Monitorización inteligente de las descargas de sistemas unitarios

IV Jornadas de Ingeniería del Agua
La precipitación y los procesos erosivos
Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015
Monitorización inteligente de las descargas de sistemas
unitarios (DSU) en un caso piloto de la ciudad de Zaragoza
B. Russo, J. D. Jaria, J. C. Sánchez
Grupo de Investigación GIHA, EUPLA (Universidad de Zaragoza)
Calle Mayor s/n, 5010 La Almunia de Doña Godina
J. I . Castrillo, N. Olona
Ecociudad Zaragoza
Vía Hispanidad, 20, 50009 Zaragoza
Ll. Ballester
Dirección de Drenaje Urbano de Aqualogy
Paseo de la Zona Franca, 48, 08038, Barcelona
1. Introducción y contexto actual
Este artículo presenta los resultados de la fase de demostración del proyecto de
investigación PROMOVER (Proyecto de monitorización inteligente de vertidos de redes de
alcantarillado) dentro del Programa de Apoyo a Agrupaciones Empresariales Innovadoras
(AEIs) del Ministerio de Industria, Energía y Turismo.
Debido a la problemática derivada por las descargas de sistemas unitarios (DSU) a los
medios receptores, el RD1290/2012 plantea determinadas medidas de obligatorio
cumplimiento y en particular fija que los titulares de las autorizaciones de vertido vigentes
y las que estuvieran en trámite a la entrada en vigor de este real decreto, así como las que
se soliciten hasta el 31 de diciembre de 2015, deberán dotar a los puntos de
desbordamiento de sistemas de cuantificación de alivios, en un plazo de 4 años desde la
entrada en vigor del decreto y deberán presentar la documentación técnica
correspondiente como máximo antes del 31 de diciembre de 2019, siempre que estén
incluidas en alguno de los siguientes grupos:



C.16.
Vertidos procedentes de aglomeraciones urbanas de más de 50.000 hab. eq. ;
Vertidos procedentes de instalaciones industriales que requieran una
autorización ambiental integrada;
Vertidos procedentes de aglomeraciones urbanas de más de 2.000 hab. eq. o
zonas industriales diferentes a los anteriores situados en una zona protegida
declarada aguas de baño incluida en el Registro de Zonas Protegidas de la
Demarcación Hidrográfica correspondiente.
La ambigüedad del RD1290/2012 sobre la cuantificación de alivios, supondrá,
previsiblemente, la concreción de los objetivos medioambientales por parte de los
organismos de cuenca en breve. Estos organismos estarán llamados a definir si la
monitorización tendrá como objeto parámetros como la frecuencia de DSU o su
estimación en términos cuantitativos y/o cualitativos con claras repercusiones técnicas,
económicas y ambientales debido al gran número de puntos de alivios que podrían
tenerse que monitorizar en función de lo expuesto anteriorm. Si a eso se le añade que en
España la gestión de las redes de alcantarillado es municipal y que muchas veces nos
encontramos con falta de disponibilidad de datos fiables y con limitados recursos técnicos
y económicos, resulta evidente el gran reto al que nos enfrentamos.
