San Diego County nutzt Daten nahezu in Echtzeit, um die Trockenwetterabflüsse zu reduzieren
Um die kalifornischen Gewässer zu schützen, hat sich der Landkreis San Diego mit Ingenieur- und Beratungsfirmen wie Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) zusammengetan, um ein Programm zur Überwachung des Abflusses durchzuführen, das vorübergehende Hochwasserereignisse identifiziert und die Verringerung des Abflusses bei Trockenwetter von Jahr zu Jahr verfolgt.
San Diego County, der zweitbevölkerungsreichste Bezirk in Kalifornien, verfügt über eine mehr als 70 Meilen lange Küstenlinie und einige der schönsten Naherholungsgebiete in den Vereinigten Staaten. Der Landkreis San Diego ist einer von mehreren San Diego Regional Municipal Separate Storm Sewer System (MS4) Permit* Copermittees, die für den Schutz der Wasserqualität entlang der Küste verantwortlich sind, die durch Nicht-Regenwasser oder "Trockenwetter"-Abflüsse durch das Regenwassernetz beeinträchtigt werden kann. Um diese Gewässer zu schützen, hat sich der Landkreis San Diego mit Ingenieurs- und Beratungsfirmen wie Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) zusammengetan, um ein Programm zur Überwachung des Abflusses durchzuführen, das vorübergehende hohe Abflussereignisse identifiziert und die Verringerung des Abflusses bei Trockenwetter von Jahr zu Jahr verfolgt. Seit 2017 verwendet Wood METER-Datenlogger und Wasserstandssensoren, um qualitativ hochwertige Abflussdaten zu liefern, die den Anforderungen des Programms entsprechen.
Flussdaten in nahezu Echtzeit
Trockenwetterabfluss oder "Nicht-Regenwasserabfluss" ist jedes Wasser, das an einem typischen Tag ohne Niederschlag** in die MS4 gelangt. Trockenwetterabfluss kann Bakterien und andere Schadstoffe enthalten und wird durch vorübergehende Quellen wie Überbewässerung, das Entleeren eines Pools, Autowaschen und illegale Abwassereinleitungen sowie durch ständig fließende Quellen wie Grundwasserinfiltration und defekte unterirdische Leitungen verursacht. Neil Searing, Landnutzungs-/Umweltplaner für den Landkreis San Diego, sagt: "Eines unserer Hauptziele ist die Reduzierung von Schadstoffen durch die Verringerung der nicht abwasserbedingten Abflüsse im Rahmen unserer MS4-Genehmigung. Wir müssen diese Ziele messen, und genau hier kommt das Überwachungsprogramm ins Spiel. Wir brauchen eine Möglichkeit, die Verringerung der Abflüsse zu quantifizieren, um zu sehen, ob unsere Strategien erfolgreich sind."
Der Landkreis San Diego überwacht jährlich ca. 80-90 MS4-Einleitungen für Trockenwetterabflüsse von Mai bis Oktober. An den meisten Standorten wird eine Kombination aus einem V-Kerbe-Wehr, dem Sensor HYDROS 21 von METER (Wasserstand, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit) und einem cloud angeschlossenen Datenlogger verwendet. Der Logger leitet die Informationen an eine Datenverwaltungssoftware namens ZENTRA Cloud weiter, die es den Benutzern ermöglicht, die Daten aus der Ferne und nahezu in Echtzeit einzusehen.
Sobald anomale oder erhöhte Durchflüsse identifiziert werden, führen die Mitarbeiter von County of San Diego und Wood Aufklärungsmaßnahmen durch, um diese Durchflussquellen zu reduzieren. Da die Daten nahezu in Echtzeit angezeigt werden, können hohe Durchflussmengen erkannt, schnelle Entscheidungen getroffen und datengesteuertes Management betrieben werden. Jeremy Burns und Alex Messina sind Umweltwissenschaftler bei Wood und leiten die technischen und datenanalytischen Aspekte des Überwachungsprogramms. Burns erklärt: "San Diegos Plan zur Verbesserung der Wasserqualität (WQIP) zielt darauf ab, verschiedene regulatorische Ziele für die Einhaltung ihrer NPDES-Genehmigung zu erreichen. Eines dieser Ziele ist eine prozentuale Verringerung des Trockenwetterabflusses im Laufe der Zeit. Sie verfolgen die Trockenwetterabflüsse an einer Vielzahl von Standorten, um festzustellen, ob die Managementmaßnahmen wirksam waren. Sie nutzen die von uns gesammelten Abflussdaten, um potenzielle Probleme zu erkennen. Wenn wir zum Beispiel immer wiederkehrende Spitzen im Abfluss feststellen, geht der Bezirk San Diego hinaus und beobachtet den Standort. Vielleicht finden sie einen defekten Rasensprenger, der in den Regenwasserkanal fließt, und fordern die Anwohner auf, ihn zu reparieren."
