Adrián Pedrozo-Acuña. Coordinador de Hidráulica del II UNAM.
Coautores: Jorge Magos Hernández, Juan Alejandro Sánchez Peralta, Alejandra Amaro Loza y Agustín Breña-Naranjo.
En este artículo se presenta el primer sistema para la medición de la precipitación en el Valle de México en tiempo real, una plataforma autónoma, escalable e interoperable que además de medir y publicar la información al momento emite alertas y avisos por medio de correo electrónico. El sistema tiene su base en dispositivos de bajo costo para la adquisición, gestión, procesamiento, almacenamiento y publicación de datos de diversos sensores de una manera eficiente.
La lluvia es uno de los elementos clave del ciclo hidrológico y energético del sistema terrestre, por lo que conocer su intensidad y variación espacial y temporal es de gran interés para varias ciencias de la Tierra así como para la ingeniería hidráulica e hidrológica. Siguiendo la lógica de Kepler y demás científicos empiristas, medir es saber, por lo que no es raro que hoy en día se esté generando una tendencia común en diversas universidades del mundo que consiste en incrementar las capacidades de observación de las variables hidrológicas, más en concreto de la precipitación. Sin lugar a dudas, la habilidad para comprender los procesos que ocurren en la naturaleza recae por completo en la observación y experimentación. Por si esto fuera poco, el mejoramiento del poder predictivo de los modelos climáticos continúa apoyando la realización de mediciones de campo y su asimilación.
A lo largo de la historia, las actividades relacionadas con la gestión de los recursos hídricos han tenido una dependencia evidente de las observaciones terrestres de variables hidrológicas. Sin embargo, desde la década de 1980 existe un documentado declive en el número de estaciones de monitoreo en todo el mundo, consecuencia de limitaciones presupuestarias para estas actividades (Shiklomanov et al., 2002; Zhulidov et al., 2000). Los sistemas de monitoreo v proporcionan información clave para la gestión del agua, por lo que sirven a una gran variedad de usuarios y usos (por ejemplo agrícola, industrial, doméstico, de operación hidráulica y planeación ambiental, etcétera).
Por otro lado, los tomadores de decisiones requieren mediciones precisas para el diseño de la infraestructura hidráulica del futuro y para la generación de planes de gestión efectivos. Con el avance de la era digital y de las tecnologías de la información y comunicación, es inevitable que los científicos e ingenieros dedicados al agua comiencen a trabajar en el desarrollo y utilización de sistemas de monitoreo inteligentes, a través de los cuales sea posible una gestión sostenible del agua en zonas urbanas.
Sin embargo, en el campo de la ingeniería hidráulica existen todavía rezagos que impiden el aprovechamiento directo de la tecnología actual y futura para mejorar la gestión del agua. Más aun, existe un nivel de madurez bajo respecto a la estandarización de soluciones con base en tecnologías de la información y comunicación (TIC), que proveen acceso a la información por medio de telecomunicaciones tales como internet, sensores inalámbricos y teléfonos celulares, entre otros (Goubersville, 2016).
En todo el mundo, los tomadores de decisiones reconocen que un manejo adecuado de la infraestructura de drenaje y abastecimiento de agua requiere cada vez más el involucramiento de TIC. Esto se debe a que través de este tipo de sistemas inteligentes se hace posible la optimización de recursos humanos y la mejoría de las políticas de operación de la infraestructura hidráulica (Stewart et al., 2013). A pesar de esas ventajas reconocidas, el alto costo económico para la implementación de estos sistemas de monitoreo y medición de caudales o fugas en tiempo real ha restringido su proliferación (Boyle et al., 2013).
Tal costo es consecuencia directa no sólo de los equipos de monitoreo necesarios, sino también de las herramientas sofisticadas que se necesitan para el proceso y posproceso de la información adquirida: por lo general, ésta se encuentra en un formato que no suele ser amigable para personas sin la suficiente cultura informática y su interpretación requiere un alto grado de especialización del personal encargado.
En este sentido, se requiere mayor trabajo para comprender cómo la información que se adquiere en tiempo real por medio de redes de monitoreo puede ser utilizada de manera inmediata por los tomadores de decisiones. De hecho, uno de los mayores retos de las ciencias hidrológicas y la ingeniería hidráulica es el seguimiento remoto de las variables relevantes en tiempo real, de tal manera que se provea una fotografía instantánea de los forzamientos y del sistema en operación (por ejemplo, un drenaje o abastecimiento). En el contexto de la hidrología, la medición espacial de los procesos hidrológicos en una escala de cuenca está sujeta a restricciones importantes relativas a accesibilidad, energía disponible, cobertura espacial de los sensores y su costo (Bogena et al., 2010).