No obstante las incertidumbres mencionadas, debido a la importancia de los impactos
medioambientales de las DSU sobre los medios receptores y al contexto normativo estatal
y europeo en plena evolución, parece evidente que los objetivos de la monitorización de
los alivios tenderán a ser siempre más ambiciosos. En este marco, la Escuela Politécnica de
La Almunia (EUPLA), responsable técnico del proyecto PROMOVER, ha apostado por el
reto de una monitorización integral, continua y en tiempo real que sea capaz de
determinar los impactos puntuales de las DSU durante los eventos de lluvia a través de
una estimación de los caudales de alivios y de la contaminación asociada a dichos
caudales. El escenario de esta monitorización integral ha sido una cámara de alivio de la
red de alcantarillado de Zaragoza gestionada por el Ayuntamiento a través de la sociedad
Ecociudad partner del proyecto. En particular, dicha cámara, seleccionada como caso
piloto, ha sido instrumentada para una caracterización cuantitativa y cualitativa de las DSU
después de una adaptación de las características hidráulicas de la misma cámara a través
de pequeñas obras civiles en su interior. En la cámara se instalaron dos sensores de
temperaturas para detectar la frecuencia y la duración de los alivios (Montserrat et al.,
2013: Hofer et al., 2014), un radar láser para medir niveles y que asociado a una sección
de control realizada en situ permite la estimación de los volúmenes vertidos durante un
suceso y finalmente un sensor de turbidez para tener una estimación de los sólidos en
suspensión totales que representan un claro indicador de la calidad del agua que se está
vertiendo (Bertrand-Krajewski et al., 1993; Anta et al. 2009).
El proyecto PROMOVER ha puesto de manifiesto las dificultades que están detrás del
desarrollo de un sistema de monitorización de alivios que requiere equipos
multidisciplinares y especialistas en ingeniería hidráulica y sanitaria, así como en
ingeniería electrónica y de telecomunicaciones.
2. Selección de las variables a monitorizar y de las relativas
técnicas de medición
Desde un punto de vista hidráulico, las variables más significativas para la caracterización
de las DSU son la frecuencia y la duración de los vertidos y, más concretamente, los
C.16.
caudales vertidos al medio. La medición de estas variables en puntos de alivio puede
presentar una elevada complejidad hidráulica al no haberse diseñado, generalmente,
dichos puntos para esta función. Esta problemática conlleva a la necesidad de un estudio
hidráulico específico en cada punto de alivio con la definición de un proyecto de
adecuación que muy a menudo supone obra civil.
La frecuencia y la duración de un vertido pueden estimarse a partir de diferentes
tipologías de sensores (caudalímetros, sensores de nivel, o limnímetros), video cámaras,
sensores de temperatura, etc.. Si el objetivo no es cuantificar los caudales vertidos, el
empleo de sensores de temperatura puede resultar una medida muy barata y que no
contempla, generalmente, obra civil.
Las DSU se pueden cuantificar estimando o midiendo el caudal aliviado. En este caso
pueden emplearse caudalímetros o sensores de nivel asociados a secciones de control. Los
caudalímetros presentan serios problemas de fiabilidad en la medida y mantenimiento en
su aplicación en redes de alcantarillado. Además su coste está muy por encima de los
sensores de nivel. Los sensores de nivel (de presión, de ultrasonido, de radar y laser) son
bastante empleados en sistemas de alcantarillado. En tramos largos de conducciones y
con secciones prácticamente constantes pueden emplearse para una aproximación de los
caudales a partir de determinadas hipótesis del flujo. En caso como cámaras de alivio, la
sola medida de nivel no es suficiente para la estimación de caudales así que resulta
necesaria la realización de una estructura hidráulica tipo vertedero para complementarla.
Las variables que influyen en la calidad del agua y en particular en la caracterización
cualitativa de las DSU son muchas. Existen hoy en día sondas multiparamétricas que
pueden emplearse para la medición de más de un parámetro a la vez. Otra opción son los
tomamuestras automáticos que generalmente se emplean para campañas de una cierta
duración y necesitan la recogida periódica de las muestras. Además algunas variables de
calidad de las DSU no pueden medirse en tiempo real debido a que necesitan análisis de
laboratorio posterior a la recogida de las muestras. Algunos parámetros de calidad pueden
relacionarse entre sí, aunque esta relación es específica en cada caso al depender de la
morfología de la cuenca, de su grado de urbanización y tipología de usos del suelo, de la
pluviometría de la zona y de la topología de la red y en general del sistema de drenaje.
