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CALIDAD DEL AGUA – Evaluación y diagnóstico –
Carlos Alberto Sierra Ramírez
M.Sc. Water Resources Engineering
George Washington University
CALIDAD DEL AGUA – Evaluación y diagnóstico –
1a edición 2011
© Universidad de Medellín© Ediciones de la U© Carlos Alberto Sierra Ramírez
ISBN: 978-958-8692-06-7
Editor:Leonardo David López EscobarDirección electrónica: [email protected] de Medellín. Medellín, ColombiaCra. 87 No. 30-65. Bloque 20, piso 2.Teléfonos: 340 52 42 - 340 53 35Medellín - Colombia
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Ediciones de la Uwww.edicionesdelau.comCalle 24 A No. 43-22 - Quinta ParedesPBX: (57-1) 4-810505 Ext.114Fax: (57-1) 3-440351Bogotá, Colombia
Fotografía portada:Diego Arango BustamanteQuebrada La Presidenta, Parque Comercial El Tesoro
Diagramación:Hernán D. Durango [email protected]
Impresión:Digiprint Editores E.U.Cl. 63 Bis No. 70-49 Fax: 224 2061 Tels.: 251 7060 - 430 7050 Bogotá, D.C. Colombia
Todos los derechos reservados.Esta publicación no puede ser reproducida, ni en todo ni en parte, por ningún medio inventado o por inventarse, sin el permiso previo y por escrito de la Universidad de Medellín y de Ediciones de la U.Hecho el depósito legal.
A quienes son y han sido mis alumnos:
GRACIAS por permitirme ser parte de su formación como personas.
SATISFACCIÓN… la que se siente al verlos triunfar.
ORGULLO, el que embarga cuando saludan
después de algún tiempo.
GANAS de seguir adelante las que dan cuando,
ya como colegas, consultan y piden opiniones.
En fin, muchachos…, GRACIAS, por haberlos conocido.
▪ 7
Contenido
PRESENTACIÓN ............................................................................................................. 23
CAPÍTULO 1Conceptos generales
1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA ...................................................... 27
1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA ................................................................... 28
1.3 EL AGUA Y EL MUNDO ......................................................................................... 29
1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA .......................................................... 32
1.4.1 Vertientes ................................................................................................... 32
1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia ............................. 32
1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA ............................................................................ 34
1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua. .............................................................. 34
1.5.2 Perspectiva general .................................................................................... 34
1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA ................................................................................. 37
1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes .............................................. 37
1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W).............................................. 37
1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J) ................................................. 37
1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad del agua ............................... 38
1.6.2.1 Reacciones químicas ....................................................................... 39
1.6.2.2 Concentración ................................................................................. 41
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 43
CAPÍTULO 2Características físicas, químicas y biológicas del agua
2.1 DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA .................................................................. 47
2.2 AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL (SIN TRATAMIENTO) ........................... 48
2.3 AGUAS RESIDUALES ............................................................................................ 50
2.4 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE) ...................................................................... 52
▪ 8
2.5 PROPIEDADES DEL AGUA ..................................................................................... 52
2.6 PARÁMETROS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS ............................................ 552.6.1 Parámetros físicos ...................................................................................... 552.6.2 Parámetros químicos .................................................................................. 59
2.6.2.1 Indicadores ..................................................................................... 592.6.2.2 Sustancias químicas ....................................................................... 69
2.6.3 Características biológicas ........................................................................... 78
2.7 RESUMEN SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y BIOLÓGICAS DEL AGUA .................................................................................... 81
EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................. 88
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 90
CAPÍTULO 3Introducción a la toxicología acuática
3.1 GENERALIDADES SOBRE TOXICOLOGÍA ACUÁTICA .......................................... 93
3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS ....................................................................... 94
3.3 LOS BIOENSAYOS .................................................................................................. 96
3.4 TOXICIDAD AGUDA Y CRÓNICA .......................................................................... 99
3.5 EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DE TOXICIDAD ........................................ 1013.5.1 Unidades de toxicidad ............................................................................... 1033.5.2 Aplicación de los resultados de los ensayos de toxicidad .......................... 106
3.5.2.1 Aplicación de los datos para la protección contra la toxicidad aguda. ........................................................................................... 106
3.5.2.2 Protección contra la toxicidad crónica .......................................... 107EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................110
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................111
CAPÍTULO 4Usos y criterios de calidad del agua
4.1 RELACIÓN ENTRE PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA Y SUS USOS BENÉFICOS ...........................................................................................................117
4.2 CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA ..................................................................118
4.3 CONTAMINANTES DE INTERÉS SANITARIO ..................................................... 136
4.4 RESUMEN SOBRE USOS BENÉFICOS DEL AGUA ................................................ 137
4.5 ESTABLECIMIENTO DE USOS Y OBJETIVOS DE CALIDAD DEL AGUA EN UN RECURSO HÍDRICO ................................................................................. 137
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 145
▪ 9
CAPÍTULO 5Índices de calidad del agua
5.1 DEFINICIÓN DE ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA ............................................. 149
5.2 EMPLEO DE ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA ...................................................151
5.3 EL CONCEPTO DE FUNCIÓN DE CALIDAD DEL AGUA ....................................... 152
5.4 CONSTRUCCIÓN DE ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA ..................................... 153
5.4.1 Metodología para la construcción de un índice de calidad del agua ........... 153
5.4.1.1 Primer paso: Definir el (los) objetivo(s) para el cual se va a utilizar el IQA. .......................................................................... 153
