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Ingeniería e Investigación

Print version ISSN 0120-5609

Ing. Investig. vol.30 no.3 Bogotá Sept./Dec. 2010

 

Aplicación de índices de calidad de agua -ICA orientados al uso de la fuente para consumo humano

Applying water quality indexes (WQI) to the use of water sources for human consumption

Patricia Torres1, Camilo H Cruz2, Paola Patiño3, Juan Carlos Escobar4 y Andrea Pérez5

1 Ingeniera Sanitaria, Universidad del Valle, Colombia. MSc. y PhD., Universidad São Paulo, Brasil. Profesora asociada, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Colombia. patoloz@univalle.edu.co

2 Ingeniero Sanitario, Universidad del Valle, Colombia. MSc. Universidad São Paulo, Brasil. Profesor asociado, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Colombia. camcruz@univalle.edu.co

3 Ingeniera Sanitaria, Especialista Universidad del Valle, Colombia. Asistente de Investigación, Universidad del Valle, Colombia. paopatin@univalle.edu.co

4 Ingeniero Sanitario, Universidad del Valle, Colombia. M.Sc. y Ph.D., Universidad São Paulo, Brasil. Jefe Operación Planta Puerto Mallarino, EMCALI EICE ESP, Colombia. jcescobar@emcali.com.co

5 Ingeniera Sanitaria, MSc. Universidad del Valle, Colombia. Estudiante Doctorado en Ingeniería Área de Énfasis Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Colombia. andreaperezvidal@hotmail.com


RESUMEN

La contaminación de origen natural y antrópico de las fuentes de agua limitan su aprovechamiento principalmente para el consumo humano; herramientas de diagnóstico rápidas y representativas como los índices de calidad del agua -ICA- garantizan una evaluación integral del recurso, fundamental en la toma de acciones para manejo y control del riesgo sanitario a través de los diferentes procesos de potabilización. El análisis comparativo de la aplicación de los índices ICA-NSF, ICA Dinius, ICAUCA y UWQI en cinco puntos del río Cauca localizados en el tramo Salvajina – Bocatoma Puerto Mallarino mostró que el río presenta un deterioro creciente a medida que es afectado por las actividades socioeconómicas desarrolladas en su cuenca, presentando calidad entre regular y mala, haciendo necesario su tratamiento para la destinación del recurso en consumo humano, e incluso la incorporación de tratamientos específicos como la adsorción con carbón activado y otros. Las variables de mayor incidencia en el valor final de los ICA fueron los patógenos y las asociadas a presencia de material particulado; sin embargo, para una evaluación más integral del río, y dados los usos del suelo que pueden generar en la fuente presencia de otras sustancias causantes de riesgo sanitario, se recomienda considerar el desarrollo o adaptación de un índice con estructura similar a la del DQWI que tenga en cuenta la variación en el tiempo y en el espacio de los parámetros que lo conforman y su comparación con la normatividad vigente.

Palabras claves: índices de calidad del agua – ICA, riesgo sanitario, tratamiento del agua.


ABSTRACT

Naturally occurring and anthropic contamination of water sources limits the use of water for human consumption. Fast and representative tools, such as water quality indexes (WQI), allow performing an integral assessment of the resource, this being essential when making decisions about the management and control of sanitary risks through different purification processes. A comparative analysis of applying  WQI-NSF, Dinius WQI, ICAUCA and UWQI indexes at five points or stations on the Cauca River located in the Salvajina–Puerto Mallarino water uptake section, gave evidence of growing river deterioration due to the different socio-economic activities carried out in the river basin. This water quality condition brings about the incorporation of additional or specific treatment operations such as activated carbon or adsorption for the destination of the resource for human consumption. The presence of pathogens and particulate material were the variables mostly affecting WQI value. It is thus recommended that the development or adaptation of an index having a similar structure to the DQWI index should be considered to make a thorough river assessment and the additional use of soil which might generate the presence of other substances causing a sanitary risk in the source, considering variation in time and space of the parameters comprising it and its comparison with current legislation.

Key words: sanitary risk, water quality index (WQI), water treatment.