Por otro lado, el crecimiento poblacional en áreas urbanas es una tendencia global; más de 50% de la población del mundo vive en ciudades (Zevenbergen et al., 2010). A menos que se generen los medios para reducir su vulnerabilidad a eventos extremos, las lluvias de gran intensidad ponen en peligro la sostenibilidad futura de los ambientes urbanos. Esto reclama estrategias de adaptación para la infraestructura de drenaje y abastecimiento construida en el pasado, que el día de mañana tendrá que soportar solicitaciones superiores a las definidas en el diseño original.
La Ciudad de México es uno de los centros urbanos más grandes del mundo. En esta megalópolis, el monitoreo de la precipitación es de gran importancia para la adecuada operación de la infraestructura de drenaje. Sin embargo, en el sistema actual se tiene, en el mejor de los casos, información disponible de lluvia cada 15 minutos, lo que resulta insuficiente para identificar los eventos convectivos de precipitación que se generan en todo el Valle de México y responder a ellos. Por lo tanto, existe una preocupación creciente por la obtención de información de lluvia en tiempo real y con una alta resolución temporal en toda la cuenca.
Es bien sabido que para eventos de precipitación intensa la distribución de la lluvia en tiempos cortos puede variar de manera considerable de día en día, e incluso de un minuto a otro. A pesar de la urgencia de contar en escala urbana con información de precipitación al momento, la mayoría de los componentes de almacenamiento que se comercializan en el mercado no permiten la adquisición de información en tiempo real. Esto se debe a las restricciones de cableado, que elevan considerablemente el costo de implementación (Kerkez et al., 2012). Hay avances recientes en la tecnología de los sensores, particularmente en el área de comunicaciones inalámbricas y computación, que permiten un monitoreo de variables en escalas espaciales y temporales nunca antes vistas.
La posibilidad de proveer información hidrológica en tiempo real a la sociedad y los tomadores de decisiones abre la puerta hacia el desarrollo de una mejor hidrología operativa (Watteyne et al., 2012). Un ejemplo de ello fue documentado por Rice y Bales (2010), quienes analizaron el desempeño de una red inalámbrica de sensores para la optimización de la política de operación en presas. Además, contar con este tipo de información permite la calibración y validación de datos obtenidos por medio de sensores remotos, como son los satélites o los radares meteorológicos (Fekete et al., 2015).
Si bien es cierto que existen numerosos sistemas inalámbricos comerciales que pueden transmitir información entre dos puntos, estos hardwares utilizan por lo general radios de alta potencia que requieren una energía sustancial. De manera alternativa, se han registrado avances en la tecnología informática que hace uso de librerías gratuitas para diversos propósitos; esto ha permitido el desarrollo de computadoras miniatura de bajo costo, conocidas como Arduino o Raspberry, cuyo uso en la ingeniería hidráulica permitirá mejorar la transmisión y gestión de datos.
En este artículo se presenta el primer sistema para la medición de la precipitación en el Valle de México en tiempo real, una plataforma autónoma, escalable e interoperable que además de medir y publicar la información al momento emite alertas y avisos por medio de correo electrónico. El sistema tiene su base en dispositivos de bajo costo para la adquisición, gestión, procesamiento, almacenamiento y publicación de datos de diversos sensores de una manera eficiente.
El sistema se compone de ocho estaciones autónomas localizadas en diversos puntos del Valle de México, cuya información se transmite a un servidor central en la “nube” por medio de dispositivo de banda ancha móvil. De forma notable, toda la información recabada por el sistema se hace pública en tiempo real mediante una página de internet diseñada para este propósito (www.oh-iiunam.mx).
El Observatorio Hidrológico del Instituto de Ingeniería (OHII) es una iniciativa de la Universidad Nacional Autónoma de México para conservar el papel protagónico de la ingeniería en la solución de los retos nacionales que ya se perciben. La crisis global, aunada a las condiciones de competencia internacional, demanda más que nunca la investigación e innovación para mejorar las condiciones económicas, sociales y culturales de nuestro país.