5.4.1.2 Segundo paso: Seleccionar los parámetros por incluir en el IQA .. 153
5.4.1.3 Tercer paso: Formular la expresión matemática para calcular el IQA. .......................................................................................... 154
5.4.2 Aplicación del método para la construcción de un IQA ............................... 155
5.5 ÍNDICES DE CALIDAD CON BASE EN LAS CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DEL AGUA.............................................................................. 160
5.6 ÍNDICES BIOLÓGICOS DE CALIDAD DEL AGUA (IBA) ........................................161
5.6.1 El indicador ideal ..........................................................................................161
5.6.2 Macroinvertebrados acuáticos como indicadores de contaminación orgánica .................................................................................................... 163
EJERCICIOS PROPUESTOS ........................................................................................... 165
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 167
CAPÍTULO 6Manejo y análisis de datos de calidad del agua
6.1 MANEJO, ALMACENAMIENTO Y ACCESO A DATOS DE CALIDAD DEL AGUA ............................................................................................................172
6.2 ESTADÍSTICAS BÁSICAS .....................................................................................173
6.2.1 Medidas de tendencia central y cuartiles. .................................................176
6.2.2 Medidas de dispersión o variabilidad. .......................................................177
6.3 DISTRIBUCIONES .................................................................................................178
6.3.1 Aplicación de la distribución normal al análisis de datos de calidad del agua .................................................................................................... 182
6.3.1.1 Método visual para chequear la normalidad de los datos ............. 184
6.3.1.2 Método gráfico para chequear la normalidad de los datos ............ 184
6.3.1.3 Pruebas estadísticas ..................................................................... 185
▪ 10
6.3.2 Distribuciones no normales. .................................................................... 189
6.4 PRUEBAS O CONTRASTE DE HIPÓTESIS (LA PRUEBA t DE STUDENT) ........... 190
6.5 CORRELACIÓN Y ANÁLISIS DE REGRESIÓN...................................................... 199
6.5.1 Correlación .............................................................................................. 200
6.5.2 Análisis de regresión ................................................................................ 201
6.6 PRESENTACIÓN DE DATOS ................................................................................ 206
6.6.1 Tipos de presentaciones gráficas .............................................................. 207
6.6.2 Gráficos de series de tiempo ..................................................................... 207
6.6.3 Resumiendo las características de calidad del agua (diagramas de caja). 208
6.7 ERRORES ............................................................................................................. 209
6.7.1 Validación de los datos .............................................................................. 209
6.7.1.1 Outliers (puntos extremos o raros) ............................................... 209
6.7.1.2 Calidad de los datos y datos faltantes ............................................210
6.7.2 Errores estadísticos ...................................................................................210
EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................211
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 213
CAPÍTULO 7Monitoreo de calidad del agua
7.1 ASPECTOS GENERALES SOBRE MUESTREO ..................................................... 218
7.1.1 Representatividad de la muestra .............................................................. 218
7.1.2 Técnicas de muestreo apropiadas ............................................................. 218
7.1.3 Preservación de las muestras ................................................................... 218
7.1.4 Análisis de datos ...................................................................................... 218
7.2 TIPOS DE MUESTRAS ......................................................................................... 219
7.2.1 Muestra instantánea ................................................................................. 219
7.2.2 Muestra compuesta ................................................................................... 220
7.2.3 Muestra integrada .................................................................................... 221
7.3 CLASES DE MUESTREO ...................................................................................... 221
7.3.1 Muestreo manual ...................................................................................... 221
7.3.2 Muestreo automático ................................................................................ 221
7.4 FRECUENCIA DE MUESTREO ............................................................................. 221
7.5 IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS ............................................................... 222
7.6 MANEJO DE LAS MUESTRAS ............................................................................. 223
▪ 11
7.7 PRESERVACIÓN DE LAS MUESTRAS .................................................................. 224
7.8 EQUIPOS DE MUESTREO .................................................................................... 224
7.8.1 Muestreadores manuales .......................................................................... 224
7.8.2 Muestreadores automáticos ...................................................................... 225
7.8.2.1 Muestreador no proporcional ........................................................ 225
7.8.2.2 Muestreadores para aguas residuales ........................................... 226
7.8.3 Muestreadores para biota ......................................................................... 228
7.8.4 Sensores ................................................................................................... 228
7.9 UBICACIÓN DE LAS ESTACIONES DE MUESTREO ............................................. 229
7.9.1 Toma de muestras en alcantarillados........................................................ 229
7.9.2 Toma de muestras en corrientes o canales ............................................... 229
7.9.3 Toma de muestras en lagos o embalses .................................................... 230
7.10 MEDICIÓN DE CAUDALES .................................................................................. 230
7.11 DISEÑO DE PROGRAMAS DE MUESTREO DE CALIDAD DEL AGUA ................. 231
7.11.1 Generalidades ........................................................................................... 231
7.11.2 Número de muestras ................................................................................. 232
EJERCICIOS PROPUESTOS .......................................................................................... 233
CAPÍTULO 8Comportamiento de las sustancias contaminantes
en el medio acuático
8.1 REACCIONES ....................................................................................................... 237
8.1.1 Fundamentos de las reacciones ................................................................ 237
8.1.1.1 Tipo de reacciones ......................................................................... 237
8.1.1.2 Cinética de las reacciones ............................................................. 238
8.1.1.3 Reacciones de orden cero, primer y segundo orden ....................... 239
8.1.2 Análisis de los datos sobre constantes de reacción ................................... 242
8.1.3 Efectos de la temperatura ......................................................................... 244
