Calidad Del Agua / Evaluacion y diagnostico
CARLOS ALBERTO SIERRA RAMIREZ
Calidad Del Agua / Evaluacion y diagnostico - 1a Edición - Colombia UNIVERSIDAD DE MEDELLIN 2011 - 456p Ilustración 17 X 24 CM
Contenido
PRESENTACIÓN ............................................................................................................. 23
CAPÍTULO 1
Conceptos 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 2
Características 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 ............................................ 55
2.6.1 Parámetros físicos ...................................................................................... 55
2.6.2 Parámetros químicos .................................................................................. 59
2.6.2.1 Indicadores ..................................................................................... 59
2.6.2.2 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 3
Introducción 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 ........................................ 101
3.5.1 Unidades de toxicidad ............................................................................... 103
3.5.2 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 .......................................... 107
EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................110
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................111
CAPÍTULO 4
Usos 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 5
Índices 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 6
Manejo 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 7
Monitoreo 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 8
Comportamiento 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 9
Constantes 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 10
Aplicación 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 11
Estratificación 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 12
Eutroficación
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 .......................................... 393
12.1.3.2 Efectos en los usuarios ................................................................ 394
12.1.3.3 Efectos adicionales ...................................................................... 394
12.1.3.4 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 ....................................................... 404
12.5 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 ..................................... 412
12.5.2 Métodos simplificados para evaluar el estado trófico ................................ 413
12.5.2.1 Estado trófico según clasificación limnológica ............................414
12.5.2.2 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 .............................................................. 422
12.8.1.2 Mecanismos de producción limpia .............................................. 423
12.8.1.3 Control de aguas de escorrentía ................................................. 423
12.8.2 Medidas correctivas .................................................................................. 423
12.8.2.1 Procesos mecánicos .................................................................... 423
12.8.2.2 Control químico .......................................................................... 424
12.8.2.3 Control biológico ........................................................................ 424
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 425
▪ 16
CAPÍTULO 13
Introducción 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
▪ 18
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 Latinoamérica ..................................................................................................... 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
▪ 19
Figuras
Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia ........................................................ 33
Figura 1.2 Ingeniería de la calidad del agua ....................................................... 36
Figura 1.3 Concepto de carga y flujo contaminante ............................................ 37
Figura 2.1 Diferentes formas de sólidos presentes en el agua. ............................ 58
Figura 2.2 Escala de pH ...................................................................................... 60
Figura 2.3 Clases de acidez según el pH ............................................................. 61
Figura 2.4 Forma química del ión alkyl-benceno sulfonato ................................. 70
Figura 2.5 Ensayo de los tubos múltiples ............................................................ 81
Figura 5.1 Función de calidad para DBO5............................................................ 152
Figura 6.1 Histograma de los datos de P total en el embalse A .......................... 178
Figura 6.2 Histograma de frecuencias construido con los datos de la Tabla 6.1 .. 181
Figura 6.3 Distribución normal estándar ............................................................ 182
Figura 6.4 Curva de frecuencia acumulada para el caso del embalse A .............. 185
Figura 6.5 Diagrama de caja para resumir datos de calidad del agua ................. 208
Figura 7.1 Muestra de etiquetas para identificar muestras de agua .................... 223
Figura 7.2 Muestreador no proporcional (Reproducida de la referencia 4) .......... 225
Figura 7.3 Equipo para tomar muestras integradas y compuestas ...................... 226
Figura 7.4 Equipo para tomar varias muestras a la vez 227
Figura 7.5 Muestreador de canasta ..................................................................... 228
Figura 7.6 Localización de los puntos de muestreo en una sección transversal
de una corriente o un canal ............................................................... 230
Figura 7.7 Toma de muestras en un embalse o un lago ...................................... 231
Figura 8.1 k en reacciones de orden cero ............................................................ 239
