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Factores de control de la calidad natural de las aguas Dra. Belén Buil Gutiérrez Investigadora CIEMAT 1.- Contextualización de la calidad natural del agua: ciclo hidrológico 2.- Ámbitos de incorporación de constituyentes al agua 3.- Factores de control de la calidad natural de las aguas 4.- Constituyentes del agua natural 5.- Factores antrópicos de la calidad del agua CONCEPTOS Factores de control de la calidad natural de las aguas ¿Dónde se localiza y cómo se mueve el agua en nuestro Planeta? CICLO HIDROLÓGICO El comportamiento geoquímico y las propiedades químicas e isótopicas de las aguas naturales están relacionadas con su localización en la hidrosfera, es decir, como precipitación, flujos de agua superficiales, agua del suelo, aguas subterráneas océanos, etc. El ciclo del agua, también conocido como ciclo hidrológico, describe el movimiento continuo y cíclico del agua (líquida y vapor) entre los distintos reservorios de la Tierra, incluyendo el océano, la atmósfera, lagos y aguas superficiales, suelos y aguas subterráneas. El agua tiene un tiempo de residencia en cada uno de estos reservorios. CICLO HIDROLÓGICO Almacen superficial ríos Zona no saturada Evaporación zona no saturada EVPT Zona saturada Escorrentía /flujo subterráneo Descarga océanos PUNTO FINAL del ciclo CICLO HIDROLÓGICO Todas las aguas del mundo están concentadas a través del ciclo hidrológico por lo que, la entrada de contaminantes en un determinado punto del ciclo hidrogeológico puede transmitirse a otros cuerpos/tipos de aguas integrantes. La cantidad de agua "almacenada" en los por largos períodos Con este mismo razonamiento, añadir, queocéanos la composición química del tiempo > a la que se encuentra en agua en un determinado puntodedel ciclo hidrogeológico está movimientoprocesos el ciclo del agua influenciada, además de por numerosos asociados al movimiento y circulación de las aguas, por la composición química de las aguas que integran dicho ciclo. ¿Cómo adquiere el agua los constituyentes que determinan su calidad natural? AMBITOS DE INCORPORACIÓN DE CONSTITUYENTES A LAS AGUAS Dentro del ciclo hidrológico pueden distinguirse. a grandes rasgos tres sistemas o ámbitos en que el agua adquiere y ve modificado su quimismo: Zonas no contaminadas lluvia: •débil mineralización •pH 5 a 6 •Carácter oxidante •Facilidad alteración materiales •f( sitúación geográfica, clima, suelo actividad biológica, etc) sales gases areosoles polvo atmosférico ATMÓSFERA Condicionan quimismo agua infiltración AMBITOS DE INCORPORACIÓN DE CONSTITUYENTES A LAS AGUAS ATMÓSFERA Desde infiltración hasta alcanzar el nivel freático, quimismo agua sufre modificaciones como consecuencia: •Concentración por evapotranspiración----------agua infiltración > salinidad •Contacto con materiales •Capacidad suelo para generar gran cantidad de ácidos (H2C03, ácidos húmicos. etc.) •Capacidad zona edáfica para consumir el oxígeno disuelto en el agua en la oxidación de la materia orgánica. •Intercambio de gases entre aire del suelo y aire exterior AMBITOS DE INCORPORACIÓN DE CONSTITUYENTES A LAS AGUAS ATMÓSFERA Zona saturada: El agua subterránea se incorpora al sistema de flujo propio de cada acuífero realizando recorridos muy variables en función de las características de cada uno de ellos. El conjunto de materiales por los que circula el agua y con los que interacciona constituye el tercer sistema en que el agua adquiere o modifica su quimismo. La composición de la roca, muy importante, no es determinante en mineralización agua subterránea, tb pureza, textura, porosidad, grado de fisuración, estructura regional, así como P, Tª, tiempo de permanencia y de contacto agua-roca, fenómenos modificadores. etc., pueden tener una influencia decisiva en la adquisición y evolución del quimismo. La composición natural de un agua puede contemplarse desde diferentes puntos de vista: químico, bacteriológico, isotópico, etc. Conjunto de substancias (generalmente inorgánicas) incorporadas al agua por procesos naturales Las substancias orgánicas disueltas en agua aparecen en concentraciones mucho menores que los constituyentes inorgánicos. * La incorporación de los constituyentes al agua debido: •elevado poder disolvente •propiedades de combinación. COMIENZA incluso antes de que se incorpore al sistema de flujo subterráneo propio de cada acuífero. Gases, aerosoles, polvo y sales diversas, presentes en la ATMÓSFERA, reaccionan con el agua marcando el primer esbozo del quimismo del agua de infiltración. Una vez INFILTRADA (con unas características químicas definidas originadas en la atmósfera o en la superficie del terreno por evapotranspiración) el agua puede sufrir modificaciones drásticas en su composición como consecuencia de un CONJUNTO DE INTERACCIONES QUIMICAS, FÍSICAS Y BIOLÓGICAS complejas con el medio. ¿Qué factores condicionan o controlan la calidad natural de las aguas? FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS Condiciones/factores naturales del medio ambiente Factores químicos (termodinamicos y cinéticos) Geología Clima Cantidad y tipo de vegetación presente Características morfológicas (tamaño, forma, anchura, etc) de los cuerpos de agua Hidrogeológicos (EVP, T, EVPT, INF, localización del agua en la superficie terrestre, etc) Disolución (y alteración) Precipitación/coprecipitación Íntercambio iónico Reemplazamiento fisicoquímica Composición característica de un agua Factores físicos Factores biológicos Textura Estructura Fracturación (macro/micro) porosidad permeabilidad superficie específica Adsorción/desorción Difusión Intercambio atmósfera Producción primaria Crecimiento (ciclo) microbiológico Descomposición materia orgánica Bioacumulación, etc IMPORTANTE RESALTAR: La composición del agua subterránea natural debe contemplarse con la perspectiva de su posible variación espacio-temporal. Una composición quimica concreta no queda completamente definida si no se refiere a un lugar y momento determinados FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS CLIMA El clima influye en la calidad natural del agua ya que la Tª, la precipitación y el viento afectan a las características químicas, físicas y biológicas de las mismas. Tª Cantidad de gases disueltos (agua caliente menos oxígeno disuelto que agua fría, dificultando la supervivencia de algunos organismos) Reacciones químicas y biológicas (mayor desarrollo en aguas cálidas que frías, influyendo en la vida de los organismos) FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS CLIMA Precipitación cantidad y tamaño de los cuerpos de agua (menores y escasos en climas secos y, por tanto, más susceptibles a la contaminación: efecto dilución) Viento Mezcla de la superficie de las aguas (favorece el enriquecimiento de éstas en gases como O2 y CO2) Tasa de evaporación en la superficie del agua FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS CLIMA La influencia del clima en la calidad del agua va más allá de estos efectos directos: Los tipos de climas asociados a distintas áreas geográficas, condicionan los tipos vegetación y de suelos que en ellas se desarrollan y,por tanto, la composición de las aguas que drenan estas áreas puede considerarse como un producto del equilibrio ecológico. Algunos de los componentes mayoritarios del agua están influenciados en mayor grado por el clima que otros: Ej. Bicarbonato domina en aguas de zonas donde ala vegetación crece profusamente Ej. Algunos metales son acumulados por la vegetación, cuya descomposición, constituirá una fuente de metales a las aguas circulantes (observable en ríos).. