Práctica 4 - Explicación

Asignatura: HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA (ITOP)/HIDROGEOLOGÍA (ITM); UPCT
Curso: 2008-2009
Fecha: 19/11/2008
Profesora de prácticas: Marisol Manzano Arellano
e-mail: [email protected]
Tel.: 968.325443
Práctica 4: INTERPRETACIÓN DE DATOS FÍSICO-QUÍMICOS DE AGUAS
SUBTERRÁNEAS. ORIGEN DE LA COMPOSICIÓN DEL AGUA Y CALIDAD
PARA LOS DISTINTOS USOS.
1. Objetivo
Aprender el manejo básico de datos físico-químicos de aguas subterráneas y de algunos
gráficos sencillos para conocer su adecuación (calidad) para abastecimiento humano y para
riego.
2. Justificación del estudio de la química de aguas subterráneas
La composición química del agua subterránea es principalmente el resultado neto de un
conjunto de reacciones químicas entre el agua y el terreno por el que circula, incluyendo tanto la
fase sólida (minerales) como los gases y la materia orgánica presentes en éste. Los solutos
presentes en el agua subterránea se incorporan a ésta durante varias fases del ciclo hidrológico
(Figura 1). El agua comienza a adquirir solutos cuando aún está en la atmósfera (lluvia). Al
condensar y caer va incorporando solutos y gases y al interceptar la superficie del terreno
disuelve minerales y materia orgánica. Sin embargo, la mayor parte de los componentes disueltos
se incorporan durante las fases de infiltración por la zona no saturada del terreno y de flujo por
la zona saturada.
C
P
T
E
1,2,3,4,5
E
E
3
5,6
l
du
6
E: evaporación
1:
2:
3:
4:
7
8
ce
la
ua
sa
ag
a
u
3,6
ag
P: precipitación
C: polución
asimilación selectiva por la vegetación
oxidación/reducción
intercambio catiónico
disolución de CO 2 y de minerales
5:
6:
7:
8:
E
mar/lago
da
T: transpiración
precipitación de minerales
mezcla de distintas aguas
lixiviado de fertilizantes
procesos biológicos
Figura 1. Adquisición de solutos por el agua subterránea.
1
- Solutos que aporta el agua de lluvia:
En su composición suelen dominar los solutos de origen marino ya que el agua de mar
es la principal fuente de formación de nubes. Por ello las lluvias suelen ser de tipo
clorurado-sódico. El polvo y la contaminación atmosférica también incorporan iones al agua
de lluvia; entre ellos dominan: SO2-4, H+, NH+4 y NO-3.
- Solutos que se incorporan durante la infiltración por la zona no saturada
El agua ocupa total o parcialmente los poros del suelo y disuelve anhídrido carbónico
y ácidos húmicos procedentes de la descomposición de la materia orgánica. La presión
parcial del C02 en el suelo puede variar entre la de la atmósfera (lugares desérticos) que es
0,0003 atm, hasta valores de más de 0,1 atm, estando en general entre 0,001 y 0,1 atm.
Como resultado de lo anterior el agua adquiere carácter ácido y es capaz de atacar
a los minerales del suelo, tomando de ellos productos solubles y dejando un residuo
insoluble más o menos importante que se acumula en el horizonte B. La composición de las
rocas de la zona no saturada condiciona la del agua subterránea freática:
•
•
•
•
Las rocas carbonatadas y evaporíticas son más solubles que los silicatos, y
modifican de forma significativa la composición del agua subterránea ya en la
zona no saturada. La disolución de carbonatos incorpora Ca, Mg, HCO3, Sr y Ba
al agua, y origina aguas de tipo bicarbonatado cálcico.
Los silicatos se disuelven más lentamente y tienen un efecto a más largo plazo
sobre la química del agua. La disolución de silicatos incorpora Na, K, Mg, P, Al,
Si, Mg, Fe,....al agua, aunque debido a la mayor solubilidad y a la ubicuidad de los
carbonatos, en general las agua subterráneas oscilan entre los tipos cloruradosódico y bicarbonatado-cálcico. La disolución de silicatos suele ser un proceso
incongruente, generando arcillas que posteriormente pueden liberar al agua
subterránea primero cationes (Ca2+, Na+, Mg2+, H+, ...), después óxidos de Si y
finalmente hidróxidos de Al y de Fe.
La descomposición de la materia orgánica tiene lugar mediante su oxidación en
el suelo (o el acuífero). El proceso consume oxígeno u otro aceptor de
electrones y produce CO2.
• CH2O + O2
⇔
H2O + CO2
El consumo total del oxígeno disuelto puede llegar a producir un medio reductor
que da lugar a un conjunto de reacciones que también contribuyen a la
composición del agua.
