Influencia de la escorrentía rural sobre el aporte de metales pesados y sedimentos al sistema fluvial: análisis a escala de cuenca
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http://hdl.handle.net/2183/17841Coleccións
- Teses de doutoramento [2162]
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Influencia de la escorrentía rural sobre el aporte de metales pesados y sedimentos al sistema fluvial: análisis a escala de cuencaTítulo(s) alternativo(s)
Influence of rural runoff on input of heavy metals and sediments to the fluvial system : a study at catchment scaleAutor(es)
Director(es)
Taboada Castro, María MercedesTaboada Castro, María Teresa
Rodríguez Blanco, María Luz
Data
2016Centro/Dpto/Entidade
Universidade da Coruña. Departamento de Ciencias da Navegación e da TerraResumo
[Resumen] Los metales pesados alcanzan los sistemas acuáticos por procesos naturales y por
un amplio rango de actividades humanas. Elevadas concentraciones de metales
pesados son potencialmente peligrosas para la salud humana y el medio ambiente a
causa de su toxicidad y persistencia. Para evaluar y prevenir impactos sobre los cursos
de agua es crucial entender los procesos que rigen la exportación de sedimentos y
metales. El transporte de sedimentos y metales desde el medio terrestre al sistema
fluvial se ve fuertemente afectado por los procesos hidrológicos, los cuales sufren
fuertes oscilaciones espaciales y temporales en respuesta a cambios en las
características del área de drenaje. Así, las características de la cuenca, tales como
geología, topografía, drenaje, uso de la tierra, distribución de los usos del suelo,
condiciones climáticas, vías de flujo, y extensión y conectividad del área fuente con el río
son factores que gobiernan los procesos hidrológicos y, en consecuencia, las formas y
cantidades de sedimentos y metales que transportan los ríos. Además de los procesos
hidrológicos intervienen los procesos geoquímicos que dependen de la naturaleza de
cada metal, de su solubilidad o asociación a partículas sólidas, cantidad y naturaleza del
carbono orgánico disuelto y de las partículas en suspensión (composición, tamaño),
condiciones redox, reacciones de precipitación-disolución y adsorción-desorción, etc. De
lo anterior se desprende que no existe un comportamiento único para cada metal ni para
los sedimentos, sino que dependerá de cada sistema.
La cuenca de drenaje es la unidad fundamental para caracterizar los procesos
hidrológicos y, por tanto, para analizar la dinámica de los metales pesados y
sedimentos, así como para el diagnóstico de los recursos hídricos. La composición
química del agua solo ofrece información parcial del funcionamiento de esa área. La
variación a lo largo de uno o más años hidrológicos así como durante los períodos de
intensas o prolongadas lluvias proporciona mucha más información. Las crecidas
provocan el transporte inmediato (en el intervalo de unas pocas horas a unos días) de
grandes masas de solutos y sedimentos, por lo que se debe incluir el muestreo de estos
eventos para los balances. Por todo ello, adquiere gran relevancia conocer el patrón de
las relaciones concentración-caudal y cuantificar las masas de metales y sedimentos en
suspensión en todas las condiciones hidrológicas. Las determinaciones conjuntas a lo
largo del tiempo de la composición físico-química de las aguas y el caudal de los ríos,
así como el registro simultáneo de los elementos del clima, ofrecen la oportunidad de correlacionar las respuestas hídrica y físico-química en relación con las precipitaciones,
lo cual en el caso particular de sedimentos y metales brinda la posibilidad de conocer
cuáles son los factores hidrometeorológicos implicados en el transporte de dichos
materiales en los ríos.
Los metales que alcanzan el medio fluvial pasan a forman parte del sistema agua
sedimentos y los procesos de distribución están controlados por un conjunto dinámico
de interacciones físico-químicas y equilibrios. Los metales en suelos y sedimentos se
encuentran distribuidos entre fracciones con diferente grado de labilidad, por lo que la
determinación exclusiva del contenido total es un criterio insuficiente para evaluar el
verdadero riesgo de estos elementos, debido a que la movilidad y biodisponibilidad para
las plantas u otros organismos depende de cómo se encuentren asociados a los
componentes del suelo/sedimento. Se pueden presentar: solubles, cambiables,
precipitados en carbonatos, ligados a materia orgánica, asociados a óxidos de hierro, de
manganeso y de aluminio y también formando parte de la estructura de los minerales
(fracción residual).
