Métodos estadísticos para la detección de umbrales de contaminación en ecosistemas acuáticos de agua dulce

Abstract

This paper presents the methodology and results from applying statistical methods to determine the thresholds of contamination of aquatic ecosystems. The objectives are to analyze methods to determine thresholds or turning points for a given variable by using the statistical software program R and to use the methods to determine pollutant thresholds in reservoirs in Puerto Rico. The first part presents these methods, including their theoretical foundations, computational mathematics, and application to streams in the Mid-Atlantic states (USA) during 1993 and 1994. The objective is to compare the predicted results with the published results. The second part applies the methods to real data from Puerto Rico. One of the statistical tools used to develop each of the methods is conditional probability, which requires two variables, Q and X. One variable, Q, represents the known threshold; the other variable X represents the unknown threshold of interest. Given the two variables, the process uses the conditional probability P(q|x) and one of the methods to determine the threshold of interest. In the Mid-Atlantic data, the benthic macroinvertebrate communities (EPT taxa richness) data were used to determine stream impact (the known variable threshold). The percentage of fine substrate (fraction silt/clay< 0.06mm) was used to measure stream sedimentation as the variable of interest. With these two variables, five methods were applied to determine the fine substrate threshold percentage for these streams. With respect to the data in Puerto Rico, chlorophyll a is the variable for which the threshold is known. The variables of interest for which the thresholds were determined were nutrients: total phosphorus and total nitrogen.

Este trabajo presenta la metodología y los resultados de la implementación de métodos estadísticos en la determinación de umbrales de contaminación en ecosistemas acuáticos. Los objetivos son: analizar algunos de los métodos con los cuales se pueden obtener umbrales o puntos de cambio en una variable de interés, desarrollar los respectivos programas estadísticos en el software R y aplicar estos métodos en la determinación de umbrales para contaminantes en reservorios de Puerto Rico. En la primera parte del trabajo se desarrolla la presentación de estos métodos, su fundamentación teórica, matemática y computacional, y la aplicación en arroyos de la región de los estados Mid-Atlantic (Estados Unidos) durante 1993 y 1994. El objetivo es comparar los resultados predichos con los publicados. La segunda parte del trabajo consiste en aplicar los métodos a datos reales de Puerto Rico. Una de las herramientas estadísticas utilizadas en el desarrollo de cada uno de los métodos es la aplicación de probabilidad condicional. Para ello se necesitan dos variables Q y X, a una de ellas se le conoce el umbral. Supóngase Q y llámese X la variable de interés, variable a que se le desea conocer el umbral. El proceso consiste en, dadas las dos variables, utilizar la probabilidad condicional P(Q|X) y mediante los métodos, determinar el umbral de la variable de interés X. En los datos del Mid Atlantic en los Estados Unidos, se utilizaron las comunidades de macroinvertebrados bénticos (riqueza de taxones EPT) como medida de referencia de si existe impacto en el arroyo (umbral de la variable conocida); y se usó como variable de interés X, el porcentaje de sustrato fino (fracción limo/arcilla< 0.06mm) como un indicador de la sedimentación en los arroyos. A estas dos variables se aplican cinco métodos para determinar el umbral del porcentaje de sustrato fino en estos arroyos. En lo que respecta a los datos en Puerto Rico, la clorofila a es la variable de la cual se conoce el umbral, y se analizan como variables de interés los nutrientes fósforo total y nitrógeno total, para determinar el umbral en cada uno de ellos.