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TEMA 4: TRANSPORTE Y DIFUSIÓN DE CONTAMINANTES EN LAS 
AGUAS NATURALES 
 
 
 
1. INTRODUCCIÓN 
 
Los contaminantes del agua en la Hidrosfera son introducidos en los depósitos 
acuosos por diversas vías: bien directamente por vertidos a ríos, lagos o mares, 
relacionados con la actividad del hombre en las zonas limítrofes; bien desde la 
atmósfera, por medio de las precipitaciones o por la acción de los vientos; por 
infiltración desde los suelos contaminados por la actividad agrícola e industrial, hasta 
las aguas subterráneas. 
 
Una vez en los grandes cuerpos de agua, los contaminantes sufrirán una serie de 
procesos físicos y químicos que permitirán, por un lado, su distribución en extensas 
áreas y a zonas muy alejadas del punto de entrada, y por otro lado, su posible 
transformación en otros compuestos que en ocasiones pueden llegar a ser más 
peligrosos, desde el punto de vista ambiental, que los compuestos originales. En el 
primer caso se verán implicados una serie de procesos físicos de transporte, mezcla, 
difusión y dispersión de los contaminantes, mientras que en el segundo caso actuarán 
procesos químicos y biológicos como la fotodegradación, la degradación bacteriana, los 
procesos redox, los procesos de precipitación-disolución, los procesos de complejación, 
etc., que ya han sido abordados en el Tema 2. En el presente tema trataremos de 
acercarnos a las características y mecanismos relacionados con los procesos físicos del 
transporte y dispersión de los contaminantes en el medio acuático. 
 
 
 
 
 
 
 
2. PROCESOS DE TRANSPORTE DE CONTAMINANTES 
 
2.1 El Ciclo del Agua 
 
La Tierra está formada por una serie de capas (atmósfera, hidrosfera, litosfera y 
biosfera) perfectamente diferenciadas, pero interconectadas e interrelacionadas, que en 
su conjunto determinan el medio ambiente donde se desarrollan las diferentes 
actividades del hombre y el resto de los seres vivos. La Hidrosfera constituye el 
conjunto de depósitos y reservorios de agua distribuidos por toda la superficie del 
planeta, junto con sus diferentes vías de interconexión. Formarían parte de esta capa 
depósitos tales como los diferentes mares y océanos (97,2% del total), casquetes polares 
y glaciares (2,15% del total), aguas subterráneas (acuíferos, 0,63% del total), aguas 
dulces superficiales (ríos y lagos, 0,019% del total) y agua atmosférica (0,001% del 
total). El agua no permanece estacionaria en esos depósitos indefinidamente, sino que 
circula de unos a otros mediante un conjunto de procesos (evapotranspiración, 
precipitación, infiltración, escorrentías, …) que en conjunto constituyen el denominado 
Ciclo del Agua. 
 
2.2 Los Procesos de Transporte y Difusión 
 
Cuando un material es introducido en una masa de agua, se ve sometido a una serie 
de procesos que implican su traslado de un punto a otro del cuerpo de agua, o bien su 
mezcla y dispersión en el seno del cuerpo de agua. Así, por ejemplo, si el agua está 
dotada de movimiento, bien en horizontal o bien en vertical, somete a dicho material a 
un transporte que lo desplazará por diferentes puntos del cuerpo acuoso. En este sentido 
podremos distinguir tres clases básicas de transporte: la advección, que es el transporte 
inducido por una corriente de agua; la convección, que es el transporte vertical inducido 
por una inestabilidad hidrostática; y el corte, que es el transporte inducido por 
variaciones espaciales de la velocidad del agua, como sucede con los cambios de 
velocidad con la profundidad en los estuarios. Por otro lado, a nivel microscópico, las 
partículas de un material en el seno del agua pueden propagarse en todas las direcciones 
según dos modelos: por difusión molecular, que consiste en la propagación por efecto 
de movimientos moleculares aleatorios, o por difusión turbulenta, que consiste en la 
propagación aleatoria de partículas por efecto del movimiento turbulento del agua. 
 
