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Ingeniería ambiental aplicada en lagos y embalses. Microbiología, química y otras explicaciones más en este breve documento.
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Alteración en la fauna ⇒ ⇒⇒⇒
ayudan
a controlar la
contaminación y para calibrar la calidad
del agua
EUTROFICACIÓN→
griego:
EU→
“bueno”o“bien”
TROPHOS→
“alim
ento”
Rico en nutrientes
(ALIM
ENTO)
La eutrofizaciónes el proceso de enriquecimiento de
nutrientes que se lleva a cabo en un cuerpo de agua, que
provoca una serie de cambios sintomáticos, entre los que
el incremento y la producción de m
acrófitas , el deterioro
de la calidad del agua y otros cambios sintomáticos
resultan indeseables e interfieren con la utilización del
agua” (O
CDE, 1982).
agua” (O
CDE, 1982).
OCDE: Organización para la Cooperación Económica y
Desarrollo
•Eutrofizaciónnatural
(proceso
naturaldeenvejecimiento
deuncuerpode
agua).
�Materiales superficiales de la cuenca
�Sustancias transportadas por el viento
�Sustancias transportadas por aguas que
fluyen por el subsuelo
CIENTO DE M
ILES DE AÑOS (IRREVERSIBLE)
•Eutrofización“cultural”o“antropogénica”
(acciónantrópica)
�la creciente urbanización
�el desarrollo de actividades agrícolas
ACELERACIÓN DEL PROCESO NATURAL
(IRREVERSIBLE)
Productividad primaria ↑
Acorta la vida útil del cuerpo de agua
desde el p. de v. de su calidad
La velocidad es gobernable por el efecto
combinado de factores Físicos, Quím
icos y
Biológicos(~ 60-70 años –Margalef, 1.983)
AFECTA
EL USO DEL RECURSO
FUENTES
EXTERNAS
denutrientesaunsistema
lacustre
provienen
de
fuentespuntualeso
difusas
talescomo:
•Descargasdeefluentesdomésticos
•Descargasindustriales
•Descargasindustriales
•Escorrentíaagrícola,forestaly
urbana
•Aporteatm
osférico
FUENTEINTERNA
•Enelfondodelembalse→
materialesalóctonosque
llegan
por
los
afluentes,
los
precipitados
en
la
superficie
del
agua
einsolubles,
los
materiales
autóctonos
insolubles:
cadáveres
de
organismos,
desperdiciosvegetales,etc..
•Por
reducción,
en
los
primeros
centímetros
del
sedimento,quesonlosúnicosactivos,
considerando
losintercambiosagua-sedimento,ciertoselementoso
iones
pueden
ser
atrapados
oliberados
alternativamente.
•Losfosfatossonalmacenadosenlossedimentosen
form
ade
FePO
4(Fosfato
de
Hierro),
adsorbidos
sobre
laspartículasde
Fe(O
H) 3
yde
CO
3Ca
o
sobre
form
asorgánicasrelacionadasconlosácidos
húmicos
•Losestadosdeanoxiahacenque
elfósforo
sea
liberadoypuestodenuevo
encirculaciónporlas
corrientes
de
convección.
