Els estuaris sovint s'utilitzen com abocadors de productes biològics no desitjats o industrials, referits genèricament com residus. Si aquests tipus de residus que entren a l'ecosistema de l'estuari, són potencialment nocius per a la vida o tenen efectes potencialment perjudicials sobre la seva salut solen anomenar-se contaminants.
Aquest capítol tracta dels mètodes bàsics per a entendre la distribució de contaminants als estuaris. És important tenir en compte que aquests mètodes poden ser una eina de gestió i ajuda a la presa de decisions, però res més; no han de ser vistos com el punt de partida per a la presa de decisions. Si un material és un residu o no, depèn de molts factors. El que pot semblar un residu per a un individu pot constituir un valuós recurs per a un altre. Per tant, la primera consideració abans de prendre la decisió d'introduir un contaminant en un estuari, és estudiar quines altres alternatives existeixen. Les preguntes que s'han de plantejar són: Es pot posar el "residu" per un bon ús en un altre lloc, de forma que el seu abocament a l'esturari no calgui ? Si no, és una substància innòcua o un contaminant ? Si és potencialment nociva, és l'abocament al medi marí la manera més apropiada per a tractar el problema ? Els mètodes descrits aquí, llavors, poden ajudar a avaluar el cost i l'impacte ambiental de totes les maneres possibles d'abordar-ho.
La forma habitual de controlar els impactes negatius de la dispersió dels contaminants als estuaris és mitjançant el control de la seva concentració a l'aigua, i assegurar-se que la concentració no excedeixi d'un determinat nivell per sobre del qual el contaminant és nociu. Aquest problema es compon de dues parts, el camp proper i el camp llunyà. El problema més inmediat ha de considerar els detalls tècnics del disseny de l'emissari contaminant i les formes d'injectar una font puntual del contaminant a l'estuari de tal manera que la seva concentració es redueixi tan ràpidament com sigui possible. Aquesta és una tasca d'enginyeria i no pas de l'oceanografia. En una segon fase s'ha d'estudiar la distribució del contaminant a través de tot l'estuari, a partir del lloc de la deposició no com una font puntual, sinó com una font estesa de concentració uniforme per tota la profunditat i l'amplada de l'estuari. Per tant es suposa que el disseny d'enginyeria de la descàrrega de contaminants proporciona una distribució raonablement uniforme sobre una part considerable de l'estuari i utilitza aquesta situació com a punt de partida per a l'anàlisi.
Si la concentració d'un contaminant al lloc on s'introdueix a l'estuari és coneguda, la seva distribució a través de l'estuari es pot predir a partir de consideracions teòriques. Per entendre com es fa això, és útil començar fent una ullada a la distribució de sal i d'aigua dolça a l'estuari. Anem a considerar la sal com un "contaminant" i seguim el seu camí a través de l'estuari. La seva font està a la boca de l'estuari, on es dóna la concentració de salinitat oceànica $S_0$. La sal entra a l'estuari amb el moviment net d'aigua a la capa inferior. A mesura que avança per l'estuari la seva concentració disminueix a través de la difusió turbulenta, en altres paraules, la sal com a "contaminant" es dilueix amb l'aigua dolça que baixa del riu. Podem normalitzar la distribució de sal "contaminant" al llarg de l'estuari independent de la seva "concentració" original $S_0$ i definir la fracció d'aigua salada $s$ com $s = S / S_0$, on $S$ és la salinitat amitjanada localment en qualsevol lloc de l'estuari. Aquesta concentració de sal, normalitzada o fracció d'aigua salada disminueix d'1 a la boca fins 0 a l'extrem interior de l'estuari.
De forma similar, podem considerar l'aigua dolça introduïda pel riu com un "contaminant" i seguir el seu camí a través de l'estuari. La seva font és a l'extrem interior de l'estuari, quan la concentració normalitzada o fracció d'aigua fresca $f$ és igual a 1. L'aigua dolça, després es mou al llarg de l'estuari amb el moviment net d'aigua a la capa superior, arribant a una concentració zero a la boca de l'estuari. Donat que l'estuari només conté aigua salada i aigua dolça, la fracció d'aigua salada i la fracció d'aigua dolça sempre se sumen a un nivell local, que vol dir que tenim $f + s = 1$ (tingueu en compte que això és coherent amb la definició de la fracció d'aigua dolça que figura en la discussió sobre el temps de buidat del Capítol 15).
