Utilización de modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas

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(1)UTILIZACIÓN DE MODELOS DE CALIDAD EN REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE PARA EVALUAR EL RIESGO POR INTRODUCCIÓN DE SUSTANCIAS TÓXICAS. Julián Alberto Gallego Urrea Asesor: Juan Guillermo Saldarriaga Valderrama. Trabajo presentado para obtener el título de Magíster en Ingeniería Civil.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Bogotá D.C., Agosto de 2003.

(2) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Tabla de contenido 1. 2.. Introducción.................................................................................................................... 1 Objetivos......................................................................................................................... 3 2.1. Objetivo General..................................................................................................... 3 2.2. Objetivos específicos.............................................................................................. 3 3. Marco teórico.................................................................................................................. 4 3.1. Conceptos de toxicidad y evaluación de riesgos .................................................... 5 3.1.1. Dosificación efectiva ...................................................................................... 5 3.1.2. Ingestión diaria aceptable ............................................................................... 7 3.1.3. Dosis de Referencia (DdR). Adaptado de Universidad de Arizona, 2001. .... 7 3.1.4. Cálculo de la dosis suministrada .................................................................... 9 3.2. Contaminantes químicos ...................................................................................... 11 3.2.1. Características especiales de incidentes químicos........................................ 12 3.3. Contaminantes biológicos .................................................................................... 13 3.4. Modelación de sustancias tóxicas en agua ........................................................... 14 3.4.1. Evolución de las técnicas de modelación ..................................................... 17 3.4.2. Partición sólido-líquido de los contaminantes tóxicos. ................................ 18 3.4.3. Hidrólisis de pesticidas Órgano-Fosforados................................................. 19 3.5. Modelación de la calidad del agua en EPANET .................................................. 20 3.5.1. Algoritmo de rastreo de segmentos. ............................................................. 21 3.5.2. Transporte advectivo en tuberías.................................................................. 22 3.5.3. Mezcla en los nodos. .................................................................................... 25 3.5.4. Reacciones en calidad del agua. ................................................................... 26 3.5.5. Fuentes de calidad del agua. ......................................................................... 32 3.5.6. Modelos de mezcla en tanques. .................................................................... 32 3.5.7. Parámetros utilizados por EPANET. ............................................................ 34 4. Metodología.................................................................................................................. 36 4.1. Recopilación de información................................................................................ 36 4.1.1. Información en Internet ................................................................................ 36 4.1.2. Búsqueda bibliográfica ................................................................................. 39 4.1.3. Estudio del caso colombiano ........................................................................ 39 4.2. Análisis de información........................................................................................ 39 4.3. Modelación de tóxicos en redes de distribución de agua potable......................... 40 4.4. Análisis cualitativo de riesgo................................................................................ 40 5. Recopilación y análisis de información........................................................................ 41 5.1. Contaminantes Químicos...................................................................................... 43 5.1.1. Pesticidas y químicos relacionados .............................................................. 44 5.2. Microorganismos .................................................................................................. 46 5.3. Características físico químicas de los contaminantes tóxicos de interés.............. 47 5.4. Métodos actuales para el monitoreo de contaminantes tóxicos en los sistemas de distribución de agua potable ............................................................................................. 48 5.5. Análisis de sitios vulnerables al vertimiento de tóxicos en los sistemas de distribución de agua potable ............................................................................................. 49 Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. III.

(3) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 5.6. Evolución del uso de plaguicidas en Colombia (Idrovo, 2000) ........................... 51 6. Modelación de tóxicos en los módulos de calidad del agua de los programas computacionales ................................................................................................................... 55 6.1. Análisis de las variables utilizadas en la modelación de calidad del agua en redes de distribución .................................................................................................................. 56 6.1.1. Propiedades de la sustancia .......................................................................... 56 6.1.2. Patrones hidráulicos y de calidad en el tiempo............................................. 58 6.1.3. Fuentes de contaminantes:............................................................................ 59 6.1.4. Resultados obtenidos de la modelación:....................................................... 59 6.2. Programa computacional para evaluar la introducción de sustancias tóxicas en redes de distribución......................................................................................................... 59 6.2.1. Organización del archivo de entrada (*.inp). ............................................... 61 6.2.2. Determinar la masa y hora de entrada de un contaminante.......................... 61 6.2.3. Encontrar la concentración de contaminante y la hora de detección en un nodo determinado. ........................................................................................................ 62 6.2.4. Graficar la concentración relativa en los nodos y el tiempo de llegada para una hora determinada.................................................................................................... 63 6.2.5. Graficar la concentración relativa y el tiempo de llegada para un nodo determinado. ................................................................................................................. 64 7. Análisis de riesgo ......................................................................................................... 66 8. Análisis de resultados ................................................................................................... 69 9. Conclusiones................................................................................................................. 76 9.1. Herramientas computacionales para el análisis de riesgo en redes de distribución. 76 9.2. Modelación de la calidad del agua. ...................................................................... 76 9.3. Sustancias tóxicas. ................................................................................................ 77 9.4. Vulnerabilidad de los sistemas de distribución. ................................................... 77 9.5. Instrumentos de detección y monitoreo................................................................ 78 9.6. Evaluación del riesgo............................................................................................ 78 9.7. Análisis de la red matriz de Medellín................................................................... 79 9.8. Contaminantes biológicos. ................................................................................... 79 10. Recomendaciones ..................................................................................................... 81 10.1. Información Físico-Química............................................................................. 81 10.2. Futuro del análisis de riesgo. ............................................................................ 81 10.3. Tecnologías de detección.................................................................................. 81 10.4. Modelación de la calidad del agua en redes de distribución de agua potable. . 82 11. Bibliografía............................................................................................................... 83 11.1. Bibliografía Principal ....................................................................................... 83 11.2. Bibliografía complementaria. ........................................................................... 84 12. Anexos ...................................................................................................................... 88. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. IV.