Ubicación y descripción de las estaciones autónomas
El sistema monitorea la precipitación minuto a minuto en ocho puntos localizados dentro de la cuenca del Valle de México. En la figura 1 se muestra la ubicación espacial de dichas estaciones; cinco de ellas están en el poniente, una en el oriente en la zona del Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México, una en el Centro Histórico de la capital y otra en el sur.
Figura 1. Ubicación de las estaciones de monitoreo dentro de la cuenca
del Valle de México.La ubicación específica se detalla en el siguiente listado:
- Edificio de la Dirección Técnica del Organismo de Cuenca Aguas del Valle de México, oriente.
- Edificio central del Sistema de Aguas de la Ciudad de México, Centro Histórico.
- Instituto de Ingeniería, UNAM, sur.
- Escuela Nacional Preparatoria número 4 de la UNAM, poniente.
- Presa Madín del Organismo de Cuenca Aguas del Valle de México, Conagua, poniente.
- Colegio Bet-Hayladim, Vista Hermosa, poniente.
- Colegio Tiyolli, Cuajimalpa, poniente.
- Escuela primaria Vicente Guerrero, Dos Ríos, Huixquilucan, poniente.
Figura 2. Página de internet del OHII.Cada una de estas estaciones funciona de manera independiente y está compuesta por: a) un disdrómetro óptico láser (Parsivel 2) que mide la lluvia con una precisión de ± 5% para el agua líquida; b) un sistema de suministro de energía compuesto por una batería de plomo-ácido de 28 Ah y un panel solar de 60 W que garantiza el suministro ininterrumpido de energía para el sensor y su sistema de gestión de datos; c) un dispositivo de banda ancha móvil; d) una computadora miniatura conocida como Raspberry Pi3 para el proceso, almacenamiento y transmisión de la información a la nube (véase figura 3). Este dispositivo fue desarrollado por la fundación británica Raspberry Pi con el propósito de enseñar programación informática a los niños en las escuelas primarias, y se utiliza en diversas aplicaciones de monitoreo y accesibilidad (Perallos et al., 2015). Sin embargo, hasta la fecha y de manera global no se ha documentado ninguna penetración en el ámbito de la ingeniería hidráulica o hidrológica (Hut, 2013).
Figura 3. Componentes de estaciones de monitoreo autónomas.Una ventaja del sistema desarrollado e implementado en el OHII es que se vale de electrónica de uso abierto que permite un arreglo propio y flexible para la transmisión y adquisición de datos. Más aun, el arreglo está diseñado de tal manera que se tiene un consumo eficiente de la energía en cada estación. Durante el día, el suministro proviene del panel solar, que además carga la batería. Por la noche, la batería provee la energía necesaria al sistema para mantener su operación.
Descripción del sistema integrado
El sistema comprende el uso de TIC de tal forma que se provee una mejor comprensión de la precipitación en el Valle de México mediante la hidroinformática (Chen y Han, 2016).
La información adquirida por el disdrómetro se almacena en una tarjeta tipo SD (secure digital), y la computadora Raspberry Pi3 envía la información a la nube usando el dispositivo de banda ancha móvil a través de la red 4G de telefonía celular. Esta operación se realiza cada minuto por medio de programas propios escritos en lenguaje Python que administran la información.
La parte del sistema correspondiente al cómputo en la nube tiene su base en dos servidores virtuales. El primero de ellos para la gestión y almacenamiento de datos, así como la administración de la página de internet, mientras que el segundo se utiliza para la emisión de avisos públicos de lluvia y el envío de correos electrónicos con alertas de precipitación intensa. Para los avisos públicos se utiliza la plataforma de la red social Twitter, con base en la clasificación de tipos de lluvia definida por la Organización Meteorológica Mundial que se ilustra en la tabla 1.
Por otro lado, la plataforma organiza de forma automática los datos y los publica de inmediato en el portal de internet abierto al público (www.oh-iiunam.mx). El tiempo de proceso entre la medición en campo y la publicación de los resultados en línea es menor de 60 segundos y se repite minuto a minuto. La visualización de los datos está programada en lenguaje JavaScript, CCS, HTML5 y PHP, lo que permite el acceso a la información a través de diferentes sistemas operativos (iOS, Linux, Windows) y dispositivos (computadoras, tabletas y teléfonos móviles).
