INOWAS
Un sistema basado en la web para apoyar la implementación exitosa de métodos de Recarga Administrada de Acuíferos
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Responsables de la práctica innovadora :
No se sabe
INOWAS es una plataforma de gestión libre en línea para la planificación, evaluación y optimización de la Recarga Gestionada de Acuíferos (MAR), una solución inspirada en la naturaleza que tiene como objetivo recargar los acuíferos para su uso posterior o beneficios ambientales. Esta plataforma se compone de un conjunto de herramientas para encontrar la ubicación óptima para los esquemas MAR, evaluar los parámetros para el diseño óptimo, la gestión operativa y cuantificar los impactos esperados de la implementación de MAR. Contiene una compilación de algoritmos de complejidad variable para resolver ecuaciones empíricas, analíticas y numéricas, que se ejecutan en un servidor web al que se puede acceder a través de navegadores web estándar. Es una solución no dependiente del sistema operativo que se desarrolló principalmente como un sistema de apoyo a la decisión (SAD) para aplicaciones de gestión de aguas subterráneas que utilizan tecnologías en línea, respaldadas por funcionalidades de sistemas de información geográfica y la realización de simulaciones en línea. Su naturaleza de código abierto permite una fácil implementación y difusión. Tiene modelos numéricos MODFLOW de diferencia finita y actualmente se está actualizando con capacidades de recopilación y análisis de datos de monitoreo in situ en tiempo real para alimentar y calibrar los modelos de aguas subterráneas. El objetivo principal es reunir procedimientos de modelado receptivos en tiempo real y la toma de decisiones para la mejora de los recursos hídricos integrados.
Entidad responsable
La plataforma INOWAS fue desarrollada dentro de la Universidad Técnica de Dresde (TUD), por el Grupo de Investigación Junior de Recarga de Acuíferos Gestionados (MAR) – el Grupo INOWAS (Fig. 1). Esta es una unidad de investigación dependiente del Departamento de Hidrociencias de la Facultad de Ciencias Ambientales de TUD.
Fig. 1 – Logotipo del grupo de investigación junior INOWAS MAR
El Grupo INOWAS se basa en dos pilares principales: un pilar experimental para comprender los procesos que ocurren durante la MAR y su variabilidad causada por el cambio climático, la urbanización y el crecimiento de la población y un pilar instrumental para el desarrollo de herramientas de simulación de MAR con un enfoque en el análisis de escenarios.
El equipo de INOWAS está compuesto por 18 personas de 12 países diferentes y ha estado continuamente involucrado en redes internacionales desde su creación en 2014. Entre los contactos establecidos, INOWAS, mantiene contactos con asociaciones internacionales como IAH, el Instituto de la UNESCO para la Educación sobre el Agua o el CSIRO australiano.
El grupo también contribuye con conferencias en varios cursos de estudio como «Hidrociencia e Ingeniería» y «Aguas subterráneas y cambio global – Impactos y adaptación» y ha suscitado una serie de escuelas de verano internacionales desde 2016.
El grupo está dirigido actualmente por Catalin Stefan y es responsable del desarrollo del primer inventario global de aplicaciones MAR en 2015 (Stefan y Ansems, 2018). Esta encuesta abarcó 62 países y recopiló información sobre 1200 estudios de casos sobre el desarrollo histórico, la caracterización del sitio, el esquema operativo, los objetivos y los métodos utilizados, así como la caracterización cuantitativa y cualitativa de la entrada y salida de agua. Esta sólida base de datos está actualmente disponible en la herramienta de mapas web del Centro Internacional de Evaluación de los Recursos de Aguas Subterráneas de la UNESCO.
Explicación detallada
El grupo INOWAS reconoció que la mayoría de los sistemas de apoyo a la toma de decisiones para la gestión del agua se basan en computadoras de escritorio, lo que representa una restricción particular en la difusión. La plataforma INOWAS se desarrolla como un servicio web de acceso abierto donde todo el flujo de trabajo se gestiona directamente en un navegador web sin necesidad de instalar complementos adicionales. Esto también permite la colaboración multiusuario en línea entre investigadores y tomadores de decisiones que aportan una perspectiva global a la gestión de los recursos hídricos, simplificando la comunicación y haciendo que la información esté disponible rápidamente en todas partes si es necesario. Los usuarios pueden trabajar en tareas privadas, públicas o compartidas mientras el progreso del trabajo se guarda en cualquier etapa y pudiéndose reanudar más tarde.
