Objetivo
- Recolectar datos de la cantidad de lluvia y escorrentía pluvial en zonas urbanas mediante la instalación de una red de sensores para monitoreo hidrológico de escorrentía y lluvia como base de la planificación, del diseño y la evaluación de infraestructura verde.
Descripción
A nivel de cuenca como unidad de estudio, la implementación de una red de monitoreo hidrológico permite comprender con mayor detalle la relación entre la lluvia y la escorrentía (caudal). Tal información es primordial para el diseño técnico de infraestructura hidráulica y su evaluación después de su implementación. Los datos obtenidos pueden ser además utilizados en modelos hidrológicos para pronosticar el comportamiento del ciclo urbano del agua ante distintos eventos de precipitación. El proceso incluye el procesamiento y análisis de resultados, siendo las características de los sensores empleados relevantes para la resolución de tales modelos.
El documento presenta una serie de pasos sugeridos a considerar durante la instalación, mantenimiento y descarga de datos de una red de monitoreo a escala urbana. La instalación comprende la interacción con distintos actores involucrados en la dinámica de la gestión de agua a nivel urbano.
Pasos
1. Identificación del espacio
Un entendimiento general del espacio es relevante para la decisión del tipo y magnitud de la red de monitoreo. La comprensión de los puntos críticos o de interés debe realizarse desde una perspectiva del área de influencia hidrológica, ya sea a nivel de cuenca, subcuenca o microcuenca. La escorrentía es el agua que circula en la superficie luego de eventos de lluvia. En el caso urbano, entender la magnitud y distribución de la escorrentía permite identificar la dimensión necesaria de infraestructura para limitar sus efectos negativos. Una cuenca hidrológica es la zona de superficie terrestre en donde la escorrentía generada sobre la misma drena hacia un mismo punto de salida.
a. Lugares relevantes para el estudio: identificar los puntos de monitoreo mediante visitas de campo
Mediante visitas guiadas o exploraciones de campo individuales se determina los lugares que necesitan ser monitoreados ya sea porque las dinámicas con la población son altas o por el interés específico del objetivo del monitoreo. Las visitas de campo en la etapa inicial son fundamentales ya que proveen al responsable de una visión práctica de los procesos que ocurren en la cuenca. Se recomienda además realizar tales visitas tanto en temporada seca como lluviosa. Así, los puntos potenciales para la ubicación de sensores pueden ser verificados, incluyendo aspectos de acceso y condiciones del espacio. Además, comités e instituciones locales son una línea base importante para identificar puntos críticos.
Visión Urbana del Agua: Se identificaron los puntos donde ocurren las inundaciones en la parte baja de la cuenca, siendo la rápida urbanización aguas arriba la causa principal de este fenómeno.
b. Definición del alcance de las variables a monitorear permite identificar el tipo y resolución necesaria de los sensores a instalar
Definir el uso de los datos permite definir los puntos de instalación y tipo de sensores. Por ejemplo, una alta variación espacial de la lluvia en la cuenca puede requerir más de un sensor para poder cuantificar correctamente su distribución. Los tipos de sensores seleccionados también pueden depender del tipo de monitoreo necesario, incluyendo la precisión y mantenimiento requerido, así como la facilidad para manipularlos en campo
Visión Urbana del Agua: El objetivo de contar con modelos hidrológicos de alta resolución y a distintas escalas espaciales definió una resolución de medida de los instrumentos menor a 5min del nivel del agua y 0.2mm para cada registro de la lluvia.
c. Identificación de esfuerzos locales previos relacionados al monitoreo permiten integrar datos colectados hasta el momento
Esfuerzos previos pueden existir en la zona de interés relacionadas a actividades de monitoreo. Tales actividades pueden estar dispersas entre los distintos actores. Reuniones bilaterales con los mismos permiten identificar las acciones de recolección de datos que se han llevado a cabo anteriormente, las mismas que pueden incluirse, complementar o contrastar con los esfuerzos de instalar una nueva red de monitoreo
Visión Urbana del Agua: Se identificó en el área de estudio un sistema de monitoreo existente para la alerta temprana de inundaciones, el mismo que permitió obtener registros de precipitación de aproximadamente 3 años.
d. Identificación de puntos de monitoreo
La ubicación de sensores para medir la lluvia se recomienda de forma espacialmente distribuida en la cuenca. Lo anterior depende del número de sensores disponibles, del área de monitoreo, y de la variación espacial de la lluvia. En áreas pequeñas en las que se espera una distribución uniforme de lluvia, un sensor podría ser suficiente; dos sensores permiten un respaldo de datos y comparación de registros para su validación. En áreas mayores, el conocimiento local acerca la distribución de la lluvia permite aproximar la ubicación y número de sensores. La instalación se recomienda en zonas abiertas, seguras y al menos a 1.5m de la superficie más cercana.
