1.1: Calidad del Agua Fuente

Objetivos de aprendizaje

Después de leer este capítulo deberías poder identificar y explicar lo siguiente:

• El ciclo hidrológico de la Tierra
• Fuentes de agua subterránea
• Fuentes de Agua Superficial
• Matemáticas del agua: Conversiones de área y unidad

Una cantidad muy finita de agua en nuestro planeta (0.34%) está disponible para tratar para el consumo humano. Saber de dónde proviene el agua ayuda a los operadores certificados a tratar el agua de origen crudo para que sea potable. Se han desarrollado nuevas tecnologías para tratar el agua salinizada o salada que se encuentra en el océano. Estos métodos de tratamiento siguen siendo extremadamente caros y no son ampliamente accesibles. El abastecimiento de agua al público es una función extremadamente importante en la sociedad, ya que el agua es el componente básico de la vida. Debido a que la calidad del agua es de suma importancia, las nuevas regulaciones y los estándares de calidad del agua cambian y evolucionan continuamente para garantizar que el público tenga fuentes seguras de agua potable. Los primeros estándares de agua potable fueron escritos en la Ley de Agua Potable Segura (SDWA), que fue promulgada por el presidente Ford en 1974. A lo largo del texto, se introducirán nuevos conceptos y se dará un acrónimo y se utilizará posteriormente. Vas a aprender a amar las siglas si te conviertes en un operador certificado. ¡Los usamos con bastante frecuencia!

El ciclo hidrológico

Figura\(\PageIndex{1}\): El Ciclo del Agua por el USGS es de dominio público

El ciclo hidrológico es el movimiento continuo del agua en la superficie del planeta. El agua se mueve por encima, por debajo y a través de la superficie de la Tierra en forma de líquido, gas o sólido. Los 12 elementos del ciclo hidrológico se definen de la siguiente manera:

• Evaporación—El agua se mueve en estado gaseoso de la superficie de la Tierra a la atmósfera
• Transpiración: el agua se mueve en estado gaseoso de las plantas a la atmósfera.
• Avance: el agua en estado gaseoso se mueve a través de las corrientes de aire en la atmósfera
• Condensación: el vapor de agua se convierte de gas a estado líquido en forma de gotas de agua.
• Precipitación—El agua como líquido y/o sólido cae de la atmósfera. Comúnmente nos referimos a esto como lluvia, nieve, aguanieve y granizo.
• Intercepción—Agua en estado líquido que es capturada por las plantas
• Infiltración—Agua en estado líquido que se empapa en la superficie del suelo. Esto será lo que se conoce como agua subterránea que se detallará más adelante en este capítulo.
• Flujo Subsuperficial: el agua en estado líquido fluye por debajo de la superficie de la Tierra. El movimiento es generado por la gravedad y las obstrucciones por debajo de la superficie de la Tierra.
• Escurrimiento: el agua en forma líquida viaja a cuerpos de agua. Esto incluiría el océano, lagos, ríos y arroyos. Esto también se conoce como agua superficial que se detallará más adelante en este capítulo.
• Flujo de canal: agua en forma líquida que fluye desde pequeños canales hacia ríos y arroyos
• Almacenamiento: el agua se almacena naturalmente en forma líquida en lagos, estanques, humedales y acuíferos subterráneos. En forma sólida, el agua se almacena naturalmente en hielo, nieve y glaciares. Este almacenamiento natural proporciona gran parte del agua tratada para el consumo humano.
• Fusión de nieve: el agua en forma sólida se convierte en agua en forma líquida y vuelve al ciclo hidrológico. Nota: En California, la capa de nieve es un indicador crítico del suministro de agua ya que es la capa de nieve que se derrite la que recarga los ríos y el suministro general de agua

Existen otros términos importantes a tener en cuenta con respecto al ciclo hidrológico. El movimiento de superficie a atmósfera del agua se conoce como evapotranspiración. Esta es la combinación de evaporación y transpiración de la vida vegetal a la atmósfera. El movimiento más conocido del agua es la precipitación que es cuando el agua en diversos estados físicos cae de la atmósfera a la superficie de la Tierra. El movimiento del agua de la superficie al subsuelo se conoce como percolación. La percolación también podría denominarse infiltración o recarga. Estos términos se asocian comúnmente con acuíferos subterráneos. Finalmente, el flujo de superficie a superficie se llama escorrentía.