Abbildung 3 ist ein Beispiel für einen Standort mit regelmäßigen hohen Durchflüssen, die wahrscheinlich auf eine nächtliche Überbewässerung zurückzuführen sind. Hohe Durchflüsse werden jede Nacht gegen Mitternacht beobachtet. Mit der Funktion "Zielbereiche" von ZENTRA Cloud kann Wood leicht sichtbare Schwellenwerte für hohe Durchflüsse festlegen. Grau bedeutet, dass der Wasserstand unter der V-Kerbe des Wehrs liegt (nicht fließt), grün bedeutet, dass das Wasser durch die V-Kerbe fließt, gelb bedeutet, dass das Wasser im rechteckigen Teil des Wehrs fließt, und rot bedeutet, dass das Wehr vollständig überflutet ist. Der Batteriestand wird ebenfalls aufgezeichnet.
Wie empfindlich/präzise sind die V-Kerbe-Wehranlagen?
Messina sagt, dass das V-Notch-Wehr ziemlich empfindlich auf Veränderungen im Durchfluss reagiert, selbst wenn es sich nur um eine defekte Sprinkleranlage handelt. Er sagt: "Im Allgemeinen ist es einfach, Spitzen in den Daten zu erkennen. V-förmige Wehre reagieren empfindlich auf sehr kleine Änderungen im Durchfluss, obwohl es davon abhängt, wie viel Wasser sich hinter dem Wehr befindet. In einigen Bereichen, in denen das Zuflussrohr flach ist, können sich hinter dem Wehr 50 Gallonen Wasser ansammeln. Wenn der Durchfluss nur ein kleines Rinnsal ist, dauert es eine Weile, bis sich der Teich hinter dem Wehr füllt. Aber sobald der Teich voll ist, fließt das Wasser einfach durch. In einigen Fällen sind wir durch die Infrastruktur eingeschränkt. Wir setzen ein Wehr ein, das das Wasser zurückstaut, und dann sickert das Wasser einfach durch einen Riss im Rohr. Aber in anderen Gebieten entdecken wir einen einzelnen Sprinkler, der ausgelöst wurde, wo die Daten fünf Minuten lang in die Höhe schnellen und dann wieder zurückgehen."
Im Vergleich zu Durchflussmessungen in natürlichen Fließgewässern ermöglicht die Verwendung von V-Notch-Wehranlagen eine sehr hohe Genauigkeit und eine geringe Unsicherheit. Für Vergleiche von Jahr zu Jahr muss die Datengenauigkeit sehr hoch sein, um kleine prozentuale Änderungen der Durchflüsse zu erkennen. Die Datenqualität des Wehrs hängt direkt von der Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Wasserstandssensors ab. Durch die Verwendung von belüfteten Wasserstandssensoren wie dem HYDROS 21 entfällt die Unsicherheit bei der Durchführung der barometrischen Kompensation, die bei einem nicht belüfteten Druckwandler erforderlich wäre, und es entfällt ein Schritt bei der Datenverarbeitung, um die Kosten für den Analytiker zu senken. Der Landkreis San Diego und Wood haben eine Vergleichsstudie verschiedener Drucksensoren im Labor und vor Ort durchgeführt und festgestellt, dass der Sensor METER HYDROS 21 (früher CTD genannt) unter realen Bedingungen eine Genauigkeit von +/-0,1 Zoll bietet (Burns, 2019).
Kombinieren mehrerer Datenquellen
Die über verschiedene Jahre hinweg gesammelten Flussdaten zeigten in vielen der MS4-Abflüsse variable Werte eines konstanten Basisflusses. Es wurde angenommen, dass der erhöhte Grundwasserabfluss durch höhere vorangegangene, winterliche Regenfälle verursacht wurde, die den Grundwasserspiegel anhoben und eine Infiltration in die MS4 verursachten. Der Landkreis San Diego und Wood führten eine Studie zur Verfolgung der Abflussquellen bei trockenem Wetter durch, um die Beiträge von Abfluss und Grundwasser zum Gesamtabfluss zu bestimmen.
