La contea di San Diego utilizza dati quasi in tempo reale per ridurre i flussi in tempo di siccità
Per proteggere i corpi idrici californiani, la Contea di San Diego si è associata a società di ingegneria e consulenza come Wood Environment and Infrastructure, Inc. per eseguire un programma di monitoraggio dei flussi che identifica gli eventi transitori di alta portata e traccia le riduzioni di flusso nel periodo secco da un anno all'altro.
La Contea di San Diego, la seconda contea più popolosa della California, è fiancheggiata da oltre 70 miglia di costa e da alcuni dei più bei siti ricreativi acquatici degli Stati Uniti. La Contea di San Diego è uno dei molteplici copermitati del San Diego Regional Municipal Separate Storm Sewer System (MS4) Permit*, responsabile della protezione della qualità dell'acqua lungo la costa, che può essere influenzata da flussi di acque non meteoriche o da "tempo asciutto" attraverso la rete di drenaggio delle acque piovane. Per proteggere questi corpi idrici, la Contea di San Diego ha collaborato con società di ingegneria e consulenza come Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood) per eseguire un programma di monitoraggio dei flussi che identifica gli eventi transitori di alta portata e traccia le riduzioni dei flussi in tempo secco di anno in anno. Dal 2017 Wood utilizza registratori di dati METER e sensori di livello dell'acqua per fornire dati di flusso di alta qualità per soddisfare le esigenze del programma.
Dati di flusso in tempo quasi reale
Il flusso in tempo secco, o "flusso di acque non meteoriche", è qualsiasi acqua che entra nella MS4 in un giorno tipico senza precipitazioni**. Il flusso in tempo secco può trasportare batteri e altri inquinanti ed è causato da fonti transitorie come l'irrigazione eccessiva, lo svuotamento di una piscina, il lavaggio di un'auto e lo scarico illegale di liquami, nonché da fonti a flusso costante come l'infiltrazione delle acque sotterranee e la rottura di tubi sotterranei. Neil Searing, pianificatore territoriale/ambientale della Contea di San Diego, afferma: "Uno dei nostri obiettivi principali è quello di ridurre gli inquinanti attraverso la riduzione dei flussi di acque non meteoriche attraverso il nostro permesso MS4. Dobbiamo misurare questi obiettivi, ed è qui che entra in gioco il programma di monitoraggio. Abbiamo bisogno di un modo per quantificare le riduzioni di flusso per vedere se le nostre strategie hanno successo".
La Contea di San Diego monitora annualmente circa 80-90 scarichi MS4 per i flussi in tempo asciutto da maggio a ottobre. L'approccio principale utilizzato nella maggior parte dei siti combina uno sbarramento a V, il sensore HYDROS 21 di METER (livello dell'acqua, temperatura e conducibilità elettrica) e un registratore di dati collegato a cloud. Il logger trasmette le informazioni a un software di gestione dei dati chiamato ZENTRA Cloud che consente agli utenti di visualizzare i dati a distanza in tempo quasi reale.
Una volta identificati i flussi anomali o elevati, il personale della Contea di San Diego e di Wood svolge attività di sensibilizzazione ed educazione per ridurre queste fonti di flusso. La visione dei dati in tempo quasi reale consente di individuare i flussi elevati, di prendere decisioni rapide e di gestire i dati in modo orientato. Jeremy Burns e Alex Messina sono scienziati ambientali del Wood e si occupano degli aspetti tecnici e di analisi dei dati del programma di monitoraggio dei flussi. Burns spiega: "Il piano di miglioramento della qualità dell'acqua (WQIP) di San Diego è finalizzato al raggiungimento di diversi obiettivi normativi per la conformità al permesso NPDES. Uno di questi obiettivi è la riduzione percentuale del flusso di tempo secco nel tempo. Il Comune sta monitorando i flussi di tempo secco in una serie di siti per verificare l'efficacia delle azioni di gestione. Utilizzano i dati di flusso che raccogliamo per scoprire potenziali problemi. Ad esempio, quando notiamo periodi ricorrenti di picchi di flusso, la Contea di San Diego esce e osserva il sito. Potrebbero trovare un irrigatore rotto che si riversa nel canale di scolo e chiedere ai residenti di ripararlo".