Figura 16.1
La figura 16.1 ofereix una representació gràfica de la distribució del dos "contaminants", l'aigua salada i l'aigua dolça. Un "contaminant" té l'origen a la boca de l'estuari i es difon aigües amunt, i l'altre té l'origen a l'extrem interior de l'estuari i es difon aigües avall.
No tots els contaminants s'introdueixen a l'estuari a través del riu o del mar. Abans de discutir la situació en què un contaminant s'aboca a l'estuari en algun punt arbitrari al llarg del seu litoral hem de distingir tres classes de contaminants marins. Contaminants conservatius són substàncies que són inerts en el medi marí, les seves concentracions només canvien com a resultat de la difusió turbulenta (la sal i l'aigua dolça es poden considerar exemples d'aquestes substàncies). Contaminants no conservatius que pateixen una descomposició natural; la seva concentració no només depèn de la difusió turbulenta, sinó també del temps transcorregut des de la seva introducció en el medi ambient. La concentració de contaminants no conservatius acoblats depèn de la difusió turbulenta i de la descomposició natural, les quals actuen per a disminuir la seva concentració, i sobre la disponibilitat d'altres substàncies en el medi ambient, que permeten augmentar la seva concentració amb el temps.
Figura 16.2
Un contaminant conservatiu llançat en un punt entre l'extrem interior i la desembocadura de l'estuari s'estendrà a través la difusió turbulenta en ambdós sentits, aigües avall i aigües amunt. El seu comportament difusiu no és diferent del comportament difusiu de l'aigua dolça o salada. En direcció aigües amunt es difon de la mateixa forma que l'aigua salada és difon aigües amunt, mentre que en direcció aigües avall segueix la difusió de l'aigua dolça. Si la seva concentració a la sortida és $C_{out}$, la concentració $C$ a l'estauri aigües amunt del punt d'alliberament és, doncs, proporcional a la fracció de sal, mentre que aigües avall del punt d'alliberament és proporcional a la fracció d'aigua dolça (figura 16.2).
aigües amunt: $C = c_{out} (S / S_{out})$
aigües avall: $C = c_{out} (F / f_{out})$
Aquí, $S_{out}$ és la salinitat verticalment amitjanada al lloc de sortida i $f_{out}$ la fracció d'aigua dolça al lloc de sortida. Això demostra que és possible predir la distribució d'un contaminant a tot l'estuari si la distribució de la salinitat és coneguda. L'equació suposa condicions d'estat estacionari, és a dir, l'alliberament contínu del contaminant per a concentració constant $c_{out}$.
La concentració de contaminants no conservatius disminueix, fins i tot en absència de difusió, a través de qualsevol reacció bioquímica o geoquímica. Un exemple d'aquesta situació seria la concentració de bacteris coliformes alliberats a través d'una sortida d'aigües residuals. La relació entre la concentració $C$ d'aquest contaminant, la salinitat $S$ i la fracció d'aigua fresca $f$ no és tan senzilla com en el cas de contaminants conservatius, però els nivells de concentració són sempre menors que els derivats del cas conservatiu.