8.2 BALANCE DE MASA ............................................................................................ 245
8.3 CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES ............................................................... 246
8.3.1 Reactores por lotes, cochadas o “batch” ................................................... 246
8.3.2 Reactores completamente mezclados........................................................ 247
8.3.2.1 Condiciones de estado no estable .................................................. 247
8.3.2.2 Condiciones de estado estable ...................................................... 248
▪ 12
8.3.3 Reactores flujo pistón ............................................................................... 248
8.3.4 Reactores completamente mezclados en serie .......................................... 250
8.4 MOVIMIENTO DE CONTAMINANTES EN EL MEDIO ACUÁTICO ....................... 252
8.4.1 Advección ................................................................................................. 252
8.4.2 Difusión - Dispersión ................................................................................ 254
8.4.2.1 Difusión ........................................................................................ 254
8.4.2.2 Dispersión..................................................................................... 256
8.4.3 Reacciones ................................................................................................ 258
8.4.4 Sumideros ................................................................................................. 258
8.5 ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE DE MASA .................................................. 258
8.6 BALANCE DE OXÍGENO ...................................................................................... 259
8.6.1 Componentes principales del análisis de OD ............................................ 259
8.6.2 Inventario de aportantes y consumidores de OD ...................................... 260
8.6.3 Componentes consumidores de oxígeno disuelto ...................................... 262
8.6.3.1 Demanda bioquímica de oxígeno carbonácea ............................... 262
8.6.3.2 Demanda bioquímica de oxígeno nitrogenada (DBON) ................. 267
8.6.3.3 Demanda béntica de oxígeno ........................................................ 271
8.6.3.4 Respiración ................................................................................... 273
8.6.4 Componentes aportantes de oxígeno ........................................................ 273
8.6.4.1 Reaireación ................................................................................... 273
8.6.4.2 Fotosíntesis ................................................................................... 275
8.6.5 Fuentes puntuales o fuentes distribuidas de contaminación (sumideros) . 275
8.7 BALANCE FINAL DE OXÍGENO ........................................................................... 276
EJERCICIOS PROPUESTOS .......................................................................................... 276
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 277
CAPÍTULO 9Constantes y coeficientes de reacción
9.1 CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN CARBONÁCEA .......................................... 281
9.1.1 Constante de desoxigenación (k1) ............................................................. 282
9.1.1.1 Método logarítmico ....................................................................... 283
9.1.1.2 Método de Thomas ....................................................................... 284
9.1.2 Constante de desoxigenación en la corriente receptora (kd) ...................... 286
9.1.2.1 Método de Bosko ........................................................................... 287
9.1.2.2 Expresiones predictivas para calcular kd ...................................... 287
▪ 13
9.1.3 Constante de remoción efectiva de DBO en el cuerpo de agua (kR) .......... 288
9.1.4 Comentarios generales acerca de k1, kd y kR ............................................. 291
9.2 CONSTANTE DE NITRIFICACIÓN ....................................................................... 292
9.2.1 Métodos para calcular kN .......................................................................... 293
9.2.1.1 Método de Courchaine .................................................................. 293
9.2.1.2 Método de Cibulka ........................................................................ 293
9.2.2 Factores ambientales que afectan la nitrificación ..................................... 296
9.2.3 Comentarios generales acerca de kN ......................................................... 297
9.3 CONSTANTE DE REAIREACIÓN ......................................................................... 297
9.3.1 Reaireación en ríos y corrientes ................................................................ 298
9.3.2 Reaireación en ambientes acuáticos lénticos ............................................ 300
9.3.2.1 Lagos y embalses .......................................................................... 300
9.3.2.2 Estuarios....................................................................................... 301
9.3.3 Comentarios finales acerca de ka .............................................................. 301
9.4 FOTOSÍNTESIS - RESPIRACIÓN (F - R) .............................................................. 303
9.4.1 Generalidades ........................................................................................... 303
9.4.2 Técnica de las botellas claras y oscuras .................................................... 305
9.5 DISPERSIÓN – DIFUSIÓN .................................................................................... 308
9.5.1 Coeficiente de difusión en embalses, lagos, etc. ....................................... 308
9.5.2 Coeficiente de dispersión en corrientes (ríos, quebradas, etc.). ................. 309
9.5.3 Coeficiente de dispersión en estuarios .......................................................311
9.6 DEMANDA BÉNTICA DE OXÍGENO .....................................................................311
9.6.1 Factores que afectan la SOD ......................................................................311
9.6.2 Técnicas para medir la SOD...................................................................... 312
EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................314
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................315
CAPÍTULO 10Aplicación de las ecuaciones básicas de transporte
de contaminantes a corrientes de agua (ríos, canales, etc.)
10.1 SIMULACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO Y DBO ................................................... 320
10.2 DÉFICIT CRÍTICO Y TIEMPO CRÍTICO ............................................................... 325
10.3 CARGA ORGÁNICA PERMISIBLE ........................................................................ 326
10.4 CONDICIONES ANAERÓBICAS ........................................................................... 338
▪ 14
10.5 LONGITUD DE MEZCLA ...................................................................................... 341
EJERCICIOS PROPUESTOS ........................................................................................... 342
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 347
CAPÍTULO 11Estratificación térmica
11.1 LOS CONCEPTOS DE ESTRATIFICACIÓN Y LAGO CÁLIDO TROPICAL ............. 353
11.2 IMPORTANCIA DE LA ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA ........................................ 355
11.3 ESTRATIFICACIÓN EN LOS CUERPOS DE AGUA ............................................... 356
11.3.1 Comportamiento estacional (termoclina estacional) ................................. 357
11.3.2 Comportamiento diurno (termoclina diurna) ............................................ 358