Las reacciones redox más significativas en aguas subterráneas son:
- Reducción de hidróxidos de Fe y Mn: solubilizan Fe y Mn y generan
bicarbonatos (alcalinidad)
CH2O + 4Fe(OH3) + 7H+ ⇔ 4Fe2+ + HCO3- + .10H2O
CH2O + 2MnO2 + 3H+ ⇔ 2Mn2+ + HCO3- + 2H2O
- Reducción de sulfatos: genera alcalinidad y también acidez (H+)
CH2O + 1/2SO4 ⇔ 1/2HS- + HCO3- + 1/2H+
- Desnitrificación: genera nitrógeno gas, bicarbonatos y acidez
CH2O + 4/5NO3- ⇔ 2/5N2 (gas) + HCO3- + 1/5H+ + 2/5 H2O
- Formación de metano: genera metano, bicarbonatos y acidez
CH2O + 1/2H2O ⇔ 1/2CH4 (gas) + 1/2HCO3- + 1/2H+
2
- Solutos que se incorporan durante el flujo por la zona saturada del terreno
Durante el movimiento por la zona saturada el agua subterránea va incorporando y
perdiendo sales y gases debido también a la disolución-precipitación de minerales, a las
reacciones de oxidación-reducción, a la descomposición de materia orgánica antigua (si aun
la hay), etc. Pero, además, tienen lugar las siguientes reacciones modificadoras:
•
•
Adsorción: fijación de solutos en la capa límite de agua que rodea la superficie
de los sólidos debido a mecanismos físicos (soluto atraído por fuerza de Van
der Waals), químicos (soluto unido por enlace químico con átomos de la
superficie del sólido) o electrostáticos (soluto atraído por una superficie de
carga opuesta).
Intercambio iónico: intercambio de unos iones adsorbidos por otros. Afecta
principalmente a los cationes, pero también a los aniones. Se debe a la presencia
de arcillas, materia orgánica, etc. con cargas superficiales (generalmente
negativas) no equilibradas. No todos los iones son retenidos con la misma
fuerza. A igualdad de concentración en el agua, el orden de selectividad
(preferencia) en la adsorción es:
Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+ > H+ > Cs+ > Rb+ > NH4+ > K+ > Na+ > Li+
En acuíferos costeros con agua salina el
intercambio de Na adsorbido por Ca
disuelto ocasiona ablandamiento del agua,
mientras que el de Ca adsorbido por Na
disuelto ocasiona endurecimiento (Figura
2). Esto se utiliza para discriminar el
origen del agua salina (antigua o actual).
Las reacciones son del tipo:
Na2X + Ca2+ ⇔ CaX + 2Na+,
donde X indica el sólido intercambiador
Figura 2. Cambios químicos del agua
subterránea en acuíferos costeros con
marina debidos al intercambio iónico.
Como resultado de todas estas reacciones, el agua subterránea tiene una
composición que es propia de cada lugar del acuífero y, en lugares donde la renovación es
rápida, también de cada momento. Por ello los datos hidroquímicos deben referirse siempre
a puntos (pozos, manantiales) y momentos (fecha) concretos.
Afortunadamente, para conocer el origen de la composición química de un agua no es
necesario, en general, analizar un elevado número de componentes. Existe un grupo
reducido de solutos cuya suma supone más del 99% del total de solutos presentes en un
agua subterránea natural (no contaminada), por lo que habitualmente basta analizar esos
solutos y ciertas variables físico-químicas para obtener una buena idea del origen del agua.
Esos solutos, que se denominan componentes mayoritarios, son: cloro, azufre, carbono,
sodio, calcio y magnesio. Además, como a los valores de pH y temperatura habituales en
3
aguas subterráneas la mayor parte de cada uno de estos componentes está en una forma
iónica concreta, habitualmente se habla de estos iones: ión cloruro (Cl-), ión sulfato (SO42=),
ión bicarbonato (HCO3-), ión sodio (Na+), calcio (Na+) e ión magnesio (Mg2+). A ellos se añade
siempre el ión nitrato (NO3-) no por ser mayoritario, sino por su relevancia como indicador
de contaminación. Las variables físico-químicas relevantes que se deben analizar siempre
son: pH, temperatura, conductividad eléctrica y alcalinidad.
En esta práctica se aprenderá a manejar datos químicos de aguas subterráneas y a
utilizar algunos métodos gráficos para:
1. Clasificar las aguas químicamente.
2. Determinar la idoneidad (calidad) de un agua para su uso en abastecimiento urbano
y agrícola.
3. Observar posibles relaciones genéticas entre distintas aguas de un mismo acuífero.
3. EJEMPLO DE ESTUDIO HIDROGEOQUÍMICO PARA CONOCER LA CALIDAD DEL
AGUA PARA DISTINTOS USOS
En un acuífero detrítico costero semiconfinado formado por gravas, arenas y limos
con lentejones dispersos de arcillas, existen algunos sectores que contienen agua dulce y
otros con agua salobre y salina. El acuífero sostiene una zona en desarrollo turístico y sin
fuentes superficiales de agua dulce, por lo que se desea estudiar las posibilidades de
abastecimiento (fundamentalmente en verano) con agua subterránea.
Para conocer el origen de la salinidad y prever su posible evolución futura en caso
de explotación del acuífero, se ha realizado un muestreo en pozos situados
aproximadamente sobre dos líneas de flujo de agua subterránea (Figura 3). Los pozos 5 y
19 están ubicados sobre una línea de flujo que termina en el mar, y el pozo 15 está sobre
otra línea de flujo diferente que también termina en el mar. El agua del pozo 5 se considera
razonablemente representativa del agua más dulce del acuífero. El estudio mineralógico
índica que los minerales presentes más abundantes son calcita (CaCO3), dolomita
(CaMg(CO3)2) y yeso (CaSO4 2H2O). Con esta información y los datos analíticos de la Tabla
1, realizar un pequeño estudio encaminado a averiguar lo siguiente:
1) Si las cuatros muestras de agua tienen alguna relación entre sí y, en caso
afirmativo, de qué tipo es ésta.
2) En caso de estar relacionadas, deducir las modificaciones químicas que haya podido
experimentar el agua entre unos pozos y otros. Las reacciones propuestas deben
justificar las modificaciones observadas y ser geológicamente válido.
