O condado de San Diego usa dados quase em tempo real para reduzir os fluxos de tempo seco
Para proteger os corpos d'água da Califórnia, o Condado de San Diego fez uma parceria com empresas de engenharia e consultoria, como a Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) para executar um programa de monitoramento de vazão que identifica eventos transitórios de alta vazão e acompanha as reduções de vazão em épocas de seca de ano para ano.
O Condado de San Diego, o segundo condado mais populoso da Califórnia, é ladeado por mais de 70 milhas de litoral e alguns dos mais belos locais de recreação aquática dos Estados Unidos. O Condado de San Diego é um dos vários copermissionários da Permissão* do Sistema Regional Municipal Separado de Esgotos Pluviais (MS4) de San Diego, responsável pela proteção da qualidade da água ao longo da costa, que pode ser afetada por fluxos de águas não pluviais ou de "tempo seco" através da rede de drenagem pluvial. Para proteger esses corpos d'água, o Condado de San Diego fez uma parceria com empresas de engenharia e consultoria, como a Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood), para executar um programa de monitoramento de fluxo que identifica eventos transitórios de alto fluxo e rastreia reduções de fluxo em tempo seco de ano para ano. Desde 2017, a Wood tem usado registradores de dados METER e sensores de nível de água para fornecer dados de fluxo de alta qualidade para atender às necessidades do programa.
Dados de fluxo em tempo quase real
O fluxo em tempo seco, ou "fluxo de água não pluvial", é qualquer água que entra no MS4 em um dia típico sem precipitação**. O fluxo em tempo seco pode transportar bactérias e outros poluentes e é causado por fontes transitórias, como irrigação excessiva, drenagem de piscina, lavagem de carros e despejo ilegal de esgoto, bem como fontes de fluxo constante, como infiltração de água subterrânea e tubulações subterrâneas quebradas. Neil Searing, Planejador de Uso da Terra/Ambiental do Condado de San Diego, diz: "Uma de nossas principais metas é reduzir os poluentes por meio da redução dos fluxos de águas não pluviais por meio de nossa licença MS4. Precisamos medir essas metas, e é aí que o programa de monitoramento entra em ação. Precisamos de uma maneira de quantificar as reduções de fluxo para ver se nossas estratégias são bem-sucedidas."
O Condado de San Diego monitora aproximadamente 80-90 emissários de MS4 anualmente para fluxos em tempo seco, de maio a outubro. A principal abordagem usada na maioria dos locais combina um açude em V, o sensor HYDROS 21 da METER (nível de água, temperatura e condutividade elétrica) e um registrador de dados conectado ao cloud. O registrador passa informações para um software de gerenciamento de dados chamado ZENTRA Cloud que permite que os usuários vejam os dados remotamente em tempo quase real.
Uma vez identificados os fluxos anômalos ou elevados, o pessoal do Condado de San Diego e da Wood realiza ações de sensibilização e educação para reduzir essas fontes de fluxo. A visualização dos dados em tempo quase real permite a detecção de fluxos elevados, a tomada rápida de decisões e o gerenciamento orientado por dados. Jeremy Burns e Alex Messina são cientistas ambientais da Wood e lideram os aspectos técnicos e de análise de dados do programa de monitoramento de fluxo. Burns explica: "O plano de melhoria da qualidade da água (WQIP) de San Diego está trabalhando para atingir diferentes metas regulatórias de conformidade com sua licença NPDES. Uma dessas metas é uma redução percentual do fluxo em tempo seco ao longo do tempo. Eles estão monitorando os fluxos de tempo seco em uma série de locais para verificar se as ações de gerenciamento foram eficazes. Eles usam os dados de fluxo que coletamos para descobrir possíveis problemas. Por exemplo, quando observamos períodos recorrentes de picos de fluxo, o Condado de San Diego sai e observa o local. Eles podem encontrar um sprinkler quebrado que está fluindo para o esgoto pluvial e pedir aos moradores que o consertem."
A Figura 3 é um exemplo de um local com altos fluxos regulares, provavelmente devido ao excesso de irrigação noturna. Os altos fluxos são observados todas as noites por volta da meia-noite. O recurso "Target Ranges" do site ZENTRA Cloud permite que Wood defina limites facilmente visíveis para fluxos altos. A cor cinza indica que o nível da água está abaixo do entalhe em V do açude (não está fluindo), a cor verde indica que a água está fluindo através do entalhe em V, a cor amarela indica que a água está fluindo na parte retangular do açude e a cor vermelha indica que o açude está completamente submerso. O nível da bateria também é plotado.
Qual é a sensibilidade/precisão dos açudes com entalhe em V?
