INSTRUMENTOS ECONÓMICOS PARA LA GESTIÓN DEL AGUA – Experiencia local
Metodología entrópica para la gestión g de cuencas hidrológicas g integrada Centro Interamericano de Recursos del Agua CIRA - UAEM, México e-mail: cdiaz@uaemex.mx
I t d ió Introducción ; Atribuir valor a los recursos naturales es una tarea ardua y difícil. ; En primer lugar, porque la medida que se utiliza generalmente para su ponderación es de tipo monetaria y el dinero y la naturaleza se gobiernan por distintas leyes. ; El dinero se rige por las leyes de las matemáticas, matemáticas mientras que la naturaleza se rige por las leyes de la física. ; La matemática permite que las cantidades se incrementen de acuerdo con la regla del interés compuesto, y otras análogas, mientras que la física está regida por la segunda ley de la termodinámica: la degradación entrópica.
I t d ió Introducción ;El problema principal que los seres humanos están experimentando con el agua es sobre todo de calidad y en mucho menor grado de cantidad. ;La cuestión ó consiste en que el reciclado natural producido por la energía solar no alcanza para purificar todas las aguas res residuales duales que se producen. ;En otras palabras, las sociedades contemporáneas están convirtiendo el mundo de aguas naturales en un mundo d de d aguas residuales. id l ;En cierta medida se busca corregir esa situación a través de la instalación de sistemas de tratamiento de diverso tipo.
C t d lid d d Concepto de calidad dell agua "Calidad Calidad del agua agua" es un concepto complejo que puede incluir aspectos físico-químicos, ecológicos, socio-económicos, culturales y de aptitud de uso. Puede haber aguas de buena calidad para verter en un río, que no lo sean para suministrar agua potable. En este carácter "relativo" relativo de la noc noción ón de cal calidad dad estr estriba ba la dificultad para establecer criterios consistentes para su determinación. P Por ello, ll se ha h buscado b d un denominador d i d común ú que permita definir la calidad en términos simples y p comparables.
Justificación de un instrumento de análisis áli i entrópico t ó i d dell agua ; Los tomadores de decisión, deben hacer frente a una amplia gama de datos y elementos de la realidad. realidad ; En materia hídrica, las decisiones finales suelen ser de tipo político, y en la mayor parte de los casos de orden económico. económico ; En los análisis, la evaluación del “valor” del recurso toma en cuenta solamente los aspectos de valor monetario. ; Para agravar esta situación, situación se considera que el agua es inagotable, bastando construir suficientes bienes de capital, tales como presas o baterías de pozos, para obtenerla. ; En los hechos, hechos se desconoce la pérdida de valor resultante de su utilización, y por ende, del costo requerido para devolverle a un valor que permita su reutilización. ; En la medida que se pueda asignar un “valor valor natural natural” al agua, agua más fácil será realizar un análisis y toma de decisión.
El concepto t de d entropía t í El ciclo hidrológico se basa en el influjo de energía, que d da l lugar all calentamiento, l t i t evaporación, ió ascenso, condensación, precipitación y flujo superficial y subterráneo del agua. g Estos procesos pueden ser explicados a través de las leyes de la termodinámica : la primera, referente a la conservación de la materia y la energía, energía y la segunda, segunda también llamada la ley de la entropía. La entropía p es un concepto p complejo, p j , q que busca describir la dirección natural de los procesos físicos en el universo. Éstos tienden a darse desde lo ordenado a lo desordenado, desordenado de lo heterogéneo a lo homogéneo. homogéneo
El concepto t de d entropía t í en ell agua ; El volumen de agua del planeta es finito pero su potencial teórico para el uso es ilimitado. ; Lo que en verdad está acotado es la rapidez del flujo. Éste depende sobre todo de la energía, energía y la energía disponible en la superficie de la Tierra es limitada, casi enteramente suministrada por la radiación solar. ; El valor entrópico del agua es en realidad su valor evaluado en el marco de la evolución entrópica de la vida en el planeta. planeta ; utilizaremos la expresión valor entrópico para definir la ausencia de desvalorización, o dicho de otro modo, la ausencia de d entropía. í
El ciclo energético g del agua g Tabla 2. Lista de fenómenos y procesos del ciclo energético
; Una forma de presentar el ciclo hidrológico es a través de los intercambios de energía que se producen en los diferentes procesos por los cuales el agua cambia de estado, de propiedades químicas,, o de físicas o q posición en el espacio.