3) Evaluar la idoneidad de las aguas muestreadas para su uso en abastecimiento
urbano y agrícola.
Para apoyarse en el estudio se utilizará las siguientes técnicas gráficas: diagramas
de potabilidad, de SAR y de Piper.
4
Tabla 1. Datos analíticos de las aguas a estudiar.
Identificación y fecha
Isopiezas
msnm
30
40
P5
P15
20
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Agua mar
Parámetro
12/01/01
12/01/01
12/01/01
08/09/98
pH campo
7,8
7,9
7,3
7,5
T campo ºC
CE (20ºC) μS/cm
18
18,3
18,2
16
935
3560
7140
43357
Dureza mg/L CaCO3
10
258
204
1080
8554
180,3
416
184
116
O2 mg/L
4,2
2,1
1,6
6,5
HCO3- mg/L
220
507,6
224,5
141,52
Alcalinidad campo (mg/L CaCO3)
P19
Ma
r
Líneas de flujo
de agua
subterránea
P5
P15
P19
Cl- mg/L
140,5
1011
2506
19000
SO42- mg/L
137,3
226
295
2700
NO3- mg/L
0,4
0,2
0,8
0,6
Na+ mg/L
82
839
1085
11500
K+ mg/L
Mar
9
35
18,9
390
Ca2+ mg/L
68,2
29
397
400
Mg2+ mg/L
37,5
32
150,2
1350
Figura 3. Esquematización del acuífero en estudio.
Estudio hidroquímico:
a) Antes de realizar un estudio hidroquímico hay que comprobar la calidad del análisis
mediante el cálculo de error de balance iónico (E) y la confirmación de que E <10 %. E se
cuantifica mediante la siguiente expresión:
E = 100 • [Cationes-Aniones] / [Cationes + Aniones]
Para ello las concentraciones deben estar expresadas en meq/L. Si el laboratorio no ha
proporcionado las concentraciones en esta unidad, debemos calcularlas dividiendo las
concentraciones expresadas en mg/L por el peso equivalente de cada ión:
HCO3- :
Cl- :
SO42- :
NO3- :
peso
peso
peso
peso
equivalente
equivalente
equivalente
equivalente
Na+ :
K+ :
Ca2+ :
Mg2+ :
= 61 mg / 1 meq
= 35,5 mg /1 meq
= 48 mg / 1 meq
= 62 mg / 1 meq
peso
peso
peso
peso
equivalente
equivalente
equivalente
equivalente
= 23 mg /1 meq
= 39,1 mg / 1 meq
= 20 mg / 1 meq
= 12 mg / 1 meq
En la Tabla 2 se muestran las concentraciones en meq/L y el error de balance calculado.
Todos los análisis tienen un error admisible (<10%).
Tabla 2. Error de balance de cargas en
las aguas estudiadas.
Muestra
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Agua mar
12/01/01
12/01/01
12/01/01
08/09/98
HCO3- meq/L
3,61
8,32
3,68
2,32
Cl- meq/L
3,98
28,64
70,99
538,24
56,25
Parámetro
SO42- meq/L
2,86
4,71
6,15
NO3- meq/L
0,01
0,00
0,01
0,01
10,45
41,67
80,83
596,82
500,00
total aniones
Na+ meq/L
3,57
36,48
47,17
K+ meq/L
0,23
0,90
0,48
9,97
Ca2+ meq/L
3,41
1,45
19,85
20,00
Mg2+ meq/L
3,13
2,67
12,52
112,50
total cationes
10,33
41,49
80,02
642,47
error balance
-0,6
-0,2
-0,5
3,7
b) Clasificación química de las aguas. Existen varios métodos de clasificación que usan
criterios ligeramente distintos. El más sencillo y extendido consiste en denominar las aguas
según el anión y el catión dominantes. Si hay dos aniones o cationes dominantes, se usan
5
ambos. Las aguas del ejercicio se clasifican así:
-
Pozo 5: clorurada-bicarbonatada-sódico-cálcica (o Cl-HCO3-Na-Ca)
Pozo 15: clorurada-sódica (o Cl-Na)
Pozo 19: clorurada-sódica (o Cl-Na)
Mar: clorurada-sódica (o Cl-Na)
c) Aptitud de las aguas para uso humano y agrícola.
- Diagrama de potabilidad (para uso humano)
La única muestra que entra dentro del campo de aplicación de este diagrama es la del
Pozo 5 (Figura 4). Calculamos el total de sales disueltas (SDT) a partir de los datos
analíticos:
SDT (mg/L) = ∑ cationes + ∑ anions + ∑ coloides
SDT pozo 5 = (220 + 140,5 + 137,3 + 0,4) + (82 + 68,2 + 37,5 + 9) = 694,9 ~ 695 mg/L
DIAGR AMA DE POTAB ILIDAD QUÍMIC A
ESTUDIO...............................................................................
Reglamentación técnico-sanitaria de 1990
CLASIFICACIÓN
DEL
AGUA
SALINIDAD
TOTAL
(mg/L)
pH
11,5
ACUÍFERO............................................................................
SO 4 2(mg/L)
Cl (mg/L)
100
550
4500
700
IMPOTABLE
500
11,0
650
4000
450
400
500
3000
350
450
2500
300
350
250
TOLERABLE
*
1750
1000
8,5
250
Figura 4. Diagrama de
potabilidad de las aguas
del ejercicio.
