Dra. Cristina Yacoub López  

DESARROLLO DE HERRAMIENTAS PARA LA

EVALUACIÓN DEL ESTADO AMBIENTAL

cristina.yacoub@upc.edu

I CONVERSATORIO NACIONAL“MACROINVERTEBRADOS COMO

BIOINDICADORES DE LA CALIDAD DEL AGUA”

2

Actividades mineras

Drenaje Ácido de

Minas

Aumento concentración de elementos

traza en agua y sedimentos

Sistemas complejos

IntroducciónProblemática del agua - Contextualización minera

La calidad del agua superficial representa un aspecto de interés internacional UN Conference on Environment and

Development in Rio de Janeiro in 1992- Agenda 21

European 2020 strategy (EC, 2010a) are led by the “Resource efficient Europe” flagship initiative (EC, 2011) and “An industrial policy for the globalisation era” flagship initiative (EC, 2010b).

La necesidad de proteger la calidad y subministro de agua mediante un enfoque integral en el desarrollo, gestión y uso del agua de manera sostenible

3

Aumento de contaminación por actividades mineras puede afectar la calidad del agua de consumo humano

Se relaciona con la pobreza Distribución no

igualitaria Aumento de brechas

sociales Escalada de conflictos

IntroducciónProblemática del agua – Contextualización andina

En la región andina existen pocos planes de gestión del agua o del ambiente

Características Geomorfológic

as de los Andes

Gran expansión de la industria

minera

Nivel de conflictividad socio-ambiental en aumento

Unidad de Cuenca

RíosSediment

osSuelo

Agua subterráne

a

Calidad del agua

Objetivos Medioamb

ientales

Protección y mejora

de manera sostenible

Objetivos ecológicos

El objetivo principal de la DMA es conseguir para todos los cuerpos de agua:Buen estado ecológico y químico del agua

superficial Buen estado cuantitativo y químico del agua

subterránea.

IntroducciónGestión del agua en Europa – Directiva Marco del Agua (DMA)

4

5

IntroducciónGestión del agua en Europa – Directiva Marco del Agua (DMA)

Fuente: European comission 2012 - 670

6

Proveen conocimiento robusto e imprescindible (sobre el estado de los cuerpos de agua) para Poder tomar decisiones informadas y Establecer una gestión sana del agua

El objetivo de la investigación es proveer herramientas adecuadas para este fin en un contexto andino - minero.

Para ello se definen dos herramientas: La caracterización biofísica de la cuenca: Modelación

hidrológica El diseño de un Monitoreo ambiental

Aspectos de calidad química y ecológica La evaluación de las fuentes y el grado de contaminación en la cuenca, El riesgo asociado y el efecto potencial a la vida acuática y a la salud

humana

Objetivo de la investigaciónHerramientas de monitoreo y evaluación

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Extensión: 4.372,5 km2 Media anual de precipitación: 0 – 1.100 mm

Media anual de temperatura: 25,4 ºC - 4 ºC

Variaciones de pendiente: 4.000 msnm en 80 km, con pendientes mayores al 20%

Caso de estudioCuenca del Jequetepeque

Páramos en la parte altaPrincipales actividades productivas:

Agricultura Ganadería Minería

Población rural 80%

8

• Objetivos• Zonas • Parámetros• Número de muestras • Periodicidad• Frecuencia

• Tener premiso de la autoridad competente• Realizar el monitoreo con algún guía de la zona• Tener en cuenta la accesibilidad del lugar• Valorar ciertos bioindicadores

DISEÑO DEL MONITOREO

RECOLECCIÓN DE MUESTRAS

ANÁLISIS Y OBTENCIÓN DE RESULTADOS• Agua: realizado por laboratorios externos (PUCP,

DESA)• Sedimentos: fracción <63µm de diámetro.

Mediante AAS y ICP-OES.• Macroinvertebrados: Identificación taxonómica de

macroinvertebrados bentónicos a nivel de familia

DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS• Análisis estadístico de resultados de agua y

sedimentos • Desarrollo del protocolo CERA y del análisis

cuantitativoEvaluación de la calidad ambiental

MetodologíaMonitoreo Ambiental

Monitoreo

Capacitaciones

Gestión de datos

9

MetodologíaMonitoreo Ambiental

DiseñoRecolección

de muestras

Análisis de las

muestras

Evaluación de los

resultados

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•15 estaciones de muestreo•120 muestras •2004 al 2005

•74 muestras•10 estaciones de muestreo•2002 a 2003•Nitratos, sulfatos, Al, Ag, As, Ba, Ca, Cd, Cu, Cr, Fe, Hg, Mg, Mn, Ni, Pb, Sn, Tl, and Zn

DATOS DE CAO

DATOS DE STRATUS INC.

