Calidad del agua: evaluación y diagnóstico PDF

Preview

Summary

CALIDAD DEL AGUA – Evaluación y diagnóstico – Carlos Alberto Sierra Ramírez M.Sc. Water Resources Engineering George Washington University de la ediciones CALIDAD DEL AGUA – Evaluación y diagnóstico – 1a edición 2011 © Universidad de Medellín © Ediciones de la U © Carlos Alberto Sierra Ramírez ISBN...

Description

Accelerat ing t he world's research.

Calidad del agua: evaluación y diagnóstico Tamara Toledo

Related papers

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

Ubicacion juana Filipa Andrea Torres Presa Endhó Limnología Maria Guadalupe Angeles Rosas Recursos Hídricos Concept os básicos y est udios de caso en Iberoamérica Dany Cargnino

CALIDAD DEL AGUA

– Evaluación y diagnóstico –

Carlos Alberto Sierra Ramírez M.Sc. Water Resources Engineering George Washington University

ediciones

de la

CALIDAD DEL AGUA

– Evaluación y diagnóstico –

1a edición 2011

© Universidad de Medellín © Ediciones de la U © Carlos Alberto Sierra Ramírez ISBN: 978-958-8692-06-7

Editor: Leonardo David López Escobar Dirección electrónica: [email protected] Universidad de Medellín. Medellín, Colombia Cra. 87 No. 30-65. Bloque 20, piso 2. Teléfonos: 340 52 42 - 340 53 35 Medellín - Colombia Distribución y ventas: Universidad de Medellín E-mail: [email protected] www.udem.edu.co Cra. 87 No. 30-65 - Teléfono: 340 52 42 Medellín, Colombia Ediciones de la U www.edicionesdelau.com Calle 24 A No. 43-22 - Quinta Paredes PBX: (57-1) 4-810505 Ext.114 Fax: (57-1) 3-440351 Bogotá, Colombia

Fotografía portada: Diego Arango Bustamante Quebrada La Presidenta, Parque Comercial El Tesoro Diagramación: Hernán D. Durango T. [email protected]

Impresión: Digiprint Editores E.U. Cl. 63 Bis No. 70-49 Fax: 224 2061 Tels.: 251 7060 - 430 7050 Bogotá, D.C. Colombia Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida, ni en todo ni en parte, por ningún medio inventado o por inventarse, sin el permiso previo y por escrito de la Universidad de Medellín y de Ediciones de la U. Hecho el depósito legal.

A quienes son y han sido mis alumnos:

GRACIAS por permitirme ser parte de su formación como personas.

SATISFACCIÓN… la que se siente al verlos triunfar. ORGULLO, el que embarga cuando saludan después de algún tiempo.

GANAS de seguir adelante las que dan cuando, ya como colegas, consultan y piden opiniones.

En fin, muchachos…, GRACIAS, por haberlos conocido.

Contenido PRESENTACIÓN ............................................................................................................. 23

CAPÍTULO 1

Conceptos generales 1.1 1.2 1.3 1.4

CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA ...................................................... 27 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA ................................................................... 28 EL AGUA Y EL MUNDO ......................................................................................... 29 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

2.2 2.3

2.4

DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA .................................................................. 47

AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL (SIN TRATAMIENTO) ........................... 48

AGUAS RESIDUALES ............................................................................................ 50 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE) ...................................................................... 52

▪  7

2.5 2.6

2.7

PROPIEDADES DEL AGUA..................................................................................... 52

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

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

3.3

LOS BIOENSAYOS.................................................................................................. 96

3.2 3.4

3.5

CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS ....................................................................... 94

TOXICIDAD AGUDA Y CRÓNICA .......................................................................... 99

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 4.2

RELACIÓN ENTRE PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA Y SUS USOS BENÉFICOS...........................................................................................................117 CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA ..................................................................118

4.3

CONTAMINANTES DE INTERÉS SANITARIO ..................................................... 136

4.5

ESTABLECIMIENTO DE USOS Y OBJETIVOS DE CALIDAD DEL AGUA EN UN RECURSO HÍDRICO ................................................................................. 137