Diferentes estudios han demostrado que muchos contaminantes pueden asociarse a los
sólidos en suspensión (SS) de los caudales circulantes en una red de alcantarillado
(concepto de “co-pollutant”), así que parámetros como la DQO, DBO5 o el NKT pueden
expresarse en función de la concentración de sólidos en suspensión (Seco, 2014). Otra vez,
estas relaciones dependen de factores locales y no deberían generalizarse.
C.16.
Debido a todas estas consideraciones, junto con las limitaciones presupuestarias del
proyecto y a la imposibilidad de medir todos los parámetros hidráulicos y de calidad de las
DSU, se ha optado por estudiar una serie limitada de parámetros. La elección de las
variables, así como de las técnicas de medición se hizo pensando a una monitorización
integral (para una caracterización cualitativa y cuantitativa), continua y en tiempo real de
los puntos de alivio. Por lo que se refiere a los sensores, se primó la fiabilidad, la
durabilidad, el índice de protección y el factor económico en la elección de los mimos.
Las variables a medir y las funciones objetivos de la medición se resumen en la Figura 1.
Figura 1: Variables a medir y objetivos de la monitorización.
2.1 Estimación de frecuencia y duración de DSU
La estimación de la frecuencia de DSU en una red de alcantarillado constituye la
información mínima para una gestión de los vertidos en redes unitarias. Esta medida no
proporciona ningún dato respecto al volumen vertido al medio pero, por lo menos, nos
indicar si existe un problema en relación a una frecuencia elevada de DSU en un periodo
de tiempo. Otro parámetro que puede medirse durante un suceso de lluvia es la duración
de la DSU. Si se contempla también este parámetro, se puede estimar el porcentaje de
tiempo en el cual ocurren DSU al medio frente a un periodo de tiempo concreto (mes,
año, temporada de baño).
Si descartamos el empleo de sensores más caros (como caudalímetros o limnímetros), la
frecuencia y la duración de las DSU se pueden estimar de manera bastante sencilla y
barata en términos de coste del sensor y su instalación. Una forma de realizar esta
detección dentro de la categoría de “soluciones low cost” está relacionada al empleo de
sensores de temperatura. Un cambio brusco de la temperatura, tanto en sentido positivo
como en sentido negativo, en un sensor situado en el canal de alivio o en el labio de
vertido permite detectar que el agua pasa por encima. La variabilidad de la temperatura
ambiente y del agua en función de la época del año y del régimen de caudales puede
dificultar el análisis de los resultados al emplear esta metodología. Un segundo sensor de
C.16.
temperatura midiendo de forma continua dentro del conducto de las aguas residuales
permite otro punto de comparación. En este caso, una detección de alivio está asociada al
gradiente de temperatura entre las medidas en la cámara de alivio en correspondencia de
la conducción de las aguas residuales y las conducciones de las DSU. Esta metodología
aplicado en Graz (Austria) y en la Garrotxa (Cataluña) ha sido patentada por el Institut
Català de Recerca de l’Aigua (ICRA) de la Universidad de Girona con número de registro
P4103/2012 y bajo el nombre de “Sistema de monitorización de desbordamiento en redes
de tuberías” (Montserrat et al., 2013: Hofer et al., 2014)
2.2 Estimación de los caudales de DSU vertidos al medio receptor
Debido a razones técnicas y fundamentalmente económicas, en el caso piloto del proyecto
PROMOVER se decidió optar por una estimación de los caudales a través de una medida
de nivel asociada a una estructura hidráulica de tipo vertedero. Para la medición del nivel
se ha optado por un sensor de tipo radar que, respecto a otro tipo de soluciones,
representa la más adecuada en términos de precisión y que además no resulta afectada
por condicionantes externos como la temperatura que resulta ser un parámetro
determinante en la calibración de sensores de nivel por ultrasonidos.
2.3 Estimación de los sólidos en suspensión a través de la turbidez
Como ya se ha dicho, el rango de indicadores que pueden ser medidos en relación a la
calidad de agua es muy amplio y el coste de un sistema de monitorización para la
evaluación de todos estos indicadores es absolutamente prohibitivo. En el marco del
proyecto PROMOVER se ha optado por la medición continua y en tiempo real de la
temperatura y, sobretodo, la turbidez de los caudales vertidos al medio.