La ubicación de sensores para medir la escorrentía se recomienda al final de la cuenca. Lo anterior permite relacionar el área total de la misma con la lluvia y la escorrentía. La ubicación de sensores en puntos de interés intermedios requiere determinar la relación del área de drenaje correspondiente hasta tal punto.
Los sensores pueden ser objeto de vandalismo o vulnerables a perderse durante eventos de crecida. Se recomienda utilizar estructuras robustas como puentes o muros para garantizar la permanencia de los sensores.
Visión Urbana del Agua: Se instaló un pluviógrafo en la parte media de la cuenca. El sensor se ubicó sobre una caseta pública protegida con seguro. Lo anterior permitió reforzar la seguridad y permanencia del sensor. Sin embargo, el ingreso al mismo se debía coordinar previamente, por lo que una coordinación planificada de actividades se requería en conjunto con los responsables del acceso al lugar. Se instalaron además cuatro sensores distribuidos espacialmente a lo largo del río. Los sensores se colocaron en la superficie lateral de puentes a nivel del caudal bajo, asegurados mediante un sistema de tubos. Dos sensores se perdieron probablemente debido al refuerzo insuficiente en la estructura, mismo que se debilitó durante eventos de crecida y arrastre de sólidos en el río.
e. Limitantes existentes tales como legalidades, formalidades o permisos ayudan a reducir inconvenientes durante la instalación
Se incluyen como factores limitantes aquellos que dificulten la instalación y el acceso a los puntos seleccionados, o que presenten falta de seguridad para el correcto funcionamiento de los equipos (vandalismo, eventos climáticos extremos). El acceso a los puntos de monitoreo debe analizarse cautelosamente ya que tal actividad puede estar restringida por dueños privados, dificultad y peligro de acceso (e.g. río encañonado), necesidad de materiales o instrumentos adicionales (e.g. escaleras). Además, se recomienda considerar formalidades y requisitos legales necesarios para permitir el acceso y la instalación, los mismos que según las normativas locales pueden ser complejos.
Visión Urbana del Agua: Los puentes son puntos potenciales para la instalación de sensores debido a que presentan mayor facilidad de acceso, protección ante crecidas y menor riesgo de robo. Como limitante se encuentran las formalidades y trámites requeridos localmente para afectar infraestructura pública, a pesar de la magnitud mínima de intervención durante la instalación. Para instalar sensores que miden la lluvia se recomienda edificios públicos en el que el acceso no depende de una persona exclusiva.
2. Desarrollo de propuesta
a. Equipos e instrumentos necesarios, su instalación y adquisición requiere determinar costos de compra y mantenimiento
La simplicidad para manipular los equipos, costo, nivel de precisión requerido y mantenimiento necesario definen el tipo de sensor más adecuado. Se recomienda cotizar precios con más de un proveedor para tener una perspectiva del precio.
Visión Urbana del Agua: La medición de lluvia se realizó mediante un pluviógrafo tipo balancín con precisión de 0.2 mm debido a la ventaja de contar con datos de alta precisión y a la facilidad de manipular el sensor durante la descarga de datos. En el río se optó por sensores de presión en el agua para correlacionar los datos con la altura del nivel de agua respectivo utilizando la presión atmosférica como referencia. Los sensores permitieron una rápida descarga de datos y una validación en campo de los resultados
b. El plan de monitoreo debe incluir la documentación de observaciones y conflictos específicos durante la recolección de datos para entender posibles inconsistencias en los datos
Se planifica la frecuencia con la que los datos serán descargados, incluyendo actividades de coordinación de campo para el acceso a los sensores. El plan debe incluir los materiales necesarios, responsables e instrucciones de acción en el sitio
Visión Urbana del Agua: El acceso a los puntos de monitoreo se coordinó previamente con vecinos y actores institucionales Por ejemplo, un pluviógrafo se instaló en un edificio municipal de acceso restringido, su ingreso se coordinó con un día de anticipación.