El proceso de dispersión consiste en la propagación de partículas o contaminantes 
por efecto combinado de procesos de corte y difusión. Por último, el proceso de mezcla 
consiste en cualquiera que pueda producir la unión de un volumen de fluido con otro o 
la dilución por otro. 
 
Si nos ceñimos exclusivamente al transporte por advección, el más importante por la 
naturaleza del ciclo del agua y de los procesos a él asociados, con la circulación entre 
los diferentes depósitos de la hidrosfera, el agua puede ejercer este transporte por tres 
vías distintas: arrastre, suspensión y disolución. El proceso de arrastre consiste en el 
transporte irregular de partículas, desplazándose por el fondo del cauce, o a saltos más o 
menos discontinuos en función de las irregularidades del fondo y de las posibles 
turbulencias generadas. El proceso de transporte en suspensión consiste en el 
desplazamiento de partículas que flotan durante largos periodos en el seno del agua, 
mientras no cambie algún factor que las haga depositarse en el fondo. Por último, el 
proceso de transporte en disolución, consiste en la incorporación de sustancias al seno 
del agua a niveles atómicos o moleculares, de forma que la sustancia no se deposita si 
no cambia las condiciones físico-químicas (pH, T, S, …) del medio. En los dos 
primeros casos el agua actúa sobre partículas de sustancias insolubles, y en el tercer 
caso sobre partículas de sustancias solubles, estableciéndose la distinción entre los tres 
procesos en función del tamaño de las partículas de soluto involucradas, ya que 
condiciona en gran medida su comportamiento en el seno del agua. Por ejemplo, la 
materia en suspensión y coloidal está formada por material insoluble de tamaño 
comprendido entre 0,01 y 200 µm, pudiendo dividirse a su vez entre el material capaz 
de formar suspensiones estables incluso en agua en reposo, y el material que forma 
suspensiones cuando el agua está en movimiento. La materia con partículas de menos de 
0,01 µm se clasifica como materia disuelta, mientras que la materia con partículas de 
más de 200 µm sólo se encuentra en suspensión cuando el agua fluye a elevadas 
velocidades. 
 
En función de la velocidad de la corriente, el movimiento de una partícula en el seno 
del agua puede cambiar del arrastre a la suspensión y viceversa. Dicho de otra forma, 
para que una partícula sea llevada en suspensión por una corriente de agua es necesario 
que ésta última lleve una determinada velocidad, en función del tamaño de las 
partículas. En el transporte en suspensión las partículas flotan, y excepto para las de 
tamaño coloidal, el transporte depende de factores tales como la velocidad, la 
turbulencia, las variaciones de caudal o la temperatura. Así, para un tamaño de partícula 
determinado, la cantidad de materia en suspensión depende del grado de turbulencia, y 
viceversa, para una misma turbulencia, depende del tamaño de las partículas. Por este 
motivo, el transporte en suspensión se ve favorecido por las irregularidades del fondo, 
porque producen turbulencias que mantienen las partículas en suspensión. Si la 
velocidad de la corriente disminuye, una misma partícula pasará del transporte en 
suspensión al transporte por arrastre, y se irá produciendo la deposición de los 
sedimentos en función del tamaño de las partículas. Las partículas coloidales no siguen 
este comportamiento, puesto que pueden permanecer en suspensión independientemente 
de la velocidad de la corriente, hasta que se produzca la floculación. En cuanto a la 
temperatura, la capacidad de transporte de la materia en suspensión en el agua 
disminuye al aumentar la temperatura. 
 
