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Un estudio de caso sobre la aplicación de dos modelos de calidad de agua, DESERT y EVOLA, al río Oglio y al lago Iseo, en el norte de Italia. El objetivo es evaluar la influencia de diferentes escenarios de gestión de la calidad del agua en la cuenca del lago Iseo, en relación con la Directiva Europea de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas y el objetivo regional de restaurar el lago lo más cerca posible de su estado natural anterior. El documento incluye datos sobre las cargas de fósforo y nitrógeno en la cuenca, el estado actual del lago y el objetivo de reducir las cargas totales de fósforo no tratadas que ingresan a los cuerpos de agua superficiales.
Qué aprenderás
Tipo: Monografías, Ensayos
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Marco para la gestión de la calidad de las aguas superficiales a escala de cuenca: estudio de caso del lago Iseo, norte de Italia D. H. A. Al-Khudhairy, 1 A. Bettendroffer, 2 A. C. Cardoso, 2 A. Pereira y G. Premazzi 1 Instituto para Sistemas, Informática y Seguridad y 2 Instituto del Medio Ambiente, Centro de Investigación Conjunta, Comisión Europea, Ispra 21020, Varese, Italia Resumen Es prácticamente posible a su estado natural cualitativo anterior. La aplicación de DESERT muestra que el ‘Plan de limpieza de agua’ regional puede lograr reducciones similares en las concentraciones totales de fósforo en el sistema fluvial principal de la cuenca, el río Oglio, a la directiva 91/271 / CEE, pero a costos económicos notablemente más bajos. La aplicación de EVOLA al lago Iseo demuestra que no es práctico alcanzar el objetivo de la autoridad regional de una concentración específica de fósforo total en el lago para 2016. En cambio, los resultados muestran que se puede lograr una concentración de fósforo total más realista, pero más alta, mediante 2016. Los resultados de ambos ejercicios de modelización indican la utilidad de DESERT y EVOLA para comparar y evaluar los escenarios de gestión de la calidad del agua y para revisar los objetivos finales de la autoridad regional con respecto a la concentración total de fósforo en el lago Iseo, así como la regional "Limpieza de agua". Plan 'para restaurar y salvaguardar la calidad de las aguas superficiales de la cuenca. Palabras clave Contaminantes de fuentes puntuales, cuencas de ríos y lagos, modelos de calidad de aguas superficiales, recursos hídricos. gestión en el norte de Italia.
Ahora se reconoce ampliamente que existe una necesidad urgente de abordar los problemas del aumento de las cargas de contaminantes entregadas a muchos cuerpos de aguas superficiales, no solo en Europa, sino también en todo el mundo. En muchas partes del mundo, estas cargas se están volviendo tan intensas que la calidad del agua se está deteriorando hasta el punto de que el agua potable requiere un tratamiento cada vez más avanzado y costoso o que las especies de plantas acuáticas y animales en ríos y lagos se reducen considerablemente y su estructura se modifica.. Hasta finales del siglo XIX, la mayoría de las entradas de contaminación eran fuentes puntuales, como alcantarillas o salidas industriales. Sin embargo, desde principios de la segunda mitad del siglo XX, ha habido un rápido aumento de fuentes no puntuales de contaminación, como la agricultura y las prácticas agrícolas. Actividades humanas, tales como cambios en el uso de la tierra, insumos y prácticas agrícolas, producción industrial y Los asentamientos humanos también han modificado las condiciones históricas de nuestros paisajes y cuerpos de aguas superficiales y están cambiando continuamente. Por lo tanto, se necesitan enfoques de modelación que sean capaces de evaluar con precisión los cambios en las concentraciones de contaminantes provocados por el uso de la tierra y las estrategias de manejo del agua, tanto en la escala de captación como en los propios cuerpos de agua. Además, los modelos de simulación ofrecen la posibilidad de reconstruir la calidad del agua y las condiciones del flujo en cuerpos de agua superficiales y predecir los efectos de prácticas agrícolas alternativas, así como las estrategias de uso de la tierra y de gestión de la calidad del agua. La contaminación de fuentes difusas es impulsada por eventos meteorológicos, es decir, la precipitación, y ocurre durante condiciones de alto flujo e inundaciones, mientras que la contaminación de fuentes puntuales tradicionales tiene poca relación con la hidrología de la cuenca y es más severa durante condiciones de bajo flujo.