(4) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Índice de figuras Figura 3-1. Esquema de los sistemas de distribución de agua potable................................. 15 Figura 3-2. Hidrólisis de Paratión......................................................................................... 19 Figura 3-3. Comportamiento de los segmentos en la solución por el método de Lagrange. 22 Figura 3-4. Solución de estado estable para la concentración de Paratión........................... 24 Figura 3-5. Solución de estado transitorio para la concentración mediante el método de Lagrange. ...................................................................................................................... 25 Figura 3-6. Esquema de mezcla en un nodo......................................................................... 26 Figura 3-7. Modelos de mezcla en tanques por EPANET (Figuras adaptadas de MikeNet)33 Figura 5-1. Comparación de LD50 de diversos agentes químicos. ...................................... 45 Figura 6-1. Pantalla principal del programa de tóxicos en redes de distribución................. 60 Figura 6-2. Pantalla de la pestaña “Listado de nodos” ......................................................... 61 Figura 6-3. Pantalla de la pestaña “Masa y hora de entrada” ............................................... 62 Figura 6-4. Pantalla de la opción 1 en la pestaña “Gráficas” ............................................... 63 Figura 6-5. Pantalla de la opción 2 en la pestaña “Gráficas” ............................................... 63 Figura 6-6. Gráfica de las concentraciones relativas en los nodos y el tiempo de llegada para una hora determinada............................................................................................ 64 Figura 6-7. Pantalla de la opción 3 en la pestaña “Gráficas” ............................................... 64 Figura 6-8. Gráfica de las concentraciones relativas y el tiempo de llegada para un nodo determinado .................................................................................................................. 65 Figura 8-1. Red matriz de Medellín...................................................................................... 69 Figura 8-2. Patrón de consumos en la red matriz de Medellín ............................................. 70 Figura 8-3. Resultados de la simulación para encontrar los nodos de consumo más afectados por la entrada de contaminantes. .................................................................. 71 Figura 8-4. Resultados de la simulación para encontrar las horas del día que son más críticas para la entrada de contaminantes. .................................................................... 71 Figura 8-5. Resultados del análisis espacial realizado para determinar los nodos más críticos en la red para la entrada de contaminantes. ..................................................... 73 Figura 8-6. Pico de concentración observado en uno de los nodos de la red. ...................... 74 Figura 8-7. Curvas isócronas para los tiempos de llegada, en horas, del contaminante a los nodos de la red matriz................................................................................................... 75. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. V.

(5) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Índice de tablas Tabla 3-1 Criterios para elementos y compuestos químicos, diferentes a los plaguicidas y otras sustancias, que al sobrepasar los valores establecidos tienen reconocido efecto adverso en la salud humana. ........................................................................................... 6 Tabla 3-2 Concentración máxima admisible para plaguicidas y otras sustancias (Artículos 11, 12 y 13, Decreto 475, Ministerio de Salud 1998)..................................................... 7 Tabla 3-3 Clasificación toxicológica de los productos fitosanitarios................................... 13 Tabla 3-4 Bandas, símbolos y leyendas según categorías toxicológicas.............................. 13 Tabla 4-1. Búsqueda de información vía Internet ................................................................ 36 Tabla 5-1. Agentes Biológicos y Químicos de potencial uso en Terrorismo ....................... 41 Tabla 5-2. Resumen de Químicos efectivos en agua potable (Tomado de Hickman, 1999) 43 Tabla 5-3 Contaminantes tóxicos biológicos ....................................................................... 46 Tabla 5-4 Muestras para análisis organolépticos, físicos y químicos................................... 50 Tabla 5-5 Muestras para análisis de pesticidas y otras sustancias tóxicas ........................... 50 Tabla 5-6. Distribución de pesticidas registrados en el ICA según categoría toxicológica . 53 Tabla 5-7. Distribución de pesticidas registrados en el ICA según categoría toxicológica e ingrediente activo ......................................................................................................... 53 Tabla 12-1 Características físico-químicas de algunos contaminantes tóxicos de interés ... 89 Tabla 12-2 Descripción del modo de acción de los pesticidas de acuerdo a su clase química ...................................................................................................................................... 90 Tabla 12-3 Relación de diferentes toxinas que han podido ser aisladas en la actualidad agrupadas por sus efectos toxicológicos..................................................................... 101. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. VI.

(6) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Índice de anexos Anexo 1 ................................................................................................................................ 89 Anexo 2 ................................................................................................................................ 90 Anexo 3 .............................................................................................................................. 101 Anexo 4 .............................................................................................................................. 104. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. VII.

(7) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 1. Introducción El agua potable y los sistemas que la surten son infraestructuras críticas para una nación. Cualquier acontecimiento que niegue o desestabilice estos sistemas podrían tener efectos catastróficos en la economía y la sanidad de una comunidad. Así mismo es claro que el agua es particularmente vulnerable a la incursión de químicos o microorganismos que pueden degradar su calidad para consumo e inclusive llegar a producir una emergencia sanitaria. Es importante anotar que para crear un estado de alerta por contaminación tóxica es necesario solamente introducir una dosis mínima de tóxico al sistema de suministro de agua potable que, aunque no cause problemas de salud pública, puede ocasionar traumatismos en la correcta operación de los componentes del sistema y causar pánico en la comunidad. El aumento de la producción y distribución de sustancias tóxicas para el ser humano y la posibilidad de que éstas entren en contacto con el agua potable en el sistema de distribución, hace que este sea un tema de gran interés actualmente, no solo para el público, sino para las empresas prestadoras del servicio y los servicios de salud y atención de emergencias, que en este momento, en el país, no cuentan con una herramienta efectiva que les permita evaluar la gravedad de la emergencia que se puede presentar por la incorporación de una sustancia tóxica, bien sea química o biológica, al sistema de abastecimiento que genere riesgo inmediato para la salud de los usuarios del servicio de agua potable. Dentro de este contexto se generó el presente estudio con el fin de analizar los factores más relevantes de la contaminación con sustancias tóxicas de los sistemas de abastecimiento de agua potable. La tesis posee una sección sobre estudio del estado del arte y otra sobre modelación de contaminantes utilizando herramientas computacionales. Una evaluación de vulnerabilidad de un sistema de distribución de agua potable debe incluir pero no se limita a revisar ciertos detalles específicos (tuberías; vías de acceso; barreras físicas, almacenamiento de agua, pre-tratamiento y tratamiento; instalaciones de almacenamiento y distribución; sistemas electrónicos, computacionales y otros; uso, almacenamiento o manejo de químicos; y sistemas de operación y mantenimiento). Teniendo en cuenta la definición, aplicable al agua potable, de riesgo como la probabilidad de que una sustancia produzca daño bajo unas condiciones específicas y como función de la toxicidad y de la exposición, el presente estudio se enfocó en atacar estas dos características de una manera general, haciendo énfasis en las herramientas computacionales para la modelación de la calidad del agua y su aplicación a la evaluación de la exposición al agua contaminada en las redes de distribución y realizando un compendio de cuales son los mejores indicadores de toxicidad utilizados actualmente a nivel mundial para tal fin. En el segundo capítulo de esta investigación se presentan los objetivos generales y específicos. En el tercer capítulo se exhibe un compendio de información bibliográfica abarcando conceptos de toxicidad y evaluación de riesgos, un análisis de cuales son los Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil.

(8) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. contaminantes químicos y biológicos de interés, y como se realiza su modelación en agua. Finalmente se describe el módulo de calidad de agua de la herramienta computacional para análisis hidráulico y de calidad del agua, EPANET. El cuarto capítulo presenta la metodología utilizada para llevar a cabo la presente investigación. En el capítulo cinco es un compendio de la recopilación y el análisis de información acerca de contaminantes químicos y biológicos, métodos de monitoreo, análisis de sitios vulnerables y el uso de pesticidas en Colombia. En el capítulo seis se presenta una descripción de la evaluación de la exposición a contaminantes utilizando el módulo de calidad de agua de EPANET. En el capítulo siete se describe brevemente como debe llevarse a cabo un análisis de riesgo, teniendo en cuenta la toxicidad de las sustancias y la exposición a las mismas. El capítulo ocho presenta una análisis de resultados mediante la utilización de las herramientas desarrolladas a partir del modulo de calidad de agua de EPANET en una red de distribución real. Finalmente los capítulos nueve, diez, once, doce y trece presentan las conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos, respectivamente. "Todas las sustancias son venenos; la dosis hace la diferencia entre un veneno y un remedio" Paracelso (1493-1541).. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 2.