Figura 8.2 k en reacciones de primer orden ........................................................ 240
Figura 8.3 Significado de la tasa de reacción k (Reproducida de la referencia 1) 241
Figura 8.4 Análisis de balance de masa .............................................................. 245
Figura 8.5 Reactor por lotes ................................................................................ 247
Figura 8.6 Reactor flujo pistón. (Reproducida de la referencia 1) ........................ 249
Figura 8.7 Reactores completamente mezclados en serie ................................... 251
Figura 8.8 Cambio en la concentración de una sustancia debido al transporte
advectivo ............................................................................................ 252
Figura 8.9 Cambio en la concentración de un contaminante por transporte convectivo ............................................................................................... 254
Figura 8.10 Diferencia entre advección y difusión (Reproducida de la referencia 1) 255
▪ 20
Figura 8.11 Contraste entre difusión y dispersión. (Reproducida de la referencia 1) 256
Figura 8.12 Principales componentes del problema de OD.................................... 260
Figura 8.13 Interrelación entre los componentes del balance de OD (Reproducida
de la referencia 1) .............................................................................. 261
Figura 8.14 Curva de demanda bioquímica de oxígeno ......................................... 263
Figura 8.15 Formulación de la cinética de la DBO ................................................. 264
Figura 8.16 Diferentes formas de n presentes en las aguas naturales .................. 267
Figura 8.17 Relación entre la DBON, DBOC y DBO total ....................................... 269
Figura 8.18 Esquema de definición de la difusión del OD en el agua .................... 274
Figura 9.1 Tasa de reaireación ka (d-1) en función de la velocidad y la profundidad
(Reproducida de la referencia 3) ......................................................... 300
Figura 9.2 Variación de la fotosíntesis durante el día asumiendo un comportamiento simuisoidal (Reproducida de la referencia 2). ......................... 304
Figura 9.3 Coeficientes de difusión en varios ambientes (Reproducida de la
referencia 2) ....................................................................................... 309
Figura 10.1 Comportamiento del oxígeno disuelto en una corriente de agua 321
Figura 10.2 Tipos de descargas de aguas residuales en una corriente (Reproducida
de la referencia 4) .............................................................................. 341
Figura 11.1 Comparación entre embalses estratificados y no estratificados ......... 354
Figura 11.2 Esquema de estratificación en un reservorio ..................................... 358
Figura 11.3 Circulación del agua en un embalse operando “filo de agua” ........... 365
Figura 11.4 Gradientes de temperatura en los embalses Playas y Punchiná ......... 375
Figura 12.1 Diferentes formas de nitrógeno y fósforo en un embalse (Adaptado de
la referencia 6) ................................................................................... 396
Figura 12.2 Diagrama de porcentajes de nutrientes y de humedad que constituyen
la composición de la biomasa del fitoplancton (Reproducida de la
referencia 2) ....................................................................................... 399
Figura 12.3 Clasificación trófica según el CEPIS (Adaptado de la referencia 1) .... 416
Figura 12.4 Distribución de probabilidad de nivel trófico según el modelo del CEPIS
(Reproducida de la referencia 1) ......................................................... 417
Figura 12.5 Estrategias para el control de nutrientes ........................................... 422
Figura 13.1 Diagrama esquemático del procedimiento de calibración del modelo 439
Figura 13.2 Representación gráfica de los segmentos y cargas contaminantes en
el río ................................................................................................... 445
Figura E3.1 Cálculo de LC50 para el ejercicio 3.1 ................................................... 103
Figura E4.1 Calidad del agua del recurso hídrico del ejercicio 4.1......................... 144
Figura E6.1 Distribución de probabilidad para la concentración de P en el embalse
A ........................................................................................................ 186
Figura E6.2 Probabilidad de que X > 375 ............................................................. 187
▪ 21
Figura E6.3 Curva de probabilidad 188
Figura E6.4 Contraste de hipótesis lateral ............................................................ 196
Figura E6.5 Resultados del análisis de datos utilizando la hoja de cálculo
Excel® 2007 ....................................................................................... 199
Figura E 6.6(1) Curvas de tendencia para la serie dada .............................................. 203
Figura E 6.6(2) Intervalos de predicción ..................................................................... 203
Figura E6.6(3) Resultados en Excel® del análisis de correlación y regresión. ............ 243
Figura E8.1 Curvas para calcular el orden n y la tasa de reacción k ...................... 265
Figura E8.3 Variación de la DBOC ejercida contra el tiempo ................................. 266
Figura E8.4 Variación de la DBO remanente con el tiempo ................................... 271
Figura E8.5 Resultados gráficos de la DBO ........................................................... 284
Figura E9.1 Cálculo de k1 utilizando el método logarítmico .................................. 286
Figura E9.2 Método de Thomas para el cálculo de k1 ............................................ 294
Figura E9.5(1) Comportamiento de la DBO en el tiempo ........................................... 296