La turbidez es un parámetro que depende de muchos factores, aunque los fundamentales
son las características de las partículas en suspensión presentes en el agua (forma, color,
tamaño o la relación entre la fracción orgánica e inorgánica). Estas características
dependen, por una parte, del tipo de cuenca urbana y por la otra, del momento temporal
en el que se realiza la muestra (por ejemplo durante tiempo seco o durante un suceso de
lluvia) (Anta et al. 2009). Sin embargo, en bibliografía, está ampliamente reconocido que
algunos de los parámetros indicadores de la contaminación están correlacionados. Como
se ha dicho, la determinación de la concentración de sólidos en sí, especialmente la de los
sólidos en suspensión, es un buen indicador de la presencia de contaminación general
en el agua de lluvia. Esto es así porque la mayoría de contaminantes se encuentran
asociados a los sedimentos, y más concretamente a las partículas más finas (Bertrand-
C.16.
Krajewski et al., 1993; Llopart-Mascaró et al., 2010). Desafortunadamente la medida de
sólidos en suspensión y sólidos volátiles no puede efectuarse en tiempo real así que estos
parámetros no pudieron ser considerados en el caso de estudio de este proyecto. Sin
embargo Anta et al. (2009) encontraron buenas correlaciones entre la turbidez
determinada en laboratorio y las concentraciones de SST (sólidos en suspensión totales) y
ST (sólidos totales). Además, más recientemente, algunos estudios desarrollados para la
redacción del “Manual Nacional de recomendaciones para el diseño de tanques de
tormenta” (Barro et al., 2014), han confirmado este tipo de relaciones en la entrada de
algunos tanques de retención de redes unitarias (Figura ). Por todo eso, en el caso piloto
se eligió la turbidez como indicador de la contaminación de las DSU vertidas al medio. Es
evidente que las relaciones entre la turbidez y los SST (o ST), así como las correlaciones
con otros contaminantes deben estudiarse caso por caso al depender de muchos factores
como el uso del suelo y la densidad demográfica de la cuenca, el régimen de lluvias, etc.
Tanque Cantarranas (Madrid)
Tanque Cantarranas (Madrid)
2500
1800
y = 2.4192x - 52.794
R² = 0.8453
1600
y = 2.8601x + 79.358
R² = 0.8829
2000
1400
ST (mg/l)
SS (mg/l)
1200
1000
800
1500
1000
600
400
500
200
0
0
0
100
200
300
400
500
600
700
NTU
800
0
100
200
300
400
500
600
700
800
NTU
Figura 2: Correlación entre sólidos en suspensión (SS) y turbidez (a la izquierda) y sólidos totales
(ST) y turbidez (a la derecha) en a la entrada del el tanque de Cantarranas de Madrid.
3. Implementación del sistema de monitorización
3.1 Elección del caso de estudio
Después de analizar diferentes alternativas se decidió monitorizar la cámara de alivio de la
red de drenaje de la ciudad de Zaragoza localizada en la plaza emperador Carlos V. Por
dicha cámara pasa un colector que drena gran parte de la cuenca de la Romareda y de vía
Universitas aliviando en episodios de lluvia significativos y moderados. El río Huerva,
después de nacer en la sierra de Cucalón, en Fonfría (Teruel) y tras recorrer 128 km el
Huerva desemboca en el río Ebro a su paso por la ciudad de Zaragoza. Posee una cuenca
de 1020 km² y su aportación media al Ebro es de 67 hm³ anuales. En la desembocadura,
una parte de su recorrido a través de la ciudad de Zaragoza transcurre oculto bajo tierra,
C.16.
ya que, en los años 20 y 30, cuando se proyectó el ensanche de Zaragoza, se decidió cubrir
el Huerva para facilitar la construcción de calles como La Gran Vía y el Paseo de la
Constitución. Debido a los caudales reducidos y a su desembocadura en el Ebro en la
ciudad de Zaragoza, resulta evidente la necesidad de analizar y caracterizar los alivios que
puedan producirse en caso de eventos de lluvia. Además cabe destacar algunas
propuestas por parte de la sociedad de una recuperación ambiental del río con el objeto
de restituir sus espacios fluviales a la ciudadanía incrementando su potencial paisajístico.