Higo. 3 – Estructura de la plataforma INOWAS (adaptada de Stefan et al., 2017)La plataforma INOWAS incluye la posibilidad de ensamblar agua subterránea a partir del método de las diferencias finitas con MODFLOW y realizar los cálculos de las simulaciones directamente en la web, sin necesidad de instalar ningún software. Esta posibilidad disminuye los problemas de compatibilidad en los sistemas operativos, que son recurrentes en aplicaciones de escritorio y no requieren procedimientos de actualización. Durante el modelado, el flujo de trabajo se guarda en cualquier momento y puede ser reanudado más tarde des de otra máquina si es necesario, puede utilizar la integración continua de servicios basados en la nube (que en el futuro permitirán simulaciones de modelos numéricos muy complejas). La plataforma está estructurada como se presenta en Fig. 3.
Higo. 3 – Estructura de la plataforma INOWAS (adaptada de Stefan et al., 2017)
El lugar central de la plataforma INOWAS es el Panel Personal que ofrece al usuario acceso a las herramientas disponibles y a los proyectos desarrollados por el usuario. Los proyectos se pueden guardar como privados o públicos (cualquier usuario registrado puede acceder a ellos), lo que permite a otros usuarios ver su contenido, copiarlo y editar una copia del mismo. Sobre este tema, INOWAS está desarrollando actualmente los proyectos compartidos en los que un usuario puede crear un grupo para compartir un proyecto invitando a otros usuarios y haciéndolo accesible y editable. En comparación con la opción “Público”, todos los miembros de un grupo pueden trabajar juntos en un solo proyecto.
Las herramientas de simulación son el punto fuerte de la plataforma INOWAS. Estos están organizados jerárquicamente en tres tipos: (1) empíricos (derivados de la minería de datos, como el inventario global de aplicaciones MAR o una base de datos para el mapeo de idoneidad del sitio MAR basado en SIG); (2) analítico (basado en ecuaciones simples para la evaluación de la intrusión salina, el cálculo de la reducción fluvial inducida por bombeo o la estimación de los montículos de agua subterránea debajo de una cuenca de infiltración); (3) numérico (simulaciones basadas en MODFLOW que utilizan modelos numéricos de flujo y transporte).
En los procedimientos de modelización, la gestión y el análisis del escenario fácil de usar permiten una interpretación flexible de los resultados y las predicciones futuras. El conjunto de herramientas numéricas está compuesto por modelado de tiempo de real T20, flujo de densidad ociosa T03c (SEAWAT), gestor de escenarios de modelo MODFLOW T07, transporte de solute T03b (MT3DMS) y modelado y optimización de aguas subterráneas numeréricas T03.
En su estado actual, el acceso a la plataforma INOWAS es gratuito para fines educativos y no comerciales, siendo necesario que el usuario cree una cuenta. Se basa en un conjunto muy robusto de bibliotecas y plataformas de código abierto (Fig. 4).
Fig. 4 – Arquitectura de la plataforma INOWAS (adaptada de Stefan, 2017)
Evidencia de los beneficios de la implementación
Debido a la naturaleza de la plataforma presentada no se presentan beneficios palpables. Las herramientas que comprende la plataforma INOWAS se utilizaron para evaluar la viabilidad de MAR en varios lugares (Glass et al. 2017a, Kwoyiga y Stefan, 2019), lo que resultó en una cantidad sustancial de documentación científica y técnica. Se puede concluir debido al estado actual bien desarrollado de la plataforma que el proyecto fundacional se completó con éxito. El grupo INOWAS, a través de la plataforma, tuvo éxito en la realización de análisis de diagnóstico de acuíferos, accediendo a esquemas de implementación de MAR, ayudando a planificar y optimizar esos esquemas, promover la gestión sostenible del agua, desarrollar las capacidades de las partes interesadas y la capacitación académica y, sobre todo, establecer el camino para mejorar el vínculo entre el modelado y la toma de decisiones. Fue posible promover la MAR mediante el desarrollo de una base de conocimientos integrada con descripciones detalladas y ejemplos de mejores prácticas de las técnicas de MAR más comunes; y demostrar los beneficios de MAR a través de la simulación de múltiples escenarios de gestión (Glass et al., 2017b).