CONVENIENTE
0
70
350
75
300
70
250
65
7
60
50
150
200
45
150
40
200
55
150
150
50
5
5
4
100
40
35
3
30
50
35
25
20
0
20
30
50
25
25
0
0
20
2
25
1
20
8,0
10
0
15
5
7,5
6
45
15
7,0
8
60
250
50
10
80
65
200
100
10
9
80
55
100
500
6,5
90
85
90
300
1500
9,0
400
OXIDABILIDAD
AL
MnO 4K
(mg/L DE O 2 )
95
75
2000
6,0
Mg 2 +
(mg/L)
550
3500
400
9,5
Na +
(mg/L)
85
10,5
10,0
NO 3(mg/L)
7,5
0
10
5
0
* Condicionado a que la conductividad eléctrica
no supere los 2500 μS/cm
Observaciones .........................................................
El agua del pozo 5 es adecuada para su
potabilización. Las aguas de los pozos 15 y 19 y la
de mar no lo son por exceso de salinidad.
........................................................................................
........................................................................................
........................................................................................
MUESTRA
POZO 5
POZO 15
POZO 19
Mar
Ca 2 +
mg/L
68,2
29,0
397
400
NO 2 mg/L
NH 4 +
mg/L
---------
-------------
FECHA
12-01-01
12-01-01
12-01-01
08-09-98
6
Información que se deduce:
El agua del Pozo 5 es tolerable (desde el punto de vista de su salinidad) y conveniente
desde el punto de vista del contenido en nitratos. Las otras tres aguas no son potables
debido a su elevada salinidad.
- Aptitud de las aguas para regadío (diagrama del SAR)
En el eje X se dibuja la conductividad eléctrica medida (en μS/cm o μmhos/cm) y en el
eje Y la Relación de Adsorción de Sodio (se usan las siglas en inglés, SAR), que hay que
calcular de la siguiente forma:
SAR = rNa / [rCa+rMg)/2] ½,
donde r = meq/L
Información que se deduce:
- El agua del Pozo 5 pertenece al subgrupo C3S¡, por tanto el peligro de salinización del
suelo por riego continuado con ella es alto y el de alcalinización bajo.
- El agua de los pozos 19 y 15 y el agua de mar no son adecuadas para riego, ya que
generan
un
riesgo
de
salinización del suelo muy alto..
Figura 5. Diagrama
SAR de las aguas del ejercicio.
Conclusiones
El agua del pozo 5 es útil para
su uso en abastecimiento
humano (tras potabilizarla para
asegurar la desinfección). Su
uso para riego conlleva un
riesgo alto de salinización del
suelo. Dado que es el agua
menos salina encontrada, si se
usa se recomienda “lavar”
periódicamente el terreno con
agua más dulce.
Pozo 5
Bibliografía recomendada: Custodio, E. y Llamas, M. (ed). Hidrología Subterránea, Ed.
Omega. Volumen 1, Caps. 4 y 10.
7
HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA, ITOP/ITM, UPCT
Práctica 4: Interpretación de datos químicos de agua subterráneas.
Determinación de la calidad del agua para uso humano y agrícola
Objetivos
1. Aprender los fundamentos del manejo de la composición
química del agua subterránea para:
a. Determinar la idoneidad (calidad) de un agua para su uso
en abastecimiento urbano y agrícola.
2. Aprender a usar ciertos diagramas hidroquímicos como
apoyo para establecer la calidad de un agua a priori.
Justificación: 1) Diferenciar calidad de contaminación
„
„
„
“Características químicas de un agua” (facies química, mineralización…)
Descripción de los componentes mayoritarios y minoritarios y de las
características físico-químicas de un agua en términos de concentración y
valor absolutos, sin referencias a usos.
“Calidad de un agua”
Estado de idoneidad físico-química de un agua para un uso
determinado. Se establece en función de unos criterios-guía,
estándares o valores límite propios del uso para el cual se evalúa la
calidad de esa agua.
“Contaminación”
“Acción o efecto de introducir materias o formas de energía, o
inducir condiciones en el agua que de modo directo o indirecto
impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los
usos posteriores o con su función ecológica”
Justificación: 2) Las fuentes y procesos responsables de la composición
química del agua subterránea
„
Fuentes y procesos que aportan solutos al agua
• FUENTES:
Atmosférica - Gases
- Partículas sólidas en aire
Superficie terrestre - Deposición atmosférica (seca y húmeda)
- Minerales aflorantes
- Materia orgánica
- Residuos antrópicos (minerales, orgánicos)
Subsuelo
- Gases zona edáfica
- Materia orgánica
- Minerales
- Residuos antrópicos (minerales, orgánicos)
Justificación: 2) Las fuentes y procesos responsables de la composición
química del agua subterránea
„
Fuentes y procesos que aportan solutos al agua
• PROCESOS:
Químicos:
* Disolución /y precipitación) de gases, sólidos minerales y
sustancias orgánicas
* Oxidación- reducción
* Adsorción
* Intercambio iónico
Físicos:
* Mezcla con aguas de diferente origen y composición
* Filtración y ósmosis
Justificación: 3) La composición/calidad del agua subterránea y el ciclo
hidrológico
Precipitación
C ,…
SH2,NO2,NO
3
EvapoTranspiración
(H2O)P
T
H2O
Cl,Na,SO4,Mg,Br,….