4.4

RESUMEN SOBRE USOS BENÉFICOS DEL AGUA ................................................ 137

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 145

▪  8

CAPÍTULO 5

Índices de calidad del agua 5.1

DEFINICIÓN DE ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA ............................................. 149

5.3

EL CONCEPTO DE FUNCIÓN DE CALIDAD DEL AGUA....................................... 152

5.2 5.4

5.5 5.6

EMPLEO DE ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA...................................................151 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

ÍNDICES DE CALIDAD CON BASE EN LAS CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DEL AGUA.............................................................................. 160

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 6.2

6.3

MANEJO, ALMACENAMIENTO Y ACCESO A DATOS DE CALIDAD DEL AGUA ............................................................................................................172

ESTADÍSTICAS BÁSICAS .....................................................................................173

6.2.1 Medidas de tendencia central y cuartiles. .................................................176 6.2.2 Medidas de dispersión o variabilidad. .......................................................177

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

▪  9

6.4

6.5

6.6

6.3.2 Distribuciones no normales. .................................................................... 189

PRUEBAS O CONTRASTE DE HIPÓTESIS (LA PRUEBA t DE STUDENT) ........... 190

CORRELACIÓN Y ANÁLISIS DE REGRESIÓN...................................................... 199

6.5.1 Correlación .............................................................................................. 200 6.5.2 Análisis de regresión ................................................................................ 201

PRESENTACIÓN DE DATOS ................................................................................ 206

6.6.1 Tipos de presentaciones gráficas .............................................................. 207

6.6.2 Gráficos de series de tiempo ..................................................................... 207

6.7

6.6.3 Resumiendo las características de calidad del agua (diagramas de caja). 208

ERRORES ............................................................................................................. 209 6.7.1

6.7.2

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 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

7.1.2

7.1.3

7.2

7.1.4

Técnicas de muestreo apropiadas ............................................................. 218

Preservación de las muestras ................................................................... 218

Análisis de datos ...................................................................................... 218

TIPOS DE MUESTRAS ......................................................................................... 219

7.2.1

Muestra instantánea ................................................................................. 219

7.2.3

Muestra integrada .................................................................................... 221

7.3.1

Muestreo manual ...................................................................................... 221

7.2.2 7.3

Representatividad de la muestra .............................................................. 218

Muestra compuesta................................................................................... 220

CLASES DE MUESTREO ...................................................................................... 221

7.3.2

Muestreo automático ................................................................................ 221

7.4

FRECUENCIA DE MUESTREO ............................................................................. 221

7.6

MANEJO DE LAS MUESTRAS ............................................................................. 223

7.5

▪  10

IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS ............................................................... 222

7.7

7.8

PRESERVACIÓN DE LAS MUESTRAS .................................................................. 224

EQUIPOS DE MUESTREO .................................................................................... 224

7.8.1

Muestreadores manuales .......................................................................... 224

7.8.3

7.8.2.1 Muestreador no proporcional ........................................................ 225 7.8.2.2 Muestreadores para aguas residuales ........................................... 226 Muestreadores para biota ......................................................................... 228

7.8.2

7.9

7.8.4

Muestreadores automáticos ...................................................................... 225

Sensores ................................................................................................... 228

UBICACIÓN DE LAS ESTACIONES DE MUESTREO............................................. 229

7.9.1

Toma de muestras en alcantarillados........................................................ 229

7.9.3

Toma de muestras en lagos o embalses .................................................... 230

7.9.2

Toma de muestras en corrientes o canales ............................................... 229

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

8.1.2 8.2 8.3

8.1.3

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 Análisis de los datos sobre constantes de reacción ................................... 242 Efectos de la temperatura ......................................................................... 244

BALANCE DE MASA............................................................................................ 245

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

▪  11

8.3.3 Reactores flujo pistón ............................................................................... 248

8.4

8.3.4 Reactores completamente mezclados en serie .......................................... 250

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 ........................................................................