Fenómenos y procesos Condensación del vapor de agua atmosférico Caída de p precipitaciones p Evaporación durante la caída Impacto de las precipitaciones Evaporación asociada a la intercepción vegetal Infiltración Escurrimiento Erosión y transporte de materiales en suspensión Disolución y transporte de sales disueltas Evaporación directa de las aguas continentales Transpiración (biológica) Fotosíntesis (desarrollo organismos autótrofos)) Metabolismo de organismos autótrofos Descomposición y metabolismo de organismos heterótrofos Evaporación oceánica Ascenso convectivo Calentamiento geotérmico Ascenso hidrotermal y volcánico Absorbe energía Libera energía
Símbolo Cva P Ep I Ei In es et Dt Ed T F M D Eo Ac Cgt Ahv
El ciclo energ茅tico-hidrol贸gico del agua
M t d l í Metodología Establecer un conjunto de criterios e índices comparables que tengan en cuenta la energía efectiva contenida en el agua, y/o aquella necesaria para obtener aguas aptas para los diferentes tipos de usos. Definir patrones físico-químicos y biológicos para determinar la magnitud de degradación entrópica alcanzada y la energía necesaria para devolverla a la alcanzada, condición original, o bien para destinarla a otro uso en función de la demanda y volumen de agua requerida. id
Nivel entrópico
10 8-9 7
Aguas naturales Aguas superficiales, atmosféricas Nubes altas , recién condens adas Nubes bajas , lluvia, nieve Manantiales , torrentes de m ontañas
Utilización del agua natural
Posición geológica
Presencia de vida
Aguas subterráneas Agua des tilada
Atm os férica, elevada
Agua potable
Atm os férica, baja
Aguas term ales Napas hipodérm icas de agua dulce Napas hipodérm icas , acuíferos poco profundos no p contam inados
6
Curs os altos de ríos , lagos de m ontaña
5
Curs os m edios de ríos , lagos m edios , em is arios de ciertos h m edales hum
3-4
Curs os bajos de río, lagos de llanura, hum edales oxigenados
Agua s ubterránea profunda dulce. Poco profunda ligeram ente s alobre
1-2
Lagos y hum edales eutrofizados Lagos s alobres
Agua s ubterránea profunda ligeram ente Aguas para lavado s alobre; aguas poco profundas s alobres
Mares y lagos s alados
Agua s ubterránea s alada
0 a -5
Salm ueras
Salm ueras s ubterráneas
< -5
Salinas
Yacim ientos de s al
0
Aguas residuales o contaminadas
Aguas para riego
Cim as , cabeceras valles Lluvia Zonas m ontañas , m oderadam ente s ierras , colinas elev., ácida m es etas
Aguas para riego
Lluvia m uy ácida
Zonas de colinas , s ierras bajas , s ubs uelo de poca prof ndidad profundidad
Aguas para riego
Drenajes de riego, agua res idual tratada
Llanuras , colinas bajas s ubs uelo m edianam ente a m uy profundo
Aguas balnearias
Drenajes de riego, agua res idual parcialm ente tratada Vertidos urbanos e indus triales m edios
Vertidos urbanos e indus triales Producción de s al altam ente contam inados Producción de s al indus trial
Vertidos indus triales de alta toxicidad
Organis m os m uy es cas os , pocos nutrientes Organis m os es cas os , pocos nutrientes Organis m os de abundancia es cas a a interm edia Organis m os de abundancia interm edia
Organis m os abundantes
Organis m os m uy abundantes en ríos y lagos , localm ente exces o de nutrientes . Vertidos de aguas de riego pueden provocar proces os de eutroficación.
Organis m os m uy abundantes en Zonas bajas , áridas , los lagos s alobres . Los vertidos de s ubs uelo de aguas de riego pueden provocar profundidad variable proces os de eutroficación. Nivel del m ar, zonas continentales deprim idas , s ubs uelo de profundidad variable
Organis m os m uy abundantes en m ares y lagos , es cas os en vertidos urbanos . Los vertidos urbanos provocan frecuentes proces os de eutroficación.
Salm ueras s ubterráneas
Es cas os organis m os debido a la toxicidad, proces os de eutroficación t fi ió pos ibl ibles llocalm l ente t
Yacim iento de s al
Aus encia de organis m os
Valor entrópico del agua El valor entrópico del agua se relaciona con la energía consumida / utilizada para llevar al líquido desde los niveles inferiores (de menor valor entrópico) a otros superiores, así pues disminuye : a medida que el agua desciende, desciende liberando energía potencial; al incrementarse la concentración de sustancias di disueltas; lt baja al aumentar los organismos heterótrofos (no fotosintéticos). ) Los fotosintéticos tienen el efecto inverso durante el tiempo que actúa la función fotosintética. También disminuye el valor entrópico al aumentar la concentración de materia orgánica; g desciende al crecer la contaminación de las aguas.