Messina diz que a configuração do açude com entalhe em V é bastante sensível a mudanças no fluxo, mesmo que seja apenas um aspersor com problemas. Ele diz: "De modo geral, é fácil ver os picos nos dados. Os açudes com entalhe em V são sensíveis a mudanças muito pequenas no fluxo, embora isso dependa da quantidade de água que está atrás do açude. Em algumas áreas onde a tubulação de entrada é plana, você pode ter 50 galões de água acumulados atrás do açude. Se a vazão for pequena, o reservatório do açude demora um pouco para encher. Mas quando o reservatório está cheio, a água passa direto. Em alguns casos, somos limitados pela infraestrutura. Colocamos um açude, ele faz a água recuar e, então, a água simplesmente escorre por uma rachadura no cano. Mas, em outras áreas, detectamos um único sprinkler que foi acionado e os dados aumentam por cinco minutos e depois voltam a cair."
Em comparação com as medições de vazão em canais de fluxo naturais, o uso de barragens com entalhe em V permite uma precisão muito alta e baixa incerteza. Para comparações ano a ano, a precisão dos dados deve ser muito alta para detectar pequenas alterações percentuais nos fluxos, e a qualidade dos dados do açude depende diretamente da precisão e da confiabilidade do sensor de nível de água. O uso de sensores de nível de água ventilados, como o HYDROS 21, elimina a incerteza de realizar a compensação barométrica que seria necessária para um transdutor de pressão não ventilado e remove uma etapa do processamento de dados para reduzir os custos do analista. O Condado de San Diego e a Wood realizaram um estudo comparativo de diferentes transdutores de pressão no laboratório e em locais de campo e descobriram que o sensor METER HYDROS 21 (anteriormente chamado de CTD) oferecia um desempenho no mundo real com precisão de +/-0,1 polegada (Burns, 2019).
Combinação de várias fontes de dados
Os dados de fluxo coletados em diferentes anos mostraram níveis variáveis de fluxo de base constante em muitos dos emissários da MS4. A hipótese de que o aumento do fluxo de base tenha sido causado por chuvas de inverno antecedentes mais altas, elevando o lençol freático e causando infiltração no MS4. O Condado de San Diego e a Wood realizaram um estudo de rastreamento da fonte de fluxo em tempo seco para determinar as contribuições da torneira e da água subterrânea para os fluxos totais.
Messina diz que várias fontes de dados ajudam a identificar diferentes fontes de fluxo em tempo seco para que o Condado de San Diego possa tomar decisões informadas. "Analisamos a dinâmica do fluxo, a geoquímica e os isótopos estáveis para ver se podemos caracterizar as fontes de água. As proporções de isótopos estáveis não são alteradas à medida que a água se move pela bacia hidrográfica e retêm a assinatura de sua fonte de fluxo original (água da torneira ou água subterrânea), portanto, são bons dados de referência. A dinâmica do fluxo pode então ser combinada com dados de isótopos estáveis. Por exemplo, se o fluxo for constante e os dados de isótopos indicarem água da torneira, provavelmente se trata de um cano com vazamento. Se os isótopos indicarem que não se trata de água da torneira, então a fonte constante provavelmente é a água subterrânea. Também usamos a geoquímica para nos ajudar a detectar fontes específicas de água da torneira, como a água recuperada usada para irrigação. Também usamos outros indicadores, como surfactantes (MBAS). Se detectarmos surfactantes, por exemplo, isso indicaria o escoamento superficial de, por exemplo, uma situação de lavagem de carros."
Burns diz que os dados de condutividade elétrica dos sensores do HYDROS 21 também são úteis. Ele diz: "Costumávamos medir apenas o nível da água. Mas uma das vantagens de mudar para o sensor 21
para o sensor HYDROS 21, além da acessibilidade e da telemetria quase em tempo real, é a medição da condutividade. Ela acrescentou uma nova faceta de dados que agora analisamos. Ela é particularmente útil para verificar se a sonda está seca (não há água) ou se um fluxo alto mostra uma alteração na condutividade, por exemplo, devido a uma chuva esparsa e localizada que não é detectada pelos pluviômetros. É outro ponto de dados que nos ajuda a entender se é uma entrada de água subterrânea ou de água da torneira para o esgoto pluvial."
Lições aprendidas
Messina diz que, no decorrer do projeto, eles aprenderam que medir o fluxo nos bueiros era mais complicado do que parecia no início. Ele explica: "Embora seja um projeto de 'baixo fluxo', alguns bueiros não são de baixo fluxo. Se um hidrante quebra ou alguém drena uma piscina, isso causa uma grande mudança no fluxo. Essa ampla gama de fluxos é um problema porque os açudes têm uma faixa-alvo de fluxo recomendada, o que significa que alguns açudes são projetados para fluxos baixos e outros para fluxos altos. O sensor de nível HYDROS 21 pode acomodar a ampla faixa de níveis de água que medimos atrás dos açudes. Além disso, todos pensam que estamos medindo o fluxo em um sistema selado. Mas acontece que há muitas rachaduras nas tubulações por onde a água entra ou sai. E, em alguns casos, a medição do fluxo é complicada pela infraestrutura construída que não é mostrada nos mapas existentes. Um projeto habitacional pode direcionar um riacho natural para um esgoto pluvial como o local mais fácil para gerenciar a água que flui pelo empreendimento. Portanto, estamos medindo uma mistura de sistemas naturais e construídos pelo homem, o que é muito mais complexo do que imaginávamos inicialmente."