El lago Iseo es el cuarto lago más grande de Lombardía, que se encuentra en el noroeste de Italia y se extiende desde los Alpes hasta la llanura del río Po. Su cuenca tiene una superficie total de 1736 km2 (de los cuales, 60.9 km2 es el lago sur face). Debido a su morfología e hidrología, la cuenca del lago Iseo se puede considerar como representativa de una cuenca típica del lago de Lombardía. Según el Plan Regional de Limpieza de Agua (Piano Regionale di Risanamano delle Acque; 'PRRA') establecido en 1985, ninguno de los 11 sistemas fluviales principales, incluido Canal Italsider, en la cuenca del Lago Iseo, ni el río de salida, puede ser clasificado como 'clase A' según el sistema italiano de clasificación de la calidad del agua (ver Tabla 1). Además, la calidad de dos de los afluentes está tan degradada que no encajan en ninguna clase. De hecho, están clasificados como "I", lo que indica que están altamente contaminados. Las cargas de fósforo y nitrógeno transportadas al lago Iseo por los ríos de entrada son de 103 y 4316 años-1, respectivamente, y se originan en gran parte en el Valle Camonica a través del río Oglio y el Canal Italsider (Premazzi et al. 1998). A partir del análisis del perfil térmico, el Lago Iseo puede definirse como un lago oligómico con circulación invernal y estratificación estival. Durante el período 1981-1997, no se observó una circulación completa del agua y el volumen afectado por la mezcla fue aproximadamente el 50% del total. El valor promedio anual de fósforo total para el Lago Iseo es de 56 mg m – 3; en aguas profundas (por debajo de 50 m de profundidad), se calculó un valor promedio ponderado de 83 mg m-3, con diferencias significativas observadas entre las estaciones de muestreo. El lago fue clasificado recientemente como eutrófico y los macrófitos prosperan en los márgenes del lago (Premazzi et al. 1998). Cuenca del río Oglio Con una superficie equivalente a 1432 km2, la cuenca del río Oglio es la más grande de las 10 cuencas que constituyen la cuenca del lago Iseo (ver Fig.1). Si bien los 48 municipios que forman parte de la cuenca se pueden dividir en dos grupos: fluviales y continentales, la mayoría puede considerarse fluvial. Es decir, parte de sus límites limita con el río Oglio principal o con uno de sus afluentes.
Con una población total equivalente a 231 531, la cuenca del río Oglio es la más poblada de las 10 cuencas en toda la cuenca del lago Iseo (56% de la población total). Las descargas de los ríos en el sistema del río Oglio varían según la temporada, con la mayor escorrentía durante los meses de mayo a agosto y diciembre a enero y la menor durante los períodos de febrero a abril y septiembre a noviembre. SELECCION DE MODELOS El objetivo del presente estudio fue establecer un modelo de fósforo total para el sistema del río Oglio y el lago Iseo y evaluar las alternativas de gestión del agua, en términos de adhesión a la legislación de la UE para 2010. Para este estudio, la selección de los Los modelos se basaron en la disponibilidad y precisión de los datos, el problema en cuestión (el destino de las cargas de fósforo total que ingresan en los cuerpos de agua de la superficie), la facilidad de uso, la dimensionalidad y las características temporales. En el caso del río Oglio, se seleccionó el modelo de calidad de río / agua de estado unidimensional estable e inestable, DESERT (Instituto Internacional para el Análisis de Sistemas Aplicados (IIASA) 1996). Para el lago Iseo, se seleccionó el sistema de modelado de lago EVOLA (Rossi 1991; Rossi & Premazzi 1991). Una visión general del modelo DESERT DESERT es un sistema de modelado de calidad de agua / río de estado estable e inestable unidimensional que fue desarrollado conjuntamente por IIASA, Austria, y el Instituto de Agua y Problemas Ambientales, Rusia. El componente hidráulico utilizado en DESERT para ríos y canales abiertos se basa en la continuidad de masa y en las ecuaciones de dinámica de fluidos. DESERT modela la hidráulica fluvial utilizando ecuaciones de aguas someras unidimensionales (ecuaciones de Saint Venant), donde la velocidad se promedia sobre el área de la sección transversal del alcance. El modelo de calidad del agua en DESERT se basa en ecuaciones de transporte de masa unidimensionales, donde los componentes de la calidad del agua se promedian en la sección transversal del alcance. El modelo DESERT es flexible en términos de constituyentes de la calidad del agua