Figura\(\PageIndex{2}\): La imagen del USGS es de dominio público - La evapotranspiración es la suma de la evaporación de la superficie terrestre más la transpiración de las plantas. La precipitación es la fuente de toda el agua

Agua subterránea

El agua subterránea es una de las dos principales fuentes de almacenamiento utilizadas por los municipios para producir agua potable. Está formado por la percolación (infiltración y/o recarga) de agua desde la superficie de la tierra hasta el subsuelo. El agua se mueve a través de agujeros y grietas en el subsuelo y se acumula en un acuífero subterráneo. Un acuífero es una formación geológica que acumula agua debido a su porosidad. Las características importantes del agua subterránea incluyen la calidad constante del agua y la capacidad de mantenerse a salvo de la contaminación superficial. Con mayor tecnología y métodos de prueba, se han encontrado químicos y constituyentes que se sabe que son dañinos para los humanos en numerosos sitios de pozos en todo Estados Unidos. Pozos cercanos a áreas industriales han sido contaminados con químicos y sustancias nocivas. Se actualizan continuamente nuevas regulaciones para garantizar que las aguas subterráneas de origen sean seguras para beber. En circunstancias normales, se requiere muy poco tratamiento para producir agua subterránea.

La Regla de Tratamiento de Aguas Subterráneas (GWTR) se promulgó en 2006 para prevenir la contaminación microbiana de los suministros de agua subterránea El propósito de la nueva regla fue clasificar los sistemas de agua que tenían un mayor riesgo de contaminación fecal. Estos sistemas deben emplear una protección de barrera múltiple similar a la regla de tratamiento de aguas superficiales que se cubrirá con más detalle en la siguiente sección.

Figura\(\PageIndex{3}\): La imagen del USGS es de dominio público

Hay dos tipos de acuíferos, confinados y no confinados. En un acuífero no confinado o de nivel freático, el nivel freático es libre de subir y bajar. El nivel freático en acuíferos no confinados sube y baja dependiendo de la cantidad de precipitación que recarga el acuífero. Los acuíferos confinados, también conocidos como pozos artesianos, contienen agua confinada debido a capas de baja permeabilidad. Estas capas, que restringen el movimiento, están compuestas de roca o arcilla dura y se conocen como lechos confinantes, acuitardos o acuicludios. Los pozos artesianos generalmente están bajo presión cuando se perforan. Una vez perforado el nivel del agua al que se elevará la columna de agua se conoce como la superficie piezométrica. En ocasiones, el agua se elevará a la superficie o más allá de la superficie pero en la instancia, el agua que permanece debajo de ella se conoce como un pozo artesiano que no fluye.

Wells

La construcción de pozos es crítica en la extracción de agua de los suministros subterráneos de agua. La colocación de pozos es muy importante porque la ubicación adecuada producirá el mayor rendimiento. Términos importantes relacionados con pozos subterráneos:

• Nivel de agua estático: el nivel en el pozo cuando no se elimina agua del acuífero. Este nivel se puede medir en pies o elevación.
• Nivel de agua de bombeo: el nivel cuando se elimina el agua del acuífero. Este nivel puede variar dependiendo de la velocidad de flujo del pozo.
• Drawdown—La diferencia entre el nivel de agua de bombeo y el nivel de agua estática
• Cono de depresión: la forma o “cono” creado por el movimiento del agua en todas las direcciones durante el bombeo.
• Zona de influencia: el área de agua afectada por la reducción de agua durante el bombeo. Es importante señalar que los pozos no se pueden colocar demasiado juntos porque sus zonas de influencia pueden afectarse entre sí.
• Rendimiento del pozo: la cantidad de agua extraída de un acuífero durante un período específico de tiempo
• Capacidad específica: la cantidad de agua producida por reducción expresada en gpm/ft
• Rendimiento seguro/ Rendimiento perenne: la cantidad de agua que se puede extraer de un acuífero por año sin una caída en el nivel freático
• Sobregiro: se elimina demasiada agua. Mayor que el rendimiento seguro de un pozo
• Subsidio: caída permanente en el nivel freático por sobregiro

Cálculo de Capacidad Específica

\[\text{Specific capacity} = \text{Flow (GPM)} ÷ \text{Drawdown (ft)} \label{Specific Capacity}\]

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Un pozo tiene un rendimiento de 600 gpm y la reducción es de 50 pies. ¿Cuál es la capacidad específica del pozo?

