Abordar la sequía en Zimbabwe: la aplicación de la ciencia nuclear para comprender las dinámicas de los ríos y las aguas subterráneas

A finales de 2019 el sonido de las cataratas Victoria, conocidas en lozi, el idioma local, como “Mosi-oa-Tunya” (“el humo que truena”), era más bien el de un goteo incesante. La mayor catarata de África ha sufrido las sequías de la región, y Zimbabwe, que bordea sus orillas, tampoco se libra de sus efectos.

A finales de 2019 el sonido de las cataratas Victoria, conocidas en lozi, el idioma local, como “Mosi-oa-Tunya” (“el humo que truena”), era más bien el de un goteo incesante. La mayor catarata de África ha sufrido las sequías de la región, y Zimbabwe, que bordea sus orillas, tampoco se libra de sus efectos.

Las sequías, que se han vuelto más frecuentes, intensas e imprevisibles, han privado a los residentes y agricultores del país de suficiente agua limpia y dulce, lo que ha afectado a la seguridad alimentaria y ha puesto en peligro los medios de vida del 45 % de la población rural. Las zonas urbanas también se han visto perjudicadas. Las redes de energía de Zimbabwe, que dependen en gran medida de la energía hidroeléctrica como fuente de electricidad, se han visto paralizadas por las prolongadas sequías, lo que se ha traducido en situaciones frecuentes de escasez de electricidad y cortes de suministro en pueblos y ciudades.

La búsqueda de soluciones a los problemas crónicos relacionados con el agua en Zimbabwe pasa por encontrar técnicas nucleares a fin de elaborar directrices para la extracción de agua subterránea, una tarea que requiere un conocimiento cabal de la interacción entre las aguas superficiales y las aguas subterráneas y de los recursos hídricos del país.

A través de su programa de cooperación técnica, el OIEA, en colaboración con la Universidad de Zimbabwe, la Autoridad Nacional del Agua de Zimbabwe, la Agencia de Gestión Ambiental y el Centro Helmholtz de Investigación Ambiental, procura descubrir, mediante el uso de la hidrología isotópica, cómo interactúan los sistemas de aguas subterráneas y fluviales del país. Sus hallazgos ayudarán al país a gestionar mejor sus recursos de agua dulce, hacer frente a la contaminación del agua y garantizar el suministro de agua potable a la población del país.

“En Zimbabwe, la mayoría de las precipitaciones se producen entre noviembre y marzo; el resto del año es una estación seca muy larga y, últimamente, solo dos de cada cinco años registran buenas lluvias —explica Alexander Mhizha, expresidente del Departamento de Construcción e Ingeniería Civil de la Universidad de Zimbabwe—. Por este motivo, tenemos que depender cada vez más de las aguas subterráneas, pero los conocimientos sobre las zonas y tasas de recarga de los acuíferos son limitados. Es fundamental capacitar a nuestros científicos y consolidar los laboratorios para gestionar mejor nuestras reservas de agua”.

Los proyectos regionales y nacionales del OIEA se centran en capacitar y prestar apoyo a las alianzas dentro del país, dice Anna Grigoryan, Oficial de Administración de Programas del OIEA para Zimbabwe. “Coordinar la respuesta a la sequía entre las partes interesadas del sector del agua permite a las instancias decisorias de Zimbabwe tomar decisiones fundamentadas y promover la gestión sostenible del suministro de agua del país”.

La necesidad de agua de calidad

La escasez de agua debida a las sequías no es el único problema; la falta de agua limpia es una realidad cada vez más presente.

Las aguas fluviales son vulnerables a la contaminación y en ellas pueden terminar muchos tipos de contaminantes. “Si un río está contaminado, la contaminación pasará automáticamente a las aguas subterráneas. Al no estar aislados entre sí, es sumamente importante entender cómo interactúan estos dos cuerpos de agua, no solo en lo que atañe a la cantidad de agua, sino también a la calidad de esta” explica Ioannis Matiatos, especialista en hidrología isotópica del OIEA.

“Mediante la utilización de isótopos estables del oxígeno y el hidrógeno e isótopos radiactivos naturales como el tritio y el radón 222 para rastrear el agua, podemos comprender mejor la compleja dinámica entre los sistemas fluviales y los de aguas subterráneas”, afirma. Esto permite a los científicos comprender qué cuerpo de agua está contaminado y cómo proceder a la recarga.

Tanto las aguas fluviales como las subterráneas son importantes para el suministro de agua limpia para el consumo, así como para el uso urbano y agrícola, en la superficie de captación del río Save, zona en que se centra el proyecto del OIEA. Situada en la parte oriental de Zimbabwe, la superficie de captación recibe escasas precipitaciones durante la estación seca, por lo que es propensa a la sequía. La demanda de agua en esa superficie es cada vez mayor debido al aumento de la población y a la dependencia de la economía respecto de la agricultura.