hidrodinámicas (Rossi 1991; Rossi & Premazzi 1991). El modelo hidrodinámico describe la estructura física del lago, en particular la estratificación térmica y su efecto en los intercambios de masas, y permite la evaluación de ciertos parámetros pertinentes del lago (por ejemplo, el coeficiente de difusión efectiva, el agua efectiva). tiempo de residencia). El modelo ecológico simula y describe la evolución de las principales variables químicas y biológicas del lago. También permite la determinación de parámetros de eutrofización específicos y la simulación de los efectos de las intervenciones de restauración alternativas en el lago. En la Fig. 2 se muestra una representación esquemática del sistema de modelado EVOLA. DISPONIBILIDAD Y FUENTES DE DATOS: CUENCA DEL RÍO OGLIO Y LAGO ISEO La Tabla 2 resume las fuentes de datos para la cuenca del río Oglio y el Lago Iseo que se usaron dentro del DESIERTO y Simulaciones de EVOLA. Flujo fluvial y determinantes de la calidad del agua. Los flujos diarios de descarga están disponibles en la desembocadura del río Oglio para el período 1995–1997. Las concentraciones totales de fósforo y los flujos de descarga también están disponibles en otras estaciones de medición en el sistema del río Oglio, a intervalos de 3 meses, para el período 1994–1995. En general, se encuentra que los valores de flujo de descarga aumentan desde la cabeza de Oglio hacia su boca, principalmente debido a las contribuciones de sus principales afluentes. El efecto de dilución de los afluentes limpios influye en las concentraciones totales de fósforo a lo largo del río Oglio principal, donde, en general, las concentraciones medidas son más bajas en su boca y más altas cerca de la cabecera del río (es decir, las concentraciones disminuyen cuando aumenta el flujo). Sin embargo, las concentraciones totales de fósforo se elevan a lo largo de las secciones a 25–50 km de su boca (ver Fig. 3). Esto puede explicarse por la alta
densidad de población, que resulta en la descarga de grandes cantidades de agua residual tratada y no tratada. Infraestructura de alcantarillado, planta e industria municipal. El noventa y cinco por ciento de la población de la cuenca del río Oglio está cubierta predominantemente por sistemas de alcantarillado combinado y, más recientemente, en algunos municipios, por sistemas de alcantarillado separados con tuberías individuales para residuos sanitarios y aguas pluviales (datos proporcionados por el Consorzio per la Tutela Ambientale del Sebino). Además, se han observado fugas en algunas de las tuberías y esta observación se ha tomado En cuenta en este estudio. Según estudios realizados por las autoridades regionales en La cuenca del Lago Iseo, Consorzio per la Tutela Ambientale del Sebino y la Regione Lombardia, cuenta con 42 plantas municipales y dos plantas intermunicipales en la cuenca del río Oglio que atienden al 46% de la población de la cuenca del río Oglio (ver Fig. 4). Estas plantas varían en términos de capacidad y tipo de proceso de tratamiento de aguas residuales y, por lo tanto, de eficiencia. Se realizó un cuestionario como parte de este estudio (1997–1998) para determinar el estado de la PTAR en el área de estudio. Los resultados de la encuesta del cuestionario mostraron que solo 35 de las EDAR existentes (incluidas dos plantas intermunicipales) eran funcionales, pero algunas no funcionaban de acuerdo con las especificaciones. En muchos casos, las plantas municipales tuvieron un rendimiento bajo o excesivo durante varios meses del año; sobrecargado durante la temporada turística y bajo desempeño durante los períodos restantes. Además, se encontró que numerosos depósitos de sedimentación y fosas sépticas Imhoff estaban operativos en varios municipios. En contraste, la encuesta mostró que las
Construcción modelo Cuatro tipos de fuentes de contaminantes se tomaron en consideración en el presente estudio de la siguiente manera.
