La Hidrosfera: Cicle, Distribució, Usos i Gestió de l'Aigua

La Hidrosfera: Introducció i Distribució Global

Definició i Estats de l'Aigua

La hidrosfera és la capa líquida que ocupa les parts més baixes de l'escorça. La Terra és l'únic planeta del sistema solar amb aigua en els 3 estats (sòlid, líquid i gas).

• Punt triple: Punt on les tres fases (sòlid, líquid i gas) poden coexistir.
• Punt crític: Punt on les dues fases (líquida i gasosa) es fan idèntiques.

Distribució de l'Aigua al Planeta

La distribució de l'aigua és la següent:

• 97,5% aigua salada (oceans i mars)
• 2,5% aigua dolça, distribuïda en:
  • 2,04% glaceres i casquets polars
  • 0,57% aigües subterrànies
  • 0,01% llacs i rius
  • 0,001% atmosfera (vapor)
  • 0,00001% biosfera

Origen de la Hidrosfera (Hipòtesis)

1. Degut al vapor d'aigua alliberat pels volcans.
2. Pels meteorits que transportaven gel.

El Cicle de l'Aigua i el Balanç Hídric

Components del Cicle Hídric

Gràcies al cicle de l'aigua es forma també el cicle de:

• Evapotranspiració
• Escolament: superficial i subterrani
• Precipitació

Temps de Residència de l'Aigua

És el temps que està una molècula d'aigua en un reservori abans d'evaporar-se i retornar en forma de pluja.

• 36.000 anys en el mar i/o casquets polars.
• Milions d'anys en aigües subterrànies (aigua fòssil).

Balanç Hídric i Cabal d'un Riu

El Balanç hídric és la relació entre les aportacions (precipitacions) i les sortides (evapotranspiracions i les descàrregues subterrànies o superficials, és a dir, l'escolament subterrani i superficial).

Precipitació = Evapotranspiració + Escolament

El balanç global és 0, però a nivell regional o local pot no estar en equilibri.

El Cabal d'un riu (Q) és el volum d'aigua que passa per una secció transversal al flux en un temps determinat:

$$Q = \frac{S \times V}{t} \quad (m^3/s)$$

El Cabal ecològic és el cabal mínim d'aigua necessari per mantenir el riu en condicions ecològiques acceptables.

Característiques de les Aigües Oceàniques (71%)

1. Temperatura

   Varia segons la latitud. Disminueix de la superfície al fons; a grans profunditats es mantenen estables (al voltant de 2 graus Celsius).

2. Salinitat

   Varia inversament a la temperatura. Les aigües més salades i fredes són més denses i es troben a major profunditat.

   • És el total de substàncies dissoltes en una quantitat d'aigua determinada.
   • El valor mitjà és de 35 grams de sal per quilogram d'aigua.

   Composició Química i Aportacions Externes

   La composició química depèn de les aportacions externes:

   • Rius: Aportacions més importants, especialment a la zona costanera.
   • Glaceres: Poca aportació i reduïda als pols.
   • Atmosfera: Aportació a tota la superfície.
   • Aigües termals i volcàniques: Permeten incorporar material oceànic a gran profunditat.

3. Densitat

   Depèn de la salinitat i de la temperatura:

   • A més salinitat, més densitat.
   • A més temperatura, menor densitat.

Corrents Marins

Els corrents marins depenen de la interacció de diversos factors:

• Intervenen la temperatura, la densitat i els vents.
• Són modificats per l'efecte Coriolis, la topografia i els continents.

Hi ha dos tipus principals:

• Corrents superficials
• Corrents termohalins

Corrents Marins Superficials

• Són remolins en sentit horari a l'hemisferi nord.
• A les zones occidentals dels oceans els corrents són més intensos.
• L'ascensió d'aigües profundes (fredes) en latituds subtropicals forma les àrees d'afloraments.
• Els afloraments són zones riques per a la pesca i afavoreixen la formació d'anticiclons i costes àrides.

