MODELO DE PREDICCION DE LA CALIDAD DEL AGUA BASADO EN INDICES E INDICADORES DEL RECURSO HIDRICO Y EL ENTORNO SOCIO-AMBIENTAL Lic. Guillermo Calvo B. MBA

Modelo de Desarrollo Actual Efectos negativos en: el ambiente Deforestación Contaminación: agua, aire, suelos. Agotamiento: acuíferos, reservas de agua Degradación: paisajes, suelos Extinción de especies lo social: asimetrías sociales e ingreso, extinción de culturas, pobreza, … la economía: asimetrías entre países, falta de equidad, niveles de pobreza, … Fuentes: Tarabini-Castellani, 2008 Novo (2006)

Desarrollo económico Recurso Salud finito y social Preservación de flora y fauna Recurso finito Acceso al agua Pobreza Relacionada con el 80% de enfermedades del mundo Tifoidea Cólera Disentería Diarrea Hepatitis Malaria Fiebre amarilla. Fuente: Sanchez (2009) OMS (2009)

Fuente: FAO (2001)

EL RECURSO HIDRICO Situación Actual Hace pocos años no existía un plan de desarrollo urbano. No se protegen las cuencas hidrográficas adecuadamente. El 96% de las aguas residuales del país no recibe tratamiento alguno. No hay un mecanismo preventivo para controlar la contaminación. Una vez detectado el problema, es difícil de solucionar Fuente: Estado de la Nación (varios años)

LA CUENCA Unidad básica Recursos Naturales Planeación Manejo Control Servicios Ambientales: Producción de agua Recarga de acuíferos Control de inundaciones Captura de carbono Regulación del clima Biodiversidad Belleza escénica Producción de materiales Fuentes: Sanchez (2009)

AGUA . ENTORNO CANTIDAD CALIDAD Precipitación pluvial Cantidad, intensidad, frecuencia Cobertura boscosa Composición, densidad, altura y forma de hojas, tallos, etc. Cobertura riparia Características del suelo Textura, pendiente, MO superficial infiltración; escorrentía Uso del suelo Agrícola, pecuario, urbanístico Fuentes: FAO (2001) Sanchez (2009)

PROBLEMA Ciertas actividades de poblaciones humanas y las características de su entorno contaminan el recurso hídrico superficial de las cuencas hidrográficas al no existir un plan de desarrollo sostenible.

HIPOTESIS Las características de la población humana, ciertas actividades y su entorno, determinan la calidad de las aguas superficiales lo que posibilita implementar un plan de desarrollo sostenible.

OBJETIVO GENERAL ICA = β1X1 + … + βnXn + βο + e Desarrollar un modelo para predecir la calidad del agua superficial basado en variables socio ambientales en microcuencas del país. ICA = β1X1 + … + βnXn + βο + e

OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Determinar los estados de la calidad del agua superficial de las microcuencas mediante sistemas de índices e indicadores físico químicos, microbiológicos y el análisis del entorno socio-ambiental. 2. Diseñar un modelo que correlacione la calidad de las aguas con indicadores del entorno socio-ambiental. 3. Validar el modelo generado que permita un desarrollo sostenible con relación a los recursos hídricos.

METODOLOGIA Ubicación de las áreas de estudio Río de Tárcoles (6 microcuencas) Río Reventazón (2 microcuencas) Península de Osa (2 microcuencas)

Cálculo del ICA Indicadores fisicoquímicos Indicador microbiólogico Turbiedad, pH, caudal, temperatura, conductividad, demanda bioquímica de oxígeno, oxígeno disuelto, porcentaje de saturación de oxígeno, nitrógeno amoniacal, nitratos, fosfatos, sulfatos, cloruros, sólidos suspendidos totales, sólidos totales, fenoles, alcalinidad, dureza total, plomo, cromo, cobre, cadmio, calcio, magnesio. Benceno, etilbenceno, p-xileno, estireno, tolueno, m-xileno, o-xileno, isopropilbenceno, 1,3,5-trimetilbenceno, sec-butilbenceno, ter-butilbenceno, 1,2,4-trimetilbenceno, n-propilbenceno, p-isopropilbenceno, n-butilbenceno, naftaleno, 1,2-diclorobenceno, hexaclorobutadieno, 1,2,3-triclorobenceno. Indicador microbiólogico Coliformes Fecales.