Solución

Esta es una aplicación directa de la Ecuación\ ref {Capacidad Específica}

\[\text{Specific Capacity = 600\, \text{GPM} ÷ 50\, \text{ft} = 12\]

Agua Superficial

En todo Estados Unidos, el agua superficial es la fuente de agua más utilizada para las grandes ciudades y otros municipios. El agua subterránea no está tan ampliamente disponible por lo que no es un suministro suficiente de agua para las principales ciudades. El agua superficial incluye lagos, estanques, ríos y arroyos. California es única ya que la mitad sur del estado tiene 2/3 de la población pero solo 1/3 del agua disponible y la mitad norte del estado tiene 1/3 de la población pero 2/3 del agua. La capa de nieve en el norte de California es fundamental para el suministro de agua del estado. La mayor parte del sur de California es muy árida y densamente poblada, por lo que el agua viaja desde el norte de California a través del Proyecto Estatal de Agua hasta el

La escorrentía superficial suministra agua para todas las fuentes de agua superficial. Las influencias de la escorrentía superficial incluyen la intensidad de la lluvia, la duración de las lluvias, la composición del suelo, la cantidad de humedad en el suelo, la pendiente del suelo, la cobertura vegetal y las influencias humanas. Uno pensaría que mucha lluvia sería ideal. Sin embargo, si la densidad de lluvias es demasiado grande, se puede perder más agua porque el suelo ya no absorberá el agua. Lo mismo se aplica a la duración de las precipitaciones. Una lluvia prolongada incluso hace que el suelo sea demasiado húmedo e incapaz de capturar agua. La cobertura de vegetación y la pendiente del suelo son muy importantes para detener la escorrentía. Si la pendiente del suelo es empinada, se incrementa la velocidad de escorrentía. La vegetación ralentiza la velocidad de escorrentía y permite que más agua se absorba o se infiltre en el suelo. Las influencias humanas tienen un gran impacto en la escorrentía del agua. Las superficies impermeables como el concreto previenen completamente la infiltración.

Cursos de Agua Naturales

Términos Clave

Los cursos de agua natural incluyen ríos, arroyos, arroyos, lavados y arroyos. Fluyen de una de tres maneras:

• Corrientes perennes: cursos de agua que fluyen continuamente durante todo el año
  • EX: Río Colorado
• Flujos efímeros: cursos de agua que fluyen esporádicamente, generalmente después de la lluvia
  • EX: Río Santa Clara que atraviesa Santa Clarita y el condado de Ventura
• Intermitente—Cursos de agua que fluyen en algún lugar entre arroyos efímeros y perennes. Las precipitaciones y los altos niveles de agua subterránea afectarán la frecuencia con que fluyen estas corrientes

Los ríos y arroyos son una buena fuente de suministro de agua, pero no necesariamente son la mejor fuente para el suministro público de agua.

Figura\(\PageIndex{4}\): La imagen del río Colorado de Paul Hermann está licenciada bajo CC BY-SA 3.0

Figura\(\PageIndex{5}\): Río Santa Clara Mapa por Shannon1 es de dominio público

Lagos

Los lagos son la fuente pública de abastecimiento de agua más utilizada. Sin embargo, existen muy pocos lagos “naturales”. La mayoría de los lagos utilizados para el suministro público de agua son artificiales y utilizan una presa para crear el lago y contener el agua. Esto se conoce como un embalse. El agua de estos lagos se canaliza a las instalaciones de tratamiento. Debido a las variaciones en la temperatura, los lagos desarrollan “capas” también conocidas como estratificación. El agua más densa y fría caerá al fondo (zona bentónica) de un lago durante el verano. Hay tres capas:

• Epilimnion: los estratos más cercanos a la superficie
• Hipólimon: los estratos cerca del fondo
• Termoclina—Estratos medios con la mayor varianza de temperatura

La rotación del lago ocurrirá durante los cambios estacionales de temperatura. Cuando la temperatura de un lago es uniforme se le conoce como isotérmica. El crecimiento de algas es un problema grave que causa problemas de sabor y olor en el agua tratada. Se puede agregar sulfato de cobre a un lago para ayudar a remediar las floraciones de algas. En casos severos, el agua sufre eutrofización que es la pérdida de oxígeno. El agotamiento total o extremo de oxígeno puede matar a todas las criaturas vivientes en el agua, incluidos los animales y los peces.