Corrents Marins Termohalins

• S'originen per diferències de densitat.
• La massa d'aigua freda i densa s'enfonsa a gran profunditat en latituds altes.

Onades i Marees: Moviments de la Superfície

Onades

Són moviments ondulatoris de la superfície del mar produïts pel vent. La dimensió i la velocitat de les onades depenen de:

• La durada i la velocitat del vent.
• La superfície de l'aigua.

Marees

Són moviments alternats i periòdics de pujada i baixada de la superfície del mar, deguts a l'atracció de la Lluna i el Sol.

• L'ascens de l'aigua del mar s'anomena marea alta o pleamar.
• El descens de l'aigua del mar s'anomena marea baixa o baixamar.

Marea Viva i Marea Morta

• Marea viva: Es produeix quan el Sol, la Terra i la Lluna es troben alineats. A la força d'atracció de la Lluna s'hi afegeix la del Sol. Coincideix amb la lluna plena i la lluna nova.
• Marea morta: Es produeix quan el Sol, la Terra i la Lluna es troben amb angle recte. La força d'atracció del Sol contraresta la de la Lluna. Coincideix amb el quart creixent i el quart minvant.

Aigües Continentals i Subterrànies

Composició Química i Tipus

La composició química de les aigües continentals depèn de:

• Sals i materials solubles del contacte amb el terreny.
• Gasos del contacte amb l'atmosfera.
• Substàncies orgàniques del metabolisme dels éssers vius.
• Influència antròpica.

Tipus d'aigües continentals:

• Aigües d'escolament superficial.
• Aigües del subsol o subterrànies.

La distribució de l'aigua potable (2,7% del continent) es reparteix entre aigües subterrànies i superficials.

Aigües Superficials (Xarxa de Drenatge)

• Xarxa de drenatge: Conjunt de cursos d'aigua que desguassen en un riu.
• Conca hidrogràfica: Superfície ocupada per la xarxa de drenatge.
• Cabal ecològic: Cabal mínim que ha de mantenir el curs d'aigua perquè romangui l'equilibri en els seus ecosistemes.

Aqüífers: Emmagatzematge Subterrani

Les aigües subterrànies s'acumulen en aqüífers, formacions geològiques on s'emmagatzema i circula aigua aprofitant la porositat, la filtració i la fissuració de la roca. Necessiten una roca fissurada.

Les reserves subterrànies d'aigua dolça del planeta són molt més abundants i importants que les de tots els rius i llacs: representen el 96% de tot el volum d'aigua dolça.

Tipus d'Aqüífers

• Aqüífers confinats: Solen ser més profunds que els lliures i se situen entre dues capes de baixa permeabilitat. L'explotació d'un aqüífer confinat requereix estudis tècnics i sondatges costosos, però sovint l'aigua arriba a la superfície per si mateixa (pous artesians).

Porositat i Permeabilitat de les Roques

Porositat

Una roca serà porosa si en la seva estructura es donen petits forats entre els grans que la componen (Ex: Roques d'origen detrític, com les greses). Una roca no és porosa si no hi ha separació entre grans (Ex: Roques cristal·lines on els minerals ocupen tot l'espai, com el granit).

• Porositat primària: Donada pels espais buits entre partícules i minerals que té la roca d'origen.
• Porositat secundària: Formada per processos posteriors (fissures, fractures).

Permeabilitat

És la quantitat d'espais entre grans que estan connectats. Una roca serà molt permeable si tots els espais estan connectats (l'aigua pot fluir). Una roca serà molt impermeable si els grans no estan connectats i, per tant, per molta aigua que pugui acumular, aquesta queda atrapada dins de l'estructura de la roca (Ex: argila, que pot absorbir molta aigua però la deixa atrapada).

Relació Porositat - Permeabilitat:

L'Aigua com a Recurs: Usos i Mesurament

Balanç Hídric i Mesurament

El Balanç hídric és la relació entre aportacions (precipitacions) i sortides (evapotranspiració) i les descàrregues subterrànies o superficials (escolament subterrani i superficial).

