TEMA 2. ÍNDICES DE CALIDAD DE LAS AGUAS. 1. Water Quality Index 2. ISCA 3. Índice de Calidad General 4. Índices biológicos

Transcripción

1 Francisco Javier Bayo Bernal Calidad de Aguas Grado en Ingeniería Civil Universidad Politécnica de Cartagena TEMA 2. ÍNDICES DE CALIDAD DE LAS AGUAS 1. Water Quality Index 2. ISCA 3. Índice de Calidad General 4. Índices biológicos 1

2 NSF 1. Water Quality Index NSF WQI (1970) ph FACTORES PONDERALES National Sanitation Foundation 142 científicos 9 parámetros de calidad [0-100] Para cada parámetro: Factor ponderal y Q-value Oxígeno disuelto (%) Coliformes fecales (UFC/100 ml) 0,17 0,16 WQI = ( Q value* factor ponderal) factores ponderales ph 0,11 DBO 5 (mg/l) 0,11 Variación de la temperatura (ºC) 0,10 Fosfatos (mg/l) 0,10 Nitratos (mg/l) Turbidez (UNT) 0,10 0,08 ST Sólidos totales (mg/l) 0,07 IMÁGENES TOMADAS DE: 02/11/2011 2

3 NSF 1. Water Quality Index USO DEL ÍNDICE WQI EN ESPAÑA EXCELENTE BUENA MEDIA MALA 0-25 MUY MALA IMÁGENES TOMADAS DE: Sánchez et al. (2007). Use of the water quality index and dissolved oxygen deficit as simple indicators of watersheds pollution. Ecological Indicators 7: Provencher and Lamontagne (1977) Pesce and Wunderlin (2000) Buena correlación entre WQI y déficit en O 2 disuelto WQI = 6,39D + 93,61 R 2 = 0,91 IMAGEN TOMADA DE: Bouza-Deaño et al. (2008). Trend study and assessment of surface water quality in the Ebro River (Spain). Journal of Hidrology 361:

4 P&W Pesce and Wunderlin (2000) 3 parámetros de calidad Oxígeno disuelto (mg/l), Conductividad (µs/cm), Turbidez (UNT) [0-100] 1. Water Quality Index Pesce and Wunderlin (2000). Use of water quality indices to verify the impact of Cordoba City (Argentina) on Suquia River. Water Research 34: WQI 1 = ( OD + C + T ) 3 OXÍGENO DISUELTO (mg/l) [OD] CONDUCTIVIDAD (µs/cm) [C] TURBIDEZ (UNT) [T] OD 1 OD = 0 1 < OD 2 OD = 10 2 < OD 3 OD = 20 3 < OD 3,5 OD = 30 3,5 < OD 4 OD = 40 4 < OD 5 OD = 50 5 < OD 6 OD = 60 6 < OD 6,5 OD = 70 6,5 < OD 7 OD = 80 7 < OD 7,5 OD = 90 OD 7,5 OD = 100 Cond > C = Cond C = Cond < 8000 C = Cond < 5000 C = Cond < 3000 C = Cond < 2500 C = Cond < 2000 C = Cond < 1500 C = Cond < 1250 C = Cond < 1000 C = 90 Cond < 750 C = 100 Turb > 100 T = 0 80 Turb 100 T = Turb < 80 T = Turb < 60 T = Turb < 40 T = Turb < 30 T = Turb < 25 T = Turb < 20 T = Turb < 15 T= 80 5 Turb < 10 T = 90 Turb < 5 T = 100 4

5 Liou 1. Water Quality Index LIOU WQI (2004) 4 parámetros de calidad Oxígeno disuelto (mg/l), DBO 5 (mg/l), Sólidos en suspensión (mg/l), Nitrógeno amoniacal (mg/l) [< 2 - > 6] OXÍGENO DISUELTO (mg/l) [OD] OD > 6,5 OD = 1 4,5 OD 6,5 OD = 3 2 OD < 4,5 OD = 6 OD < 2 OD = 10 DBO 5 (mg/l) [DBO] DBO 5 < 3 DBO = 1 3 DBO 5 < 5 DBO = 3 5 DBO 5 15 DBO= 6 DBO 5 > 15 DBO = 10 WQI Liou et al. (2004). A generalized water quality index for Taiwan. Environmental Monitoring Assessment 96: = ( OD + DBO + SS + N NH 3 ) 4 SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN (mg/l) [SS] SS < 20 SS = 1 20 SS < 50 SS = 3 50 SS 100 SS= 6 SS > 100 SS = 10 NITRÓGENO AMONIACAL (mg/l) [N-NH 3 ] NA < 0,5 N-NH 3 = 1 0,5 NA < 1 N-NH 3 = 3 1 NA 3 N-NH 3 = 6 NA > 3 N-NH 3 = 10 WQI < 2 BUENA 2 WQI < 3 LIGERAMENTE CONTAMINADA 3 WQI 6 MODERADAMENTE CONTAMINADA WQI > 6 MUY CONTAMINADA 5

