UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL MAESTRIA EN INGENIERIA AMBIENTAL

TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN EL MEDIO ACUATICO

Angel N. Menéndez 2010

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INDICE CAPITULO 1: INTRODUCCION 1.1 MANEJO DE LOS RECURSOS HIDRICOS 1.2 EL PROBLEMA DE LA CONTAMINACIÓN DE LOS RECURSOS HIDRICOS

CAPITULO 2: MARCO GENERAL 2.1 CONTAMINACION DE LAS AGUAS 2.2 EL CICLO HIDROLOGICO 2.3 ECOSISTEMAS ACUATICOS 2.3.1 Características generales 2.3.2 Ríos 2.3.2.1 Caracterización general 2.3.2.2 Características abióticas 2.3.2.3 Características bióticas 2.3.3 Lagos y reservorios 2.3.3.1 Caracterización general 2.3.3.2 Características abióticas 2.3.3.3 Características bióticas 2.3.4 Estuarios 2.3.4.1 Caracterización general 2.3.4.2 Características abióticas 2.3.4.3 Características bióticas 2.3.5 Aguas subterráneas 2.3.5.1 Características generales 2.3.5.2 Características abióticas 2.3.5.3 Características bióticas 2.4 CALIDAD DE LAS AGUAS 2.4.1 Clases de aguas 2.4.2 Parámetros de calidad 2.4.3 Aguas residuales 2.4.3.1 Agua residual urbana de origen doméstico 2.4.3.2 Agua residual de origen industrial 2.4.3.3 Agua residual de origen agrícola

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2.4.4 Autodepuración 2.4.4.1 Ciclo del carbono 2.4.4.2 Ciclo del nitrógeno 2.4.4.3 Ciclo del fósforo 2.4.4.4 Ciclo del azufre 2.4.5 Niveles de calidad

CAPITULO 3: DESTINO Y TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN RIOS Y ESTUARIOS 3.1 INTRODUCCION 3.2 HIDRODINAMICA BASICA DE RIOS Y ESTUARIOS 3.2.1 Modelo matemático unidimensional 3.2.2 Soluciones para flujo permanente 3.2.2.1 Flujo uniforme en ríos y canales 3.2.2.2 Curvas de remanso 3.2.3 Soluciones para flujo impermanente 3.2.3.1 Onda de inundación en ríos 3.2.3.2 Onda de marea en estuarios 3.2.4 Estratificación salina 3.2.5 Modelo matemático bidimensional 3.3 PROCESOS DE TRANSPORTE Y TRANSFORMACION EN RIOS Y ESTUARIOS 3.3.1 Modelo unidimensional simple 3.3.2 Coeficiente de dispersión 3.3.3 Modelo unidimensional general 3.3.4 Constante de reacción 3.3.5 Dilución total de aporte puntual 3.3.6 Aporte lateral 3.3.7 Modelo bidimensional simple 3.3.8 Difusión lateral 3.3.9 Modelos bidimensionales generalizados 3.3.10 Zona de uso limitado 3.3.11 Modelo de balance de oxígeno 3.3.11.1 Consideraciones generales 3.3.11.2 Modelo unidimensional simple 3.3.11.3 Modelo de Streeter-Phelps 3.3.11.4 Constantes de reacción 3.3.11.5 Modelo unidimensional general 3.3.12 Software

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CAPITULO 4: DESTINO Y TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN LAGOS Y RESERVORIOS 4.1 EUTROFICACION 4.2 CUANTIFICACION DE LOS PROCESOS DE TRANSFORMACION EN AGUAS ESTACIONADAS 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4

Relaciones experimentales Modelos dinámicos de nutrientes Dinámica del crecimiento del fitoplancton Modelos dinámicos multicomponentes

4.3 PROCESOS DE TRANSPORTE DE CONTAMINANTES

CAPITULO 5: DESTINO Y TRANSPORTE DE CONTAMINANTES DESDE FUENTES DISTRIBUIDAS 5.1 PROCESOS DE GENERACION DE ESCORRENTIA 5.1.1 Precipitación 5.1.2 Escorrentía 5.2 CUANTIFICACION DE CARGAS DE CONTAMINANTE INDUCIDAS POR LA ESCORRENTIA 5.2.1 Estimaciones de tasas de exportación 5.2.2 Elaboración de relaciones experimentales 5.2.3 Modelos integrados de cuencas

CAPITULO 6: DESTINO Y TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN AGUAS SUBTERRANEAS 6.1 INTRODUCCION 6.1.1 Origen del agua subterránea 6.1.2 Distribución de agua en el suelo y subsuelo

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6.2 HIDRODINAMICA DE LA ZONA SATURADA 6.2.1 Ley de Darcy 6.2.2 Carga hidráulica 6.2.3 Ecuación general de movimiento 6.2.4 Modelo bidimensional para acuíferos 6.2.5 Modelo cuasi-bididimensional para zona de recarga 6.3 HIDRODINAMICA DE LA ZONA NO SATURADA 6.4 TRANSPORTE Y TRANSFORMACIÓN EN LA ZONA SATURADA 6.4.1 Advección, dispersión y difusión 6.4.2 Procesos químicos y bioquímicos 6.4.3 Procesos de retardo 6.4.3.1 Sorción 6.4.3.2 Precipitación 6.4.3.3 Filtración 6.4.3.4 Intercambio de iones 6.4.4 Procesos de atenuación 6.4.4.1 Reducción y oxidación química 6.4.4.2 Reducción y oxidación biológica 6.4.4.3 Hidrólisis 6.4.4.4 Volatilización 6.4.5 Procesos de incentivación de la movilidad 6.4.5.1 Cosolvatación 6.4.5.2 Ionización 6.4.5.3 Disolución 6.4.5.4 Complejización 6.4.6 Modelo unidimensional 6.4.7 Modelo bidimensional para acuíferos 6.4.8 Modelo cuasi-bididimensional para zona de recarga 6.5 TRANSPORTE Y TRANSFORMACIÓN EN LA ZONA NO SATURADA

REFERENCIAS

GUIA DE PROBLEMAS

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COLABORADORES Colaboraron en la confección de parte de este Apunte el Dr. Pablo Tarela y el Ing. Mariano Ré.

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Transporte de Contaminantes en el medio acuático Capítulo 1 – Introducción ______________________________________________________________________

CAPITULO 1 INTRODUCCION

1.1 MANEJO DE LOS RECURSOS HIDRICOS Uno de los pilares del desarrollo económico y social es el manejo racional del agua dulce. Sin embargo, este desarrollo puede entrar en conflicto con la preservación del medio ambiente. La protección de la vida humana y la prosperidad de la raza humana requieren de medidas de protección contra las catástrofes naturales como inundaciones y sequías. No obstante, estas medidas pueden perturbar el sensible equilibrio ecológico. En gran parte del mundo los ingenieros hidráulicos, que representaron un rol pionero en proyectos de aprovechamiento hídrico, son a veces injustamente confrontados por los ambientalistas y ecologistas. En el otro extremo, algunos ingenieros rechazan aún las críticas más justificadas provenientes de las ciencias naturales. Obviamente, un desarrollo autosostenido requiere la colaboración de ambos tipos de profesionales, basada en la comprensión mutua: el desarrollo económico debe llevarse a cabo considerando la preservación del ambiente, en un equilibrado compromiso. La hidráulica, la hidrología y la ecología constituyen la base para procurar un adecuado manejo del ambiente y un desarrollo autosostenido. Ingenieros, ecólogos y economistas deben asumir su asociación para compartir responsabilidades frente a la sociedad. Subsiste al presente un divorcio entre las necesidades sociales y las ambientales debido, principalmente, a: i)

Falta de conocimientos acerca de los procesos físico-biológicos y ecológicos.

ii)

Criterios inadecuados para evaluar impactos ambientales.

iii)

Estructuras institucionales inadecuadas para la toma de decisiones.

Los complejos problemas del desarrollo autosostenido pueden ser sólo encarados a través de un enfoque sistémico, es decir, viendo al cuerpo de agua y su medio ambiente como un sistema, constituído por numerosos elementos interrelacionados. Un estudio regional puede abarcar la totalidad de una cuenca. No obstante, resulta necesario encarar estudios locales subdividiendo el sistema total en subsistemas, de modo de permitir análisis de detalle. Un enfoque multidisciplinario lleva a una ulterior subdivisión en distintos aspectos disciplinarios, conteniendo los elementos (y las relaciones al sistema total) que son estudiados por una disciplina científica específica.

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Transporte de Contaminantes en el medio acuático Capítulo 1 – Introducción ______________________________________________________________________

El elemento integrador es el ecosistema, es decir, el conjunto de entidades biológicas y sus relaciones entre sí y con el medio físico. Dentro del ecosistema, pueden discriminarse un subsistema biótico y uno abiótico (Figura 1.1.1). El sistema biótico contiene la flora y la fauna y sus relaciones mutuas, mientras que el abiótico incluye el sistema hidráulico, el de sedimentos, el de suelos y el químico. Clásicamente, el campo de estudio de los ingenieros hidráulicos abocados al desarrollo de proyectos hídricos estaba limitado a una parte del sistema abiótico. Pero, dado que cualquier cambio en este sistema produce una variación en el sistema biótico, el panorama del ingeniero debe ser ampliado.

SISTEMA DE LA INGENIERIA HIDRAULICA

SISTEMA HIDRAULICO

SISTEMA QUIMICO

SISTEMA ZOOBIOTICO

SISTEMA BIOTICO

SISTEMA FITOBIOTICO

ECOSISTEMA

SISTEMA SUELO

SISTEMA ABIOTICO

SISTEMA SEDIMENTO

Figura 1.1.1 – Estructura de un ecosistema 1.2 EL PROBLEMA DE LA CONTAMINACIÓN EN LOS RECURSOS HIDRICOS ______________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 1-2

Transporte de Contaminantes en el medio acuático Capítulo 1 – Introducción ______________________________________________________________________

La disposición de los residuos líquidos de las actividades humanas hacia cursos de agua no es un problema moderno. Lo que ha cambiado es la magnitud de los vertidos, la ocupación del espacio y los usos del recurso. Esto ha generado, por un lado, incompatibilidades para el uso humano y, por el otro, destrucción de hábitats. De entre los diferentes problemas, el caso límite es el agotamiento de la capacidad del curso superficial receptor para absorber el vertido, y el caso más dramático es la contaminación de los recursos de agua subterránea, que no se ven. El caso menos controlable es el asociado a fuentes difusas (no puntuales) de origen rural (fertilizantes, pesticidas) y urbano, cuyo mecanismo es el lavado por las precipitaciones, mientras que el caso más comprometido, por su alcance y dificultad de control, es la contaminación por actividades agrícolas. Si el objetivo es el desarrollo sustentable, la respuesta técnica es una combinación de la sustitución de sustancias tóxicas (fertilizantes), el tratamiento para extraer contaminantes tóxicos y disminuir niveles de contaminantes no tóxicos, y la correcta disposición del vertido en el curso de agua. En el caso de fuentes puntuales, debe controlarse la calidad de los vertidos, de modo que éste resulte compatible con los otros usos y minimice los efectos negativos sobre los hábitats sensibles. Esto no significa el tratamiento completo del líquido residual, sino el necesario y suficiente para complementar la dilución luego del vertido. La formulación de esas respuestas requiere de un adecuado conocimiento técnico del problema por parte de los actores, de alcance y profundidad variadas, dependiendo de la responsabilidad específica de esos actores. Resulta pertinente formular y tratar de responder las siguientes preguntas: ¿ Para qué es importante entender el problema ? ♦

Para diagnosticar sobre la calidad de un recurso: ¾ ¾

♦

Identificando las fuentes de contaminación, conocido el efecto. Estimando el nivel de contaminación, conocidos los aportes.