• Lisímetre: Dispositiu que s'introdueix al sòl i s'omple amb el mateix terreny i vegetació de la zona. S'utilitza per mesurar l'evapotranspiració.
• Estacions d'aforament: S'utilitzen per mesurar el cabal en determinats punts d'un curs d'aigua.

Tipus d'Usos de l'Aigua

Usos Consumptius

L'aigua és utilitzada i en gran part no retornada al lloc d'origen, provocant una reducció de la quantitat o la qualitat. Exemples: agricultura, ús urbà, domèstic, industrial.

Usos No Consumptius

L'aigua s'utilitza, però després és retornada en gran part al medi on es va treure (no necessàriament al mateix lloc). No hi ha una reducció significativa de la quantitat o qualitat de l'aigua. Exemples: oci, navegació.

Usos Sectorials

Usos Domèstics i Urbans

La quantitat d'aigua potable disponible és un indicador del grau de desenvolupament d'un país.

Usos Industrials

Aplicacions de l'aigua en el sector industrial:

• Fluid refrigerant
• Agent de neteja
• Transport
• Matèria primera
• Altres usos (dispositius hidràulics, talls de materials amb aigua a pressió, força motriu)

Usos Agrícoles

Suposa un 65% del consum total d'aigua mundial.

Sistemes de Reg

1. Reg de superfície o per gravetat: (Reg a manta, per inundació, per infiltració). L'aigua es distribueix per la superfície per gravetat. El cabal de reg disminueix al llarg de l'extensió per infiltració del terreny. Actua sobre les arrels de les plantes. Poc utilitzat en jardineria.
2. Reg pressuritzat (per aspersió): Aplicació de l'aigua en forma de pluja sobre la superfície gràcies als aspersors. Poden realitzar moviments rotatoris. Aquest tipus de reg, ben dissenyat, calculat i instal·lat, permet una distribució uniforme. Molt comú en la instal·lació de gespa.
3. Reg per degoteig: Aporta aigua de manera localitzada al peu de la planta. Només es rega la planta en qüestió, racionalitzant el reg i mantenint un nivell d'humitat constant, sense entollament. Per realitzar un bon disseny cal conèixer les característiques dels degoters, la pressió de treball òptima i el cabal de treball.

Gestió de l'Aigua i Cerca de Nous Recursos

Problemes Principals en la Gestió Hídrica

• Distribució desigual.
• Recurs escàs.
• Recurs fràgil (es contamina fàcilment).
• L'absència de depuració impedeix el consum.

Estratègies per a Nous Recursos

• Embassaments
• Dessalinitzadores
• Reciclatge d'aigua usada
• Transvasaments

Tipus de Dessalinització

• Destil·lació: S'utilitza una font de calor per evaporar l'aigua. Posteriorment, s'aporten sals a l'aigua destil·lada obtinguda. Tecnologia pionera a Canàries, però poc utilitzada en les noves plantes.
• Membrana d'Osmosi Inversa: Eliminació de sals fent travessar l'aigua a molta pressió per una membrana semipermeable. És la tecnologia més útil en les plantes de nova creació.

Problemes de les Plantes de Dessalinització

• Generació de salmorres com a residu (aigua amb molta sal).
• Temps de vida limitat de les membranes (8-10 anys).
• L'aigua obtinguda conté minerals que poden ser perjudicials per a alguns conreus, com els cítrics.
• Alt cost econòmic.
• Alt consum energètic.

Millora de la Gestió i Mesures d'Estalvi

Mesures d'Estalvi de Caràcter General

1. Mesures individuals (control de la pressió, etc.).
2. Millores en les xarxes per reduir les pèrdues.
3. Reforestació.
4. Instal·lació d'equipaments estalviadors.

Mesures d'Estalvi Sectorial

En l'Agricultura

• Canvis en el sistema de reg (passar a degoteig).
• Reparació o revestiment de les canalitzacions.
• Replantejament del tipus de conreu.
• Replantejament de la necessitat de nous regadius.