Figura E9.5(2) Gráfica para calcular kN ..................................................................... 303
Figura E9.6 Cálculo de la tasa de aeración, ka ....................................................... 307
Figura E9.7 Valores de las variables para determinar F y R .................................. 333
Figura E10.2 Perfil de OD y DBO ............................................................................ 337
Figura E10.3(1) Perfil de OD para el ejercicio 10.3 ...................................................... 337
Figura E10.3(2) Perfil de DBO para el ejercicio 10.3 .................................................... 340
Figura E10.4 Perfil de OD considerando la zona anaeróbica .................................... 378
Figura E11.1 Curva Volumen – Área contra cota – Embalse Playas ........................ 380
Figura E11.2 Esquema del embalse para el ejercicio 11.2 ....................................... 405
Figura E12.1 Esquema general del embalse ............................................................ 449
Figura E13.1(1) Datos de identificación y control del programa QUAL2K ................... 450
Figura E13.1(2) Datos sobre el elemento cabecera ...................................................... 451
Figura E13.1(3) Datos sobre los tramos ....................................................................... 451
Figura E13.1(4) Datos sobre las constantes y coeficientes por tramos ........................ 452
Figura E13.1(5) Datos sobre las constantes y coeficientes cinéticos ............................ 452
Figura E13.1(6) Datos sobre las fuentes o cargas puntuales de contaminación ........... 453
Figura E13.1(7) Perfil de oxígeno disuelto - Ejercicio 13.1 .......................................... 453
Figura E13.1(8) Perfil de DBO - Ejercicio 13.1 ............................................................. 453
Este libro recoge los aspectos más importantes relacionados con la calidad del agua en ambientes lóticos ríos y corrientes superficiales y lénticos lagos y embalses. De una manera práctica e integrada, el texto recopila los conceptos básicos de diferentes ciencias como la estadística, la química del agua, las evaluaciones ambientales y la modelación, y los aplica para que el lector pueda diagnosticar y evaluar la calidad del agua, proponer medidas de mitigación a los problemas y establecer criterios, usos y objetivos de calidad del agua. Los temas están presentados recurriendo a la discusión teórica y presentando ejemplos prácticos de cada aspecto contemplado. Con base en lo anterior, el libro está dirigido a que sea utilizado en programas de pregrado y posgrado en ingeniería en los cursos de calidad del agua, tratamiento de aguas, contaminación de recursos hídricos, evaluaciones ambientales, etc. También, puede ser una herramienta muy importante en la planeación, ordenamiento y conservación de cuencas para las autoridades ambientales y empresas prestadoras de servicios públicos.
9789588692067
Química
TD420 / S55
Calidad Del Agua / Evaluacion y diagnostico - 1a Edición - Colombia UNIVERSIDAD DE MEDELLIN 2011 - 456p Ilustración 17 X 24 CM
Contenido
PRESENTACIÓN ............................................................................................................. 23
CAPÍTULO 1
Conceptos 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 2
Características 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 ............................................ 55
2.6.1 Parámetros físicos ...................................................................................... 55
2.6.2 Parámetros químicos .................................................................................. 59
2.6.2.1 Indicadores ..................................................................................... 59
2.6.2.2 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 3
Introducción 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 ........................................ 101
3.5.1 Unidades de toxicidad ............................................................................... 103
3.5.2 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 .......................................... 107
EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................110
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................111
CAPÍTULO 4
Usos 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 5
Índices 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 6
Manejo 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 7
Monitoreo 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 8
Comportamiento 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 9
Constantes 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 10
Aplicación 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 11
Estratificación 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 12
Eutroficación
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 .......................................... 393
12.1.3.2 Efectos en los usuarios ................................................................ 394
12.1.3.3 Efectos adicionales ...................................................................... 394
12.1.3.4 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 ....................................................... 404
12.5 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 ..................................... 412
12.5.2 Métodos simplificados para evaluar el estado trófico ................................ 413
12.5.2.1 Estado trófico según clasificación limnológica ............................414
12.5.2.2 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 .............................................................. 422
12.8.1.2 Mecanismos de producción limpia .............................................. 423
12.8.1.3 Control de aguas de escorrentía ................................................. 423