(9) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 2. Objetivos 2.1.. Objetivo General.. Analizar los factores de riesgo que existen en Colombia para la contaminación intencional o accidental de las fuentes o el suministro de agua potable cuando se adicionan sustancias tóxicas, que pueden ser compuestos químicos o microorganismos patógenos, y analizar el comportamiento de dichos tóxicos en las redes de distribución de agua potable.. 2.2.. Objetivos específicos.. •. Realizar una investigación exhaustiva sobre las sustancias químicas y biológicas contaminantes, de fácil consecución en el país, que puedan llegar a causar el envenenamiento de fuentes, embalses, redes de distribución o tanques de almacenamiento de agua potable.. •. Documentar las características físico-químicas más importantes de dichos contaminantes, tales como solubilidad, toxicidad, tasa de biodegradación, métodos de eliminación, cinética de decaimiento entre otras.. •. Comprobar con algunos programas que contengan módulos de calidad del agua (EPANET, WaterCad, MIKE NET, Pipe 2000 y otros por definir) la modelación de estos contaminantes con la información encontrada anteriormente.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 3.

(10) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 3. Marco teórico En este capítulo se darán algunos conceptos básicos sobre toxicidad en cuerpos de agua, análisis de riesgo por toxicidad ambiental y un análisis de los contaminantes químicos y biológicos que pueden presentar riesgo para la salud al ingresar a los sistemas de distribución de agua potable. Igualmente se plantearán algunos conceptos básicos sobre la modelación de tóxicos en agua y su aplicación en los módulos de calidad del agua en algunos programas computacionales. En el campo del análisis de riesgo ambiental, el término "peligroso" define la capacidad de una sustancia de producir efectos adversos en los organismos, y el término "riesgo" describe la probabilidad de que, en una situación dada, una sustancia peligrosa produzca un daño. Se dice que una persona se puso en "riesgo" cuando está expuesta a un "peligro" y la magnitud del riesgo es una función de la peligrosidad de la sustancia y de la magnitud de la exposición. Riesgo = f (Exposición, Peligro) Para que exista un riesgo es necesario que se esté expuesto a una sustancia y que esta exposición represente un peligro para la salud (toxicidad). Se necesitan tanto el peligro como la exposición, si alguno de ellos es igual a cero entonces no hay riesgo. La toxicidad es una medida del peligro inherente de la sustancia. Teniendo en cuenta este análisis preliminar de la toxicidad como parte del riesgo, se presentarán en el siguiente numeral los conceptos básicos de estos dos términos cuando se encuentran asociados a un sistema de distribución de agua potable. El análisis de riesgo servirá en este caso para: • • • •. Identificar y evaluar los problemas ambientales y de salud producidos por la realización de actividades peligrosas y el manejo de sustancias tóxicas. Comparar tecnologías nuevas y tradicionales que se usan en la determinación de la efectividad de los diferentes controles y técnicas de mitigación diseñadas para reducir riesgos. Localización de instalaciones potencialmente peligrosas. Selección de prioridades entre las posibles alternativas de acción para establecer secuencias de ejecución de acciones correctivas y/o de elaboración de reglamentos ambientales.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 4.

(11) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. 3.1.. MIC-2003-II-43. Conceptos de toxicidad y evaluación de riesgos. El término toxicidad se empleará en este documento cuando se discuta la contaminación de un suministro de agua con la intención de crear un grave riesgo para la salud. Toxicidad es la capacidad que tienen un contaminante (químico o biológico) de causar daño cuando se introduce al cuerpo de agua. El grado de toxicidad varía de acuerdo con la concentración del contaminante requerido, como para causar daño, a la velocidad con que el daño se produce, y a la gravedad del mismo. El efecto que produce un contaminante tóxico una vez añadido al suministro de agua depende de varios factores. Primero, puede variar tanto el monto del contaminante como el volumen del agua suministrada. En general, se requieren mayores cantidades de un contaminante para que éste llegue a ser tóxico en un suministro de agua de mayor volumen. Segundo, puede variar la solubilidad del contaminante. Mientras más soluble sea la sustancia en el agua tendrá mayores probabilidades de causar problemas. Y, finalmente, puede variar el período de retención del contaminante en el agua. Muchos agentes biológicos, por ejemplo, morirán antes de que puedan originar algún problema en el suministro de agua. Generalmente, los términos agudo y crónico se emplean para describir a los agentes tóxicos y sus efectos. Un agente tóxico puede causar daño rápidamente. Cuando el contaminante origina alguna enfermedad en segundos, minutos u horas, después de una sola exposición o dosis, se le considera un agente tóxico agudo. Un agente crónico causa daño luego de un prolongado período de exposición. Habitualmente, el contaminante se ingiere en repetidas dosis durante un período de días, meses, o años. En la presente investigación se hará énfasis en los contaminantes tóxicos agudos, que son los que representan un mayor impacto sobre la población en caso de presentarse un suceso de vertimiento accidental o deliberado. A partir del estudio de la relación que existe entre la dosis contactada por un organismo y la magnitud de la respuesta tóxica se llega a la estimación de los índices toxicológicos que son una medida de la peligrosidad de una sustancia. Este parámetro es el que se usa para estimar los riesgos en la población expuesta a los tóxicos, que se encuentran en los distintos medios que constituyen el ambiente de una determinada población que, habita, trabaja o hace otros usos de un sitio contaminado.. 3.1.1. Dosificación efectiva Cuando se determina la dosificación efectiva de un contaminante (monto del contaminante requerido para causar el daño) deben tenerse en cuenta los siguientes hechos. • • •. Cantidad o concentración del contaminante; Tiempo de exposición al contaminante; Forma física del contaminante (tamaño de la partícula: estado físico: sólido, líquido, gaseoso, etc.);. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 5.

