Modelación ecológica para estudiar la calidad hidrobiológica del agua en el río Cali, empleando macroinvertebrados acuáticos como bioindicadores de calidad del agua

El río Cali, vital para la ciudad de Santiago de Cali, enfrenta múltiples desafíos por la contaminación y las actividades humanas. Sus aguas, fundamentales para el abastecimiento y los servicios ecosistémicos, han sufrido un deterioro significativo, afectando tanto su biodiversidad como la calidad de vida de las comunidades que dependen de él. Comprender estas problemáticas es crucial para restaurar este recurso y desarrollar estrategias innovadoras que aseguren su sostenibilidad frente a un futuro incierto. Considerando lo anterior, en este proyecto se implementaron modelos ecológicos para evaluar la calidad hidrobiológica del agua en el río Cali. Para la construcción de la base de datos, se utilizó información fisicoquímica, hidráulica e hidrobiológica de estudios realizados por la CVC y la Universidad Autónoma de Occidente en el marco del Plan de Ordenamiento del Recurso Hídrico (PORH) del río Cali entre 2021 y 2023. A partir de estos datos, se plantearon dos modelos con diferentes enfoques: uno para determinar la calidad hidrobiológica del agua basado en índices bióticos, específicamente el BMWP/Col, y otro de idoneidad de hábitat para predecir la ocurrencia de dos familias de macroinvertebrados acuáticos (Trichoptera:Helicopsychidae y Plecoptera:Perlidae) bajo diferentes condiciones ambientales. Se emplearon cuatro técnicas de minería de datos: lógica difusa, regresión logística, regresión binomial negativa y árboles de clasificación, evaluando su desempeño mediante indicadores como el F1-Score, precisión y recall. El análisis estadístico realizado, y los modelos planteados fueron creados utilizando herramientas como XLSTAT y el lenguaje de programación Python. La selección de variables predictoras se realizó mediante análisis de componentes principales (PCA) con rotación Varimax, complementado con diagramas de dispersión y box plots para explorar las relaciones entre predictores y la variable respuesta. Además, se consideraron estudios previos para la lógica difusa y un algoritmo experimental basado en el AIC del modelo. Los resultados mostraron que la lógica difusa fue la técnica más adecuada para predecir la calidad del agua con base en el índice BMWP/Col, logrando una precisión de 0,78, un F1-Score de 0,79 y una exactitud de 0,93. El modelo de idoneidad de hábitat también presentó excelentes resultados, destacándose nuevamente la lógica difusa con una precisión de 0,88 para Helicopsychidae y 0,93 para Plecoptera. Debido a la cantidad limitada de observaciones en la base de datos, las demás técnicas implementadas no alcanzaron resultados satisfactorios, pues requieren un proceso de calibración y validación más robusto al tratarse de herramientas basadas en el aprendizaje automático. Se espera a futuro aumentar el tamaño de los registros para facilitar la aplicación y escalabilidad de los modelos implementados. En conclusión, los modelos ecológicos basados en la lógica difusa demostraron ser herramientas efectivas para caracterizar y predecir la calidad hidrobiológica del río Cali, ofreciendo una base metodológica replicable para futuros estudios y la gestión sostenible de recursos hídricos en sistemas similares.

The Cali River, vital for the city of Santiago de Cali, faces multiple challenges due to pollution and human activities. Its waters, fundamental for water supply and ecosystem services, have suffered significant deterioration, affecting both its biodiversity and the quality of life of the communities that depend on it. Understanding these problems is crucial for restoring this resource and developing innovative strategies to ensure its sustainability in the face of an uncertain future. Considering the previous information, ecological models were implemented in this project to evaluate the hydrobiological quality of water in the Cali River. For the construction of the database, physicochemical, hydraulic and hydrobiological information from studies conducted by the CVC and the Universidad Autónoma de Occidente (Autonomous University of the West) in the framework of the Water Resource Management Plan (PORH) of the Cali River between 2021 and 2023 was used. From these data, two models with different approaches were proposed: one to determine the hydrobiological water quality based on biotic indices, specifically the BMWP/Col, and another of habitat suitability to predict the occurrence of two families of aquatic macroinvertebrates (Trichoptera: Helicopsychidae and Plecoptera: Perlidae) under different environmental conditions. Four data mining techniques were used: fuzzy logic, logistic regression, negative binomial regression and classification trees, evaluating their performance employing indicators such as F1-Score, precision and recall. The statistical analysis performed and the models developed were created using tools such as XLSTAT and the Python programming language. Predictor variable selection was carried out using Principal Component Analysis (PCA) with Varimax rotation, supplemented with scatter plots and box plots to explore relationships between predictors and the response variable. Additionally, prior studies for fuzzy logic and an experimental algorithm based on the model’s AIC were considered for decision-making. The results showed that fuzzy logic was the most suitable technique for predicting water quality based on the BMWP/Col index, achieving a precision of 0,78, an F1-Score of 0,79, and an accuracy of 0,93. The habitat suitability model also delivered excellent results, with fuzzy logic once again standing out, achieving a precision of 0,88 for Helicopsychidae and 0,93 for Plecoptera. Due to the limited number of observations in the database, the other techniques implemented did not achieve satisfactory results, as they require a more robust calibration and validation process since they are tools based on machine learning. In the future, the size of the records is expected to increase to facilitate the application and scalability of the implemented models. In conclusion, the ecological models based on fuzzy logic proved to be effective tools for characterizing and predicting the hydrobiological quality of the Cali River, offering a replicable methodological basis for future studies and the sustainable management of water resources in similar systems.

Proyecto de grado (Ingeniero Ambiental)-- Universidad Autónoma de Occidente, 2025

Pregrado

Ingeniero(a) Ambiental