11.4 MECANISMOS DE MEZCLA Y TRANSPORTE EN LOS CUERPOS DE AGUA LÉNTICOS ............................................................................................................ 360
11.4.1 Acción del viento ...................................................................................... 360
11.4.2 Afloramiento del metalimnio .................................................................... 361
11.4.3 Afloramiento del hipolimnio ..................................................................... 362
11.4.4 Flujos de entrada (afluentes) ..................................................................... 363
11.5 MÉTODOS PARA EVALUAR LA ESTRATIFICACIÓN EN RESERVORIOS ............. 364
11.5.1 Método comparativo ................................................................................. 366
11.5.2 Método ARAI ........................................................................................... 376
11.5.3 Expresiones matemáticas (números adimensionales) para determinar el grado de estratificación ......................................................................... 379
11.5.4 Estratificación determinada utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua ......................................................... 384
11.6 COMENTARIOS FINALES SOBRE LA ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA ................. 385
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 385
CAPÍTULO 12Eutroficación
12.1 GENERALIDADES SOBRE EUTROFICACIÓN ...................................................... 390
12.1.1 Nutrientes, eutrofia y crecimiento algal ................................................... 391
12.1.2 Clasificación de los estados tróficos .......................................................... 392
12.1.3 Efectos negativos de la eutroficación ........................................................ 393
▪ 15
12.1.3.1 Efectos en el abastecimiento de agua .......................................... 39312.1.3.2 Efectos en los usuarios ................................................................ 39412.1.3.3 Efectos adicionales ...................................................................... 39412.1.3.4 Efectos sobre la salud .................................................................. 395
12.1.4 Efectos positivos de la eutroficación ......................................................... 395
12.2 EL CONCEPTO DE NUTRIENTE DISPONIBLE ..................................................... 395
12.3 EL CONCEPTO DE NUTRIENTE LIMITANTE ...................................................... 396
12.3.1 Bioensayos ................................................................................................ 397
12.3.2 Análisis químicos ..................................................................................... 398
12.3.3 Relación N/P .............................................................................................. 398
12.4 FUENTES O APORTANTES DE NUTRIENTES ..................................................... 400
12.4.1 Evaluación de las cargas o fuentes puntuales de nutrientes ..................... 400
12.4.2 Evaluación de las cargas (fuentes) distribuidas o dispersas de nutrientes 401
12.4.2.1 Coeficientes de aporte de nutrientes (tasas de exportación) ....... 401
12.4.2.2 Balances de masa para calcular las cargas distribuidas .............. 402
12.4.2.3 Mediciones de campo para calcular las cargas o fuentes distribuidas. .............................................................................. 403
12.4.2.4 Relaciones estequiométricas ....................................................... 40412.5 DETERMINACIÓN DEL ESTADO TRÓFICO ......................................................... 409
12.5.1 Estado trófico determinado utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua ..........................................................410
12.5.1.1 Modelo de calidad del agua WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program) ...................................................................411
12.5.1.2 Modelo de calidad del agua CEQUALW2 ..................................... 41212.5.2 Métodos simplificados para evaluar el estado trófico ................................ 413
12.5.2.1 Estado trófico según clasificación limnológica ............................41412.5.2.2 Clasificación trófica para lagos cálidos tropicales ........................415
12.6 PROCEDIMIENTOS PARA LA APLICACIÓN DEL MÉTODO DEL CEPIS ...............416
12.7 APLICABILIDAD Y RESTRICCIONES DEL MÉTODO DEL CEPIS ........................ 420
12.8 CONTROL DE LA EUTROFICACIÓN .................................................................... 421
12.8.1 Medidas preventivas ................................................................................. 421
12.8.1.1 Control de vertimientos .............................................................. 42212.8.1.2 Mecanismos de producción limpia .............................................. 42312.8.1.3 Control de aguas de escorrentía ................................................. 423
12.8.2 Medidas correctivas .................................................................................. 423
12.8.2.1 Procesos mecánicos .................................................................... 42312.8.2.2 Control químico .......................................................................... 42412.8.2.3 Control biológico ........................................................................ 424
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 425
▪ 16
CAPÍTULO 13Introducción a la modelación de la calidad del agua en corrientes de agua
13.1 CONCEPTOS BÁSICOS ........................................................................................ 429
13.1.1 Sistema ...................................................................................................... 429
13.1.2 Experimento .............................................................................................. 430
13.1.3 Modelo ....................................................................................................... 430
13.1.4 Simulación ................................................................................................. 430
13.2 EL PROBLEMA: ¿QUÉ SE PUEDE HACER CON UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA? .......................................................................................................... 431
13.2.1 Estudios descriptivos ................................................................................. 432
13.2.2 Predicciones de calidad del agua ............................................................... 432
13.2.3 Analizar problemas específicos ................................................................. 433
13.3 PROCESO DE MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA ................................. 433
13.4 SELECCIÓN DEL MODELO ................................................................................... 436
13.5 CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO ................................................. 437
13.5.1 Calibración del modelo ............................................................................. 437
13.5.2 Verificación del modelo ............................................................................. 440
13.6 ANALIZANDO LA PRECISIÓN DEL MODELO ..................................................... 441
13.7 NOTAS Y OBSERVACIONES IMPORTANTES SOBRE EL PROCESO DE MODELACIÓN ................................................................................................ 442
13.8 MODELO QUAL2K ............................................................................................... 442
13.8.1 Descripción del modelo ............................................................................. 442
13.8.2 Iniciando la aplicación .............................................................................. 444
13.8.3 Representación conceptual ....................................................................... 445
13.8.4 DBO rápida lenta, DBO rápida y materia orgánica partículada (MOP). ...... 446