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS Calidad del agua en función del clima Clima CLIMA HUMEDOS Y TEMPLADOS O HUMEDOS EN GENERAL CLIMAS ÁRIDOS CLIMAS CON ALTERNANCIA DE ESTACIONES SECAS Y HÚMEDAS CLIMAS FRÍOS •Elevado desarrollo de vegetación •Aguas de escorrentía con bajo contenido en sólidos disueltos • Aguas de escorrentía con elevados contenidos en solidos disueltos, por evaporación, a pesar de ser desfavorable la meteorización de solutos • Aguas de escorretía asociadas a inundaciones ocasionales pueden presentar bajo contenido en sólidos disueltos, si los productos resultantes de la meteorización no están disponibles en grandes cantidades •Reacciones de meteorización (que producen cantidades de materia inorgánica soluble) favorecidas en unas estaciones respecto a otras. •Aguas de escorrentía fluctúan tanto en volumen de flujo como en rangos de composición química •Calidad química fluctúa en función la estación •Bajas temperaturas inhiben la tasa de las reacciones de meteorización (incluyendo procesos mediados por la biota) •Agua en estado sólido •Escorrentía bajo contenido en sólidos disueltos FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS Morfología/dimensiones de los cuerpos de agua •Espesor de la columna de agua Estratificación de las aguas: *Influye en la calidad de las aguas * Principalmente asociado a elevados espesores de columna de agua (lagos profundos, reservorios, mares) * Tipos: Física por cambios de densidad (por # Tª) Química por cambios en su composición NH4+, NO3-, PO43-, S2- > O2 > profundidad, < Tª LAGO ESTRATIFICADO Contacto con la atmósfera (fuente de gases: O2) Recibe luz solar No contacto con la atmósfera (fuente de gases: O2) No recibe luz solar Contacto con sedimentos en descomposición: demanda de oxígeno FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS Morfología/dimensiones de los cuerpos de agua •Espesor de la columna de agua Ejemplo Lagos poco profundos: composición homogénea debido a la Lagos profundos: mezcla del agua por efecto del viento y las olas Resultado: calidad homogénea. No procesos mezcla/homogenización: en profundidad menos oxígeno y más minerales que en superficie. Resultado: estratificación calidad agua< FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS Morfología/dimensiones de los cuerpos de agua •Tamaño de las cuencas hidrográficas: < 100 Km2: CALIDAD HETEROGÉNEA la variación de un único factor puede provocar variaciones de más de un orden de magnitud en variables fisicoquímicas o químicas medidas > 100 Km2: CALIDAD HOMOGENÉA/CONSTANTE las variaciones en las variables medidas son de un orden de magnitud. •Pendiente y velocidad corrientes: AUMENTO DE LA CALIDAD favorecen la turbulencia y mezcla con aire, añadiendo oxígeno al agua DISMINUCIÓN CALIDAD Mayor capacidad de erosión y, por tanto, mayor sedimentos en suspensión (turbidez) FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS Morfología/dimensiones de los cuerpos de agua Ejemplo Variación composición química en función de los tipos de cuerpo de agua FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS ATMÓSFERA COMO FUENTE DE SOLUTOS •Cualquier agua natural debería estar saturada respecto a los principales constituyentes gaseosos de la atmósfera •El contenido de los mismos en disolución es proporcional a: -solubilidad -presión parcial -temperatura •Los gases que reaccionan con el agua son más solubles que aquellos que no lo hacen de ahí la importancia del CO2, a pesar de representar un 0.03% de a composición de gases en una atmósfera no contaminada •Gases como H2O, SO2, NH3, N2O, NO2, HCl, CO, y CO2 son producidos en cantidades importantes como la quema de combustibles, procesos metalúrgicos, otras actividades antropogénicas, así como procesos bioquímicos en el suelo y el agua, actividad volcánica y geotérmica: ENRIQUECIMIENTO LOCAL--------------AFECCIÓN PROP QUÍMICAS AGUA LLUVIA . Contenido en gases de la atmósfera no afectada por factores medioambientales locales FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS ATMÓSFERA COMO FUENTE DE SOLUTOS •Aproximadamente 9 iones inorgánicos (SO4 2-, NO3 -, Cl-, NH4 +, Na+, K+, Ca2+, Mg2+ y HCO3-), se encuentran presentes en concentraciones lo suficientemente altas como para ser considerados principales componentes de la lluvia, (siendo monitoreados alrededor del mundo por las diferentes redes de monitoreo de la química de la precipitación pluvial) La atmósfera también puede contener: -elementos como el 3H y 14C se producen en la atmósfera por bombardeo de rayos cósmicos. -partículas de material extraterrestre introducidas desde el espacio (basandose en contenido en Ni de la nieve antártica, se realizaron cálculos, estimándose que sobre la superficie terrestre Caen de 3 a 10 millones de toneladas/año de este tipo de material) -particulas de polvo terrestre, polvo vólcanico, NaCl u otras sales procedentes del mar, llevados a suspensión por el viento. -material de origen antrópico (vertidos industriales, gases vehículos, etc) Este material partículado es importante en la formación de núcleos de condensación del agua y como fuente de solutos en la precipitación. influye también procesos químicos mediados en superfie. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS COMPOSICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN ATMOSFÉRICA Nucleación homogénea: condensación vapor agua FORMACIÓN LLUVIA Atmósfera Partículas/núcleos Adhesión moléculas vapor agua Nucleación heterogénea heterogénea Nucleación Nucleos grandes Condensación Colisión-coalescencia La cantidad lluvia tiene gran influencia en la concentración GOTASque DElaLLUVIA de partículas (aerosoles) en la atmósfera, ya que actúa como depuradora de su contenido. Evidente al comparar la La composición química de las lluvia concentración de aerosoles entre los partículas está constituída meses de mayorpor precipitación pluvial principalmente SO4 2-, NO3 -, y aquellos enCa2+ los que disminuye Cl-, NH4 +, y ésta Mg2+, ácidos, o no se presenta. metales y carbón elemental y orgánico Núcleos de condensación o Higroscopicos (distintas composiciones) Formación gotas de agua (5 a 30 μm) INFLUYE EN LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA LLUVIA FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS ALTERACIÓN DE LA COMPOSICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN ATMOSFÉRICA Lluvia ácida ÓXIDOS DE NITRÓGENO (NOx) Los principales compuestos de nitrógeno presentes en la atmósfera son las formas oxidadas NO, NO2 y HNO3, que están relacionadas químicamente entre sí, por una serie de reacciones cíclicas. El HNO3 se forma en la atmósfera por oxidación del dióxido de nitrógeno, principalmente por reacción con el radical hidroxil: NO2+OH-------HNO3 Las pequeñas gotas de HNO3 constituyen núcleos de condensación muy activos, con diámetros inferiores a una décima de micrón, están presentes en todo momento en el aire terrestre. El vapor de agua también comienza a condensarse sobre ellas a humedades relativas por debajo del 100%. Por tanto: Las emisiones de NO2 se convierten en un medio acidificante de la precipitación pluvial FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS COMPOSICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN ATMOSFÉRICA Lluvia ácida ÓXIDOS DE AZUFRE (SOx) •El principal compuesto de azufre presente en la atmósfera es el dióxido de azufre (SO2), emitido directamente por: -procesos de combustión de combustibles fósilesque contienen azufre, -por la oxidación de las formas reducidas del azufre, procedentes de procesos naturales, formando : CS2, CH3SCH3, CH3SOCH3, H2S etc. •El proceso final es la conversión de SO2 en ácido sulfúrico y la incorporación de este ácido a la precipitación pluvial, a la nieve y al granizo FASE GASEOSA Reacciones formación OH- + SO2(g) -------HOSO2 (1) de H2SO4 a partir del SO2 2HOSOpor O2 ------(2) Posteriormente el H2SO4 puede neutralizarse de HO iones, principalmente, 2 + medio 2 + SO 3 OH2-+ sales. NO2 --------- NO2 + OH(3) NH4 + y Ca2+, formando las correspondientes 2SO H2SO4 (4) Cuando el contenido de estos iones no es suficientemente y existe predominancia del 3 + H2O ------- alto, SO2, hace que exista un exceso de H2SO4, que junto con el HNO3 SON RESPONSABLES DE LA LLUVIA ÁCIDA. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS COMPOSICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN ATMOSFÉRICA Lluvia ácida Existe también otra forma de contaminación ácida conocida como deposición seca, y hace referencia a gases y partículas ácidos que son arrastrados por el viento, chocando contra edificios, coches, casas y árboles. Otra vía de arrastre son las lluvias fuertes. En este caso las sustancias ácidas se incorporan a la lluvia ácida, lo que contribuye a aumentar su acidez. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS FACTORES BIOQUÍMICOS •Influencia del suelo y procesos de formación del suelo • Una parte importante de las principales características de la composición química de mayoría de aguas naturales son resultado de los procesos de formación del suelo o de las reacciones de interacción que en el se producen. • El agua de precipitación, así como de escorrentía y agua subterránea, han experimentado en mayor o menor medida contacto elevado con el suelo, o retenida durante tiempo en el mismo • Los factores que influyen en la composición química del agua del suelo son la alteración o/y disolución de silicatos y otros minerales, precipitación de minerales moderadamente solubles (ej carbonato calcico), eliminación selectiva y circulación de nutrientes por las plantas, reacciones bioquímicas con producción de CO2, sorción/desorción de iones por minerales y superficies orgánicas, concentración de solutos por evapotranspiración, coversion del N2 (g) a especies químicas para la nutrición de las plantas H2O+ CO2--------------H2CO3-------HCO3- +H+----------CO32-+ H+ Control del pH y alteración minerales FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS FACTORES BIOQUÍMICOS •Biota acuática fotosíntesis respiración descomposición La mayoría de procesos químicos que tienen lugar en el suelo, también se producen en los cuerpos de agua. La fotosíntesis, respiración y descomposición de las distintas especies de plantas que se encuentran en el lecho de lagos, arroyos, o flotando en los cuerpos de agua, producen la liberación o perdida de O2 y/o CO2, pudiendo dar lugar a fluctuaciones ciclicas diarias del pH, contenidos en O2, etc. (observado en lagos y ríos) La adquisición de nutrientes por las plantas puede realizarse directamente de los sedimentos del agua o el propio agua Ej. * P y N * Sílice (caso de las diatomas) * Elementos traza (algunos de ellos controlados por dichos procesos, ej. Fe) Una forma de medir la actividad biológica en el agua es su “productividad” que es expresada como TOC/Vol/t Existen clasificaciones de las aguas en función de su contenido en nutrientes. A su vez, las características de esta agua varían a lo largo de un día. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS FACTORES BIOQUÍMICOS Ejemplo Variación calidad natural aguas a lo largo de un día Variación en la concentración de oxígeno, materia orgánica y nutrientes en un agua oligotrófica (líneas punteadas) y en un estanque eutrófico (líneas sólidas) a lo largo de dos días FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA •Las asociaciones de minerales que conforman las rocas por las que circula el agua constituyen la “fuente última” de iones en disolución. •Sin embargo, existen numerosos factores que controlan el proceso de incorporación de iones a las aguas y, por tanto, en su composición final: Ej. Pureza/alteración y tamaño de los cristales minerales Textura y porosidad de la roca Grado de fisuración Tiempo de interacción agua/roca Temperatura (aumenta la solubilidad y tasas de disolución de minerales), etc Presión Además de factores más generales, como los vistos: Condiciones climáticas Composición del agua de recarga Longitud de los recorridos, etc FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA No obstante podemos establecer una serie de criterios generales que relacionan el aporte de ROCAS IGNEAS sales al aguas en función de los diferentes tipos de roca: Formación Cristalización de un magma (masa viscosa de silicatos fundidos) originado en la corteza o el manto superior (>700ºC) VOLCÁNICAS Clasificación/Tipos Plutónicas (intrusivas), Volcánicas (extrusivas) Fillonianas Minerales PLUTÓNICAS FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA ROCAS SEDIMENTARIAS Formación Rocas originadas a partir de la consolidación de fragmentos de otras rocas, restos plantas y animales o precipitados químicos Clasificación •ROCAS SEDIMENTARIAS DETRÍTICAS formadas a partir de sedimentación de fragmentos de otras rocas después de una fase de transporte. Su clasificación se basa en los tamaños de los trozos que las componen (conglomerado, arenisca, limolita, lutita) •ROCAS SEDIMENTARIAS QUÍMICAS Y ORGÁNICAS formadas a partir de precipitación de determinados compuestos químicos en soluciones acuosas o bien por acumulación de substancias de origen orgánico. (ej. Rocs carbonatadas, evaporiticas, silíceas, calizas biogénicas, carbones, rocas orgánicas ) Minerales -origen clástico : silicatos (cuarzo, feldespatos y arcillas) -precipitación química o bioquímica: carbonatos (calcita y dolomita), sulfatos (yeso y anhidrita) y cloruros (halita). FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA METAMÓRFICAS Formación: A partir de otras rocas preexistentes que, sin llegar a fundirse (estado sólido), han estado sometidas a grandes presiones y temperaturas y se han transformado. Clasificación (distintas): En zonas de subducción o Composición: Máfica, ultramáfica (R. ígneas máficas y ultramáficas) Pelítica (rocas arcillosas) Gneisica (R. ïgneas básicas y sedimentarias tipos areniscas arcósicas) Carbonáticas (calizas y dolomías) Calcosilicatadas (carbonatadas impuras –comp. arcilloso y margasOrigen roca original Rocas ortoderivadas (originalmente ígneas) Rocas paraderivadas (originalmente sedimentarias) Minerales Silicatos: cuarzo, feldespatos, micas, piroxenos y anfíboles, Otros típicos: disteno, sillimanita, andalucita, estaurolita Tipos de metamorfismo Intrusión de cuerpos ígneos capacesgrado, de producir Condiciones de formación/tipos Medio grado y Alto grado de colisión continental metamórfismo:Bajo recristalización de encajante FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: Consideraciones previas ej. Arenisca formada por granos de •No todos loscemento solutos presentes en el agua proceden de la disolución/alteración de las cuarzo con de composición fases minerales presentes en las rocas por las que circulan. carbonatada, puede dar lugar a un agua con elevados contenidos de Ca •Ej. Rocas que contienen aguas connatas, altamente mineralizadas, que pueden y bicarbonato: •Lasalterar relaciones entre química la composición del agua y rocas encajantes pueden asociadas ser sencillas la calidad de las aguas superficiales y/o subterráneas a o muylas complejas. mismasDE LA SOLUBILIDAD INFLUENCIA MINERAL Como•Bicarbonatos en el caso de (interacción interconexion de acuíferos ydesuelo) diversas composiciones, mezclas de aguas aire/atmósfera en general, reacciones químicas como intercambio catiónico o procesos de adsorción de iones, la influencia biológica, composición e interacciones •Cloruros, sulfuros (oxido-reducción biológica,agua-suelo, contenido enetc. atmósfera) •Los minerales principales de una roca no son siempre los que controlan la composición final de un agua, en contacto con la misma. En ocasiones, algunos minerales accesorios en la parágeneisis mineral de la roca son los responsables de la composición química de las aguas circulantes FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: Mecanismos de incorporación de solutos al agua subterránea La incorporación de solutos al agua está ligada estrechamente a la meteorización de los materiales de la corteza terrestre. Esta incorporación puede realizarse de forma