La Figura 3 è un esempio di un sito con flussi elevati regolari, probabilmente dovuti a un'irrigazione notturna eccessiva. I flussi elevati vengono osservati ogni notte intorno a mezzanotte. La funzione "Target Ranges" di ZENTRA Cloud consente a Wood di impostare soglie facilmente visibili per le portate elevate. Il grigio indica che il livello dell'acqua è al di sotto della tacca a V dello sbarramento (non scorre), il verde indica che l'acqua scorre attraverso la tacca a V, il giallo indica che l'acqua scorre nella parte rettangolare dello sbarramento e il rosso indica che lo sbarramento è completamente sommerso. Viene tracciato anche il livello della batteria.
Quanto sono sensibili/accurati gli sbarramenti con intaglio a V?
Messina afferma che la configurazione dello stramazzo a V è piuttosto sensibile alle variazioni di flusso, anche se si tratta di un semplice irrigatore che si guasta. Dice: "In generale, è facile vedere i picchi nei dati. Gli stramazzi con intaglio a V sono sensibili a variazioni di flusso molto piccole, anche se dipende da quanta acqua si trova dietro lo stramazzo. In alcune aree in cui il tubo in entrata è piatto, si possono avere 50 galloni di acqua che si accumulano dietro lo stramazzo. Se il flusso è un piccolo rivolo, il laghetto di sbarramento impiega un po' di tempo a riempirsi. Ma una volta che lo stagno è pieno, l'acqua passa direttamente attraverso di esso. In alcuni casi, siamo limitati dalle infrastrutture. Mettiamo uno sbarramento, l'acqua viene fatta risalire e poi l'acqua passa attraverso una fessura nel tubo. In altre aree, invece, rileviamo un singolo irrigatore che si è attivato e i dati hanno un picco per cinque minuti e poi tornano a scendere".
Rispetto alle misure di portata nei canali naturali, l'uso di stramazzi con intaglio a V consente un'accuratezza molto elevata e una bassa incertezza. Per i confronti da un anno all'altro, l'accuratezza dei dati deve essere molto elevata per rilevare piccole variazioni percentuali dei flussi e la qualità dei dati dello stramazzo dipende direttamente dall'accuratezza e dall'affidabilità del sensore di livello dell'acqua. L'uso di sensori di livello dell'acqua con sfiato, come il HYDROS 21, elimina l'incertezza di eseguire la compensazione barometrica, che sarebbe necessaria per un trasduttore di pressione non con sfiato, ed elimina una fase dell'elaborazione dei dati per ridurre i costi di analisi. La Contea di San Diego e Wood hanno condotto uno studio di confronto tra diversi trasduttori di pressione in laboratorio e sul campo e hanno scoperto che il sensore METER HYDROS 21 (precedentemente denominato CTD) fornisce prestazioni reali con una precisione di +/-0,1 pollici (Burns, 2019).
Combinare più fonti di dati
I dati di portata raccolti in diversi anni hanno mostrato livelli variabili di flusso di base costante in molti degli scarichi della MS4. Si è ipotizzato che l'aumento del flusso di base sia dovuto alle maggiori precipitazioni invernali precedenti, che hanno innalzato la falda freatica e causato l'infiltrazione nell'MS4. La Contea di San Diego e Wood hanno condotto uno studio di tracciamento delle fonti di flusso in tempo secco per determinare i contributi della falda e delle acque sotterranee ai flussi totali.
