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EutrofizaciónContaminación por nutrientes
vegetales de sistemas
acuáticos
Referencias
• Chapra, 1997. Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill
• Thomann & Mueller, 1987. Principles of surfacewater quality modeling and control. Harper & Row, 1987.
• Cooke y otros. 1993. Restoration andManagement of Lakes and Reservoirs. LewisPublishers.
• Orozco y otros. 2003. Contaminación Ambiental. Una visión desde la Química. Thompson.
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Specola Vaticana (Castel Gandolfo), 1860
Fray A. Secchi
Lake Mendota, Winsconsin
3
Lake Tahoe, CA-NV
4
Lake Tahoe, CA-NV
.… la compleja secuencia de
cambios biogeoquímicos que se
producen en masas de agua,
iniciados como consecuencia del
enriquecimiento de esta agua con
nutrientes vegetales de origen
antrópico
La eutrofización es …
5
Lake Mendota, Winsconsin
Lake Tahoe, CA-NV
6
Car
ga a
nual
de
P (
g/m
2 /añ
o)
0.1
1.0
10.0
Profundidad media (m)
Gráficos de cargas de P
Lake Mendota
Lake Tahoe
Vollenweider (1968)
Lake Tahoe
Lake Mendota
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Vollenweider (1975)
Carga de agua zonal (qs) =
Vollenweider (1976)
Carga de agua zonal (qs) =)1( wsq τ+
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Gráficos de carga y balances de P
p = concentración de P en la columna de agua
t = tiempo
V = volumen (considerado constante y bien mezclado)
W = carga de P (mg año-1)
Q = caudal de salida
A = área superficial (m2)
vs = velocidad de sedimentación aparente (5-20 m año-1)
Vollenweider (1976) y Chapra (1975)
ApvQpWdt
dpV s−−=
y en equilibrio …
SI suponemos que …
(1) un lago es mesotrófico si la concentración de
fósforo total p = 10-20 mg/m3, y que
(2) vs = 12.4 m año-1
y representamos gráficamente Lp vs. qs
[ ]ss
svAQA
W
AvQ
WpApvQpW
+=
+=⇒−−=
/
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ss
p
vq
Lp
+= )log(loglog ssp vqpL ++=
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)1( vs. wsp qL τ+¿Y los gráficos de carga de Vollenweider (1976)?
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Bartsch & Gakstatter (1978)
Relaciones PT / chl-a
194.0)log(807.0)log( −= pChla
Rast & Lee (1978)
259.0)log(76.0)log( −= pChla
Dillon & Riggler (1974)
136.1)log(449.1)log( −= vpChla
)/( P de anual mediaión concentrac
)/( privameraen totalfósforo de conc.
)/( a-clorofila deión Concentrac
Lgp
Lgp
LgChla
v
µ
µ
µ
=
=
=
Bartsch & Gakstatter (1978)
194.0)log(807.0
)log(
−
=
p
Chla¡¡¡Dispersión!!!
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Rast & Lee (1978)
Relaciones SD /Chl-a
803.0)log(473.0)log( +−= ChlaSD
)( Secchi de disco Prof. );/( a-clorofila de Conc. mSDLgChla == µ
473.0
35.6
ChlaSD =
]exp[0 zkII e−=
¿Porqué una función hiperbólica?
][Chlakk wce α+=
0I 0.15 I que la a prof. SD ==max
1
1SD
ChlaSD
µ+=
Rast & Lee (1978)
803.0)log(473.0
)log(
+−
=
Chla
SD
Relaciones SD /Chl-a
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Eutrofización, N y P: nutrientes limitantes en sistemas acuáticos
Si N:P > 7.2 ���� el P es limitanteSi N:P < 7.2 ���� el N es limitante
(aguas residuales urbanas)
Ecosistemas marinos(p.ej. Drenaje de suelos agr)
¿Qué nutriente es el limitante?
¿Fósforo o nitrógeno?
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TN:TP ≈ 35
TN:TP ≈ 88
1.6 millones de Tn de N / año!!!
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El 25 % del Mar Báltico es un
un desierto biológico
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¿Para qué sirven los gráficos
de cargas?
Lago Washington (EEUU)
El caso de Lake Washington, WN
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Lago Washington (EEUU)El caso de Shagawa Lake, MN (EEUU)
Volumen 53 x 106 m3
Área 9.6 x 106 m2
Prof. media 5.5 mTR 0.625 añosCarga PT (W0) 6692 x 106 mg/añoSalida de PT 4763 x 106 mg/añoConc. PT en agua 56.3 mg/m3
Datos de 1967 a 1972
Carga PT (W1) 1331 x 106 mg/añoConc. PT en agua ¿?Tiempo de recuperación ¿?