(12) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. • • •. MIC-2003-II-43. Atracción del contaminante hacia el organismo que es contaminado; Solubilidad del contaminante en el organismo; Sensibilidad del organismo al contaminante.. La concentración de un contaminante puede expresarse de dos formas. Una de estas es la Concentración Máxima Permisible (CMP) que es la concentración máxima del contaminante permitido en el agua potable. La Tabla 3-1 y la Tabla 3-2 enumeran varios contaminantes y sus valores admisibles, en condiciones normales y condiciones de emergencia, según el Decreto 475 de 1998 por el cual se expiden normas técnicas de calidad de agua potable para Colombia. No deben confundirse las CMP con la concentración requerida para lograr un efecto agudo sobre la población. La dosis letal 50 (DL50), otra forma de expresar la concentración, representa la concentración de un contaminante que producirá el 50% de muertes en una exposición promedio. Tabla 3-1 Criterios para elementos y compuestos químicos, diferentes a los plaguicidas y otras sustancias, que al sobrepasar los valores establecidos tienen reconocido efecto adverso en la salud humana. CARACTERÍSTICAS. EXPRESADAS COMO. Aluminio Al Antimonio Sb Arsénico As Bario Ba Boro B Cadmio Cd Cianuro libre y disociable CNCianuro total CNCloroformo CHCl3 Cobre Cu Cromo Hexavalente Cr+6 Fenoles totales Fenol Mercurio Hg Molibdeno Mo Níquel Ni Nitritos NO2 Nitratos NO3 Plata Ag Plomo Pb Selenio Se Sustancias activas al azul de ABS metileno Grasas y aceites – Trihalometanos Totales THMs Fuente: Artículo 8, Decreto 475, Ministerio de Salud 1998. VALOR ADMISIBLE mg/L 0.2 0.005 0.01 0.5 0.3 0.003 0.05 0.1 0.03 1.0 0.01 0.001 0.001 0.07 0.02 0.1 10 0.01 0.01 0.01. VALOR ADMISIBLE EMERGENCIAS mg/L 2.0 0.02 0.05 1.0 1.0 0.005 0.1 0.2 0.7 0.025 2.0 0.01 0.002 0.2 0.1 1.0 10 0.05 0.02 0.015. 0.5. 0.7. Ausente 0.1. Ausente ≤1.0. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 6.

(13) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Tabla 3-2 Concentración máxima admisible para plaguicidas y otras sustancias (Artículos 11, 12 y 13, Decreto 475, Ministerio de Salud 1998) CATEGORÍA DE TOXICIDAD (Ver Tabla 3-3 y Tabla 3-4) I II III IV. Concentración máxima admisible (mg/L) 0.0001 0.001 0.001 0.01. Es importante anotar que para crear un estado de alerta por contaminación tóxica es necesario solamente introducir una dosis mínima de tóxico al sistema de suministro de agua potable que, aunque no cause problemas de salud pública, pueda ocasionar traumatismos en la correcta operación de los componentes del sistema y causar pánico entre la comunidad. Es decir, si se presentara una concentración dada de una sustancia en la masa de agua que generara olor y/o color, aunque el riesgo para la salud sea mínimo, se generaría un estado de alarma entre la población sin una causa justificada.. 3.1.2. Ingestión diaria aceptable Desde un punto de vista toxicológico clásico, un parámetro fundamental empleado en la evaluación del riesgo es la ingestión diaria aceptable, o ADI por sus siglas en inglés. El concepto de usar la ADI ha probado ser de gran ayuda en la estimación del riesgo sobre la salud humana representado por residuos de plaguicidas en alimentos y agua, de drogas y aditivos para alimentos, y de una variedad de contaminantes ambientales. Este concepto ha provisto los medios para llegar a obtener una medida de la uniformidad de la estimación en el control de regulación de sustancias químicas y de áreas problemáticas relacionadas. El cálculo del ADI incluye la estimación del NOEL (nivel de efecto no observado) a partir de observaciones de poblaciones expuestas o a partir de estudios experimentales en animales de laboratorio. Debido a que no todos los efectos observables son necesariamente dañinos, se hace frecuentemente una distinción entre el NOEL y el nivel al cual no se observa efecto adverso (NOAEL, por sus siglas en inglés). Este nivel, expresado usualmente en términos de mg/kg de peso del cuerpo, se divide por los "factores de seguridad" (algunas veces llamados también "factores de incertidumbre").. 3.1.3. Dosis de Referencia (DdR). Adaptado de Universidad de Arizona, 2001. DdR es el índice de toxicidad que más se utiliza en la evaluación de riesgos por exposición a sustancias no-cancerígenas. Es el nivel de exposición diaria que no produce un riesgo apreciable de daño en poblaciones humanas, incluyendo las subpoblaciones sensibles.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 7.

(14) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. 3.1.3.1.. MIC-2003-II-43. Derivación de DdR. La DdR se calcula con base en el NOAEL. El primer paso es obtener el valor de NOAEL de la sustancia para la vía de exposición, tipo de efecto y período de exposición para la cual se desea calcular la DdR. Se selecciona el NOAEL como base para calcular la dosis de referencia bajo el supuesto de que si se evita el efecto tóxico crítico, entonces se previenen todos los efectos tóxicos. Si no se ha determinado el NOAEL se usa el LOAEL. En algunas ocasiones, en los estudios Dosis-Respuesta se observan efectos que no son de importancia toxicológica. Estos datos no se toman en cuenta para determinar el NOAEL. Se pueden calcular varios valores de DdR para una sustancia. Se calculan diferentes DdR dependiendo de la vía de entrada del tóxico, período de exposición evaluado y de tipo de efecto agudo observado. Es decir se puede obtener el valor de la dosis de referencia para exposiciones crónicas orales (DdRco), de la dosis de referencia para exposiciones crónicas por inhalación (DdRci), de la dosis de referencia para exposiciones subcrónicas orales (DdRso), de la Dosis de Referencia para efectos sobre el desarrollo (DdRd), etc. El nivel de incertidumbre puede ser muy alto, y este índice no se puede tomar como una línea de demarcación entre una concentración tóxica y una no tóxica. La DdR se deriva a partir del NOAEL o LOAEL aplicando en forma consistente una serie de Factores de Incertidumbre (FI) y un Factor Modificador (FM). Cada uno de los FI representan un área de incertidumbre inherente a la extrapolación de los datos disponibles. Consideraciones sobre el tiempo de exposición. Las DdR crónicas (DdRc) se calculan para proteger de las exposiciones continuas durante todo el período vital. Como una guía general, este índice se utiliza para evaluar efectos no-cancerígenos por exposiciones por períodos mayores de 7 años (10% de la expectativa de vida). Las DdR subcrónicas (DdRs) son útiles para caracterizar efectos no-cancerígenos en exposiciones de corta duración, entre dos semanas y siete años. Las exposiciones de corta duración suceden cuando una actividad determinada se lleva acabo por un número limitado de años o cuando la sustancia se degrada hasta alcanzar niveles insignificantes en un lapso relativamente corto. Hay muy pocos valores de DdRs homologados como índices de toxicidad verificados. En el cálculo de DdR de desarrollo (DdRd) se obtiene evidencia referente a la potencialidad de una substancia para causar efectos adversos en organismos en desarrollo, como resultado de la exposición de cualquiera de los padres antes de la concepción, de la madre durante el período de gestación o del individuo desde el período postnatal hasta la maduración sexual. Los efectos adversos pueden incluir la muerte, anormalidades estructurales, crecimiento alterado y deficiencias funcionales. La evidencia se pondera y se le asigna a la substancia una designación de peso-de-evidencia. Se establecen tres niveles que indican el grado de confiabilidad en la información: evidencia definitiva, evidencia adecuada y evidencia inadecuada. Las categorías de evidencias definitivas y adecuadas se subdividen para indicar si la evidencia demostró que sí se producen o que no se producen efectos adversos. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 8.