13.8.5 Régimen hidráulico del sistema ................................................................ 447
13.8.6 Marco geográfico y climático .................................................................... 447
13.9 APLICACIÓN DEL MODELO................................................................................. 447
EJERCICIOS PROPUESTOS ........................................................................................... 455
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 457
▪ 17
Tablas
Tabla 1.1 Distribución del agua en la Tierra ............................................................. 29
Tabla 1.2 Distribución de los recursos hídricos superficiales por paises .................. 31
Tabla 1.3 Problemas de contaminación, sus efectos y variables asociadas con la calidad del agua ........................................................................................ 35
Tabla 2.1 Características del agua cruda en el embalse A ubicado en el Oriente de Antioquia .................................................................................................. 49
Tabla 2.2 Calidad promedio del agua de mar ............................................................ 50
Tabla 2.3 Características promedio de las aguas residuales en EPM ........................ 50
Tabla 2.4 Características más importantes de las aguas residuales en general y su procedencia. .............................................................................................. 51
Tabla 2.5 Calidad del agua suministrada por EPM ................................................... 52
Tabla 2.6 Parámetros ambientales propuestos para medir en el recurso agua ......... 82
Tabla 3.1 Clasificación de toxicidad basada en UTa .................................................. 104
Tabla 4.1 Usos del agua de acuerdo con la contaminación del agua ......................... 116
Tabla 4.2 Relación entre los parámetros de calidad del agua y sus usos................... 119
Tabla 4.3 Criterios de calidad para uso del agua para enfriamiento industrial ......... 125
Tabla 4.4 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura restringida) ............................................................................ 127
Tabla 4.5 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura no restringida) ....................................................................... 128
Tabla 4.6 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura con y sin restricciones) .......................................................... 129
Tabla 4.7 Criterios de calidad para usos del agua para procesos industriales en general 131
Tabla 4.8 Criterios de calidad para usos del agua para hábitat para peces ............... 132
Tabla 4.9 Criterios de calidad para usos del agua para recreación con restricciones (Contacto secundario o limitado) .............................................................. 134
Tabla 4.10 Criterios de calidad para usos del agua para recreación sin restricciones (Contacto primario) ................................................................................... 135
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Tabla 4.11 Criterios generales de calidad del agua para los diferentes usos del agua 138
Tabla 5.1 Características que debe reunir un grupo biológico para ser utilizado como bioindicador. ............................................................................................. 162
Tabla 6.1 Estadísticas básicas de para P total en el embalse A ................................ 175
Tabla 6.2 Intervalos de frecuencia calculados con hoja de cálculo Excel® 2007 ....... 179
Tabla 7.1 Frecuencias sugeridas para la recolección de muestras compuestas ......... 222
Tabla 8.1 Estrategias para determinar k y el orden n de las reacciones .................... 242
Tabla 8.2 Valores de DBO antes de tratamiento en USA y algunos países de Latino-américa ..................................................................................................... 262
Tabla 9.1 Valores del coeficiente de actividad de acuerdo con la pendiente de la corriente receptora según Bosko ............................................................... 287
Tabla 9.2 Comparación entre kd y kR en algunos ríos ............................................... 289
Tabla 9.3 Rangos de profundidad y velocidad para aplicar las expresiones de O´Connor y Dobbins, Churchill y Owens y Gibbs en la determinación de la reaireación 299
Tabla 9.4 Diferentes valores de SOD reportados en la literatura .............................. 312
Tabla 11.1 Definición de variables asociadas a la hidrodinámica de los reservorios .. 361
Tabla 11.2 Parámetros usados para la generación de gradientes térmicos ................. 366
Tabla 11.3 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Z - Sitio de captación . 367
Tabla 11.4 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Y - Sitio de captación . 369
Tabla 11.5 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Y - Zona media del embalse 372
Tabla 12.1 Coeficientes de exportación de nutrientes en g/m2/d ................................ 401
Tabla 12.2 Características fisicoquímicas y biológicas utilizadas para determinar la presencia del fenómeno de eutroficación en embalses .............................. 409
Tabla 12.3 Clasificación limnológica del estado trófico con base en el contenido de fósforo y otras variables ............................................................................ 414
Tabla 12.4 Comparación entre el promedio geométrico anual de fósforo y clorofila α para lagos cálidos tropicales (CEPIS) y la clasificación trófica de lagos templados (OECD) ..................................................................................... 414
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Figuras
Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia ........................................................ 33Figura 1.2 Ingeniería de la calidad del agua ....................................................... 36Figura 1.3 Concepto de carga y flujo contaminante ............................................ 37Figura 2.1 Diferentes formas de sólidos presentes en el agua. ............................ 58Figura 2.2 Escala de pH ...................................................................................... 60Figura 2.3 Clases de acidez según el pH ............................................................. 61Figura 2.4 Forma química del ión alkyl-benceno sulfonato ................................. 70Figura 2.5 Ensayo de los tubos múltiples ............................................................ 81Figura 5.1 Función de calidad para DBO5............................................................ 152Figura 6.1 Histograma de los datos de P total en el embalse A .......................... 178Figura 6.2 Histograma de frecuencias construido con los datos de la Tabla 6.1 .. 181Figura 6.3 Distribución normal estándar ............................................................ 182Figura 6.4 Curva de frecuencia acumulada para el caso del embalse A .............. 185Figura 6.5 Diagrama de caja para resumir datos de calidad del agua ................. 208Figura 7.1 Muestra de etiquetas para identificar muestras de agua .................... 223Figura 7.2 Muestreador no proporcional (Reproducida de la referencia 4) .......... 225Figura 7.3 Equipo para tomar muestras integradas y compuestas ...................... 226Figura 7.4 Equipo para tomar varias muestras a la vez 227Figura 7.5 Muestreador de canasta ..................................................................... 228Figura 7.6 Localización de los puntos de muestreo en una sección transversal
