y otros. El
papel que juegan los diferentes factores (geológicos,
geomorfológicos, hidrogeológicos, etc.), en el modo
en que las aguas adquieren su calidad hidroquímica
(Tabla 2), podrán ser ampliados en otros textos
especializados. Los factores geológicos se relacionan con
la litología (composición de los minerales de las
rocas), el estado de yacencia de las secuencias
estratigráficas, la tectónica, el agrietamiento, la
textura y porosidad de las rocas, etc. La litología
determina, por lo general, las facies hidroquímicas
dominantes en una región determinada, es decir, el tipo de
agua. Así por ejemplo, en los terrenos kársticos
carbonatados las aguas suelen ser del tipo bicarbonatada
cálcica (Lloyd y Heathcote, 1985).

Tabla 2. Los componentes que se
tienen en cuenta, para determinar la calidad del agua, desde el
punto de vista químico.

Los factores de tipo geomorfológico
también influyen en la composición química
de las aguas, en especial, el escarpe de los macizos, el tipo de
vegetación, el grado de erosión de los terrenos y
la naturaleza de las propias formas del relieve. A pesar de que
las formas de adsorción (dolinas, sumideros, etc.), se
pueden considerar el resultado de los procesos de erosión
en terrenos kársticos, una vez creadas esas formas,
éstas facilitan o limitan la ulterior acción de
corrosión química sobre el medio, lo cual se
refleja en la composición química de las aguas
(Lloyd y Heathcote, 1985).

Contaminación de
aguas

Se entiende por contaminación del medio
hídrico o contaminación del agua a la acción
o al efecto de introducir algún material o inducir
condiciones sobre el agua que, de modo directo o indirecto,
impliquen una alteración perjudicial de su calidad en
relación a sus usos posteriores o sus servicios
ambientales. Según la OMS (Organización Mundial de
la Salud), el agua está contaminada cuando su
composición se haya alterado de modo que no reúna
las condiciones necesarias para ser utilizada beneficiosamente en
el consumo del humano y de los animales. En los cursos de agua,
los microorganismos descomponedores mantienen siempre igual el
nivel de concentración de las diferentes sustancias que
puedan estar disueltas en el medio. Este proceso se denomina auto
depuración del agua. Cuando la cantidad de contaminantes
es excesiva, la autodepuración resulta imposible (Drever,
1997) (Figura 1).

Figura 1. Contaminación de
las aguas.

Tipos de
contaminación de las aguas

• 1. Contaminantes físicos. Afectan
  el aspecto del agua y cuando flotan o se sedimentan
  interfieren con la flora y fauna acuáticas. Son
  líquidos insolubles o sólidos de origen natural
  y diversos productos sintéticos que son arrojados al
  agua como resultado de las actividades del hombre, así
  como, espumas, residuos oleaginosos y el calor
  (contaminación térmica).

• 2. Contaminantes químicos.
  Incluyen compuestos orgánicos e inorgánicos
  disueltos o dispersos en el agua. Los contaminantes
  inorgánicos son diversos productos disueltos o
  dispersos en el agua que provienen de descargas
  domésticas, agrícolas e industriales o de la
  erosión del suelo. Los principales son cloruros,
  sulfatos, nitratos y carbonatos.

• 3. Los contaminantes orgánicos
  también son compuestos disueltos o dispersos en el
  agua que provienen de desechos domésticos,
  agrícolas, industriales y de la erosión del
  suelo. Son desechos humanos y animales, de rastros o
  mataderos, de procesamiento de alimentos para humanos y
  animales, diversos productos químicos industriales de
  origen natural como aceites, grasas, breas y tinturas, y
  diversos productos químicos sintéticos como
  pinturas, herbicidas, insecticidas, etc.

• 4. Otros contaminantes como los metales
  pesados (plomo, cadmio, mercurio), ciertos plaguicidas,
  los cianuros, los hidrocarburos, el arsénico y el
  fenol provocan prácticamente la destrucción de
  los ecosistemas acuáticos y también serios
  daños a las personas que consuman agua o sus productos
  contaminados por esta clase de productos
  químicos.

Según el origen se considera que la
contaminación es de dos tipos

a) la contaminación producida por causas
naturales o geoquímicas y que generalmente no está
influenciada por el hombre, y 

b) la contaminación provocada por las actividades
del hombre y se le llama contaminación
antropogénica.

