El condado de San Diego utiliza datos casi en tiempo real para reducir los caudales en tiempo seco
Para proteger las masas de agua de California, el condado de San Diego se ha asociado con empresas de ingeniería y consultoría como Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) para llevar a cabo un programa de control de caudales que identifique los episodios transitorios de caudal elevado y realice un seguimiento de las reducciones de caudal en tiempo seco de un año a otro.
El condado de San Diego, el segundo más poblado de California, está flanqueado por más de 70 millas de costa y algunos de los lugares de recreo acuático más bellos de Estados Unidos. El condado de San Diego es uno de los múltiples copermisionarios* del Sistema Municipal Separado de Alcantarillado Pluvial (MS4) de la región de San Diego responsables de proteger la calidad del agua a lo largo de la costa que puede verse afectada por flujos de aguas no pluviales o "de tiempo seco" a través de la red de alcantarillado pluvial. Para proteger estos cuerpos de agua, el Condado de San Diego se ha asociado con empresas de ingeniería y consultoría como Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) para ejecutar un programa de monitoreo de flujo que identifica eventos transitorios de alto flujo y rastrea las reducciones de flujo de tiempo seco de año en año. Desde 2017, Wood ha estado utilizando registradores de datos METER y sensores de nivel de agua para proporcionar datos de caudal de alta calidad que satisfagan las necesidades del programa.
Datos de flujo en tiempo casi real
El flujo en tiempo seco, o "flujo no pluvial", es el agua que entra en la MS4 en un día normal sin precipitaciones**. El flujo en tiempo seco puede transportar bacterias y otros contaminantes y está causado por fuentes transitorias como el riego excesivo, el vaciado de una piscina, el lavado de coches y el vertido ilegal de aguas residuales, así como por fuentes de flujo constante como la infiltración de aguas subterráneas y la rotura de tuberías subterráneas. Neil Searing, planificador de uso del suelo y medio ambiente del condado de San Diego, afirma: "Uno de nuestros principales objetivos es reducir los contaminantes mediante la reducción de los flujos de aguas no pluviales a través de nuestro permiso MS4. Tenemos que medir esos objetivos, y ahí es donde entra en juego el programa de seguimiento. Necesitamos una forma de cuantificar las reducciones de caudal para ver si nuestras estrategias tienen éxito".
El condado de San Diego supervisa anualmente entre 80 y 90 emisarios MS4 en relación con los caudales en tiempo seco de mayo a octubre. El método principal utilizado en la mayoría de los emplazamientos combina un vertedero en V, el sensor HYDROS 21 de METER (nivel del agua, temperatura y conductividad eléctrica) y un registrador de datos conectado a cloud. El registrador transmite la información a un programa informático de gestión de datos denominado , que permite a los usuarios ver los datos de forma remota, casi en tiempo seco. El registrador transmite la información a un programa informático de gestión de datos llamado ZENTRA Cloud que permite a los usuarios ver los datos a distancia casi en tiempo real.
Una vez identificados los caudales anómalos o elevados, el personal del Condado de San Diego y de Wood lleva a cabo actividades de divulgación y educación para reducir estas fuentes de caudal. Ver los datos casi en tiempo real permite detectar caudales elevados, tomar decisiones rápidas y gestionar en función de los datos. Jeremy Burns y Alex Messina son científicos medioambientales de Wood que dirigen los aspectos técnicos y de análisis de datos del programa de control de caudales. Burns explica: "El plan de mejora de la calidad del agua (WQIP ) de San Diego trabaja para alcanzar diferentes objetivos normativos para el cumplimiento de su permiso NPDES. Uno de estos objetivos es la reducción porcentual del caudal en tiempo secoa lo largo del tiempo. Están realizando un seguimiento de los caudales en tiempo seco en una serie de lugares para comprobar si las medidas de gestión han sido eficaces. Utilizan los datos de caudal que recogemos para descubrir posibles problemas. Por ejemplo, cuando observamos periodos recurrentes de picos de caudal, el condado de San Diego sale a observar el lugar. Puede que descubran un aspersor roto que vierte al desagüe y pidan a los vecinos que lo reparen".
La figura 3 es un ejemplo de un lugar con caudales elevados regulares, probablemente debido a un exceso de riego nocturno. Se observan caudales elevados todas las noches alrededor de medianoche. La función "Rangos objetivo" de ZENTRA Cloud permite a Wood establecer umbrales fácilmente visibles para los caudales altos. El gris indica que el nivel del agua está por debajo de la muesca en V de la presa (no fluye), el verde indica que el agua fluye a través de la muesca en V, el amarillo indica que el agua fluye en la parte rectangular de la presa y el rojo indica que la presa está completamente sumergida. También se representa el nivel de la batería.
¿Cuál es la sensibilidad/precisión de los vertederos en V?