Adjudicación de valor entrópico ; Para calcular el valor entrópico se propone un método mixto, cualitativo - cuantitativo. ; Se adjudican valores entrópicos a las aguas de acuerdo a los criterios antes mencionados, otorgando 10 al valor entrópico máximo (aguas de las nubes altas, recién condensadas), y 0 a las aguas marinas de salinidad media no contaminadas. ; Los valores intermedios se asignan combinando diversos criterios cuantitativos y cualitativos. ; Los valores negativos se adjudican a las aguas hipersalinas o altamente contaminada. VE: es valor entrópico; NE: es el nivel entrópico;
⎛ 10(10 − NE )2 ⎞ ⎟ VE = 1 − ⎜ ⎜ ⎟ Mc ⎝ ⎠
Mc: son las megacalorías requeridas para evaporar 1 m3 de agua a 15º C y a nivel del mar.
Nivel entrópico del agua medido con base en DBO, DQO, SDT y MOC
Nivel entró Pico
Aguas naturales superficiales Tipo de agua superficial
10
Nubes altas altas, recién condensadas
9
Nubes bajas, lluvia, nieve
DBO
Aguas residuales o contaminadas Tipo agua residual
DBO*
DQO*
MOC Metales y otros contaminantes
Aguas subterráneas
Salinid ad TSD, ppm
0
0-10 0 10
0
10-40
0
40-80
8 7
Manantiales, torrentes de montaña
Hasta 10 mg/l
Cursos altos de ríos ríos, lagos de montaña
10 20 10-20 mg/l
Lluvia moderada mente ácida
0
Cursos medios de ríos, lagos medios, emisarios de ciertos humedales
20-30 mg/l
Lluvia muy ácida
0
6
5
Por debajo de los límites establecidos en el nivel 7 Límites máximos para agua potable (Ver Tabla 5) Concentraciones intermedias entre niveles 2 y 6
80-150
Napas hipodérmicas, manantiales de agua dulce Agua subterránea poco profunda, dulce
150-300 150 300
300-600
Nivel entrópico del agua medido con base en DBO, DQO, SDT y MOC
30-45 mg/l 4 Cursos bajos de río, lagos de llanura, humedales oxigenados
45-60 mg/l
Drenajes de riego, agua residual tratada
Concentración intermedia entre niveles 4 y 7 0-60 mg/l
0-120 mg/l
3
2
Lagos y humedales eutrofizados Lagos débilmente salobres .
60-80 mg/l
Drenajes de riego, agua residual partialmente t t d tratada
60-80 mg/l
120-160 mg/l
1
Lagos salobres y mares
Menos de 60 Mg/l
Salmueras
0
Salinas
0
0
0 a –5
< -5
Vertidos urbanos e industriales medios Vertido urbano e industrial altamente contaminado Vertidos industriales de alta toxicidad
80-200 160-400 mg/l mg/l
Agua subterránea poco profunda, ligeramente salobre; agua subterránea profunda dulce Límites máximos Agua subterránea profunda para descargas en ríos (Ver Tabla ligeramente i Salobre; aguas 6) poco profundas f d salobres
6001000
Concentración intermedia entre niveles 2 y 4
Agua subterránea salada
500035000
Salmueras subterráneas
35000300000
Yacimientos de Sal
Más de 300000
Más Más de Límites máximos de 200 400 mg/l descargas mg/l alcantarillas, Ver Tabla 7 Por encima del límite establecido en nivel 2
* para efectos meramente estimativos se estableció que DBO/ DQO = 0.5
10002500 25005000
C Costo energético é i El costo energético requerido para elevar la calidad del agua de un nivel a otro varía de acuerdo con el tipo de degradación entrópica que han sufrido las aguas y la tecnología disponible. En los ambientes naturales el reciclado se produce naturalmente t l t y ell gasto t energético éti es la l energía í solar l requerida para evapotranspirar u oxigenar las aguas degradadas llevándolas al nivel de referencia. En los sistemas artificiales el reciclado tiene lugar mediante el tratamiento, utilizando varios métodos y fuentes de energía.