Messina afferma che più fonti di dati aiutano a identificare le diverse fonti di flusso del tempo secco, in modo che la Contea di San Diego possa prendere decisioni informate. "Esaminiamo le dinamiche del flusso, la geochimica e gli isotopi stabili per vedere se possiamo caratterizzare le fonti dell'acqua. I rapporti degli isotopi stabili non cambiano quando l'acqua si muove attraverso il bacino idrografico e mantengono la firma della loro fonte originaria (acqua di rubinetto o acque sotterranee), quindi sono buoni dati di riferimento. La dinamica del flusso può essere combinata con i dati degli isotopi stabili. Ad esempio, se il flusso è costante e i dati isotopici indicano che si tratta di acqua di rubinetto, probabilmente si tratta di un tubo che perde. Se gli isotopi indicano che non si tratta di acqua di rubinetto, la fonte costante è probabilmente l'acqua di falda. Utilizziamo anche la geochimica per individuare fonti specifiche di acqua di rubinetto, come l'acqua di recupero utilizzata per l'irrigazione. Utilizziamo anche altri indicatori, come i tensioattivi (MBAS). Se rileviamo tensioattivi, ad esempio, questo indicherebbe un deflusso superficiale proveniente, ad esempio, da un autolavaggio".
Burns afferma che anche i dati sulla conducibilità elettrica dei sensori HYDROS 21 sono utili. Dice: "Di solito misuravamo solo il livello dell'acqua. Ma uno dei vantaggi del passaggio al sensore
al sensore HYDROS 21, oltre all'economicità e alla telemetria quasi in tempo reale, è la misurazione della conducibilità. Ha aggiunto un nuovo aspetto dei dati che ora analizziamo. È particolarmente utile per vedere se la sonda è asciutta (non c'è acqua) o se un flusso elevato mostra un cambiamento nella conduttività, ad esempio a causa di una pioggia rada e localizzata che non viene rilevata dai pluviometri. È un altro dato che ci aiuta a capire se si tratta di un ingresso di acqua di falda o di acqua di rubinetto nel canale di scolo".
Lezioni apprese
Messina dice che nel corso del progetto hanno imparato che misurare il flusso nei canali di scolo è più complicato di quanto sembrasse all'inizio. Spiega: "Anche se si tratta di un progetto "a basso flusso", alcuni scarichi non sono affatto a basso flusso. La rottura di un idrante o lo svuotamento di una piscina causano un'enorme variazione di flusso. Questa ampia gamma di flussi è un problema perché le dighe hanno un intervallo di portata consigliato, il che significa che alcune dighe sono progettate per flussi bassi e altre per flussi elevati. Il sensore di livello HYDROS 21 è in grado di gestire l'ampia gamma di livelli d'acqua che misuriamo dietro gli sbarramenti. Inoltre, tutti pensano che stiamo misurando il flusso in un sistema sigillato. Ma si scopre che ci sono molte fessure nei tubi da cui l'acqua entra o esce. In alcuni casi, inoltre, la misurazione del flusso è complicata da infrastrutture costruite che non sono riportate sulle mappe esistenti. Un progetto abitativo potrebbe far confluire un torrente naturale in un canale di scolo, ritenendolo il luogo più semplice per gestire l'acqua che scorre attraverso il complesso. Quindi stiamo misurando un mix di sistemi naturali e costruiti dall'uomo, il che è molto più complesso di quanto inizialmente previsto".
Messina aggiunge che la comprensione dei dati di flusso e delle fonti di flusso del tempo secco può essere complicata. Afferma: "Ci sono fattori confondenti. Per esempio: se in un anno piove di più o di meno, le falde acquifere influenzano i flussi che vediamo? Inoltre, quando le differenze assolute sono piccole, la differenza relativa (o differenza percentuale) può essere molto alta, e questo potrebbe non essere informativo. Ad esempio, se la portata passasse da 0,1 a 0,2 galloni al giorno in un singolo sito, la differenza sarebbe del 100%. Solo perché c'è una variazione percentuale apparentemente grande, potrebbe non essere qualcosa di cui la Contea di San Diego deve occuparsi".