inmediata. por: •disolución de sales directamente solubles, •O sustancias no tan solubles tras una serie de transformaciones químico-biológicas previas a la solubilización. Hidratación o incorporación del agua a la red cristalina de los minerales para formar hidratos (ej. Transformación de anhidrita a yeso -+soluble-) Hidrolisis o descomposición de minerales baja la acción de H+ y OH- procedentes de la descomposición del agua (hidrólisis fto----iones+arcillas) Oxidación-reducción (ej. sulfuros, sulfatos, Fe, Mn) Variación del pH (influencia en hidrólisis, proc. Redox, adsorción, etc), Acciones biológicas: capacidad de provocar algunas reacciones por cambios de pH, intervenir como como catalizadores disminuyendo energía de activación de reacciones redox FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS ÍGNEAS Aguas diluidas (bajo TSD) • Formadas esencialmente por silicatos •Textura y estructura importantes al determinar la superficie de contacto con el agua (superficie de reacción) • La mayoría de rocas ígneas son bastante impermeables •El ataque o meteorización de estas rocas es lento •Concentraciones en el agua de elementos procedentes de la interacción con una roca ígnea: Tiempo de interacción Superficie de reacción Disponibilidad de H+ (procesos de fm. suelo, vegetación) Factores anteriores •La impronta geoquímica resultante de la interacción de un agua con rocas ígneas es mas fácilmente observable en aguas subterráneas que superficiales (tiempo de interacción, superposición de procesos derivados de interacción suelo y atmosf en aguas superficiales, etc) FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS ÍGNEAS • Reacciones químicas que definen los procesos de alteración/ meteorización de rocas ígneas: alteración feldespatos Proceso de disolución función: Ataque Ftos (alteración a filosilicatos) •pH (> pH ácido) •Tª •Estado de saturación 2Si3O8AlNa +9H2O +2H+ +2CO3H- -----------Si2O5Al2(OH)4 +2Na+ + 2CO3H- +4SiO4H4- Si2O8Al2Ca +H2O +2H+ +2CO3H- -----------Si2O5Al2(OH)4 +Ca2+ + 2CO3HCaolinita, sílice y cationes relacionados (ej. Na, Ca) en medio ÁCIDO Montmorillonita en medio BÁSICO FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS ÍGNEAS Productos de la alteración de los feldepatos a las aguas: •Alcalinos y alcalinotérreos, sílice disuelta (o coloidal) preferentemente a pH mayores, alumina (despreciable si el pH 5-7.5) •La relación Na/Ca en el agua similar a la del Fto. Alterado. •SIO2: Feldespatos alcalinos (Na)---------------2-3 moles SiO2 (parte retenida como SiO2 insoluble) 1 mol Na, K Feldespatos cálcicos (Ca)-----------------pueden no liberar sílice Silicatos ferromagnesianos--------------- 1 mol de SiO2 1 mol de Mg y Fe FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ¿Cómo es el agua resultado de la interacción con rocas ígneas? •Baja salinidad •Anión dominante HCO3•Cationes dominantes Na+, Ca2+, o ambos •Cantidades significatiivas de SiO2 (20-100 ppm): *residuo de alteración de Ftos y formación arcillas *ínfimo aporte por disolución de cuarzo mineral • Relación SiO2/Ca menor que en la roca •K y Fe: pueden solubilizarse cantidades significativas pero, K retenido por las arcillas y el Fe precipitado en forma de Fe(OH)3, por tanto concentraciones finales bajas • Cl- y SO42-: bajos contenidos en agua debido a su bajo contenido en este tipo de rocas, excepto si existe pirita (S2Fe) y medio oxidante que puede aportar SO42- al agua FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: Diferencias en la composición del agua en función del tipo de roca ígneas En función de la ácidez de la roca: PLUTÓNICAS ácidas >>>alcalinos/alcalinotérreos Mg/Ca <1 (orden de 0.3) Na> Cl básicas < diferencia alcalinos/alcalinotérreos Mg/Ca < 1 (> 0.3) Na> Cl PLUTÓNICAS < salinidad Na, K, Mg (disuelven) Fe y K (pp y retenido) > SIO2 liberado Cl- y SO42- escasos Na/Ca similar a los feldespatos Mg/Ca< 1 (en torno a 0.3) Na, Ca, Mg pasan al agua Cl y SO42- escasos VOLCÁNICAS > salinidad Na, K, Mg (disuelven) Fe y K (pp y retenido) < SiO2 Cl- y SO42- escasos Na/Ca similar a roca 0.3 Mg/Ca en torno a 1 (incluso superior) Na, Ca, Mg pasan al agua Cl y SO42- escasos pH alto (alteración de min como olivino ) Composición de aguas subterráneas en contacto con rocas ígneas Contenido en SiO2 en agua es > en rocas ácidas, con feldespatos Na respecto a rocas con otros minerales Ca/Na en agua depende del tipo de Fto/Pl de las rocas Mg función de ferromagnesianos Ferromagnesianos Na Mg SiO2 ( Ol, Px, Anf) SiO2< Mg/Si 3.3, indicativo disolución olivino, 4 Rocas intermedias Na intermedio SiO2/HCO3- intermedia Mg y Ca asociado procesos serpentinización de peridotita Fto (K, Na) > Pl (Ca) SiO2 FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS SEDIMENTARIAS 1.- Rocas resistiticas La gran variedad de rocas sedimentarias obliga a clasificarlas en grupos con objeto de definir algunas ideas sobre las sales que pueden aportar a las aguas •Formadas por materiales que no se disolvieron durante los procesos que dieron lugar a suAlformación. Raramente ser más porosas, sonincluyen capacesmateriales de aportar finos. más sales y a mayor velocidad que los otros tipos de roca, al menos inicialmente. Un ejemplo son areniscas formadas por granos de Q y otros minerales resistentes como granate turmalina o zircón. •La mayoría de estas rocas (areniscas y gravas) estan cementadas con materiales más o menos solubles de naturaleza principalmente carbonatada y que constituyen la fuente de elementos a las aguas. •La composición del agua en contacto con este tipo de rocas tendrá una composición química similar a los cementos y/o a la del agua que se producría por el ataque de las rocas que forman la mayoría de los clastos. •Otro proceso que puede controlar la composición de las aguas que circulan por estas rocas son los procesos de adsorción e intercambio iónico, oxidación-reducción , etc. TSD, agua alta mineralización 2( Na+, Cl-, SO 4 ) Análisis de aguas de resistitas Probablemente procedentes de la interacción con otro tipo de rocas asociadas con las areniscas, que Debido a la lenta circulación del agua En este tipo de rocas retarda la eliminación de estos solutos. Aguas circulando por material de relleno de un valle. Composición refleja la influencia del agua de drenaje de regadío *Contenido SiO2: alteración de minerales/ partículas ígneos *Baja TSD característico de interacción con cuarzoarenitas La composición en cationes alterada por Procesos de intercambio iónico del agua con el suelo suprayacente Agua asociada a resistitas puede presentar un amplio abanico de composiciones y calidad química debido a los numerosos procesos que pueden modificar la composición original de dichas aguas. Por tanto, la interacción con estos materiales no origina una determinada tipología de aguas. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS SEDIMENTARIAS 2.- Rocas hidrolisitas •Formadas en su mayor parte por partículas derivadas de la hidrólisis de otras rocas. Entre ellas arcillas, pizarras, etc, rocas que son poco permeables. •En su formación atrapan cantidades notables de agua, la cual van expulsando poco a poco en su compactación y litificación. •El agua que queda atrapada es la principal fuente de sales, en especial si es agua marina, por tanto, el lavado y meteorización/alteración de estas rocas proporciona aguas salinas , produciéndose, además, notables fenómenos de intercambio Iónico. •La alteración de minerales hidrolizados, en sí misma, no es tan importante en la composición final del agua como los procesos anteriores, a excepción de ambientes con una circulación de aguas rápida y significativa (ej. Asociada a lluvias) o aguas con bajo pH. •Su contenido en SO42-, Na+, Ca2+, Mg 2+ (y en ocasiones SiO2), son elevados Se evidencian dosAnálisis procesos: de aguas de hidrolisitas Intercambio un aumento Eniónico, estoscon casos cation dominante Na, pero no + significativo del Nacaracterística , a expensas delgeneralizada a este tipo es una 2+ 2+ Ca y Mg de aguas como, si lo es, la presencia de contenidos significativos de Ca, Mg, Na Reducción de sulfatos: Aumento del contenido en HCO3- en parte aexpensas del contenido en SO42- Procesos de intercambio iónico en las arcillas, condicionan el contenido de determinados cationes en las aguas TSD: elevada suministro de agua de precipitación SiO2 significativo: Disolución de silicatos nalterados. Aguas asociadas a hidrolisitas, con la composición típica (Na, Ca, Mg, sulfato). FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS SEDIMENTARIAS 3.