INSTRUMENTOS ECONÓMICOS PARA LA GESTIÓN DEL AGUA – Experiencia

local

Metodología entrópica para la gestión integrada de cuencas hidrológicas

Centro Interamericano de Recursos del AguaCIRA - UAEM, México

e-mail: cdiaz@uaemex.mx

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, 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.

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 consiste en que el reciclado natural producido por la energía solar no alcanza para purificar todas las aguas residuales que se producen.

En otras palabras, las sociedades contemporáneas están convirtiendo el mundo de aguas naturales en un mundo de aguas residuales.

En cierta medida se busca corregir esa situación a través de la instalación de sistemas de tratamiento de diverso tipo.

Concepto de calidad del agua

"Calidad del 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" de la noción de calidad estriba la dificultad para establecer criterios consistentes para su determinación.Por ello, se ha buscado un denominador común que permita definir la calidad en términos simples y comparables.

Justificación de un instrumento de análisis entrópico del agua

Los tomadores de decisión, deben hacer frente a una amplia gama de datos y elementos de la realidad.

En materia hídrica, las decisiones finales suelen ser de tipo político, y en la mayor parte de los casos de orden económico.

En los análisis, la evaluación del “valor” del recurso toma en cuenta solamente los aspectos de valor monetario.

Para agravar esta 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, 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 natural” al agua, más fácil será realizar un análisis y toma de decisión.

El concepto de entropía El ciclo hidrológico se basa en el influjo de energía,

que da lugar al calentamiento, evaporación, ascenso, condensación, precipitación y flujo superficial y subterráneo del agua.

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, y la segunda, también llamada la ley de la entropía.

La entropía es un concepto complejo, que busca describir la dirección natural de los procesos físicos en el universo. Éstos tienden a darse desde lo ordenado a lo desordenado, de lo heterogéneo a lo homogéneo.

El concepto de entropía en el 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, 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.

utilizaremos la expresión valor entrópico para definir la ausencia de desvalorización, o dicho de otro modo, la ausencia de entropía.

El ciclo energético del agua

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 físicas o químicas, o de

posición en el espacio.

Tabla 2. Lista de fenómenos y procesos del ciclo energético

Fenómenos y procesos Símbolo Condensación del vapor de agua atmosférico

Cva

Caída de precipitaciones P Evaporación durante la caída Ep Impacto de las precipitaciones I Evaporación asociada a la intercepción vegetal

Ei

Infiltración In Escurrimiento es Erosión y transporte de materiales en suspensión

et

Disolución y transporte de sales disueltas

Dt

Evaporación directa de las aguas continentales

Ed

Transpiración (biológica) T Fotosíntesis (desarrollo organismos autótrofos)

F

Metabolismo de organismos autótrofos M Descomposición y metabolismo de organismos heterótrofos

D

Evaporación oceánica Eo Ascenso convectivo Ac Calentamiento geotérmico Cgt Ascenso hidrotermal y volcánico Ahv Absorbe energía Libera energía

El ciclo energético-hidrológico del agua

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 condición original, o bien para destinarla a otro uso en función de la demanda y volumen de agua requerida.