Para predecir la calidad de un recurso: ¾ ¾

Ante situaciones actuales no medidas Ante escenarios proyectados.

♦

Para tomar decisiones sobre expansión de actividades, teniendo en cuenta que no basta con cumplir las normas vigentes dado que esas mismas normas son dinámicas en función de la evolución de los criterios de calidad. ♦ Para crear conciencia sobre los efectos no deseados de los residuos líquidos, pero con la capacidad de discriminar. ______________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 1-3

Transporte de Contaminantes en el medio acuático Capítulo 1 – Introducción ______________________________________________________________________

¿ Para quién es importante entender el problema ? Con diversos niveles de alcance o profundidad, para profesionales con responsabilidad en el tema de calidad de aguas asociados a: ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦

Entes con incumbencia medioambiental (a nivel nacional, provincial, municipal). Empresas proveedoras de agua potable. Plantas de tratamiento. Entes públicos o grupos privados de planificación urbana. Industrias con significativos residuos líquidos. Empresas agrícolas, especialmente aquéllas con sistemas de riego. ONG ambientalistas.

¿ Cómo entender el problema ? ♦

Conociendo los mecanismos físicos, químicos y biológicos que producen el transporte, dilución y transformación de los contaminantes.

♦

Conociendo modelos matemáticos analíticos básicos que permiten cuantificar órdenes de magnitud de la distribución espacio-temporal de la concentración del contaminante.

♦

Conociendo herramientas de simulación numérica (software) que permiten calcular con variados grados de precisión la distribución espacio-temporal del contaminante.

En este apunte se vuelcan los conocimientos básicos generales del problema de la contaminación de los recursos hídricos, poniendo especial énfasis en la cuantificación del proceso de contaminación, para lo cual se brindan diferentes herramientas de cálculo, cubriéndose el siguiente índice temático: 1) Introducción sobre los ecosistemas acuáticos y la problemática de los vertidos (fuentes puntuales) y los lavados (fuentes no puntuales). 2) Descripción de los mecanismos de transporte, dilución y transformación de contaminantes. 3) Planteo y uso de modelos matemáticos elementales para transporte, dilución y transformación de contaminantes en aguas superficiales y aguas subterráneas. 4) Planteo y uso de métodos de estimación de contaminación por fuentes no puntuales de origen rural y urbano. 5) Práctica de cálculo de transporte, dilución y transformación de contaminantes utilizando software.

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Transporte de Contaminantes en el medio acuático Capítulo 2 – Marco General __________________________________________________________________________________________

CAPITULO 2 MARCO GENERAL 2.1 CONTAMINACION DE LAS AGUAS La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha manifestado que “el goce del grado máximo de salud que se pueda lograr es uno de los derechos fundamentales de todo ser humano sin distinción de raza, religión, ideología política o condición económica y social”. Para la OMS la salud es un “estado de completo bienestar físico, mental y social”, quedando fijado el nivel de salud por el grado de armonía que exista entre el hombre y el medio que sirve de escenario o de recurso de vida. La contaminación de las aguas es uno de los factores importantes que rompe esa armonía entre el hombre y su medio ambiente. Contaminación es la acción y el efecto de introducir materias o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica. El crecimiento progresivo de los núcleos humanos, el aumento de la densidad poblacional, las actividades artesanales y ganaderas, el cultivo intensivo de la tierra para satisfacer las exigencias de una población que evoluciona y el desarrollo industrial son las causas principales del aporte de residuos que contaminan las aguas subterráneas, los ríos, los lagos y los mares, destruyendo o modificando la fauna y la flora, rompiendo el equilibrio del ecosistema, así como la armonía entre el hombre y su medio. Los procesos hidrológicos son factores decisivos que afectan el destino de contaminantes en los sistemas acuáticos. Ellos proveen los principales caminos de transporte y el medio para la mayoría de los procesos de transformación química y biológica. También proporcionan, a través de la erosión y la lixiviación, la base natural o geoquímica de materia particulada y disuelta contenida en las aguas superficiales y subterráneas. En la sección 2.2 se presenta una descripción del ciclo hidrológico. Para completar la presentación del marco dentro del cual se encuadra el problema de la contaminación del agua, en la sección 2.3 se describen los principales ecosistemas acuáticos continentales, que son, a posteriori, el sustrato de los procesos que se estudian. Para completar este capítulo introductorio, en la sección 2.4 se desarrollan los criterios principales para juzgar la calidad de las aguas. 2.2 EL CICLO HIDROLOGICO El ciclo hidrológico comprende la circulación continua de agua entre la atmósfera, la superficie terrestre, el subsuelo y los océanos, tal como se muestra esquemáticamente en las figuras 2.2.1 y 2.2.2. El agua aparece en estado líquido, sólido o gaseoso. Dado que el presente objetivo es describir el transporte de sustancias contaminantes en los cuerpos de agua dulce, se dará énfasis a los procesos que ocurren sobre o debajo de la superficie terrestre, dejando afuera los detalles de los mecanismos de transporte de agua que operan dentro de la atmósfera y el océano. Esto significa limitarse al campo de estudio de la Hidrología, dejando de lado los asociados a la Meteorología y la Oceanografía. El ciclo hidrológico comienza con la precipitación, tanto en forma de lluvia como de nieve o hielo, que es el proceso de transporte desde la atmósfera a la superficie terrestre. La precipitación puede ser interceptada por la vegetación o bien depositarse directamente sobre el terreno. Esta última (luego de la fusión, en el caso de nieve o hielo) se distribuye por la superficie del terreno en forma de escorrentía (flujo superficial), se infiltra hacia el suelo o vuelve a la atmósfera por evaporación (sublimación en el caso de nieve o hielo). __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-1

Transporte de Contaminantes en el medio acuático Capítulo 2 – Marco General __________________________________________________________________________________________

La escorrentía se concentra en flujo canalizado, constituyendo arroyos y ríos que desembocan, eventualmente, en lagos o en el océano. Desde estos cuerpos de agua superficiales también se produce evaporación.

Figura 2.2.1 Esquema del ciclo hidrológico

Figura 2.2.2 Diagrama del ciclo hidrológico __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-2

Transporte de Contaminantes en el medio acuático Capítulo 2 – Marco General __________________________________________________________________________________________

El agua infiltrada en el terreno encuentra suelo no saturado (donde los poros existentes entre las partículas del suelo contienen tierra, humedad y aire). Allí puede permanecer en forma de humedad superficial, para volver a la superficie terrestre por difusión o por exfiltración (ligada a fuerzas de tensión y de capilaridad), ser captada por la vegetación (o por acción animal), para ser a continuación devuelta a la atmósfera por transpiración, trasladarse como corriente subsuperficial, o interflujo, que se desarrolla hacia o desde los cuerpos superficiales de agua, o percolarse hacia los reservorios profundos de agua subterránea o acuíferos. Parte del agua subterránea puede volver a la zona no saturada por elevación capilar. La mayor parte fluye desde áreas de alta carga a otras de baja carga hidráulica, para desembocar, eventualmente, en cuerpos superficiales, tales como arroyos o lagos, o en el mar. La figura 2.2.3 muestra la magnitud y distribución de la precipitación media anual en la Tierra. Las cantidades están expresadas en volumen por unidad de área del terreno o de la superficie oceánica. Nótese que: ‰

Cae más agua directamente sobre los océanos que sobre la superficie terrestre.

‰

Algo más del 50% de la precipitación que cae sobre la superficie terrestre nunca alcanza el océano.

‰

Es mayor el agua que se evapora desde el océano que la que recibe directamente en forma de precipitación.

Figura 2.2.3 Precipitación media anual La siguiente tabla presenta la distribución de agua a través de la Tierra. Se observa que los océanos son claramente dominantes como fuentes de agua, con el 97%. Le siguen los hielos, con algo más del 2%. Luego continúa el agua subterránea, con un total de alrededor del 0,6%. El agua superficial no alcanza al 0,02%. __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-3

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2.3 ECOSISTEMAS ACUATICOS 2.3.1 Características generales Los ecosistemas acuáticos son sistemas donde los procesos están relacionados por el flujo de agua y el consiguiente transporte de energía, masa y biomasa. En ellos, el cambio en el sistema físico (abiótico) motoriza la reacción del sistema biótico. La estructura principal de un ecosistema está constituida por la cadena alimenticia, que en el caso de un ecosistema acuático puede ser esquematizada como sigue (figura 2.3.1): ‰

Comienza con la entrada de nutrientes (fósforo, nitrógeno, silicatos, dióxido de carbono) y energía (radiación solar).

‰

Las algas (micrófitas) y plantas (macrófitas) producen materia orgánica (biomasa) y oxígeno por medio de la fotosíntesis, mientras consumen nutrientes y utilizan luz solar (productores primarios o primer nivel trófico).

‰

La biomasa es ingerida por el zooplancton, pequeños crustáceos y pequeños peces (consumidores primarios o segundo nivel trófico).

‰

Los consumidores primarios son consumidos por especies más grandes de peces que, a su vez, son presa de peces aún mayores, pájaros, mamíferos y el hombre (tercer y mayores niveles tróficos).

‰

Los excrementos y los cuerpos muertos (detritos) caen al fondo del sistema acuático, donde son ingeridos por las bacterias y digeridos como minerales que sirven nuevamente como nutrientes, cerrando el ciclo.

Los procesos internos de un ecosistema contribuyen a y culminan en un equilibrio dinámico. Cualquier shock en las variables, causado por componentes hidrometeorológicas estocásticas, es atenuado por el sistema ecológico (mediante procesos de filtrado, transformación, acumulación y adaptación). Cualquier aporte de sustancias no naturales (es decir, antropogénicas) produce estrés (tensión) en el ecosistema. Un impacto humano no sustentable puede ser descripto como aquél que genera una explotación de recursos a un ritmo mayor que la capacidad de reproducción natural, o que vierte residuos en cantidades mayores a las que pueden ser integradas al ciclo natural de nutrientes. __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-4

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La forma como un ecosistema reacciona a un cambio limitado en la entrada puede ser descripta mediante el concepto de resistencia, basado en control interno (mecanismo de realimentación para atenuar el ritmo de variación, generado por interacción y reemplazo entre organismos) y en atenuaciones redundantes (componente duplicado funcionalmente cuando la tensión excede la capacidad biológica de un componente). En general, la simplicidad funcional de un ecosistema tiende a reducir su resistencia y viceversa.