Figura\(\PageIndex{6}\): Imagen del lago Castaic de Rehman es de dominio público

Introducción a las matemáticas del agua

Las matemáticas son un componente clave del tratamiento del agua. Los operadores utilizan tablas de conversión y álgebra básica para completar muchas tareas diarias. Los gráficos están disponibles en el sitio web de la Junta Estatal de Control de Recursos Hídricos que ayudan a los operadores con la mayoría de los cálculos que encontrarías en los exámenes estatales o mientras estás en A continuación se muestra una lista de unidades básicas y sus respectivos factores de conversión:

Tabla 1.1: Unidades y factores de conversión

Medición	Equivalente
1 pie cúbico de agua	62.3832lbs
1 galón de agua	8.34lbs
1 litro de agua	1,000 gramos
1 mg/L	1 parte por millón (ppm)
1 ug/L	1 parte por mil millones (ppb)
1 milla	5,280 pies
1 yarda	3 pies
1 yard3	27 pies3
1 acre	43,560 pies cuadrados o pies2
1 pie cúbico o ft3	7.48 galones
1 galón	3.785 Litros o L
1 L	1,000 mililitros (ml)
1 libra	454 gramos

Trabajar con Fracciones

NumerateOrdenominador

44=11 o =1 42=21 o =1

Redondeo

Redondeando el número 324.179
3 = Cientos	El número anterior (324.179) redondeado al décimo más cercano sería 324.2. Dado que el número en el centésimo lugar está en o por encima de 5, el número en el décimo lugar se redondea hacia arriba. Si estuvieras redondeando este número al número entero más cercano sería 323 ya que el número en el décimo lugar está por debajo de 5.
4 = Decenas
9 = Unidades
1 = Décima
7 = centésima
9 = milésima

Análisis Dimensional Unitario

Esta es la función más importante en la mayoría de los problemas matemáticos del agua. Asegúrate de colocar siempre tus factores en el lugar adecuado o la ecuación será imposible de resolver correctamente. El siguiente ejemplo utilizará medidas unitarias. Los operadores de agua comúnmente convertirán entre diferentes unidades de medida.

Ejemplo 1

Convierte 48 pulgadas en pies. (Hay 12 pulgadas en un pie).

48 pulgadas11 pie12 pulgadas=4 ft1

Deja el del denominador y la respuesta es de 4 pies.

El mismo proceso será convertir entre galones y pies cúbicos.

Ejemplo 2

Convertir 22.44 galones en pies cúbicos o ft3 (Hay 7.48 galones en un pie cúbico).

22.44 galones11 ft³7.48 galones=3 ft³1

Deja el 1 del denominador y tu respuesta es de 3 ft³

Ejemplo 3

¿Cuántos galones hay en un tanque que contiene 300 ft³ de agua?

300ft317.48 gal1ft3=2,244 galones

Área

El área será importante para muchas aplicaciones en matemáticas de agua. Puede ser necesario calcular el área de un tanque que requiere pintura o un área de cobertura del suelo cerca del equipo.

Rectángulos	Área = L × W
Círculo	Área = 0.785 × D ^2
Trapecio	Área = × H

Ejemplo 1

Una pared que mide 10 pies de ancho y 40 pies de largo necesita ser pintada. ¿Cuál es el total de pies cuadrados de la pared?

Área = Largo x Ancho Área = 10 pies x 40 pies Área = 400ft ^2

Ejemplo 2

¿Cuál es el área de la parte superior de un tanque de almacenamiento circular que tiene 100 pies de diámetro? (Nota: Usa la fórmula .785 x d2. En la mayoría de los casos en matemáticas de agua, siempre estaremos tratando con el diámetro y no el radio. Estos atajos ayudarán a medida que los problemas se vuelvan más difíciles. En este problema voy a demostrar por qué usaremos esta fórmula y no la ecuación matemática estándar para resolver problemas de área.)