Potencial de replicación en la región SUDOE
Los métodos MAR se mostraron como una herramienta importante en la gestión integrada de los recursos hídricos, particularmente en áreas propensas a la escasez de agua, como las regiones mediterráneas. Por lo tanto, es fundamental desarrollar modelos para evaluar la viabilidad de esos métodos y demostrarlos tanto económica como ambientalmente, siendo la plataforma INOWAS bien documentada y probada una etapa ya probada para tales procedimientos.
Entorno institucional
El principal impulsor del grupo de investigación INOWAS es MAR, la recarga intencional de un acuífero para la posterior recuperación de agua o beneficios ambientales (Dillon et al., 2009; Bouwer, 2002) y ha demostrado ser un instrumento fiable para la gestión sostenible de las aguas subterráneas. Este concepto comprende una serie de métodos diferentes, desde métodos de propagación superficial (es decir, cuencas de infiltración y estructuras por igual) hasta la inyección en pozos, y cada uno con requisitos específicos para la implementación. A pesar de sus beneficios económicos y ecológicos demostrados, la MAR todavía no está muy extendida, en parte debido al escaso acceso a la información y la falta de conocimiento. Para ayudar a abordar estos desafíos, INOWAS promovió la innovación técnica y el desarrollo de herramientas como la Plataforma INOWAS para planificar, evaluar y optimizar las aplicaciones MAR.
Entorno geográfico
El grupo de investigación junior INOWAS MAR está ubicado en el campus externo TUD TU Dresden de Pirna. Pirna es una ciudad de 38.252 habitantes en el estado alemán de Sajonia, la capital del distrito administrativo de la Suiza este-sajona de las montañas metálicas. Bajo el pilar experimental del Grupo INOWAS y su principal sujeto de investigación MAR, se desarrolló una planta piloto en el campus TUD de Pirna. Este sitio se encuentra a orillas del río Elba y ha permitido realizar diversas investigaciones tanto a escala de laboratorio como real. El piloto está compuesto por una cuenca de infiltración rápida para simular escenarios MAR en condiciones naturales, siete pozos de monitoreo de aguas subterráneas para realizar experimentos de trazador y determinar la dirección y velocidad del flujo de agua subterránea (útil para métodos de almacenamiento y recuperación de acuíferos) y once piezómetros de pequeño diámetro – Fig. 2. Todos ellos están equipados con dispositivos de monitorización en tiempo real para recoger parámetros in situ cuyo análisis profundo permitió su uso como entrada para la calibración de modelos numéricos de la zona de vadose (fundamental para MAR).
Fig. 2 – Ubicación de la cuenca de infiltración rápida de INOWAS y pozos de monitoreo de aguas subterráneas (adaptado del sitio web del grupo INOWAS)
Reseña histórica
Un proyecto con el mismo nombre de la plataforma financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania sentó las bases para el desarrollo de INOWAS. El proyecto se llevó a cabo desde mayo de 2014 hasta abril de 2019 y, en ese momento, tenía como objetivo proporcionar a las partes interesadas un sistema de apoyo a la decisión (SAD) con base científica para la planificación, el diseño y la gestión de aplicaciones en el sector del agua. El enfoque del proyecto se centró en la evaluación cualitativa y cuantitativa de los recursos de aguas subterráneas mediante el análisis de escenarios, el pronóstico y la evaluación de riesgos y de los factores climáticos que influyen. El proyecto presentó cuatro pilares principales (Calificación, Conocimiento, Computación y Aplicaciones) y se compuso de nueve paquetes de trabajo (Fig. 5)
El SAD multicomponente se desarrolló en una plataforma interactiva basada en la web que combinó una base de conocimientos integral con herramientas de análisis de escenarios complejos. Un plano público de la plataforma fue presentado en el 9º Simposio Internacional sobre Recarga Administrada de Acuíferos (ISMAR9), organizado en 2016 en la Ciudad de México (Stefan et al. 2016).
