Hrabstwo San Diego wykorzystuje dane w czasie zbliżonym do rzeczywistego, aby ograniczyć przepływy w czasie suszy
Aby chronić kalifornijskie zbiorniki wodne, hrabstwo San Diego nawiązało współpracę z firmami inżynieryjnymi i konsultingowymi, takimi jak Wood Environment and Infrastructure, Inc. w celu realizacji programu monitorowania przepływu, który identyfikuje przejściowe zdarzenia wysokiego przepływu i śledzi redukcje przepływu w porze suchej z roku na rok.
Hrabstwo San Diego, drugie najbardziej zaludnione hrabstwo w Kalifornii, otoczone jest ponad 70 milami wybrzeża i jednymi z najpiękniejszych wodnych terenów rekreacyjnych w Stanach Zjednoczonych. Hrabstwo San Diego jest jednym z wielu komitetów odpowiedzialnych za ochronę jakości wody wzdłuż linii brzegowej, na którą mogą mieć wpływ przepływy niebędące ściekami opadowymi lub "suchą pogodą" przez sieć kanalizacji burzowej. Aby chronić te zbiorniki wodne, hrabstwo San Diego nawiązało współpracę z firmami inżynieryjnymi i konsultingowymi, takimi jak Wood Environment and Infrastructure, Inc. (Wood), w celu realizacji programu monitorowania przepływu, który identyfikuje przejściowe zdarzenia wysokiego przepływu i śledzi redukcje przepływu w porze suchej z roku na rok. Od 2017 roku Wood używa rejestratorów danych METER i czujników poziomu wody, aby dostarczać wysokiej jakości dane o przepływie w celu spełnienia potrzeb programu.
Dane o przepływie w czasie zbliżonym do rzeczywistego
Przepływ w suchych warunkach pogodowych lub "przepływ bez opadów" to każda woda wpływająca do MS4 w typowy dzień bez opadów**. Przepływ w suchej pogodzie może przenosić bakterie i inne zanieczyszczenia i jest powodowany przez źródła przejściowe, takie jak nadmierne nawadnianie, opróżnianie basenu, mycie samochodów i nielegalne zrzuty ścieków, a także źródła stale płynące, takie jak infiltracja wód gruntowych i pęknięte rury podziemne. Neil Searing, Land Use/Environmental Planner w hrabstwie San Diego mówi: "Jednym z naszych głównych celów jest redukcja zanieczyszczeń poprzez zmniejszenie przepływów innych niż ścieki opadowe w ramach naszego zezwolenia MS4. Musimy zmierzyć te cele i tu właśnie pojawia się program monitorowania. Potrzebujemy sposobu na ilościowe określenie redukcji przepływu, aby sprawdzić, czy nasze strategie są skuteczne".
Hrabstwo San Diego monitoruje około 80-90 odpływów MS4 rocznie pod kątem przepływów przy suchej pogodzie od maja do października. Główne podejście stosowane w większości lokalizacji łączy jaz w kształcie litery V, czujnik METER HYDROS 21 (poziom wody, temperatura i przewodność elektryczna) oraz rejestrator danych podłączony do strony cloud. Rejestrator przekazuje informacje do oprogramowania do zarządzania danymi o nazwie ZENTRA Cloud , które umożliwia użytkownikom zdalne przeglądanie danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego.
Po zidentyfikowaniu anomalii lub podwyższonych przepływów, pracownicy hrabstwa San Diego i Wood prowadzą działania informacyjne i edukacyjne w celu ograniczenia tych źródeł przepływu. Wgląd w dane w czasie zbliżonym do rzeczywistego pozwala na wykrywanie dużych przepływów, szybkie podejmowanie decyzji i zarządzanie oparte na danych. Jeremy Burns i Alex Messina to naukowcy zajmujący się środowiskiem w Wood, prowadzący techniczne i analityczne aspekty programu monitorowania przepływu. Burns wyjaśnia: "Plan poprawy jakości wody w San Diego (WQIP) dąży do osiągnięcia różnych celów regulacyjnych w zakresie zgodności z pozwoleniem NPDES. Jednym z tych celów jest procentowa redukcja przepływu przy suchej pogodzie w czasie. Firma śledzi przepływy przy suchej pogodzie w wielu miejscach, aby sprawdzić, czy działania w zakresie zarządzania były skuteczne. Wykorzystują zbierane przez nas dane dotyczące przepływu do wykrywania potencjalnych problemów. Na przykład, gdy widzimy powtarzające się okresy skoków przepływu, hrabstwo San Diego udaje się na miejsce i obserwuje teren. Mogą znaleźć zepsuty zraszacz, który wpływa do kanalizacji burzowej i poprosić mieszkańców o jego naprawę".
