Presas subterráneas para almacenamiento de aguas subterráneas en regiones semiáridas del Nordeste de Brasil

Subsurface dams

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No se sabe

El agua es un recurso escaso en la región semiárida del nordeste de Brasil. Según Shubo et al. (2020), en el campo brasileño, especialmente en la región semiárida, hubo una falta de lluvias durante el período de tiempo de 1981-2019. Los modelos climáticos muestran una tendencia hacia el aumento de la frecuencia e intensidad de las sequías y la duración de los períodos secos en el noreste, como ya ha ocurrido en algunas regiones brasileñas (Denys et al. , 2016, en Shubo et al., op.cit. ). De 2012 a 2017 otra gran sequía afectó a la región semiárida y 2015 fue considerado el año más crítico de ese período (Shubo et al., op.cit. ).

In Cirilo, Costa (1999)

In Cirilo, Costa (1999)

La sequía de la década de 1990 ha llevado al desarrollo de presas subterráneas, con el objetivo de almacenar y proporcionar agua a pequeñas aldeas o comunidades y a las actividades agrícolas, al tiempo que las personas pueden continuar viviendo y evitar su migración a las principales ciudades. Las presas tienen la ventaja de poder almacenar mayores volúmenes de agua que los acuíferos aluviales naturales adyacentes. Las presas también son menos susceptibles a las perdidas por evapotranspiración del agua almacenada.

Explicación detallada

Descripción general

Esta descripción es una adaptación de Shubo et al. (2020), considerando también las contribuciones de Costa (2004).
Una presa subterránea permite que el agua de lluvia se almacene bajo los lechos de los ríos durante las temporadas de lluvias, con el fin que está disponible para la estación seca. Aunque, su construcción debe cumplir con algunos requisitos técnicos con respecto a su ubicación: el material debe ser predominantemente arenoso; la pendiente debe ser lo más plana posible; la profundidad de la capa impermeable debe ser superior a 1,5 m por debajo del lecho del río; el sitio de construcción debe estar en la parte más estrecha del lecho del río; evitando la cabecera donde la cantidad de agua es menor; y el área de recarga aguas arriba de la presa debe ser de al menos 1 km de material de aluvión. En cuanto a la calidad del agua, las bajas tasas de salinidad son esenciales para hacer factible su implementación y esto debe abordarse antes de construir la presa.

La idea central de su funcionamiento es restringir el flujo del acuífero aluvial mediante la construcción de un muro transversal impermeable, elevando así el nivel freático aguas arriba. En Brasil, hay dos tipos de presas subterráneas adecuadas a las características locales: el tipo sumergido, también conocido como el tipo Costa & Melo y el tipo sumergible. Ambos hacen uso de un muro impermeable enterrado para restringir el flujo subterráneo y están equipados con un pozo tipo Amazonas para permitir el uso del agua acumulada en la zona saturada. Para construir el muro, se cava una zanja hasta la capa impermeable. Luego, se coloca una manta de plástico sobre el muro y se cubre con el material excavado, para bloquear el flujo de agua subterránea. Existen otros tipos de opciones impermeabilizantes, como se describe en Costa (2004).

El primer tipo, conocido como presa subterránea tipo Costa & Melo (presa sumergida), es adecuado para el lecho fluvial de arroyos temporales donde el espesor de la capa sedimentaria es superior a 1,5 m. Este estilo de construcción utiliza un muro impermeable que está totalmente enterrado, reteniendo solo el flujo de agua subterránea, haciendo que el nivel freático en el aluvión se eleve aguas arriba de la barrera. No hay restricción física para la escorrentía.

En la región semiárida brasileña, principalmente en los estados de Pernambuco, Ceará y Rio Grande do Norte, esta es una de las técnicas más aplicadas para hacer frente a la escasez de agua. Figura. 4 muestra un esquema de una presa subterránea tipo Costa & Melo.