3.2 Adecuación de la cámara de alivio
La obra de alivio actual está formada por una cámara rectangular de 25 m de longitud y 5
m de anchura que recibe las aguas de dos tuberías de 1.5 m de diámetro. Las aguas
normalmente circulan por un canal de 2,34 m de ancho y son conducidas hasta una
tubería de salida de 1.5 m de diámetro. Cuando existe un incremento de caudal, el nivel
del agua supera la cota del aliviadero longitudinal existente y vierte al medio a través de
otra tubería de 1.5 m de diámetro. El aliviadero está dividido en dos zonas distintas con
cotas de alivio diferente. Las actuaciones realizadas en el interior de la cámara para la
implementación del sistema de monitorización fueron la creación de una parada en el
canal que recoge las aguas aliviadas en un volumen de retención con el fin de estimar el
caudal vertido a través de una medida de nivel y el recrecimiento de una parte del
aliviadero lateral para conseguir que todas las aguas aliviadas pasaran por la sección de
control. También hay que remarcar la realización de una arqueta en superficie para alojar
el sistema de recogida y transmisión de datos y de una zanja para el cableado del sistema
de alimentación. La adecuación de la cámara, las actuaciones en superficie así como el
proyecto de electrónica y de la instalación de los equipos de medida fueron representados
en un modelo 3D alcanzándose una representación de mucho detalle (Figura 3).
Figura 3: Actuaciones en la cámara de alivio y localización de los sensores en el modelo en 3D.
C.16.
3.3 Prueba, instalación y puesta en marcha de los sensores
El funcionamiento de los sensores y del sistema de monitorización en su conjunto fue
objeto de pruebas y análisis en el laboratorio de Ingeniería Hidráulica de la EUPLA. En
particular para las pruebas de los sensores se utilizó una instalación de un canal de 5
metros de longitud que desagua en un banco hidráulico adaptado para reproducir la
dinámica de la cámara de alivio durante reboses al medio (Figura 4). Una vez realizada la
obra civil de adecuación de la cámara, se procedió a la instalación de los sensores según
las indicaciones contenidas en el proyecto (Figura 5).
Figura 4: Pruebas de los sensores en el laboratorio de la EUPLA.
Figura 5: Sensores en la cámara de retención aguas arriba del vertedero. A la izquierda,
localización de los sensores de nivel (en la parte alta de la figura), y de los sensores de temperatura y
turbidez (en el círculo en rojo). A la derecha, detalle de las cabezas de los sensores de temperatura y
turbidez. El segundo sensor de temperatura se instaló en la cuneta de residuales para medir
constantemente la temperatura del flujo tanto en tiempo seco como durante episodios de lluvia.
3.4 Equipo de recogida, transmisión y visualización de datos
Los sensores se localizaron en posiciones diferentes aunque finalmente toda la
transmisión se concentró en un único punto (arqueta de control) en el cual se instaló el
C.16.
equipo de transmisión y recogida de datos en una maleta específicamente equipada. Por
esto todos los sensores fueron conectados por cables a la arqueta de control garantizando
la alimentación de los sensores y la transmisión de datos.
Las medidas de los sensores se almacenan en el equipo de recogida de datos y se
comunican en tiempo real a un centro de control en la EUPLA. Los mismos datos pueden
visualizarse en tiempo real tanto en versión alfanumérica como gráfica a través de una
plataforma de visualización. Además de las medidas directas de los cuatro sensores, se
representa también el caudal estimado a partir de una determinada curva de gasto.