Messina afirma que la configuración del vertedero en V es muy sensible a los cambios de caudal, aunque sólo se trate de un aspersor estropeado. En general, es fácil ver picos en los datos. Los vertederos en V son sensibles a cambios muy pequeños en el caudal, aunque depende de la cantidad de agua que haya detrás del vertedero. En algunas zonas donde la tubería de entrada es plana, puede haber 50 galones de agua estancada detrás de la presa. Si el caudal es escaso, el estanque tarda un poco en llenarse. Pero una vez que el estanque está lleno, fluye a través de él. En algunos casos, estamos limitados por la infraestructura. Colocamos una presa que retiene el agua y ésta se filtra por una grieta de la tubería. Pero en otras zonas detectamos un solo aspersor que se ha disparado, los datos se disparan durante cinco minutos y luego vuelven a bajar".
En comparación con las mediciones de caudal en los cauces naturales, el uso de vertederos en V permite una precisión muy alta y una incertidumbre baja. Para las comparaciones interanuales, la precisión de los datos debe ser muy alta para detectar pequeños cambios porcentuales en los caudales, y la calidad de los datos del vertedero depende directamente de la precisión y fiabilidad del sensor de nivel de agua. El uso de sensores de nivel de agua ventilados como el HYDROS 21 elimina la incertidumbre de realizar la compensación barométrica que sería necesaria para un transductor de presión no ventilado, y elimina un paso del procesamiento de datos para reducir los costes de los analistas. El condado de San Diego y Wood llevaron a cabo un estudio comparativo de diferentes transductores de presión en el laboratorio y sobre el terreno y descubrieron que el sensor METER HYDROS 21 (anteriormente denominado CTD) ofrecía un rendimiento en el mundo real de +/-0,1 pulgadas de precisión (Burns, 2019).
Combinar múltiples fuentes de datos
Los datos de caudal recogidos a lo largo de diferentes años mostraron niveles variables de caudal base constante en muchos de los emisarios de la MS4. La hipótesis era que el aumento del caudal de base se debía a que las precipitaciones invernales elevaban el nivel freático y provocaban la infiltración en la MS4. El condado de San Diego y Wood llevaron a cabo un estudio de seguimiento de las fuentes de flujo en tiempo seco para determinar la contribución de los grifos y las aguas subterráneas a los flujos totales.
Messina afirma que múltiples fuentes de datos ayudan a identificar las distintas fuentes de flujo en tiempo seco para que el condado de San Diego pueda tomar decisiones con conocimiento de causa. "Observamos la dinámica del flujo, la geoquímica y los isótopos estables para ver si podemos caracterizar las fuentes del agua. Las proporciones de isótopos estables no cambian a medida que el agua se desplaza por la cuenca y conservan la firma de su fuente de flujo original (agua del grifo o subterránea), por lo que son buenos datos de referencia. La dinámica del flujo puede combinarse con los datos de isótopos estables. Por ejemplo, si el caudal es constante y los datos isotópicos indican agua del grifo, probablemente se trate de una tubería con fugas. Si los isótopos indican que no es agua del grifo, es probable que la fuente constante sean las aguas subterráneas. También utilizamos la geoquímica para detectar fuentes específicas de agua del grifo, como el agua regenerada utilizada para el riego. También utilizamos otros indicadores, como los tensioactivos (MBAS). Si detectamos tensioactivos, por ejemplo, eso indicaría una escorrentía superficial procedente, por ejemplo, de un lavadero de coches".
Burns afirma que los datos de conductividad eléctrica de los sensores de HYDROS 21 también son útiles. Antes sólo medíamos el nivel del agua. Pero una de las ventajas de
al sensor HYDROS 21, además de la asequibilidad y la telemetría casi en tiempo real, es la medición de la conductividad. Ha añadido una nueva faceta a los datos que ahora analizamos. Es especialmente útil para ver si la sonda está seca (no hay agua en absoluto) o si un caudal elevado muestra un cambio en la conductividad, por ejemplo debido a una lluvia escasa y localizada que no detectan los pluviómetros. Es otro dato que nos ayuda a entender si se trata de una entrada de aguas subterráneas o de agua del grifo al desagüe pluvial".