de una corriente o un canal ............................................................... 230Figura 7.7 Toma de muestras en un embalse o un lago ...................................... 231Figura 8.1 k en reacciones de orden cero ............................................................ 239Figura 8.2 k en reacciones de primer orden ........................................................ 240Figura 8.3 Significado de la tasa de reacción k (Reproducida de la referencia 1) 241Figura 8.4 Análisis de balance de masa .............................................................. 245Figura 8.5 Reactor por lotes ................................................................................ 247Figura 8.6 Reactor flujo pistón. (Reproducida de la referencia 1) ........................ 249Figura 8.7 Reactores completamente mezclados en serie ................................... 251Figura 8.8 Cambio en la concentración de una sustancia debido al transporte
advectivo ............................................................................................ 252Figura 8.9 Cambio en la concentración de un contaminante por transporte con-
vectivo ............................................................................................... 254Figura 8.10 Diferencia entre advección y difusión (Reproducida de la referencia 1) 255
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Figura 8.11 Contraste entre difusión y dispersión. (Reproducida de la referencia 1) 256Figura 8.12 Principales componentes del problema de OD.................................... 260Figura 8.13 Interrelación entre los componentes del balance de OD (Reproducida
de la referencia 1) .............................................................................. 261Figura 8.14 Curva de demanda bioquímica de oxígeno ......................................... 263Figura 8.15 Formulación de la cinética de la DBO ................................................. 264Figura 8.16 Diferentes formas de n presentes en las aguas naturales .................. 267Figura 8.17 Relación entre la DBON, DBOC y DBO total ....................................... 269Figura 8.18 Esquema de definición de la difusión del OD en el agua .................... 274Figura 9.1 Tasa de reaireación ka (d-1) en función de la velocidad y la profundidad
(Reproducida de la referencia 3) ......................................................... 300Figura 9.2 Variación de la fotosíntesis durante el día asumiendo un comporta-
miento simuisoidal (Reproducida de la referencia 2). ......................... 304Figura 9.3 Coeficientes de difusión en varios ambientes (Reproducida de la
referencia 2) ....................................................................................... 309Figura 10.1 Comportamiento del oxígeno disuelto en una corriente de agua 321Figura 10.2 Tipos de descargas de aguas residuales en una corriente (Reproducida
de la referencia 4) .............................................................................. 341Figura 11.1 Comparación entre embalses estratificados y no estratificados ......... 354Figura 11.2 Esquema de estratificación en un reservorio ..................................... 358Figura 11.3 Circulación del agua en un embalse operando “filo de agua” ........... 365Figura 11.4 Gradientes de temperatura en los embalses Playas y Punchiná ......... 375Figura 12.1 Diferentes formas de nitrógeno y fósforo en un embalse (Adaptado de
la referencia 6) ................................................................................... 396Figura 12.2 Diagrama de porcentajes de nutrientes y de humedad que constituyen
la composición de la biomasa del fitoplancton (Reproducida de la
referencia 2) ....................................................................................... 399Figura 12.3 Clasificación trófica según el CEPIS (Adaptado de la referencia 1) .... 416Figura 12.4 Distribución de probabilidad de nivel trófico según el modelo del CEPIS
(Reproducida de la referencia 1) ......................................................... 417Figura 12.5 Estrategias para el control de nutrientes ........................................... 422Figura 13.1 Diagrama esquemático del procedimiento de calibración del modelo 439Figura 13.2 Representación gráfica de los segmentos y cargas contaminantes en
el río ................................................................................................... 445Figura E3.1 Cálculo de LC50 para el ejercicio 3.1 ................................................... 103Figura E4.1 Calidad del agua del recurso hídrico del ejercicio 4.1......................... 144Figura E6.1 Distribución de probabilidad para la concentración de P en el embalse
A ........................................................................................................ 186Figura E6.2 Probabilidad de que X > 375 ............................................................. 187
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Figura E6.3 Curva de probabilidad 188Figura E6.4 Contraste de hipótesis lateral ............................................................ 196Figura E6.5 Resultados del análisis de datos utilizando la hoja de cálculo
Excel® 2007 ....................................................................................... 199Figura E 6.6(1) Curvas de tendencia para la serie dada .............................................. 203Figura E 6.6(2) Intervalos de predicción ..................................................................... 203Figura E6.6(3) Resultados en Excel® del análisis de correlación y regresión. ............ 243Figura E8.1 Curvas para calcular el orden n y la tasa de reacción k ...................... 265Figura E8.3 Variación de la DBOC ejercida contra el tiempo ................................. 266Figura E8.4 Variación de la DBO remanente con el tiempo ................................... 271Figura E8.5 Resultados gráficos de la DBO ........................................................... 284Figura E9.1 Cálculo de k1 utilizando el método logarítmico .................................. 286Figura E9.2 Método de Thomas para el cálculo de k1 ............................................ 294Figura E9.5(1) Comportamiento de la DBO en el tiempo ........................................... 296Figura E9.5(2) Gráfica para calcular kN ..................................................................... 303Figura E9.6 Cálculo de la tasa de aeración, ka ....................................................... 307Figura E9.7 Valores de las variables para determinar F y R .................................. 333Figura E10.2 Perfil de OD y DBO ............................................................................ 337Figura E10.3(1) Perfil de OD para el ejercicio 10.3 ...................................................... 337Figura E10.3(2) Perfil de DBO para el ejercicio 10.3 .................................................... 340Figura E10.4 Perfil de OD considerando la zona anaeróbica .................................... 378Figura E11.1 Curva Volumen – Área contra cota – Embalse Playas ........................ 380Figura E11.2 Esquema del embalse para el ejercicio 11.2 ....................................... 405Figura E12.1 Esquema general del embalse ............................................................ 449Figura E13.1(1) Datos de identificación y control del programa QUAL2K ................... 450Figura E13.1(2) Datos sobre el elemento cabecera ...................................................... 451Figura E13.1(3) Datos sobre los tramos ....................................................................... 451Figura E13.1(4) Datos sobre las constantes y coeficientes por tramos ........................ 452Figura E13.1(5) Datos sobre las constantes y coeficientes cinéticos ............................ 452Figura E13.1(6) Datos sobre las fuentes o cargas puntuales de contaminación ........... 453Figura E13.1(7) Perfil de oxígeno disuelto - Ejercicio 13.1 .......................................... 453Figura E13.1(8) Perfil de DBO - Ejercicio 13.1 ............................................................. 453
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PRESENTACIÓN
Las notas presentadas en este libro corresponden a la experiencia adquirida por más de 25 años de trabajo en los cuales se ha incursionado en el aprovechamiento de los recursos hídricos, la evaluación de la calidad del agua y la formulación de medidas de control para preservar los ecosistemas acuáticos.