Esto
indica
que
dependiendo
de
las
condiciones
delmedio
el
sedimento
actuará
como
sumidero
ofuente
de
nutrientes
20%
por
año
Ciclo del Fósforo en un Embalse
PO
4ALGAL
Aportes
externos
Salida
SEDIMENTOS P
O4
Fe, C
a, A
l, Arcilla,
compuestos orgánicos
P disuelto
orgánico
PO
4–P
CLASIFICACIÓN
DE LOS
EMBALSES
Oligotróficos
�Baja Productividad
�Altos niveles de oxígeno
�Baja concentración de
nutrientes
�Alta Productividad
EMBALSES
Eutróficos
�Alta Productividad
�Bajos niveles de oxígeno
�Alta concentración de
nutrientes
Natural
Oligotróficos
Miles y cientos
de años
EUTRÓFICOS
(gradualmente
se llenan de
sedimentos transportados
de años
sedimentos transportados
por los ríos y por erosión
del suelo)
FACTORES QUE IN
FLUYEN EN LA APARICIÓN DE
LA EUTROFICACIÓN
�Estad
otrófico
odenutrientes
�Características
de
lamasa
de
agua
(tam
año,
tiem
poderesiden
cia,etc)
�Estratificación(m
onomíctico
,dim
íctico
)
CLASIFICACIÓNOCDE:
�Nivel
med
ioan
ual
de
fosfato
que
entra
alsistem
a
�Producciónmed
iaan
ual
decrecim
iento
vegetal
(clorofilaa)
EFECTOS ECOLÓGICOS DE LA
EUTROFIZACIÓN CULT
URAL
�Increm
etoen
lapoblaciónvegetal
→ →→→au
men
tode
macrófitas
enlas
zonas
litorales
de
los
lagos
�Encaso
sextrem
osdeexce
sivasen
tradas
de
�Encaso
sextrem
osdeexce
sivasen
tradas
de
nutrientes
vegetales
(nitrógen
oy
fósforo)→ →→→
floraciones
algales
�Predominio
de
algas
verdeazules
(Cyanobacterias)→ →→→
Anabaena
↓ ↓↓↓
↓ ↓↓↓
Red
uccióndelatran
sparen
cia(turbidez
↑ ↑↑↑)
↓ ↓↓↓
Oscurecimiento→ →→→
luz(factorlim
itan
te):muerte
de
macrófitas(sumergidas)
↓ ↓↓↓
Alteración
de
los
aspectos
estético
s→ →→→
las
floraciones
son
desag
radab
les
(olor
fuerte,
aspecto
limoso
)
↓ ↓↓↓
crecim
iento
extrem
odemacrófitas(emergen
tes)→ →→→
(algas
filamen
tosasCladophora)
↓ ↓↓↓
↓ ↓↓↓poblaciones
masivas
dealgas
quemueren
↓ ↓↓↓detritusorgán
ico
↓ ↓↓↓desco
mposición
→ →→→desoxigen
acióndel
enellech
odellago
hipolimnion
enellech
odellago
hipolimnion
(sih
ayestratificación)
↓ ↓↓↓alteraciónde:
comunidad
deinverteb
rados(diversidad
)alteracióndeespeciesdepeces
(salmónidos→ →→→
ciprínidos:carpas)
Pérdidademacrófitas→ →→→
vulnerab
ilidad
dela
zona
litorala
laerosión(olas)
↓ ↓↓↓
alteracióndelaestructura
delháb
itat
↓ ↓↓↓
pérdida de los lugares de desove de los peces y
pérdida de los lugares de desove de los peces y
de háb
itat de vida de los peces e inverteb
rados
↓ ↓↓↓
alteración de la cad
ena alim
entaria→ →→→
reducción
de alim
ento para peces y
aves que se nutren
de
otros peces y plantas
↓ ↓↓↓
RESPUESTA
TRÓFICA EN CASCADA
↓ ↓↓↓pérdida de peces
→ →→→alteración del zooplacton
↓ ↓↓↓fitoplancton del que se alimen
ta↓ ↓↓↓
bloom algal”
↓ ↓↓↓↓ ↓↓↓Producción primaria ↑ ↑↑↑
↓ ↓↓↓desco
mposición de materia orgán
ica
↓ ↓↓↓O
2 ↓ ↓↓↓
↓ ↓↓↓DESAPARICIÓN DE PECES E
INVERTEBRADOS !!