- Rocas precipititas •Formadas como resultado de reacciones químicas que dan lugar a sales insolubles. •Representadas por calizas y dolomías, fundamentalmente •Las calizas puras aportan pocos iones, Ca2+ y HCO3- y cantidades variables de Mg2+ Por otro lado, en calizas impuras, y sobre todo margas, existen más sales solubles, tendiéndose hacia valores correspondientes a rocas hidrolisitas. •Las dolimías puras aportan, a su vez, Ca2+, Mg2+ y HCO3•Tanto las calizas como las dolomías aportan cantidades muy pequeñas de Sílice y cloruros. Análisis de aguas de precipititas •Interacción con caliza y dolomía •Na, Cl, etc, no significativos •Contenido de HCO3- similar a Ca2+ +Mg2+ Caliza impura (con yeso y dolomita) •Influencia del yeso: -contenido en SO42-bajo contenido en de HCO3- respecto al de Ca2+ +Mg 2+ •Agua influenciada por disolución de NaCl FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS SEDIMENTARIAS 4.- Rocas evaporitas Formadas por evaporación de aguas y por tanto son sales fácilmente solubles La principal roca es el yeso Las aguas en contacto con ellas presentan elevadas cantidades de sales, pudiendo incluso originar salmueras Las formaciones yesiferas pueden dar concentraciones muy elevadas de SO42- y Ca2+, y con frecuencia tb Mg2+, Na+ y Cl-, debido a la disolución preferente cuando el yeso tiene atrapadas sales de esos iones. 5.- Rocas carbonosas o bituminosas Fuente de cantidades notables de sales solubles procedentes de la materia viva que las originó. Permiten creación ambiente reductor con presencia de Fe2+ y S2-. Si el agua aporta oxígeno o si existe reducción de SO42-, existe suministro de CO2: aguas agresivas FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: ROCAS METAMÓRFICAS Las rocas metamórficas constituyen una gradación entre las rocas plutónicas y sedimentarias, por tanto, las aguas en contacto tendrán características intermedias más próximas a unas u otras según el grado de metamorfismo. Composición de aguas subterráneas en contacto con rocas metamórficas ROCA ÍGNEA ROCA SEDIMENTARIA Metamorfismo regional (T, P) (cuarzoarenita) arcilla Matamorfismo regional (P,T) GENEISS ROCA carbonatada ESQUISTO PIZARRA Metamorfismo regional (T, P) local (T) CUARCITA La circulación del agua a través de fracturas siendo reducido su contacto con superficies Minerales: aguas TSD MARMOL Aguas bicarbonatado cálcico SiO2 SiO2 SiO2 Influencia SILICATOS (SiO2 generalmente < 30ppm) FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS GEOLOGÍA SALES SOLUBLES QUE PUEDEN SER APORTADAS POR DISTINTOS TIPOS DE ROCAS: Fenómenos modificadores de la composición del agua (alteración calidad natural) •Intercambio iónico o proceso por el que algunas substancias cambian iones por los existentes en el agua (preferentemente los divalentes….ablandamiento de aguas por Ca2+ y Mg2+) •Concentración (aumento por disolución, alteración, evaporación, EVPT, enfriamiento, ósmosis.. •Reducción (ej. En aguas que han sufrido reducción de sulfatos se produce una acusada disminución del contenido en ión SO42-) •Temperatura. La temperatura es un parámetro que afecta notablemente a la solubilidad de diferentes sales en el sentido de aumento de solubilidad con el aumento de temperatura. •Mezclas (ej. El efecto de ión común puede conducir a la precipitación de ciertas sales) •Orden secuencial de interacción: A lo largo del flujo. el agua puede encontrar una secuencia mineralógica completa que da origen a una composición del agua determinada. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS CONCLUSIONES GENERALES De lo expuesto con anterioridad se deduce claramente que la calidad natural de las aguas, especialmente las subterráneas, representa una situación dinámica y cambiante en el espacio y en el tiempo, resultado de la superposición de numerosos factores y procesos. Por tanto, la interpretación de el origen y evolución de la calidad de las aguas ha de realizarse teniendo en cuenta la interacción de los procesos y fenómenos citados anteriormente, sobre una base geológica e hidrogeológica lo más completa posible. CONSTITUYENTES DEL AGUA La composición del agua natural debe contemplarse con la perspectiva de su posible variación espacio-temporal. Una composición quimica concreta, por lo tanto, no queda completamente definida si no se refiere a un lugar y momento determinados Como consecuencia de su composicion y de acciones naturales externas el agua presenta una serie de caracteristicas fisicoquimicas y químicas: Constituyentes del agua En condiciones particulares un ion minoritario puede alcanzar rangos de concentración que permitan considerarlo como mayoritario elevadas CONSTITUYENTES DEL AGUA CONSTITUYENTES MAYORITARIOS CONSTITUYENTES MAYORITARIOS AnhÍdrido carbónico (CO2 ), Bicarbonatos (HCO3-;) y Carbonatos (CO32-) Características químicas: •El CO2 disuelto en agua y los diversos compuestos que forma en ella juegan un papel muy importante en la química del agua. •Existe una relación estrecha entre estos constituyentes y el pH •Responsables de la alcalinidad del agua, dan capacidad de consumo del ácido al crear una solución tampón. •No son oxidables ni reducibles en aguas naturales •Pueden precipitar con mucha facilidad como CaCO3 •El anhídrido carbónico se disuelve en el agua en función de su presión parcial (PC02) Una parte permanece en disolución en forma de gas mientras otra reacciona con el agua para dar ácido carbónico (H2CO3,) que se disocia parcialmente para dar iones carbonato y bicarbonato: CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3- + H+ ↔CO32-+ 2H+ CONSTITUYENTES MAYORITARIOS AnhÍdrido carbónico (CO2 ), Bicarbonatos (HCO3-;) y Carbonatos (CO32-) Fuentes del CO2, bicarbonatos y carbonatos al agua •El CO2 disuelto en agua procede fundamentalmente de la zona edáfica (respiración de organismos y descomposición de la materia orgánica) en la que alcanza presiones parciales del orden de 10-1 a 10-3 bares •La disolución de calizas y dolomias, potenciada por el aporte de CO2 y/o ácidos orgánicos o inorgánicos, es otra de las fuentes principales de carbonatos y bicarbonatos. •Aunque con velocidades de incorporación al agua mucho menores, la hidrólisis de silicatos es otro de los mecanismos que da lugar a la formación de estos iones. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS AnhÍdrido carbónico (CO2 ), Bicarbonatos (HCO3-;) y Carbonatos (CO32-) Contenido iones carbonatados en las aguas •La especie carbonatada dominante en un agua fuertemente está influenciada por el pH de las mismas: *En mayoría de aguas contenido de CO32- < HCO3- ; si pH < 8.3 CO32-= 0. En aguas alcalinas con pH>8.3: CO32- hasta 50 ppm En agua del mar CO32- < 1ppm y *Contenidos de HCO3- en aguas dulces de 50 a 350 ppm, pudiendo llegar en ocasiones hasta 800 ppm Contenidos de HCO3- en agua de mar 100 ppm CONSTITUYENTES MAYORITARIOS AnhÍdrido carbónico (CO2 ), Bicarbonatos (HCO3-;) y Carbonatos (CO32-) Nocividad y toxicidad • No presenta problemas de toxicidad. • Las aguas bicarbonatadas sódicas no son de buena calidad para el riego: por fijación Na en terreno y creación de medio alcalino. •El equilibrio entre CO2, HCO3- CO32- y pH es determinante para la corrosividad (tendencia a disolver caliza) e incrustabilidad (tendencia a precipitar caliza). CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Cloruros (Cl-) Características químicas •Sales muy solubles y estables en disolución, siendo dificilmente precipitables •No se oxida ni se reduce en aguas naturales, ni es adsorbido significativamente ni entra a formar parte de procesos bioquímicos-----buen trazador natural •En general asociado al Na, especialmente en aguas salinas (meq no necesariamente igual) •Fuentes de Cl - al agua •Si se exceptúan las evaporitas y rocas de origen marino, las rocas por lo común presentan escasa proporción de cloruros (rocas ígneas de 70 to 520 mg/kg y sedimentarias una media de 160 mg/kg) . Sin embargo, dada la elevada solubilidad de sus sales, estos pasan rápidamente a la fase acuosa pudiendo alcanzar concentraciones muy altas. •El agua de lluvia puede constituir una fuente importante de ion Cl-, especialmente en zonas próximas a la costa. La concentración de Cl-en el agua de lluvia disminuye rápidamente tierra adentro. •Aguas ácidas y aerosoles CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Cloruros (Cl-) Contenido ion Cl- en las aguas •En aguas dulces entre 10 y 250 ppm, no siendo raro encontrar contenidos mucho mayores hasta varios miles de ppm •La concentración de Cl- en aguas subterráneas es muy variable, desde menos de 10 ppm a más de 2000 o 3000 ppml. El rango de concentración usual en las aguas naturales subterráneas españolas se mantiene por debajo de los 100 mg/l. encontrándose los valores más frecuentes entre 20 y 60 mg/l. •En salmueras naturales, próximas a la saturación de NaCI, puede llegar a casi 220.000 mg/l •El agua de mar contiene alrededor de 20.000 ppm (entre 18000-21000 ppm) de CI. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Cloruros (Cl-) Nocividad y toxicidad •Más de 300 ppm dan como resultado un sabor salado al agua, no siendo perjudicial para la salud hasta, al menos, algunos miles de ppm. •Contenidos elevados son perjudiciales para muchas plantas y confieren corrosividad al agua. •Sin embargo, es esencial para la vida y tb es usado como desinfectante y biocida en aguas CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Sulfatos (SO42-) Características químicas •Sales de moderadamente solubles a muy solubles, excepto las de Sr y de Ba. •El comportamiento del sulfato puede desviarse significativamente del teórico predecible, en base a los principios de su disolución, por su tendencia a formar iones complejos con Na+ y Ca2+ , así como por incorporarse a procesos biológicos •El comportamiento del S, en general, es muy dependiente del Eh del agua, pudiendo aparecer en estados de oxidación de -2 a +6. Siendo muy móvil en condiciones oxidantes (sulfatos) e inmovil en reducidas. •Así el ión sulfato está sometido a procesos de reducción, especialmente en presencia de bacterias y de materia orgánica. En ambientes reductores, a pH menor que 7, la forma reducida estable es el H2S mientras que en soluciones alcalinas predomina el ión HS-. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Sulfatos (SO42-) Fuentes de SO42- al agua •El ión sulfato procede : -del lavado de terrenos formados en ambiente marino, -de la oxidación de sulfuros, que se encuentran ampliamente distribuidos en rocas igneas y sedimentarias. -de la descomposición de substancias orgánicas. etc. Sin embargo. la disolución de yeso (CaS04-2H20)y anhidrita (CaSO4), así como de otros tipos de sulfatos dispersos en el terreno, representa frecuentemente el aporte cuantitativamente más significativo de este ión a las aguas y, especialmente, a las subterráneas. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Sulfatos (SO42-) Contenido ion SO42- en las aguas •Entre 2 y 150 ppm en aguas dulces •En aguas salinas puede llegar a 5000 ppm, si existe Ca, y hasta 200000 ppm si está asociado a Mg y Na en ciertas salmueras •El agua de mar contiene en torno a 3000 ppm •¡¡¡¡¡La mayoría de las aguas subterráneas sulfurosas presentan contenidos apreciables de HS-ó H2S que, incluso a concentración muy baja, le confieren al agua el típico olor a huevos podridos. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Sulfatos (SO42-) Nocividad y toxicidad • Las aguas selenitosas (SO42-) tienen sabor amargo y no quitan la sed •Por sí mismo, o asociado al Mg o Na, en cantidad importante, pueden comunicar propiedades Laxantes. •En cantidades elevadas perjudicial para las plantas •Más de centenares de ppm perjudican a la resistencia del hormigón y cemento El sulfuro es considerado tóxico en cantidades significativas CONSTITUYENTES MAYORITARIOS lones Nitrato (NO3-), Nitrito (NO2- ) y Amonio (NH4+) Características químicas •Compuestos nitrogenados de las aguas naturales relacionados con ciclo del nitrógeno. •El nitrógeno puede aparecer en forma de NH3. NH4+ y, por oxidación, estas formas reducidas pueden transformarse en N2, (gas) y, finalmente. en NO3-, que es la forma más usual y estable en que el nitrógeno se presenta en las aguas subterráneas. •El nitrato constituye sales muy solubles y difícilmente precipitables. Tiene tendencia a ser estable, aun en condiciones reductoras, pero puede pasar a N2 y excepcionalmente a NO2-. La mayoría de compuestos nitrogenados pasan a NO3- en medio oxidante. •Los procesos de oxidación-reducción, de las especies nitrogenadas en el agua, están influenciados por fenómenos biológicos y, en consecuencia, los productos finales dependerán del número y tipo de organismos que intervengan en ellos CONSTITUYENTES MAYORITARIOS lones Nitrato (NO3-), Nitrito (NO2- ) y Amonio (NH4+) Fuentes generales de N a las aguas La mayor parte del nitrógeno aparece en forma gaseosa en la atmósfera (78% en volumen). En forma oxidada constituye una relativamente importante fracción en los suelos y sustancias orgánicas (teiidos de animales o vegetales que lo extraen de la atmósfera para su metabolismo) En las rocas sólo se presenta como elemento minoritario. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS lones Nitrato (NO3-), Nitrito (NO2- ) y Amonio (NH4+) Contenido de compuestos nitrogenados en el agua •El ión nitrato es el más abundante en las aguas (entre 0.1 y 10 ppm, pudiendo alcanzar 200, y en ocasiones hasta 1000 ppm en aguas polucionadas. Los nitratos pueden estar presentes en las aguas subterráneas bien como resultado de la disolución de rocas que los contengan, lo que ocurre raramente, bien por la oxidación bacteriana de materia orgánica. Su origen en las aguas subterráneas no siempre es claro. Son relativamente estables pero pueden ser fijados por el terreno o ser reducidos a N2 o NH4+ en ambientes reductores. A menudo son indicadores de contaminación alcanzando entonces elevadas concentraciones y presentando. por regla general, una estratificación clara con predominio de las concentraciones más elevadas en la parte superior de los acuiferos libres El tipo de contaminación a que es debida su presencia en el agua subterránea está relacionado con las actividades urbanas, industriales y ganaderas y muy frecuentemente, con carácter no puntual, con las prácticas de abonados intensivos inadecuados con compuestos nitrogenados. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS lones Nitrato (NO3-), Nitrito (NO2- ) y Amonio (NH4+) •El NH4+y el amoniaco libre NH3. pueden aparecer como trazas aguas subterráneas naturales, aumentando su concentración cuando el medio es fuertemente reductor. Este compuesto es el producto final de la reducción de sustancias orgánicas o inorgánicas nitrogenadas que naturalmente se incorporan al agua subterránea Dado que la presencia de amonio favorece la multiplicación microbiana su detección en cantidad significativa en el agua se considera como indicación de contaminación reciente probable. •El ión nitrito (NO2- ) puede estar presente en las aguas bien como consecuencia de la oxidación del NH3 o como resultado de la reducción, microbiana o no, de los nitratos. Su presencia en el agua ha de considerarse como un indicio fundado de una posible contaminación reciente (dada su inestabilidad) No obstante, la sola presencia de NO2- y NH4+ en el agua subterránea, no debe ser considerada como resultado de una contaminación, sin analizar las posibles causas de su presencia dado que, en un acuifero las condiciones de oxidación no son siempre favorables y estos iones, incorporados de manera natural al acuifero, pueden mantenerse durante cierto tiempo en equilibrio con su forma oxidada. el NO3- CONSTITUYENTES MAYORITARIOS lones Nitrato (NO3-), Nitrito (NO2- ) y Amonio (NH4+) Nocividad y Toxicidad •la contaminación producida por nitratos y nitritos en el agua puede producir: •la impotabilidad del agua debida a la toxicidad del nitrito,,consecuencia de su acción metahemoglobizante o hipotensiva, que puede producir metahemoglobinemia en niños y cancer de estómago en adultos •concentraciones elevadas en el agua de bebida puede producir también cianosis y asfixia en niños -el ion nitrito comunica corrosividad (oxidaciones) al agua y producen interferencia en Fermentaciones -respecto al amoniaco y amonio no se ha relacionado enferemedades con su exceso el agua potable, aunque, obviamente, afecta a sus propiedades organolépticas. Por otro lado, la OMS da un valor máximo recomendado de amoníaco de 1.5mg, la UE lo da En 0.5 mg/l CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion calcio (Ca2+) Características químicas •Sales desde moderadamente solubles a muy solubles •Fácil de pp como CaCO3 •Química asociada a la de los iones HCO3- y CO32-, en aguas naturales, pudiendo pp o disolverse con facilidad al cambiar el pH o PpCO2. •Puede ser afectado por cambio de bases Fuentes generales de Ca2+ a las aguas •El calcio suele ser el catión principal en la mayoría de las aguas naturales debido a su amplia difusión en rocas ígneas(<8%), sedimentarlas (30% -2%) y metamórficas. •En rocas ígneas aparece como constituyente esencial de los silicatos, especialmente en el grupo de las plagioclasas. •En rocas sedimentarias aparece fundamentalmente en forma de carbonato: calcita y aragonito, dolomía o de sulfato (yeso y anhidrita). CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion calcio (Ca2+) Contenido de Ca2+ en las aguas •En aguas naturales la concentración varía de 10 a 250 ppm, si bien puede alcanzar hasta 600 ppm en aguas selenitosas. •El agua del mar contiene aprox 400 ppm •Excepcionalmente podemos tener salmueras de Cl2Ca con hasta 50000 ppm •Los controles de la concentración de Ca2+ en el agua subterránea pueden resumirse en tres: *equilibrio carbonático. *aporte de H+ (función del aporte de CO2) e *intercambio iónico. Los dos primeros, íntimamente relacionados entre si, limitan la concentración de Ca2+ a la correspondiente a las condiciones de equilibrio en función de PC02. pH. HCO3- y CO32-; . El intercambio iónico entre el Ca2+ y otros cationes (Na+ fundamentalmente), retenidos en la superficie de minerales con los que entra en contacto el agua, se potencia notablemente en terrenos arcillosos de baja permeabilidad. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion calcio (Ca2+) Nocividad y Toxicidad •Aporte de dureza y producción de incrustaciones Investigaciones han relacionado la dureza del agua con enfermedades cardiovasculares, si bien no está clara si dicha consecuencia es debida al Ca2+ y/o Mg2+ o a que los metales son más solubles en aguas de mayor dureza. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion sodio (Na+) Características químicas •Solubilidad elevada y difícil de precipitar •Afectado fácilmente por el cambio de bases •Suele asociarse al Cl-, aunque no siempre. •Las aguas naturales con elevados contenidos en Na+, suelen tener tb elevados contenidos en F•El Na+ puede ser adsorbido en arcillas de elevada capacidad de cambio catiónico y puede ser intercambiado por Ca2+ del agua, provocando una disminución de la dureza de las aguas (ablandamiento natural). Fuentes generales de Na+ a las aguas El Na+ es liberado por la meteorización de silicatos tipo albita (NaAlSi308) y la disolución de rocas sedimentarlas de origen marino y depósitos evaporíticos, en que se presenta fundamentalmente como NaCl. Una fuente importante de Na+ la constituyen los aportes de agua marina en regiones costeras, tanto por fenómenos de intrusión en acuíferos costeros, como por infiltración del agua de lluvia a la que se incorpora desde el mar CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion sodio (Na+) Contenido de Na+ en las aguas •Entre 1 y 150 ppm en aguas dulces, no siendo extraña su presencia en concentraciones mucho mayores hasta varios miles de ppm. •El agua del mar aprox 10000 ppm •Las salmueras naturales pueden alcanzar los 100000 ppm (no sobrepasando generalmente los 110000 ppm) Nocividad y Toxicidad •La presencia de sodio en cantidades elevadas es muy perjudicial para la agricultura ya que tiende a impermeabilizar los suelos, especialmente en zonas de drenaje deficiente: la presencia de Ca2+ y Mg2+ atenúa este efecto. •En personas, un aumento de ingesta de Na+: aumento presión sanguínea CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion Magnesio (Mg2+) Características químicas •Propiedades similares a las del ion Ca2+ pero más soluble y algo más difícil de precipitar •La solubilidad de la magnesita (MgC03) en las aguas naturales es mayor que la de la calcita (CaCO3) por lo que, en condiciones normales, el MgC03 no precipita directamente de la disolución, de modo que, para un período dilatado de tiempo puede producirse cierto grado de sobresaturación respecto a los diferentes carbonatos magnésicos. •Afectado por procesos de intercambio iónico Fuentes generales de Mg2+ a las aguas El magnesio, menos abundante que el Ca2+ en las aguas naturales, procede de la disolución de rocas carbonatadas (dolomías y calizas magnesianas). evaporitas y de la alteración de silicatos ferromagnesianos (23% en rocas máficas ígneas, decreciendo con la acidez de la rocas), así como de agua marina. CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion Magnesio (Mg2+) Contenido de Mg2+ en las aguas •Entre 1 y 100 ppm (en terrenos calcáreos) en aguas dulces, si bien no suele sobrepasar 40 mg/l, en terrenos calcáreos puede alcanzar valores más altos •En aguas salinas y salmueras puede llegar a algunos miles de ppm •El agua del mar aprox 1200 ppm Nocividad y Toxicidad •Propiedades laxantes •Da sabor amargo al agua con algunos centenares de ppm •Contribuye a la dureza del agua •A pH elevado puede precipitar como Mg(OH)2 incrustante CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion potasio (K+) Características químicas •Solubilidad elevada y difícil de precipitar •Afectado por el cambio de bases •Adsorbido de forma pococ reversible por arcillas de las formaciones (paso de montmorillonita a illita, para formar parte de su estructura, hecho que lo diferencia del Na). Este tipo de proceso provoca que, a paser del elevado contenido en roca, las aguas tengan menos K+ que Na+, Excepto en las aguas muy diluidas. Fuentes generales de Na+ a las aguas •Procede de la meteorización de feldespatos y, ocasionalmente, de la solubilización de depósitos de evaporitas. en particular de sales tipo silvina (KCI) o carnalita (Mg CI2 6H20). CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Ion potasio (K+) Contenido de K+ en las aguas •Entre 0.1 y 10 ppm en aguas dulces •Extraordinariamente pueden alcanzarse en determinadas aguas cientos de ppm •En salmueras pueden alcanzarse hasta 100000 ppm •Agua del mar aprox: 400 ppm Nocividad y Toxicidad •No presenta problemas especiales a las concentraciones habituales y se trata de un elemento vital para las plantas CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Sílice (SiO2) Características químicas •Se cree que la mayoría de la SiO2 en el agua está en forma de H4SiO4, disuelta y coloidal, y