 

Schematic of a Costa & Melo subsurface dam

Fig. 4 – Esquema de una presa subterránea costa y melo (Fuente: Cirilo, Costa, 1999)

Schematic of a submersible underground dam

Fig. 5 – Esquema de una presa subterránea sumergible (arriba: vista de la planta, abajo; sección transversal). Fuente: Shubo et al. (2020)

En el segundo tipo de presa subterránea, la presa subterránea sumergible, aparte del muro enterrado, hay otra hecha de rocas, ladrillos o arcilla sobre el lecho del río. Esta barrera hace que el flujo superficial se extienda sobre la tierra, creando un estanque de agua que dura hasta dos o tres meses después del final de la estación húmeda. El proceso de formación lacustre genera una acumulación gradual de sedimentos, aumentando el espesor del suelo aguas arriba de la presa, proporcionando un aumento de la capacidad de almacenamiento a lo largo del tiempo, como sucede en las presas de arena. Esta técnica es adecuada para ríos pequeños.

Esta presa sobre el lecho del río está equipada con un aliviadero de hormigón para derramar el exceso de agua y preservar la presa sobre el suelo, limitando el nivel del agua. Aguas arriba, cerca de la presa, se construye un pozo de gran diámetro para recuperar el agua para el riego y para otros usos, como el suministro de agua del ganado cuando el nivel del agua cae por debajo del nivel del suelo. La Figura. 5 muestra un esquema de la presa subterránea sumergible.
A continuación se presenta una descripción más detallada, pero sintetizada, del procedimiento de construcción de una presa subterránea tipo Costa & Melo.

Descripción más detallada de una presa subterránea de Costa & Melo.

Este texto describe los conceptos básicos para la construcción de la presa Costa & Melo, basados en el trabajo de Costa (2004).
Este modelo de presa fue desarrollado por los investigadores de la UFPE, Waldir D. Costa y Pedro G. de Melo, a principios de la década de 1980, y adaptado a las condiciones locales por el primer investigador.

Consiste en: (1) excavación de una zanja recta normal a la dirección del arroyo; (2) ubicación de un muro impermeable dentro de la zanja; (3) construir uno o más pozos de gran diámetro, uno de ellos ubicado junto al muro impermeable y que contenga drenajes a lo largo de la zanja; (4) relleno superficial de roca, en la superficie, en el lado descendente del muro impermeable; (5) la aplicación de uno o más piezómetros para mejorar la superficie de aluvión influenciada por la presa.
Las principales ventajas son: (1) la ejecución es rápida (1 a 2 días si se utiliza maquinaria); (2) bajos costos de construcción; (3) pueden construirse utilizando mano de obra local; (4) permite controlar la salinidad y el nivel del agua; (5) puede ser utilizado para múltiples usos de agua.

La principal desventaja es que requiere condiciones físicas locales ya indicadas en la sección anterior.
Uno de los principales temas para implementar una presa subterránea son los aspectos sociales y la demanda de agua. Es crucial que las oportunidades que brinda la construcción de la presa sean reconocidas por la comunidad local y que su propietario se comprometa a preservarla y explotarla al máximo de su disponibilidad de agua, principalmente mediante el cultivo de los cultivos adecuados.

Previo a la construcción de la presa, y para localizar sitios con las condiciones adecuadas, se deben desarrollar algunas actividades:
(1) Encuesta de datos: búsqueda de comunidades locales necesitadas y, si este es el caso, las condiciones para cultivar cultivos de regadío; datos climáticos; informes hidrogeológicos; mapas topográficos y geológicos, mapas fotográficos; (2) análisis de la encuesta de datos en busca de las condiciones físicas adecuadas; (3) estudio de campo, incluida la calidad del agua; (4) geológico con o sin perfil geofísico, con el fin de definir la geometría del lecho de aluvión y su granulometría; (5) si es posible y justificable, ensayos de perforación y bombeo de pozos para definir las propiedades hidráulicas del aluvión; y recolección de agua para análisis químicos; (6) proyecto de la presa subsuperficial, considerando: a) longitud de la presa, b) profundidad media de la zanja, c) anchura de zanja, d) tipo de muro recomendado, e) tipo de pozo de gran diámetro, f) número de pozos necesarios, dependiendo de la extensión del aluvión, g) número y ubicación de los piezómetros; (7) informe final concluyente.
Costa (2004) repasa una descripción exhaustiva de todos los detalles constructivos de la presa subterránea. Para obtener más información, se anima al lector a leer esta referencia (en portugués).

Solo una observación, relacionada con el pozo de bombeo de gran diámetro, que se ubicará en la parte más profunda del aluvión aguas arriba de la presa: además de permitir un uso completo de las aguas subterráneas, da condiciones para agotar el acuífero durante el período de las primeras precipitaciones anuales. Esta acción renueva el agua almacenada, evitando así procesos de salinización debido a la evaporación progresiva.