Recibido: mayo 15 de 2009
Aceptado: noviembre 15 de 2010

Introducción

El crecimiento demográfico y el desarrollo industrial y agrícola han aumentado la presión sobre los recursos hídricos, limitando su aprovechamiento debido a la alteración de sus características fisicoquímicas, microbiológicas y parasitológicas que determinan la complejidad y costos de tratamiento que los haga aptos para usos como el consumo humano. Uno de los principios que orientan el suministro de agua segura es el concepto de barreras múltiples, que involucra la protección de la fuente, la optimización de los procesos en las plantas de tratamiento de agua, y un adecuado manejo de los sistemas de distribución (Betancourt y Rose, 2004).

La evaluación de la calidad del agua cruda debe considerar indicadores representativos que garanticen un análisis integral del recurso hídrico, permitiendo tomar acciones para su manejo y control mediante los diferentes procesos de potabilización del agua; una de las herramientas más empleadas son los índices de calidad del agua (ICA), cuyo uso es cada vez más popular para identificar las tendencias integradas a cambios en la calidad de ella, especificar condiciones ambientales y ayudar en decisiones gubernamentales y en la evaluación de programas de control, entre otros (Ott , 1978; Canter, 1998).

A nivel mundial se han desarrollado diferentes ICA, entre los que se destaca el de la National Sanitation Foundation (ICA– NSF), desarrollado por Brown et al. (1970) para ríos de Estados Unidos y ampliamente empleado y validado o adaptado en diferentes estudios internacionales. Dinius (1987) desarrolló un ICA similar teniendo como valor agregado el planteamiento de rangos de clasificación basados en usos específicos, entre los que se destaca el del consumo humano.

De manera más reciente se han planteado ICA para la evaluación del recurso hídrico a ser destinado al consumo humano, previo tratamiento, que incluyen parámetros fisicoquímicos y microbiológicos relacionados con el nivel de riesgo sanitario presente en el agua, como el ICA para abastecimiento público – IAP de Brasil (CETESB, 2006), el Universal Water Quality Index – UWQI (Boyacioglu, 2007), basado en Directivas de la Unión Europea, y el Drinking Water Quality Index – DWQI, de la UNEP (actualmente en revisión (UNEP, 2007)).

El índice IAP considera parámetros que requieren técnicas de medición con límites de detección muy bajos que cumplan con las especificaciones para su cálculo, y el DWQI presenta una estructura de cálculo fundamentada en la variación en el tiempo y en el espacio de los parámetros que lo conforman y su comparación con la normatividad vigente de acuerdo con el uso estudiado, lo cual puede favorecer la evaluación de fuentes con amplias variaciones de calidad en el tiempo y facilitar su aplicación a las condiciones particulares de una región o país; sin embargo, su cálculo requiere información de todos los parámetros que lo conforman, colectada a lo largo de un periodo de tiempo -usualmente un año- (Torres et al., 2009).

En Colombia el deterioro del recurso hídrico se debe principalmente a vertimientos de aguas residuales domésticas, industriales y agropecuarias, y actividades como transporte terrestre, fluvial y marítimo de sustancias peligrosas o petróleo, aguas de extracción minera y residuos sólidos dispuestos en rellenos sanitarios o directamente en éstos (Ideam, 2001). A pesar de que en promedio el 78% de la población tiene acceso al agua potable (Andesco, 2008), en algunos departamentos existen problemas de calidad del agua para consumo humano (Álvarez, 2008).

El río Cauca es la segunda fuente de mayor importancia del país, ya que un 25% de la población se ubica en su área de influencia, localizándose en su cuenca 183 municipios de los departamentos de Cauca, Valle del Cauca, Quindío, Risaralda, Caldas, Antioquia, Córdoba, Sucre y Bolívar (Ideam, 2001). En este río se han aplicado o adaptado ICA de amplio uso internacional; Rojas (1991) adaptó el ICA-NSF a las condiciones específicas del río, enfatizando su uso para consumo humano previo tratamiento, y la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca -CVC- y la Universidad del Valle (2004) adaptaron un ICA a partir de los ICA NSF, Dinius, CETESB e ICOSUS, denominado ICAUCA.

En este documento se hace un análisis comparativo de la aplicación de diferentes ICA para la evaluación de la calidad del agua del río Cauca como fuente de abastecimiento para consumo humano previo tratamiento, en el tramo Salvajina – Bocatoma Puerto Mallarino, y su injerencia en la toma de decisiones relacionadas con su viabilidad de uso para potabilización.