Tanto para los componentes hidráulicos como para la calidad del agua, se asumieron condiciones hidrológicas y de carga de estado estable. En otras palabras, los flujos de los ríos y las cargas de desechos domésticos e industriales no están cambiando significativamente. Este supuesto es suficiente para las condiciones del flujo del río cuando se supone que las fuentes puntuales se descargan a una velocidad constante y la lluvia no ocurre con frecuencia. Los periodos de bajo flujo se utilizan tanto para calibrar el componente hidráulico del sistema de modelado DESERT, como para aplicar los escenarios hipotéticos de gestión de la calidad del agua. La razón principal de esto es que las contribuciones de fuentes no puntuales generalmente se consideran despreciables en tales condiciones de flujo del río (debido a la insignificante cantidad de volúmenes de datos), mientras que las contribuciones de fuentes puntuales son dominantes. Calibración El modelo hidráulico de DESERT se calibró para reflejar las mediciones de campo tomadas en puntos discretos a lo largo del sistema del río Oglio para el período de bajo caudal de septiembre de 1995, que es típico de los períodos de bajo flujo observados durante el período 1994–1995. Durante la fase de calibración, las condiciones de los límites del agua de cabecera también se ajustaron para mejorar el ajuste entre los flujos de ríos observados y simulados. De manera similar, durante la fase de calibración para el componente de calidad del agua DESERT, las predicciones del modelo se compararon con los registros de calidad del agua de septiembre de 1995. Las cargas de la unidad de fósforo total, las tasas de descomposición y las concentraciones en las aguas de cabecera se ajustaron durante la fase de calibración. La Tabla 3 resume los resultados de las dos fases de calibración en puntos de muestreo específicos a lo largo del río Oglio principal. El modelo calibrado constituye el modelo de referencia del río Oglio contra el que se
ecológico para todas las aguas. Esto implica que no hay o solo alteraciones antropopénicas menores en los elementos de calidad biológica, hidromorfológica y fisicoquímica en estos ecosistemas. Obviamente, es prácticamente imposible eliminar completamente los efectos de las actividades antropogénicas en la cuenca del Lago Iseo. Por lo tanto, en el PRRA, se supone que el lago debe alcanzar finalmente una concentración de fósforo total que no sea superior al 25% por encima de la concentración natural del lago. Aunque el escenario del lago es similar en términos de objetivos a la directiva 91/271 / EEC y los escenarios PRRA para el sistema del río Oglio (es decir, para reducir la carga total de fósforo de las fuentes municipales que ingresan a las masas de agua superficiales), difiere en que la hipótesis las reducciones (escenarios) en las cargas de fósforo totales que ingresan al lago no se han derivado estructuralmente. En cambio, las reducciones se han basado en las cargas teóricas totales anuales de fósforo (103 toneladas) que ingresan al lago a través de todos los sistemas fluviales principales en el Lago Iseo. En contraste, en el caso de los escenarios de las directivas PRRA y 91/271 / EEC, las cargas totales de fósforo que ingresan al sistema fluvial se han determinado en una o varias etapas, respectivamente, de acuerdo con la Directiva de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas de la UE y la Recomendaciones de la PRRA. En el futuro, los resultados de las simulaciones de la calidad del río / agua deberían impulsar las simulaciones del modelo EVOLA del lago Iseo. En otras palabras, los dos sistemas de modelado deben estar vinculados. Esto proporcionará una visión general mejorada y realista del conjunto de escenarios, planificados a escala de la cuenca, que podrían alcanzar un estado ecológico cercano al cualitativo natural histórico del lago Iseo. el escenario produce las mayores reducciones en las concentraciones totales de fósforo a lo largo del río Oglio y en su desembocadura. Las concentraciones totales de fósforo simuladas en la desembocadura de los escenarios de la directiva PRRA