La intención no es plasmar normas ni derroteros a seguir en el amplio y complejo mundo de la calidad del agua; simplemente se quiere como propósito fundamental dotar al lector de los conceptos básicos que debe tener en cuenta para diagnosticar adecuadamente el estado de calidad del agua en un cuerpo de agua dulce superficial de acuerdo con sus características físicas, químicas y biológicas, para luego, con base en unos usos del agua acordes con las necesidades del medio, el ingeniero de calidad de agua pueda proponer las medidas de control, las normas, etc., necesarias para mantener nuestros recursos hídricos con el objeto de que las generaciones futuras disfruten de ellos.
Los temas están ordenados de tal manera que se inicia dando un enfoque general al ámbito mundial, regional y local sobre el estado del agua. Luego, se discuten las características físicas, químicas y biológicas del agua para que con estos conceptos se pueda tratar temas como la toxicidad acuática y los usos benéficos a que se puede destinar el agua. También, debido a la diversidad de definiciones sobre el término calidad del agua, se propone una metodología para elaborar y usar los índices como indicadores de la calidad del agua. Seguido, se incluyen brevemente ciertas técnicas estadísticas utilizables en el manejo, análisis y presentación de datos de calidad del agua. Una vez entendidas estas técnicas estadísticas, se presenta el tema de muestreo. Aquí se indica cómo tomar muestras de agua para que estas sean representativas de lo que se quiere evaluar, se hace hincapié en técnicas de cómo ubicar los sitios de muestro, identificar las muestras hasta diseñar los programas de muestreo. En los siguientes tres capítulos se hace una recopilación sobre el comportamiento de los contaminantes en el agua, discutiendo las tasas de reacción, la forma como se determinan las
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principales constantes y coeficientes involucrados en las reacciones químicas en el agua y se exponen las principales ecuaciones matemáticas utilizadas para determinar la calidad del agua en un cuerpo de agua superficial. Los capítulos 11 y 12 sobre estratificación y eutroficación, temas relacionados con cuerpos de agua lénticos, han cobrado recientemente mucha importancia en los estudios de calidad del agua. En este libro se exponen estos temas con una orientación más ingenieril que ecológica y se presentan más como ejemplos de casos de estudios que se han realizado en proyectos hidroeléctricos y se le da al lector información práctica sobre el estado actual del conocimiento en dichos temas. El último capítulo contiene una introducción práctica al mundo de la aplicación de los modelos (software) de calidad del agua a ríos y corrientes.
No quiero dejar de mencionar que en el libro presento tablas, datos, figuras o conceptos aprendidos y/o sacados de diferentes textos, contactos personales, Internet o experiencias transmitidas por diferentes autores a través de los años de docencia, estudio y trabajo a los cuales no puedo darles crédito; no los ignoro sino que simplemente no los recuerdo.
Carlos Alberto Sierra Ramírez
CAPÍTULO Conceptos generales1
1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA
1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA
1.3 EL AGUA Y EL MUNDO
1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA
1.4.1 Vertientes
1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia
1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA
1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua
1.5.2 Perspectiva general
1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA
1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes
1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W)
1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J)
1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad del agua
1.6.2.1 Reacciones químicas
1.6.2.2 Concentración
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CAPÍTULO 1
Conceptos generales
La calidad del agua es un término relativo que últimamente ha ocasionado mucha controversia entre los expertos en el tema. El propósito de este libro es describir la calidad del agua con base en los accidentes geográficos que la contienen, especialmente enfatizando en los cuerpos de agua ubicados sobre la superficie terrestre.
Los cuerpos de agua se pueden caracterizar analizando básicamente tres componentes: su hidrología, sus características fisicoquímicas y la parte biológi-ca. Para llevar a cabo un análisis y evaluación completa de calidad del agua, es necesario monitorear estos tres componentes. En este libro estos componentes se discuten ampliamente cuando se desarrolla alguno de los temas en los cuales ellos están involucrados.
1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA
Todos los cuerpos de agua están interconectados, desde la atmósfera hasta los océanos a través del ciclo hidrológico. Dado que el ciclo del agua no se discute en este libro, sí es necesario definir los cuerpos de agua que componen la Tierra.
Ríos. Estos cuerpos de agua, comúnmente denominados corrientes, se caracterizan porque fluyen unidireccionalmente con velocidades promedio relativamente altas que varían entre 0,1 y 1 m/s. El flujo en los ríos es altamente variable y depende de las condiciones climáticas y de las características del área de drenaje. En general, los ríos son cuerpos de agua los cuales pueden considerarse permanentemente mezclados, y en la mayoría de ellos, la calidad del agua es importante en el sentido del flujo.
Lagos. En estos sistemas acuáticos, la velocidad promedio es relativamente baja: varía entre 0,01 y 0,001 m/s (valores en la superficie). Este hecho hace que el agua permanezca en el sistema desde unos pocos días hasta varios años. Con respecto a la calidad del agua, esta se comporta o está gobernada de acuerdo con el estado trófico y con los períodos de estratificación.
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Aguas subterráneas. En los acuíferos el régimen de flujo es relativamente estable en términos de velocidad y dirección. Las velocidades promedio pueden variar entre 10-10 y 10-3 m/s y son gobernadas por la porosidad y la permeabilidad del estrato. La dinámica del agua en los acuíferos es bastante complicada, y por estar fuera del alcance, este tema no se considera en este libro.
Existe otro tipo de cuerpos de agua de carácter transitorio que están caracte-rizados por su variabilidad hidrodinámica. Entre ellos, los más importantes son:
• Embalses. Se pueden considerar cuerpos de agua intermedios entre lagos y ríos y se caracterizan porque su hidrodinámica y calidad de agua dependen de las reglas de operación.
• Ciénagas. Son ecosistemas considerados cuerpos de agua intermedios entre lago y un acuífero freático.