Una estimació de la concentració es pot determinar mitjançant la subdivisió de l'estuari en compartiments. Si els compartiments es trien de manera que, la relació $r$ del volum d'aigua dolça $V_f$ en el compartiment i el volum d'aigua dolça $R$ introduït pel riu a l'estuari en un cicle mareal és constant ($r = V_f / R =$ constant), es pot demostrar que la concentració d'un contaminant no conservatiu es pot aproximar per una equació per a la concentració en cada compartiment:
aigües amunt: $ \quad C_p = c_{out} \dfrac{S}{S_{out}} \left(\dfrac{r}{1 - (1-r)e^{\;kT}} \right)^{n+1-p} $
aigües avall: $ \quad C_p = c_{out} \dfrac{f}{f_{out}} \left(\dfrac{r}{1 - (1-r)e^{\;kT}} \right)^{p+1-n} $
Figura 16.3
En aquesta equació els compartiments es numeren des de l'extrem interior de l'estuari, $n$ és el compartiment que conté l'emissari i $p$ és el compartiment on s'avalua la concentració. $T$ és el període de marea i $k$ la constant de decaïment per al contaminant. Quan més gran sigui $k$, més ràpida serà la disminució de la concentració en el temps. $k= 0$ representa el cas en què no hi ha una disminució independent sense difusió, o el cas d'un contaminant conservatiu. La figura 16.3 compara aquest comportament amb el d'un contaminant conservatiu. Recordeu que per $k= 0$, l'equació per a la concentració es redueix a
aigües amunt: $ C = c_{out} (S / S_{out})$
aigües avall: $ C = c_{out} (F / f_{out} )$
que és la mateixa equació que es deriva per a un contaminant conservatiu.
Figura 16.4
Els processos bioquímics o geoquímics no només redueixen la concentració d'un contaminant no conservatiu, sino que sovint donen lloc també a un augment de la concentració d'una altra substància, que al seu torn pot produir una tercera substància com a resultat del seu propi decaiment, i així successivament. Que aquesta cadena d'esdeveniments constitueixi contaminació o no, depèn del grau de perillositat de cada substància. L'amoníac, per exemple, s'utilitza com a fertilitzant al camp. En condicions naturals es converteix en nitrat (Figura 16.4) que també es considera un nutrient.
La introducció de nutrients al medi marí no constitueix automàticament una contaminació. Però quan els nitrats i altres nutrients es remineralitzen de nou al mar, el procés requereix oxigen, el qual no es troba de forma il·limitada a l'oceà. L'excés de nutrients pot conduir a una reducció dels nivells d'oxigen i la falta d'oxigen pot esdevenir una amenaça per a la vida marina. Sota aquestes circumstàncies els nutrients han de ser considerats com a contaminants. La cadena d'esdeveniments desencadenada per la seva presència és llavors un exemple d'un sistema d'acoblament de contaminants no conservatius.
La descripció de la distribució de la concentració dels contaminants no conservatius acoblats requereix la solució d'un sistema acoblat d'equacions diferencials, una tasca molt més enllà de l'abast d'aquestes notes. Un exemple hauria de ser suficient per demostrar el principi. Penseu en la possibilitat d'un emissari d'aigües residuals que introdueix efluents urbans a un estuari. La concentració de l'efluent disminueix amb el temps, a causa de l'oxidació del material orgànic. Podem expressar la quantitat d'efluents presentant-los en unitats equivalents de demanda bioquímica d'oxigen (DBO) com el contaminant principal.
Mentre que la demanda bioquímica d'oxigen disminueix a mesura que la concentració de l'efluent es redueix, el resultat és una reducció de la concentració d'oxigen a l'estuari. Una mesura apropiada de la tensió exercida sobre el subministrament d'oxigen és el dèficit d'oxigen dissolt (DOD), que expressa la quantitat de la concentració d'oxigen que cau per sota del nivell de saturació d'oxigen (el nivel més alt possible de contingut d'oxigen a la temperatura i salinitat existents). Donat que la manca d'oxigen és una amenaça per a la vida marina, el dèficit d'oxigen és llavors el segon en la cadena de contaminants acoblats.
Figura 16.5
En la figura 16.5 es mostra un exemple d'una situació en un estuari durant la dècada de 1960. El dèficit de DO produït per dos emissaris d'aigües residuals era tan alt que en algunes parts els nivells d'oxigen dissolt de l'estuari va caure per sota dels nivells considerats segurs per a la vida marina. Un estuari que éstà amenaçat d'aquesta manera no pot sostenir una gran varietat de peixos i altres formes de vida marina. Molts estuaris d'avui encara s'estan recuperant del tractament desconsiderat experimentat des de fa diverses dècades, sobretot si els abocaments de residus contenien més materials inerts, com ara metalls pesants o pesticides que s'acumulen als sediments i només poden eliminar-se per mitjans mecànics, com ara el dragatge.