(15) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Después de asignar la clasificación por peso de la evidencia, se selecciona un estudio para la identificación del NOAEL. El NOAEL se transforma, si es necesario, en dosis equivalente humana y se divide por FI similares a los descritos anteriormente. Las DdR de desarrollo están basadas en exposiciones de corta duración, porque aún una exposición única en períodos críticos (v.g., durante la gestación) puede ser suficiente para producir efectos adversos de desarrollo. 3.1.3.2.. Otros índices.. Además de las DdR se han calculado y publicado otros índices de toxicidad que se denominan HA1 y HA10 para exposiciones de corta duración. Son concentraciones de contaminantes en agua potable, a las cuales no se presentan efectos adversos si la exposición es de una duración especificada, un día o 10 días respectivamente. Estos índices de toxicidad no-cancerígena se obtienen dividiendo el NOAEL por los FI y FM adecuados. Se basan en que un niño de 10 Kg. ingiere 1 litro de agua por día y se incluye un margen de seguridad para proteger a los miembros más sensibles de la población. Los HA’s no incluyen ningún riesgo cancerígeno aún si la sustancia es un cancerígeno potencial.. 3.1.4. Cálculo de la dosis suministrada La Dosis Suministrada (DS) se calcula para todas las substancias en el punto de contacto de todas las rutas seleccionadas como significativas. Se expresa en términos de la cantidad de la sustancia (mg) en contacto con el cuerpo por unidad de masa corporal (Kg) por unidad de tiempo (día). La DS se calcula utilizando la siguiente ecuación: DS = (C.T.F.D) / (M.P) Donde: C = concentración promedio durante el período de exposición. T = tasa de contacto, la cantidad de medio contactado por unidad de tiempo. F = frecuencia de exposición. D = duración. M = masa corporal. P = tiempo de promediación. Para calcular la Dosis Absorbida (DA) se multiplica la DS por un factor de absorción. Concentraciones de exposición. La concentración de exposición C se calcula con base en los datos de muestreo ambiental. El término C es el valor del límite superior de confianza, percentil 95, del promedio aritmético de las concentraciones que son contactadas durante el Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 9.

(16) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. período de exposición. Aunque este valor puede ser menor que la concentración máxima contactada, se considera razonable ya que es poco probable que se contacte la concentración máxima durante un período prolongado. Si no se cuenta con mediciones directas de la concentración en el punto de contacto entonces se hacen estimaciones de estos valores usando los modelos de destino y transporte. Tasa de contacto. Representa la cantidad de medio contaminado contactado por unidad de tiempo o por evento. Si se dispone de datos estadísticos de tasas de contacto se debe seleccionar el límite superior de confianza percentil 90 o 95 del promedio. Si no se cuenta con información estadística, entonces se debe de seleccionar, por experiencia, un valor similar al del percentil 95. Por ejemplo, la tasa de contacto para tóxicos en el agua potable es de 2 litros por día. Este es el valor del límite superior de confianza percentil 95 del promedio de ingesta diaria de agua en adultos en Estados Unidos. En algunas ocasiones se introducen más términos en la ecuación para calcular esta cantidad. Por ejemplo en el contacto cutáneo con substancias químicas disueltas o suspendidas en agua, la tasa de contacto se estima combinando la información del área corporal expuesta, la permeabilidad de la piel a ese compuesto y el tiempo de exposición. Frecuencia y duración de la exposición. Estas dos variables se utilizan para calcular el tiempo total de exposición. Los valores que pueden tomar dependen del sitio, sin embargo es muy difícil que existan estadísticas sobre un sitio en particular. En algunas ocasiones se pueden obtener valores estadísticos nacionales. Se debe seleccionar un valor conservador para el tiempo de exposición. Por ejemplo; en algunos casos se pueden utilizar períodos de 30 años para el caso de residentes (valor esperado del tiempo de residencia en un lugar) y en otros casos, es más conveniente usar 70 años (expectativa de vida). Las frecuencias de exposición y las duraciones de las exposiciones deben de ser consistentes con las tasas de contacto seleccionadas. Si se usa una tasa de contacto basada en observaciones de largo plazo, como en el caso de contar con la tasa del consumo anual de pescado, entonces se deben calcular la tasa de contacto y la frecuencia de exposición expresada en días y en días-1. Masa corporal. Para niños se utiliza como valor de la masa corporal el valor estándar encontrado en las tablas de "peso para la edad". La exposición vitalicia se estima por un promedio ponderado por tiempo de exposiciones estimadas para todos los grupos etáreos. Cuando los contactos son, más o menos, constantes durante el período vital, como la ingesta de agua, se utiliza el valor de 70 Kg. como valor de la masa corporal. Tiempo de promediación. El tiempo de promediación seleccionado depende del tipo de efecto tóxico que se esté evaluando.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 10.

(17) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Cuando se evalúan exposiciones a tóxicos para el desarrollo, los insumos se calculan promediando sobre el período del evento de exposición. Para tóxicos agudos se promedia sobre el tiempo más corto que se conoce, en el que se puede producir un efecto, normalmente un día. Cuando se evalúan exposiciones de largo plazo a tóxicos no-cancerígenos las dosis se calculan promediando los insumos durante el período de exposición. Por ejemplo; dosis diarias crónicas o dosis diarias subcrónicas. Para cancerígenos, las dosis se calculan promediando la dosis total acumulada durante el período vital y se le llaman Dosis Diaria Vitalicia Promedio (DDVP). Esta diferencia se basa en la opinión científica actual de que los mecanismos de acción son diferentes. Se supone que el efecto de la exposición a un cancerígeno es básicamente el mismo si se tiene una exposición a una alta concentración por corto tiempo a que se tenga una exposición a baja concentración por un período prolongado. Esta suposición es menos justificable cuando las exposiciones son intensas y poco frecuentes, especialmente si la sustancia es un cancerígeno que ha mostrado que sus efectos dependen de la dosis y de la tasa. Incertidumbres. Las principales fuentes de incertidumbre en el cálculo de la DS son: • • •. La variabilidad en los datos analíticos El uso de modelos para estimar algunas variables Uso de valores supuestos para algunos parámetros.. La estimación del efecto de las incertidumbres en el cálculo de las dosis suministradas es un aspecto muy importante en la evaluación de riesgos, ya que indica el nivel de confiabilidad que se tiene en la evaluación de la exposición y pueden influir significativamente en la toma de decisión sobre intervención en un sitio.. 3.2.. Contaminantes químicos. Existen más de 11 millones de sustancias químicas conocidas por el hombre, de las cuales entre 60000 y 70000 son de uso regular (United Nations Environment Programme, 1992). Más aun, 600 nuevas sustancias químicas entran en el mercado cada mes (Doyle CJ, Upfal MJ, Little NE., 1990). El precio de tanto progreso industrial es la exposición potencial de un público, cada vez más informado, a los peligros químicos en el ambiente. Son particularmente preocupantes las exposiciones severas que siguen a los incidentes químicos. Tales incidentes pueden ocurrir: • • • •. En industrias que manejen, almacenen o produzcan químicos; Durante el transporte de químicos por carretera, ferrocarril, tubería, mar o aire; Como el resultado de la disposición de desechos químicos; A través de actos de terrorismo químico.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 11.