• Estuarios. Son sistemas acuáticos intermedios entre río y mar.
Como se puede observar, la variedad de regímenes hidráulicos que se pre-sentan en los distintos cuerpos de agua hace que estén caracterizados por su tamaño y las condiciones climáticas de la cuenca. El factor que caracteriza los ríos es la variabilidad del caudal. En los lagos y embalses lo más importante es el tiempo de residencia (estado trófico) y su régimen térmico, mientras que en las aguas subterráneas importa altamente el grado de saturación del suelo.
1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA
El agua es un elemento esencial para la vida, sin ella el hombre no podría existir. Toda población o comunidad ha buscado asentamiento cerca a una fuente de agua.
Las fuentes de agua, aunque disponibles en mayor o menor cantidad, han sido contaminadas gradualmente y fueron las causantes de muchas epidemias que diezmaron ciudades enteras en la Antigüedad. El hombre tardó bastante tiempo en darse cuenta de que el agua que estaba consumiendo era la causante de muchas de las enfermedades que estaba padeciendo y solo a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX empezó a implementar procesos para tratar y desinfectar el agua que consumía.
A medida que la humanidad continuó su desarrollo, las descargas de aguas residuales domésticas e industriales empezaron a contaminar los recursos hídricos, a deteriorar los ecosistemas, etc. Fue así como se hizo necesario implementar los sistemas de tratamiento de aguas residuales.
Actualmente, la disponibilidad de agua en cantidad suficiente y de buena calidad es una de las principales necesidades de cualquier población. Por esta razón, la calidad del agua es la rama de la Ingeniería que pretende:
CALidAd deL AgUA - evALUACión y diAgnósTiCO
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• Diagnosticar los problemas relacionados con la calidad del agua.
• Relacionar los problemas de calidad con los diferentes usos deseables del agua.
• Juzgar qué variables de calidad del agua se necesita controlar y los medios o recursos disponibles para hacerlo.
Con el propósito de que el lector ahonde en la importancia que tiene y ha tenido el recurso agua en el desarrollo de la humanidad, a continuación se hace una breve descripción de la disponibilidad del agua en los ámbitos mundial y local, y además, se nombran los principales problemas que este recurso tiene.
1.3 EL AGUA Y EL MUNDO
El agua circula naturalmente a través de los océanos, la atmósfera, lagos y ríos, glaciares y aguas subterráneas. El aire y el agua son los elementos físicos más móviles que tiene el sistema Tierra, y su movilidad permite operar el ciclo del agua. La circulación constante del agua desde los océanos a la atmósfera (evapo-ración), desde la atmósfera a la Tierra o de regreso a los océanos (precipitación) y desde la Tierra a los océanos y atmósfera (evaporación y escorrentía) puede ser llamada el ciclo planetario del agua, y existen muchos subciclos regionales y locales.
Para ilustrar la disponibilidad del agua en el mundo, la tabla 1.1 presenta un resumen de los valores estimados.
Tabla 1.1 Distribución del agua en la Tierra
Situación del agua
Volumen en km³ Porcentaje
Agua dulce Agua saladade agua dulce
de agua total
Océanos y mares – 1.338.000.000 – 96,5
Casquetes y glaciares polares 24.064.000 – 68,7 1,74
Agua subterránea salada – 12.870.000 – 0,94
Agua subterránea dulce 10.530.000 – 30,1 0,76
Glaciares continentales y Permafrost
300.000 – 0,86 0,022
Lagos de agua dulce 91.000 – 0,26 0,007
Lagos de agua salada – 85.400 – 0,006
Humedad del suelo 16.500 – 0,05 0,001
Atmósfera 12.900 – 0,04 0,001
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Situación del agua
Volumen en km³ Porcentaje
Agua dulce Agua saladade agua dulce
de agua total
Embalses 11.470 – 0,03 0,0008
Ríos 2.120 – 0,006 0,0002
Agua biológica 1.120 – 0,003 0,0001
Total agua dulce 35.029.110 100 –
Total agua en la tierra 1.386.000.000 – 100
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Agua#Distribuci.C3.B3n_de_agua_en_la_naturaleza
Al analizar la tabla 1.1 se puede observar que mientras los océanos repre-sentan el mayor volumen, los ríos son un porcentaje muy bajo de la totalidad del agua disponible en el mundo. Sin embargo, el agua presente en los océanos no es apta para el consumo humano debido a la salinidad que contiene y su desalinización es un proceso supremamente costoso.
Las aguas superficiales (lagos de agua dulce, ríos, lagunas, ciénagas) que son las que el hombre utiliza para desarrollar sus funciones básicas (abastecimiento de agua potable, navegación, recreación, etc.), desafortunadamente son las que se encuentran más contaminadas debido a que reciben directamente las descargas de aguas residuales sin ningún tratamiento. Muchas corrientes superficiales en el mundo se encuentran en estados avanzados de contaminación y no tienen ningún uso, excepto el de ser receptoras de desechos.
Los lagos y las ciénagas en el mundo son abundantes y juegan un papel importante en los balances locales de agua. Los grandes lagos del mundo están localizados en el hemisferio norte; en el Sur solo son de importancia los ubicados en África.
En cuanto a países, la desigualdad del reparto del agua sobre la tierra depende de factores físicos (climas) y humanos (densidad de población). Para calcular los recursos hídricos de un país, en general se tienen en cuenta dos variables:
i) Las precipitaciones, útiles para la vegetación y los cultivos en el mundo varían entre una media de 1 cm/m2 por año a 10 m/m2 por año, es decir, menos de 10.000 m3 a 10 millones de m3 por km2 por año.
ii) Los fluidos locales (superficiales o subterráneos) por unidad de superficie, que varían algunos entre m3/km2 por año (en zonas muy áridas) a más de tres millones de m3/km2 por año en las regiones más bañadas.