E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales
1,2,3,4,5
1,2,3,4,5
E
3
Evap. (H
E2O)
8
8 Vertidos
5,6
6
lce
u
d
asimilación selectiva por la vegetación
oxidación/reducción
intercambio catiónico
minerales
disolución de CO2 2y ydedeminerales
5:
6:
7:
8:
Evaporación
E
mar/lago
da
la
ua
g
a
s
a
a
u
3,6 ag
E:
evaporación
P: precipitación C: polución
Procesos
hidro-bio-geoquímicos
1:
2:
3:
4:
7
7
mar
T: transpiración
precipitación de minerales
mezcla de distintas aguas
lixiviado de fertilizantes y plaguicidas
procesos biológicos
La composición química del agua subterránea es principalmente el
resultado neto de un conjunto de reacciones químicas entre el agua
y el terreno por el que circula, incluyendo tanto la fase sólida
(minerales) como los gases y la materia orgánica presentes en éste.
PERO
Justificación: 3) La composición/calidad del agua subterránea y el ciclo
hidrológico
Precipitación
C ,…
SH2,NO2,NO
3
EvapoTranspiración
(H2O)P
T
H2O
Cl,Na,SO4,Mg,Br,….
E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales
1,2,3,4,5
1,2,3,4,5
E
3
Evap. (H
E2O)
8
8 Vertidos
5,6
6
lce
du
ua
ag
a
3,6 agu
E:
evaporación
P: precipitación C: polución
Procesos
hidro-bio-geoquímicos
1:
2:
3:
4:
asimilación selectiva por la vegetación
oxidación/reducción
intercambio catiónico
minerales
disolución de CO2 2y ydedeminerales
7
7
5:
6:
7:
8:
Evaporación
E
mar/lago
a
ad
l
sa
mar
T: transpiración
precipitación de minerales
mezcla de distintas aguas
lixiviado de fertilizantes y plaguicidas
procesos biológicos
Los solutos presentes en el agua subterránea se incorporan a
ésta durante todas las fases del ciclo hidrológico, empezando
por la fase atmosférica (lluvia). POR ELLO…
Justificación: 3) La composición/calidad del agua subterránea y el ciclo
hidrológico
Precipitación
C ,…
SH2,NO2,NO
3
EvapoTranspiración
(H2O)P
T
H2O
Cl,Na,SO4,Mg,Br,….
E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales
1,2,3,4,5
1,2,3,4,5
E
3
Evap. (H
E2O)
8
8 Vertidos
5,6
6
lce
du
asimilación selectiva por la vegetación
oxidación/reducción
intercambio catiónico
minerales
disolución de CO2 2y ydedeminerales
5:
6:
7:
8:
Evaporación
E
mar/lago
da
la
ua
g
a
s
a
a
u
3,6 ag
E:
evaporación
P: precipitación C: polución
Procesos
hidro-bio-geoquímicos
1:
2:
3:
4:
7
7
mar
T: transpiración
precipitación de minerales
mezcla de distintas aguas
lixiviado de fertilizantes y plaguicidas
procesos biológicos
Para conocer el origen de la composición de un agua subterránea hay
que conocer cuáles son las reacciones químicas más significativas
que aportan solutos al agua y dónde tienen lugar. (ESTUDIARLAS)
Justificación: 4) ¿Qué hay que medir para conocer la composición (y la
calidad) de un agua?
„
Componentes de un agua natural
* C. mayoritarios:
Concentración individual:
> 0,1 mg/L
Sumatorio : > 99,9% del total de componentes disueltos
Son: Cl, S (SO4), C (HCO3, CO2), Na, Ca, Mg, O, Si (SiO2)
* C. minoritarios:
Concentración individual: < 0,1 mg/L y > 0,0001 mg/L
Son: K, H(H+, OH-), N(NO3,, NH4), C(CO3), Fe, Al, Sr, P(PO4), Br..
* C. traza:
Concentración individual: < 0,0001 mg/L (0,1 mg/L)
Son: mayoría metales, As, Zn, Cu, Cd, Cr, Ba, Hg, Sb,...
Para conocer la composición de un agua subterránea basta medir un
pequeño conjunto de variables: Cl, SO4, HCO3, NO3, Na, K, Ca, Mg,
pH, CE, Tra.
Solutos que aporta el agua de lluvia :
Dominan los de origen
marino (SO2-4, Cl-, Na+),
ya que el agua de mar es
la principal fuente de
formación de nubes.
El polvo y la
contaminación
atmosférica también
incorporan iones al agua
de lluvia; entre ellos
dominan: SO42-, H+,
NH4+ y NO3-.
Los gases atmosféricos
(CO2, O2, N, H, Ar, K, …)
están presentes en la
lluvia en concentraciones
iguales a las
atmosféricas.
Precipitación
C ,…
SH2,NO2,NO
3
EvapoTranspiración
(H2O)P
T
H2O
Cl,Na,SO4,Mg,Br,….
E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales
1,2,3,4,5
1,2,3,4,5
E
3
Evap. (H
E2O)
8
8 Vertidos
5,6
6
lce
du
ua
ag
a
3,6 agu
E:
evaporación
P: precipitación C: polución
Procesos
hidro-bio-geoquímicos
1:
2:
3:
4:
asimilación selectiva por la vegetación
oxidación/reducción
intercambio catiónico
disolución de CO2 2y ydedeminerales
minerales
7
7
5:
6:
7:
8:
Evaporación
E
mar/lago
da
la
a
s
T: transpiración
precipitación de minerales
mezcla de distintas aguas
lixiviado de fertilizantes y plaguicidas
procesos biológicos
mar
Solutos que se incorporan durante la infiltración por la zona no
saturada del terreno y reacciones químicas responsables:
• Disolución de C02: ocurre debido a que la presión parcial del C02 en el
suelo suele ser mucho mayor que la atmosférica (Patm= 0,0003 atm;
PCO2 suelo = 0,001 a 0,1 atm).
