Cómo los Sensores IoT y Pronósticos Locales de Precipitación Salvan el Suministro de Agua
En Panamá, el río La Villa ubicado entre las provincias de Herrera y Los Santos, sufre de eventos extremos de inundación que impactan directamente a la población, especialmente entre Chitré y La Villa de Los Santos, y afectan indirectamente la producción de agua potable. Los niveles aumentados del río llevan sedimentos y objetos que obstaculizan el funcionamiento de las plantas potabilizadoras de agua Rufina Alfaro y Roberto Reyna la cuales son operada por el Instituto Nacional de Acueductos y Alcantarillados (IDAAN). La falta de un sistema de monitoreo lleva a la suspensión ocasional del suministro de agua, ya que no hay alertas tempranas para anticipar oportunamente el aumento de sedimentos. Esto obliga a detener las operaciones de las plantas, dejando ocasionalmente a la población sin agua potable.
El Reto
En el contexto antes descrito, el IDAAN necesitaba implementar: la toma decisiones oportunas basadas en datos y la divulgación de información hacia sus usuarios y comunidad. Es allí donde la innovación tecnológica resulta crítica para la generación de un sistema de alerta temprana específico para las plantas potabilizadoras.
Estamos convencidos que un sistema de alerta temprana desde lo tecnológico debe incluir un modelo de pronóstico que apoye la toma de decisiones, complementando a los datos generados por sensores en tiempo real que monitoreen la variable de interés y a los medios para procesar y divulgar oportunamente la información para los tomadores de decisiones.
Por tanto, el reto era establecer una red de monitoreo de niveles del río La Villa en tiempo real junto con un pronóstico de precipitación local de la cuenca y que la información generada por ambos sistemas se pueda visualizar en un único lugar para facilitar la toma de decisiones.
Es necesario indicar que hemos restringido el reto al aspecto tecnológico, ya que abordar la solución integral a la situación descrita implica múltiples acciones tales como la educación ambiental, la participación comunitaria, la coordinación interinstitucional, la inversión en infraestructura y la implementación de la gestión del riesgo.
Antecedentes
El Río La Villa es uno de los ríos de mayor importancia en Panamá, ya que es utilizado para el suministro de agua potable de las poblaciones aledañas, resaltando las ciudades de Chitré y La Villa de Los Santos, así como para el desarrollo de actividades agropecuarias.
Pertenece a la cuenca del Río La Villa, siendo el río principal. Se ubica entre las provincias de Herrera y Los Santos en el área central del país y dentro de la región conocida como arco seco, la cual se caracteriza por contar con precipitaciones relativamente bajas en comparación con la precipitación del resto del país, lo cual no evita eventos de precipitación de intensidad fuerte que esta cuenca se identifique en estudios previos como una de las cuencas con mayores eventos de inundación en Panamá.
El aumento de los niveles del río ocasiona un aumento en el transporte de sedimentos gruesos y finos, además de otro tipo de objetos que son transportados dentro del cauce a causa de la fuerza de la avenida. Estos sedimentos y objetos transportados en el río representan un problema para el funcionamiento de las tomas de agua y de las plantas potabilizadoras del Instituto de Acueductos y Alcantarillados Nacionales (IDAAN).
Los operadores de las plantas potabilizadoras del IDAAN dependían de la información de ciudadanos civiles que viven en las regiones de la cuenca alta del Río La Villa quienes les informaban los días en que se daban fuertes lluvias en la cabecera de la cuenca, para que anticiparan con unas horas la crecida del río con el consecuente aumento de sedimentos transportados. De esta manera se obtenía una idea de cuando los niveles de sedimentos aumentarían para tomar las medidas necesarias en las plantas potabilizadoras. Queda evidenciado la ausencia de mediciones y datos fiables que permitieran al IDAAN anticipar apropiadamente las medidas necesarias para contrarrestar los efectos del agua cruda con una carga de sedimentos alta, por lo que en ocasiones las operaciones dentro de las plantas potabilizadoras debían ser detenidas, suspendiendo el suministro de agua potable a la población sin previo aviso.
