Curso: Fecha: 19/11/2008 Profesora de prácticas: Marisol Manzano Arellano Tel.: 968.

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1 Asignatura: HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA (ITOP)/HIDROGEOLOGÍA (ITM); UPCT Curso: Fecha: 19/11/28 Profesora de prácticas: Marisol Manzano Arellano Tel.: 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. T P C E 1,2,3,4,5 3 6 E 5,6 E 7 8 agua dulce 3,6 agua salada E mar/lago E: evaporación P: precipitación C: polución T: transpiración 1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales 2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas 3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes 4: disolución de CO 2 y de minerales 8: procesos biológicos Figura 1. Adquisición de solutos por el agua subterránea. 1

2 - 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: SO 2-4, H +, NH + 4 y NO 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 C 2 en el suelo puede variar entre la de la atmósfera (lugares desérticos) que es,3 atm, hasta valores de más de,1 atm, estando en general entre,1 y,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, HCO 3, 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 (Ca 2+, Na +, Mg 2+, 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 CO 2. CH 2 O + O 2 H 2 O + CO 2 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) CH 2 O + 4Fe(OH 3 ) + 7H + 4Fe HCO 3 +.1H 2 O CH 2 O + 2MnO 2 + 3H + 2Mn HCO 3 + 2H 2 O - Reducción de sulfatos: genera alcalinidad y también acidez (H + ) CH 2 O + 1/2SO 4 1/2HS HCO 3 + 1/2H + - Desnitrificación: genera nitrógeno gas, bicarbonatos y acidez - CH 2 O + 4/5NO 3 2/5N 2 (gas) + HCO /5H + + 2/5 H 2 O - Formación de metano: genera metano, bicarbonatos y acidez - CH 2 O + 1/2H 2 O 1/2CH 4 (gas) + 1/2HCO 3 + 1/2H + 2

3 - 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: Ba 2+ > Sr 2+ > Ca 2+ > Mg 2+ > H + > Cs + > Rb + > NH 4 + > 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: Na 2 X + Ca 2+ 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

4 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 (SO 4 2= ), ión bicarbonato (HCO 3 - ), ión sodio (Na + ), calcio (Na + ) e ión magnesio (Mg 2+ ). A ellos se añade siempre el ión nitrato (NO 3 - ) 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 (CaCO 3 ), dolomita (CaMg(CO 3 ) 2 ) y yeso (CaSO 4 2H 2 O). 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

5 Tabla 1. Datos analíticos de las aguas a estudiar. 4 3 P5 Isopiezas msnm P Líneas de flujo P19 de agua subterránea Mar P5 P15 P19 Mar Figura 3. Esquematización del acuífero en estudio. Estudio hidroquímico: Identificación y fecha Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua mar Parámetro 12/1/1 12/1/1 12/1/1 8/9/98 ph campo 7,8 7,9 7,3 7,5 T campo ºC 18 18,3 18,2 16 CE (2ºC) μs/cm Dureza mg/l CaCO Alcalinidad campo (mg/l CaCO 3 ) 18, O 2 mg/l 4,2 2,1 1,6 6,5 HCO - 3 mg/l 22 57,6 224,5 141,52 Cl - mg/l 14, SO 4 mg/l 137, NO 3 mg/l,4,2,8,6 Na + mg/l K + mg/l ,9 39 Ca 2+ mg/l 68, Mg 2+ mg/l 37, ,2 135 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 <1 %. E se cuantifica mediante la siguiente expresión: E = 1 [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: HCO - 3 : peso equivalente = 61 mg / 1 meq Na + : peso equivalente = 23 mg /1 meq Cl - : peso equivalente = 35,5 mg /1 meq K + : peso equivalente = 39,1 mg / 1 meq SO 2-4 : peso equivalente = 48 mg / 1 meq Ca 2+ : peso equivalente = 2 mg / 1 meq NO - 3 : peso equivalente = 62 mg / 1 meq Mg 2+ : peso equivalente = 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 (<1%). Tabla 2. Error de balance de cargas en las aguas estudiadas. Muestra Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua mar Parámetro 12/1/1 12/1/1 12/1/1 8/9/98 HCO - 3 meq/l 3,61 8,32 3,68 2,32 Cl - meq/l 3,98 28,64 7,99 538,24 2- SO 4 meq/l 2,86 4,71 6,15 56,25 - NO 3 meq/l,1,,1,1 total aniones 1,45 41,67 8,83 596,82 Na + meq/l 3,57 36,48 47,17 5, K + meq/l,23,9,48 9,97 Ca 2+ meq/l 3,41 1,45 19,85 2, Mg 2+ meq/l 3,13 2,67 12,52 112,5 total cationes 1,33 41,49 8,2 642,47 error balance -,6 -,2 -,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