(18) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 3.2.1. Características especiales de incidentes químicos Desde el punto de vista del servicio de salud del Reino Unido, los incidentes químicos presentan características especiales que deben ser tenidas en cuenta para la planeación durante incidentes mayores: • • • • • • • • • • • •. Para muchos químicos, poca o ninguna información se consigue actualmente con respecto a sus efectos sobre la salud humana. De las 70000 sustancias químicas de uso regular en el mundo hoy en día, existe toxicología adecuada solamente para 2-3% (Mukerjee M., 1995). Aún cuando la toxicología está disponible, pocas personas lo saben, por lo que el acceso a especialistas en tiempo real es crucial. Los químicos causantes de un incidente pueden ser alterados por fuego, aire, agua, reacción entre ellos y por el metabolismo humano. Las posibilidades son, por lo tanto, infinitas. Las víctimas de un incidente químico se pueden presentar con niveles muy diferentes de efectos en la salud, dependiendo de las rutas y duración de la exposición y de las susceptibilidades del individuo. Solo un pequeño número de antídotos están disponibles. Un listado preparado por la OECD abarca solo 26 antídotos (Organisation of Economic Cooperation and Development, 1994). El personal de servicio de salud puede estar en riesgo por contacto con víctimas contaminadas químicamente. La capacidad de los hospitales para manejar víctimas es limitado. El mal manejo de las primeras víctimas puede esparcir la contaminación y colocar los planteles fuera de acción. Los hospitales y las carreteras que conducen a ellos pueden estar localizados sobre la ruta de un contaminante. Poblaciones dispersas pueden afectarse a través de la contaminación del suministro de agua o la cadena alimenticia. Los incidentes causan temor y algunas veces pánico en la población, lo cual puede incrementar dramáticamente el número de remisiones a los hospitales y doctores, y abarrotar de llamadas las líneas del Sistema Nacional de Salud. El interés público, así como el del personal responsable, se puede extender más allá de la fase aguda hasta los efectos potenciales a largo término sobre la salud humana, tales como cáncer y malformaciones congénitas, y fenómenos psicosomáticos.. De acuerdo con la FAO (Organización para la comida y la agricultura de las Naciones Unidas) los compuestos tóxicos pueden ser clasificados de acuerdo con la Tabla 3-3 y la Tabla 3-4. El Ministerio de Salud de Colombia adoptó esta clasificación para su uso en la regulación de pesticidas a nivel nacional.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 12.

(19) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. Tabla 3-3 Clasificación toxicológica de los productos fitosanitarios CATEGORÍA DE TOXICIDAD. FORMULACIÓN LÍQUIDA DL50 FORMULACIÓN SÓLIDA DL50 AGUDA* AGUDA* ORAL DERMAL ORAL DERMAL Ia <20 <40 <5 <10 Ib 20-200 40-400 5-50 10-100 II 200-2000 400-4000 50-500 100-1000 III 2000-3000 >4000 500-2000 >1000 IV >3000 >2000 * DL50: Dosis Letal 50 es la cantidad de tóxico que se requiere para matar el 50% de una población de animales en condiciones de laboratorio (ratas y conejos) a las 24 horas de su aplicación. Se expresa en mg de tóxico/Kg de peso corporal. Cuanto mas baja es la DL50, mas tóxica es la sustancia. Fuente: International Programme on Chemical Safety (United Nations Environment Programme; International Labour Organization; World Health Organization); The WHO recommended classification of pesticides by hazard and guidelines to classification 2000-2002.. Tabla 3-4 Bandas, símbolos y leyendas según categorías toxicológicas CATEGORÍA DE TOXICIDAD Ia. BANDA DE COLOR. LEYENDA. extremadamente tóxico peligro veneno Ib Roja altamente tóxico peligro II Amarilla moderadamente tóxico veneno III Azul no lleva ligeramente tóxico cuidado IV Verde no lleva probablemente sin riesgo de toxicidad Fuente: International Programme on Chemical Safety (United Nations Environment Programme; International Labour Organization; World Health Organization); The WHO recommended classification of pesticides by hazard and guidelines to classification 2000-2002.. 3.3.. Roja. SÍMBOLO Calavera con dos tibias cruzadas. Contaminantes biológicos. El potencial envenenamiento de una red de distribución por agentes biológicos se puede asociar, principalmente, a actos de terrorismo que busquen causar pánico entre la población y, en el peor de los casos, la intoxicación o muerte de un gran número de personas. La característica principal de los agentes biológicos es su habilidad para multiplicarse en un receptor durante el tiempo. Su agresividad potencial está basada en esta característica. Las enfermedades que pueden causar resultan de una interacción multifactorial entre el agente biológico, el receptor (incluyendo la constitución genética más reciente, estado nutricional e inmunológico de su población) y el ambiente (p.e. higiene, temperatura, calidad del agua y densidad de la población). Las consecuencias del empleo de agentes biológicos para causar enfermedades reflejarán estas complejas interacciones. Los agentes biológicos son comúnmente clasificados de acuerdo a su taxonomía, generalmente hongos, bacterias y virus. Tal clasificación es importante para los servicios médicos por sus implicaciones en la detección, identificación, profilaxis y tratamiento. Los Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 13.

(20) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. agentes biológicos también pueden ser caracterizados por sus rasgos intrínsecos, específicamente infectividad, virulencia, letalidad, patogenícidad, período de incubación, modo de transmisión y estabilidad (las definiciones provienen del Diccionario de Epidemiología, 2001), los cuales influyen en su potencial uso como armas. La infectividad de un agente refleja su capacidad de entrar, sobrevivir y multiplicarse en un receptor, y puede ser expresada como la proporción de personas expuestas a una dosis dada que resultaron infectadas. La virulencia es la severidad relativa de la enfermedad causada por un microorganismo. Puede ser cuantificada como la relación entre el número de casos clínicos con el número de receptores infectados. Diferentes variedades del mismo microorganismo pueden causar enfermedades de diferente severidad. La letalidad refleja la habilidad de un agente para causar la muerte de la población afectada. La relación casos-fatalidades (p.e. la proporción de casos clínicos reconocidos de una enfermedad específica que mueren como resultado de dicha enfermedad en un tiempo dado) provee información muy útil para el manejo de estos casos. La patogenicidad refleja la capacidad de un microorganismo para causar enfermedades, y se mide como la tasa del número de casos clínicos sobre el número de personas expuestas. El período de incubación es el tiempo que transcurre desde la exposición al agente infeccioso hasta la primera aparición de los signos y síntomas de enfermedad asociados con la infección. Este valor se ve afectado por muchas variables como la dosis inicial, virulencia, ruta de entrada, velocidad de replicación, y estado inmunológico del receptor. Para aquellas infecciones que son contagiosas, una medida de su contagiosidad es el número de casos secundarios que siguen a la exposición a un caso primario en relación con el número total de contactos secundarios susceptibles. Los mecanismos de transmisión pueden ser directos o indirectos. La estabilidad es otra característica clave de los agentes biológicos. Se refiere a la habilidad del agente para sobrevivir a la influencia de factores ambientales tales como el Cloro aplicado al agua potable.. 3.4.. Modelación de sustancias tóxicas en agua. Un sistema de distribución de agua, bien sea de una pequeña comunidad o de una gran ciudad, tiene cuatro componentes básicos, como se muestra en la Figura 3-1. Estos componentes son: •. Las fuentes de agua. Dentro de estas se incluyen aguas tratadas en otros sistemas de tratamiento y agua cruda de pozos profundos y/o fuentes superficiales.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 14.