Rysunek 3 jest przykładem miejsca z regularnymi wysokimi przepływami, prawdopodobnie spowodowanymi nocnym nadmiernym nawadnianiem. Wysokie przepływy obserwowane są każdej nocy około północy. Funkcja "Target Ranges" na stronie ZENTRA Cloud pozwala Woodowi ustawić łatwo widoczne progi dla wysokich przepływów. Kolorem szarym zaznaczono miejsce, w którym poziom wody znajduje się poniżej wycięcia w kształcie litery V jazu (brak przepływu), kolor zielony oznacza wodę przepływającą przez wycięcie w kształcie litery V, kolor żółty oznacza wodę przepływającą w prostokątnej części jazu, a kolor czerwony oznacza, że jaz jest całkowicie zanurzony. Nanoszony jest również poziom naładowania baterii.
Jak czułe/dokładne są jazy V-notch?
Messina twierdzi, że konfiguracja jazu V-notch jest dość wrażliwa na zmiany przepływu, nawet jeśli jest to tylko zraszacz. Mówi: "Ogólnie rzecz biorąc, łatwo jest dostrzec skoki w danych. Jazy V-notch są wrażliwe na bardzo małe zmiany przepływu, choć zależy to od ilości wody znajdującej się za jazem. W niektórych obszarach, gdzie rura dopływowa jest płaska, za jazem może znajdować się 50 galonów wody. Jeśli przepływ jest niewielki, napełnienie stawu jazowego zajmuje trochę czasu. Ale gdy staw jest pełny, woda przepływa przez niego. W niektórych przypadkach ogranicza nas infrastruktura. Umieszczamy jaz, który spiętrza wodę, a następnie woda po prostu przesącza się przez pęknięcie w rurze. Ale w innych obszarach wykrywamy pojedynczy zraszacz, który został uruchomiony, gdzie dane rosną przez pięć minut, a następnie spadają".
W porównaniu z pomiarami przepływu w naturalnych kanałach strumieniowych, zastosowanie jazów z karbem w kształcie litery V zapewnia bardzo wysoką dokładność i niską niepewność. W przypadku porównań rok do roku dokładność danych musi być bardzo wysoka, aby wykryć niewielkie procentowe zmiany przepływów, a jakość danych z jazu zależy bezpośrednio od dokładności i niezawodności czujnika poziomu wody. Korzystanie z wentylowanych czujników poziomu wody, takich jak HYDROS 21, eliminuje niepewność związaną z kompensacją barometryczną, która byłaby potrzebna w przypadku niewentylowanego przetwornika ciśnienia, a także eliminuje etap przetwarzania danych w celu zmniejszenia kosztów analitycznych. Hrabstwo San Diego i Wood przeprowadzili badanie porównawcze różnych przetworników ciśnienia w laboratorium i w terenie i stwierdzili, że czujnik METER HYDROS 21 (dawniej nazywany CTD) zapewnia rzeczywistą dokładność +/-0,1 cala (Burns, 2019).
Łączenie wielu źródeł danych
Dane dotyczące przepływu zebrane w różnych latach wykazały zmienne poziomy stałego przepływu podstawowego w wielu odpływach MS4. Przypuszcza się, że zwiększony przepływ podstawowy był spowodowany wyższymi opadami deszczu w zimie, które podniosły poziom wód gruntowych i spowodowały infiltrację do MS4. Hrabstwo San Diego i Wood przeprowadziły badanie śledzenia źródła przepływu w porze suchej w celu określenia udziału wód gruntowych i kranowych w całkowitym przepływie.