c. El transporte de sensores debe considerar la disponibilidad local y/o restricciones de importación
En caso de importar sensores, se debe tener en cuenta que los permisos de aduanas para su transporte pueden ser requeridos por las autoridades locales. Se recomienda contar con cartas de justificación debidamente selladas y firmadas para evitar problemas durante el transporte
Visión Urbana del Agua: Los sensores se compraron en Alemania y fueron transportados a Costa Rica. Para evitar problemas en aduanas, se contó con cartas de certificación del uso de los equipos para fines académicos, provistas por el coordinador del proyecto, una universidad y una municipalidad local. Las mismas fueron solicitadas al momento de pasar por migración y no hubo inconvenientes.
d. Instalación en campo: requiere por regla general una prueba previa y calibración de los mismos
Una vez que el correcto funcionamiento de los sensores ha sido comprobado (incluyendo calibración), se define cómo se instalarán los mismos en los puntos deseados. Esto puede incluir equipos adicionales necesarios para una correcta fijación de los sensores, fuentes de energía eléctrica o materiales de campo. Tales equipos y actividades deben coordinarse previamente.
Visión Urbana del Agua: Una municipalidad apoyó la instalación de sensores debajo de puentes y alcantarillas. Un problema en campo fue el acceso a energía eléctrica, lo que se soluciona con una batería externa. Contar con las herramientas adecuadas para la instalación representó el mayor desafío.
3. Plan de monitoreo
a. Campañas de monitoreo: se debe contar con información de soporte durante imprevistos (manuales, contactos)
El monitoreo debe incluir los manuales e instrucciones necesarias de campo, consejos para el acceso a los mismos, números de teléfono de actores relacionados a la red y responsables. Además, se debe contar con un detalle específico de como descargar y manipular los datos.
Visión Urbana del Agua: Un manual de instrucciones fue elaborado en conjunto con los responsables de la descarga de registros . El mismo incluyó el material e instrumentos necesarios, instrucciones de acción en el lugar y recomendaciones específicas. Ya que el monitoreo era realizado por estudiantes, la supervisión remota y disponibilidad inmediata era una constante para resolver dudas de manera inmediata
b. Mantenimiento y registro de datos: se recomienda definir previamente una nomenclatura de referencia a usar en cada actividad de descarga de registros
Los datos recopilados deben contar con un respaldo adicional y una nomenclatura específica para cada sitio y sensor. Se recomienda utilizar la misma nomenclatura para evitar confusiones. Para cada actividad de descarga se debe registrar la fecha, responsable, lugar y observaciones adicionales. Se planteó además realizar inspecciones a los sensores durante las campañas de monitoreo para verificar el correcto funcionamiento de las mismas. Esta actividad se llevó a cabo manipulando los sensores de manera controlada y verificando los datos obtenidos. Tales manipulaciones deben ser registradas para evitar confusiones con los datos reales.
Visión Urbana del Agua: Cada punto de monitoreo se denominó por una abreviación según el tipo de sensor y ubicación. Durante el monitoreo se llenaban fichas específicas para cada punto en el que se describen las condiciones climáticas, niveles de agua o novedades adicionales se registraron en un registro de acitivdades de monitereo. El registro incluyó además el responsable de la actividad.
Resultados
Datos hidrológicos para el diseño, la modelación numérica y evaluación de infraestructura verde.
Reglas
- Aspectos relevantes de los puntos de monitoreo son los factores de acceso y seguridad.
- Es necesaria una comunicación directa con los responsables de las actividades de monitoreo, incluyendo horarios preferidos de comunicación.
- Para un correcto uso de los sensores se recomienda un entrenamiento previo a la instalación, incluyendo calibración, descarga, vaciado de memoria, cambio de baterías, o actualización de las versiones de programas utilizados.
- Los materiales de campo y otros instrumentos adicionales para las salidas de campo deben ser almacenados en conjunto y deben ser de fácil acceso para evitar pérdidas y contratiempos.
Alcances y desafíos
- La guía presenta una visión general del proceso de instalación de una red de monitoreo. El uso de esta guía se recomienda en el contexto de esfuerzos iniciales en los que no se cuenta con experiencias previas o conocimientos avanzados en el tema de monitoreo hidrológico. El documento es elaborado con base a experiencias de campo, las mismas que fueron realizadas por estudiantes universitarios y en conjunto con actores locales.
- El costo de los sensores dependerá de la marca, tipo y resolución de los mismos. En el caso del proyecto Visión Urbana del Agua, un pluviógrafo marca Hobo-RG3® se utilizó con una resolución de 0.2mm. Transductores de presión tipo Baro-diver® se utilizaron para aproximar la altura del nivel del agua basado en la diferencia de presión dentro y fuera del río. Los costos aproximados fueron de 450USD para el pluviógrafo y 2000 USD para los transductores de presión, incluidos los instrumentos para la descarga de registros.