Metodología

Muestreo y caracterización de la fuente

La definición del tramo y de cinco puntos de muestreo en el río Cauca se efectuó teniendo como criterios el comportamiento de la información histórica sobre la calidad del agua en este tramo y la localización de los principales vertimientos que llegan al río. La evaluación de los ICA se realizó con base en información colectada a partir de tres muestreos realizados en los cinco puntos seleccionados durante un periodo de nueve meses, para caracterizar diferentes condiciones climáticas y de calidad del río. Cada punto de monitoreo se integró con tres muestras puntuales tomadas en la sección transversal del río en cada punto, exceptuando oxígeno disuelto y coliformes, para los cuales se tomaron muestras instantáneas del punto medio de la sección.

En la Figura 1 se presenta la ubicación de los puntos de muestreo seleccionados y la Tabla 1 muestra los parámetros medidos y las técnicas de análisis consideradas según APHA et al. (2005).

Índices de calidad del agua

Con base en la revisión de literatura, y conocidas algunas características básicas del tramo en estudio, se seleccionaron cuatro ICA de acuerdo con el cumplimiento de los siguientes criterios: amplio uso a nivel internacional, clasificación considerando la destinación del recurso con fines de abastecimiento público y representatividad de las condiciones locales del estudio.

En la Tabla 2 son mostrados los ICA seleccionados, con sus respectivas ecuaciones de cálculo y algunas observaciones relacionadas con éstos.

El cálculo de los ICA se llevó a cabo mediante las siguientes etapas:

- Estimación de los subíndices "Ii" que corresponden a la transformación adimensional de cada parámetro que conforma los ICA mediante curvas o ecuaciones matemáticas. Los valores de Ii varían entre 0 y 100; cuanto mayor es Ii, mejor es la calidad del agua.

- Asignación del peso relativo (Wi), que define la importancia de cada parámetro dentro del ICA evaluado y se relaciona con el uso a evaluarse; la sumatoria de los pesos Wi debe ser igual a 1. En estos índices en general los parámetros que tienen mayor peso relativo son el oxígeno disuelto, los coliformes y los asociados a presencia de materia orgánica como la DBO. La Tabla 3 presenta los pesos asignados a los parámetros que conforman cada ICA.

- Finalmente, con los valores de Ii y Wi obtenidos en cada caso, se realizó el cálculo de los ICA seleccionados.

Resultados y discusión

Caracterización del río Cauca. Tramo Salvajina – Bocatoma Puerto Mallarino

La Tabla 4 presenta los valores promedio de las características fisicoquímicas y microbiológicas medidas en el río y los valores reglamentados en la normatividad nacional (Decreto 1594 - Ministerio de Salud, 1984 y RAS - Ministerio de Desarrollo, 2000)* para aguas a ser destinadas al consumo humano previo tratamiento convencional.

Tramo Salvajina – Bocatoma Puerto Mallarino

* Valores límite establecidos en RAS (2000) para aguas que requieren tratamiento convencional más tratamientos específicos.

En general, las características fisicoquímicas se encuentran dentro de los valores reglamentados, con excepción de los fenoles que superan a lo largo de todo el tramo en estudio el valor límite definido (0,002 mg/L), haciendo prioritario su control en los sistemas de tratamiento de agua, tal como actualmente es realizado en las plantas de potabilización de la ciudad de Cali abastecidas por esta fuente, las cuales, adicional al tratamiento convencional, emplean la adsorción con carbón activado en polvo -CAP- con el fin de reducir de manera eficiente la presencia de compuestos fenólicos en el agua (Torres et al., 2008).

Las características de los diferentes puntos de muestreo permiten identificar tres sectores:

Sector 1: Embalse Salvajina - Estación 1, con valores dentro de lo usualmente reportado en fuentes superficiales con buena calidad, asociada a fenómenos de sedimentación y dilución en el embalse Salvajina y poca influencia de vertimientos de tipo industrial y doméstico.

Sector 2: Estaciones 1-2, donde se observa un aumento en los niveles de material suspendido y patógenos que afectan la calidad del agua del río, lo que puede deberse a las descargas provenientes de asentamientos poblacionales, así como al aporte de material particulado de los ríos Ovejas y Timba, entre otros.