El lanzamiento público oficial ocurrió en los últimos meses de 2017, mientras que una serie de Escuelas de Verano INOWAS en MAR comenzaron en septiembre de 2016. A la primera escuela de verano asistieron 26 participantes de 18 países. En 2017, la 2ª escuela de verano con una duración de dos semanas (4-15 de septiembre de 2017) se estructuró en dos partes principales: (1) Planificación y optimización de los esquemas MAR y (2) Implementación práctica y estudios de casos. Se asignó una sesión especial para la simulación y el análisis asistidos por computadora de diferentes escenarios MAR utilizando la plataforma gratuita INOWAS (Stefan et al., 2019).
Fig. 5 – Arquitectura del proyecto INOWAS (adaptado del folleto del proyecto INOWAS)
Perspectivas de futuro
Se espera que INOWAS haya sido la plataforma para modelar MAR en Katmandú (Nepal) y para enseñar modelado de aguas subterráneas en Brasil. Un importante paso adelante para la plataforma es el proyecto de investigación SMART-Control en curso, dirigido por el grupo INOWAS y financiado a través de la Iniciativa de Programación Conjunta del Agua (WaterJPI) e implementado por nueve instituciones de Alemania, Francia, Chipre y Brasil. El objetivo principal es reducir los riesgos asociados con MAR mediante el desarrollo de un sistema de monitoreo y control en tiempo real en combinación con herramientas de evaluación y gestión de riesgos. El enfoque del proyecto se basa en el acoplamiento de un sistema de observación in situ en tiempo real que consiste en sensores en línea y una plataforma de monitoreo y modelado de aguas subterráneas en línea. El sistema resultante proporcionará a los operadores y gestores de los sistemas más herramientas automáticas de apoyo a la toma de decisiones para supervisar, controlar y predecir los procesos que se produzcan durante el MAR. El enfoque se probará y validará en seis sitios MAR bajo diferentes condiciones ambientales y operativas (Glass et al., 2020).
La plataforma INOWAS se actualizará en el proyecto SMART-Control mediante cuatro herramientas de simulación adicionales (Fig. 6):
- T1. Evaluación inicial de riesgos. evaluar la viabilidad de un proyecto MAR y la evaluación preliminar de los riesgos para la salud humana y el medio ambiente. con un componente cuantitativo de evaluación del riesgo microbiano (QMRA) que consiste en la identificación del peligro, la evaluación de la exposición, el análisis de la dosis y la caracterización de los riesgos para predecir el riesgo de infección o el resultado relacionado con la enfermedad.
- T2. Monitoreo y control en tiempo real. facilitar la gestión operativa de los emplazamientos MAR mediante la integración en tiempo real de datos de series temporales en la plataforma de modelado INOWAS. Los sensores instalados en las instalaciones de MAR en todo el mundo se pueden conectar a la plataforma INOWAS para transferir los datos recopilados en tiempo real.
- T3. Actualización automática del modelo de aguas subterráneas y simulaciones basadas en las capacidades de la plataforma INOWAS, lo que permite una respuesta rápida y una gestión optimizada.
- T4. Predicciones para la gestión avanzada del sistema para evaluar la disponibilidad de agua espacial y temporal en diferentes escenarios, como el cambio climático y el uso de la tierra.
Las capacidades de modelado colaborativo de INOWAS también serán la plataforma central para el próximo proyecto AgreeMAR financiado por PRIMA de la Unión Europea.
Fig. 6 – Arquitectura SMART-control (adaptada de Glass et al., 2020)
Se espera que este proyecto comience en 2022 y tiene como objetivo desarrollar un marco de gobernanza adaptativa integrado con un conjunto de herramientas que ayudarán a los responsables de la formulación de políticas y gestores del agua a alcanzar una gestión integrada sostenible de los recursos hídricos y se implementará en las regiones mediterráneas de Túnez, España, Chipre y Portugal.
Puntos clave del método innovador
- INOWAS Platform es una plataforma de modelado gratuita en línea para la planificación, evaluación y optimización de aplicaciones MAR.
- Fue desarrollado por un grupo de investigación recientemente reunido con sede en la Universidad Técnica de Dresde y se centra en MAR
- La plataforma permite el uso integrado de diversas complejidades del modelo y proporciona la mejor accesibilidad de los datos del proyecto y la colaboración multiinstitucional a través de la implementación en línea.