 
3. EL TRANSPORTE DE MATERIALES EN LOS OCÉANOS 
 
El océano mundial actúa como un sistema químico gigante, integrado en los ciclos 
biogeoquímicos que controlan el movimiento y el papel de los diferentes materiales en 
el planeta. En ese sentido, el océano se constituye en un depósito a gran escala de los 
diferentes materialesoriginados en otras geosferas. Los materiales van a alcanzar los 
mares y océanos siguiendo una serie de vías de fuente a sumidero, que están 
constituidas por un número de estados individuales pero interrelacionados, y que serían: 
- Estado 1, la fuente, o el proceso de liberación inicial de material al medio. 
- Estado 2, el transporte, que implica la introducción del material al depósito 
oceánico. 
- Estado 3, reactividad interna, o procesos biogeoquímicos que operan en el 
depósito oceánico. 
- Estado 4, el sumidero, o eliminación del material del depósito oceánico. 
 
A continuación estudiaremos ciertas características relevantes de algunas de estas 
etapas del proceso de acceso y eliminación de materiales a los océanos. 
 
3.1 Las Fuentes de Materiales: 
El reservorio oceánico está sujeto a una serie de flujos de material que se desarrollan 
por diversas vías de transporte, como los inputs fluviales, de precipitación, eólicos o 
glaciares. Con respecto a los aportes de materiales contaminantes, podemos destacar 
como principales mecanismos de aporte a las descargas fluviales, las deposiciones 
atmosféricas y los diversos aportes antropogénicos directos. 
- Las descargas fluviales aportan material particulado y disuelto a la superficie 
oceánica, principalmente a través de los estuarios, regiones de contacto entre el 
agua del mar y el agua fluvial, caracterizadas por una intensa actividad física, 
química y biológica. 
- La deposición atmosférica aporta material particulado, en el caso de la 
deposición seca (polvo en suspensión, humo, etc.), o una combinación de 
material disuelto y particulado, en el caso de la deposición húmeda 
(precipitación de lluvia, granizo o nieve). Dicho aporte, a diferencia de las 
descargas fluviales, puede tener lugar en cualquier punto de la superficie del 
océano, aunque la señal atmosférica es más intensa en las regiones costeras 
próximas a las fuentes potenciales de material continental, como lo son los 
desiertos, por ejemplo. 
- Las vías antropogénicas de descarga de contaminantes en los océanos incluirían 
descargas costeras deliberadas (emisarios de aguas residuales, p. ej.), o 
descargas en operaciones mar adentro, desde petroleros (limpieza de tanques, p. 
ej.) u otros barcos. 
 
3.2 Los Modelos de Circulación: 
Una vez que el material ha sido liberado en los océanos, su distribución por toda la 
masa y extensión de las aguas está sometida a los sistemas de circulación marinos, o 
sistemas de corrientes. En la superficie del océano la circulación de las aguas está 
controlada principalmente por el régimen de vientos atmosféricos, por lo que, en 
similitud con la circulación atmosférica, se generan corrientes que forman grandes giros 
anticiclónicos en las zonas oceánicas situadas en latitudes subtropicales y templadas. 
Por ejemplo, en el Atlántico Norte se distingue con claridad una serie de corrientes que 
dibujan este giro anticiclónico, con corrientes ecuatoriales hacia el oeste, corrientes 
hacia el norte a lo largo de la costa este de Norteamérica (como la Corriente del Golfo) 
que posteriormente giran hacia el este para dirigirse a las costas de Europa Occidental, y 
finalmente una serie de corrientes hacia el sur y suroeste a lo largo de las costas de 
Europa y África Noroccidental (como la Corriente de Canarias) que cierran el giro 
anticiclónico. En el centro de este gran giro se sitúa una zona de relativa calma con 
escasez de circulación (el mar de los Sargazos), que suele coincidir aproximadamente 
con el centro del sistema de altas presiones del Atlántico Norte (el anticiclón de las 
Azores). 
 