DATOS DE LA DIRECCIÓN EJECUTIVA DE SALUD AMBIENTAL, DESA•199 muestras

•14 estaciones de muestreo •Mensual del 2003 al 2008

• pH, EC, STD, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb y ZnDATOS DEL MONITOREO DESARROLLADO•42 muestras•16 estaciones de muestreo •Noviembre 2008, Junio y Noviembre 2009 y Julio 2010

•STD, SST, Cl -, CN- WAD, CN - Total, Nitratos + Nitritos, NH4

+, SO42-, Al, As, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe,

Mg, Ni, Pb y Zn

MetodologíaMonitoreo Ambiental

Basado en Yacoub C., Pérez-Foguet A., Miralles N. (2011). Risk assessment and seasonal variations in southern countries: Trace element emissions in the Upper Basin Jequetepeque, Peru. IWA Watermatex, June 201, San Sebastian, Spain. pp. 870-877.

Yacoub, C., Pérez-Foguet, A., Miralles, N. (2013). Spatial and temporal trace element distribution of a Peruvian basin: recognizing trace element sources and assessing the potential risk. J. Environ. Monit. Assess. DOI: 10.1007/s10661-013-3147-x. The final publication is available at link.springer.com.

Extracción por digestión de microondas . Basado en el USEPA Method 3051A

MetodologíaMonitoreo Ambiental

Tiempos, Potencia y temperatura utilizados, USEPA Method 3052

15 estaciones de muestreo

Junio 2009, Noviembre 2009 y Jul io 2010

Secadas a 105 ˚C hasta peso constante ( ISO 5725-1:1994)

Filtradas Ø < 63 µm (UNE Standard, 7050; ISO, 3310-2; y ASTM E 323).

Extracción secuencial: Método BCR de 3 fases : 1. Fase de Iones

intercambiables y carbonatos

2. Fase reducible 3. Fase oxidable

11

12

Digestión

Contenido total de metales. Análisis estadístico

Análisis del origen. Factor de enriquecimiento

Evaluación del riesgo ecológico

Extracción secuencial Análisis de la movilidad y

persistencia

Evaluación del riesgo ecológico

Extracciones Cinéticas

Análisis de la movilidad

Análisis de las muestras Procesado de datos

MetodologíaMonitoreo Ambiental

Yacoub, C., Miralles, N. and Valderrama C. (2013). Experimental study of trace elements mobility and kinetic characterization in sediment samples. Water Environment Research. Submitted.

Yacoub, C., Pérez-Foguet, A., Miralles, N. and Valderrama C. (2013). Environmental assessment of trace element sediments from a Peruvian mine basin. Science of the total environment. Submitted.

13

Factor de Enriquecimiento (FE): origen de la contaminación

Concentraciones de la pseudo-digestion por microondas (Ø<63µm) Elemento de referencia: Fe La concentración del elemento de referencia 0,5<Ø<1 mm

Código de evaluación del riesgo (RAC): grado del riesgo causado por elementos traza en sedimentos

MetodologíaMonitoreo AmbientalIndicadores

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Análisis de Componentes Principales (PCA): tendencias espacio-temporales en la cuenca

Análisis Clusters Jerárquicos (HCA): interpretación de las estaciones de muestreo

Tratamiento de datos Existencia de huecos y

“outliers” Límite de detección: valor

umbral Transformación logarítmica

Modelo utilizado: SPSS v15.0 Algoritmo Varimax para la

rotación de los datos en el PCA Facilita la interpretación de los

datos

MetodologíaMonitoreo AmbientalAnálisis estadístico

Los factores del PCA son los datos de entrada del HCA.

En el HCA se utiliza el método de aglomeración Ward’s y la raiz cuadrada euclidea como medida de distancia

Comunalidades > 0,7

Aceptación de % acumulados de varianza

mayores del 80%

Criterios de evaluación de los factores del PCA

MetodologíaMonitoreo Ambiental

Índice de calidad ecológica para ríos alto andinos (CERA) Ríos alto andinos (>2.000 msnm) Condiciones de referencia Tres índices

Hábitat Fluvial (IHF) Ecosistemas de ribera (QBR – And) Macroinvertebrados bentónicos (ABI)

Muestreo de macroinvertebrados Multihábitat integrado Red de mano: D-net 250µm Tramo 100 metros 10 puntos (microhábitats) Recogida de muestras

15

QBR-AndABI >75 45-75 <45

>74 Muy bueno Bueno Regular

45-74 Bueno Regular Malo

27-44 Regular Malo Pésimo

<27 Malo Pésimo Pésimo

Resultados y DiscusiónMonitoreo AmbientalDistribución Espacial del Agua

Los valores obtenidos presentan valores similares a zonas con impactos mineros

Región Andina España o China

Teniendo en cuenta el PCA-HCA

Figure 4.4: Score plot of the 5 clusters obtained for the DESA data (from 2003 to 2008) between factor score 1 and 3 (a) and factor score 2 and 4 (b).