En el Consum Urbà

• Optar per la innovació tecnològica.
• Adoptar mesures d'estalvi.
• Evitar fuites i realitzar reparacions.
• Manteniment de paisatge xeròfil (autòcton).
• Regar jardins al vespre, matí o nit.
• Reutilitzar o regenerar aigües urbanes depurades per regar.

En el Consum Industrial

• Reciclatge de l'aigua en circuits de refrigeració.
• Reutilitzar l'aigua depurada.
• Implantar dispositius que evitin fuites.

L'Agència Catalana de l'Aigua (ACA)

L'ACA és l'organisme que té responsabilitat sobre els diferents elements del cicle de l'aigua a Catalunya. Algunes de les seves funcions són la gestió del cicle complet de l'aigua, l'aprofitament dels recursos i la facilitació d'acords polítics.

Impactes i Qualitat de l'Aigua

Indicadors de Qualitat de l'Aigua

Hi ha 3 tipus d'indicadors per avaluar la qualitat de l'aigua:

Indicadors Físics

Terbolesa, sòlids en suspensió, color, olor i sabor, temperatura (Tª), conductivitat, etc.

Indicadors Químics

pH, duresa, indicadors de matèria orgànica (MO) com l'Oxigen Dissolt (O₂), la Demanda Bioquímica d'Oxigen (DBO), la Demanda Química d'Oxigen (DQO) o el Carboni Orgànic Total (COT), nutrients (N i P), metalls, etc.

Indicadors Biològics

Avaluació dels organismes d'una comunitat ecològica, mètodes microbiològics, fisiològics i ecotoxicològics.

Demanda Bioquímica d'Oxigen (DBO) i DQO

• DBO: Mesura l'oxidació duta a terme per microorganismes. Es calcula la diferència entre l'oxigen inicial i el final (oxigen consumit), indicant la presència orgànica a la mostra.
• DQO: Mesura l'oxidació duta a terme amb un oxidant químic estandarditzat, com el dicromat potàssic.

Relació DBO/DQO:

• Inferior a 0,2: contaminació sobretot inorgànica.
• Superior a 0,6: contaminació sobretot orgànica.

Carboni Orgànic Total (COT)

Mesura l'oxidació en condicions d'oxidació total de la matèria orgànica (C → CO₂).

Eutrofització

L'eutrofització es refereix a l'aportació en excés de nutrients inorgànics (procedents d'activitats humanes), principalment Nitrogen (N) i Fòsfor (P), en un ecosistema aquàtic. Això produeix una proliferació descontrolada d'algues fitoplanctòniques i provoca efectes adversos en les masses d'aigua afectades.

(Metalls pesants inclosos en la contaminació: alumini, plata, cadmi, arsènic, coure, ferro, crom, estany, mercuri, cobalt, manganès, magnesi, zinc...)

Índex de Qualitat a Catalunya (ISQA)

L'ISQA és l'índex fisicoquímic de la qualitat de l'aigua que varia entre 0 i 100. S'utilitza a Catalunya des de fa més de 15 anys. Permet operar amb pocs paràmetres (5):

• Temperatura (Tª)
• Oxidabilitat
• Matèries en Suspensió
• Oxigen Dissolt (O₂)
• Conductivitat

Fórmula: ISQA = T ( A + B + C + D)

Tractament de l'Aigua

Depuració de les Aigües Residuals

1. Pretractament: Separació de sòlids grans amb reixes.
2. Tractament primari o fisicoquímic: Extracció de greixos i substàncies en suspensió.
3. Tractament secundari: Eliminació de microorganismes (tractament biològic).
4. Tractament terciari: Eliminació de sals minerals.
5. Desinfecció: Destrucció dels microorganismes patògens.
6. Tractament de fangs: Extracció del fang que es pot utilitzar com a fertilitzant.

Potabilització de l'Aigua

L'aigua potable ha d'estar lliure de contaminants i microorganismes patògens, i ha de contenir una petita quantitat de sals minerals.

1. Captació i bombament.
2. Cambres de barreja i repartiment.
3. Decantadors.
4. Filtres de carbó i sorra.
5. Dipòsit de sortida i estació de bombament.