Figura 2.3.1 La cadena alimenticia en un ecosistema acuático La capacidad de un sistema para recuperarse de un shock se expresa a través de la resiliencia. Los ecosistemas regularmente expuestos a shocks intensos (como inundaciones extraordinarias, inviernos severos, aluviones) pueden recuperarse más fácilmente. Algunos de ellos, tales como bosques en planicies de inundación o estuarios, incluso requieren perturbaciones para mantener su resiliencia. El período de recuperación es relativamente corto en casos donde la captura de energía y nutrientes es alta, mientras que los ecosistemas con una alta capacidad de atenuación, que presentan una gran resistencia, pueden requerir un largo período de recuperación. En la figura 2.3.2 se muestra un diagrama esquemático describiendo la recuperación de un río en la dirección de flujo a partir del vertido de una descarga puntual. La existencia de cadenas alimenticias es la base para la restauración de la situación original aguas abajo. Este proceso puede ser estimulado por el corrimiento de especies desde tramos aguas arriba y por la forma del fondo del río en el área contaminada. __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-5

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En lo que sigue se describirán las principales características particulares de los cuatro ecosistemas acuáticos asociados a la superficie terrestre: ríos, lagos, estuarios y agua subterránea.

Figura 2.3.2 Recuperación de las propiedades de un río luego de una descarga puntual 2.3.2 Ríos 2.3.2.1 Caracterización general Los ríos transportan agua y sedimento desde las áreas de captación hasta el mar. El curso y la forma del fondo del río resultan de una interacción entre el agua y el sedimento. Las comunidades del río se adaptan a las condiciones locales medias y a sus variaciones estacionales, constituyendo sistemas abiertos más física que biológicamente controlados. 2.3.2.2 Características abióticas En la dirección longitudinal del río se distinguen (figura 2.3.3): ‰

El curso alto (cabecera): Está caracterizado por erosión e incisiones verticales. El material de fondo consiste de rocas y piedras. Se trata de pequeñas corrientes de agua con altas velocidades de flujo.

‰

El curso medio: Puede presentar brazos entrelazados y tramos meandrosos. La aparición de entrelazamiento o meandros depende de la pendiente del río, el material de fondo y la

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descarga a curso lleno. Generalmente, los brazos entrelazados tienen fondos de grava, mientras que los canales meandrosos presentan fondos de arena. ‰

El curso bajo: Puede formarse un delta por sedimentación de limos. Cerca de la boca del río el flujo está alterado por las mareas provenientes del mar.

Figura 2.3.3 Tramos característicos en el desarrollo de un río Desde el punto de vista geomorfológico (figura 2.3.4), el curso alto es la cuenca imbrífera, donde se producen mayormente los sedimentos aportados al sistema fluvial, el curso medio es la zona de transferencia, donde la entrada y salida de sedimentos son similares, y el curso bajo es el sumidero, es decir, el área de depositación de los sedimentos. Las escalas de tiempo hidrológicas también varían desde el curso alto hacia el bajo. En regiones montañosas el río reacciona muy rápidamente a las lluvias, que es la razón por la cual las ondas de crecida son relativamente impetuosas (períodos de onda de un orden de magnitud de horas) y la descarga de base, determinada por el flujo subterráneo, bastante baja. Por su parte, en tierras bajas los flujos no reaccionan tan rápido (períodos de onda del orden de días) y el flujo de base y la descargas pico son mayores que en los cursos altos. Las escalas de tiempo de los procesos geomorfológicos (erosión y sedimentación) son mucho mayores que las hidrológicos. Las escalas geomorfológicas dependen de la escala espacial de análisis. En términos generales, pueden distinguirse tres niveles de escala espacial:

Escala espacial

Escala de tiempo morfológica

Cuenca del río (100-1000 km)

Escala geológica (siglos a millones de años)

Brazo del río (10-100 km)

10 a 100 años

Local (1-10 km)

1 mes a 10 años

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Figura 2.3.4 Caracterización de tramos desde el punto de vista geomorfológico

2.3.2.3 Características bióticas Los factores abióticos determinan, en gran medida, los componentes bióticos del ecosistema (figura 2.3.5): ‰

En el curso alto del río la vegetación ribereña afecta fuertemente a las comunidades biológicas del curso de agua. Los ríos, pequeños y de pendiente abrupta, están ensombrecidos por los bosques ribereños. En consecuencia, el aporte de energía solar es limitado, por lo que la producción de biomasa es baja, mientras que el aporte de biomasa desde los bosques, como detritos, es alta. La comunidad biótica está dominada, entonces, por detritívoros y colectores. Los herbívoros raspadores, que utilizan primariamente la producción de biomasa de las algas, son de menor importancia en el proceso de disipación de energía ecológico.

‰

En el curso medio del río se utilizan los aportes de biomasa y energía provenientes de aguas arriba, mientras que el aporte de detritos ribereños disminuye. Debido al creciente aporte de energía solar, la productividad primaria crece y supera, a menudo, la respiración de la comunidad. La comunidad biótica está ahora dominada por hervíboros raspadores y colectores que filtran las partículas de grano fino del agua. Debido al aporte de energía

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solar, las fluctuaciones diarias y estacionales de la temperatura del agua aumentan, lo cual se refleja en un aumento de la diversidad biológica. ‰

En el curso bajo del río hay un alto aporte de materia orgánica de grano fino y sedimentos desde aguas arriba, lo cual causa turbidez, reduciendo el aporte de energía solar. La comunidad biológica está dominada por hervíboros raspadores. Debido a la disminución de las variaciones de temperatura, se establece una comunidad bien adaptada, con menor diversidad.

Figura 2.3.5 Distribución de comunidades a lo largo de un río 2.3.3 Lagos y reservorios 2.3.3.1 Caracterización general Los lagos y los reservorios son cuerpos de agua dulce con un tiempo de retención promedio del agua de varios años. Constituyen ecosistemas relativamente cerrados. El determinante más importante de su evolución es el patrón interno de circulación. 2.3.3.2 Características abióticas El factor de control más importante es la estratificación térmica (figura 2.3.6). Una capa cálida superior, el epilimnio, que es calentada por el sol y homogeneizada por el viento y otras corrientes, flota sobre una capa inferior, el hipolimnio, que no es calentada por el sol y que resulta muy profunda para ser afectada directamente por el viento. La transición entre ambas es el metalimnio o termoclina. __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-9

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A medida que el lago se enfría, los gradientes de densidad desaparecen, permitiendo el mezclado de la columna completa de agua a través de la acción del viento. En climas fríos, los lagos tienen usualmente un ciclo anual de estratificación térmica. Durante el verano la capa superior flota sobre la del cuerpo principal frío inferior. Esta fase de calentamiento es continuada por un enfriamiento de la capa superficial durante el otoño y un volcado antes que la superficie vuelva a congelarse. En climas más cálidos el volcado completo puede no ocurrir nunca. En regiones tropicales, la termoclina suele ser estable todo el año.

Figura 2.3.6 Estratificación térmica en un lago Los lagos pueden también estratificarse debido a cambios de densidad producidos por gradientes químicos resultantes de aportes de aguas. La circulación interna es un fenómeno muy complejo, influenciado por una cantidad de procesos de intercambio con el ambiente, que son los responsables de las variaciones de la energía potencial del lago: ‰

La fuerza de arrastre del viento sobre la superficie: La energía del viento crea circulaciones de gran escala y turbulencia de pequeña escala debido a la acción de las olas.

‰

El proceso de intercambio de calor a través de la superficie: Tiene influencia decisiva sobre el desarrollo de la termoclina y los procesos subsecuentes de intercambio vertical. Estos procesos son la causa, en primer lugar, de la expansión y contracción de los cuerpos de agua y, en segundo lugar, de las pérdidas de masa por evaporación.

‰

La radiación solar: Penetra por la superficie libre y causa el calentamiento de capas interiores de agua, afectando la circulación por medio de, por ejemplo, la creación de barreras térmicas.

‰

Estructuras hidráulicas: Si el lago se utiliza como un reservorio de agua, existe alguna estructura de control en su salida. El control artificial de los niveles de agua puede afectar significativamente el ambiente biótico.

Muchos procesos físicos están influenciados por la batimetría del lago y sus costas: apilamiento por el viento, distribución de velocidades, intercambio de calor. La circulación interna puede ser reducida si la batimetría del lago lo separa en subsistemas relativamente independientes. __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-10

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Los procesos de mezcla vertical y horizontal en el epilimnio y el hipolimnio tienen escalas temporales desde las horas a varios años. Otro aspecto importante es la distribución del tiempo de residencia o de la edad de salida del agua. Evidentemente, distintos elementos de fluído, que recorren rutas diferentes a través del lago, pueden requerir tiempos distintos para atravesarlo completamente. Esta distribución da una indicación del tiempo necesario para establecerse nuevas condiciones de equilibrio ante un cambio en la calidad del agua ingresante al lago. Existe un tiempo de residencia mínimo, que puede ser denominado tiempo de penetración e interpretado como el tiempo necesario para que un cambio en las condiciones de entrada afecten a la composición de la salida. 2.3.3.3 Características bióticas Aunque un lago constituye un ecosistema relativamente cerrado, su composición química y, en consecuencia, su composición biológica dependen fuertemente del área de captura o cuenca de drenaje, que es la que aporta agua, materia inorgánica y biomasa. Estas características son obtenidas directamente por el lago, a través de la interacción entre la geología, la geografía y el desarrollo cultural del área, o indirectamente, por medio de los ríos tributarios. La zona de aguas abiertas del lago se conoce como zona pelágica, mientras que la parte menos profunda, colonizada por macrófitas (plantas) acuáticas, se denomina zona litoral (figura 2.3.7). La zona pelágica, a su vez, se subdivide en zona limnética, que es hasta donde puede penetrar la luz (pudiendo producir, entonces, procesos de fotosíntesis) y la zona profunda (o eufótica), cuyo fondo no soporta poblaciones de macrófitas. Varios grupos de organismos viven en cada una de estas zonas.