Sólo una pequeña parte está ionizada (SiO4H3-) a pH normales. Las aguas bastante básicas pueden contener cantidades importante de sílice iónica, pero son raras en la nza, siendo la solubilidad de la sílce bastante independentiente del pH hasta valores superiores a 9. •La sílice iónica contribuye algo a la alcalinidad del agua •El Co2 juega un pale importante al evitar que el pH suba, limitando así la solubilidad de la sílice Fuentes generales de SiO2 a las aguas •El origen fundamental de la sílice en el agua debe buscarse en los procesos de hidrolisis de feldespatos y silicatos en general. •El cuarzo o la sílice amorfa. por su baja solubilidad fuertemente dependiente de la temperatura, no son fuentes significativas del Si02 del agua CONSTITUYENTES MAYORITARIOS Sílice (SiO2) Contenido de SiO2 en las aguas • La mayoría de las aguas naturales contenidos entre 1 y 40 ppm en SiO2 pudiendo llegar hasta 100 ppm, en especial en aguas bicarbonatads sódicas. •En aguas muy básicas puede llegar hasta 1000 ppm. Nocividad y Toxicidad • El mayor inconveniente ligado a su incrustabilidad en calderas y calentadores CONSTITUYENTES DEL AGUA CONSTITUYENTES MINORITARIOS CONSTITUYENTES MINORITARIOS CONSTITUYENTES MINORITARIOS CONSTITUYENTES MINORITARIOS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y FISICOQUÍMICAS DEL AGUA Características físicas y fisicoquímicas Características físicas Tª •Responde a la media general de la Tª del lugar, incrementándose con el gradiente geotérmico C.E / •Capacidad agua conducir electricid •Varía con Tª •C, crece paralelamente a salinidad •100-2000S/cm Aguas dulces >100000 S/cm Salmueras 45000S/cm Mar Materia en suspensión • material sedimentable •<1 ppm (subterráneas) Densidad Color Turbidez •Varía con Tª y con salinidad •1 gr/cm3 Aguas dulces 1.025 gr/cm3 Mar 1.2 gr/cm3 Salmueras •Contenido mat. coloidales y en suspensión difícil de sedimentar •<1ppm SiO2 (subterráneas) •<5 ppm Pt Sabor •Determinación organoléptica subjetiva de interés en agua potable •Aguas con >300 ppm Cl- saladas, > 400 ppm de sulfato son saladas y amargas y con CO2 libre son picantes Características físicas y fisicoquímicas Características fisicoquímicas y químicas pH Rs ,TSD Alcalinidad •pH= -log (H+) •Generalmente: de 6.5 a 8 Agua marina pH 8 •Varia con la Tª •Rs : peso de materiales al evaporar 1l agua •TDS: peso de las sustancias disueltas agua •150-1500 ppm Aguas dulces hasta 300000 Salmueras 35000 ppm Agua mar •Capacidad de un agua para neutralizar ácidos • unidades ppm de CaCO3 o meq/l •Miden el efecto de los iones: CO3H- y CO32-, OH-, SiO4H3-, PO43BO3H2-, F-, etc (en aguas subterráneas los últimos poca influencia). •Hay alcalinidad carbonatada y total Ácidez •Capacidad agua para neutralizar bases •Raro que aguas naturales tengan Características físicas y fisicoquímicas Características fisicoquímicas y químicas Dureza total, permanente Alcalinidad y temporal o carbonatada •Capacidad de un agua para consumir jabón o producir incrustaciones (ppm) . Contenido en iones alcalino térreos, especialmente Ca++ y Mg++ •Dureza total: Ca2+ + Mg2+ •Dureza permanente: Ca2+ + Mg2+ (después ebullición). Se pp carbonatos •Dureza temporal: total Ca y Mg asociados a CO3H- y CO32•Por definición: Dt= Dc+Dp •Capacidad de un agua para neutralizar ácidos • unidades ppm de CaCO3 o meq/l •Miden el efecto de los iones: CO3H- y CO32-, OH-, SiO4H3-, PO43BO3H2-, F-, etc (en aguas subterráneas los últimos poca influencia). •Hay dos determinaciones TAC pH 4.5 TA pH 8.3 •TAC generalmente 100-300 ppm (a veces de 50-500) •Mar: puede llegar a 1000 ppm OTROS PARÁMETROS: DBQ (capacidad agua para consumir oxidantes en proc. Químicos) Valores: 1 a 5 ppm de O2 (hasta 15 ppm en aguas no contaminadas) DBO: Cantidad de O2 necesaria para eliminar MO del agua mediante procesos biológicos aerobios Valores: aguas subterráneas < 1ppm de O2. (+ elevados: contaminación) Sin embargo, ¿Qué factor altera en mayor medida la calidad de un agua? FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS INTERVENCIÓN ANTRÓPICA Origen de la contaminación de la calidad natural de las aguas Antrópica TIPOS •Natural: Generalmente dispersas y no provocan concentraciones altas •Industria: Tipos en función de industria •Antrópica: Concentradas en determinados lugares, DISPERSAS y peligrosas •Vertidos urbanos: La actividad doméstica produce principalmente residuos orgánicos, pero el alcantarillado arrastra además todo tipo de sustancias: emisiones de los automóviles (hidrocarburos, plomo, otros metales, etc.), sales, ácidos, etc. •Agricultura y ganadería: Los trabajos agrícolas producen vertidos de pesticidas, fertilizantes y restos orgánicos de animales y plantas que contaminan de una forma difusa pero muy notable las aguas. •Navegación: Produce diferentes tipos de contaminación, especialmente con hidrocarburos. Los vertidos de petróleo, accidentales o no, provocan importantes daños ecológicos. FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS Requerimientos calidad agua en función usos: • El agua potable de consumo público. REAL DECRETO 140/2003, de 7 de febrero, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano (anexo I : parametros microbiológicos, químicos radioactivos) animales FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS INTERVENCIÓN ANTRÓPICA Alteraciones en el agua por contaminación antrópica ANIÓN INDICA CATIÓN INDICA •Alteraciones físicas: color, olor, sabor, Tª, materiales en suspensión, clorurosradioactividad, espumas, etc salinidad sodio indica salinidad nitratos contaminación agrícola nitritos actividad bacteriólogica •Alteraciones químicas: pH, OD, DBO, N total, P total, cationes,con aniones, comp. calcio y magnesio relacionados la dureza prevención de las caries, aunque Orgánicos, radioactivos del agua es una práctica muy discutida fluoruros amonio contaminación con •Alteraciones biológicas: bacterias coliformes (desechos fecales) acción anaerobia virus, (desechos fecalesbacteriológica y restos orgánicos) fertilizantes y heces animales y plantas y microrganismos diversos (aguas negras, etc.)(eutrofización) sulfuros metales pesados cianuros fosfatos efectos muy nocivos; se bioacumulan en la cadena contaminación de origen industrial trófica detergentes y fertilizantes FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS INTERVENCIÓN ANTRÓPICA Clasificación sustancias contaminantes Bacterias virus protozoos Desechos Indicador: orgánicos (humanos, nº bacterias coliformes animales) Indicador: Ácidos, sales, metales DBO, OD NitratosTóxicos y fosfatos Producen eutrofización Moleculas orgánicas (petróleo, gasolina, plásticos….) Agua caliente procedente De centrales térmicas, Industrias Elevan Tª ---<O2 (<desarrollo vida) FACTORES DE CONTROL DE LA CALIDAD NATURAL DE LAS AGUAS INTERVENCIÓN ANTRÓPICA Problemas específicos asociados a acuíferos subterráneos/aguas subterráneas Agotamiento Cuando se produce explotación intensiva, sequía u otras causas que van disminuyendo el nivel del agua contenida en el acuífero se derivan problemas ecológicos. Ej. Tablas de Daimiel, Si acuíferos zona de costa: intrusión marina Contaminación directa. Tipos: •Lixiviados de vertederos de residuos urbanos y fugas de aguas residuales que se infiltran en el terreno. Puntuales (afectan a zonas muy localizadas) •Lixiviados de vertederos industriales, derrubios de minas, depósitos de residuos radiactivos o tóxicos mal aislados, gasolineras con fugas en sus •Uso excesivo fertilizantesetc. y pesticidas en la agricultura o en las prácticas depósitos dede combustible, forestales. Difusos (contaminación dispersa en zonas amplias, en las que no fácil identificar ppal) •Pozos sépticos y acumulaciones de purines procedentes de las foco granjas. •Explotación excesiva de los acuíferos que facilita el que las aguas salinas invadan la zona de aguas dulces, por desplazamiento de la interfase entre los dos tipos de aguas.