(a) (b)

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Yanacocha SRL

Sipán SL

San Juan Sub-basin

Rejo Sub-basin

Llapa Sub-basin

Alto Jequetepeque Sub-basin

Minería en la sub-cuenca de Llapa y Rejo

Erosión y tráfico en San Juan

Agricultura, minería y erosión para Alto Jequetepeque

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Sub-cuenca de LlapaSDT, SST, sulfatos, Al, As,

Ca, Cd, Cu, Cr, Fe, Mg, Ni y Zn aguas abajo de la mina Sipán S.L.

Ll5 es el punto más contaminado; Ll4 para el caso del Cr.

Sub-cuenca de San JuanBajas concentraciones

excepto pico de ZnFuente de contaminación

debida a una combinación de contribuciones naturales y antropológicas (p.e. trafico)

Sub-cuenca de Rejo Amonio, cloruro, nitratos y

nitritos, sulfato y cianuro WAD

[Ca] relevantesAl, As, Fe, Cu, Ni y Pb cerca

de la minera, efecto de dilución aguas abajo

Sub-cuenca del Alto Jequetepeque Gran homogeneidad Ca, Mg y sulfatos, (< a Rejo,

excepto Mg).Cloruros

Resultados y DiscusiónMonitoreo AmbientalDistribución Espacial del Agua

19

Evaluación de los posibles efectos de los elementos traza en los humanos por ingesta del agua

Resultados y DiscusiónMonitoreo Ambiental

Al Ba Cd Hg Ni Pb Se Zn0

20406080

100120140160180200

HQ (Strs+CAO)HQ (DESA)HQ (Mon Dev)As Cr Cu Fe Mn

0100020003000400050006000700080009000

10000

HQ (Strs+CAO)HQ (DESA)HQ (Mon Dev)

HQ Significado1 a 10 potencial de efectos adversos pequeño10 a 100 potencial de efectos adversos significativo

≥100 potencial de efectos adversos esperado

Riesgo potencial para casi todos los elementos traza,

As, Cr, Fe y Mn - efectos adversos esperado,

Al, Cd, Pb y Zn - efecto potencial significativo

HQ = Cc / RfD

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La media del Cd ≈ con impactos en Francia, Italia y Bolivia

Las concentraciones medias de Cu >> a las encontradas en la literatura

Las concentraciones de Pb Picos ≈ Bolivia Medias > a áreas

impactadasConcentraciones medias

de Al y Zn ≈ a las encontradas en Chile

Elementos traza ≈ 3 campañas

As, Cd, Cu, Hg, Pb, y Zn en los puntos Ll5 y R1 de riesgo según las guías

canadienses de afectación a la vida acuática

Las concentraciones de As y Hg son >> a las encontradas

cerca de mineras en Chile y Bolivia

≈ a ríos impactados por minería en Francia

Resultados y DiscusiónMonitoreo Ambiental

21

Resultados y DiscusiónMonitoreo Ambiental

Al As Cd Cr Cu Fe Ni Pb Zn

Ll1 2.0 0.4 1.2 1.7 0.6 1.2 1.0 1.0 1.1

Ll2 1.9 0.4 1.6 1.5 0.8 1.1 1.0 1.0 1.3

Ll3 1.5 1.9 7.0 1.9 1.5 1.3 1.6 1.3 2.0

Ll4 1.4 1.8 1.3 1.3 3.1 1.0 1.0 1.0 1.7

Ll5 0.6 6.2 3.5 0.7 1.7 1.2 1.0 1.9 0.9

R1 1.2 4.5 39.4 1.9 2.2 0.8 2.1 14.1 4.0

R2 1.9 2.5 7.5 2.0 1.1 1.3 2.1 3.5 1.7

R3 1.8 2.7 2.9 1.8 1.0 1.3 1.9 3.3 1.5

T1 1.6 1.4 6.2 2.9 1.0 1.2 1.8 2.3 1.8

T2 1.1 1.2 6.0 1.8 0.5 1.0 0.9 2.1 1.6

T3 1.1 1.1 5.2 1.9 0.8 1.0 1.0 2.0 1.5

T4 1.2 1.3 6.2 2.1 0.8 1.1 1.5 2.3 1.6

EF Enrichment grade

< 1 No enrichment

1-3 Minor enrichment

3-5 Moderate enrichment

5-10 Moderately severe enrichment

10 -25 Severe enrichment

25-50 Very severe enrichment

> 50 Extremely severe enrichment

Se calcula el FE para evaluar el origen de los elementos traza,

Se evalúan 12 puntos de muestreo de las tres sub-cuencas

Cerca Sipán SL As y Cd - enriquecimiento

moderadamente severo Cu - enriquecimiento

moderado Cerca a Yanacocha SRL

Cd y Pb - enriquecimiento muy severo y severo

As y Zn - enriquecimiento moderado

(Birth 2003)