Nivel entrópico

Utilización del agua natural

Aguas residuales o

contaminadasPosición geológica Presencia de vida

Aguas superficiales, atmosféricas

Aguas subterráneas

10Nubes altas , recién

condensadasAgua des tilada Atm osférica, elevada

Organism os m uy escasos, pocos nutrientes

8 - 9Nubes bajas , lluvia,

nieveAgua potable Atm osférica, baja

Organism os escasos, pocos nutrientes

7Manantiales , torrentes

de m ontañasAguas term ales

Cim as, cabeceras valles

Organism os de abundancia escasa a interm edia

6Cursos altos de ríos ,

lagos de m ontaña

Napas hipodérm icas de

agua dulceAguas para riego

Lluvia m oderadam ente

ácida

Zonas m ontañas, s ierras , colinas elev.,

m esetas

Organism os de abundancia interm edia

5

Cursos m edios de ríos , lagos m edios ,

em isarios de ciertos hum edales

Napas hipodérm icas , acuíferos poco profundos no contam inados

Aguas para riego Lluvia m uy ácida

Zonas de colinas , s ierras bajas ,

subsuelo de poca profundidad

Organism os abundantes

3 - 4

Cursos bajos de río, lagos de llanura,

hum edales oxigenados

Agua subterránea profunda dulce. Poco profunda

ligeram ente salobre

Aguas para riegoDrenajes de riego, agua

res idual tratada

Llanuras , colinas bajas subsuelo

m edianam ente a m uy profundo

Organism os m uy abundantes en ríos y lagos , localm ente exceso de nutrientes . Vertidos de aguas de riego pueden provocar procesos

de eutroficación.

1 - 2Lagos y hum edales

eutrofizadosLagos salobres

Agua subterránea profunda

ligeram ente salobre; aguas poco profundas salobres

Aguas para lavado

Drenajes de riego, agua

res idual parcialm ente

tratada

Zonas bajas , áridas , subsuelo de

profundidad variable

Organism os m uy abundantes en los lagos salobres . Los vertidos de

aguas de riego pueden provocar procesos de eutroficación.

0 Mares y lagos saladosAgua subterránea

saladaAguas balnearias

Vertidos urbanos e indus triales

m edios

Nivel del m ar, zonas continentales deprim idas , subsuelo de

profundidad variable

Organism os m uy abundantes en m ares y lagos , escasos en

vertidos urbanos. Los vertidos urbanos provocan frecuentes

procesos de eutroficación.

0 a -5 Salm uerasSalm ueras

subterráneas Producción de sal

Vertidos urbanos e indus triales

altam ente contam inados

Salm ueras subterráneas

Escasos organism os debido a la toxicidad, procesos de

eutroficación pos ibles localm ente

< -5 Salinas Yacim ientos de salProducción de sal

indus trial

Vertidos indus triales de alta toxicidad

Yacim iento de sal Ausencia de organism os

Aguas naturales

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, liberando energía potencial;al incrementarse la concentración de sustancias disueltas;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;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.

Mc

NEVE

21010

1 VE: es valor entrópico;

NE: es el nivel entrópico;

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

Aguas naturales superficiales Aguas residuales o contaminadasNivelentróPico Tipo de agua superficial DBO Tipo agua

residualDBO* DQO*

MOCMetales y otroscontaminantes

Aguassubterráneas

Salinidad

TSD,ppm

10 Nubes altas, reciéncondensadas

0 0-10

90 10-40

8

Nubes bajas, lluvia, nieve

0 40-80

7Manantiales, torrentes demontaña

Hasta10 mg/l

Por debajo de loslímitesestablecidosen el nivel 7

80-150

6

Cursos altos de ríos, lagosde montaña

10-20mg/l

Lluviamoderadamente ácida

0 Límites máximosparaagua potable(Ver Tabla 5)

Napashipodérmicas,manantiales deagua dulce

150-300

5Cursos medios de ríos,lagos medios, emisarios deciertos humedales

20-30mg/l

Lluvia muyácida

0 Concentracionesintermedias entreniveles 2 y 6

Agua subterráneapoco profunda,dulce

300-600

Nivel entrópico del agua medido con base en DBO, DQO, SDT y MOC

4

30-45mg/l

3

Cursos bajos de río, lagosde llanura, humedalesoxigenados

45-60mg/l

Drenajes deriego, aguaresidualtratada

0-60mg/l

0-120mg/l

Concentraciónintermedia entreniveles 4 y 7

Agua subterráneapoco profunda,ligeramentesalobre; aguasubterráneaprofunda dulce

600-1000

21000-2500

1

Lagos y humedaleseutrofizadosLagos débilmente salobres.