RECOLECCION DE INFORMACION: ICA’s Datos Recolectados ITCR UNA Meses de muestreo 12 Puntos de muestreo 30 Indicadores de calidad 27 19 Subtotal 9 720 6 840 TOTAL 16 560

RECOLECCION DE INFORMACION: Validación 2 microcuencas conocidas: Po y Ag 2 microcuencas nuevas: Ci y Jo Datos Recolectados ITCR Meses de muestreo 12 Puntos de muestreo Indicadores de calidad 15 TOTAL 2 160

Cálculo del ICA 1. Índice Holandés de Valoración Fuente: Decreto 33903-MINAE-S, 2007.

2. Cálculo del ICA (Indice de Calidad del Agua) 2. ICA= 𝑖=1 𝑛 SIi∗Wi (Horton, 1965) 3. ICA= 𝑖=1 𝑛 𝑆𝐼𝑖 𝑊𝑖 (Brown, 1970) 4. 𝐼𝐶𝐴= 𝑛 𝑖=1 𝑛 1 𝑆𝐼 2 (Varios, 1994) Donde: SI = Subindicador normalizado Wi = Grado de ponderación

Cálculo del Wi Entrevista a expertos (individual o colectiva) Wi recomendados por León (León, 1992). Cálculo derivado de la correlación de Pearson. Wi = ra / ∑ ri donde: raes el coeficiente de correlación de Pearson de cada indicador. Σri es la sumatoria de cada uno de los coeficientes de correlación

Fuente: La Gaceta, Diario Oficial, #178, 2007 Clasificación de los Cuerpos de Agua según el uso potencial, y tratamiento que requiera. Usos \ Categorías Clase 1 Clase 2 Clase 3 Clase 4 Clase 5 Abastecimiento de agua para uso y consumo humano Con tratamiento simple con desinfección Con tratamiento convencional Con tratamiento avanzado No utilizable Abastecimiento de agua para actividades industriales destinadas a la producción de algunos alimentos de consumo humano Sin tratamiento previo o con tratamiento simple de desinfección Abastecimiento de agua para abrevadero y actividades pecuarias. Sin limitaciones Con limitaciones Actividades recreativas de contacto primario. Utilizable Acuacultura. Fuente para la conservación del equilibrio natural de las comunidades acuáticas. Fuente para la protección de las comunidades acuáticas. Generación hidroeléctrica. Utilizable con limitaciones Navegación. utilizable Riego de especies arbóreas, cereales y plantas forrajeras. Riego de plantas sin limitación, irrigación de hortalizas que se consumen crudas o de frutas que son ingeridas sin eliminación de la cáscara. SI ( 100 - 80 ) % ( 20 - 0) % Fuente: La Gaceta, Diario Oficial, #178, 2007

Fig. 1. Propuesta nueva para la clasificación de la calidad del agua Clase 2.

Densidad Poblacional (hab/km2) MES DE MUESTREO, PERIODO 2010-2011 Cuadro 1. Calidad del agua, según el Indice Holandés de valoración en las zonas muestreadas. Punto de Muestreo Densidad Poblacional (hab/km2) MES DE MUESTREO, PERIODO 2010-2011 Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Ma-1 4 6 5 7 9 Ma-2 4679 10 12 8 Ma-3 10292 11 To-1 To-2 7518 13 14 15 To-3 8156 Se-1 Se-2 2911 3 Se-3 3481 Ri-1 1 Ri-2 110 2 Ri-3 Ti-1 Ti-2 380 Ti-3 Ca-1 Ca-2 3775 Ca-3 8982 Ag-1 Ag-2 1224 Ag-3 2145 Po-1 Po-2 472 Po-3 205 Pu-1 Pu-2 257 Pu-3 3077 Bi-1 Bi-2 60 Bi-3 306 RESULTADOS

Fig. 4. Comportamiento del ICA Holandés con relación a la Densidad Poblacional y por período del año.