• Genera HCO3 y CO3; induce agresividad del agua frente a minerales
e incorpora gran cantidad de solutos al agua subterránea:
* Si P > ETR:
domina el aporte de
sales al agua subterránea
* Si ETR > P:
domina la formación
de costras salinas
en el suelo
En realidad sucede esto:
CO2(g) + H2O = H2CO3
H2CO3 = HCO3- + H+
HCO3- = CO3= + H+
HCO3- + Ca2+ = CaHCO3+
CaCO3(s) =Ca2+ + CO3=
Solutos que se incorporan durante la infiltración por la zona no
saturada del terreno y reacciones químicas responsables:
• Disolución de rocas carbonatadas y evaporíticas: más solubles que los
silicatos,modifican rápidamente la composición del agua.
- Carbonatos: Incorporan Ca, Mg, HCO3, Sr y Ba al agua.
Originan aguas de tipo bicarbonatado cálcico (HCO3-Ca)
- Evaporitas: Incorporan Cl, Na, K, Mg, SO4
Originan aguas de tipo Cl-Na, SO4-Ca, SO4-Na
* R. silicatadas: disolución más
lenta; su efecto sobre la química
del agua ocurre a largo plazo.
- Incorporan Na, K, Mg, P, Al, Si,
Mg, Fe,....
- Generan arcillas, las cuales
posteriormente liberan al agua
subterránea cationes (Ca2+, Na+,
Mg2+, H+), óxidos de Si e
hidróxidos de Al y de Fe.
- Origina aguas de tipo
Cl/HCO3-Na
Solutos que se incorporan durante la infiltración por la zona no
saturada del terreno y reacciones químicas responsables:
• Descomposición de materia orgánica: mediante oxidación en el suelo o
el acuífero. El proceso consume oxígeno u otro aceptor de electrones
y produce CO2:
CH2O + O2 ⇔ H2O + CO2
• El consumo total del oxígeno disuelto puede llegar a producir un medio
reductor que dé lugar a un conjunto de reacciones que también
contribuyen a la composición del agua.
Solutos que se incorporan durante la infiltración por la zona no
saturada del terreno y reacciones químicas responsables:
• Reacciones REDOX más relevantes (en zona no saturada y saturada):
* Reducción de hidróxidos de Fe y Mn: aportan al agua Fe, Mn y bicarbonato
CH2O + 4Fe(OH3) + 7H+ ⇔ 4Fe2+ + HCO3- + 10H2O
CH2O + 2MnO2 + 3H+ ⇔ 2Mn2+ + HCO3- + 2H2O
* Reducción de sulfatos: aportan al agua bicarbonato y acidez (H+)
CH2O + 1/2SO4 ⇔ 1/2HS- + HCO3- + 1/2H+
* Desnitrificación: aportan al agua bicarbonato, acidez (H+) y gas nitrógeno
CH2O + 4/5NO3- ⇔ 2/5N2 (gas) + HCO3- + 1/5H+ + 2/5 H2O
* Formación de metano: aportan al agua bicarbonato, acidez y gas metano
CH2O + 1/2H2O ⇔ 1/2CH4 (gas) + 1/2HCO3- + 1/2H+
Solutos que se incorporan durante el tránsito por la zona saturada y
reacciones químicas responsables:
Existe aporte al agua y también pérdida de sales y
gases debido a:
a) disolución-precipitación de minerales,
b) reacciones de oxidación-reducción,
c) descomposición de materia orgánica antigua.
Además tienen lugar las siguientes reacciones:
Adsorción: fijación de solutos en la capa límite
de agua que rodea la superficie de los sólidos.
Mecanismos: Físicos (soluto atraído por fuerza
de Van der Waals), Químicos (soluto unido por
enlace químico con átomos de la superficie del
sólido), Electrostáticos (soluto atraído por una
superficie de carga opuesta).
Intercambio iónico: intercambio de unos iones
adsorbidos por otros en disolución. Afecta
más a los cationes. Se debe a la presencia de
arcillas, materia orgánica, etc. con cargas
superficiales (generalmente negativas) no
equilibradas.
Ejemplo del efecto del intercambio iónico sobre la composición química del agua:
En acuíferos costeros con agua
salina el intercambio de Na
adsorbido por Ca disuelto
ocasiona ABLANDAMIENTO del
agua, mientras que el de Ca
adsorbido por Na disuelto
ocasiona ENDURECIMIENTO
Esto se utiliza para discriminar
el origen del agua salina:
Ablandamiento = antigua
Endurecimiento = actual
Las reacciones son del tipo:
Na2X + Ca2+ ⇔ CaX + 2Na+
CaX + 2Na+ ⇔ Na2X + Ca2+
Justificación: 5) Usos del agua y requisitos de calidad
„
„
Usos del agua: la legislación define los usos en función de su destino para
el consumo
„ Uso doméstico
„ Uso agrario (agrícola y agropecuario)
„ Uso industrial
„ Uso energético
„ Uso en transporte
„ Uso en actividades comerciales y servicios
„ Uso en actividades de seguridad (lucha contra
incendios,…)
Orden de preferencia de los usos: los que establezca el PHCuenca o, en
ausencia de orden, éste:
1. Abastecimiento a poblaciones (incluye industrias conectadas)
2. Riego y usos agrarios
3. Usos industriales para producción eléctrica
4. Otros usos industriales
5. Acuicultura
6. Usos recreativos
7. Navegación y transporte acuático
8. Otros aprovechamientos
Justificación: 6) Requisitos de calidad para uso humano y agrícola
„
Legislación española básica sobre calidad de aguas:
* Ley 29/1985 de Aguas: regulación del Domínio Público
Hidráulico (DPH) y del uso del agua
* RD 849/1986: aprueba el Reglamento del DPH y desarrolla 7
títulos. Título V: regula la protección del DPH y la calidad de las
aguas continentales (incluyendo zonas húmedas).