Ecuación #1 Área= π (3.14) x r ² (100ft ÷ 2 = 50 para encontrar radio)

Área = 3.14 x 50 x 50

Área = 7,850 ft ²

Ecuación #2 Área= .785 x d ²

Área = .785 x 100 x 100

Área = 7,850 ft ²

En este ejemplo, la primera ecuación fue fácil de resolver porque estábamos trabajando con un número bastante amigable. A medida que las ecuaciones se vuelven más difíciles no queremos dar el paso extra para dividir el diámetro por dos para resolver para el radio. Si el diámetro del tanque fuera de 357 pies, este problema habría sido un poco más difícil usando la primera ecuación.

Ejemplo 3

La parte superior de un tanque de almacenamiento circular necesita ser pintada. Tiene 100 pies de diámetro. Cada galón de pintura cubre aproximadamente 200 pies cuadrados. ¿Cuántos galones de pintura necesitarás para comprar?

Área= .785 x d ^2 Área = .785 x 100ft x 100ft Área= 7,850 ft ^2 7850 ft²1x1 gal200 ft²=39.25 gal

Revisión del Capítulo

1. ¿Cómo se llama la capa media de un lago estratificado?
   1. Termoclina
   2. Zona bentónica
   3. Epilimnion
   4. Hipolimnion
2. ¿Cómo se conoce la conversión de agua líquida en agua gaseosa?
   1. Advección
   2. Condensación
   3. Precipitaciones
   4. Evaporación
3. El agua pesa ___________.
   1. 7.48 lbs/gal
   2. 8.34 lbs/gal
   3. 62.4 lbs/ft ³
   4. Ambos 2 y 3
4. ¿Cuál es el nivel estático de un acuífero no confinado también conocido como?
   1. Drawdown
   2. Mesa de Agua
   3. Nivel de agua de bombeo
   4. Aquitardo
5. ¿Cuál es la causa de los problemas de sabor y olor en las aguas superficiales crudas?
   1. Sulfato de cobre
   2. Algas verde-azuladas
   3. Oxígeno
   4. Rotación de lagos
6. ¿Qué químico reduce el crecimiento de algas verdeazuladas?
   1. Cloro
   2. Soda cáustica
   3. Sulfato de Cobre
   4. Alumbre
7. Una formación geológica acuática que acumula agua debido a su porosidad.
   1. Acuífero
   2. Lago
   3. Aquiclude
   4. Bueno
8. ¿Qué tipo de corriente fluye continuamente durante todo el año?
   1. Efímero
   2. Perenne
   3. Intermitente
   4. Estratificado
9. El movimiento de superficie a atmósfera del agua se conoce como ___________.
   1. Precipitaciones
   2. Percolación
   3. Estratificación
   4. Evapotranspiración
10. Un acuífero que se encuentra debajo de una capa de baja permeabilidad se conoce como ___________.
    1. Acuífero confinado
    2. Acuífero de mesa freática
    3. Acuífero no confinado
    4. Aguas subterráneas inalcanzables
11. ¿Cómo se conoce la capa media de un lago estratificado?
    1. Hipolimnion
    2. Zona bentónica
    3. Termoclina
    4. Epilimnion
12. La cantidad de agua que se puede extraer de un acuífero sin agotarse.
    1. Drawdown
    2. Rendimiento seguro
    3. Sobregiro
    4. Subsidencia

Preguntas de Matemáticas

Por favor, muestre todo el trabajo. En los exámenes estatales, no obtendrás crédito si no se muestra el trabajo.

1. ¿Cuál es el área de la parte superior de un tanque de almacenamiento que tiene 75 pies de diámetro?
   1. 4,000 ft ²
   2. 4416 ft ²
   3. 1104 pies cuadrados
   4. 17,663 pies cuadrados
2. ¿Cuál es el área de una pared de 175 pies de largo y 20 pies de ancho?
   1. 3,000 pies cuadrados
   2. 2,500 pies cuadrados
   3. 3,500 pies cuadrados
   4. 4,000 pies cuadrados
3. Tienes la tarea de llenar un área con roca cerca de algunos de tus equipos. Una (1) bolsa de roca cubre 250 pies cuadrados. El área que necesita cobertura rocosa es de 400 pies de largo y 30 pies de ancho. ¿Cuántas bolsas necesitas comprar?
   1. 40 Bolsas
   2. 42 Bolsas
   3. 45 Bolsas
   4. 48 Bolsas