Figura 2.3.7 Zonificación de un lago Plancton es un término general que incluye bacterias, plantas y animales, e indica organismos que están suspendidos en el agua y tienen habilidades motrices limitadas o ausentes. Los organismos planctónicos están sujetos a dispersión vertical y horizontal por la turbulencia y otros movimientos del agua. El plancton de plantas es conocido como algas o fitoplancton, mientras que el de animales se __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-11

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refiere como zooplancton. El fitoplancton es el productor primario en lagos, convirtiendo radiación solar y carbono inorgánico en carbono orgánico a través del proceso de fotosíntesis. En lagos salinos, o en lagos de agua dulce con una interfase aeróbica-anaeróbica a una profundidad donde aún está disponible la luz solar, pueden encontrarse grandes poblaciones de macrófitas flotantes o enraizadas que llegan a constituírse en los productores primarios dominantes a través de bacterias fotosintéticas. Los productores primarios son ingeridos por el zooplancton. En los lagos, los agentes primarios de descomposición de materia orgánica tienden a ser las bacterias que, a su vez, se constituyen en alimento del zooplancton. Aunque el proceso no está totalmente comprendido, está ampliamente aceptado que las bacterias juegan un rol principal en los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes inorgánicos y orgánicos y en la transferencia de energía en lagos. El epilimnio, dependiendo de la transparencia del agua, está iluminado y constituye la región de producción fotosintética. Los procesos fotosintéticos y de crecimiento pueden reducir las concentraciones de nutrientes de crecimiento esenciales, al punto donde pueden convertirse en los limitadores de las poblaciones de algas. Los nutrientes son reabastecidos desde el hipolimnio, rico en nutrientes (por procesos tales como el volcado, la difusión vertical turbulenta o la profundización episódica del epilimnio), o desde los ríos. El fitoplancton tiende a hundirse a medida que sus principales constituyentes macromoleculares devienen más densos que el agua. De todos modos, la mayoría de estos organismos tienen preferencias metabólicas de permanecer en el epilimnio, más iluminado. La formación de capas de mezcla diurnas, que tienden a ser menos profundas que la zona eufótica, provee ventajas ecológicas al fitoplancton, que es capaz de seguirlas por medio de mecanismos de flotación. El grupo más prominente de organismos asociados con este proceso son las ciano-bacterias, o algas verde-azuladas, que son las características algas capaces de florecimientos explosivos en lagos enriquecidos de nutrientes, proceso conocido como eutroficación. La productividad del lago depende, además de las fuentes de nutrientes (nitrógeno y fósforo), de la cantidad de oxígeno y el tiempo de retención del agua. El zooplancton, como el fitoplancton, es usualmente más denso que el agua y tiende a hundirse. La turbulencia, y otros procesos del agua, lo mueven en planos verticales y horizontales y producen su dispersión no aleatoria a través de la zona pelágica. No obstante, aunque sujetos a estos mecanismos físicos en aguas abiertas, muchos miembros de este grupo pueden moverse extensivamente en partes quietas y generar migraciones verticales diarias. El zooplancton tiene tiempos de generación de entre 1 hora y 10 días (los tiempos de generación de los peces están en el rango 10 días a varios años). Algunos fenómenos hidráulicos tienen impacto sobre los organismos planctónicos. Estos impactos pueden ser positivos o negativos, dependiendo de la habilidad de un organismo particular de adaptarse o tomar ventaja de la situación ambiental. Por ejemplo, las seiches (oscilaciones libres) pueden mover organismos que viven en la termoclina (y que, entonces, están adaptados a bajas cantidades de luz) a ambientes más luminosos que pueden exceder su capacidad fisiológica de sobrevivir. Cambios en la estructura hidráulica pueden conducir a variaciones significativas en la composición de especies y en las productividad de estas poblaciones, lo cual afecta a niveles superiores de la cadena trófica. Por ejemplo, el zooplancton se ve afectado por cambios en la penetración de la luz y en el patrón de estratificación, los cuales ocurren, especialmente en reservorios, por la descarga brusca de agua. 2.3.4 Estuarios 2.3.4.1 Caracterización general Los estuarios proveen la conexión entre el agua de origen continental y el medio marino, es decir, son zonas de transición donde se encuentran las aguas dulces y las saladas. De hecho, el patrón de __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-12

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mezcla de las aguas dulces y saladas es el proceso dominante en sistemas estuarinos, ya que ejerce una influencia controladora sobre todos los otros procesos. En efecto, la distribución de salinidad afecta procesos físicos (circulación gravitacional, mezclado vertical, floculación y subsecuente deposición y resuspensión de partículas de sedimento fino), procesos químicos (especiación y movilidad de sustancias químicas) y procesos biológicos (distribución de la biota acuática). Más aún, dado que la dispersión y/o atenuación de la concentración de contaminantes están gobernados por el régimen físico, químico y biológico del ambiente dentro del cual son introducidos, el patrón de mezcla de aguas controla, eventualmente, también estos fenómenos. La morfología de un estuario es el resultado de una fuerte interacción entre el agua y los sedimentos. Las interacciones hidráulicas entre el agua dulce y la salada varían de acuerdo a la topografía del estuario. Los organismos de agua dulce desaparecen rápidamente y se mineralizan parcialmente. Los sedimentos que trae el río se depositan. Las especies de fauna y flora viven en un cuerpo de agua rico en nutrientes, pero están sujetas a tensiones continuas debibo a las cambiantes condiciones físico-químicas. 2.3.4.2 Características abióticas Uno de los parámetros más importantes que controla el mezclado de aguas es la topografía del estuario. Existen tres tipos básicos de topografía estuarina, que exhiben patrones de circulación diferenciales: 1. Estuarios costeros planos 2. Estuarios de barras 3. Fiordos Los estuarios costeros planos son valles de ríos ahogados que han sido formados por una elevación del nivel del mar. Es el tipo más común, especialmente en aguas templadas del hemisferio norte. Su forma, en planta, generalmente retiene la forma característica en V del valle original, ya que la sedimentación es comparativamente baja. Típicamente, están caracterizados por extensos bancos de barro y salinas, cortados por extendidos sistemas de canales con altas relaciones profundidad/ancho. Se ensanchan progresivamente a medida que se aproximan al mar y tienden a mezclarse gradualmente con el ambiente marino. Esta característica torna dificultoso el considerarlos en aislamiento respecto de las aguas marinas del entorno. En aquellos en los cuales la descarga de los ríos es alta y la excursión de mareas pequeña, se desarrolla una cuña salina pobremente mezclada (figura 2.3.8). Es decir, una capa de agua salada, en forma de cuña, se extiende hacia el territorio por debajo del agua dulce, menos densa, que fluye hacia el mar. Las fuerzas de fricción que operan entre las diferentes masas de agua y con el fondo del estuario proveen la fuerza primaria de mezclado. Hay, típicamente, una marcada discontinuidad vertical en salinidad (haloclina) entre las dos masas de agua. En estuarios con relativamente altas excursiones de mareas la interfase entre las aguas dulce y salada se degrada, a variados niveles, resultando una condición de mezcla parcial. La haloclina vertical está, entonces, menos definida. En los casos en que las corrientes de marea son los suficientemente intensas como para mezclar completamente la columna de agua, el estuario es verticalmente homogéneo, aunque el gradiente de salinidad longitudinal aún ejerce una influencia importante sobre la circulación de las aguas.

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Figura 2.3.8 Estratificación salina en un estuario (Río de la Plata) Los estuarios de barras ocurren más frecuentemente en los trópicos, pero pueden encontrarse también en zonas costeras de deposición activa, donde pueden formarse barras de ripio o arena paralelas a la línea de costa. Si esas barras atraviesan totalmente la boca del estuario resultan en la conformación de un gran cuerpo de agua relativamente poco profundo (laguna), semi-cerrado y caracterizado por procesos de mezcla inducidos por el viento. Más aún, dado que la barra puede restringir severamente el intercambio de agua con el mar adyacente, la salinidad del estuario puede a menudo ser mucho mayor o menor que la del agua de mar circundante, dependiendo de factores tales como el aporte de agua dulce y la tasa de evaporación. Los fiordos son valles profundizados por la acción de los glaciares, en los cuales penetran las aguas del mar. Están generalmente caracterizados por la presencia de un umbral en su boca, que puede llegar hasta cerca de la superficie libre, aunque el fiordo mismo puede ser extremadamente profundo. Consecuentemente, el intercambio de agua con el mar adyacente está frecuentemente confinado al volumen contenido por sobre el nivel del umbral. El volumen restante puede estar efectivamente aislado y convertirse, en ocasiones, en estanco. Los fiordos están también sujetos a intercambios repentinos de agua causados por perturbaciones meteorológicas. Aunque pueden identificarse fácilmente ejemplos de estos tres tipos de estuarios en la naturaleza, no todos los estuarios pueden ser convenientemente encajados en una de estas categorías. En la práctica, los tipos de estuarios que ocurren naturalmente forman un continuo de una categoría a otra y los patrones de mezclado de agua también forman un continuo desde mezcla completa a

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ocasionalmente estanco. Todos los procesos de mezcla significativos (mareas, vientos, descargas por aportes de ríos) son dinámicos, y oscilan de acuerdo a varias escalas de tiempo. Entonces, en cualquier estuario dado el patrón de mezclado exhibirá cambios temporales y espaciales en extensión y magnitud. Por ejemplo, los procesos de mezcla inducidos por la marea operan sobre una escala de tiempo de corto plazo con el ciclo semidiurno, de mediano plazo con el ciclo cuadratura/sicigia y de largo plazo con el ciclo anual de mareas. Más aún, los ciclos meteorológicos, actuando sobre escalas de tiempo comparables, influencian y modifican los procesos de mezclado por marea. Por ejemplo, durante la estación húmeda tropical, regiones de baja salinidad y turbidez máxima tienden a ser desplazadas hacia el mar, desde sus posiciones durante la estación seca, debido al incremento dramático de descarga de agua dulce. Consecuentemente, en estados diferentes de marea durante un día y en diferentes tiempos del año cualquier punto dado en un estuario estará sujeto a diferentes regímenes de salinidad. Dado que el régimen gobierna la naturaleza de los otros procesos físicos, químicos y biológicos, se concluye que estos parámetros también fluctuarán, en escalas de tiempo similares, en una dada localización. La característica esencial de un ambiente estuarino es, entonces, que se trata de un hábitat de condiciones físico-químicas rápidamente fluctuantes que varían sobre escalas de tiempo de corto, mediano y largo plazo. 2.3.4.3 Características bióticas Pocos organismos vivientes se adaptan para dar abasto con las tensiones impuestas por un ambiente tan dinámico. Consecuentemente, los estuarios están caracterizados por una biodiversidad comparativamente baja, es decir, sólo están presentes unas pocas especies. Este efecto se combina con la comparativa uniformidad de hábitats estuarinos (primariamente bancos de barro y arena) y su relativamente corto tiempo de existencia en términos geológicos, que ha provisto sólo un período de colonización por organismos vivientes comparativamente pequeño. A pesar de esta relativamente baja diversidad, aquellas especies que pueden existir en hábitats estuarinos usualmente aparecen en cantidades extremadamente altas. Esto se debe, parcialmente, al reducido nivel de competitividad, pero, principalmente, a la profusión de abastecimiento de alimento (generalmente en la forma de detritos). El aporte de los ríos y las mareas juegan un rol importante en el mantenimiento de niveles de alimento disponible, ya que importan continuamente nutrientes y detritos desde el territorio y el mar circundante. Este aporte constante de alimento sirve para soportar muy altos niveles de productividad. Justamente, los sistemas estuarinos están catalogados entre los más productivos de los sistemas acuáticos. Para el no experto, esta productividad es más fácilmente apreciable a través de la gran cantidad de aves zancudas, permanentes o migratorias, y aves silvestres que utilizan los bancos de marea como terrenos de alimentación. Muchas especies de peces e invertebrados también se benefician de esta productividad de los estuarios. Justamente, se ha estimado que especies responsables del 66% de las pesquerías mundiales dependen de los estuarios para su supervivencia en uno u otro estado de su ciclo vital. 2.3.5 Aguas subterráneas 2.3.5.1 Caracterización general Grandes cuencas subterráneas se localizan en los sedimentos aluviales de redes fluviales, y constituyen un recurso de agua importante para servir las demandas municipales e industriales. Estos cuerpos de agua están fuertemente conectados con el sistema de agua superficial. De una manera general, un sistema de aguas subterráneas puede definirse como un subsistema abierto que está interrelacionado con otros subsistemas acuáticos y terrestres y con compartimientos adyacentes de agua subterránea, tal como se muestra en la figura 2.3.9. A través de las fronteras abiertas del sistema fluye agua, materia (nutrientes, contaminantes) y energía en ambas direcciones o, a veces, sólo en una dirección.