Sector 3: Estaciones 2-5, que presentan valores característicos de aguas superficiales con un mayor deterioro en su calidad, asociados principalmente con incremento en las actividades agrícolas, industriales y urbanas en este sector. La estación Hormiguero registra los valores más altos de sólidos suspendidos, turbiedad y color aparente, debido posiblemente a la influencia de los ríos Palo, Zanjón Oscuro y Jamundí, que presentan problemas de erosión en sus cuencas.

Un aspecto a destacar es el de que, a pesar de presentarse niveles promedio de DQO altos, los valores de DBO son bajos, característicos de baja contaminación orgánica (<2 mg/L - Unesco, 1996), situación que puede indicar que al río están llegando sustancias oxidables de tipo inorgánico que aumentan la concentración de DQO en éste y pueden incidir en el nivel de riesgo químico presente en el río.

En cuanto al comportamiento de los patógenos, los niveles de coliformes totales y fecales evidencian la problemática que presenta el río a partir de la estación 2, con valores que superan los niveles reglamentados para aguas a ser destinadas al consumo humano previo tratamiento convencional, lo cual incide directamente en el nivel de riesgo agudo presente en sus aguas, aspecto que es determinante en el suministro de agua segura a la población y hace prioritario su control en los sistemas de tratamiento de agua abastecidos por la fuente. Como respuesta a esta problemática, actualmente en las plantas de la ciudad de Cali que se abastecen con esta fuente se aplica pre y poscloración como medida de control del riesgo microbiológico.

Comparando los resultados obtenidos en estudios previos como el realizado por CVC y Univalle (2004), se observa que en general los valores presentados en el tramo en estudio son característicos del río principalmente en condiciones climáticas de invierno y transición, en los cuales éste tiene mayor capacidad de dilución, lo que se refleja en bajas concentraciones de parámetros como la DBO, y en mayores niveles de OD. Caso contrario ocurre con aquellos parámetros asociados a la presencia de material particulado y disuelto (sólidos totales, suspendidos y disueltos, turbiedad, color aparente, hierro y manganeso), los cuales aumentan debido a un mayor arrastre de materiales del suelo y del lecho del río.

Se resalta que durante los muestreos no se presentaron eventos extremos de contaminación asociados principalmente a niveles de OD inferiores a 2 mg/L o turbiedad superior al valor límite establecido para tratabilidad del agua por las plantas de la ciudad de Cali abastecidas por el río Cauca (3.000 UNT), que se presentan eventualmente a la altura de la Bocatoma de Puerto Mallarino afectando la continuidad del servicio de suministro de agua a cerca del 80% de la población de la ciudad de Cali debido a la suspensión en los procesos de potabilización (Univalle y EMCALI, 2009). Durante el mes de febrero de 2009 las fuertes lluvias presentadas en la cuenca del río Palo ocasionaron derrumbes y empalizadas, aumentado los niveles de turbiedad en el río Cauca a valores hasta de 10.000 UNT a la altura de la Bocatoma de Puerto Mallarino.

Aplicación de índices de calidad del agua - ICA

En la Figura 2 se presenta el comportamiento promedio de los ICA evaluados. Se observa que de acuerdo con el ICA-NSF el río presenta buena calidad en la estación 1, regular calidad en la estación 2 y mala calidad en las estaciones restantes, siendo éstas las que reportan los valores más bajos (39-55). Esta clasificación coincide con la tipificación de los tres sectores descrita antes.

C.H: consumo humano

El ICAUCA muestra una tendencia similar a la del ICA-NSF; sin embargo, de acuerdo con los rangos de clasificación establecidos para este índice, el río presenta buena calidad en las estaciones 1 y 2 (70-60) y aceptable en las estaciones 3, 4 y 5 (40,6-41,9). También se destaca que aunque el ICAUCA asigna un peso relativo considerable al grupo de parámetros relacionados con la presencia de material en suspensión (problema evidenciado en la cuenca principalmente en invierno), la clasificación es similar a la de los otros ICA evaluados.

El ICA Dinius indica que en todas las estaciones el agua del río requiere tratamiento para consumo humano; sin embargo, a medida que el río va siendo más impactado por los diversos vertimientos que recibe, el índice va disminuyendo, lo que influye en la complejidad y mayores costos de tratamiento; al igual que con ICA-NSF e ICAUCA, los valores más bajos se presentan en las tres últimas estaciones del tramo evaluado.