PROBLEMAS ASOCIADOS A LA EUTROFICACIÓN DE LAGOS Y EMBALSES
Descarga excesiva de nutrientes que conduce a:
Area problema
Floraciones
algales y cambios
en la composición
de las especies
Crecimiento
algal litoral y de
macráfitas
excesivo
Turbiedad o
colmatación
1. D
eterioro de la calidad hídrica
�Sabor
yolor,
XXX
XX
�Sabor
yolor,
color,
floculación,
sedim.yotras
dificultades
para
el
tratamiento
(toxinas,
exc
NO
3-)
XXX
XX
�Disminución de
oxígeno
hipolim
nético,
cambios de pH,
Fe, M
n, C
O2, C
H4,
H2S
XXX
X-
�Toxicidad
XX
-
�Problemas de
oclusión de
cañerías y otras
estructuras
XX
XX
2. D
eterioro recreativo
�Aspecto
desagradable
�Riesgos para
bañistas
�Incr. R
iesgos de
salud
XX - X
X XX X
X - -
3. D
eterioro pesquero
3. D
eterioro pesquero
�Mortandad de
peces
�Especies
indeseables
XX
XX
X -
X -
4. E
nvejecimiento y
reducción de la
capacidad de
retención y del flujo
XXX
XX
Frecuencia o im
portancia: XXX m
uy elevada,
XX elevada, X ocasional, -no aplicable
Fuente:ILEC-Directrices para la Gestión
Fuente:ILEC-Directrices para la Gestión
de Lagos (Vol.1)
LAGOS Y EMBALSES
↓
PROCESOS DE EUTROFIZACIÓN
Calidaddelagua
→movimiento
delosvientos
cambiosdetemperatura
aportes/descargas
EPILIM
NION
→radiaciónsolar
Epilimnio
Term
oclina
Invierno a
primavera
Verano
a otoño
Gran ∆T
Pequeño
∆
Profundidad
Hipolim
nio
Sucesos de verano
Verano
Invierno
04
10
20
Temperatura (ºC)
∆d
Perfiles de temperatura en un lago estratificado (hemisferio norte)
Profundidad
⇒morfometría de la cubeta lacustre
⇒exposiciónalviento
⇒estructura
delaestratificación
FACTORES
IMPORTA
NTES EN
LOS MOVIM
IENTOS
DEL AGUA
⇓ ⇓⇓⇓⇓ ⇓⇓⇓
Distribucióndenutrientes
Distribucióndemicroorganismos
Distribucióndelplancton
ESTA
BILIDAD → →→→
Número de Richardso
n
()
()
()
()2
2R
Z ∆
∆u/
ρ
∆ρ/∆Z
g
Z /∆
∆u
ρ21
∆Z
∆ρ/∆Z
g21
EC
EP
N−
=−
==
donde
EP=energíapotencial∆Zeslavariacióndelaaltura
EC=energíacinética
uesunavelocidadmedia
Velocidadala
cuallosesfuerzosdelgradiente
de
velocidadsuministranenergía
alosremolinos
de
turbulencia>velocidad
conquedichaturbulencia
ejerce
trabajo
contra
lagravedad
→rompe
laestratificacióndedensidad→
aumenta
turbulencia
SiR
i>0.25⇒
flujo
estable
SiR
i>0.25⇒
flujo
estable
SiR
i<0.25⇒
flujo
noestable
⇓Pasaje
dela
microturbulencia
moleculardeflujo
estableala
macroturbulenciade
grandesremolinosasociadoaunflujoinestable
ESTA
DO TRÓFICO
La
concentración
totalde
fósforo
está
relacionada
conlaclorofila,porlasiguiente
expresión:
log (clorofila) = -1,09 + 1,46 P
log (clorofila) = -1,09 + 1,46 P
Calidad trófica de los lagos
Parámetro
Oligotrófico
Mesotrófico
Eutrófico
Ptotal, µg/l
<10
10-20
>20
Clorofila, µg/l
<4
4-10
>10
Profundidad
seechi, m
>4
2-4
<2
seechi, m
Oxígeno en el
hipolim
nion, % O
2>80
10-80
<10
Coeficiente de difusión de los lagos
Tipo de Difusión
Coeficiente de
Difusión
Difusión de remolino
10-2–106
Difusión de remolino
10-2–106
Difusión m
olecular
10-5-10-4
Difusión térm
ica
10-8-10-6
FÓSFORO
→nutriente
más
usual
→lim
itael
proceso
deeutrofización
Sehanhechomuchostrabajosdeinvestigaciónpara
cuantificarelmismo(Vollenwerder,1975;Fischeret
al.,1979;Im
berger,1982;yHavisyOstendorf,1989)
balance
demateriasimpledefósforo
entrada de m
aterial -
salida de m
aterial -
-masa de P
que sedimenta en el lago +
+ generación de m
asa = velocidad de acumulación
QenCPen
CP
QoutCP
Vs
QenCPen-Q
outCP-VSASCP+0=
CP=Concentracióndefósforo
enellago
CP=Velocidaddesedimentación
CP=CPsal
CP
Vs
dt
dM
Sesuponeque:
•nohaygeneracióndefósforo
enelinteriordellago
•condicionesdeestadoestacionario
=0
•laconcentracióndefósforo
desalidadellagoesla
mismaquela
delpropio
lago
(reactordemezcla
completa)
•que
elcaudalde
entrada
esigualalcaudalde
dt
dM
•que
elcaudalde
entrada
esigualalcaudalde
salida.