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Figura 2.3.9 Sistema de agua subterránea El reconocimiento del medio subterráneo como un ecosistema es relativamente reciente y está lejos de ser entendido en su totalidad, ya que resulta difícil concebir un ecosistema sin luz (y, en consecuencia, sin fotosíntesis), basado en la producción a través de bacterias autotróficas y/o en materia orgánica importada o de fósiles autóctonos. De hecho, formas vivientes han sido observadas en todas partes de un medio subterráneo, desde gusanos en el suelo a insectos, crustáceos, moluscos y peces altamente adaptados en cavernas y galerías. Se hallan bacterias aún en los sedimentos y cuerpos de agua más remotos. Precisamente, las bacterias son la forma significativa de vida en aguas subterráneas. 2.3.5.2 Características abióticas Las aguas subterráneas constituyen el recurso de agua dulce más importante de la tierra. Es dos órdenes de magnitud más grande que el volumen de agua total de los ríos y los lagos (ver sección 2.2). Es un recurso renovable, caracterizado por la estabilidad de su composición química y de su temperatura. La percolación de agua a través de la subsuperficie tiene un buen efecto purificador debido a la acción combinada de filtración, sorción, reacciones químicas y procesos microbiológicos. Los sistemas de aguas subterráneas muestran una enorme variedad, dependiendo de la formación geológica de los acuíferos. Los sistemas de circulación de aguas subterráneas en acuíferos porosos (de arena y grava), en roca fracturada o en galerías (karsts) exhiben características de flujo y transporte muy distintas. Además, dependiendo de las condiciones hidrológicas e hidráulicas, deben distinguirse la región de agua saturada y la de suelo no saturado. Aunque estas distinciones son hechas sobre una base puramente física, ellas tienen también un gran significado ecológico, dado que definen el marco físico del ecosistema subterráneo. La característica hidráulica principal de los sistemas de circulación de aguas subterráneas es que son enormes cuerpos de agua con velocidades de flujo muy bajas (metros por día a metros por año) y, en consecuencia, tiempos de intercambio extremadamente largos. La circulación de aguas subterráneas es extremadamente lenta, con tiempos de residencia en el rango de unos pocos años a miles de años para acuíferos naturales. Las aguas subterráneas son recargadas por el agua de lluvia (menos la evaporación y la escorrentía superficial), por percolación a través de la zona no saturada y por infiltración desde las aguas superficiales durante los estados de crecida (períodos húmedos). Las tasas de recarga son bajas comparadas a los grandes volúmenes de los acuíferos. En el ciclo hidrológico, las __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-16

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aguas subterráneas alimentan las aguas superficiales durante los estiajes (períodos secos), proveyendo entonces el flujo de base en los ríos. Las cuencas de agua subterránea tienen un efecto de amortiguación sobre los extremos de las variaciones hidrológicas de lluvia (reducción de picos de flujo, mantenimiento de estiajes en los ríos). Entre los compartimientos superior e inferior de agua subterránea el intercambio es siempre estable y, usualmente, limitado, a menos que sea perturbado por las actividades humanas. Dentro de un rango de poros de distintos tamaños se observa un espectro de diferentes reacciones químicas. De hecho, la transición sobre una microescala, desde un distribución de tamaños de poro a otra, puede causar un cambio dramático en las reacciones químicas. Una interrelación particularmente íntima existe entre los cuerpos de agua superficiales y las aguas subterráneas asociadas. La dirección del intercambio varía, usualmente, con las condiciones hidrológicas. Las fluctuaciones en los niveles de agua superficial causan correspondientes variaciones de niveles de aguas subterráneas. De particular significación para estas interacciones es el rol del lecho del río o el fondo del lago, que puede tener efectos cuantitativos sobre el intercambio (atascamiento por filtrado, crecimiento biológico o reacciones químicas, aclaramiento por el transporte de sedimentos por el río) así como fuertes efectos sobre la calidad del agua debido a procesos biogeoquímicos. De una significación similar son los procesos de transformación en la zona de fluctuación de la tabla de agua, con frecuentes cambios entre condiciones saturadas y no saturadas, particularmente en áreas como planicies de inundación o humedales. 2.3.5.3 Características bióticas Para establecer las características ecológicas de los sistemas de aguas subterráneas, debe redefinirse la noción de un ecosistema en este contexto: un ecosistema es una comunidad de especies biológicas viviendo y muriendo en un marco físico sujeto a estimulaciones externas que gobiernan los flujos de masa y energía. Los karsts, que pueden ser visitados y tienen también poblaciones macroscópicas, fueron los primeros en ser reconocidos como ecosistemas genuinos. No obstante, debe efectuarse un salto conceptual para concebir a los acuíferos, especialmente los profundos, como ecosistemas: la luz no penetra, el medio es cuasi-isotérmico y el cuerpo está totalmente saturado. Las bacterias son la forma significativa de vida en aguas subterráneas, en tanto el aumento del calor geotérmico con la profundidad permita vida bacterial. Si bien aún se está en un estado descriptivo temprano de estos medios, vistos como ecosistemas bacteriales, se sabe que la naturaleza y abundancia de las bacterias depende de la temperatura, el movimiento del agua, la distribución de materia orgánica, la composición química y las propiedades físicas del acuífero. Inversamente, los microorganismos pueden causar importantes efectos químicos. 2.4 CALIDAD DE LAS AGUAS 2.4.1 Clases de aguas Las aguas de los lagos, mares y ríos libres de contaminación antrópica tienen, de todos modos, impurezas, las que no están incluidas dentro del concepto de contaminación. Estos elementos o partículas se incorporan al agua al atravesar, como precipitación, las nubes y la atmósfera y al discurrir por el suelo o a través de él. En la siguiente tabla se describen esas impurezas.

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Ahora bien, el hombre no sólo ha utilizado las aguas para su consumo sino también para su actividad y confort, convirtiendo las aguas usadas en vehículo de desechos (figura 2.4.1). De aquí proviene la denominación de aguas residuales. Pueden distinguirse dos clases de aguas residuales: 1) Aguas blancas o de lluvia: Proceden de drenajes o de escorrentía superficial, estando caracterizadas por grandes aportes intermitentes y escasa contaminación. Las cargas contaminantes se incorporan al agua cuando la lluvia atraviesa la atmósfera o por el lavado de superficies y terrenos. 2) Aguas negras o urbanas: Proceden de los vertidos de la actividad humana doméstica, agrícola, industrial, etc. Sus volúmenes son menores, sus caudales más continuos y su contaminación mucho mayor.

Figura 2.4.1 Aguas residuales __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-18

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2.4.2 Parámetros de calidad En lo que sigue se definen una serie de parámetros básicos indicadores de la calidad del agua. El contenido total de materia sólida contenida en el agua se define como sólidos totales (ST), comprendiendo tanto los orgánicos o volátiles (V) como los inorgánicos o fijos (F). Estos pueden encontrarse como: ‰

Sólidos disueltos (SD), que no sedimentan, estando en estado iónico o molecular.

‰

Sólidos en suspensión (SS), que pueden ser sedimentables (Ss), los que por su peso sedimentan fácilmente en un período de tiempo (2 horas en cono Imhoff), y no sedimentables (Sc), que no sedimentan tan fácilmente porque su peso específico es próximo al del líquido o por encontrarse en estado coloidal.

La turbidez se relaciona con la transmisión de la luz a través de un medio líquido. Existe una interrelación entre la turbidez y los sólidos en suspensión, pero sólo puede establecerse una relación empírica para cada sitio específico, que puede resultar de utilidad dado que la medición de turbidez es más rápida. El pH y la temperatura determinan condiciones de base fundamentales para muchas reacciones químicas y procesos biológicos. Siendo el oxígeno la fuente energética de los seres vivos, se convierte en índice fundamental para la definición y control de las aguas residuales. Se utiliza la concentración de oxígeno disuelto (OD). La cantidad de oxígeno en el agua puede ser incrementada por captación a través de la superficie de interfase agua-aire o por acción fotosintética debida, principalmente, a las algas verdes. La cantidad de oxígeno puede disminuir por la respiración de los microorganismos, por la elevación de la temperatura, por reacciones químicas y por el metabolismo de microorganismos regidos por la acción enzimática. En general, las materias de tipo orgánico absorben, de forma natural hasta su mineralización, una cierta cantidad de oxígeno debido a los procesos químicos o biológicos de oxidación que se producen en el seno del agua. Entonces, una forma indirecta de medir el contenido de materia orgánica es a través de dos parámetros que registran este fenómeno, a saber, la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO). La DBO es la cantidad de oxígeno (expresada en mg/l) consumida, en condiciones de ensayo (20ºC, presión atmosférica y oscuridad) y en un tiempo dado, como consecuencia de la oxidación “por vía biológica” de las materias biodegradables presentes en el agua residual (es decir, involucra la materia orgánica fácilmente oxidable). Este índice depende fuertemente de la temperatura y débilmente de la presión. Si se sigue su evolución temporal, la curva de DBO muestra dos etapas (figura 2.4.2): tiende primero a alcanzar un valor asintótico para luego aumentar bruscamente. La primera etapa se debe a la demanda del ciclo del carbono (ver más abajo), en tanto que la segunda corresponde al ciclo del nitrógeno (ver más abajo). Para el control de los procesos de depuración o autodepuración suele adoptarse como índice la DBO a 5 días (DBO5), cuyo valor se aproxima suficientemente al valor asintótico de la DBO correspondiente al ciclo del carbono. La DQO involucra la oxidación de toda la materia orgánica oxidable presente (incluso alguna que usualmente no contribuye a la demanda de oxígeno). En principio, no existe relación entre ambos parámetros. No obstante, es posible, en puntos específicos, obtener curvas de correlación válidas para control. En estos casos, el uso de la DQO tiene la ventaja relativa de su rapidez. El contenido de nutrientes determina el estado trófico del sistema. Concentraciones excesivas de los principales nutrientes, a saber, el nitrógeno (N) y el fósforo (P), puede dar lugar a florecimientos algales descontrolados (eutroficación). El N inorgánico se presenta en las distintas especies que componen su ciclo: ión amonio NH3 (primera etapa), nitritos NO2 (segunda etapa) y nitratos NO3 (tercera etapa). El N también se encuentra en estado orgánico. Análogamente, el fósforo aparece en sus formas inorgánicas (fosfatos) y orgánica. __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-19