6 ISCA ( A + B + C D) ISCA = T + 2. ISCA ISCA (1982) Índice Simplificado de la Calidad del Agua Ramón Queralt 5 parámetros de calidad [0-100] Temperatura del agua del río (ºC) Carbono orgánico total (mg/l) Sólidos en suspensión (mg/l) Oxígeno disuelto (mg/l) Conductividad (µs/cm) T A B C D T IMAGEN TOMADA DE: upc.es/. 02/11/2011 TEMPERATURA DEL AGUA DEL RÍO (ºC) [T] T 20 T = 1 20 < T 36 T = 1 (T 20) 0,0125 T > 36 T = 0,8 CARBONO ORGÁNICO TOTAL TOC (mg/l) [A] TOC 5 A = 30 TOC 12 TOC > 5 A = 21 (0,35 TOC) TOC > 12 A = 0 6

7 ISCA 2. ISCA OXÍGENO DISUELTO (mg/l) [C] SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN (mg/l) [B] SS 100 B = 25 (0,15 SS) 100 < SS < 250 B = 17 (0,07 SS) SS > 250 B = 0 B OD < 10 C = 2,5 OD OD 10 C = 25 CONDUCTIVIDAD (mg/l) [D] Conductividad < 200 D = 20 Conductividad D = (3,6 log C) 15,4 Conductividad > D = 0 INCONVENIENTES DEL ÍNDICE No incluye nutrientes (N P) No incluye sustancias tóxicas Aumento natural de SS IMAGEN TOMADA DE: 02/11/2011 7

8 ICG 3. Índice de Calidad General ICG (Mingo Magro, 1981) 23 PARÁMETROS 9 BÁSICOS + 14 COMPLEMENTARIOS CONCENTRACIÓN SIGNIFICATIVA CUALQUIERA QUE SEA SU VALOR SÓLO AFECTAN A CALIDAD DEL AGUA A PARTIR DE UNA DETERMINADA CONCENTACIÓN Asignación de pesos para ponderar su importancia relativa (1-4) PARÁMETROS BÁSICOS CT Conductividad DBO 5 DQO Fosfatos SS T NO 3- OD ph PARÁMETROS COMPLEMENTARIOS Detergentes Ca 2+ Mg 2+ Na + Cl - SO 4= Cd Cr(VI) Hg Cu Pb Zn CN - Fenoles [0-100] 8

9 Cálculo 3. Índice de Calidad General CÁLCULO Indicadores de contaminación física SS T y ph. Indicadores de contaminación orgánica OD, DQO, DBO 5, CT, Fosfatos, Detergentes. Indicadores de contaminación inorgánica Conductividad, Nitratos, Calcio, Magnesio, Sodio, Cloruros, Sulfatos. Indicadores de contaminación tóxica Cd, Cr(VI), Hg, Cu, Pb, Zn, CN -, Fenoles. ICG = [F 1 (K j ) F 2 (K j )] = (Q j P j ) F 1 (K j ) Transformación del valor analítico de cada parámetro en valor adimensional [NIVEL DE CALIDAD (Q j )] F 2 (K j ) Peso relativo de cada parámetro en el global del índice [PESO PONDERAL (P j )] EXCELENTE BUENA INTERMEDIA ADMISIBLE < 60 INADMISIBLE COEFICIENTES DE PONDERACIÓN (1) SS T OD ph Conductividad DBO 5 CT Detergentes CN - Fenoles Cd Cr(VI) Hg; (2) Cloruros Sulfatos Cu Pb Zn; (3) DQO Fosfatos Nitratos Calcio; (4) Magnesio Sodio 9