12.8.2 Medidas correctivas .................................................................................. 423
12.8.2.1 Procesos mecánicos .................................................................... 423
12.8.2.2 Control químico .......................................................................... 424
12.8.2.3 Control biológico ........................................................................ 424
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 425
▪ 16
CAPÍTULO 13
Introducción 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
▪ 18
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 Latinoamérica ..................................................................................................... 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
▪ 19
Figuras
Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia ........................................................ 33
Figura 1.2 Ingeniería de la calidad del agua ....................................................... 36
Figura 1.3 Concepto de carga y flujo contaminante ............................................ 37
Figura 2.1 Diferentes formas de sólidos presentes en el agua. ............................ 58
Figura 2.2 Escala de pH ...................................................................................... 60
Figura 2.3 Clases de acidez según el pH ............................................................. 61
Figura 2.4 Forma química del ión alkyl-benceno sulfonato ................................. 70
Figura 2.5 Ensayo de los tubos múltiples ............................................................ 81
Figura 5.1 Función de calidad para DBO5............................................................ 152
Figura 6.1 Histograma de los datos de P total en el embalse A .......................... 178
Figura 6.2 Histograma de frecuencias construido con los datos de la Tabla 6.1 .. 181
Figura 6.3 Distribución normal estándar ............................................................ 182
Figura 6.4 Curva de frecuencia acumulada para el caso del embalse A .............. 185
Figura 6.5 Diagrama de caja para resumir datos de calidad del agua ................. 208
Figura 7.1 Muestra de etiquetas para identificar muestras de agua .................... 223
Figura 7.2 Muestreador no proporcional (Reproducida de la referencia 4) .......... 225
Figura 7.3 Equipo para tomar muestras integradas y compuestas ...................... 226
Figura 7.4 Equipo para tomar varias muestras a la vez 227
Figura 7.5 Muestreador de canasta ..................................................................... 228
Figura 7.6 Localización de los puntos de muestreo en una sección transversal
de una corriente o un canal ............................................................... 230
Figura 7.7 Toma de muestras en un embalse o un lago ...................................... 231
Figura 8.1 k en reacciones de orden cero ............................................................ 239
Figura 8.2 k en reacciones de primer orden ........................................................ 240
Figura 8.3 Significado de la tasa de reacción k (Reproducida de la referencia 1) 241
Figura 8.4 Análisis de balance de masa .............................................................. 245
Figura 8.5 Reactor por lotes ................................................................................ 247
Figura 8.6 Reactor flujo pistón. (Reproducida de la referencia 1) ........................ 249
Figura 8.7 Reactores completamente mezclados en serie ................................... 251
Figura 8.8 Cambio en la concentración de una sustancia debido al transporte
advectivo ............................................................................................ 252
Figura 8.9 Cambio en la concentración de un contaminante por transporte convectivo ............................................................................................... 254
Figura 8.10 Diferencia entre advección y difusión (Reproducida de la referencia 1) 255
▪ 20
Figura 8.11 Contraste entre difusión y dispersión. (Reproducida de la referencia 1) 256
Figura 8.12 Principales componentes del problema de OD.................................... 260
Figura 8.13 Interrelación entre los componentes del balance de OD (Reproducida
de la referencia 1) .............................................................................. 261
Figura 8.14 Curva de demanda bioquímica de oxígeno ......................................... 263
Figura 8.15 Formulación de la cinética de la DBO ................................................. 264
Figura 8.16 Diferentes formas de n presentes en las aguas naturales .................. 267
Figura 8.17 Relación entre la DBON, DBOC y DBO total ....................................... 269
Figura 8.18 Esquema de definición de la difusión del OD en el agua .................... 274
Figura 9.1 Tasa de reaireación ka (d-1) en función de la velocidad y la profundidad
(Reproducida de la referencia 3) ......................................................... 300
Figura 9.2 Variación de la fotosíntesis durante el día asumiendo un comportamiento simuisoidal (Reproducida de la referencia 2). ......................... 304
Figura 9.3 Coeficientes de difusión en varios ambientes (Reproducida de la
referencia 2) ....................................................................................... 309
Figura 10.1 Comportamiento del oxígeno disuelto en una corriente de agua 321
Figura 10.2 Tipos de descargas de aguas residuales en una corriente (Reproducida
de la referencia 4) .............................................................................. 341
Figura 11.1 Comparación entre embalses estratificados y no estratificados ......... 354
Figura 11.2 Esquema de estratificación en un reservorio ..................................... 358
Figura 11.3 Circulación del agua en un embalse operando “filo de agua” ........... 365