2016 y 91/271 / EEC satisfacen los criterios básicos de calidad del agua de fósforo derivados por Chiaudani y Premazzi (1988) para ríos europeos y "clase A" dentro del PRRA (1993) para ríos italianos (ver también Tablas 1.6). Los resultados generales muestran que aunque las reducciones en las concentraciones totales de fósforo logradas por el escenario PRRA 2016 son más bajas que las simuladas por el escenario de la directiva 91/271 / CEE, los valores simulados generalmente se encuentran dentro de la misma clase de calidad del agua a lo largo del río Oglio y en su boca. Sin embargo, el escenario de la directiva 91/271 / EEC es más costoso que el escenario PRRA 2016 porque, dado que la cuenca del río Oglio es un área sensible, requiere el establecimiento de nuevas infraestructuras de alcantarillado y la conexión de los miembros de la población con la EDAR incluso en los municipios. con o sin cobertura de alcantarillado, de modo que la cantidad mínima de cargas totales de fósforo no tratadas puedan ingresar a los cuerpos de agua superficiales en la cuenca del lago Iseo. La Tabla 6 resume las concentraciones de fósforo de Chiaudani y Premazzi (1988) derivadas de los valores citados en las directivas CEE 75/44 / CEE (esto se refiere a la calidad requerida de las aguas superficiales destinadas a la extracción de agua potable) y 78/659 / CEE (esto se refiere a la calidad de las aguas dulces que necesitan protección o mejora para apoyar la vida acuática), así como a las recomendaciones nacionales para su uso como directrices de calidad del agua en todos los ríos europeos. Además, la Tabla 1 resume el total. según el PRRA (1993), los criterios de agua de fósforo para diversos usos del agua en aguas superficiales ubicadas en la región de Lombardía, Italia. Aplicación de EVOLA El modelo de la línea de base del lago se basa en una carga externa total de fósforo de 103 toneladas año-1 y una concentración de fósforo de 23 mg m-3 en la capa de
a la cuenca del río Oglio y a uno de los lagos subalpinos más importantes, el lago Iseo, Lombardía, norte de Italia, respectivamente. Se simularon tres tipos de escenarios de gestión de la calidad del agua con estos modelos, que representan la Directiva de la UE para el tratamiento de las aguas residuales urbanas y el objetivo de la autoridad regional para: (i) reducir las cargas de fósforo total no tratadas que ingresan a los cuerpos de agua superficiales; y (ii) restaurar el Lago Iseo lo más cerca posible de su estado natural anterior (9 mg P m
La aplicación del modelo de lago EVOLA muestra que con una reducción del 30% aplicada a la carga de fósforo total externa anual actual de 103 toneladas año – 1, una concentración de P total de 18–16 mg P m – 3 en el equilibrio (clase B) es Logrado en el lago en aproximadamente 5-10 años. Esta es la máxima y mejor reducción que se puede lograr. dentro de la escala de tiempo dada, pero aún es mayor que el objetivo final de la autoridad regional de 11.5 mg P m – 3 (oligo-mesotrófico, correspondiente a una carga anual externa de fósforo total de 65 toneladas). Estos resultados se pueden usar para revisar el objetivo final de la PRRA, que es de 11.5 mg P m – 3. Además, estos resultados, junto con los de la simulación DESER T, muestran que no es necesario tratar a todo Valle Camonica como un "área sensible". Se ha demostrado aquí que los sistemas de modelado DESERT y EVOLA son herramientas útiles para comparar los cambios previstos en la calidad del agua que se derivan de diferentes escenarios de gestión de la calidad del agua (es decir, las reducciones totales de fósforo en este estudio) y para contribuir a la evaluación del impacto ambiental y ambiental. Beneficios económicos tanto de la legislación ambiental nacional como europea. EXPRESIONES DE GRATITUD Este estudio fue financiado, en parte, por la Regione Lombardia, Italia, bajo el contrato 12635-97-02-T2ED ISP I. Los autores agradecen a la Regione Lombardia y la Autorità di Bacino del Fiume Po por la amabilidad de proporcionarnos hidráulica y agua. Datos de calidad así como acceso a sus publicaciones internas. También estamos agradecidos a los revisores por sus comentarios específicos y sugerencias útiles.