10 IBMWP 4. Índices biológicos IBMWP (Alba-Tercedor y Sánchez-Ortega, 1988) Basado en la clasificación de los organismos según su tolerancia a la contaminación, asignándoles una puntuación a cada uno de ellos Procede de BMWP (Biological Monitoring Working Party) (Hellawell, 1978) Recomendado por la Asociación Española de Limnología (1991) I (a) Aguas muy limpias > 150 ÍNDICE BIÓTICO I (b) Aguas no contaminadas o no alteradas de modo sensible II Son evidentes algunos efectos de contaminación III Aguas contaminadas IV Aguas muy contaminadas Taxones identificados a nivel de familia V Aguas fuertemente contaminadas < 15 10

11 IBMWP 4. Índices biológicos IMAGEN TOMADA DE: 16/04/2012 IMAGEN TOMADA DE: blogspot.com.es/. 02/11/2011 Estado de ninfa y adulto de Plecóptero (mosca de las piedras). Calidad 10 IMAGEN TOMADA DE: Grantham et al. (2012). A mesocosm approach for detecting stream invertebrate community responses to treated wastewater effluent. Environmental Pollution 160:

12 IBMWP 4. Índices biológicos USO DEL ÍNDICE IBMWP EN ESPAÑA IMÁGENES TOMADAS DE: Gil Quilez et al. (2001). Calidad biológica (BMWP ) de las aguas del río Cinca (Huesca). Limnetica 20: IMAGEN TOMADA DE: Alba-Tercedor et al. (2002). Caracterización del estado ecológico de ríos mediterráneos mediante el índice IBMWP (antes BMWP ). Limnetica 21:

13 IBMWP 4. Índices biológicos USO DEL ÍNDICE IBMWP EN ESPAÑA IMÁGENES TOMADAS DE: Alba-Tercedor et al. (2002). Caracterización del estado ecológico de ríos mediterráneos mediante el índice IBMWP (antes BMWP ). Limnetica 21:

14 IBMWP 4. Índices biológicos USO DEL ÍNDICE IBMWP EN ESPAÑA IMÁGENES TOMADAS DE: Martínez Mas et al. (2004). Estudio del estado ecológico de la cuenca hidrográfica del Júcar (España) mediante el índice BMWP. Limnetica 23:

15 S&W 4. Índices biológicos ÍNDICE DE SHANNON Y WEAVER (1949) ÍNDICE DE BIODIVERSIDAD Evaluación de la riqueza de especies en una comunidad biológica mediante análisis matemático H ' m = i = P i log P 1 2 i P i = n i N n i = Densidad de géneros (especies) N = Número total de organismos muestreados m = Número de géneros (especies) H ' = 1,44 m i = 1 ni N ln ni N IMAGEN TOMADA DE: Dimitriou et al. (2012). Meta-analysis of a large data set with Water Framework Directive indicators and calibration of a Benthic Quality Index at the family level. Ecological Indicators 20:

16 Indicadores 4. Índices biológicos MICROORGANISMOS INDICADORES Microorganismos patógenos de procedencia entérica en agua Difíciles de determinar (medios de crecimiento más sofisticados y en menor número) Indicadores de contaminación fecal del agua Coliformes totales Coliformes fecales Estreptococos fecales Escherichia coli Habitan tracto intestinal de humanos y animales de sangre caliente Índice de contaminación fecal del agua VENTAJAS FRENTE A PATÓGENOS Aún en individuos enfermos en fase aguda Poca eliminación de patógenos en heces Microorganismos indicadores Sobreviven períodos relativamente largos en aguas naturales, pero no se reproducen Cultivo de microorganismos indicadores Relativamente fácil 16

17 Determinación 4. Índices biológicos MICROORGANISMOS INDICADORES DETERMINACIÓN POR FILTRACIÓN EN MEMBRANA IMÁGENES TOMADAS DE: Ayala Bernal, P. (2007). Estudio del tratamiento con radiación ultravioleta de aguas residuales depuradas para su reutilización. Proyecto Fin de Carrera. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica. Universidad Politécnica de Cartagena. 217 págs. 17