* RD 484/1995: regularización y control de vertidos
* Resolución de 28 de abril de 1995: Plan Nacional de Residuos
* RD 261/1996: regula la protección de las aguas contra la
contaminación por nitratos agrícolas
* RD 509/1996: normas aplicables al tratamiento de aguas
residuales urbanas
* RD 1/2001: texto refundido Ley de Aguas
* RD 329/2002: Plan Nacional de Regadíos
Justificación: 6) Requisitos de calidad para uso humano y agrícola
„
Legislación comunitaria (Unión Europea)
* Directiva 2000/60/CE: Directiva Marco de Aguas
Enfoque dirigido principalmente a la calidad del agua
(superficial, subterránea y costera).
Engloba toda la legislación europea anterior, que estaba
dispersa (algunas directivas anteriores quedaron derogadas 7
años después de la entrada en vigor de ésta, otras lo serán a los
13 años).
* Directiva 2006/118/CE: Directiva de Aguas Subterráneas
Dirigida a la protección de la calidad de las aguas subterráneas.
Reglamentación técnico sanitaria para aguas potables de consumo público
Caracteres a establecer en las aguas
potables
Nivel guía = calidad excelente
Máximo = límite para considerar potabilizable un agua
NUEVOS VALORES LÍMITE EN DIRECTIVA 98/83/CE
Parámetro
Unidad
Al
NH4
Cl combinado
Cl libre
ClConductividad
pH
Fe
Mn
Oxidabilidad
SO4
Na
μg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
μS/cm
u pH
μg/L
μg/L
mg/L
mg/L
mg/L
Valor máximo
200
0,50
2,00
1,00
250
2500
6,5 a 9,5
200
50
5,0
50
200
Reglamentación técnico sanitaria para aguas envasadas
Características químicas de calidad de las aguas minerales naturales de manantial
y preparadas
Parámetro
Unidad
Al
NH4
Cl combinado
Cl libre
ClConductividad
pH
Fe
Mn
Oxidabilidad
SO4
Na
μg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
μS/cm
u pH
μg/L
μg/L
mg/L
mg/L
mg/L
Valor máximo
200
0,50
2,00
1,00
250
2500
6,5 a 9,5
200
50
5,0
50
200
Condiciones adicionales a cumplir: parámetros microbiológicos
• Escherichia coli, enterococos y pseudomonas aeruginosa: ausencia de colonias /250 mL agua
• Recuento de colonias aerobias a 22ºC: ≤ 100 colonias / 100 mL agua
• Recuento de colonias aerobias a 37ºC: ≤ 20 colonias / 100 mL agua
• Clostridios sulfito reductores: ausencia de colonias en 50 mL agua
DIAGRAMA DE POTABILIDAD QUÍMICA
ESTUDIO...............................................................................
Reglamentación técnico-sanitaria de 1990
ACUÍFERO............................................................................
CLASIFICACIÓN
DEL
AGUA
SALINIDAD
TOTAL
(mg/L)
pH
11,5
Cl (mg/L)
550
500
IMPOTABLE
11,0
SO4 2(mg/L)
700
650
4000
Na +
(mg/L)
400
450
Mg2 +
(mg/L)
90
85
90
400
350
500
3000
400
350
450
400
10,0
2500
350
250
300
*
1750
9,0
1000
60
250
250
250
50
50
200
150
200
45
100
150
40
8,5
7
200
250
55
150
150
200
50
50
30
100
50
250
25
75
25
0
0
50
0
3
50
100
35
20
50
20
20
30
30
50
25
25
25
20
22
0
25
1
15
0
20
8,0
10
0
15
5
7,5
55
4
35
500
6
45
150
100
25
7,0
65
40
100
6,5
300
250
8
60
250
200
200
150
70
65
55
1500
6,0
70
300
2000
9,5
75
300
350
75
10,5
10
9
80
450
400
10
80
550
3500
OXIDABILIDAD
AL MnO4K
(mg/L DE O2)
95
85
500
450
350
300
TOLERABLE
NO3(mg/L)
100
550
4500
CONVENIENTE
Ejemplo de diagrama para determinar
la pre-potabilidad de un agua
(abastecimiento humano)
7,5
0
10
5
0
* Condicionado a que la conductividad eléctrica
μS/cm
no supere los a2500
* Condicionado
que la conductividad eléctrica
MUESTRA
no supere los 2500 μS/cm
Observaciones..............................................................................
.............................................................................................................
..............................................................................
Observaciones
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.......................................................................
.............................................................................................................
.......................................................................
POZO 5
Ca 2+
mg/L
NO2mg/L
NH4+
mg/L
FECHA
Ejemplo de diagrama para
determinar la adecuación de un
agua para riego (diagrama SAR)
Eje Y:
SAR =
rNa
rCa+rMg
2
(r = meq/L)
Eje X:
CE en μS/cm
Ejemplo de estudio hidroquímico de un acuífero.
