Descarga de aguas subterráneas submarinas

La descarga de agua subterránea submarina (SGD) es un proceso hidrológico que ocurre comúnmente en las zonas costeras. Se describe como la entrada submarina de agua subterránea dulce y salobre desde la tierra hacia el mar. La descarga de agua subterránea submarina está controlada por varios mecanismos de fuerza, que causan un gradiente hidráulico entre la tierra y el mar. Teniendo en cuenta los diferentes entornos regionales, la descarga se produce como (1) un flujo concentrado a lo largo de fracturas en áreas kársticas y rocosas, (2) un flujo disperso en sedimentos blandos, o (3) una recirculación de agua de mar dentro de sedimentos marinos. La descarga de agua subterránea submarina desempeña un papel importante en los procesos biogeoquímicos costeros y los ciclos hidrológicos, como la formación de floraciones de plancton en alta mar, los ciclos hidrológicos y la liberación de nutrientes, oligoelementos y gases. Afecta a los ecosistemas costeros y algunas comunidades locales la han utilizado como recurso de agua dulce durante milenios.

En las zonas costeras, los flujos de agua subterránea y marina están determinados por diversos factores. Ambos tipos de agua pueden circular en los sedimentos marinos debido al bombeo de las mareas, las olas, las corrientes de fondo o los procesos de transporte impulsados por la densidad. Las aguas dulces meteóricas pueden descargarse a lo largo de acuíferos confinados y no confinados hacia el mar o puede producirse el proceso de oposición de la intrusión de agua marina en acuíferos cargados de agua subterránea. El flujo tanto de agua dulce como de agua marina está controlado principalmente por los gradientes hidráulicos entre la tierra y el mar y las diferencias en las densidades entre ambas aguas y las permeabilidades de los sedimentos.

Según Drabbe y Badon-Ghijben (1888) y Herzberg (1901), el espesor de una lente de agua dulce por debajo del nivel del mar (z) se corresponde con el espesor del nivel de agua dulce por encima del nivel del mar (h) como:

z= ρf/((ρs-ρf))*h

Siendo z el espesor entre la interfase agua dulce-salada y el nivel del mar, h el espesor entre la parte superior de la lente de agua dulce y el nivel del mar, ρf la densidad del agua dulce y ρs la densidad del agua salada. Si se incluyen las densidades del agua dulce (ρf = 1,00 g •cm-3) y del agua de mar (ρs = 1,025 g •cm-3), la ecuación (2) se simplifica a:

z=40*h

Junto con la Ley de Darcy, la longitud de una cuña de sal desde la costa hasta el interior se puede calcular:

L= ((ρs-ρf)Kf m)/(ρf Q)

Siendo Kf la conductividad hidráulica, m el espesor del acuífero y Q la tasa de descarga. Suponiendo un sistema acuífero isotrópico, la longitud de una cuña de sal depende únicamente de la conductividad hidráulica, el espesor del acuífero y está inversamente relacionada con la tasa de descarga. Estas suposiciones solo son válidas en condiciones hidrostáticas en el sistema acuífero. En general, la interfaz entre el agua dulce y la salina forma una zona de transición debido a la difusión/dispersión o a la anisotropía local.

El primer estudio sobre la descarga de aguas subterráneas submarinas fue realizado por Sonrel (1868), quien especuló sobre el riesgo que representaban los manantiales submarinos para los marineros. Sin embargo, hasta mediados de los años 1990, la SGD permaneció poco reconocida por la comunidad científica debido a que era difícil detectar y medir la descarga de agua dulce. El primer método elaborado para estudiar la SGD fue realizado por Moore (1996), quien utilizó el radio-226 como trazador de aguas subterráneas. Desde entonces, se han desarrollado varios métodos e instrumentos para intentar detectar y cuantificar las tasas de descarga.

El primer estudio que detectó y cuantificó la descarga de aguas subterráneas submarinas a nivel regional fue realizado por Moore (1996) en la bahía del Atlántico Sur frente a Carolina del Sur. Midió concentraciones elevadas de radio-226 dentro de la columna de agua cerca de la costa y hasta aproximadamente 100 kilómetros (62 millas) de la costa. El radio-226 es un producto de la descomposición del torio-230, que se produce dentro de los sedimentos y es suministrado por los ríos. Sin embargo, estas fuentes no pudieron explicar las altas concentraciones presentes en el área de estudio. Moore (1996) planteó la hipótesis de que las aguas subterráneas submarinas, enriquecidas con radio-226, eran responsables de las altas concentraciones. Esta hipótesis se ha probado numerosas veces en sitios de todo el mundo y se ha confirmado en cada uno de ellos.

Lee (1977) diseñó un medidor de filtración que consta de una cámara conectada a un puerto de muestreo y una bolsa de plástico. La cámara se inserta en el sedimento y el agua que se descarga a través de los sedimentos queda atrapada dentro de la bolsa de plástico. El cambio en el volumen de agua que queda atrapada en la bolsa de plástico a lo largo del tiempo representa el flujo de agua dulce.

Según Schlüter et al. (2004), los perfiles de cloruro en el agua intersticial se pueden utilizar para investigar la descarga de agua subterránea submarina. El cloruro se puede utilizar como un trazador conservador, ya que se enriquece en el agua de mar y se agota en el agua subterránea. Tres formas diferentes de perfiles de cloruro en el agua intersticial reflejan tres modos de transporte diferentes dentro de los sedimentos marinos. Un perfil de cloruro que muestra concentraciones constantes con la profundidad indica que no hay agua subterránea submarina presente. Un perfil de cloruro con una disminución lineal indica una mezcla difusiva entre el agua subterránea y el agua de mar y un perfil de cloruro con forma cóncava representa una mezcla advectiva de agua subterránea submarina desde abajo. Las proporciones de isótopos estables en la molécula de agua también se pueden utilizar para rastrear y cuantificar las fuentes de una descarga de agua subterránea submarina.

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