Capacitación de científicos en técnicas isotópicas

Para comprender mejor la relación entre el agua de los ríos y las aguas subterráneas, en 2018 contrapartes de la Universidad de Zimbabwe recibieron capacitación en la Universidad de Addis Abeba (Etiopía) y, a finales de ese año, en los laboratorios del OIEA en Viena, Alexander Mhizha aprendió a evaluar los datos geológicos, hidroquímicos e hidrológicos, así como a diseñar una campaña de muestreo sobre el terreno para los lugares de estudio.

En junio de 2021, expertos del Centro Helmholtz para la Investigación Ambiental de Leipzig (Alemania) impartieron un curso virtual de capacitación de cinco días dirigido a expertos de Zimbabwe. Los participantes recibieron capacitación sobre los principios básicos de la hidrología isotópica y se prestó especial atención al uso de trazadores estables y radiactivos como instrumentos para investigar las interacciones entre las aguas superficiales y las subterráneas, las técnicas de datación de aguas subterráneas y la vulnerabilidad de los acuíferos a la contaminación.

“Los resultados isotópicos que obtuvieron los investigadores locales ayudarán a determinar los desafíos que tiene que abordar el sistema nacional de gestión de las aguas subterráneas de Zimbabwe y, a su vez, permitirán una gestión más sostenible del suministro de agua del país”, indica Michael Schubert, experto en mineralogía del Centro Helmholtz de Leipzig y uno de los capacitadores del curso.

The need for quality water

A water shortage from droughts is not the only problem; a lack of clean water is a growing issue.

River water is susceptible to contamination and is open to many types of pollutants. “If the river is contaminated, the contamination will automatically flow through to the groundwater. As these two water bodies are not isolated from each other, it is extremely important to understand how they interact with each other, not only in terms of water amounts but also in terms of water quality,” said Ioannis Matiatos, isotope hydrologist at the IAEA.

“By using stable isotopes of oxygen and hydrogen and naturally occurring radioactive isotopes such as tritium and radon-222 to trace water, we can better understand the complex dynamics of river and groundwater systems,” he said. This allows scientists to understand which water body is contaminated and how to replenish it.

Both river and groundwater are important in providing clean water for drinking, urban, and agricultural use within the Save Catchment — the focus area of the IAEA project. Located in the eastern part of Zimbabwe, the catchment receives limited rainfall during its dry season, leaving it prone to drought. With a growing population and an economy reliant on agriculture, the demand for water in the catchment area is growing.

Training scientists on isotopic techniques

To better understand the relationship between river water and groundwater, counterparts from the University of Zimbabwe received training in 2018 at Addis Ababa University in Ethiopia, and at the end of that year, Mhizha learned at the IAEA laboratories in Vienna, how to evaluate geological, hydro-chemical and hydrological data, and design a field sampling campaign for the study sites.

In June 2021 experts from the Helmholtz Centre in Leipzig, Germany, conducted a five-day virtual training course with local experts. They were instructed in the basic principles of isotope hydrology with special emphasis on the use of stable and radioactive tracers as tools to investigate surface water-groundwater interactions; groundwater dating techniques; and the vulnerability of aquifers to contamination.

This online training will be followed with an in-person expert visit to the country by the end of the year, to further train Zimbabwean experts on sampling and analytical techniques, interpretation of results, and in using specialised laboratory equipment. Local scientists will then be able to independently continue isotopic analysis over several seasons to generate data and understand interactions between the different components of the water cycle.

“The isotopic results found by local researchers will help identify the challenges Zimbabwe’s national groundwater management system needs to tackle and, in turn, enable more sustainable management of the country’s water supply,” said Michael Schubert, a mineralogist at the Centre in Leipzig and one of the trainers of the course. 

THE SCIENCE

Using environmental isotopes to trace surface water and groundwater pathways

Bodies of water are naturally labelled with unique isotopic signatures. A laser spectroscopic analyser is used to determine the unique isotopic signature or fingerprint based on the relative proportion of the different isotopes present in a water sample. By using these signatures, water origin and movement can be tracked through the entire water cycle.

Naturally occurring radioactive isotopes, such as radon-222 (Rn-222), tritium (hydrogen-3), carbon-14 (C-14) are powerful tools that allow scientists to date very young to old groundwater systems and trace their contribution in river water discharge. This information informs water specialists on the nature, history and flow of sampled river and groundwater and helps them calibrate and improve numerical models that predict the response of rivers and aquifers to abstractions and climate change.