C Costo del d l reciclado i l d artificial ifi i l Tabla 10. Costo aproximado para elevar el valor entrópico del agua Nivel entrópico
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 a –5 < -5
Valor entrópico
1.00 0.99 0.96 0 91 0.91 0.84 0.75 0.64 0.51 0 36 0.36 0.19 0 -0.21 a – 2.25 < –2.25
Para elevar P l del d l nivel i l correspondiente al nivel 8 (potable) (varios métodos) Costo aproximado por 3 m en U$S
Menos de 0.05 0 05 0.05-0.3 0.1 a 0.5 0.2 a 1 0.4 a 3 1 a 10 3 a 30 Más de 30
Métodos Mét d bi bioquímicos í i para elevar del nivel correspondiente a un nivel 5 (para riego) Costo aproximado por 3 m en U$S
Métodos Mét d bi biológicos ló i para elevar del nivel correspondiente a un nivel 5 (para riego) Costo aproximado por 3 m en U$S
0.01-0.10 0.02-0.15 0 03 0 20 0.03-0.20 0.05-0.20 0.10 a 0.5 0.5 a 10
0.0050 005 0 0.10 10 0.01- 0.20
> (0.5 a 10)
Aplicación li ió conceptuall MEGICH E Esquema de d una cuenca 3
Disponibilidad (m /año) ; ; ; ;
Escurrimiento superficial Acuifero Agua residual tratada Agua residual
3
Sistema
Cuenca Cuenca
; ; ; ; ;
Demanda (m /año) Agua gua potab potable e Agua para uso industrial Agua servicios públicos urbanos Agua para riego agrícola Caudal ecológico (10% del caudal promedio interanual)
Subcuenca 1 Disponibilidad (m3/año):
Aplicación li ió conceptuall MEGICH Subcuenca 2 Disponibilidad (m3/año):
Demanda (m3/año):
Nodo A
Demanda (m3/año):
Subcuenca 4 Subcuenca 3
Disponibilidad (m3/año):
Disponibilidad (m3/año):
Demanda D d (m3/año):
Demanda (m3/año):
Nodo B Cuenca global Disponibilidad (m3/año):
Nodo exutorio
Demanda (m3/año):
Diagrama de flujo de una cuenca hidrológica
Aplicación conceptual MEGICH La siguiente tabla sirve para establecer un balance entrópico para cada subcuenca y así conocer la riqueza de una cuenca. E s igualm ente un instrum ento de com paración entre cuencas y proporciona un indicador del déficit o del volum en explotable en cada unidad del sistem a. Subcuenca 1
Volumen (m3/año)
Nivel Entropico ((Ne))
Valor Entrópico ((Ve))
Factor de
Valor
corrección
Corregido (Vc)
Ct
Disponibilidad anual ; Escurrimiento superficial ; Acuífero ; Agua residual tratada ; Agua residual Subtotal Demanda anual ; Agua potable ; Agua para uso industrial ; Agua servicios públicos urbanos ; Agua para riego agrícola ; Caudal ecológico (10% del caudal promedio interanual) Subtotal Balance entrópico
Unidades de valor p entrópico UVE= 3 (Mm /año)X (Ct/100)
Aplicación conceptual MEGICH La siguiente g tabla es un f formato tipo p de ayuda y que q proporcionará el costo total anual de un trasvase entre subcuencas del sistema hidrológico considerado. Demanda (m3): Nivel Entrópico: Subcuenca fuente: Cota promedio superficial: Cota promedio acuífero: Costo de explotación
1. Costo de bombeo y conducción 2. Costo de almacenamiento 3 Costo de incremento de nivel 3. entrópico Costo total
Subcuenca receptora: Cota promedio superficial:
Agua superficial
Acuífero
Agua residual tratada
Agua residual cruda
C l i Conclusiones ; La L
ubicación b ó y disponibilidad d b l d d de d agua en las l cuencas presentan una variabilidad espacio – temporal que obliga al estudio de gestión con herramientas q que p permitan una representación p de las variables críticas en cuestión, relacionando el valor entrópico, los volúmenes disponibles y las demandas de volumen y calidad agua requeridos.
; Lo anterior es posible a través del empleo de un SIG y de técnicas de optimización con base en la premisa de entregar el volumen y calidad
de agua requeridos al menor costo energético posible.
; El próximo paso en el desarrollo de la Metodología Entrópica para la Gestión Integrada de Cuencas Hidrológicas consistirá en la construcción de algoritmos que conduzcan al uso práctico de la teoría presentada.