18 Rangos 4. Índices biológicos MICROORGANISMOS INDICADORES DETERMINACIÓN POR FILTRACIÓN EN MEMBRANA RANGOS ACEPTABLES PARA RECUENTO: CT Entre colonias. CF y SF Entre 20 y 60 colonias. Caso 1: Varias muestras en rango aceptable Media aritmética (UFC A/100 ml) Caso 3: Todos los recuentos por debajo del rango Suma ponderada (UFC B/100 ml) Caso 4: Sólo una colonia en la membrana de mayor volumen de filtración (UFC/100 ml k 1 ) Caso 2: Distintas concentraciones en rango aceptable Media aritmética (UFC C/100 ml) Caso 5: Todos los recuentos por encima del límite aceptable de colonias Suma ponderada (UFC B/100 ml) 18

19 SOME ENGLISH TERMS TO BE FAMILIAR WITH Carbono orgánico total Total organic carbon Coliformes fecales Fecal coliforms Coliformes totales Total coliforms Conductividad Conductivity Directiva Marco del Agua Water Framework Directive Factores ponderales Weights Índice de biodiversidad Biological diversity index Microorganismo indicador Indicator bacteria Nitrógeno amoniacal Ammonia nitrogen Redes de muestreo Sampling networks Temperatura Temperature Turbidez Turbidity 19

20 CCME-WATER QUALITY INDEX NSF-WATER QUALITY INDEX STREAM ASSESSMENT IN NEW YORK STATE THE STREAM QUALITY INDEX WATER QUALITY RESEARCH AT CSU SAMPLING SURFACE WATERS IMAGEN TOMADA DE: 20

21 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alba-Tercedor. J., Jáimez-Cuéllar, P., Álvarez, M., Avilés, J., Bonada, N., Casas, J., Mellado, A., Ortega, M., Pardo, I., Prat, N., Rieradevall, M., Robles, S., Sáinz-Cantero, C.E., Sánchez-Ortega, A., Suárez, M.L., Toro, M., Vidal-Abarca, M.R., Vivas, S., Zamora-Muñoz, C. (2002). Caracterización del estado ecológico de ríos mediterráneos ibéricos mediante el índice IBMWP (antes BMWP ). Limnetica 21: Alba-Tercedor, J., Sánchez-Ortega, A. (1988). Un método rápido y simple para evaluar la calidad biológica de las aguas corrientes basado en el de Hellawell (1978). Limnetica 4: Bouza-Deaño, R., Ternero-Rodríguez, M., Fernández-Espinosa, A.J. (2008). Trend study and assessment of surface water quality in the Ebro River (Spain). Journal of Hidrology 361: Dimitriou, P.D., Apostolaki, E.T., Papageorgiou, N., Reizopoulou, S., Simboura, N., Arvanitidis, C., Karakassis, I. (2012). Meta-analysis of a large data set with Water Framework Directive indicators and calibration of a Benthic Quality Index at the family level. Ecological Indicators 20:

22 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Directiva 2000/60/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de octubre de 2000, por la que se establece un marco comunitario de actuación en el ámbito de la política de aguas (DOCE L327). Gil Quilez, M.J., Palau, A., Fernández Manzanal, C. (2001). Calidad biológica (BMWP ) de las aguas del río Cinca (Huesca). Limnetica 20: Grantham, T.E., Cañedo-Argüelles, M., Perrée, I., Rieradevall, M., Prat, N. (2012). A mesocosm approach for detecting stream invertebrate community responses to treated wastewater effluent. Environmental Pollution 160: Lin, S. (2001). Water and Wastewater Calculations Manual. McGraw-Hill: New York. Liou, S.M., Lo, S.L., Wang, S.H. (2004). A generalized water quality index for Taiwan. Environmental Monitoring Assessment 96:

23 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Martínez Mas, J.F., Correcher, E., Piñón, A., Martínez Muro, M.A., Pujante, A.M. (2004). Estudio del estado ecológico de los ríos de la cuenca hidrográfica del Júcar (España) mediante el índice BMWP. Limnetica 23: Mingo Magro, J. (1981). La Vigilancia de la Contaminación Fluvial. Dirección General de Obras Hidráulicas (MOPU): Madrid. Pesce, S.F., Wunderlin, D.A. (2000). Use of water quality indices to verify the impact of Cordoba City (Argentina) on Suquia River. Water Research 34: Sánchez, E., Colmenarejo, M.F., Vicente, J., Rubio, A., García, M.G., Travieso, L., Borja, R. (2007). Use of the water quality index and dissolved oxygen deficit as simple indicators of watersheds pollution. Ecological Indicators 7: Shannon, C.E., Weaver, N. (1949). The Mathematical Theory of Communication. Urbanna Univ. of Illinois Press. 23