El UWQI no fue determinado en la estación Suárez por no contar con la información de todos los parámetros para su cálculo; aunque este índice incluye parámetros relacionados con riesgo químico en el agua por la presencia de selenio, arsénico, cianuro, cadmio y fluoruro, los resultados obtenidos no evidencian una fuerte influencia de éstos en su valor final y clasifican el río como de regular calidad en todo el tramo estudiado. Dicha situación podría indicar que el río presenta bajo riesgo químico asociado a las sustancias de interés sanitario consideradas por este índice; sin embargo, para una evaluación integral del riesgo se debe considerar la posibilidad de adaptar un índice que incluya otras sustancias relacionadas con las actividades socioeconómicas predominantes en la cuenca, como pesticidas, fenoles y otros metales.

En general, los ICA evaluados reflejan el deterioro en la calidad del agua del río, especialmente en las estaciones 3, 4 y 5, que están fuertemente influenciadas por vertimientos de origen doméstico, industrial y agrícola, ya sea de forma directa o a través de sus ríos tributarios, siendo las variables de mayor incidencia los patógenos y las asociadas a presencia de material particulado. Igualmente, los valores obtenidos por los ICA estudiados presentan un comportamiento similar al registrado en estudios previos como el realizado por CVC y la Universidad del Valle (2004), con valores dentro del rango calculado con base en las tendencias históricas reportadas por la CVC durante los quinquenios 1993-1997 y 1998-2002.

Los valores obtenidos son similares a los reportados por CETESB (2006) en la evaluación de calidad de las aguas interiores en el estado de São Paulo, Brasil, principalmente en aquellos sectores influenciados por descargas de aguas residuales provenientes de los centros poblados de mediano y gran tamaño ubicados en sus cuencas, donde éstos son clasificados como de regular calidad de acuerdo con el IQA-CETESB, el cual es una adaptación del ICA-NSF. Así mismo, se observa que uno de los parámetros de mayor incidencia en el valor final de los ICA evaluados son los coliformes fecales, tal como lo reportan Álvarez et al. (2006) en la evaluación de la calidad del agua mediante el ICA-NSF en la cuenca del río Amajac, en México.

Conclusiones

La evaluación de la calidad del agua del río Cauca a lo largo del tramo en estudio muestra su deterioro a medida que avanza en su recorrido, identificándose tres sectores, el primero con condiciones propias de aguas de buena calidad, el segundo con un aumento en los niveles de patógenos y material particulado debido a la presencia de descargas de origen doméstico y agropecuario, y el último con valores característicos de aguas superficiales con mayor deterioro en su calidad asociados principalmente al incremento en las actividades agrícolas, industriales y urbanas en este sector y al manejo inadecuado de las fuentes tributarias, que además de problemas de contaminación por actividades antrópicas presentan procesos erosivos.

Los ICA evaluados confirman el deterioro creciente en la calidad del agua del río Cauca a medida que es afectado por las diversas actividades socioeconómicas desarrolladas en la cuenca, presentando en general calidad entre regular y mala, siendo necesario su tratamiento para la destinación del recurso al consumo humano, e incluso la incorporación de tratamientos específicos como la adsorción con carbón activado y otros. El tramo que presenta los más bajos índices es el comprendido entre Hormiguero y Bocatoma Puerto Mallarino.

La significativa incidencia de los microorganismos patógenos y del material particulado sobre el valor final de los ICA resalta la necesidad inmediata de aplicar estrategias eficientes de manejo de vertimientos de origen doméstico y pecuario y de control de la erosión en las subcuencas, con el fin de mejorar la calidad del agua de esta fuente tan importante para el país y principalmente para la región del suroccidente colombiano.

Dada la alta variabilidad y complejidad en la calidad del río Cauca y su elevado uso como fuente de abastecimiento para consumo por parte de un gran número de municipios colombianos, es importante considerar el desarrollo o adaptación de un índice que involucre parámetros representativos sobre la presencia de las sustancias causantes de riesgo sanitario en esta fuente, como fenoles, color verdadero, pesticidas y otros, el cual presenta una estructura similar a la del DQWI que considera tanto la variación en el tiempo como en el espacio de los parámetros que lo conforman y la comparación de éstos con la normatividad vigente, permitiendo una evaluación más integral del río.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo técnico y económico prestado por Colciencias, Emcali EICE ESP y la Universidad del Valle para el desarrollo del estudio.

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