Los estudios que examinan la transferencia de metales a través de los sistemas
suelo-sedimentos a nivel de cuenca son escasos. Conocer cómo se distribuyen los
metales entre las diversas fracciones de suelos y sedimentos, a escala de cuenca, es
fundamental para entender su comportamiento medioambiental y en base a ello definir
planes de manejo de cuencas que aseguren una gestión sostenible de los recursos.
A escala de cuenca también son escasos los estudios que evalúan cambios en las
concentraciones y flujos de sedimentos durante eventos, y los que evalúan flujos de
metales en cuencas rurales todavía más escasos. Por lo tanto, las variaciones
temporales de las concentraciones y cargas de dichos materiales entre eventos y
durante los eventos, y las razones que llevan a que las concentraciones y cargas de
metales se incrementen con la escorrentía durante algunos episodios y en otros no,
todavía están poco estudiadas... [Resumo] Os metais pesados acadan os sistemas acuáticos por procesos naturais e por un
amplo rango de actividades humanas. Elevadas concentracións de metais pesados son
potencialmente perigosas para a saúde humana e o medio ambiente por mor da súa
toxicidade e persistencia. Para avaliar e previr impactos sobre os cursos de auga é
crucial entender os procesos que rexen a exportación de sedimentos e metais. O
transporte de sedimentos e metais desde o medio terrestre ao sistema fluvial vese
fortemente afectado polos procesos hidrolóxicos, os cales sofren fortes oscilacións
espaciais e temporais en resposta a cambios nas características da área de drenaxe.
Así, as características da cunca ou bacía, tales como a xeoloxía, a topografía, a
drenaxe, o uso da terra, a distribución dos usos do solo, as condicións climáticas, as
vías de fluxo ou a extensión e conectividade da área fonte co río, son factores que
gobernan os procesos hidrolóxicos e, en consecuencia, as formas e cantidades de
sedimentos e metais que transportan os ríos. Ademais dos procesos hidrolóxicos
interveñen os procesos xeoquímicos que dependen da natureza de cada metal, da súa
solubilidade ou asociación a partículas sólidas, da cantidade e natureza do carbono
orgánico disolto e das partículas en suspensión (composición, tamaño), condicións
redox, reaccións de precipitación-disolución e adsorción-desorción etc. Do anterior,
despréndese que non existe un comportamento único para cada metal nin para os
sedimentos, senón que dependerá de cada sistema.
A bacía de drenaxe é a unidade fundamental para caracterizar os procesos
hidrolóxicos e, polo tanto, para analizar a dinámica dos metais pesados e sedimentos,
así como para o diagnóstico dos recursos hídricos. A composición química da auga só
ofrece información parcial do funcionamento desa área. A variación ao longo dun ou
máis anos hidrolóxicos, así como durante os períodos de intensas ou prolongadas
choivas proporciona moita máis información. As enchentes provocan o transporte
inmediato (no intervalo dunhas poucas horas a uns días) de grandes masas de solutos e
sedimentos, polo que se debe incluír a mostraxe destes eventos para os balances. Por
todo iso, adquire gran relevancia coñecer o patrón das relacións concentración-caudal e
cuantificar as masas de metais e sedimentos en suspensión en todas as condicións
hidrolóxicas. As determinacións conxuntas ao longo do tempo da composición físicoqu
ímica das augas e o caudal dos ríos, xunto co rexistro simultáneo dos elementos do clima, ofrecen a oportunidade de correlacionar as respostas hídrica e físico-química en relación coas precipitacións, o cal no caso particular de sedimentos e metais brinda a
posibilidade de coñecermos cales son os factores hidrometeorolóxicos implicados no
transporte dos devanditos materiais nos ríos.
Os metais que acadan o medio fluvial pasan a forman parte do sistema auga
sedimentos e os procesos de distribución están controlados por un conxunto dinámico
de interaccións físico-químicas e equilibrios. Os metais en solos e sedimentos atópanse
distribuídos entre fraccións con diferente grao de labilidade, polo que a determinación
exclusiva do contido total é un criterio insuficiente para avaliar o verdadeiro risco destes
elementos, debido a que a mobilidade e biodispoñibilidade para as plantas ou outros
organismos depende de como se atopen asociados aos compoñentes do
solo/sedimento. Pódense presentar: solubles, cambiables, precipitados en carbonatos,
ligados a materia orgánica, asociados a óxidos de ferro, de manganeso e de aluminio e
tamén formando parte da estrutura dos minerais (fracción residual).