Para la transmisión de los datos se ha programado un servidor web y una transmisión de
datos por Internet, a los que se puede acceder a través de una página web. La
herramienta informática utilizada permite también la descarga de datos de eventos
anteriores en archivos de tipo texto y su visualización gráfica.
Durante la fase de prueba del sistema de monitorización, y en particular durante los días
9, 10 y 11 de junio de 2015, en la ciudad de Zaragoza se registraron fuertes precipitaciones
con valores de precipitación acumulada e intensidades de lluvia muy elevados.
Durante los tres eventos de lluvia, el sistema de monitorización registró alivios al río
Huerva y los sensores registraron correctamente temperaturas, niveles y turbidez en la
cámara (Figura 6). En particular, se pudo observar como las medidas de temperaturas
convergen bruscamente durante los alivios para prácticamente coincidir durante todo el
suceso. Finalmente, al cesar del alivio, el gradiente de temperatura vuelve a aumentar
indicando la duración aproximada durante el cual se ha tenido DSU al medio receptor.
Estas duraciones prácticamente coinciden con los registros de nivel aguas arriba del
aliviadero. Finalmente el sensor de turbidez midió durante los tres eventos y su evolución
es conforme en los tres eventos a lo esperable (máximos valores durante el comienzo del
evento debido al fenómeno del primer lavado de la cuenca (first-flush) y a la resuspensión
del sedimento en la red de colectores de la cuenca aguas arriba). En las medidas de
turbidez aparecen valores de picos muy elevados que aconsejarían el tratamiento
estadístico de estas series y la representación de su media móvil.
Figura 6: Medidas de temperatura, nivel y turbidez durante 3 eventos de lluvia.
C.16.
6. Conclusiones
Después de un exhaustivo estudio del estado del arte sobre sistemas de monitorización de
vertidos en redes de alcantarillado y las técnicas empleadas para su medición, se ha
optado por el diseño y la implementación de un sistema integral en tiempo real que tenga
en cuenta tanto aspectos cuantitativos, como de calidad del agua. Los parámetros
elegidos para su medición en tiempo real han sido un gradiente de temperatura para
detectar presencia de alivios y su duración así como temperatura de la DSU, nivel a partir
del cual se estiman los caudales de DSU por medio de un aliviadero de obra creado en situ,
y turbidez para la estimación de los SS vertidos al medio.
Después de haber elegido el caso piloto, se ha diseñado el sistema de monitorización
desde el punto de vista hidráulico y electrónico. Para la implementación del sistema se ha
tenido que adecuar la cámara a través de algunas obras civiles.
Después de haberse instalado los sensores, el sistema ha estado midiendo correctamente
durante los intensos eventos del lluvia del 9, 10 y 11 de junio. Los resultados de las
mediciones pueden ser visualizados en tiempo real por medio de una plataforma web.
Referencias
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una cuenca urbana separativa mediante la aplicación del muestre en continuo de la turbidez.
Ingeniería del agua 16 (3).
Barro, J. R., Anta, J., Comas, P., Falcó, X., García, J., Malgrat, P., Puertas, J., Suárez, J., Sunyer,
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tormentas. Dirección General de Aguas. MAGRAMA.
Bertrand-Krajewski, J.-L.. 2004. TSS concentration in sewers estimated from turbidity
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Water Science and Technology, 50 (11), 81–88.
Hofer T., Gruber G., Gamerith V., Montserrat A., Corominas Ll., y Muschalla D.. 2014. Using
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Llopart-Mascaró, A., Gil A., Martínez M., Puertas J., Suárez J., Del Río H,. Paraira M.. 2010.
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Montserrat A., Corominas Ll., Gutierrez O., Poch M.. 2013. Field validation of a new low-cost
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Seco I.. 2014. In Sewer Organic Sediments Transport. Tesis Doctoral, ETSICCP Barcelona, UPC.
C.16.