Calidad del agua. Evaluación y diagnóstico

Presentación

Capítulo 1
Conceptos generales

1.1. Clasificación de los cuerpos de agua
1.2. Importancia del recurso agua
1.3. El agua y el mundo

1.4. Los recursos hídricos en colombia
1.4.1. Vertientes
1.4.2. Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia

1.5. Naturaleza del problema
1.5.1. Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua
1.5.2. Perspectiva general

1.6. Definición de términos y conceptos básicos en el análisis de la calidad del agua
1.6.1. Concepto de carga y flujo de contaminantes
1.6.1.1. Concepto de carga contaminante (W)
1.6.1.2. Concepto de flujo contaminante (J)
1.6.2. Expresiones y términos utilizados en calidad del agua
1.6.2.1. Reacciones químicas
1.6.2.2. Concentración
Referencias bibliográficas

Capítulo 2
Características físicas, químicas y biológicas del agua

2.1. Definición de calidad del agua
2.2. Agua cruda o en estado natural (sin tratamiento)
2.3. Aguas residuales
2.4. Agua tratada (agua potable)
2.5. Propiedades del agua

2.6. Parámetros físicos, químicos y biológicos
2.6.1. Parámetros físicos
2.6.2 Parámetros químicos
2.6.2.1. Indicadores
2.6.2.2. Sustancias químicas
2.6.3. Características biológicas

2.7. Resumen sobre las características físicas, químicas y biológicas del agua
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Capítulo 3
Introducción a la toxicología acuática

3.1. Generalidades sobre toxicología acuática
3.2. Clasificación de los tóxicos
3.3. Los bioensayos
3.4. Toxicidad aguda y crónica

3.5. Evaluación de los resultados de toxicidad
3.5.1. Unidades de toxicidad
3.5.2. Aplicación de los resultados de los ensayos de toxicidad
3.5.2.1. Aplicación de los datos para la protección contra la toxicidad aguda
3.5.2.2. Protección contra la toxicidad crónica
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Capítulo 4
Usos y criterios de calidad del agua

4.1. Relación entre parámetros de calidad del agua y sus usos benéficos
4.2. Criterios de calidad del agua
4.3. Contaminantes de interés sanitario
4.4. Resumen sobre usos benéficos del agua
4.5. Establecimiento de usos y objetivos de calidad del agua en un recurso hídrico
Referencias bibliográficas

Capítulo 5
Índices de calidad del agua

5.1. Definición de índice de calidad del agua
5.2. Empleo de índices de calidad del agua
5.3. El concepto de función de calidad del agua

5.4. Construcción de índices de calidad del agua
5.4.1. Metodología para la construcción de un índice de calidad del agua
5.4.1.1. Primer paso: Definir el (los) objetivo(s) para el cual se va a utilizar el IQA.
5.4.1.2. Segundo paso: Seleccionar los parámetros por incluir en el IQA
5.4.1.3. Tercer paso: Formular la expresión matemática para calcular el IQA
5.4.2. Aplicación del método para la construcción de un IQA

5.5. Índices de calidad con base en las características fisicoquímicas del agua

5.6. Índices biológicos de calidad del agua (IBA)
5.6.1. El indicador ideal
5.6.2. Macroinvertebrados acuáticos como indicadores de contaminación orgánica
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Capítulo 6
Manejo y análisis de datos de calidad del agua

6.1. Manejo, almacenamiento y acceso a datos de calidad del agua

6.2. Estadísticas básicas
6.2.1. Medidas de tendencia central y cuartiles.
6.2.2. Medidas de dispersión o variabilidad.

6.3. Distribuciones
6.3.1. Aplicación de la distribución normal al análisis de datos de calidad del agua
6.3.1.1. Método visual para chequear la normalidad de los datos
6.3.1.2. Método gráfico para chequear la normalidad de los datos
6.3.1.3. Pruebas estadísticas
6.3.2. Distribuciones no normales.

6.4. Pruebas o contraste de hipótesis (la prueba t de student)
6.5. Correlación y análisis de regresión
6.5.1. Correlación
6.5.2. Análisis de regresión

6.6. Presentación de datos
6.6.1. Tipos de presentaciones gráficas
6.6.2. Gráficos de series de tiempo
6.6.3. Resumiendo las características de calidad del agua (diagramas de caja)

6.7. Errores
6.7.1. Validación de los datos
6.7.1.1. Outliers (puntos extremos o raros)
6.7.1.2. Calidad de los datos y datos faltantes
6.7.2. Errores estadísticos
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Capítulo 7
Monitoreo de calidad del agua

7.1. Aspectos generales sobre muestreo
7.1.1. Representatividad de la muestra
7.1.2. Técnicas de muestreo apropiadas
7.1.3. Preservación de las muestras
7.1.4. Análisis de datos

7.2. Tipos de muestras
7.2.1. Muestra instantánea
7.2.2. Muestra compuesta
7.2.3. Muestra integrada

7.3. Clases de muestreo
7.3.1. Muestreo manual
7.3.2. Muestreo automático

7.4. Frecuencia de muestreo
7.5. Identificación de las muestras
7.6. Manejo de las muestras
7.7. Preservación de las muestras