Evidencia de beneficios de la implementación

Ventajas de las presas subterráneas

Algunas de las principales ventajas de estas presas son, desde un punto de vista técnico [3]:

  • La tecnología utilizada detrás de estas presas es muy simple. De hecho, aparte de los pozos comunitarios, estas represas son el sistema más simple y efectivo para atender las necesidades de agua de las comunidades más pobres de Brasil.
  • Estas presas son altamente económicas, ya que se construyen utilizando recursos y tecnología disponibles localmente.
  • Estas presas también son fáciles de instalar, ya que no requieren experiencia externa para su operación y mantenimiento.
  • En comparación con los embalses de aguas superficiales, estas presas tienen tasas de evaporación muy bajas.
  • Al estar basados en tecnología simple, se pueden implementar fácilmente junto con otras tecnologías como técnicas de conservación del suelo y el agua, y cavar pozos río arriba.

Desde el punto de vista social y agrícola (Silva et al., 2021):

  • Contribución a la soberanía alimentaria y seguridad nutricional de la familia;
  • Mayor acceso y usos múltiples del agua;
  • Diversificación e integración, proporcionando mayor resiliencia y sostenibilidad a los agroecosistemas familiares;
  • Fortalecer la inclusión social y la organización productiva de las mujeres y los jóvenes;
  • El excedente se vende en los mercados libres locales;
  • Crea un espacio solidario autogestionado y dirigido por agricultores;
  • Está alineado con cinco de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de la ONU: 1, 2, 5, 6 y 13.

Desventajas de las presas subterráneas

A veces, las presas instaladas tienen fugas o no proporcionan agua de buena calidad, lo que demuestra que muchos problemas vitales deben abordarse antes de que la construcción de estas presas se lleve a cabo dentro de un valle aluvial determinado a gran escala.

Esto puede ser resuelto mediante las prácticas operativas y de monitoreo adecuado de la explotación de los aluviones y sus cultivos.

Una desventaja general de la construcción de las presas subterráneas puede ser la reducción del flujo de base, lo que afecta a algunos ecosistemas dependientes de las aguas subterráneas.

 

Entidad responsable

Desde 2003, la implementación de presas subterráneas en el noreste de Brasil es apoyada por el programa Cisternas – agua para beber y para la agricultura (Programa Cisternas – água para beber e para agricultura) del Ministerio de Ciudadanía de Brasil [1] que subsidia la construcción de presas subterráneas para personas que viven en áreas rurales y no tienen suministro de agua o tienen acceso limitado a recurso hídrico de calidad.

Cisterns Program
Fig. 1 – Cisterns Program

Sin embargo, mucho antes y con un auge de desarrollo en la década de 1990, varios gobiernos estatales de la región semiárida han puesto en marcha programas para el desarrollo de las presas subterráneas.

Entorno institucional

Varias entidades han desarrollado programas, actuado e investigado en el área de las presas subterráneas:

ASA – Articulação Semiárido Brasileiro (Articulación del Semiárido Brasileño) una red que asocia a más de 3000 organizaciones distintas de la sociedad civil dedicadas a defender, divulgar y poner en acción el proyecto político de convivencia Semiárida.

EMBRAPA – Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária del Ministerio de Agricultura, Ganadería y Abastecimiento de Alimentos, desarrolla investigaciones desde la década de 1980 y ha contribuido a compartir las experiencias de agricultores, agentes de desarrollo e investigadores, a través del intercambio de conocimientos populares y técnico-científicos.

CAATINGA – ONG que desarrolló un tipo de presa subterránea y ha estado apoyando a las comunidades locales y construyendo varias presas.

IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (Instituto de Investigaciones Tecnológicas), un instituto público de investigación vinculado a la Secretaría de Desarrollo Económico del Estado de São Paulo, ha desarrollado estudios y construido presas subterráneas en los estados de Ceará y Rio Grande do Norte.

SECTMA – Secretaria de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente del Estado de Penambuco, lanzó un programa que promovió la construcción de alrededor de 500 presas subterráneas.

UFPE – Universidade Federal de Pernambuco (Universidad Federal de Pernambuco) ha desarrollado la metodología y la tecnología para construir las represas subterráneas en el estado de Pernambuco.