6 ambos. Las aguas del ejercicio se clasifican así: - Pozo 5: clorurada-bicarbonatada-sódico-cálcica (o Cl-HCO 3 -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 = ( , ,3 +,4) + ( ,2 + 37,5 + 9) = 694,9 ~ 695 mg/l DIAGRAMA DE POTABILIDAD QUÍMICA Reglamentación técnico-sanitaria de 199 ESTUDIO... ACUÍFERO... CLASIFICACIÓN DEL AGUA ph SALINIDAD TOTAL (mg/l) Cl - (mg/l) 2- SO 4 (mg/l) - NO 3 (mg/l) Na + (mg/l) Mg 2 + (mg/l) OXIDABILIDAD AL MnO 4K (mg/l DE O 2) Figura 4. Diagrama de potabilidad de las aguas del ejercicio. CONVENIENTE TOLERABLE IMPOTABLE 6, 6,5 7, 7,5 11,5 11, 1,5 1, 9,5 9, 8,5 8, 7, * * Condicionado a que la conductividad eléctrica no supere los 25 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 Ca + 2 NO - 2 NH + 4 FECHA mg/l mg/l mg/l POZO 5 68, POZO 15 29, POZO Mar

7 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 C 3 S, 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 1. 7

8 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.

9 Justificación: 1) Diferenciar calidad de contaminación Características químicas de un agua (facies química, mineralización ) Descripción n de los componentes mayoritarios y minoritarios y de las características físicof sico-químicas de un agua en términos t de concentración n y valor absolutos, sin referencias a usos. Calidad de un agua Estado de idoneidad físicof sico-química de un agua para un uso determinado. Se establece en función n de unos criterios-gu guía, estándares o valores límite l propios del uso para el cual se evalúa a la calidad de esa agua. Contaminación Acción n o efecto de introducir materias o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que de modo directo o indirecto impliquen una alteración n perjudicial de su calidad en relación n con los usos posteriores o con su función n ecológica gica

10 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)

11 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

12 Justificación: 3) La composición/calidad del agua subterránea y el ciclo hidrológico Precipitación SH C 2,NO 2,NO 3, EvapoTranspiración T (H 2 O) P E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales 1,2,3,4,5 1,2,3,4,5 E Evap. (H E 2 O) ,6 Vertidos 6 agua dulce 3,6 agua salada E mar/lago H 2 O Cl,Na,SO 4,Mg,Br,. Evaporación mar E: Procesos evaporación hidro-bio-geoquímicos P: precipitación C: polución T: transpiración 1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales 2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas 3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes y plaguicidas 4: disolución de CO 2 2 y y de de minerales 8: 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

13 Justificación: 3) La composición/calidad del agua subterránea y el ciclo hidrológico Precipitación SH C 2,NO 2,NO 3, EvapoTranspiración T (H 2 O) P E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales 1,2,3,4,5 1,2,3,4,5 E Evap. (H E 2 O) ,6 Vertidos 6 agua dulce 3,6 agua salada E mar/lago H 2 O Cl,Na,SO 4,Mg,Br,. Evaporación mar E: Procesos evaporación hidro-bio-geoquímicos P: precipitación C: polución T: transpiración 1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales 2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas 3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes y plaguicidas 4: disolución de CO 2 2 y y de de minerales 8: 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