60-80mg/l

Drenajes deriego, aguaresidualpartialmentetratada

60-80mg/l

120-160mg/l

Límites máximospara descargasen ríos (Ver Tabla6)i

Agua subterráneaprofundaligeramenteSalobre; aguaspoco profundassalobres

2500-5000

0

Lagos salobres y mares Menosde 60Mg/l

Vertidosurbanos eindustrialesmedios

80-200mg/l

160-400mg/l

Concentraciónintermedia entreniveles 2 y 4

Agua subterráneasalada

5000-35000

0 a –5

Salmueras 0 Vertidourbano eindustrialaltamentecontaminado

Másde 200mg/l

Más de400 mg/l

Límites máximosdescargasalcantarillas,Ver Tabla 7

Salmuerassubterráneas

35000-300000

< -5Salinas 0 Vertidos

industriales dealta toxicidad

Por encima dellímite establecidoen nivel 2

Yacimientos deSal

Más de300000

* para efectos meramente estimativos se estableció que DBO/ DQO = 0.5

Costo energético

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 y el gasto energético es la energía solar 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.

Costo del reciclado artificialTabla 10. Costo aproximado para elevar el valor entrópico del agua

Para elevar del nivelcorrespondiente alnivel 8 (potable)(varios métodos)

Métodos bioquímicospara elevar del nivel

correspondiente a unnivel 5 (para riego)

Métodos biológicospara elevar del nivel

correspondiente a unnivel 5 (para riego)

Nivelentrópico

Valorentrópico

Costo aproximado porm3 en U$S

Costo aproximado porm3 en U$S

Costo aproximado porm3 en U$S

10 1.009 0.998 0.967 0.91 Menos de 0.056 0.84 0.05-0.35 0.75 0.1 a 0.54 0.64 0.2 a 1 0.01-0.103 0.51 0.4 a 3 0.02-0.152 0.36 1 a 10 0.03-0.20 0.005- 0.101 0.19 0.05-0.20 0.01- 0.200 0 3 a 30 0.10 a 0.5

0 a –5 -0.21 a –2.25

Más de 30 0.5 a 10

< -5 < –2.25 > (0.5 a 10)

Aplicación conceptual MEGICH

Esquema de una cuenca

Disponibilidad (m3/año) Sistema Demanda (m3/año)

Escurrimiento superficial Acuifero Agua residual tratada Agua residual

Agua potable Agua para uso industrial Agua servicios públicos

urbanos Agua para riego agrícola Caudal ecológico (10% del

caudal promedio interanual)

Cuencauencauenca

Cuenca

Aplicación conceptual MEGICH

Diagrama de flujo de una cuenca

hidrológica

Subcuenca 1

Disponibilidad (m3/año):

Demanda (m3/año):

Subcuenca 2

Disponibilidad (m3/año):

Demanda (m3/año):

Subcuenca 3

Disponibilidad (m3/año):

Demanda (m3/año):

Subcuenca 4

Disponibilidad (m3/año):

Demanda (m3/año):

Cuenca global

Disponibilidad (m3/año):

Demanda (m3/año):Nodo exutorio

Nodo B

Nodo A

Aplicación conceptual MEGICHLa siguiente tabla sirve para establecer un balance entrópico para cadasubcuenca y así conocer la riqueza de una cuenca. Es igualmente uninstrumento de comparación entre cuencas y proporciona un indicadordel déficit o del volumen explotable en cada unidad del sistema.

Subcuenca 1Volumen(m3/año)

NivelEntropico

(Ne)

ValorEntrópico

(Ve)

Factor de

corrección

Ct

Valor

Corregido(Vc)

Unidades devalor

entrópicoUVE=

(Mm3/año)X(Ct/100)

Disponibilidad anual Escurrimiento superficial Acuífero Agua residual tratada Agua residual

SubtotalDemanda 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

Aplicación conceptual MEGICH

La siguiente tabla es un formato tipo de ayuda que 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:

Subcuenca receptora:Cota promedio superficial:

Costo de explotación Aguasuperficial Acuífero

Aguaresidualtratada

Aguaresidualcruda

1. Costo de bombeo y conducción2. Costo de almacenamiento3. Costo de incremento de nivel

entrópicoCosto total

Conclusiones

La ubicación y disponibilidad de agua en las cuencas presentan una variabilidad espacio – temporal que obliga al estudio de gestión con herramientas que permitan una representación 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.