7.8. Equipos de muestreo
7.8.1. Muestreadores manuales
7.8.2. Muestreadores automáticos
7.8.2.1. Muestreador no proporcional
7.8.2.2. Muestreadores para aguas residuales
7.8.3. Muestreadores para biota
7.8.4 Sensores

7.9. Ubicación de las estaciones de muestreo
7.9.1. Toma de muestras en alcantarillados
7.9.2. Toma de muestras en corrientes o canales
7.9.3. Toma de muestras en lagos o embalses

7.10. Medición de caudales
7.11. Diseño de programas de muestreo de calidad del agua
7.11.1. Generalidades
7.11.2. Número de muestras
Ejercicios propuestos

Capítulo 8
Comportamiento de las sustancias contaminantes en el medio acuático

8.1. Reacciones
8.1.1. Fundamentos de las reacciones
8.1.1.1. Tipo de reacciones
8.1.1.2. Cinética de las reacciones
8.1.1.3. Reacciones de orden cero, primer y segundo orden
8.1.2 Análisis de los datos sobre constantes de reacción
8.1.3. Efectos de la temperatura

8.2. Balance de masa

8.3. Clasificación de los reactores
8.3.1. Reactores por lotes, cochadas o “batch”
8.3.2. Reactores completamente mezclados
8.3.2.1. Condiciones de estado no estable
8.3.2.2. Condiciones de estado estable
8.3.3. Reactores flujo pistón
8.3.4. Reactores completamente mezclados en serie

8.4. Movimiento de contaminantes en el medio acuático
8.4.1. Advección
8.4.2. Difusión - Dispersión
8.4.2.1. Difusión
8.4.2.2. Dispersión
8.4.3. Reacciones
8.4.4. Sumideros

8.5. Ecuación general de balance de masa
8.6. Balance de oxígeno
8.6.1. Componentes principales del análisis de OD
8.6.2. Inventario de aportantes y consumidores de OD
8.6.3. Componentes consumidores de oxígeno disuelto
8.6.3.1. Demanda bioquímica de oxígeno carbonácea
8.6.3.2. Demanda bioquímica de oxígeno nitrogenada (DBON)
8.6.3.3. Demanda béntica de oxígeno
8.6.3.4. Respiración
8.6.4. Componentes aportantes de oxígeno
8.6.4.1. Reaireación
8.6.4.2. Fotosíntesis
8.6.5. Fuentes puntuales o fuentes distribuidas de contaminación (sumideros)

8.7. Balance final de oxígeno
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Capítulo 9
Constantes y coeficientes de reacción

9.1. Constante de desoxigenación carbonácea
9.1.1. Constante de desoxigenación (k1)
9.1.1.1. Método logarítmico
9.1.1.2. Método de Thomas
9.1.2. Constante de desoxigenación en la corriente receptora (kd)
9.1.2.1. Método de Bosko
9.1.2.2. Expresiones predictivas para calcular kd
9.1.3. Constante de remoción efectiva de DBO en el cuerpo de agua (kR)
9.1.4. Comentarios generales acerca de k1, kd y kR

9.2. Constante de nitrificación
9.2.1. Métodos para calcular kN
9.2.1.1. Método de Courchaine
9.2.1.2. Método de Cibulka
9.2.2. Factores ambientales que afectan la nitrificación
9.2.3. Comentarios generales acerca de kN

9.3. Constante de reaireación
9.3.1. Reaireación en ríos y corrientes
9.3.2. Reaireación en ambientes acuáticos lénticos
9.3.2.1. Lagos y embalses
9.3.2.2. Estuarios
9.3.3. Comentarios finales acerca de ka

9.4. Fotosíntesis - respiración (F - R)
9.4.1. Generalidades
9.4.2. Técnica de las botellas claras y oscuras

9.5. Dispersión – difusión
9.5.1. Coeficiente de difusión en embalses, lagos, etc
9.5.2. Coeficiente de dispersión en corrientes (ríos, quebradas, etc.)
9.5.3. Coeficiente de dispersión en estuarios

9.6. Demanda béntica de oxígeno
9.6.1. Factores que afectan la SOD
9.6.2. Técnicas para medir la SOD
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Capítulo 10
Aplicación de las ecuaciones básicas de transporte de contaminantes a corrientes de agua (ríos, canales, etc.)