Proyecto de recuperación
Después de 3 años, la concentración de PT tán solo se había reducido a 35 mg/m3
La realidad
Fuentes INTERNAS
Fuentes de nutrientes
P
Fuentes EXTERNAS
CUENCA
DIRECTAS
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Balances de P incluyendo al
sedimento como fuente interna
Cargas Salidas(lavado)
Fósforo total
Dep
osic
ión
Fósforo total
Consolidación (‘burial’)
Rec
icla
do
Balances de P incluyendo al
sedimento como fuente interna
211
1 pAvpAvWWdt
dpV srssoutin +−−=
2212
2 pAvpAvpAvdt
dpV sbsrss −−=
Difíciles de medir � Calibración
210 pAvpAvWW srssoutin +−−=
221 0 pAvpAvpAv sbsrss −−=
En estado estacionario
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Lago Washington (EEUU)El caso de Shagawa Lake, MN (EEUU)
Volumen 53 x 106 m3
Área 9.6 x 106 m2
Prof. media 5.5 mTR 0.625 añosCarga PT (W0) 6692 x 106 mg/añoSalida de PT 4763 x 106 mg/añoConc. PT en agua 56.3 mg/m3
vs 42.2 m/añoÁrea del sedimento 4.8 x 106 m2
Cond. PT en sedimento 500000 mg /m3
Datos de 1967 a 1972
Calcular la velocidad de consolidación, la magnitud de la carga interna, y el valor de la concentración de equilibrio para el escenario de cargas reducidas (W1 = 1311 x 106 mg/año)
Mecanismos de removilización
(1) Resuspensión del sedimento por corrientes u oleaje - mecanismo físico, importante en sistemas someros
(2) Disolución y posterior difusión del P en forma soluble a la columna de agua. Es un mecanismo químico, y por tanto, = f (temp., potencial redox). Para la disolución del P se necesitan condiciones de anoxia y potencial redoxnegativo en el agua ¿Porqué desaparece el oxígeno de la columna de agua?
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Embalse de BermejalesEmbalse de BermejalesEmbalse de BermejalesEmbalse de Bermejales
Características del embalse
� Superficie = 562 has� Volumen = 103 hm3
� Aportes = 64,40 hm3/año
� Cota máx. = 829 m.s.n.m / mín. = 764 m.s.n.m
Usos del agua desembalsada (778 m.s.n.m)
� Riego (60 hm3, 7550 has.)� Generación de electricidad� Caudal ecológico: 0.250 m3/s� Abastecimiento (1.65 hm3, 18000 hab. de la Mancomunidad de
Municipios del Bajo Genil)
¡Mal sabor/olor, y sólidos en suspensión en el grifo (otoño)!
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Agosto 2007
Demanda de O2
≈ 500 kg O2/día
HIPOLIMNION
METALIMNION
EPILIMNION
Por unidad de área –AHOD
(µE/m2/s)
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13 sept. 2007
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Velocidad de reciclado
En el ejemplo de Shagawa Lake sólo calculamos la carga interna y no la vr, porque éste sólo se produce en momentos de anoxia. Calcular vr �
conocer(1) Duración de la estratificación(2) Ritmo al que se consume el oxígeno en el
agua, AHOD = f (PT, temperatura)(1)+(2)� Duración de los períodos de anoxia(3) Ritmo de reciclado que dependerá de la
temperatura
Balance de oxígeno y AHOD
hH
AHOD
dt
do−=
Demanda superficial hipolimnética de O2 (g/m2/d)
Espesor del hipolimnion (m)
)()()( s
h
s ttH
AHODtOtO −−=−
Establecimiento de la estratificación
conc. de oxígeno en el momento de la estratificación (≈ 8 mg/L)
Si O(t) = 1.5 mg/L (anoxia) � t – ts = tiempo para
establecimiento de anoxia desde el momento en que se
produce la estratificación
hs
s HAHOD
tOtOtt
)()()(
−=−
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P y AHOD (Rast & Lee, 1978)
467.0
1(086.0
+=
ws
p
q
LAHOD
τ
p
)08.1( 20 ≈× − θθT
Influencia de latemp. (ToC)
Ejemplo – Shagawa Lake, MN
Lago dimíctico (dos períodos de estratificación) - Mezcla en primavera - día 120 - Estratificación en verano – día 150- Mezcla en otoño – día 255- Estratificación en invierno – día 320
Espesor de hipolimnion 2.2. mTemp. hipolimnion (verano) 15oCTemp. hipolimnion (invierno) 4oCCarga interna (promedio anual) 9476 x 106 mg/año