Q C
pen= Q C
P+ V
SASCP= C
P(Q
+ V
SAS)
ConcentracióndePenellagoCP=
SSPen A
VQ
QC + +++
Unlagode20km
2desuperficie
tieneuncaudalde
entradadeaportacionesde10m
3/s
conCPen=0,01
mg/l.
Unadepuradora
deaguasresidualesurbanas
vierteelaguadepuradaconuncaudalde0,05m
3/sy
unaCPen=10mg/l.
Determ
inarla
concentraciónde
fósforo
enestadoestacionariodentrodellago.Se
fósforo
enestadoestacionariodentrodellago.Se
suponeunavelocidaddesedimentacióndeVS~20
m/año(0,6
x10-6m/s).Determ
inarla
concentración
perm
isible
enelvertidodeaguasresidualessila
CP
máximaenellagoes0,01mg/l.
Solución:
CP
=
Q=
10+0,05=10,05m
3/s
QCPen
=10x0,01+0,05x10=0,6g/s
SSPen A
VQ
QC
+ +++
QCPen
=10x0,01+0,05x10=0,6g/s
VSAS
=0,6x10-6x20x106=12m
3/s
Portanto
CP=
=0,027mg/l>0,01mg/l
12
10,050,6
+
Esnecesariaunareducciónenla
concentracióndePen
elafluente
deaguaresidual:
QCPen=Cp(Q
+VAAS)=0,01(10,5+12)=0,2205g/s
0,2205
=10x0,01+0,05xC
0,2205
=10x0,01+0,05xCPen
Portanto
CPen= 2,41 m
g/l
LaconcentracióndePenelvertidodeaguaresidual
debesermenorde2,41mg/l
METODOLOGÍAS SIM
PLIFICADAS PARA LA
EVALUACIÓN DE LA EUTROFICACIÓN EN
LAGOS CÁLIDOS TROPICALES
♦Desarrollado por el C
entro Panamericano de
Ingeniería Sanitaria y Ciencias del A
mbiente
♦Procesos de planificación
♦Procesos de planificación
♦Estimación del estado trófico de un lago cálido
tropical
♦Propone un m
odelo simplificado de P total, basado
en datos de lagos cálidos tropicales
♦Datosrequeridos:
L(P)(cargadeP,g/m
2/año)
Tw(tiempoderetención,años)
Z(profundidadpromedio,m)
♦calcula
elPtotal(g/m3)basadosenlosdatosde
entrada
yutilizando
una
ecuación
empírica
de
regresiónmúltiple
Pt = 0.290 L(P) 0.891 Tw
0.676 / Z
-0.934
♦ConelvalorpromediodePtenellago(m
g/l),se
leasigna
una
probabilidad
porcentual
acada
categoríatróficaenfuncióndelacargadeP.
♦Sepuedeelegirunacondicióntrófica
para
elcual
secalculalacargadenutrientesaportado
secalculalacargadenutrientesaportado
1.lagocompletamente
mezclado
2.condicionesdeestadodeequilibrio,representado
porelvalorpromedioestacional/anual
Las
suposiciones
usadas
para
elanálisis
del
modelodebalance
demasa
para
elP
totalson:
porelvalorpromedioestacional/anual
3.nutrientelim
itante
P
4.ElP
totalseusa
comomedidadelestadotrófico
ESQUEMA DE BALANCE DE M
ASA
W(fuentes externas de P)
V (volumen del lago)
Pt (fosforo total)QPt (flujo de salida)
sedimento
- Ks Pt V
(pérdida neta de P total)
Esquema del balance de masa
Datosmínimosrequeridos→
muestreosmensuales
de
un
año
tanto
de
lagos
como
de
mayores
tributarios.