Lecciones aprendidas
Messina afirma que a lo largo del proyecto se dieron cuenta de que medir el caudal en los desagües pluviales era más complicado de lo que parecía al principio. Aunque se trate de un proyecto de "bajo caudal", algunos desagües pluviales no lo son en absoluto. Si se rompe una boca de incendios o alguien vacía una piscina, se produce un cambio enorme en el caudal". Esta amplia gama de caudales es un problema porque los vertederos tienen un rango objetivo de caudal recomendado, lo que significa que algunos vertederos están diseñados para caudales bajos y otros para caudales altos. El sensor de nivel HYDROS 21 puede adaptarse a la amplia gama de niveles de agua que medimos detrás de los vertederos. Además, todo el mundo piensa que medimos el caudal en un sistema sellado. Pero resulta que hay muchas grietas en las tuberías por donde entra o sale el agua. Y, en algunos casos, la medición del caudal se complica por infraestructuras construidas que no aparecen en los mapas existentes. Un proyecto de viviendas puede dirigir un arroyo natural a un desagüe pluvial como el lugar más fácil para gestionar el agua que fluye a través de la urbanización. Así que estamos midiendo una mezcla de sistemas naturales y construidos por el hombre, lo que es mucho más complejo de lo que pensábamos en un principio".
Messina añade que comprender los datos de caudal y las fuentes de caudal en tiempo seco puede ser complicado. Hay factores de confusión. Por ejemplo: si llueve más o menos un año, ¿influyen las capas freáticas en los caudales que vemos? Además, cuando las diferencias absolutas son pequeñas, la diferencia relativa (o diferencia porcentual) puede ser muy alta, y eso puede no ser informativo. Por ejemplo, si el caudal pasara de 0,1 a 0,2 galones al día en un solo lugar, sería una diferencia del 100%. Sólo porque haya un cambio porcentual aparentemente grande, puede que no sea algo en lo que el condado de San Diego deba invertir recursos".
Éxitos del programa
Sobre el éxito del programa de mejora de la calidad del agua del condado de San Diego en general, Burns dice: "Creo que hemos hecho un buen trabajo explicando las complejidades a las que se enfrentan. Y creo que ha sido útil". Los datos de caudal se han utilizado para convencer a las partes interesadas de que instauren mejores prácticas de gestión, como la adición de zonas de amortiguación vegetal y la conversión a paisajismo tolerante a la sequía para controlar el exceso de riego. Los datos de caudal recogidos al año siguiente mostraron que estos esfuerzos redujeron con éxito los caudales en los desagües pluviales aguas abajo (Wisniewska y Messina, 2019).
El futuro del proyecto
Los requisitos de reducción de las aguas no pluviales del permiso de la MS4 seguirán exigiendo a los copermisionarios regionales que participen en actividades de educación y divulgación y que controlen el caudal de la MS4 para evaluar la consecución de los objetivos del WQIP. Aunque sería beneficioso que las partes regionales siguieran un enfoque similar para el seguimiento del caudal, existen diversos métodos que pueden emplearse. Este documento describe brevemente muchos de los retos que plantea la monitorización de caudales bajos y un enfoque preciso que utiliza vertederos personalizados con sensores METER HYDROS 21 y registradores de datos conectados a cloud. Una de las principales ventajas de los datos casi en tiempo real es la posibilidad de detectar anomalías en los datos y responder rápidamente.
En METER, las capacidades de ZENTRA Cloud se mejoran continuamente mediante la colaboración en proyectos reales con grupos como el Condado de San Diego y Wood. Algunas mejoras futuras incluyen la programación de dispositivos de caudal primario para ver valores de caudal en tiempo real en lugar de sólo el nivel; múltiples umbrales de alarma que abordan una variedad o combinación de parámetros; y notificaciones por SMS y correo electrónico a grupos o individuos. Las notificaciones permiten a los equipos ser muy receptivos a las condiciones ambientales e, idealmente, mejoran la capacidad de observar las fuentes de caudal y poner remedio a tiempo. Mientras los organismos siguen persiguiendo fuentes de caudal difíciles y a menudo fugaces, disponer de un acceso ágil, asequible y fácil a datos fiables es un aliado clave para alcanzar los objetivos de reducción del caudal.
Referencias:
Burns, Jeremy. 2019. "¿Qué tan precisos son mis datos de flujo? Evaluación de sensores de nivel de agua para evaluar la confianza en las evaluaciones de cumplimiento" Conferencia anual de la Asociación de Calidad de Aguas Pluviales de California (CASQA). Octubre de 2019. (Enlace a la presentación)
Wisniewska, Joanna, y Messina, Alex. 2019 "Forense de fuentes de flujo: Using Multiple Lines of Evidence to Identify and Quantify Dry-Weather Flow Sources". CASQA) Conferencia anual. Octubre de 2019. (Enlace a la presentación)
Notas:
*Orden nº R9-2013-0001, modificada por las órdenes nº R9-2015-0001 y R9-2015- 0100. Permiso del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes (NPDES) y Requisitos de Descarga de Residuos para Descargas de los Sistemas Municipales Separados de Alcantarillado Pluvial (MS4s) que Drenan las Cuencas Hidrográficas dentro de la Región de San Diego.
**La definición de tiempo seco del permiso MS4 es "El tiempo se considera seco si en las 72 horas precedentes no ha habido precipitaciones mensurables (>0,1 pulgadas)".
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