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Figura 2.4.2 Curva de evolución de la DBO La materia orgánica es un medio óptimo para el desarrollo de las bacterias. Como índices del contenido de bacterias se utilizan normalmente microorganismos de origen humano y fácil detección, mediante colimetría, estreptometría, colonias en agar y colonias de anaerobios. Estos índices representan un indicador indirecto, y a menudo impreciso, de la presencia de organismos patógenos y virus más potentes. En la siguiente tabla se indican valores típicos de algunos parámetros de calidad en aguas blancas y negras, expresados en mg/l:

Indice

Aguas blancas Aguas negras

SS

230

100/600

SSV

40

60/450

DBO5

25

100/450

DQO

65

150/1100

N-NH3

0,2

7/50

N-NO2

0,05

0/0,20

N-NO3

0,05

0,10/0,60

N orgánico

1,4

8/40

PO4 total

1,15

-

PO soluble

0,46

-

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2.4.3 Aguas residuales Las principales fuentes contaminantes tienen tres orígenes distintos, a saber, doméstico, industrial y agrícola. Cada una de ellas se analiza en las secciones siguientes. 2.4.3.1 Agua residual urbana de origen doméstico Las sustancias incorporadas en las aguas residuales domésticas proceden de alimentos, deyecciones, limpieza casera, limpieza vial, etc. Hay productos orgánicos, inorgánicos y microorganismos. Entre los productos orgánicos pueden señalarse residuos de origen vegetal, origen animal, deyecciones humanas, grasas, etc. Las deyecciones humanas tienen un contenido de 30% de N, 3% de ácido fosfórico (PO4H3) y 6% de K2O. El vertido por habitante de orina puede estimarse de 1,2 a 2,4 litros/día, constituyendo la urea el 50% de dicha cantidad. Los productos inorgánicos consisten en elementos disueltos (sales) e inertes (residuos de materiales, tierras, arena, papel, etc.). Los compuestos químicos que se hallan presentes son muy variados: urea, albúminas, proteínas, ácidos acético y láctico, bases jabonosas y almidones, aceites (animales, vegetales y minerales), hidrocarburos, gases (sulfhídrico, metano, etc.), sales, bicarbonatos, sulfatos, fostatos, nitritos, nitratos, etc. La incorporación de sales por el uso del agua en una ciudad puede estimarse en un incremento de 35-80 ppm. Los sólidos orgánicos proceden de la actividad humana, siendo de origen animal y/o vegetal. Contienen principalmente C, H, O, así como N, S, P y K. Es el caso de las proteínas, los hidratos de carbono y las grasas. Su característica es la posibilidad de degradación y descomposición por reacciones químicas o acciones enzimáticas de los microorganismos. Los sólidos inorgánicos son sustancias inertes y no degradables, tales como minerales, arenas, tierras, etc. Entre la materia viva incorporada a las aguas, contemplada bajo la denominación de microorganismos, pueden citarse: virus, algas, protozoos, bacterias, hongos, insectos, rotíferos, etc. Los microorganismos pueden ser parásitos (benignos o patógenos) o saprofitos (consumen materia orgánica muerta, descomponiéndola). En relación a la captación de oxígeno, los microorganismos pueden clasificarse en: ‰

Aerobios: Captan de forma directa el oxígeno disuelto en el agua. Constituyen el 60-66% de microorganismos existentes en el agua residual.

‰

Anaerobios: Obtienen el oxígeno por descomposición de la materia orgánica constituida por tres o más elementos (C, H, O, N, S, P, K). Constituyen el 10-25% del total de microorganismos.

‰

Facultativos: Pueden adaptarse a las condiciones aerobias o anaerobias, dependiendo de la existencia o no de oxígeno disuelto en las aguas. Constituyen el 9-30%.

Conviene aclarar que, si bien existen microorganismos patógenos, que pueden originar serios problemas sanitarios al hombre, por otro lado existen inmensas legiones de microorganismos que colaboran con la naturaleza, ayudando a un continuo reciclado y reutilización de la materia, cerrando ciclos tan importantes como los del carbono, nitrógeno, fósforo y azufre. También existen organismos macroscópicos, que son visibles, como gusanos, insectos y otras formas que ayudan a la descomposición biológica de la materia orgánica. La cantidad de microorganismos en los vertidos de una ciudad es elevada: pueden detectarse, por cada 100 ml, 300 x 106 aerobios, 25 x 106 coliformes y 5 x 106 estreptococos. 2.4.3.2 Agua residual de origen industrial Las sustancias de las aguas residuales industriales provienen de las actividades industriales (materias primas utilizadas, productos de transformación y acabados, transmisión de calor y frío). Con __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-21

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independencia del posible contenido de sustancias similares a los vertidos de origen doméstico, pueden aparecer elementos propios de cada actividad industrial, entre los que pueden citarse tóxicos, iones metálicos, productos químicos, hidrocarburos, detergentes, pesticidas, productos radioactivos, etc. Las aguas de origen industrial incorporan tanto la estrictamente proveniente de la actividad industrial como las aguas negras de la población laboral. La gran variedad y cantidad de productos que se vierten obliga a una investigación propia para cada tipo de industria. La composición es muy variable, pudiendo definirse por compuestos orgánicos (mataderos, industrias del petróleo, químicas, alimenticias, celulosa, papel, textil, etc.), inorgánicos (cementos, siderurgia, etc.), radioactivos, etc. No es posible, entonces, hablar de índices concretos y normalizados. Son numerosísimos (decenas de miles) los índices orgánicos e inorgánicos procedentes de la actividad industrial. De forma resumida, deben definir el contenido de: ‰

Acidos que puedan atacar al material o inhibir los procesos

‰

Básicos que puedan inhibir los procesos biológicos

‰

Productos petrolíferos y grasas poco degradables

‰

Detergentes que retardan la sedimentación, forman espumas e impiden la reaireación

‰

Metales pesados (Cu, Cr, As, Cd, Pb, Hg, B, etc.), tóxicos para los microorganismos que intervienen en los procesos biológicos

‰

Fenoles o cianuros inhibidores y tóxicos

‰

Productos radioactivos

2.4.3.3 Agua residual de origen agrícola Las sustancias de las aguas residuales agrícolas proceden de las actividades agrícolas y ganaderas: pesticidas, herbicidas, residuos varios, estiércol, etc. Otras sustancias son los fertilizantes, que antes eran de origen orgánico y, actualmente, han sido casi sustituidos por abonos de origen inorgánico, tales como sulfatos, nitratos, fosfatos, etc. El suelo representa un soporte de contaminantes, cuyo arrastre y eliminación depende de la intensidad de la lluvia, de la escorrentía, de las partículas del suelo, de la protección de la superficie y de la absorción por las plantas. Casi la totalidad de los productos utilizados, salvo los productos biológicos que paulatinamente van sustituyendo a los químicos, son tóxicos con peligrosidad para el hombre, el ganado, así como para la fauna y flora terrestre y acuática. 2.4.4

Autodepuración

Los cuerpos de agua atacan la contaminación por varias vías. En el caso de cuerpos superficiales actúan mecanismos físicos, particularmente eficientes en el caso de ríos, a saber: ‰

Los elementos flotantes o productos tensoactivos van quedando retenidos por las plantas y el propio terreno de las orillas. Los remansos colaboran en esta acción. Poco a poco la superficie del agua va quedando liberada de elementos extraños.

‰

Los elementos pesados, dependiendo de su densidad y de la corriente del agua, van quedando depositados en el fondo, más en las zonas remansadas y menos en la zona de corriente, por lo que las aguas van quedando libres de partículas sedimentables.

En todos los casos, también se activan mecanismos químicos biológicos: ‰

Los componentes ácidos y bases de los vertidos tienden a neutralizarse

__________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-22

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Los microorganismos existentes en el agua, o incorporados en los vertidos, (bacterias, algas, protozoos, hongos, rotíferos, insectos, etc.) utilizan la materia orgánica existente en las aguas metabolizándola y transformándola en materia viva, o coagulando las partículas más gruesas por los exofermentos, pudiendo de esta forma sedimentarse parte de la materia en suspensión. En esta acción metabólica de los microorganismos son tambien utilizadas materias disueltas.

Los principales elementos que forman parte de los microorganismos, y que están presentes en la materia orgánica de los vertidos, son el C, H, O, N, P, S, Na, K y otros. La acción de los microorganismos aerobios, anaerobios y facultativos sobre los compuestos orgánicos dan origen a fermentaciones que transforman la materia orgánica, tendiendo a su mineralización. Las principales transformaciones se sintetizan en los ciclos de los cuatro principales nutrientes, que se describen a continuación. 2.4.4.1 Ciclo del carbono La materia orgánica carbonácea contenida en el agua proviene de los restos de animales y plantes muertos, de los vertidos urbanos e industriales y del arrastre de los suelos. Los procesos del ciclo del carbono son los siguientes: ‰

Las bacterias aerobias pueden oxidar la materia orgánica, dando origen a anhídrido carbónico gaseoso y, en parte por la presencia de elementos básicos como sodio, calcio o magnesio, en carbonatos y bicarbonatos. El proceso es similar al de la respiración de animales y plantas.

‰

También se puede dar el fenómeno contrario, denominado fotosíntesis. En presencia de luz solar, las plantas verdes, que contienen clorofila, y principalmente las algas verdes transforman el anhídrido carbónico en oxígeno y en complejos compuestos orgánicos del carbono, como los carbohidratos. Este fenómeno es uno de los recursos principales de las corrientes de agua para incrementar su contenido de oxígeno.

‰

En caso de no existir oxígeno disuelto en las aguas, las bacterias anaerobias transforman la materia orgánica en metano y otros compuestos gaseosos. Los efectos son de burbujeo de gas y olores.