Messina sagt, dass mehrere Datenquellen dabei helfen, verschiedene Quellen des Trockenwetterflusses zu identifizieren, damit der Landkreis San Diego fundierte Entscheidungen treffen kann. "Wir betrachten die Strömungsdynamik, die Geochemie und die stabilen Isotope, um zu sehen, ob wir die Quellen des Wassers charakterisieren können. Die Verhältnisse der stabilen Isotope ändern sich nicht, wenn das Wasser durch das Wassereinzugsgebiet fließt, und behalten die Signatur ihrer ursprünglichen Quelle (Leitungswasser oder Grundwasser) bei, so dass sie gute Referenzdaten sind. Die Flussdynamik kann dann mit stabilen Isotopendaten kombiniert werden. Wenn beispielsweise der Fluss konstant ist und die Isotopendaten auf Leitungswasser hindeuten, handelt es sich wahrscheinlich um ein undichtes Rohr. Wenn die Isotope darauf hinweisen, dass es sich nicht um Leitungswasser handelt, dann ist die konstante Quelle wahrscheinlich Grundwasser. Wir verwenden die Geochemie auch, um bestimmte Quellen von Leitungswasser aufzuspüren, z.B. aufbereitetes Wasser für die Bewässerung. Wir verwenden auch andere Indikatoren, wie Tenside (MBAS). Wenn wir zum Beispiel Tenside nachweisen, deutet das auf Oberflächenabfluss aus einer Autowaschanlage hin."
Burns sagt, dass die elektrischen Leitfähigkeitsdaten der HYDROS 21 Sensoren ebenfalls nützlich sind. Er sagt: "Früher haben wir nur den Wasserstand gemessen. Aber einer der Vorteile der Umstellung
zum HYDROS 21 Sensor ist neben der Erschwinglichkeit und der Telemetrie nahezu in Echtzeit die Messung der Leitfähigkeit. Sie ist eine neue Facette der Daten, die wir jetzt analysieren. Sie ist besonders nützlich, um festzustellen, ob die Sonde trocken ist (es ist überhaupt kein Wasser drin) oder ob ein hoher Durchfluss eine Veränderung der Leitfähigkeit zeigt, zum Beispiel aufgrund von spärlichem, lokalem Regen, der von Regenmessern nicht erkannt wird. Das ist ein weiterer Datenpunkt, der uns hilft zu verstehen, ob es sich um Grundwasser oder Leitungswasser handelt, das in den Regenwasserkanal gelangt."
Gelernte Lektionen
Messina sagt, dass sie im Laufe des Projekts gelernt haben, dass die Messung des Durchflusses in Regenwasserkanälen komplizierter ist, als es zunächst schien. Er erklärt: "Auch wenn es sich um ein Projekt mit geringem Durchfluss handelt, sind einige Abflüsse gar nicht so gering. Wenn ein Hydrant kaputt geht oder jemand ein Schwimmbecken entleert, führt das zu einer enormen Veränderung des Abflusses. Diese große Bandbreite an Durchflüssen ist ein Problem, weil Wehre einen empfohlenen Zielbereich für den Durchfluss haben, d.h. einige Wehre sind für niedrige Durchflüsse ausgelegt, andere für hohe Durchflüsse. Der Pegelsensor HYDROS 21 kann die große Bandbreite an Wasserständen, die wir hinter den Wehren messen, berücksichtigen. Außerdem glaubt jeder, dass wir den Durchfluss in einem geschlossenen System messen. Aber es stellt sich heraus, dass es viele Risse in den Rohren gibt, durch die Wasser ein- oder austritt. Und in einigen Fällen wird die Messung des Durchflusses durch eine gebaute Infrastruktur erschwert, die auf den vorhandenen Karten nicht verzeichnet ist. Ein Wohnbauprojekt könnte einen natürlichen Bach in einen Regenwasserkanal leiten, da dies der einfachste Weg ist, das durch die Siedlung fließende Wasser zu verwalten. Wir messen also eine Mischung aus natürlichen und von Menschenhand geschaffenen Systemen, was weitaus komplexer ist, als uns ursprünglich bewusst war."
Messina fügt hinzu, dass das Verständnis von Flussdaten und Quellen für Trockenwetterflüsse kompliziert sein kann. Er sagt: "Es gibt verwirrende Faktoren. Zum Beispiel: Wenn es in einem Jahr mehr oder weniger regnet, beeinflusst dann der Grundwasserspiegel die Abflüsse, die wir sehen? Auch wenn die absoluten Unterschiede gering sind, kann der relative Unterschied (oder der prozentuale Unterschied) sehr hoch sein, was nicht unbedingt aussagekräftig ist. Wenn sich beispielsweise die Durchflussmenge an einem einzigen Standort von 0,1 auf 0,2 Gallonen pro Tag erhöht, wäre das ein Unterschied von 100%. Nur weil es eine scheinbar große prozentuale Veränderung gibt, muss der Landkreis San Diego nicht unbedingt Ressourcen in diese Problematik stecken.