Nivel de Contaminación Densidad Poblacional (Hab/km2) CALIDAD DEL AGUA SEGUN EL ICA HOLANDEZ EN FUNCION DE LA DENSIDAD POBLACIONAL Puntaje según Reglamento Color Nivel de Contaminación Densidad Poblacional (Hab/km2) Esperado Epoca de Verano 3 No contaminada 4-6 Incipiente 500-3000 7-9 Moderada 3500-6500 10-12 Severa 7000-12000 13-15 Muy Severa >12500

Densidad Poblacional (hab/km2) MES DE MUESTREO, PERIODO 2010-2011 Cuadro 2. Calidad del agua, según el ICA 2a-León de valoración en las zonas muestreadas. ICA= 𝑖=1 𝑛 SIi∗Wi (Horton, 1965) Punto de Densidad Poblacional (hab/km2) MES DE MUESTREO, PERIODO 2010-2011 Muestreo Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Ma-1 93.2 74.2 81.3 90.2 75.6 87.7 76.2 69.5 80.1 92.3 71.2 90.0 Ma-2 4679 70.2 68.9 61.4 54.6 64.4 54.4 60.6 62.0 63.6 68.3 70.5 65.0 Ma-3 10292 58.9 62.9 57.1 56.9 56.1 53.8 55.3 57.5 55.5 62.1 64.1 65.8 To-1 88.1 85.5 85.9 86.4 84.1 82.2 60.1 87.9 88.2 88.3 To-2 7518 61.1 63.2 52.7 49.3 60.7 44.9 51.4 53.9 52.0 58.7 84.2 82.7 To-3 8156 63.3 64.0 55.4 45.8 51.3 39.9 47.1 56.6 56.7 55.2 75.7 69.2 Se-1 94.8 95.2 92.4 94.5 94.3 91.7 89.9 94.0 90.6 93.4 90.5 Se-2 2911 84.9 91.1 91.2 83.2 77.5 84.4 86.7 89.7 79.0 Se-3 3481 66.4 69.8 83.8 77.9 69.0 73.8 64.6 77.4 81.7 66.9 71.9 Ri-1 89.0 72.4 89.6 93.1 93.6 90.8 91.9 88.5 85.4 Ri-2 110 75.5 90.4 89.8 92.7 89.4 91.8 92.1 82.6 94.9 89.2 85.2 Ri-3 2 93.9 93.8 84.0 82.8 92.8 86.6 Ti-1 4 89.5 90.9 93.7 91.0 87.3 94.6 88.0 Ti-2 380 87.4 86.3 86.8 92.6 88.7 88.4 81.5 Ti-3 88.6 85.7 92.5 87.2 71.3 82.5 80.2 Ca-1 93.0 94.2 91.3 Ca-2 3775 77.8 79.4 77.6 79.5 79.2 77.1 73.3 81.8 Ca-3 8982 78.1 82.4 61.9 74.7 75.4 60.2 68.4 82.9 78.8 82.1 Ag-1 94.1 96.1 96.5 96.8 95.6 94.7 Ag-2 1224 93.3 82.0 64.9 88.9 Ag-3 2145 77.7 79.9 75.8 62.7 69.9 78.6 Po-1 94.4 93.5 87.8 Po-2 472 91.4 90.3 72.5 85.0 88.8 Po-3 205 73.2 71.4 Pu-1 95.5 95.1 87.6 87.5 Pu-2 257 74.1 91.5 89.1 Pu-3 3077 67.8 80.3 78.5 75.3 76.6 51.2 68.0 62.2 75.0 58.3 74.5 Bi-1 91.6 Bi-2 60 86.5 85.1 Bi-3 306 84.3 68.1 84.5 78.2 83.6 83.7 86.2 Donde: SI = Subindicador normalizado Wi = Grado de ponderación, según León Indicador Wi León Oxígeno Disuelto 0,125 Demanda Bioquímica de Oxígeno 0,117 pH 0,077 Sólidos Suspendidos Totales 0,040 Coliformes Fecales 0,174 Nitratos 0,065 Amoniaco 0,052 Fosfatos 0,089 Fenoles Alcalinidad 0,067 Dureza 0,071 Cloruros 0,083