Successi del programma
Riguardo al successo del programma di miglioramento della qualità dell'acqua della Contea di San Diego in generale, Burns afferma: "Penso che abbiamo fatto un buon lavoro spiegando le complessità di ciò che stanno affrontando. E credo che sia stato utile". I dati sul flusso sono stati utilizzati per convincere le parti interessate a istituire pratiche di gestione ottimali, come l'aggiunta di buffer vegetativi e la conversione a piante resistenti alla siccità per controllare l'irrigazione eccessiva. I dati di flusso raccolti l'anno successivo hanno dimostrato che questi sforzi sono riusciti a ridurre i flussi nei canali di scolo a valle (Wisniewska e Messina, 2019).
Il futuro del progetto
I requisiti di riduzione delle acque non meteoriche previsti dal Permesso MS4 continueranno a richiedere ai co-permessi regionali di impegnarsi in attività di educazione e sensibilizzazione e di monitorare il flusso MS4 per valutare il raggiungimento degli obiettivi WQIP. Anche se sarebbe utile che le parti regionali seguissero un approccio simile al monitoraggio dei flussi, esistono diversi metodi che possono essere utilizzati. Il presente documento descrive brevemente molte delle sfide per il monitoraggio delle basse portate e un approccio accurato che prevede l'utilizzo di stramazzi personalizzati con sensori METER HYDROS 21 e registratori di dati collegati a cloud. Uno dei principali vantaggi dei dati in tempo quasi reale è la capacità di individuare le anomalie e di reagire rapidamente.
In METER, le capacità di ZENTRA Cloud vengono continuamente migliorate grazie alla collaborazione con progetti reali di gruppi come la Contea di San Diego e Wood. Alcuni miglioramenti futuri includono la programmazione dei dispositivi di flusso primari per visualizzare i valori di flusso in tempo reale anziché solo il livello; soglie di allarme multiple che riguardano una varietà o una combinazione di parametri; notifiche via SMS e via e-mail a gruppi o individui. Le notifiche consentono alle squadre di essere altamente reattive alle condizioni ambientali e, idealmente, migliorano la capacità di osservare le fonti di flusso e di porvi rimedio in modo tempestivo. Mentre le agenzie continuano a inseguire fonti di flusso difficili e spesso fugaci, avere un accesso agile, conveniente e facile da usare a dati affidabili è un alleato fondamentale per raggiungere gli obiettivi di riduzione del flusso.
Riferimenti:
Burns, Jeremy. 2019. "Quanto sono accurati i miei dati di flusso? Water Level Sensor Evaluation to Assess Confidence in Compliance Assessments" Conferenza annuale della California Stormwater Quality Association (CASQA). Ottobre 2019. (Link alla presentazione)
Wisniewska, Joanna e Messina, Alex. 2019 "Forensics delle sorgenti di flusso: Using Multiple Lines of Evidence to Identify and Quantify Dry-Weather Flow Sources". Conferenza annuale CASQA). Ottobre 2019. (Link alla presentazione)
Note:
*Ordinanza n. R9-2013-0001, modificata dalle ordinanze n. R9-2015-0001 e R9-2015- 0100. Autorizzazione del Sistema Nazionale di Eliminazione degli Scarichi di Inquinanti (NPDES) e requisiti per gli scarichi dei sistemi municipali separati di raccolta delle tempeste (MS4) che drenano i bacini idrografici della regione di San Diego.
La definizione di tempo secco dell'autorizzazione **MS4 è "Il tempo è considerato secco se nelle 72 ore precedenti non si sono verificate precipitazioni misurabili (>0,1 pollici)".
Domande?
Volete sapere come i sensori HYDROS 21 possono essere utilizzati nelle vostre applicazioni? Parlate con un esperto: i nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare i clienti a misurare una miriade di parametri ambientali.