(21) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. • • •. MIC-2003-II-43. Las plantas de tratamiento. El agua cruda se transporta a una planta de tratamiento donde se remueven contaminantes naturales o artificiales con el fin de producir agua potable. El almacenamiento. El agua tratada es almacenada en tanques de gran tamaño (embalses) con el fin de mantener las presiones aguas abajo y cortar los picos de caudales en las plantas de tratamiento. La distribución. En el sistema la presión se mantiene mediante bombas hidráulicas y tanques elevados.. POZO LÍMITES DE VULNERABILIDAD POZO. TRATAMIENTO SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN. ALMACENAMIENTO. SISTEMA LOCAL DE TRATAMIENTO. Figura 3-1. Esquema de los sistemas de distribución de agua potable Para comprender de una manera adecuada el comportamiento del agua y de las sustancias que viajan con ella en estos sistemas de distribución de agua potable es necesario llevar a cabo su modelación matemática, tanto de la parte hidráulica como de la calidad del agua. Estas herramientas son muy útiles para plantear posibles escenarios y evaluar el comportamiento de la red de distribución permitiendo realizar planes de acción en casos de emergencia. Algunas de las ventajas que se tienen al utilizar los programas computacionales desarrollados para el análisis de calidad del agua en redes de distribución de agua potable como una herramienta para examinar el riesgo por la introducción de sustancias tóxicas en estos sistemas son las siguientes (Haestad Methods): •. Permiten simular ataques potenciales y alteraciones al sistema de agua y usar los resultados para evaluar los puntos vulnerables del sistema, desarrollar planes de respuesta e identificar las actualizaciones de seguridad.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 15.

(22) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. • • • • • •. MIC-2003-II-43. Permiten seleccionar las válvulas apropiadas que deben ser cerradas para aislar la contaminación y desarrollar estrategias eficientes para el lavado de la red. Realizan una simulación de la propagación y concentración de contaminantes naturales, accidentales e intencionales. Determinan la confiabilidad del sistema en condiciones desfavorables tales como fallas de suministro de energía eléctrica o roturas de tuberías, y simulan las fallas de fuentes críticas de agua en el sistema. Identifican cual será la población afectada por el evento de contaminación. Permiten responder a las emergencias en tiempo real, prediciendo la influencia de los eventos de crisis y evaluando los impactos de las posibles acciones correctivas. Facilitan la priorización de las inversiones en infraestructura de protección teniendo en cuenta que tan críticos son los componentes del sistema a la funcionalidad y seguridad del sistema de agua.. Según Hardin y Walski (2000) los requerimientos para el análisis de calidad del agua en redes de distribución dependen del tipo de aplicación. Ellos afirman que generalmente la aplicación de modelos de calidad del agua cae dentro de tres categorías: •. •. •. Planeación / diseño: Estos estudios definen la configuración del sistema, tamaño y ubicación de estructuras, o definen modos de operación a largo plazo. Proveen una perspectiva a largo plazo pero, bajo las prácticas actuales, utilizan escenarios cortos hipotéticos basados en las condiciones iniciales representativas y condiciones de operación. En principio, la distribución estadística de las condiciones del sistema debería ser una consideración importante, pero en la práctica la variabilidad sólo se considera por el análisis con la intención de representar las peores condiciones. Operaciones: Estos estudios a corto plazo analizan un escenario que se espera que ocurra en el futuro inmediato de manera que se tomen decisiones operacionales inmediatas. Éstos están basados en condiciones actuales del sistema y condiciones de operación esperadas. Estos análisis casi siempre son inducidos por regulaciones. Forense: Estos estudios son utilizados para acoplar la presencia de contaminantes al riesgo o actual ocurrencia de enfermedades. Dependiendo de si el objetivo es modelar en términos de exposición aguda o crónica, el estudio puede adoptar una perspectiva a corto o largo plazo, respectivamente. Aral, et. al (1996) definen algunos de los objetivos de los estudios de argumentación: 1) identificar la población en riesgo de peligros ambientales, 2) llevar a cabo estimaciones de exposición de poblaciones susceptibles, 3) identificar áreas para el foco de educación pública sanitaria o ayuda comunitaria y 4) identificar el objetivo y controlar a la población para estudios de salud. Puesto que frecuentemente existen relaciones dosis/respuesta y estados de latencia en la etiología de la enfermedad, una consideración explícita de la distribución espacial, registros de tiempo, frecuencia, duración y nivel de contaminación son importantes para este tipo de estudios. Sin embargo, los estudios publicados se han enfocado primordialmente en definir la extensión espacial de la contaminación y se han basado muchas veces en reglas de oro, modelos de estado estable o modelos dinámicos a corto plazo (Rodenbeck y Maslia, 1998; Aral, et. al., 1996; Webler y Brown, 1993).. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 16.