ICA= 𝑖=1 𝑛 SIi∗Wi (Horton, 1965) Cuadro 3. Calidad del agua, según el ICA 2b-León de valoración en las zonas muestreadas. Punto de Densidad Poblacional (hab/km2) MES DE MUESTREO, PERIODO 2010-2011 Muestreo Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Ma-1 93.5 81.2 80.6 89.3 74.3 86.8 85.0 79.6 81.3 91.0 83.6 92.8 Ma-2 4679 76.6 75.7 65.3 54.9 59.9 55.9 64.6 66.2 70.9 74.6 73.4 Ma-3 10292 61.1 64.5 51.4 49.5 48.4 49.6 54.7 52.7 58.8 63.3 68.6 To-1 88.4 83.5 83.7 85.8 86.6 84.3 83.3 82.5 69.8 88.1 89.1 89.0 To-2 7518 64.8 66.8 51.2 45.2 44.7 39.6 46.9 51.1 56.1 61.0 77.5 80.0 To-3 8156 65.7 67.2 50.8 34.2 32.9 40.2 52.2 53.5 62.9 73.6 Se-1 90.6 92.0 92.2 93.8 94.5 92.1 91.4 89.8 93.9 86.3 93.7 92.5 Se-2 2911 82.3 90.4 89.7 82.6 86.7 91.9 88.5 Se-3 3481 71.5 74.7 79.9 70.3 74.5 65.2 68.8 73.0 77.3 70.0 79.4 Ri-1 87.0 93.6 90.5 92.6 85.6 92.9 80.8 Ri-2 110 84.4 87.9 93.3 84.2 91.5 85.7 76.0 81.0 Ri-3 2 86.4 93.4 88.2 91.2 81.5 84.0 Ti-1 4 90.1 83.0 83.9 76.5 81.6 Ti-2 380 84.8 85.5 86.9 87.6 93.2 82.1 71.6 77.9 Ti-3 82.7 90.7 79.1 73.8 82.0 78.6 Ca-1 86.1 93.1 94.1 91.3 90.2 92.4 90.0 84.9 Ca-2 3775 72.9 75.5 75.2 73.3 72.7 82.9 Ca-3 8982 76.2 69.4 66.7 63.1 60.4 60.8 65.1 75.4 76.3 74.9 80.2 Ag-1 91.6 95.5 96.1 96.7 95.2 94.2 89.9 94.4 94.7 Ag-2 1224 84.5 78.5 77.6 87.3 Ag-3 2145 72.8 78.8 69.5 68.1 67.3 76.1 Po-1 86.0 90.9 89.5 91.8 92.7 88.3 90.8 Po-2 472 87.8 83.2 86.2 80.7 85.4 Po-3 205 88.8 84.7 80.9 87.5 77.7 Pu-1 90.3 92.3 95.0 94.0 91.1 93.0 Pu-2 257 88.7 88.6 89.6 85.9 Pu-3 3077 70.2 71.3 71.1 67.4 70.6 47.3 54.0 65.8 60.0 69.2 Bi-1 86.5 87.1 82.4 85.3 Bi-2 60 82.8 87.7 85.1 83.1 79.3 83.8 Bi-3 306 83.4 75.6 79.5 76.7 ICA= 𝑖=1 𝑛 SIi∗Wi (Horton, 1965) Donde: SI = Subindicador normalizado Wi = Grado de ponderación estadístico Indicador Wi Coeficiente de Correlación de Pearson ra Oxígeno Disuelto 0,512 0,1062 Demanda Bioquímica de Oxígeno -0,625 0,1296 pH 0,005 0,0010 Sólidos Suspendidos Totales -0,346 0,0718 Coliformes Fecales -0,213 0,0442 Nitratos -0,305 0,0633 Amoniaco -0,730 0,1514 Fosfatos -0,728 0,1510 Fenoles -0,330 0,0684 Alcalinidad -0,319 0,0662 Dureza -0,111 0,0230 Cloruros -0,598 0,1240