- Hace uso de una combinación de herramientas de código abierto ampliamente disponibles y promueve el enfoque de análisis basado en casos con soporte para la estimación de parámetros del modelo y la búsqueda de soluciones.
- Se están desarrollando habilidades en la nube, así como la capacidad de analizar datos en tiempo real para la calibración de modelos numéricos.
Reconocimientos
Esta práctica innovadora fue sugerida por Teresa Leitão del Laboratorio Nacional de Ingeniería Civil de Portugal – LNEC – después de la discusión entre PPA y LNEC.
Referencias
Bouwer, H., 2002. Artificial recharge of groundwater: hydrogeology and engineering. Hydrogeology Journal 10, 121–142. https://doi.org/10.1007/s10040-001-0182-4
Dillon, P., Pavelic, P., Page, D., Beringen, H., Ward, J., 2009. Managed aquifer recharge. An introduction waterlines report series 13. https://recharge.iah.org/files/2016/11/MAR_Intro-Waterlines-2009.pdf
Glass, J., Stefan, C., Junghanns, R., 2017a. Free MODFLOW-based web modeling framework for planning and assessment of managed aquifer recharge schemes. Presentation at the MODFLOW and More 2017: «Modeling for Sustainability and Adaptation» Conference, Golden, Colorado, USA, 21-24 May 2017. http://igwmc.mines.edu/MODFLOW2017/2017_PROCEEDINGS_MODFLOW-and-More.pdf
Glass, J., Sallwey, J., Junghanns, R., Fichtner, T., Stefan, C., 2017b. Web-based compilation of empirical and analytical equations for the sustainable management of groundwater resources. 44th Annual Congress of the International Association of Hydrogeologists, IAH, Dubrovnik, Croatia. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.11414.86083
Glass, J., Junghanns, R., Schlick, R., Stefan, C., 2020. SMART-Control Deliverable D4.2: Web-based real-time monitoring and control capabilities -Implementation of web-based real-time monitoring tool on INOWAS platform. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.16843.52007.
Stefan, C., Fatkhutdinov, A., Ringleb, J., Sallwey, J., 2016. Integrated web-based framework for planning and assessment of managed aquifer recharge. 9th International Symposium on Managed Aquifer Recharge – ISMAR9. https://recharge.iah.org/files/2021/02/ISMAR9_book_abstracts.pdf
Stefan, C., 2017. Web-Based Modelling Framework for Planning and Assessment of Managed Aquifer Recharge Application. Presentation for the Dresden Nexus Conference (DNC2017). http://dresden-nexus-conference.org/archive/2017/wp-content/uploads/2017/06/A5-Stefan.pdf
Stefan, C., Junghanns, R., Glass, J., Sallwey, J., Fatkhutdinov, A., Fichtner, T., Barquero, F., Moreno Gómez, M., Bonilla, J., 2017. Free web-based modelling platform for managed aquifer recharge (MAR) applications. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.23732.04483
Stefan, C., Ansems, N., 2018. Web-based global inventory of managed aquifer recharge applications. Sustain. Water Resour. Manag. 4, 153–162. https://doi.org/10.1007/s40899-017-0212-6
Stefan, C., Junghanns, R., Glass, J., Sallwey, J., Barquero, F., Fichtner, T., Schönekerl, C., 2019. Using free web-based tools for strengthening capacities and promotion of MAR. 10th International Symposium on Managed Aquifer Recharge – ISMAR10. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.16129.10088
REFERENCIAS EN INTERNET:
INOWAS platform website (https://inowas.com/)
INOWAS project flyer (https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/iak/ressourcen/dateien/inowas/dateien/2014/poster_kassel?lang=en)
SMART-control project information (https://www.smart-control.inowas.com)
IGRAC GW Resources Assessment Center MAR Portal (https://ggis.un-igrac.org/view/marportal)
Otras fuentes:
https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/inowas/research/projects/inowas
http://en.pirna.de/Home/4188l1/
Miembros participantes en la plataforma INOWAS:
INOWAS MAR junior research group (https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/inowas/about)
Technical University of Dresden (https://tu-dresden.de/)
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