Messina mówi, że wiele źródeł danych pomaga zidentyfikować różne źródła przepływu wody w czasie suszy, dzięki czemu hrabstwo San Diego może podejmować świadome decyzje. "Patrzymy na dynamikę przepływu, geochemię i stabilne izotopy, aby sprawdzić, czy możemy scharakteryzować źródła wody. Stosunki stabilnych izotopów nie zmieniają się, gdy woda przepływa przez dział wodny i zachowują sygnaturę pierwotnego źródła przepływu (woda wodociągowa lub woda gruntowa), więc są dobrymi danymi referencyjnymi. Dynamikę przepływu można następnie połączyć z danymi dotyczącymi stabilnych izotopów. Na przykład, jeśli przepływ jest stały, a dane izotopowe wskazują na wodę wodociągową, prawdopodobnie mamy do czynienia z nieszczelną rurą. Jeśli izotopy wskazują, że nie jest to woda z kranu, stałym źródłem jest prawdopodobnie woda gruntowa. Używamy również geochemii, aby pomóc nam wykryć określone źródła wody wodociągowej, takie jak woda odzyskana używana do nawadniania. Używamy również innych wskaźników, takich jak środki powierzchniowo czynne (MBAS). Jeśli na przykład wykryjemy środki powierzchniowo czynne, będzie to wskazywać na spływ powierzchniowy, na przykład z myjni samochodowej".
Burns twierdzi, że dane dotyczące przewodności elektrycznej z czujników HYDROS 21 są również przydatne. "Kiedyś mierzyliśmy tylko poziom wody. Ale jedną z korzyści przejścia
na czujnik HYDROS 21, oprócz przystępnej ceny i telemetrii w czasie zbliżonym do rzeczywistego, jest pomiar przewodności. Dodało to nowy aspekt danych, które teraz analizujemy. Jest to szczególnie przydatne do sprawdzenia, czy sonda jest sucha (nie ma w niej wody) lub czy wysoki przepływ wykazuje zmianę przewodności, na przykład z powodu rzadkiego, lokalnego deszczu, który nie jest wykrywany przez deszczomierze. Jest to kolejny punkt danych, który pomaga nam zrozumieć, czy jest to woda gruntowa, czy woda wodociągowa wpływająca do kanalizacji burzowej".
Wyciągnięte wnioski
Messina mówi, że w trakcie projektu dowiedzieli się, że pomiar przepływu w kanalizacji burzowej jest bardziej skomplikowany niż się początkowo wydawało. Wyjaśnia: "Mimo że jest to projekt "niskiego przepływu", niektóre kanały burzowe wcale nie mają niskiego przepływu. Jeśli pęknie hydrant przeciwpożarowy lub ktoś opróżni basen, spowoduje to ogromną zmianę przepływu. Ten szeroki zakres przepływów stanowi problem, ponieważ jazy mają zalecany docelowy zakres przepływu, co oznacza, że niektóre jazy są zaprojektowane dla niskich przepływów, a inne dla wysokich. Czujnik poziomu HYDROS 21 może dostosować się do szerokiego zakresu poziomów wody, które mierzymy za jazami. Ponadto wszyscy myślą, że mierzymy przepływ w szczelnym systemie. Okazuje się jednak, że w rurach jest wiele pęknięć, przez które woda wpływa lub wypływa. W niektórych przypadkach pomiar przepływu jest utrudniony przez wybudowaną infrastrukturę, która nie jest widoczna na istniejących mapach. Projekt mieszkaniowy może kierować naturalny potok do kanalizacji burzowej jako najłatwiejszego miejsca do zarządzania wodą przepływającą przez osiedle. Mierzymy więc mieszankę systemów naturalnych i zbudowanych przez człowieka, co jest o wiele bardziej złożone, niż początkowo sądziliśmy".
Messina dodaje, że zrozumienie danych dotyczących przepływu i źródeł przepływu przy suchej pogodzie może być skomplikowane. Mówi: "Istnieją czynniki zakłócające. Na przykład: jeśli mamy więcej lub mniej deszczu w ciągu roku, czy poziom wód gruntowych wpływa na obserwowane przepływy? Ponadto, gdy różnice bezwzględne są niewielkie, różnica względna (lub różnica procentowa) może być naprawdę wysoka, a to może nie być pouczające. Na przykład, jeśli natężenie przepływu wzrosło z 0,1 do 0,2 galona dziennie w jednym miejscu, byłaby to różnica 100%. Tylko dlatego, że występuje pozornie duża zmiana procentowa, może to nie być coś, na co hrabstwo San Diego musi przeznaczać zasoby".