Cuadro 5. Calidad del agua, según el ICA 4a-León de valoración en las zonas muestreadas. 𝐼𝐶𝐴= 𝑛 𝑖=1 𝑛 1 𝑆𝐼 2 (Varios, 1994) Donde: SI = Subindicador normalizado Wi = Grado de ponderación desaparece Indicador Oxígeno Disuelto Demanda Bioquímica de Oxígeno pH Sólidos Suspendidos Totales Coliformes Fecales Nitratos Amoniaco Fosfatos Fenoles Alcalinidad Dureza Cloruros

Cuadro 6. Calidad del agua, según el ICA 2d-Gmo de valoración en las zonas muestreadas. Donde: SI = Subindicador normalizado Wi = Grado de ponderación estadístico INDICADOR Wi Fósforo de fosfatos 0.1985 Nitrógeno amoniacal 0.2056 Demanda bioquímica de oxígeno 0.1753 Porcentaje de saturación de oxígeno 0.1473 Turbiedad 0.1284 Alcalinidad 0.0905 Coliformes Fecales 0.0544 TOTAL 1,000

Cuadro 5. Calidad del agua, según el ICA 4b Gmo de valoración en las zonas muestreadas. Donde: SI = Subindicador normalizado Wi = Grado de ponderación desaparece Predictor CCPP Coliformes Fecales 0.800 Nitratos 0.600 Demanda bioquímica de oxígeno 0.349 Nitrógeno amoniacal 0.331 Alcalinidad 0.118 Fósforo de fosfatos -0.107 Porcentaje de saturación de oxígeno 0.104

Variables socio ambientales caudal; precipitación (mm): total mensual, acumulada anual, promedio mensual, acumulada 2 días densidad Habitacional, poblacional sistemas de tratamiento alcantarillado, tanque séptico, letrina, otro sistema, no tiene sistema, tiene alguno pendiente el río pendiente promedio, pendiente máxima, pendiente promedio 1-3 pendiente transversal promedio y pendiente transversal máxima

Variables socio ambientales Corrientes orden; la densidad de las corrientes, la densidad del drenaje la cobertura riparia la textura del suelo arena, limo, arcilla, clasificación de la textura (1-12) cobertura del suelo uso urbano, cultivos estacionales, cultivos permanentes, pastos, bosques, charral-tacotal. época Invierno, verano.

VALIDACION ICA-4b-Gmo 2 SD = 25.0 % CCBP=0.888 (α = 0.000).

VALIDACION ICA-4b-Gmo 2 SD = 19.0 % CCBP=0.530 (α = 0.076).

CONCLUSIONES No existe un ICA universal. El mejor es el ICA-4b-Gmo La mayoría de los cálculos para el SI, reportados en la literatura, no son aplicables para CR. Se usó la clase 2 como punto de referencia para establecer la calidad de las aguas superficiales por su conveniencia. La predicción de la calidad de las aguas por el uso de un modelo basado en variables socio ambientales es viable. La validación muestra que el modelo es confiable

CIENCIAS NATURALES PARA EL DESARROLLO MUCHAS GRACIAS Lic. Guillermo Calvo B. MBA