INSTRUMENTOS ECONÓMICOS PARA LA
GESTIÓN DEL AGUA – Experiencia local
Metodología entrópica para la gestión
integrada de cuencas hidrológicas
Centro Interamericano de Recursos del Agua
CIRA - UAEM, México
e-mail: [email protected]
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
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
físicas o químicas, o de
posición en el espacio.
Fenómenos y procesos
Condensación del vapor de agua
atmosférico
Caída de precipitaciones
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 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
10
8-9
7
Aguas naturales
Aguas superficiales,
atmosféricas
Nubes altas, recién
condensadas
Nubes bajas, lluvia,
nieve
Manantiales, torrentes
de montañas
Utilización del
agua natural
Posición geológica
Presencia de vida
Aguas
subterráneas
Agua destilada
Atmosférica, elevada
Agua potable
Atmosférica, baja
Aguas termales
Napas
hipodérmicas de
agua dulce
Napas
hipodérmicas,
acuíferos poco
profundos no
contaminados
6
Cursos altos de ríos,
lagos de montaña
5
Cursos medios de
ríos, lagos medios,
emisarios de ciertos
humedales
3-4
Cursos bajos de río,
lagos de llanura,
humedales
oxigenados
Agua subterránea
profunda dulce.
Poco profunda
ligeramente salobre
1-2
Lagos y humedales
eutrofizados
Lagos salobres
Agua subterránea
profunda
ligeramente
Aguas para lavado
salobre; aguas poco
profundas salobres
Mares y lagos salados
Agua subterránea
salada
0 a -5
Salmueras
Salmueras
subterráneas
< -5
Salinas
Yacimientos de sal
0
Aguas
residuales o
contaminadas
Aguas para riego
Cimas, cabeceras
valles
Lluvia
Zonas montañas,
moderadamente sierras, colinas elev.,
ácida
mesetas
Aguas para riego
Lluvia muy ácida
Zonas de colinas,
sierras bajas,
subsuelo de poca
profundidad
Aguas para riego
Drenajes de
riego, agua
residual tratada
Llanuras, colinas
bajas subsuelo
medianamente a
muy profundo
Aguas balnearias
Drenajes de
riego, agua
residual
parcialmente
tratada
Vertidos urbanos
e industriales
medios
Vertidos urbanos
e industriales
Producción de sal
altamente
contaminados
Producción de sal
industrial
Vertidos
industriales de
alta toxicidad
Organismos muy escasos, pocos
nutrientes
Organismos escasos, pocos
nutrientes
Organismos de abundancia
escasa a intermedia
Organismos de abundancia
intermedia
Organismos abundantes
Organismos muy abundantes en
ríos y lagos, localmente exceso de
nutrientes. Vertidos de aguas de
riego pueden provocar procesos
de eutroficación.
Organismos muy abundantes en
Zonas bajas, áridas,
los lagos salobres. Los vertidos de
subsuelo de
aguas de riego pueden provocar
profundidad variable
procesos de eutroficación.
Nivel del mar, zonas
continentales
deprimidas,
subsuelo de
profundidad variable
Organismos muy abundantes en
mares y lagos, escasos en
vertidos urbanos. Los vertidos
urbanos provocan frecuentes
procesos de eutroficación.
Salmueras
subterráneas
Escasos organismos debido a la
toxicidad, procesos de
eutroficación posibles localmente
Yacimiento de sal
Ausencia de organismos
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.
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, 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
10-40
0
40-80
8
7
Manantiales, torrentes de
montaña
Hasta
10 mg/l
Cursos altos de ríos, lagos
de montaña
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
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
Agua subterránea
poco profunda,
ligeramente
salobre; agua
subterránea
profunda dulce
Límites máximos Agua subterránea
para descargas
profunda
en ríos (Ver Tabla ligeramente
i
6)
Salobre; aguas
poco profundas
salobres
6001000
80-200 160-400
mg/l
mg/l
Concentración
intermedia entre
niveles 2 y 4
Agua subterránea
salada
500035000
Más
Más de
de 200 400 mg/l
mg/l
Límites máximos
descargas
alcantarillas,
Ver Tabla 7
Salmueras
subterráneas
35000300000
Por encima del
límite establecido
en nivel 2
Yacimientos de
Sal
Más de
300000
3
2
Lagos y humedales
eutrofizados
Lagos débilmente salobres
.
60-80
mg/l
Drenajes de
riego, agua
residual
partialmente
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
* para efectos meramente estimativos se estableció que DBO/ DQO = 0.5
10002500
25005000
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 artificial
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
0.84
0.75
0.64
0.51
0.36
0.19
0
-0.21 a –
2.25
< –2.25
Para elevar del nivel
correspondiente al
nivel 8 (potable)
(varios métodos)
Costo aproximado por
3
m en U$S
Menos de 0.05
0.05-0.3
0.1 a 0.5
0.2 a 1
0.4 a 3
1 a 10
3 a 30
Más de 30
Métodos bioquímicos
para elevar del nivel
correspondiente a un
nivel 5 (para riego)
Costo aproximado por
3
m en U$S
Métodos biológicos
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
0.05-0.20
0.10 a 0.5
0.5 a 10
0.005- 0.10
0.01- 0.20
> (0.5 a 10)
Aplicación conceptual MEGICH
Esquema de una cuenca
3
Disponibilidad (m /año)




Escurrimiento superficial
Acuifero
Agua residual tratada
Agua residual
3
Sistema
Cuenca
Cuenca
uenca
uenca





Demanda (m /año)
Agua potable
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 conceptual 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
(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. Es igualmente un
instrumento de comparación entre cuencas y proporciona un indicador
del déficit o del volumen explotable en cada unidad del sistema.
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
entrópico
UVE=
(Mm3/año)X
(Ct/100)
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:
Costo de explotación
1. Costo de bombeo y conducción
2. Costo de almacenamiento
3. Costo de incremento de nivel
entrópico
Costo total
Subcuenca receptora:
Cota promedio superficial:
Agua
superficial
Acuífero
Agua
residual
tratada
Agua
residual
cruda
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.
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Water resources in the Upper Course of the Lerma River - Cap-Net