14 Justificación: 3) La composición/calidad del agua subterránea y el ciclo hidrológico Precipitación SH C 2,NO 2,NO 3, EvapoTranspiración T (H 2 O) P E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales 1,2,3,4,5 1,2,3,4,5 E Evap. (H E 2 O) ,6 Vertidos 6 agua dulce 3,6 agua salada E mar/lago H 2 O Cl,Na,SO 4,Mg,Br,. Evaporación mar E: Procesos evaporación hidro-bio-geoquímicos P: precipitación C: polución T: transpiración 1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales 2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas 3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes y plaguicidas 4: disolución de CO 2 2 y y de de minerales 8: 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)

15 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: >,1 mg/l Sumatorio : > 99,9% del total de componentes disueltos Son: Cl, S (SO 4 ), C (HCO 3, CO 2 ), Na, Ca, Mg, O, Si (SiO 2 ) * C. minoritarios: Concentración individual: <,1 mg/l y >,1 mg/l Son: K, H(H +, OH - ), N(NO 3,,NH 4 ), C(CO 3 ), Fe, Al, Sr, P(PO 4 ), Br.. * C. traza: Concentración individual: <,1 mg/l (,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, SO 4, HCO 3, NO 3, Na, K, Ca, Mg, ph, CE, Tra.

16 Solutos que aporta el agua de lluvia : Dominan los de origen marino (SO 2-4, Cl-, Na + ), ya que el agua de mar es la principal fuente de formación de nubes. T El polvo y la contaminación atmosférica también incorporan iones al agua de lluvia; entre ellos dominan: SO 4 2-, H +, NH 4+ y NO 3-. Los gases atmosféricos (CO 2, O 2, N, H, Ar, K, ) están presentes en la lluvia en concentraciones iguales a las atmosféricas. EvapoTranspiración (H 2 O) P 1,2,3,4,5 1,2,3,4,5 Precipitación 6 3 E 5,6 SH C 2,NO 2,NO 3, E Lixiviación (Na,Ca,C,S,K,Si, metales Evap. (H E 2 O) agua dulce 3,6 agua salada mar/lago E: Procesos evaporación hidro-bio-geoquímicos P: precipitación C: polución T: transpiración 1: asimilación selectiva por la vegetación 5: precipitación de minerales 2: oxidación/reducción 6: mezcla de distintas aguas 3: intercambio catiónico 7: lixiviado de fertilizantes y plaguicidas 4: disolución de CO 2 2 y y de de minerales 8: procesos biológicos Vertidos E H 2 O Cl,Na,SO 4,Mg,Br,. mar Evaporación

17 Solutos que se incorporan durante la infiltración por la zona no saturada del terreno y reacciones químicas responsables: Disolución de C 2 : ocurre debido a que la presión parcial del C 2 en el suelo suele ser mucho mayor que la atmosférica (Patm=,3 atm; PCO 2 suelo =,1 a,1 atm). Genera HCO 3 y CO 3 ; 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: CO 2 (g) + H 2 O = H 2 CO 3 H 2 CO 3 = HCO 3- + H + HCO 3- = CO 3= + H + HCO 3- + Ca 2+ = CaHCO 3 + CaCO 3 (s) =Ca 2+ + CO 3 =

18 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, HCO 3, Sr y Ba al agua. Originan aguas de tipo bicarbonatado cálcico (HCO 3 -Ca) - Evaporitas: Incorporan Cl, Na, K, Mg, SO 4 Originan aguas de tipo Cl-Na, SO 4 -Ca, SO 4 -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 (Ca 2+, Na +, Mg 2+, H + ), óxidos de Si e hidróxidos de Al y de Fe. - Origina aguas de tipo Cl/HCO 3 -Na

19 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 CO 2 : CH 2 O + O 2 H 2 O + CO 2 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.