 

Entorno geográfico

La región semiárida del noreste de Brasil cubre un área de 1.108.435 km2 e incluye 1348 municipios distribuidos en nueve estados (Fig. 2). La precipitación es inferior a 800 mm/año, el índice de aridez es inferior a 0,50, la evaporación es alta y la temporada de lluvias de corto período presenta una distribución irregular [2].

Semiarid region in NE Brazil

Fig. 2 – Región semiárida en el NE de Brasil. Fuente: [2]

Esta región es considerada una de las más vulnerables a las variaciones climáticas debido a las precipitaciones irregulares, la deficiencia de agua, la baja capacidad de adaptación y la pobreza de la población (Silva et al., 2021).
La Fig. 3 representa algunas de las presas subterráneas incluidas en el sitio web de IGRAC.

Representation of the subsurface dams (green dots) located mainly in NE Brazil.

Fig. 3 – Representación de las represas subsuperficiales (puntos verdes) ubicadas principalmente en el NE de Brasil. Fuente: Shubo et al. (2020), como se informa en el sitio web de IGRAC.

Visión histórica

La visión general actual se basa en Netto et al. (2007). Los primeros registros históricos de presas subterráneas se remontan al imperio romano, en Cerdeña (Italia) y el norte de África. Desde el comienzo del siglo XVIII, las presas se han utilizado principalmente en el norte y sureste de África, India, Israel e Irán. También en Sahara y, a finales del siglo XIX, en California.
La primera presa subsuperficial en Brasil data de 1919 en la región semiárida de Paraíba, para el desarrollo agrícola, y, también para los mismos fines, en 1920 en la región semiárida de Rio Grande do Norte. Otras obras se han puesto en marcha con más énfasis después de 1935 en varios estados brasileños semiáridos. Principalmente las décadas de 1980 y 1990 fueron décadas en las que se produjo una importante implementación de estas presas para combatir la escasez de agua y desarrollar la agricultura en las comunidades locales. Esto se logró con la ayuda de ONG, institutos públicos, universidades…

Por ejemplo, en 1997, SECTMA realizó experimentos con la construcción de seis unidades experimentales en el municipio de Caruaru (estado de Pernambuco). Debido a los prometedores resultados, el estado de Pernambuco lanzó un programa que promovió la construcción de alrededor de 500 presas subterráneas. La UFPE, con la ayuda de sus estudiantes, dio seguimiento a los estudios de hidrología, hidroquímica y socioeconómicos de algunas de estas represas, concretamente las construidas en el río Mutuca en el estado de Pernambuco (Costa, 2004).

Desde 2007 ASA ha estado implementando represas subterráneas y, a través del programa One land Two waters (P1+2), que está encerrado en el Programa Cisternas, ha construido más de 1301 unidades, que beneficiaron a más de 5415 habitantes. La Fig. 6 muestra la distribución por estado de acuerdo con ASA (2018, en Silva et al., 2019).

Hoy en día los estudios continúan, y EMBRAPA y sus socios están desarrollando un proyecto de “zoning” edafoclimático para áreas potenciales para la construcción de presas subterráneas en el estado Alagoas (proyecto ZonBarragem). Basado en el mapa generado como resultado del proyecto, el Gobierno del Estado de Alagoas lanzó el Programa Estatal de Presas Subterráneas (Silva et al., 2021).

 

Number of subsurface dams built since 2007 until 2018 under the program One land Two waters (P1+2)

Fig. 6 – Número de presas subterráneas construidas desde 2007 hasta 2018 bajo el programa One land Two waters (P1+2) [fuente: ASA (2018, en Silva et al., 2019]

Potencial de replicación en la región SUDOE

Las áreas de baja precipitación y alta evaporación en la región de SUDOE compuesta geológicamente de lecho rocoso cristalino donde se desarrollan los aluviones son áreas aceptables donde se podría desarrollar la agricultura a pequeña escala si se construyeran presas subterráneas. Se debe prestar especial atención a las condiciones generales de ubicación presentadas anteriormente. La región del Sur del Alentejo en el sur de Portugal podría ser una región candidata para la introducción de estas tecnologías.

