Modelling nutrient dynamics in a large tropical semiarid river-reservoir system

En los vastos paisajes áridos y calcinados por el sol del noreste de Brasil, el agua es un recurso precioso y fugaz. Aquí, los ríos no fluyen con el ritmo constante y anual que se encuentra en las selvas húmedas; en cambio, son intermitentes, secándose a menudo hasta convertirse en un hilo de agua o desapareciendo por completo durante la mitad del año. Cuando las lluvias llegan, lo hacen en ráfagas repentinas y poderosas, convirtiendo los lechos secos de los ríos en canales caudalosos. Estas vías fluviales están salpicadas por una densa red de embalses, lagos artificiales construidos para captar y almacenar la lluvia para uso humano. Este entorno único crea un rompecabezas complejo para los científicos que intentan comprender cómo viajan los nutrientes a través del sistema. Los nutrientes, específicamente el nitrógeno y el fósforo, son esenciales para la vida, pero cuando entran en el agua en exceso, pueden desencadenar un proceso llamado eutrofización. Esta es una condición en la que un exceso de alimento provoca que las algas crezcan descontroladamente, agotando el oxígeno y dañando el ecosistema. El desafío en esta región es distinguir entre dos fuentes muy diferentes de estos nutrientes: el flujo constante y continuo de las plantas de tratamiento de aguas residuales, y el lavado repentino de suelo y fertilizantes impulsado por la lluvia desde la tierra, conocido como escorrentía. Comprender cómo estas fuentes se mezclan, se mueven y cambian a medida que viajan a través de ríos y embalses es fundamental para proteger la calidad del agua de la que dependen millones de personas.

Un investigador de la Universidad Federal de Ceará ha abordado este desafío mediante la construcción de un modelo computacional simplificado para rastrear el movimiento del nitrógeno inorgánico, una forma del nutriente que alimenta directamente el crecimiento de las algas, a través del sistema de río-embalse semiárido más grande de Brasil. El sistema, que incluye las cuencas de los ríos Salgado y Médio Jaguaribe, desemboca en el enorme embalse de Castanhão, un suministro de agua vital para la región. En lugar de depender de simulaciones complejas y cargadas de datos que son difíciles de ejecutar, el investigador desarrolló una herramienta sencilla que calcula cómo se mueven el agua y los nutrientes mes a mes. El modelo asume que el agua se mezcla completamente en cualquier punto dado, fluye en una dirección constante y que los nutrientes se descomponen o se asientan naturalmente con el tiempo a un ritmo predecible. Al alimentar el modelo con datos reales sobre el flujo de los ríos, la descarga de aguas residuales y los niveles de nutrientes medidos, el investigador pudo probar qué tan bien el sistema predice lo que sucede con el nitrógeno a medida que viaja casi 160 kilómetros desde las cabeceras hasta el embalse principal.

Los resultados mostraron que el modelo funcionó notablemente bien, prediciendo con precisión la caída en las concentraciones de nitrógeno a medida que el agua avanza río abajo. El estudio encontró que el nitrógeno se descompone o se elimina del agua a una tasa de 0.3 por día, una velocidad idéntica a la observada previamente para el fósforo en los mismos ríos. Esto sugiere que, a pesar de sus diferentes naturalezas químicas, ambos nutrientes desaparecen del agua a un ritmo similar bajo estas condiciones tropicales y semiáridas específicas. Sin embargo, la fuente del nitrógeno contó una historia diferente. El modelo calculó que la escorrentía de la tierra transporta una concentración de nitrógeno de 2.0 miligramos por litro. Si bien esto es cinco veces mayor que la concentración de fósforo encontrada en la misma escorrentía —lo que refleja el hecho de que el nitrógeno es más fácilmente soluble y transportado por el agua—, sigue siendo inferior a lo que se observa típicamente en regiones más húmedas. Este valor más bajo se debe probablemente a las escasas lluvias de la región, al hecho de que los ríos a menudo se secan y a la presencia de tantos pequeños embalses que captan y filtran el agua antes de que llegue al río principal.

Quizás el hallazgo más revelador fue cómo cambia la fuente de la contaminación dependiendo de la cantidad de agua que fluye. Cuando el río tiene un caudal bajo, el flujo constante de las plantas de tratamiento de aguas residuales es el principal contribuyente a la carga de nutrientes. Pero a medida que el río crece con las lluvias, el panorama cambia drásticamente. El estudio mostró que, a medida que el flujo aumenta, la contribución de la escorrentía terrestre se dispara, representando eventualmente hasta el 99 por ciento del nitrógeno total en el agua. El investigador desarrolló una relación matemática sencilla para describir este cambio, mostrando que una vez que el caudal del río alcanza cierto punto, la contaminación difusa de la tierra se convierte en la fuerza dominante. Esta dinámica significa que la gestión de la calidad del agua no puede depender de una única estrategia; lo que funciona durante un periodo de sequía fallará durante una inundación.

Las implicaciones para la gestión del agua son contundentes. El investigador realizó simulaciones para ver qué sería necesario para cumplir con los estándares de calidad del agua brasileños bajo diferentes condiciones. Durante los periodos de alto flujo, cuando el río está lleno y la escorrentía está en su punto máximo, el sistema necesitaría reducir su carga total de nitrógeno en aproximadamente un 50 por ciento y su carga de fósforo en un asombroso 80 por ciento solo para cumplir con los límites legales. Esto resalta que controlar el fósforo es la tarea mucho más difícil. El estudio también analizó qué sucede cuando este agua rica en nutrientes entra en el embalse de Castanhão. A medida que el flujo del río aumenta, la relación entre el nitrógeno y el fósforo en el agua aumenta, acercándose a un valor de 10. Este cambio es significativo porque altera el tipo de algas que podrían crecer en el embalse, cambiando potencialmente el equilibrio del ecosistema. Además, aunque aumentar el volumen del embalse ayuda a diluir ambos nutrientes, las simulaciones mostraron que los niveles de fósforo siguen siendo peligrosamente altos incluso cuando el embalse está lleno, mientras que los niveles de nitrógeno se mantienen dentro de los límites seguros. Esto confirma que simplemente almacenar más agua no es suficiente; la región requiere controles mucho más estrictos sobre el fósforo que entra en el sistema para asegurar que el agua sea segura para sus muchos usuarios. Al utilizar únicamente datos que son comúnmente disponibles, este enfoque de modelado ofrece una forma práctica para que otras regiones con ríos secos e intermitentes similares comprendan sus propios desafíos de nutrientes y diseñen mejores soluciones.