20 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 CH 2 O + 4Fe(OH 3 ) + 7H + 4Fe 2+ + HCO H 2 O CH 2 O + 2MnO 2 + 3H + 2Mn 2+ + HCO H 2 O * Reducción de sulfatos: aportan al agua bicarbonato y acidez (H + ) CH 2 O + 1/2SO 4 1/2HS - + HCO /2H + * Desnitrificación: aportan al agua bicarbonato, acidez (H + ) y gas nitrógeno CH 2 O + 4/5NO 3-2/5N 2 (gas) + HCO /5H + + 2/5 H 2 O * Formación de metano: aportan al agua bicarbonato, acidez y gas metano CH 2 O + 1/2H 2 O 1/2CH 4 (gas) + 1/2HCO /2H +

21 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.

22 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: Na 2 X + Ca 2+ CaX + 2Na + CaX + 2Na + Na 2 X+ Ca 2+

23 Justificación: 5) Usos del agua y requisitos de calidad Usos del agua: la legislación n define los usos en función n 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

24 Justificación: 6) Requisitos de calidad para uso humano y agrícola Legislación n española básica b sobre calidad de aguas: * Ley 29/1985 de Aguas: : regulación n del Domínio Público Hidráulico (DPH) y del uso del agua * RD 849/1986: : aprueba el Reglamento del DPH y desarrolla 7 títulos. tulos. Título T V: regula la protección n del DPH y la calidad de las aguas continentales (incluyendo zonas húmedas). h * RD 484/1995: : regularización n y control de vertidos * Resolución n de 28 de abril de 1995: : Plan Nacional de Residuos * RD 261/1996: : regula la protección n de las aguas contra la contaminación n por nitratos agrícolas * RD 59/1996: : normas aplicables al tratamiento de aguas residuales urbanas * RD 1/21: : texto refundido Ley de Aguas * RD 329/22: : Plan Nacional de Regadíos

25 Justificación: 6) Requisitos de calidad para uso humano y agrícola Legislación n comunitaria (Unión n Europea) * Directiva 2/6/CE: Directiva Marco de Aguas Enfoque dirigido principalmente a la calidad del agua (superficial, subterránea y costera). Engloba toda la legislación n europea anterior, que estaba dispersa (algunas directivas anteriores quedaron derogadas s 7 años después s de la entrada en vigor de ésta, otras lo serán n a los 13 años). a * Directiva 26/118/CE: Directiva de Aguas Subterráneas Dirigida a la protección n de la calidad de las aguas subterráneas.

26 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 2,5 2, 1, ,5 a 9, , 5 2

27 Reglamentación técnico sanitaria para aguas envasadas Características químicas de calidad de las aguas minerales naturales de manantial y preparadas Parámetro Unidad Valor máximo Al μg/l 2 NH 4 mg/l,5 Cl combinado mg/l 2, Cl libre mg/l 1, Cl- mg/l 25 Conductividad μs/cm 25 ph u ph 6,5 a 9,5 Fe μg/l 2 Mn μg/l 5 Oxidabilidad mg/l 5, SO 4 mg/l 5 Na mg/l 2 Condiciones adicionales a cumplir: parámetros microbiológicos Escherichia coli, enterococos y pseudomonas aeruginosa: ausencia de colonias /25 ml agua Recuento de colonias aerobias a 22ºC: 1 colonias / 1 ml agua Recuento de colonias aerobias a 37ºC: 2 colonias / 1 ml agua Clostridios sulfito reductores: ausencia de colonias en 5 ml agua