Perspectivas de futuro

Para las pequeñas comunidades rurales y tal vez, en Europa, los movimientos reales de personas dispuestos a cambiar su forma de vida, la producción de cultivos en pequeñas regiones mejoradas con agua podría convertirse en una práctica incitante. Antes de implementar este tipo de proyectos, se debe realizar un estudio general sobre los déficits hídricos que podrían abastecerse utilizando estas infraestructuras, enfrentando los tipos de cultivos y las demandas de agua de los cultivos.

En la región del Alentejo, la solución de la presa subterránea puede verse impulsada por el hecho de que en la mayoría de los escenarios de cambio climático se espera que esta región sea más árida.

 

Puntos clave del método innovador

  • Esta tecnología se ha utilizado con gran éxito en varias regiones semiáridas del mundo.
  • Permite el desarrollo de las comunidades locales y evita la migración fuera del campo.
  • La tecnología es de bajo costo y fácil de implementar, utilizando mano de obra local.
  • Sin embargo, requiere estudios geológicos y socioeconómicos para definir las áreas adecuadas a implementar.
  • La operación de estas áreas requiere la formación de los propietarios para la mejor gestión de las áreas de cultivo (explotación de agua, cultivo, monitoreo de la calidad del agua y nivel de las aguas subterráneas).
  • La existencia de una red de organizaciones que faciliten la puesta en marcha de los programas de lucha contra la sequía y la desertificación.

Agradecimientos

Esta práctica innovadora fue sugerida por el Prof. José Saldanha Matos de la Universidad Técnica de Lisboa (IST-CERIS).

Referencias

Cirilo, J.A.; Costa, W.D. (1999). Barragem subterrânea: experiência em Pernambuco. Proceedings of the 9th International Rainwater Catchment Systems Conference. Petrolina, Brazil.

Costa, W.D. (2004). Barragens subterrâneas: conceitos básicos, aspectos locacionais e construtivos. In Cabral, J.J.S.P.; Lobo Ferreira, J.P.C.; Montenegro, S.M.G.L.; Costa, W.D. (Organizadores): «Água Subterrânea: Aquíferos Costeiros e Aluviões, Vulnerabilidade e Aproveitamento», pp. 223-276. 448 pp, Tópicos Especiais em Recursos Hídricos, Vol. 4., Recife, Editora Universitária UFPE, ISBN 85-7315-247-8., pp. 13-59

Netto, M.S.C.C; Costa, M.R.; Cabral, J.J.S.P (2007). Manejo integrado de água no semi-árido brasileiro. In: Cirilo,J.A.; Cabral, J.J.S.P.; Lobo Ferreira, J.P.C.; Oliveira, M.J.P.M.; Leitão, T.E.; Montenegro, S.M.G.L.; Góes,V.C. (Organizadores): O Uso Sustentável dos Recursos Hídricos em Regiões Semi-Áridas. Recife, Editora Universitária UFPE, ISBN 978-85-7315-451-1., pp. 473-501.

Shubo, T.; Fernandes, L.; Montenegro, S.G. (2020). An Overview of Managed Aquifer Recharge in Brazil. Water 2020, 12(4), 1072, 21 p. https://doi.org/10.3390/w12041072  

Silva, M.S.L.; Lima, A.O.; Moreira, M.M; Ferreira, G.B.; Barbosa, A.G.; Melo, R.F.; Oliveira Neto, M.B. (2019). Barragem subterrânea. In: Ximenes, L.F.; Silva, M.S.L.; Brito, L.T.L. (Ed): Tecnologias de convivência com o Semiárido brasileiro. Fortaleza: Banco do Nordeste do Brasil. 2019. cap. 2. p. 223-281.

Silva, M.S.L; Marques, F.A.; Ribeiro, C.A.; Ferreira, G.B.; Melo, R.F.; Barbosa, A.G.; Lima, A.O.; Oliveira Neto, M.B; Rocha, W.J.S.; Parahyba, R.B.V.; Webber, D.C. (2021) – Underground dams: contributing to climate change resilience of family based agro-ecosystems in the semi-arid region of Northeastern Brazil. In: Sotta, E.D.; Sampai, F.G.; Marzall, K.; Silva, W.G. (Publishers): Adapting to climate change: Strategies for Brazilian agricultural and livestock systems. Brasília, Ministry of Agriculture, Livestock and Food Supply. 2021. p 88-89.

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