Influencia de la escorrentía rural sobre el aporte de metales pesados y sedimentos al sistema fluvial: análisis a escala de cuenca

Abstract

[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...