Lascargasdirectasaunlagooembalsese
pueden
Lascargasdirectasaunlagooembalsese
pueden
estimarutilizandoloscoeficientesdeexportaciónque
consideraneluso
dela
tierrayelaportedeseres
vivos.
USO DE LA TIERRA
P TOTAL
(g/m2/año)
N TOTAL
(g/m2/año)
URBANO
0.1
0.5
AGRONOMICO-RURAL
0.05
0.5
BOSQUE
0.01
0.3
Coeficientes de exportación de Rast y Lee (1978),
tomados de Salas y Martino (1991)
BOSQUE
0.01
0.3
P TOTA
L
(g/ind.-añ
o)
N total
(g/ind.-añ
o)
Personas
1.000
Vacunos
7.000
54.75
Porcinos y lanares
3.000
14.6
Caballos
4.500
18.25
Patos y similares
300
474.5
REDUCCIÓN Y CONTROL DEL
CRECIMIENTO VEGETA
L
TÉCNICAS DISPONIBLES PARA EL
TRATA
MIENTO DE LA
EUTROFIZACIÓN
CONTROL DE
LA CARGA
Reducción directa de fósforo en origen
•Elim
inación de fósforo por precipitación quím
ica
(sales de aluminio, hierro o cal
• Restricción de detergentes fosfatados
•Controles en el uso de la tierra (‘zonas
protegidas”), forestación
Tratamiento de aguas afluentes tributarios
•Pre-embalse o embalses en cascadas
•Tratamiento físico-quím
ico de aguas tributarias
EXTERNA DE
FÓSFORO
•Tratamiento físico-quím
ico de aguas tributarias
(al lago)
•Adición directa de floculantes de fósforo (aguas
tributarias)
•Filtración de agua a través de un filtro de óxido
de aluminio (bajo caudal)
Canalización / desvío de aguas residuales
•Desvío de aguas residuales
•Zanjas de filtración (tributarios < 100 l/s y
granjas, etc.)
CONTROL DE LA
EUTROFIZACIÓN
DENTRO DEL LAGO
(ECOTECNOLOGÍA)
Surge como
consecuencia de los
•Retiros de aguas selectivas
(sifón de agua del
hipolim
nio, remoción de P y agua pobre en oxígeno)
•Inactivación
denutrientes(caráctertransitorioy
potencialmente
tóxico-agregadodesalesde
hierro
oaluminioalembalse
•Aumento
del
caudal
eva
cuado
(se
requiere
grandescantidadesdeaguaconbajo
contenidode
nutrientes)
consecuencia de los
resultados
ineficientes de la
tecnología ambiental
Hoy deben trabajar
juntas
Para lograr el m
ejor
plan de gestión
nutrientes)
•Aireación
hipolimnética
(manteniendo
laterm
oclina)
•Circulación(nose
respeta
laterm
oclinayse
evita
elcrecimiento
dealgas,
haciéndolascircularlargos
períodosfuera
dezonasconluz)
•Disminucióndelniveldellagooembalse(para
dejarexpuestosedimento
ymacrófitas)
CONTROL DE LA
EUTROFIZACIÓN
DENTRO DEL LAGO
(ECOTECNOLOGÍA)
Surge como
•Cobertura
desedim
entosdelfondo(secubre
el
sedimento
con
láminasde
plástico
para
evitarel
intercambiosedimento/agua
•Elim
inacióndesedimentos(dragado)-oneroso
•Recolección(cortar y elim
inar crecimientos
indeseados de m
acrófitas)-oneroso
•Disminucióndeltiempoderetención
•Control
biológico
(“biomanipulación”:
uso
de
Surge como
consecuencia de los
resultados
ineficientes de la
tecnología ambiental
Hoy deben trabajar
juntas
Para lograr el m
ejor
plan de gestión
organismosespecíficospara
controlarelcrecimiento
de
algas
y/o
otros
componentes
de
lacadena
trófica)
•Tierraspantanosas(cuandohayfuentesdifusas)
•Controlquím
ico(aplicacióndeproductosquím
icos
específicos
para
elim
inar
las
plantas
acuáticas
indeseadas-
herbicidaspara
combatir
macrófitas)-
Posible
efectos
tóxicos
–método
transitorio
–Oneroso-