10.1. Simulación de oxígeno disuelto y dbo
10.2. Déficit crítico y tiempo crítico
10.3. Carga orgánica permisible
10.4. Condiciones anaeróbicas
10.5. Longitud de mezcla
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Capítulo 11
Estratificación térmica

11.1. Los conceptos de estratificación y lago cálido tropical
11.2. Importancia de la estratificación térmica

11.3. Estratificación en los cuerpos de agua
11.3.1. Comportamiento estacional (termoclina estacional)
11.3.2. Comportamiento diurno (termoclina diurna)

11.4. Mecanismos de mezcla y transporte en los cuerpos de agua lénticos
11.4.1. Acción del viento
11.4.2. Afloramiento del metalimnio
11.4.3. Afloramiento del hipolimnio
11.4.4. Flujos de entrada (afluentes

11.5. Métodos para evaluar la estratificación en reservorios
11.5.1. Método comparativo
11.5.2. Método ARAI
11.5.3. Expresiones matemáticas (números adimensionales) para determinar el grado de estratificación
11.5.4. Estratificación determinada utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua

11.6. Comentarios finales sobre la estratificación térmica
Referencias bibliográficas

Capítulo 12
Eutroficación

12.1. Generalidades sobre eutroficación
12.1.1. Nutrientes, eutrofia y crecimiento algal
12.1.2. Clasificación de los estados tróficos
12.1.3. Efectos negativos de la eutroficación
12.1.3.1. Efectos en el abastecimiento de agua
12.1.3.2. Efectos en los usuarios
12.1.3.3. Efectos adicionales
12.1.3.4. Efectos sobre la salud
12.1.4. Efectos positivos de la eutroficación

12.2. El concepto de nutriente disponible

12.3. El concepto de nutriente limitante
12.3.1. Bioensayos
12.3.2. Análisis químicos
12.3.3. Relación N/P

12.4. Fuentes o aportantes de nutrientes
12.4.1. Evaluación de las cargas o fuentes puntuales de nutrientes
12.4.2. Evaluación de las cargas (fuentes) distribuidas o dispersas de nutrientes
12.4.2.1. Coeficientes de aporte de nutrientes (tasas de exportación)
12.4.2.2. Balances de masa para calcular las cargas distribuidas
12.4.2.3. Mediciones de campo para calcular las cargas o fuentes distribuidas
12.4.2.4. Relaciones estequiométricas

12.5. Determinación del estado trófico
12.5.1. Estado trófico determinado utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua
12.5.1.1. Modelo de calidad del agua WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program)
12.5.1.2. Modelo de calidad del agua CEQUALW2
12.5.2. Métodos simplificados para evaluar el estado trófico
12.5.2.1. Estado trófico según clasificación limnológica
12.5.2.2. Clasificación trófica para lagos cálidos tropicales

12.6. Procedimientos para la aplicación del método del cepis
12.7. Aplicabilidad y restricciones del método del cepis

12.8. Control de la eutroficación
12.8.1. Medidas preventivas
12.8.1.1. Control de vertimientos
12.8.1.2. Mecanismos de producción limpia
12.8.1.3. Control de aguas de escorrentía
12.8.2. Medidas correctivas
12.8.2.1. Procesos mecánicos
12.8.2.2. Control químico
12.8.2.3. Control biológico
Referencias bibliográficas

Capítulo 13
Introducción a la modelación de la calidad del agua en corrientes de agua

13.1. Conceptos básicos
13.1.1. Sistema
13.1.2. Experimento
13.1.3. Modelo
13.1.4. Simulación

13.2. El problema: ¿qué se puede hacer con un modelo de calidad del agua?.
13.2.1. Estudios descriptivos
13.2.2. Predicciones de calidad del agua
13.2.3. Analizar problemas específicos

13.3. Proceso de modelación de la calidad del agua
13.4. Selección del modelo

13.5. Calibración y verificación del modelo
13.5.1. Calibración del modelo
13.5.2. Verificación del modelo

13.6. Analizando la precisión del modelo
13.7. Notas y observaciones importantes sobre el proceso de modelación

13.8. Modelo QUAL2K
13.8.1. Descripción del modelo
13.8.2. Iniciando la aplicación
13.8.3. Representación conceptual
13.8.4. DBO rápida lenta, DBO rápida y materia orgánica partículada (MOP)
13.8.5. Régimen hidráulico del sistema
13.8.6. Marco geográfico y climático

13.9. Aplicación del modelo
Ejercicios propuestos
Referencias bibliográficas

Carlos Alberto Sierra Ramírez

Ingeniero Sanitario egresado de la Universidad del Valle en 1977 y máster en Recursos Hídricos de George Washington University, Washington D.C., en 1982.  Estuvo vinculado por más de 25 años a Empresas Públicas de Medellín donde se desempeñó como Especialista en Planeación, Ingeniero de Proyectos y Profesional Proyectos.  Como funcionario de Empresas Públicas adquirió una alta experiencia en estudios de calidad del agua, proyectos de recuperación de recursos hídricos, modelación de la calidad del agua en ríos y embalses, planeación de sistemas de tratamiento y recolección de aguas residuales y estudios de impacto ambiental en proyectos hidroeléctricos.  En su larga carrera, también ha sido docente desde 1989 de las cátedras de calidad del agua y tratamiento del agua en la Universidad de Medellín, la Universidad de Antioquia, Escuela de Ingeniería de Antioquia y Universidad de San Buenaventura sede Medellín. Así mismo, ha participado como ponente en varios seminarios nacionales e internacionales.

Actualmente, el Ingeniero Sierra está jubilado y se dedica a la consultoría y asesoría en Ingeniería Sanitaria y Ambiental.