 
 
 
 Este sistema de corrientes, como ya hemos comentado, juega un papel destacado en 
la distribución de materiales en los océanos, especialmente la materia en suspensión y 
los materiales orgánicos flotantes, por lo que provoca una distribución de la 
contaminación a zonas muy alejadas del foco emisor. Así tenemos el caso de los 
vertidos de petróleo en alta mar, que llegan a afectar a costas relativamente alejadas, o 
los contaminantes químicos en disolución como los pesticidas, que ejerce su acción 
sobre la fauna de ecosistemas nada cercanos al área de influencia de la actividad que los 
generó, como se ha podido constatar con las poblaciones de aves marinas en islas 
oceánicas remotas, por ejemplo. 
En las zonas profundas de los océanos se establece otro sistema de corrientes 
denominado Circulación Abisal o Termohalina, cuyo origen es muy distinto al de la 
superficie. En este caso el movimiento del agua se origina como consecuencia de unas 
diferencias de densidad entre aguas más frías y aguas más cálidas. Las aguas más frías 
tienen más densidad, por lo que por simple gravedad tienden a descender hacia el fondo 
y a extenderse por éste. Este proceso se está produciendo de manera continua en las 
zonas polares, especialmente en el Atlántico Norte, donde se inicia la circulación 
termohalina con la subsidencia de grandes masas de agua fría polar, que después se ven 
encauzadas por el fondo en dirección sur hacia el ecuador y posteriormente hacia el 
Atlántico Sur, por donde se distribuye hacia el Pacífico y el Índico. 
 
Esta circulación profunda es bastante más lenta que la superficial, con un ciclo de 
varios cientos de años, por lo que los materiales que caen hacia el fondo quedan 
atrapados en la misma por largos periodos temporales, y esto tiene bastante importancia 
en el caso de determinada contaminación, como los residuos radiactivos o los 
contaminantes persistentes, que podrían mantenerse en las zonas profundas durante años 
sin sufrir alteraciones para emerger posteriormente a la superficie y ejercer su daño a los 
sistemas vivos. 
 
3.3 La Reactividad del Agua de Mar: 
El agua del mar no es un simple reservorio estático en el que el material entrante es 
acumulado a escala de tiempo geológico, sino que más bien actúa como un reactor que 
modifica continuamente el material en unas escalas temporales que varían de unos 
elementos a otros. La fuerza conductora de la eliminación de elementos del agua marina 
a su sistema de sumidero, es la reactividad entre el material particulado y el material 
disuelto, y viceversa. Los contaminantes liberados al océano entran en el sistema de 
transporte controlado por los sistemas de circulación, tanto superficial como profunda, y 
en los diversos procesos de eliminación de tipo biogeoquímicos (fotodegradaciones, 
precipitaciones, complejaciones, etc.), siendo depositados finalmente en el sumidero 
oceánico que representan los sedimentos del fondo. De esta forma, la polución puede 
afectar al agua, la biota y los sedimentos en todo el depósito oceánico, llegando a tener 
su mayor impacto en zonas marinas costeras y marginales. 
 
 
4. PROCESOS DE MEZCLA EN ESTUARIOS Y PLATAFORMA 
CONTINENTAL 
 
Todos los procesos de mezcla y dispersión alcanzan su mayor expresión y 
significación en algunas zonas concretas de los océanos y de los ríos, como en los 
estuarios y en las plataformas continentales, porque son sitios donde se dan condiciones 
adecuadas para dichos procesos por las corrientes que en ellos se generan y por las 
turbulencias derivadas, como consecuencia de la escasa profundidad unido a la acción 
de las mareas y del viento, o por el encuentro entre las aguas dulces del río y las aguas 
marinas. 
 