2.4.4.2 Ciclo del nitrógeno En las primeras etapas de la fermentación de la materia orgánica nitrogenada, por vía aerobia o anaerobia, se produce amoniaco y compuestos amoniacales. El ciclo anaeróbico da origen a compuestos orgánicos olorosos. Por vía aerobia, el amoníaco se nitrifica pasando a nitritos y nitratos en dos etapas sucesivas: ‰

Por la acción de bacterias Nitrosomonas y Nitrosococcus pasa el amoníaco a nitritos.

‰

Por la acción de bacterias Nitrobácter pasan los nitritos a nitratos.

Estas bacterias requieren oxígeno, fósforo, existencia de productos básicos de sodio y calcio y baja concentración de tóxicos, a los que son muy sensibles. Los nitratos así obtenidos pueden ser asimilados por las plantas para formar proteínas. Puede suceder el efecto contrario, es decir, la eliminación de nitratos o desnitrificación, con presencia de materia orgánica carbonatada y pequeñas concentraciones de oxígeno, por la acción de bacterias reductoras. Se puede pasar así de nitratos a nitritos y de nitritos a amoniaco, óxido nitroso y nitrógeno. 2.4.4.3 Ciclo del fósforo El fósforo se encuentra en las aguas como materia orgánica o como productos totalmente __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-23

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oxidados como los ortofosfatos (M3PO4, M3(PO4)2, MPO4). La acción de microorganismos aerobios transforma la materia orgánica fosfatada en fosfatos. La acción anaerobia puede reducir los fosfatos a fosfitos, hipofosfitos e, incluso, fosfhídrico (PH3). 2.4.4.4 Ciclo del azufre En condiciones anaeróbicas, la materia orgánica sulfurada da origen a compuestos altamente olorosos como el sulfhídrico, por la acción de bacterias anaerobias como la Escherichia coli. En ausencia de oxígeno y nitratos, la materia sulfurada genera productos como el metil-mercaptano (CH3SH), fuertemente oloroso. Estos son altamente corrosivos del hormigón. Por la vía aerobia, y con presencia de nitratos, la materia orgánica se oxida rápidamente a sulfatos. 2.4.5 Niveles de calidad A título ilustrativo, en la siguiente tabla se presentan algunos de los niveles guía de calidad de agua establecidos para la Cuenca del Plata, en función de los distintos usos, a saber: Uso I : Agua para consumo humano con tratamiento convencional. Uso II : Agua para actividades recreativas con contacto directo. Uso III : Agua para actividades agropecuarias. Uso IV: Protección de vida acuática. Usos

Elemento I pH

II

III

IV

6,5/8,5 6,5/8,5 6,5/8,5 6,5/8,5

Oxígeno disuelto (mg/l)

>5

>5

>4

>5

DBO5 (mg/l)

3

3

3

3

Cloruros (mg/l)

250

-

250

-

Nitrógeno amoniacal (mg N/l)

0,5

-

-

0,02

Nitrógeno de nitratos (mg N/l)

10

-

-

-

Nitrógeno de nitritos (mg N/l)

0,1

-

-

-

Coliformes totales (NMP/100 ml)

5000

-

1000

-

Coliformes fecales (NMP/100 ml)

1000

200

-

-

Cadmio (mg/l)

0,005

0,005

0,005

0,0002

Plomo (mg/l)

0,05

-

0,05

0,001

Cromo total (mg/l)

0,05

0,05

0,05

0,002

Aldrín/Dieldrín (ng/l)

30

-

-

4

DDT (ng/l)

1000

-

-

1

Como complemento, en la siguiente tabla se muestran los niveles de calidad (obligatorios O y guía G) para las aguas superficiales destinadas a la producción de agua para la alimentación en los estados miembros de la Unión Europea (Instrucciones del Consejo del 16/junio/1975), dependiendo del tratamiento, a saber: __________________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 2-24

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Categoría A1: Tratamiento simple y desinfección Categoría A2: Tratamiento normal físico, químico y desinfección Categoría A3: Tratamiento avanzado físico, químico, refino y desinfección Tipo

Inorgánico

Orgánico

Metal pesado

Físico

Biológico

Sustancia o elemento

Unidad

Conductividad eléctrica (20º) Cloruro (Cl-) Sulfato (SO42-) Amonio (N-NH4+) Nitrógeno Kjeldahl Nitrato (N-NO3-) Fosfato total (P-PO43-) Fluoruro (F) Hierro disuelto (Fe) Cobre (Cu) Zinc (Zn) DBO5 (20º) DQO Detergentes aniónicos (manaxol) Pesticidas organoclorados totales Hidrocarburos policíclicos aromáticos Fenoles Aceite Plomo (Pb)

mS/m

Cadmio (Cd) Cromo (Cr) Mercurio (Hg) Arsénico (As) Manganeso (Mn) Selenio (Se) Cianuro (CN-) Bario (Ba) Boro (B) pH Temperatura Saturación de oxígeno Material suspendido Coliformes totales (37ºC) Coliformes fecales Estreptococos fecales Salmonelas

A1

A1

A2

A2

A3

A3

O

G

O

G

O

G

100

mg/l mg/l mg/l

250

200 150 0,04

mg/l mg/l mg/l

11

1 5,5 0,17

250 1,2

200 150 0,8

100

250 3,1

2 11

200 150 1,6 3

11 0,31

0,31

0,7/1 1 0,05 1 5

0,7/1 1 1 1 50

25

1000 5,5/9 22 > 30

5000

50000

20

2000

20000

20

1000

10000

Ausencia en 5000 ml

Ausencia en 1000 ml

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Capítulo 3 – Destino y transporte de contaminantes en ríos y estuarios _____________________________________________________________________________________

CAPITULO 3 DESTINO Y TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EN RIOS Y ESTUARIOS

3.1 INTRODUCCION El destino de los contaminantes en sistemas acuáticos está determinado por: i)

El tipo y clase de fuentes externas.

ii)

El transporte de las sustancias a través de los varios elementos del ciclo hidrológico.

iii) La transformación química, biológica o bioquímica de estas sustancias de una a otra forma. La discusión de estos tres grupos de factores puede ser hecha de diferentes maneras, aunque siempre a través de generalizaciones más o menos esquemáticas, en parte debido a que la cantidad de sustancias contaminantes posibles en un cuerpo de agua es casi infinita. En efecto, basta con tener en cuenta que alrededor de cinco mil compuestos químicos nuevos son "inventados" anualmente, la mayoría de los cuales encuentra su camino hasta los recursos superficiales o subsuperficiales de agua (afectando, entonces, potencial o realmente formas de vida acuática y humana). El análisis de esta sección partirá de consideraciones de conservación de la masa, de modo de llegar a una ecuación básica y general que dé cuenta de los procesos de transporte y transformación y de los factores que lo afectan. En próximas secciones se elaborará sobre los varios términos de esta ecuación en más detalle. Caracterizando la cantidad (masa) de una sustancia dada en un volumen unitario de agua con su valor de concentración c [ML-3], y en base a consideraciones de continuidad y conservación de masa, la variación de c con el tiempo t puede escribirse como

∂c ∂c ∂c ∂c ∂ 2c ∂ 2c ∂ 2c + vx + vy + vz = Dx + D + D + ∑ φ ii (c, c j ) + S ( x, y, z , t ) (3.1.1) y z ∂t ∂x ∂y ∂z ∂ x2 ∂ y2 ∂ z2 i

donde x,y,z [L]: t [T]: vx ,vy ,vz [LT-1]:

coordenadas espaciales coordenada temporal componentes de la velocidad de la corriente en las direcciones espaciales x, y y z, respectivamente

_____________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 3-1

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Capítulo 3 – Destino y transporte de contaminantes en ríos y estuarios _____________________________________________________________________________________

Dx ,Dy ,Dz [L2T-1]:

φ i(c,cj) [ML-3T-1]: S(x,y,z,t) [ML-3T-1]:

coeficientes de difusión en las direcciones espaciales x, y y z, respectivamente procesos internos (fuentes) de la sustancia que pueden ser expresados como funciones de c y/o de las concentraciones cj de otras sustancias fuentes externas que varían tanto en el espacio como en el tiempo

El transporte advectivo, representado por los últimos tres términos del primer miembro de la ecuación (3.1.1), concierne la entrada o salida de sustancia desde el volumen elemental de control con la velocidad de la corriente. Por su parte, el transporte difusivo, representado por los tres primeros términos del segundo miembro de la ecuación (3.1.1), se refiere a la entrada o salida de sustancia debido al efecto combinado de las difusiones molecular y turbulenta. Ambos efectos difusivos son causados por movimientos pulsátiles: * *

El movimiento browniano (inducido térmicamente) de la molécula. La pulsación de las velocidades de corriente alrededor de sus valores medios causada por la turbulencia.

Usualmente, y tal como se expresa en la ecuación (3.1.1), ambos fenómenos son descriptos por medio de una ley de Fick, que establece que el transporte de masa en la dirección del gradiente de concentración es proporcional a ese gradiente a través de un coeficiente (o, más en general, un tensor) de difusión. Las reacciones internas (denominadas más generalmente procesos de transformación) son los efectos sobre la sustancia de varios procesos físicos, químicos, bioquímicos y biológicos, que resultan en un cambio de la cantidad de sustancia dentro del volumen elemental de control. Esto puede ser una "pérdida" de sustancia causada por procesos tales como asimilación biológica o descomposición química-bioquímica, o "ganancia" de sustancia causada por procesos tales como el crecimiento de un organismo viviente o el aumento a expensas de otra sustancia debido a reacciones químicas o bioquímicas. Un proceso característico de este último tipo es la nitrificación (es decir, el aumento de nitrato a expensas de amonia y nitrito). Las reacciones internas también pueden ser denominadas fuentes o sumideros internos. Las fuentes externas se refieren a materiales que entran en el cuerpo de agua provenientes de fuentes localizadas fuera de él, tales como fuentes puntuales (descargas de efluentes) y fuentes no puntuales (aporte superficial y subsuperficial a un canal o a un lago inducido por la escorrentía). También incluyen, con signo negativo, a los sumideros externos, que están asociados a materiales removidos del cuerpo de agua por la acción de tomas de agua, diversión de agua, remoción de maleza acuática, pesca, etc. Si se consideran más de una sustancia interactuante, puede escribirse una ecuación del tipo de la (3.1.1) para cada una de las sustancias o constituyentes considerados. El resultado es un conjunto de ecuaciones diferenciales, que constituye la representación matemática o modelo de los procesos del sistema acuático. Dado que los procesos que ocurren dentro de un ecosistema acuático son muy complejos y que la cantidad de parámetros y variables de estado involucradas en el análisis es muy grande, la representación matemática de aún un modelo altamente simplificado de un ecosistema acuático puede consistir de una docena o más de ecuaciones. Adicionalmente, hay generalmente un gran conjunto de ecuaciones auxiliares que tienen en cuenta los varios procesos internos dentro del sistema. _____________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 3-2

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Capítulo 3 – Destino y transporte de contaminantes en ríos y estuarios _____________________________________________________________________________________

En el presente apunte se presentarán y describirán algunos de los procesos más importantes y sus formulaciones matemáticas. Previamente, se desarrollarán en forma sintética los conceptos y herramientas que permiten determinar los parámetros hidrodinámicos.