28 Ejemplo de diagrama para determinar la pre-potabilidad de un agua (abastecimiento humano) DIAGRAMA DE POTABILIDAD QUÍMICA Reglamentación técnico-sanitaria de 199 CLASIFICACIÓN DEL AGUA ph SALINIDAD TOTAL (mg/l) Cl - (mg/l) 2- SO 4 (mg/l) ESTUDIO... ACUÍFERO... - Na + Mg 2 + OXIDABILIDAD NO 3 AL MnO (mg/l) (mg/l) (mg/l) 4K (mg/l DE O 2) 11, CONVENIENTE TOLERABLE IMPOTABLE 6, 6,5 7, 7,5 11, 1,5 1, 9,5 9, 8,5 8, 7, * * Condicionado a que la conductividad eléctrica * Condicionado no supere los a 25 que μs/cm la conductividad eléctrica no supere los 25 μs/cm Observaciones... Observaciones MUESTRA Ca 2+ - NO 2 + NH 4 mg/l mg/l mg/l POZO 5 FECHA

29 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

30 Ejemplo de estudio hidroquímico de un acuífero. 1. Calidad del agua para distintos usos --Zona Acuífero en desarrollo detrítico turístico costero y semiconfinado, sin fuentes formado por gravas, arenas y superficiales limos con lentejones de agua dulce. dispersos Se desea de estudiar arcillas. la -posibilidad Hay sectores de abastecimiento con agua dulce con y otros agua con agua salobre y salina. subterránea. - 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: * 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 * El agua del pozo 5 se considera representativa del agua más dulce del acuífero * Los minerales más abundantes son calcita (CaCO 3 ), dolomita (CaMg(CO 3 ) 2 ) y yeso (CaSO 4 2H 2 O) 4 3 P5 P15 Líneas de flujo de agua subterránea P5 P15 2 P19 P19 1 Isopiezas msnm Mar Mar

31 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. (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. Identificación y fecha Pozo 5 Pozo 15 Pozo 19 Agua mar Parámetro 12/1/1 12/1/1 12/1/1 8/9/98 ph campo 7,8 7,9 7,3 7,5 T campo ºC 18 18,3 18,2 16 CE (2ºC) μs/cm Dureza mg/l CaCO Alcalinidad campo (mg/l CaCO 3 ) 18, O 2 mg/l 4,2 2,1 1,6 6,5 HCO - 3 mg/l 22 57,6 224,5 141,52 Cl - mg/l 14, SO 4 mg/l 137, NO 3 mg/l,4,2,8,6 Na + mg/l K + mg/l ,9 39 Ca 2+ mg/l 68, Mg 2+ mg/l 37, ,2 135

32 Adecuación de las aguas para su potabilización (plantilla) DIAGRAMA DE POTABILIDAD QUÍMICA Reglamentación técnico-sanitaria de 199 CLASIFICACIÓN SALINIDAD Cl - DEL ph TOTAL (mg/l) AGUA (mg/l) CONVENIENTE TOLERABLE IMPOTABLE 6, 6,5 7, 7,5 11,5 11, 1,5 1, 9,5 9, 8,5 8, 7, * * Condicionado a que la conductividad eléctrica no supere los 25 μs/cm Observaciones ESTUDIO... ACUÍFERO SO 4 NO 3 (mg/l) (mg/l) Na + (mg/l) Mg 2 + (mg/l) OXIDABILIDAD AL MnO 4K (mg/l DE O 2) MUESTRA Ca 2+ - NO 2 + NH 4 FECHA mg/l mg/l mg/l POZO 5 Diagrama de barras verticales. Se representan las siguientes parámetros: - ph, - sales disueltas totales (SDT), - Cl, SO 4, NO 3, Na y Mg - Oxidabilidad al permanganato (mide la presencia de materia orgánica) Cálculo de SDT a partir de los datos analíticos: SDT (mg/l) = cationes + anions + coloides SDT Pozo 5 = ( , ,3 +,4) + ( ,2 + 37,5 + 9) ~ 695 mg/l Adecuación del Pozo 5: es conveniente a tolerable (ACEPTABLE) Adecuación Pozos 15 y 19: ambos IMPOTABLES debido a su elevada salinidad

33 Adecuación de las aguas para regadío (diagrama SAR) Eje Y: SAR = rna rca+rmg 2 (r = meq/l) Eje X: CE en μs/cm Pozo 5 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.