Sukcesy programu
Jeśli chodzi o ogólny sukces programu poprawy jakości wody w hrabstwie San Diego, Burns mówi: "Myślę, że wykonaliśmy dobrą robotę, wyjaśniając złożoność tego, z czym mają do czynienia. Myślę, że było to pomocne". Dane dotyczące przepływu zostały wykorzystane do przekonania interesariuszy do wprowadzenia najlepszych praktyk zarządzania, takich jak dodanie buforów wegetatywnych i przejście na krajobraz odporny na suszę w celu kontrolowania nadmiernego nawadniania. Dane dotyczące przepływu zebrane w następnym roku wykazały, że wysiłki te skutecznie zmniejszyły przepływy w kanałach burzowych w dolnym biegu rzeki (Wiśniewska i Messina, 2019).
Przyszłość projektu
Wymogi dotyczące redukcji ilości ścieków innych niż opadowe zawarte w pozwoleniu MS4 będą nadal wymagać od regionalnych współkomitetów zaangażowania się w edukację i działania informacyjne oraz monitorowania przepływu MS4 w celu oceny osiągnięcia celów WQIP. Chociaż korzystne byłoby, aby strony regionalne stosowały podobne podejście do monitorowania przepływu, istnieje wiele różnych metod, które można zastosować. W niniejszym dokumencie pokrótce opisano wiele wyzwań związanych z monitorowaniem niskiego przepływu oraz dokładne podejście wykorzystujące niestandardowe jazy z czujnikami METER HYDROS 21 i rejestratorami danych podłączonymi do cloud. Jedną z głównych zalet danych w czasie zbliżonym do rzeczywistego jest możliwość dostrzeżenia anomalii i szybkiego reagowania.
W METER możliwości ZENTRA Cloud są stale ulepszane dzięki współpracy w ramach rzeczywistych projektów z grupami takimi jak hrabstwo San Diego i Wood. Niektóre przyszłe ulepszenia obejmują programowanie głównych urządzeń przepływowych w celu wyświetlania wartości przepływu w czasie rzeczywistym, a nie tylko poziomu; wiele progów alarmowych, które dotyczą różnych lub kombinacji parametrów; oraz powiadomienia SMS i e-mail do grup lub osób. Powiadomienia pozwalają zespołom w dużym stopniu reagować na warunki środowiskowe i, w idealnym przypadku, poprawiają zdolność do obserwowania źródeł przepływu i reagowania w odpowiednim czasie. Podczas gdy agencje nadal ścigają trudne i często ulotne źródła przepływu, posiadanie elastycznego, niedrogiego i przyjaznego dla użytkownika dostępu do wiarygodnych danych jest kluczowym sprzymierzeńcem w osiąganiu celów redukcji przepływu.
Referencje:
Burns, Jeremy. 2019. "Jak dokładne są moje dane dotyczące przepływu? Ocena czujnika poziomu wody w celu oceny zaufania do ocen zgodności" Doroczna konferencja California Stormwater Quality Association (CASQA). Październik 2019. (Link do prezentacji)
Wiśniewska, Joanna, i Messina, Alex. 2019 "Flow Source Forensics: Wykorzystanie wielu linii dowodowych do identyfikacji i kwantyfikacji źródeł przepływu przy suchej pogodzie". Coroczna konferencja CASQA. Październik 2019. (Link do prezentacji)
Uwagi:
*Zarządzenie nr R9-2013-0001, zmienione zarządzeniami nr R9-2015-0001 i R9-2015-0100. Krajowy System Eliminacji Zanieczyszczeń (National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES) Zezwolenie i wymagania dotyczące zrzutów odpadów z Miejskich Oddzielnych Systemów Kanalizacji Burzowej (MS4) odwadniających zlewnie w regionie San Diego.
**Definicja suchej pogody w zezwoleniu MS4 brzmi: "Pogoda jest uważana za suchą, jeśli w ciągu ostatnich 72 godzin nie wystąpiły mierzalne opady (>0,1 cala)".
Pytania?
Chcesz dowiedzieć się, jak czujniki HYDROS 21 mogą być wykorzystane w Twojej aplikacji? Porozmawiaj z ekspertem - nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu klientom w pomiarach niezliczonych parametrów środowiskowych.