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Resultados y DiscusiónMonitoreo Ambiental

% Values RAC > 50 Very high risk

31 - 50 High risk 11 -30 Medium risk 1 - 10 Low risk

<1 No risk

Implicaciones ambientales, Código de evaluación del riesgo

RAC 1 evalúa el riesgo asociado a los elementos traza asociados a iones intercambiables en los sedimentos Cd >>Hg > Zn > Cu

RAC 2 asociado a la fase reducible Elevado o muy elevado para la mayoría de las muestras

evaluadas Cd >>Zn, Cu, Hg, Pb >> As

(Villalobos-Castañeda et al., 2011)

23

Cd – Zn, y As - Pb ≈ tendencia espacio-temporal

↑ Cu en época seca y ↑ del Cr en época humeda ≈ ríos

industriales en Italia

Resultados y DiscusiónMonitoreo Ambiental

Análisis PCA-HCA - tendencias espacio-temporales

Sipán SL

Yanacocha SRL

Resultados Resultados del índice CERA

Resultados y DiscusiónMonitoreo Ambiental

Sampling point IHF QBR – And ABI

SMI - 1 53 80 83 SMI - 2 58 75 94 SMI - 3 59 85 106 SMI - 4 57 70 134 SMI - 5 70 95 115 SMI - 6 52 100 118

R - 1 67 80 44 R - 2 68 85 63 R - 3 64 85 72

LL - 1 66 100 100 LL - 6 65 85 130 LL - 2 65 75 134 LL - 3 77 65 97 LL - 5 51 50 17 QH - 1 39 100 79 QH - 2 47 73 86 QH - 3 58 70 95 QH - 4 48 100 111

TUM - 1 58 85 110 SJ - 1 70 95 100 SJ - 2 71 80 93 SJ - 3 61 100 65

24

Se ha evaluado el estado medioambiental de la cuenca del Jequetepeque, así como se han evaluado las presiones existentes mediante un monitoreo ambiental que incorpora el análisis en agua, sedimentos y el estado ecológico de los ríos

Conclusions

25

Existe contaminación cercana a las mineras As y Cr, Al, Cd, Cu, Fe y Pb en el

agua cerca de Sipán SL Cd, Zn, Pb y As en sedimentos

cerca de Yanacocha SRL Mina activa↑ [metales] en los

sedimentos, mientras que la mina clausurada ↑ [metales] en agua

Cd, Cu, Hg y Ni son los mas móviles y son un motivo de preocupación a medio y largo plazo 26

Conclusiones

27

Conclusions

Todas las estaciones de referencia definidas obtuvieron una puntuación de bueno o muy buen estado ecológico

En los puntos de control, el monitoreo ecológico mostro las mismas tendencias que las tendencias obtenidas de los análisis de metales en agua y sedimentos

El protocolo desarrollado, como herramienta cualitativa sencilla y económica puede ser útil para evaluar las tendencias significativas de contaminación en la cuenca

28

Conclusiones

Las diferentes aproximaciones de este trabajo muestran la contaminacion en terminos de calidad del agua cerca de emplazamientos mineros.

Los resultados de este trabajo como herramientas medioambientales pueden ser un primer avance para el manejo de la calidad del agua en la region andina

29

Tener en cuenta el ecosistema de manera integral es imprescindible para un monitoreo del estado ambiental Relación de los tiempos y la matriz a monitorear

La consideración de blancos de control en lugar de limites máximos permisibles es necesaria para poder evaluar el estado ambiental

La participación en todas las etapas de un monitoreo es un elemento clave si se pretende construir herramientas que sean útiles para la ciudadanía Delimitar bien el objetivo de la herramienta y no usarla

como receta Establecer los umbrales de incertidumbre a considerar

como riesgo (análisis conservativos, temporales, espaciales)

Lecciones aprendidas

30

Algunas limitaciones importantes: la diferencia en tiempos entre la realización de estudios

y la posterior divulgación las dificultades por parte de la universidad para ser

más accesible y divulgue el conocimiento adquirido, la necesidad de profundizar en investigaciones en la

región tal que se pueda realizar un monitoreo como herramienta de vigilancia participativa en la región.

Las conclusiones extraidas son todavía insuficientes para el desarrollo y validacion de un monitoreo de macro-invertebrado como herramienta sencilla y economica para aplicar sistemas vigilancia participativa en cuencas andinas con actividades mineras.

Lecciones aprendidas.

31

¡Muchas gracias!