3.2 HIDRODINAMICA BASICA DE RIOS Y ESTUARIOS 3.2.1 Modelo matemático unidimensional Cuando la escala espacial de análisis de la hidrodinámica de un río o un estuario es mucho mayor que su ancho y su profundidad, es suficiente y conveniente plantear las versiones de las ecuaciones de movimiento integradas en toda la sección transversal. Esto conduce a un modelo matemático unidimensional, en el cual los efectos de las escalas transversales de movimiento aparecen integrados y sólo se resuelven las escalas longitudinales largas. Uno de los principios básicos de la hidrodinámica es la ley de conservación de la masa. Para deducir su versión unidimensional se utilizará la figura 3.2.1, que muestra el esquema de un tramo de un curso superficial de agua. El tramo se caracteriza por presentar una dirección de movimiento bien definida, a lo largo de su cauce, que se identifica con la coordenada espacial x. La entrada del tramo está caracterizada por una sección transversal de área Ω(x,t) y un caudal Q(x,t). La salida del tramo está ubicada a una distancia ∆x de la entrada. Entre ambos extremos existe un aporte lateral, caracterizado por la descarga q por unidad de longitud.

q Q(x,t)

Ω(x,t)

Q(x+∆x,t) ∆x

Ω(x+∆x,t) x

Figura 3.2.1 Volumen de control para balance de masa unidimensional

Estableciendo que la variación temporal del volumen de agua comprendido dentro del tramo durante un intervalo de tiempo ∆t se debe al balance neto de los caudales entrantes y salientes del tramo, se obtiene:

[Ω(t + ∆t ) − Ω(t )] ∆x = [Q( x) − Q( x + ∆x)] ∆t + q∆x∆t

(3.2.1)

_____________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 3-3

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donde t es la coordenada temporal. Si en la ecuación (3.2.1) se toma el límite cuando ∆t y ∆x tienden a cero, se obtiene la forma diferencial de la ley de conservación de la masa de agua:

∂Ω ∂Q + =q ∂t ∂x

(3.2.2)

Del mismo modo, el tramo de la figura 3.2.1 puede ser empleado para aplicar la ley de conservación de la cantidad de movimiento, que en su forma diferencial se expresa como:

∂U q ∂U ∂z +U + g + gI f = − (U − u L ) ∂t ∂x ∂x Ω

(3.2.3)

donde U = Q/Ω es la velocidad media de flujo, g la aceleración de la gravedad, z = zo + h la cota de la superficie libre, con zo la cota del fondo y h el tirante (profundidad del talweg), If la pendiente de fricción (representativa de la transferencia de energía mecánica desde el flujo medio hacia la turbulencia) y uL la componente en la dirección x de la velocidad del aporte lateral. El sistema de ecuaciones (3.2.2)-(3.2.3) se conocen como Ecuaciones de Saint-Venant y constituyen un modelo matemático unidimensional del flujo. Sin embargo, para cerrar el sistema todavía debe proveerse una expresión para la pendiente de fricción. La forma habitual de parametrizarlo es la siguiente:

If =

n 2U 2 R4/3

(3.2.4)

donde n es el coeficiente de fricción de Manning y R=Ω/χ el radio hidráulico, con χ el perímetro mojado.

3.2.2 Soluciones para flujo permanente Se considerarán a continuación algunas soluciones particulares de las ecuaciones de Saint-Venant para el caso estacionario, es decir, cuando

∂ =0 ∂t

(3.2.5)

En particular, se presenta la solución para el caso de un flujo uniforme en un río o canal. Además, se muestra la ecuación general resultante para el caso permanente, cuya integración conduce a la familia de curvas de remanso, soluciones aplicables en tramos de ríos o para el flujo de base de un estuario. 3.2.2.1 Flujo uniforme Suponiendo que no existen aportes laterales: •

q = 0,

_____________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 3-4

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que la pendiente del fondo es constante: •

−

∂zo ≡ I 0 = cte. , ∂x

y que las condiciones de flujo son uniformes: •

∂h ∂U =0 , =0 ∂x ∂x

(ver figura 3.2.2) el sistema de ecuaciones de Saint Venant se reduce a la siguiente relación:

Ω2R4/3 =

n 2Q 2

(3.2.6)

I0

La ecuación (3.2.6) muestra que, para una pendiente y coeficiente de fricción dados, el caudal y la profundidad local del flujo se relacionan algebraicamente de una manera unívoca, es decir que, fijado uno, el otro queda completamente determinado.

h U z0 Figura 3.2.2 Flujo uniforme

3.2.2.2 Curvas de remanso Si sólo se utiliza la hipótesis de permanencia, ecuación (3.2.5), el sistema de Saint Venant conduce a la siguiente ecuación diferencial ordinaria:

Q 2 ∂Ω n 2Q 2 − +I dz g Ω3 ∂x z Ω 2 R 4 / 3 L = dx 1 − Fr 2

(

donde Fr ≡ Q B / g Ω3

)

(3.2.7)

es el número de Froude y IL la contribución del aporte lateral, que

depende del tipo de aporte. La ecuación (3.2.7) se resuelve con técnicas numéricas estandar (por ejemplo, método de Runge-Kutta), dando lugar a la familia de soluciones conocida genéricamente como curvas de remanso (figura 3.2.3). El sentido de integración de la ecuación anterior (en el sentido de la corriente o en contra de ella) depende del número de Froude: cuando Fr < 1 el flujo es subcrítico y la condición de borde de (3.2.7) se da en el límite de aguas abajo; en cambio, _____________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 3-5

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cuando Fr > 1 el flujo es supercrítico y se debe dar la información de borde en la sección aguas arriba del tramo de estudio. Si el problema involucra un cambio de régimen (pasando por Fr = 1), la ecuación (3.2.7) se resuelve por tramos, empalmando adecuadamente las soluciones parciales (eventualmente, a través de un resalto hidráulico).

Figura 3.2.3 Curvas de remanso 3.2.3 Soluciones para flujo impermanente Para el caso más general de flujo impermanente, es decir,

∂ ≠0 ∂t

(3.2.8)

es posible encontrar algunas soluciones analíticas de las Ecuaciones de Saint-Venant, si se aceptan algunas simplificaciones. En caso contrario, debe procederse a la integración numérica de las Ecuaciones de Saint Venant (3.2.2) y (3.2.3). Se presentan en lo que sigue los casos de una onda de inundación que se propaga en un río y la onda de marea que penetra en un estuario y, eventualmente, remonta el tramo inferior de un río.

3.2.3.1 Onda de inundación Si se considera que existe un flujo de base uniforme, caracterizado por los valores h0 , U0, con Fr0 < 2, que el canal de flujo es cuasi-prismático y muy ancho y que la onda es de amplitud pequeña, la solución para el perfil de la onda es la siguiente (figura 3.2.4):

η ( x, t ) ≡ z ( x, t ) − zo ( x) − ho =

A

λ

4 − Fr02

2π gh0t

⎧ 2λ ( x − cc t ) 2 ⎫ exp ⎨− ⎬ 2 ⎩ gh0 (4 − Fr0 )t ⎭

(3.2.9)

_____________________________________________________________________________________ A.N. Menéndez página 3-6

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donde λ ≡ gI 0 / U 0 es la inversa de una escala de tiempo de respuesta del sistema,

cc ≡ ( 3 / 2 ) U 0 la celeridad de la onda (cinemática) y A ≡

∞

∫ η ( x, 0)dx el volumen de agua de la

−∞

onda de inundación (por sobre el flujo de base) por unidad de ancho.

Figura 3.2.4 Onda de inundación 3.2.3.2 Onda de marea Con las mismas hipótesis que para el caso de la onda de inundación, y suponiendo que la condición de borde de aguas abajo está dada por una marea de amplitud uniforme a0 y período 2π/ω constante •

η ( x = L, t ) = a0 cos(ω t )

la solución para la onda de marea es la siguiente (figura 3.2.5):

⎛ Ψξ ⎞ ⎛ ξ ⎞ )⎟ ⎟⎟ cos ⎜⎜ ω (t − ⎟ | c | | c | g g ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

η ( x, t ) ≡ z ( x, t ) − zo ( x) − ho = a0 exp ⎜⎜ −

(3.2.10)

donde ξ = L − x es la coordenada espacial que remonta la corriente, con L la coordenada del

⎛ ⎝

punto donde se impone la condición de borde, Ψ ≡ λ ⎜ 1 +

Fr0 ⎞ ⎟ la inversa de la escala de 2 ⎠

tiempos modificada y cg = U 0 − gh0 (< 0) la celeridad de la onda (de gravedad).

cg Uo

Figura 3.2.5 Onda de marea

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3.2.4 Estratificación salina Debido a que el agua oceánica (salada) posee una densidad mayor que la fluvial (dulce), cuando la energía (ligada a la amplitud) de la marea es relativamente débil en relación a la energía (ligada al caudal) del flujo de base, se produce un flujo estratificado dentro del estuario, en el cual el agua oceánica penetra como una cuña sobre el fondo y la descarga fluvial se derrama por encima (figura 3.2.6).

Figura 3.2.6 Cuña salina La descripción matemática de un flujo estratificado requiere un modelo más general que el de Saint Venant. Bajo las condiciones de un análisis unidimensional (escala de análisis mucho mayor que las dimensiones transversales del flujo) se pueden plantear versiones integradas para cada una de las dos capas. Si, partiendo de ese modelo unidimensional de flujo estratificado se considera que el flujo es estacionario, que el canal es cuasi-prismático y muy ancho, que la velocidad de la capa salada es nula (y que, en consecuencia, la tensión de corte contra el fondo es despreciable), se obtiene la siguiente solución implícita para el espesor de la capa dulce, en función de la coordenada x definida a lo largo del estuario:

x(a1 ) =

2h ⎧ 1 ⎛ 2 ⎞⎫ − 2 + 3Fr12 / 3 ⎜1 − Fr12 / 3 ⎟ ⎬ ⎨ 2 fi ⎩ 5 Fr1 ⎝ 5 ⎠⎭

(3.2.11)

donde a1 es el espesor de la capa dulce, Fr1 = u1 / ( g ' h ) el número de Froude densimétrico,

u1 ≡ qe / a1 la velocidad de la capa dulce, qe el caudal de agua dulce por unidad de ancho, g ' = ( ∆ρ / ρ ) g la aceleración gravitatoria reducida, ∆ρ la diferencia de densidad y fi el factor

de fricción en la interfase. Esta solución es válida si a1