Figura 11.4 Gradientes de temperatura en los embalses Playas y Punchiná ......... 375
Figura 12.1 Diferentes formas de nitrógeno y fósforo en un embalse (Adaptado de
la referencia 6) ................................................................................... 396
Figura 12.2 Diagrama de porcentajes de nutrientes y de humedad que constituyen
la composición de la biomasa del fitoplancton (Reproducida de la
referencia 2) ....................................................................................... 399
Figura 12.3 Clasificación trófica según el CEPIS (Adaptado de la referencia 1) .... 416
Figura 12.4 Distribución de probabilidad de nivel trófico según el modelo del CEPIS
(Reproducida de la referencia 1) ......................................................... 417
Figura 12.5 Estrategias para el control de nutrientes ........................................... 422
Figura 13.1 Diagrama esquemático del procedimiento de calibración del modelo 439
Figura 13.2 Representación gráfica de los segmentos y cargas contaminantes en
el río ................................................................................................... 445
Figura E3.1 Cálculo de LC50 para el ejercicio 3.1 ................................................... 103
Figura E4.1 Calidad del agua del recurso hídrico del ejercicio 4.1......................... 144
Figura E6.1 Distribución de probabilidad para la concentración de P en el embalse
A ........................................................................................................ 186
Figura E6.2 Probabilidad de que X > 375 ............................................................. 187
▪ 21
Figura E6.3 Curva de probabilidad 188
Figura E6.4 Contraste de hipótesis lateral ............................................................ 196
Figura E6.5 Resultados del análisis de datos utilizando la hoja de cálculo
Excel® 2007 ....................................................................................... 199
Figura E 6.6(1) Curvas de tendencia para la serie dada .............................................. 203
Figura E 6.6(2) Intervalos de predicción ..................................................................... 203
Figura E6.6(3) Resultados en Excel® del análisis de correlación y regresión. ............ 243
Figura E8.1 Curvas para calcular el orden n y la tasa de reacción k ...................... 265
Figura E8.3 Variación de la DBOC ejercida contra el tiempo ................................. 266
Figura E8.4 Variación de la DBO remanente con el tiempo ................................... 271
Figura E8.5 Resultados gráficos de la DBO ........................................................... 284
Figura E9.1 Cálculo de k1 utilizando el método logarítmico .................................. 286
Figura E9.2 Método de Thomas para el cálculo de k1 ............................................ 294
Figura E9.5(1) Comportamiento de la DBO en el tiempo ........................................... 296
Figura E9.5(2) Gráfica para calcular kN ..................................................................... 303
Figura E9.6 Cálculo de la tasa de aeración, ka ....................................................... 307
Figura E9.7 Valores de las variables para determinar F y R .................................. 333
Figura E10.2 Perfil de OD y DBO ............................................................................ 337
Figura E10.3(1) Perfil de OD para el ejercicio 10.3 ...................................................... 337
Figura E10.3(2) Perfil de DBO para el ejercicio 10.3 .................................................... 340
Figura E10.4 Perfil de OD considerando la zona anaeróbica .................................... 378
Figura E11.1 Curva Volumen – Área contra cota – Embalse Playas ........................ 380
Figura E11.2 Esquema del embalse para el ejercicio 11.2 ....................................... 405
Figura E12.1 Esquema general del embalse ............................................................ 449
Figura E13.1(1) Datos de identificación y control del programa QUAL2K ................... 450
Figura E13.1(2) Datos sobre el elemento cabecera ...................................................... 451
Figura E13.1(3) Datos sobre los tramos ....................................................................... 451
Figura E13.1(4) Datos sobre las constantes y coeficientes por tramos ........................ 452
Figura E13.1(5) Datos sobre las constantes y coeficientes cinéticos ............................ 452
Figura E13.1(6) Datos sobre las fuentes o cargas puntuales de contaminación ........... 453
Figura E13.1(7) Perfil de oxígeno disuelto - Ejercicio 13.1 .......................................... 453
Figura E13.1(8) Perfil de DBO - Ejercicio 13.1 ............................................................. 453
Este libro recoge los aspectos más importantes relacionados con la calidad del agua en ambientes lóticos ríos y corrientes superficiales y lénticos lagos y embalses. De una manera práctica e integrada, el texto recopila los conceptos básicos de diferentes ciencias como la estadística, la química del agua, las evaluaciones ambientales y la modelación, y los aplica para que el lector pueda diagnosticar y evaluar la calidad del agua, proponer medidas de mitigación a los problemas y establecer criterios, usos y objetivos de calidad del agua. Los temas están presentados recurriendo a la discusión teórica y presentando ejemplos prácticos de cada aspecto contemplado. Con base en lo anterior, el libro está dirigido a que sea utilizado en programas de pregrado y posgrado en ingeniería en los cursos de calidad del agua, tratamiento de aguas, contaminación de recursos hídricos, evaluaciones ambientales, etc. También, puede ser una herramienta muy importante en la planeación, ordenamiento y conservación de cuencas para las autoridades ambientales y empresas prestadoras de servicios públicos.
9789588692067
Química
TD420 / S55