Programm-Erfolge
Zum Erfolg des Programms des Landkreises San Diego zur Verbesserung der Wasserqualität im Allgemeinen sagt Burns: "Ich denke, wir haben gute Arbeit geleistet, indem wir die Komplexität dessen, womit sie zu tun haben, erklärt haben. Und ich glaube, das war sehr hilfreich." Die Durchflussdaten wurden verwendet, um die Beteiligten davon zu überzeugen, Best Management Practices einzuführen, wie z.B. das Hinzufügen von Pflanzenpuffern und die Umstellung auf trockenheitstolerante Landschaftsgestaltung, um die Überbewässerung zu kontrollieren. Die im darauffolgenden Jahr erhobenen Daten zeigten, dass diese Maßnahmen die Abflüsse in den flussabwärts gelegenen Regenwasserkanälen erfolgreich reduziert haben (Wisniewska und Messina, 2019).
Die Zukunft des Projekts
Die Anforderungen der MS4-Genehmigung, die nicht die Reduzierung des Abwassers betreffen, verlangen von den regionalen Co-Permitgliedern weiterhin, dass sie sich in der Bildung und Öffentlichkeitsarbeit engagieren und den Durchfluss der MS4 überwachen, um die Erreichung der WQIP-Ziele zu bewerten. Obwohl es für die regionalen Parteien von Vorteil wäre, einen ähnlichen Ansatz bei der Überwachung des Abflusses zu verfolgen, gibt es eine Vielzahl von Methoden, die eingesetzt werden können. Dieser Artikel beschreibt kurz viele der Herausforderungen bei der Überwachung von Niedrigwasser und einen genauen Ansatz, bei dem kundenspezifische Wehre mit METER HYDROS 21 Sensoren und cloud-verbundenen Datenloggern verwendet werden. Einer der Hauptvorteile von Daten, die nahezu in Echtzeit vorliegen, ist die Möglichkeit, Datenanomalien zu erkennen und schnell zu reagieren.
Bei METER werden die Funktionen von ZENTRA Cloud durch die Zusammenarbeit mit Gruppen wie dem County of San Diego und Wood in realen Projekten ständig verbessert. Zu den zukünftigen Verbesserungen gehören die Programmierung von primären Durchflussgeräten, um Durchflusswerte in Echtzeit und nicht nur den Pegel anzuzeigen, mehrere Alarmschwellen, die eine Vielzahl oder Kombination von Parametern ansprechen, sowie SMS- und E-Mail-Benachrichtigungen an Gruppen oder Einzelpersonen. Benachrichtigungen ermöglichen es den Teams, in hohem Maße auf die Umgebungsbedingungen zu reagieren und verbessern im Idealfall die Fähigkeit, Flussquellen zu beobachten und zeitnah Abhilfe zu schaffen. Während die Behörden weiterhin schwierigen und oft flüchtigen Abflussquellen nachjagen, ist ein flexibler, erschwinglicher und benutzerfreundlicher Zugang zu zuverlässigen Daten ein wichtiger Verbündeter, um die Ziele der Abflussreduzierung zu erreichen.
Referenzen:
Burns, Jeremy. 2019. "How Accurate are My Flow Data? Water Level Sensor Evaluation to Assess Confidence in Compliance Assessments" California Stormwater Quality Association (CASQA) Annual Conference. Oktober 2019. (Link zur Präsentation)
Wisniewska, Joanna, und Messina, Alex. 2019 "Flow Source Forensics: Using Multiple Lines of Evidence to Identify and Quantify Dry-Weather Flow Sources". CASQA) Annual Conference. Oktober 2019. (Link zur Präsentation)
Anmerkungen:
*Anordnung Nr. R9-2013-0001, geändert durch die Anordnungen Nr. R9-2015-0001 und R9-2015- 0100. National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) Permit and Waste Discharge Requirements for Discharges from the Municipal Separate Storm Sewer Systems (MS4s) Draining the Watersheds within the San Diego Region.
**MS4 Permit-Definition von trockenem Wetter ist: "Das Wetter gilt als trocken, wenn in den vorangegangenen 72 Stunden kein messbarer Niederschlag (>0,1 inch) gefallen ist."
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