4.1 Mezclas en Estuarios: 
En los estuarios los procesos de mezcla se generan al combinarse una difusión 
turbulenta a pequeña escala con las variaciones a gran escala de los fenómenos de 
advección provocados por el campo de velocidades. Simplificando mucho, se puede 
asumir que, como sucede en un río, el campo de velocidades define unas líneas de 
corriente casi estacionarias, mientras que la difusión turbulenta provoca transferencia de 
masa entre las líneas de corriente. Como el flujo en esas líneas de corriente sucede a 
diferentes velocidades, se provoca unadispersión longitudinal de las partículas. No 
obstante, la dinámica en los estuarios es más compleja, y los procesos de mezcla se ven 
inducidos por diversos agentes, destacando como los más importantes el viento, la 
marea y el río. 
- Mezcla inducida por el viento: la influencia del viento va a depender de la 
sustancia a dispersar y de la forma del estuario. En estuarios estrechos y largos 
predominará el flujo inducido por la marea, mientras que en estuarios muy 
anchos el viento puede generar corrientes importantes. 
- Mezcla inducida por la marea: la marea origina importantes procesos de mezcla 
y transporte de residuos y contaminantes, de dos formas principales, como son 
por la turbulencia generada por la fricción con el fondo al propagarse la onda, o 
por los vórtices a mayor escala originados por la interacción de la onda de marea 
con la batimetría del estuario (por ejemplo, por la presencia de bajas 
topográficas). 
- Mezcla inducida por el río: las aguas en movimiento del río inducen una 
circulación de tipo baroclínico, basada en variaciones de densidad, 
especialmente importante en estuarios con elevada estratificación de sus aguas 
(con las aguas dulces fluviales arriba y las aguas marinas saladas por debajo). 
 
4.2 Mezclas en la Plataforma Continental: 
La plataforma continental, por ser una zona de escasa profundidad, representa un 
medio con abundantes procesos naturales que facilitan la mezcla y dispersión de los 
contaminantes. En esta zona concreta del mar es donde se dejan sentir con más 
intensidad los efectos de fenómenos habituales del medio como las ondas de marea, con 
sus corrientes asociadas, o las turbulencias provocadas por el viento o por el oleaje, sin 
olvidar el efecto de la circulación general oceánica. Pero además también en esta zona 
aparecen fenómenos más exclusivos que influyen en la mezcla de materiales, como son 
las corrientes de retorno o resaca y las corrientes litorales que fluyen en las zonas de 
rompiente a lo largo de la orilla. El vertido de residuos generados por las sociedades 
humanas trata de aprovechar estos fenómenos y sus efectos para aumentar el proceso de 
dispersión y por lo tanto favorecer su dilución en el medio. El empleo de emisarios 
submarinos trata de aprovechar la dinámica generada por los chorros turbulentos y las 
plumas como el mecanismo más eficaz para una mejor dilución inicial de la carga de 
contaminación, puesto que implican la mezcla de una gran cantidad de fluido natural 
con el fluido vertido. No obstante existen numerosos factores a tener en cuenta que 
pueden alterar ese proceso de dilución e incluso pueden perjudicar zonas que queríamos 
proteger, y que deben ser estudiados minuciosamente antes de diseñar el emisario. Por 
ejemplo, si el vertido llega a la superficie de forma inmediata puede ser arrastrado hacia 
la costa por las corrientes superficiales generadas por la marea o el viento, o bien si 
existe una amplia estratificación de las aguas (por ejemplo, por diferencias de 
temperatura o densidad), el residuo puede ser arrastrado por corrientes profundas hacia 
la costa y subir a la superficie por afloramientos locales. 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. BIBLIOGRAFÍA: 
 
Fischer, H.B. y Col. “Mixing in Inland and Coastal Waters”. Academic Press, Inc. 
(1979). 
Harrison R. M. “Pollution. Causes, Effects and Control”. Roy M. Harrison Ed. (4th 
Edition, 2001). 
Riley J. P. and Skirrow G. Editors. “Chemical Oceanography. Volume 3” Academic 
Press, Inc. (1975). 
Bueno, J. L. y Col. “Contaminación e Ingeniería Ambiental. Contaminación de las 
Aguas”. F.I.C.Y.T. (1997). 
Ozmidov, R. V. “Difusión of Contaminants in the Ocean”. Kluwer Academic 
Publishers (1990).