Métodos para eliminar la contaminación
de las aguas

• Usar un tratamiento avanzado de los desechos para
  remover los fosfatos provenientes de las plantas industriales
  y de tratamiento antes de que lleguen a un lago.

• Prohibir o establecer límites bajos de
  fosfatos para los detergentes.

• A los agricultores se les puede pedir que planten
  árboles entre sus campos y aguas
  superficiales.

• Dragar los sedimentos para remover el exceso de
  nutrientes.

• Retirar o eliminar el exceso de maleza.

• Controlar el crecimiento de plantas nocivas con
  herbicidas y plaguicidas.

• Bombear aire para oxigenar lagos y
  rebalses.

• Usar y desperdiciar menos electricidad.

• Limitar el número de plantas de
  energía que descarguen agua caliente en el mismo
  cuerpo de agua.

• Entregar el agua caliente en un punto lejano de la
  zona de playa ecológicamente vulnerable.

• Utilizar torres de enfriamiento para transferir el
  calor del agua a la atmósfera.

• Descargar el agua caliente en estanques, para que se
  enfríe y sea reutilizada.

• Usar y desperdiciar menos
  petróleo.

• Colectar aceites usados en automóviles y
  reprocesarlos para el reuso.

• Prohibir la perforación y transporte de
  petróleo en áreas ecológicamente
  sensibles y cerca de ellas.

• Aumentar en alto grado la responsabilidad financiera
  de las compañías petroleras para limpiar los
  derrames de petróleo.

• Requerir que las compañías petroleras
  pongan a prueba rutinariamente a sus empleados.

• Reglamentar estrictamente los procedimientos de
  seguridad y operación de las refinerías y
  plantas.

• Tratar el petróleo derramado con sustancias
  químicas dispersantes rociadas desde
  aviones.

• Usar helicóptero con láser para quemar
  los componentes volátiles del
  petróleo.

• Usar barreras mecánicas para evitar que el
  petróleo llegue a la playa.

• Bombear la mezcla petróleo – agua a botes
  pequeños llamados "espumaderas", donde máquinas
  especiales separan el petróleo del agua y bombean el
  primero a tanques de almacenamiento.

• Aumentar la investigación del gobierno en las
  compañías petroleras sobre los métodos
  para contener y limpiar derrames de
  petróleo.

• Prohibir la disposición de desechos
  peligrosos en rellenos sanitarios por inyección en
  pozos profundos.

• Monitorear los acuíferos.

• Disponer controles más estrictos sobre la
  aplicación de plaguicidas y fertilizantes.

• Requerir que las personas que usan pozos privados
  para obtener agua de beber hagan que se examine ese
  líquido una vez al año.

Conclusiones

• Se explica el ciclo hidrológico del agua en
  la naturaleza, caracterizando geoquímicamente las
  formaciones geológicas y su relación con los
  acuíferos.

• En base a los tipos de porosidad en los medios
  rocosos, se clasifican los tipos de acuíferos en
  confinados y libres.

• Se explica la importancia que tiene determinar las
  propiedades químico-físicas de un agua natural,
  para los hidrólogos, hidrogeólogos,
  karstólogos, geomorfólogos, ingenieros
  sanitarios, etc.

• A través de la adquisición de la
  composición química del agua se explican los
  fundamentos de química del agua.

• Se clasificaron las aguas desde el punto de vista
  geológico, basado en su uso y por su
  composición química
  (hidroquímica).

• Se desglosa una seria de parámetros que
  explican los tipos de contaminación de las aguas y su
  origen.

Bibliografía

Drever, J.I. (1997). The geochemistry of Natural Waters.
Prentice Hall, 3ª ed. 436 pp. 

Fetter, C. W. (2001). Applied Hydrogeology.
Prentice-Hall, 4ª ed., 598 pp.

Hiscock, H. (2005). Hydrogeology. Principles and
practice.Blackwell, 389 pp

Lloyd, J.W. y J.A. Heathcote (1985). Natural
Inorganic Hydrochemistry in Relation to Groundwater. Claredon
Press, 296 pp.

Rámirez – Quirós, F. (2005). Tratamiento
de Desinfección del Agua Potable. Canal Isabel II. ISBN
84-933694-3-8.

Viessman, W. & G. L. Lewis (2003). Introduction to
Hydrology. Pearson Education Inc., 5ª ed., 612 pp.

Autor:

Yusdany William Garcia Lavin