(23) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 3.4.1. Evolución de las técnicas de modelación Los modelos de calidad del agua han evolucionado para alcanzar los requerimientos mencionados en el numeral anterior. Los primeros modelos de calidad del agua trabajaban con los datos de salida de modelos hidráulicos de estado estable (Wood, 1980). Códigos cada vez más sofisticados, incluyendo modelos de calidad del agua independientes, fueron desarrollados en los 80’s (Males, et. al., 1985; Clark, et. al., 1984) acompañados por los primeros modelos que podían simular condiciones variables en el tiempo introducidos a finales de los 80’s (Grayman, et al., 1988; Clark, et al., 1986). La mayoría de estos modelos usaban la aproximación de “simulación en período extendido” (EPS por sus siglas en inglés, Extended – Period – Simulation), la cual consiste de una serie de soluciones secuenciales de estado estable, cada una representando un paso de tiempo y utilizando los resultados de la solución anterior como su condición inicial. Estos modelos son cuasidinámicos, puesto que no simulan los efectos inerciales debidos a los cambios bruscos de velocidad. Sin embargo éstos simulan la reversión del flujo y la reactividad de los constituyentes, y rastrean las condiciones en los tanques. Modelos completamente dinámicos y modelos que tienen en cuenta la dispersión han sido desarrollados (Axworthy y Karney, 1996; Islam y Chaudry, 1998), pero la simulación a período extendido es actualmente la técnica más avanzada que es actualmente utilizada para aplicaciones prácticas. Se puede obtener una comprensión considerable del comportamiento de la calidad del agua en un sistema de distribución a través del uso de análisis de estado estable. Sin embargo, los modelos de estado estable se quedan cortos para cumplir los requerimientos mencionados anteriormente. Los análisis EPS se acercan más a cumplir estos requerimientos. No obstante, de la manera como son aplicados actualmente, fallan por no capturar completamente los resultados de la variabilidad cíclica y aleatoria del uso del agua y las decisiones operacionales. Los análisis de largas series de tiempo de la calidad del agua son simplemente una extensión del análisis cuasi-dinámico EPS para cubrir un período de semanas, meses o años. La realización de tales análisis requiere solamente cambios modestos a los códigos del modelo. Más sustancial es el esfuerzo adicional requerido para ensamblar datos de entrada y procesar las salidas para obtener una información clara y accesible acerca del sistema. Entre los paquetes informáticos para modelación en redes de distribución de agua potable más utilizados en el mercado europeo se encuentran LICWATER, producto Danés desarrollado por LicConsult, PICCOLO desarrollado por Safege en Francia y, recientemente sacado al mercado, ODULA desarrollado por Hydroinform en República Checa; MIKE NET es un producto desarrollado por DHI (Danish Hydraulic Institute) que utiliza el programa EPANET para el cálculo hidráulico y de calidad de agua. En Colombia y en Latinoamérica los programas computacionales más conocidos son EPANET, desarrollado por la agencia para la protección ambiental de Estados Unidos (U.S. E.P.A.) y Watercad desarrollado por Haestad Methods en este mismo país. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 17.

(24) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 3.4.2. Partición sólido-líquido de los contaminantes tóxicos. En la modelación convencional de calidad del agua, es decir la modelación de calidad en aguas superficiales, las sustancias tóxicas deben ser tratadas con dos concentraciones divididas, que corresponden a las fases particulada y disuelta. La principal razón para la partición líquido-sólido es producir una caracterización mecanística más exacta del balance de masa del tóxico. Particularmente se sabe que varios mecanismos claves actúan selectivamente en una o en otra de las dos formas. Por ejemplo la volatilización actúa sólo en la fracción disuelta. Recíprocamente la sedimentación actúa únicamente sobre la fracción asociada a las partículas. La partición sólido-líquido que es modelada en aguas superficiales puede ser obviada en los sistemas de distribución de agua potable, debido a las bajas concentraciones de material orgánico particulado presentes en estos sistemas. Sin embargo, para situaciones extraordinarias donde se presente una elevada concentración de carbono orgánico, esta situación debe ser tenida en cuenta. Por otro lado, la presencia de carbono orgánico disuelto (COD) involucra la presencia de una fracción del contaminante asociada a esta fase. También sería importante tener en cuenta esta partición debido a la gran cantidad de biopelícula que puede estar adherida a las paredes de las tuberías, biopelícula que estaría compuesta principalmente por carbono orgánico asociado a la biomasa. En el caso de redes de distribución de agua potable la volatilización podría aplicarse únicamente a los tanques de almacenamiento o embalses, ya que las tuberías de distribución, por ser un sistema presurizado, no presentan una interfase líquido gas para que se presente este fenómeno. Teniendo en cuenta estos factores se puede concluir que para los tanques de almacenamiento se deben corregir las constantes de decaimiento para tener en cuenta los efectos de volatilización y de posible sedimentación del material tóxico asociados a la fase disuelta y particulada, respectivamente. Por último, la sedimentación en las redes de distribución puede llegar a ser un factor de dispersión importante para los tóxicos asociados al material particulado y para las sustancias que se encuentran en concentraciones superiores al valor de solubilidad, especialmente en los casos donde se presentan bajas velocidades de flujo en las tuberías de la red, p.e. en las noches y la madrugada. En general, los módulos de calidad del agua investigados mediante el presente trabajo no tienen en cuenta los efectos mencionados y pueden estar entregando concentraciones que diferirían considerablemente de las que se encontrarían en un sistema de distribución de agua potable real, donde la dispersión longitudinal es importante para bajas velocidades.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 18.

(25) Utilización de los modelos de calidad en redes de distribución de agua potable para evaluar el riesgo por introducción de sustancias tóxicas.. MIC-2003-II-43. 3.4.3. Hidrólisis de pesticidas Órgano-Fosforados. Con la excepción de algunas sustancias inorgánicas y elementales, ningún químico es inerte en el medio ambiente. Una de las principales ventajas aducidas para los pesticidas basados en el Carbamato y Órgano-Fosforados, a diferencia de los materiales Órgano-Clorados como el DDT y Dieldrín, es la habilidad de los primeros para descomponerse en sólo horas o días después de su aplicación, en contraste con los meses o años que se demoran los segundos, además de la elevada toxicidad de los primeros que los hace potencialmente peligrosos en el caso de ingresar a una red de distribución. La descomposición puede llevarse a cabo químicamente o fotoquímicamente en el ambiente, o biológicamente a través del metabolismo de planta, microorganismos o animales. Adicionalmente, la mayoría de la descomposición es debida a la oxidación, reducción, hidrólisis o afines. Entre los Órgano-Fosforados y los Carbamatos, la oxidación y la hidrólisis son las reacciones químicas ambientales más comunes. La lluvia, el vapor de agua atmosférico, la humedad del suelo y el aire actúan como reactivos o catalizadores. En algunos casos la luz solar provee energía que causa que las reacciones ocurran más rápido de lo que sucederían en la oscuridad. Para predecir la estabilidad ambiental se realizan ensayos simples de laboratorio para determinar la velocidad de hidrólisis en soluciones acuosas diluidas. La desaparición de un químico por este fenómeno tiene, al menos, una relación indirecta sobre la persistencia ambiental en aguas y suelos, y esto podría tener un impacto sobre la tecnología de formulación y los procedimientos de almacenamiento. Más aun, en casos de derrames provocados o accidentales de estas sustancias, la hidrólisis bajo varias condiciones ofrece una manera conveniente de descontaminación. Un Órgano-Fosforado común, tal como el Paratión, se hidroliza en medio básico siguiendo uno de los siguientes mecanismos:. Figura 3-2. Hidrólisis de Paratión El enlace P-S puede oxidarse al Oxígeno análogo, el cual es rápidamente hidrolizado; o el compuesto P-S puede experimentar hidrólisis directa, pero a una velocidad menor. El compuesto escogido para el ejemplo fue el Paratión por ser uno de los pesticidas ÓrganoFosforados más estable y tóxico en el ambiente y de mayor utilización para el control de plagas.. Universidad de los Andes – Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Magíster en Ingeniería Civil. 19.