Os estudos que examinan a transferencia de metais a través dos sistemas solosedimentos
a nivel de bacía son escasos. Coñecer como se distribúen os metais entre
as diversas fraccións de solo e sedimentos, a escala de bacía, é fundamental para
entender o seu comportamento ambiental e con base niso definir plans de manexo de
bacías que aseguren unha xestión sustentable dos recursos.
A escala de bacía tamén son escasos os estudos que avalían cambios nas
concentracións e fluxos de sedimentos durante eventos, e os que avalían fluxos de
metais en bacías rurais aínda máis escasos. Polo tanto, as variacións temporais das
concentracións e cargas dos devanditos materiais entre eventos e durante os eventos, e
as razóns que levan a que as concentracións e cargas de metais se incrementen co
escorremento durante algúns episodios e noutros non, aínda están pouco estudadas... [Abstract] Metals are a natural part of the environment and enter natural waters from a variety
of sources, mostly by the weathering of bedrock and soils in the catchments. Besides the
natural processes, anthropogenic factors also lead to an increase of metals in soils and
waters. Elevated concentrations of metals pose potential hazards to human health
because of their toxicity and persistence in the environment. The understanding of the
processes controlling sediment and metal export is critical to assessing and anticipating
impacts on the water courses. Catchment characteristics such as geology, slope,
drainage, land use, climate conditions (magnitude, intensity, frequency and rainfall
distribution, etc.), water flow paths (surface runoff, subsurface water and groundwater)
and connectivity of source area with the river are important factors controlling the forms
and quantities of sediments and metals that are transported to rivers. The transport
mechanisms vary for each metal, depending on its abundance, solubility or distribution in
particles, among other factors. In sum, the transport of metals and sediment from the
terrestrial environment to rivers is strongly affected by the hydrological processes, which
undergo spatial and temporal oscillations in response to changes in the characteristics of
the drainage area. Besides hydrological processes, the transport of metals in fluvial
systems is also controlled by a variety of geochemical processes, including amount and
characteristics of both dissolved organic carbon and suspended particulate matter, redox
conditions, and by precipitation/dissolution and adsorption/desorption reactions.
The drainage basin is the fundamental unit to characterize hydrological processes,
and analyze the dynamics of heavy metals and sediments as well as to diagnose water
resources. The chemical composition of water only offers partial information of the
aquatic environment. The variation along one or more hydrological years as well as
during periods of intense or prolonged rainfalls provides much more information. Runoff
events cause immediate transportation (ranging from a few hours to a few days) of large
masses of solutes and sediments. Therefore, it becomes highly important to know the
pattern of concentration-discharge relations and to quantify loads of metals and
suspended solids in all hydrological conditions. The determinations over time of the
physico-chemical composition of the water and the discharge, as well as simultaneous
recording of meteorological elements, offer the opportunity to correlate he hydrological
and physico-chemical responses in relation to rainfall, which allowing to know what
hydrometeorological factors that are involved in the transport of such materials in rivers. Metals that enter aquatic environments become part of the water sediment system,
and their distribution processes are controlled by a dynamic set of physicochemical
interactions and equilibria. Knowledge of the total contents of metals in soils and
sediments provides limited information regarding their potential behavior and
bioavailability. Metals are associated with various soil and sediment components in
different ways, and these associations determine their mobility and availability. Thus,
metals can exist as water-soluble and exchangeable forms; precipitate in carbonates;
occlude in Mn-, Fe- or Al-oxides; bound to organic matter; or appear in residual phases
(incorporated into the crystalline lattices of clays). Comprehensive studies that examine
the transfer of metals across soil-river bed sediment systems at catchment scale are
scarce. An understanding of the distribution of metals among various fractions of soils
and sediments within a catchment is fundamental to understand their environmental
behavior and, thus, to define watershed management plans.
At catchment scale studies on suspended solids (concentrations and loads)
transported during events are also scarce, and those evaluating metal fluxes in rural
catchments even much scarcer. Therefore, both the temporal variations of
concentrations and loads of such materials between events and during events, and the
reasons leading to concentrations and loads of metals increase with runoff during some
episodes and not in others are still little studied...
Palabras chave
Escorrentia (Hidrología)
Metales pesados-Aspecto del medio ambiente
Ríos-Contaminación
Metales pesados-Aspecto del medio ambiente
Ríos-Contaminación
Dereitos
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