1. Calidad del agua para distintos usos
Acuífero
detríticoturístico
costeroysemiconfinado,
formado por gravas, arenas y
- -Zona
en desarrollo
sin fuentes
limos con lentejones
dispersos
de estudiar
arcillas.
superficiales
de agua dulce.
Se desea
Hay sectores
con agua dulcecon
y otros
la-posibilidad
de abastecimiento
agua con agua salobre y salina.
subterránea.
Isopiezas
msnm
30
40
P5
P15
20
* Los pozos 5 y 19 están sobre una línea de
flujo que termina en el mar
* El pozo 15 está sobre otra línea de flujo que
también termina en el mar
Líneas de flujo
de agua
subterránea
* El agua del pozo 5 se considera representativa del agua más dulce del acuífero
P5
* Los minerales más abundantes son calcita
(CaCO3), dolomita (CaMg(CO3)2) y yeso
(CaSO4 2H2O)
P15
P19
r
10
Ma
- Para conocer la calidad del agua, el origen de
la salinidad y prever su evolución futura en caso
de explotación del acuífero, se ha realizado un
muestreo en 3 pozos:
P19
Mar
Ejemplo de estudio hidroquímico de un acuífero.
1. Calidad del agua para distintos usos
Con esta información y los datos analíticos de la Tabla 1 se debe
averiguar lo siguiente:
1) La idoneidad del agua
para abastecimiento
humano y para regadío.
Identificación y fecha
Pozo 5
Pozo 15
Pozo 19
Agua mar
Parámetro
12/01/01
12/01/01
12/01/01
08/09/98
pH campo
7,8
7,9
7,3
7,5
T campo ºC
CE (20ºC) μS/cm
18
18,3
18,2
16
935
3560
7140
43357
Dureza mg/L CaCO3
258
204
1080
8554
180,3
416
184
116
O2 mg/L
4,2
2,1
1,6
6,5
HCO3- mg/L
220
507,6
224,5
141,52
Cl- mg/L
140,5
1011
2506
19000
SO42- mg/L
137,3
226
295
2700
NO3- mg/L
0,4
0,2
0,8
0,6
82
839
1085
11500
Alcalinidad campo (mg/L CaCO3)
(Y EN LA PRÁCTICA 5)
•
•
•
El tipo químico de las
distintas aguas;
El origen de la
composición química del
agua.
Si alguna muestra es
mezcla de agua dulce y
agua de mar.
+
Na mg/L
+
K mg/L
9
35
18,9
390
2+
68,2
29
397
400
2+
37,5
32
150,2
1350
Ca mg/L
Mg mg/L
Adecuación de las aguas para su potabilización (plantilla)
DIAGRAMA DE POTABILIDAD QUÍMICA
ESTUDIO...............................................................................
Reglamentación técnico-sanitaria de 1990
ACUÍFERO............................................................................
CLASIFICACIÓN
DEL
AGUA
SALINIDAD
TOTAL
(mg/L)
pH
11,5
Cl (mg/L)
SO4 2(mg/L)
700
500
IMPOTABLE
11,0
650
4000
90
85
90
350
3500
400
500
450
300
10,0
2500
350
250
2000
9,5
*
1750
200
200
1500
150
6,0
9,0
1000
70
55
250
250
50
50
200
45
100
8,5
250
40
7
200
55
150
150
50
50
50
25
25
0
0
4
100
3
50
35
2020
20
30
50
25
25
20
22
0
25
1
20
8,0
10
0
15
5
7,5
55
45
15
7,0
6
0
7,5
0
Observaciones..............................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.............................................................................................................
.......................................................................
MUESTRA
POZO 5
SDT (mg/L) = ∑ cationes + ∑ anions + ∑
coloides
SDT Pozo 5 = (220 + 140,5 + 137,3 + 0,4)
+ (82 + 68,2 + 37,5 + 9) ~ 695 mg/L
Adecuación del Pozo 5: es
conveniente a tolerable (ACEPTABLE)
10
5
* Condicionado a que la conductividad eléctrica
no supere los 2500 μS/cm
Cálculo de SDT a partir de los datos
analíticos:
40
30
250
8
65
35
500
0
70
60
60
100
6,5
300
65
300
150
10
75
75
350
10
9
80
10,5
OXIDABILIDAD
AL MnO4K
(mg/L DE O2)
80
550
400
TOLERABLE
400
Mg2 +
(mg/L)
95
85
450
3000
CONVENIENTE
Na +
(mg/L)
100
550
4500
NO3(mg/L)
Diagrama de barras verticales. Se
representan las siguientes parámetros:
- pH,
- sales disueltas totales (SDT),
- Cl, SO4, NO3, Na y Mg
- Oxidabilidad al permanganato
(mide la presencia de materia
orgánica)
Ca 2+
mg/L
NO2mg/L
NH4+
mg/L
FECHA
Adecuación Pozos 15 y 19: ambos
IMPOTABLES debido a su elevada
salinidad
Adecuación de las aguas para regadío (diagrama SAR)
Eje Y:
SAR =
rNa
rCa+rMg
2
Eje X:
Pozo 5
(r = meq/L)
CE en μS/cm
Riego con Pozo 5: riesgo de salinización
del suelo ALTO (riesgo de alcalinización
BAJO).
- Adecuada para riego si el suelo se lava
periódicamente con agua más dulce.
Riego con Pozos 15 y 19: riesgo de
salinización MUY ALTO.
- No adecuadas para riego.