Se define un umbral de precipitación que depende de la intensidad de la lluvia, de tal suerte que una vez que este valor supera los 40 mm/h en alguna de las estaciones, se envía un correo electrónico automático a personas clave, como el director del Organismo de Cuenca Aguas del Valle de México o el subdirector técnico de la Comisión Nacional del Agua, entre otros. El correo electrónico comunica la intensidad, hora y fecha del evento y la ubicación del sensor. En la figura 4 se presenta una vista esquemática de la arquitectura y el flujo de la información en el sistema. Siguiendo con la filosofía de cooperación detrás del desarrollo de dispositivos abiertos, la información recabada por el sistema es de libre acceso al público.
Figura 4. Arquitectura del sistema integral que contiene el Observatorio
Hidrológico del II UNAM.Adicionalmente, la instalación de tres estaciones del observatorio en diferentes escuelas primarias del Valle de México ha dado a este sistema una vía interesante para la divulgación de la ciencia y la ingeniería entre los niños, de tal manera que se fomenta el interés de los pequeños por las ingenierías hidráulica y electrónica.
Registro de eventos
En todo el mundo, a pesar de los avances tecnológicos disponibles no existe un sistema que permita cerrar la distancia entre la ocurrencia de un evento hidrometeorológico extremo, su monitoreo y una adecuada operación de la infraestructura física de drenaje; México no es la excepción. Lo anterior quedó manifiesto durante la temporada de lluvias del año 2016 en la zona poniente del Valle de México: en el mes de julio se registraron dos inundaciones severas en la zona metropolitana que dejaron daños considerables a casas habitación y automóviles.
Las subcuencas ubicadas en esta región del Valle de México corresponden a los ríos Hondo y San Joaquín y tienen como característica un tiempo de respuesta muy rápido (15 minutos). Es decir, hay muy poco tiempo entre la generación de lluvia de gran intensidad en la parte alta de la cuenca y el escurrimiento que se produce en los ríos. Esta característica dificulta considerablemente la toma de decisiones respecto a la operación de la infraestructura de drenaje que se localiza aguas abajo y complica la capacidad de resistencia de esta parte de la zona metropolitana a eventos extremos.
En la figura 5 pueden verse algunos de los daños registrados en dicha área, con un sinnúmero de casas habitación y calles completamente inundadas.
Como consecuencia de ese evento, el OHII recibió atención considerable de parte de las autoridades debido a la versatilidad demostrada por el sistema para la publicación de datos al minuto en cada uno de los puntos de monitoreo.
Figura 5. Daños en julio de 2016 en el poniente del Valle de México.
Comentarios finales
Las implicaciones de la acelerada urbanización mundial son monumentales; las ciudades consumen enormes cantidades de alimento, energía, agua y materiales. El área terrestre necesaria para proveer estos insumos es por lo general mucho mayor; se afirma que la huella ecológica de una ciudad es frecuentemente 200 veces superior al área de la ciudad en sí misma. Con la alta densidad poblacional y la concentración de bienes, la gestión adecuada del ciclo hidrológico urbano representa un reto significativo para su sostenibilidad futura.
La sostenibilidad de la capital mexicana pasa necesariamente por una adecuada gestión de los recursos hídricos de la cuenca más compleja del país. Las decisiones que se tomen el día de hoy sobre su construcción, su expansión y la forma en que vivimos la ciudad tendrán un efecto directo sobre las generaciones por venir. Esta afirmación está en sintonía con la meta número 6 de la plataforma de desarrollo sostenible de la Organización de las Naciones Unidas, que rescata la gestión urbana del agua como una prioridad de desarrollo (ONU, 2016).
Este artículo tuvo como propósito ilustrar la urgente necesidad de contar no sólo con un sistema de monitoreo de la lluvia en tiempo real para el Valle de México, sino también con una iniciativa de la ingeniería nacional para atenderla. Este tipo de monitoreo en tiempo real de la lluvia y de caudales, niveles en ríos y fugas tiene el potencial de mejorar significativamente el desempeño de la infraestructura hidráulica actual ante la incidencia de eventos hidrometeorológicos extremos. La iniciativa que se presenta está en progreso y seguirá avanzando en los años por venir.
Agradecemos a Fernando González Cáñez, director del Organismo de Cuenca Aguas del Valle de México, Conagua; a Ramón Aguirre, director del Sacmex, y a Víctor Hugo Alcocer Yamanaka, subdirector general técnico de la Conagua, por su apoyo para el éxito de esta primera etapa del OH-IIUNAM.