Messina acrescenta que a compreensão dos dados de fluxo e das fontes de fluxo em tempo seco pode ser complicada. Ele diz: "Há fatores de confusão. Por exemplo: se chove mais ou menos em um ano, os lençóis freáticos estão influenciando os fluxos que estamos vendo? Além disso, quando as diferenças absolutas são pequenas, a diferença relativa (ou diferença percentual) pode ser muito alta, e isso pode não ser informativo. Por exemplo, se a taxa de fluxo passasse de 0,1 para 0,2 galões por dia em um único local, isso representaria uma diferença de 100%. Só porque há uma mudança percentual aparentemente grande, pode não ser algo que o Condado de San Diego precise fazer para resolver."
Sucessos do programa
Sobre o sucesso do programa de melhoria da qualidade da água do Condado de San Diego em geral, Burns diz: "Acho que fizemos um bom trabalho explicando as complexidades com as quais eles estão lidando. E acho que isso tem sido útil". Os dados de fluxo foram usados para convencer as partes interessadas a instituir práticas recomendadas de gerenciamento, como a adição de buffers vegetativos e a conversão para paisagismo tolerante à seca para controlar a irrigação excessiva. Os dados de fluxo coletados no ano seguinte mostraram que esses esforços reduziram com sucesso os fluxos nos drenos de tempestade a jusante (Wisniewska e Messina, 2019).
O futuro do projeto
Os requisitos de redução de águas não pluviais na Licença MS4 continuarão exigindo que os copermissionários regionais se envolvam em educação e divulgação e monitorem o fluxo MS4 para avaliar o cumprimento das metas do WQIP. Embora seja benéfico para as partes regionais seguir uma abordagem semelhante para o monitoramento do fluxo, há uma variedade de métodos que podem ser empregados. Este documento descreve brevemente muitos dos desafios para o monitoramento de baixo fluxo e uma abordagem precisa usando açudes personalizados com sensores METER HYDROS 21 e registradores de dados conectados ao cloud. Um dos principais benefícios dos dados quase em tempo real é a capacidade de ver anomalias nos dados e reagir rapidamente.
Na METER, os recursos do ZENTRA Cloud estão sendo continuamente aprimorados por meio da colaboração em projetos do mundo real com grupos como o Condado de San Diego e a Wood. Alguns aprimoramentos futuros incluem a programação de dispositivos de fluxo primário para ver os valores de fluxo em tempo real em vez de apenas o nível; vários limites de alarme que abordam uma variedade ou combinação de parâmetros; e notificações por SMS e e-mail para grupos ou indivíduos. As notificações permitem que as equipes sejam altamente responsivas às condições ambientais e, idealmente, melhorem a capacidade de observar as fontes de fluxo e solucioná-las em tempo hábil. Enquanto as agências continuam a perseguir fontes de fluxo desafiadoras e, muitas vezes, fugazes, ter acesso ágil, econômico e fácil de usar a dados confiáveis é um aliado fundamental para atingir as metas de redução de fluxo.
Referências:
Burns, Jeremy. 2019. "Qual é a precisão dos meus dados de fluxo? Water Level Sensor Evaluation to Assess Confidence in Compliance Assessments" Conferência Anual da California Stormwater Quality Association (CASQA). Outubro de 2019. (Link da apresentação)
Wisniewska, Joanna, e Messina, Alex. 2019 "Flow Source Forensics: Using Multiple Lines of Evidence to Identify and Quantify Dry-Weather Flow Sources" (Usando várias linhas de evidência para identificar e quantificar fontes de fluxo em tempo seco). Conferência Anual da CASQA. Outubro de 2019. (Link da apresentação)
Observações:
*Ordem nº R9-2013-0001, alterada pelas ordens nºs R9-2015-0001 e R9-2015-0100. Sistema Nacional de Eliminação de Descargas de Poluentes (NPDES) e requisitos de descarga de resíduos para descargas dos Sistemas Municipais Separados de Esgoto de Tempestade (MS4s) que drenam as bacias hidrográficas na região de San Diego.
**A definição de clima seco da licença MS4 é: "O clima é considerado seco se as 72 horas anteriores não tiverem tido precipitação mensurável (>0,1 polegada)".
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