La Solución
Para el monitoreo del nivel del río La Villa, se implementó el desarrollo de una red IoT en la red LoRaWAN. La red inicial consistió en un receptor de datos y dos sensores. La selección de este sistema de monitoreo en tiempo real se fundamentó en la facilidad de instalación, la independencia de cobertura de un operador de red telefónica, su eficacia para abarcar zonas inhóspitas en el bosque y el fácil manejo de sensores por su reducido tamaño.
Existe una gran variedad de sensores que pueden ser integrados dentro de la red LoRaWAN, los cuales, debido a su tamaño reducido, facilitan su manipulación y brindan una excelente autonomía de hasta 3 años a través de baterías internas. Para la monitorización de los niveles del río se optó por la utilización de sensores de medición ultrasónico y sensores de medición de radar, que pueden ampliarse posteriormente por ejemplo con sensores de turbidez.
Los sensores ubicados estratégicamente en las orillas del Río La Villa se encargan de captar el nivel del río y enviarlo de manera automatizada a los servidores donde son procesados para su visualización a través de un tablero desarrollado en ArcGIS.
Sin embargo, como indicamos anteriormente, se necesita un modelo de pronóstico que complemente las mediciones con sensores para contar con un sistema de alerta temprana. En este caso particular el sensor puede indicarnos que el nivel de río está subiendo, pero sin conocer el pronóstico de precipitación el decisor no puede inferir si el nivel del río se mantendrá, incrementará o decrecerá. Por ello, otro componente de la solución es el modelo local de precipitación para la cuenca del Río La Villa, que consiste en un pronóstico horario para las próximas 72 horas, con una resolución espacial de 1km x 1km, el cual se actualiza de forma automática 3 veces al día. Este modelo local mejora continuamente gracias al uso de inteligencia artificial y es el resultado de complejos cómputos que implican el ensamblaje de diferentes escenarios derivados de los modelos globales GFS y WRF. El resultado de cada pronóstico es visualizado como un tablero desarrollado en ArcGIS.
El tercer elemento del sistema de alerta es ArcGIS, ya que permite presentar los resultados espacialmente pudiendo visualizar en un único lugar las variables y tendencias que permiten al
IDAAN que habilita la toma decisiones oportunas basadas en datos y la divulgación de información hacia sus usuarios y comunidad es ArcGIS. A futuro el IDAAN podrá compartir información aprovechando no solo los tableros sino potencialmente el ArcGIS Hub ampliando los canales actuales de comunicación con la población.
Los Resultados
La implementación del sistema de alerta temprana para las plantas potabilizadoras que se abastecen del Río La Villa ha significado para el IDAAN un avance hacia la anticipación de avenidas en el río, habilitando la posibilidad de la toma de decisiones oportunas basadas en datos y la divulgación de información hacia sus usuarios y comunidad.
La mejor manera de reflejar el resultado es poniéndolo a prueba, tal como sucedió entre el 26 y el 27 de octubre de 2023.
El pronóstico de precipitación local proyectaba precipitaciones de fuerte intensidad para la tarde del jueves 26 y la mañana del viernes 27. La realidad fue que del jueves 26 a las 6pm hasta el viernes 27 a la 1pm el río La Villa registró una crecida de 3.6 metros.
Es acá donde se evidencia la necesidad de incorporar sistemas de pronóstico como parte del sistema de alerta temprana, ya que la decisión de suspender la operación de las plantas potabilizadoras estaba condicionada a la continuación o no de la precipitación que implicaría superar el nivel tope del río manejable para la operación. El pronóstico local de precipitación a partir de un conjunto de elementos y con un estudio de probabilidades apuntaba que la perturbación y por consiguiente la precipitación, se desplazaba hacia el este, la provincia de Darién, es decir se alejaba de la cuenca del Río La Villa, a razón de lo cual el IDAAN decide mantener la operación de las plantas.
Los pronósticos estaban en lo cierto y a partir de las 2:00 pm del viernes 27 de octubre la lluvia empezó a remitir y en poco tiempo el cauce volvió a los valores previos a la precipitación.
La magnitud del beneficio de esta solución es tan grande como difícil de cuantificar, ya que consiste en garantizar el suministro de agua potable a las ciudades de Chitré y La Villa de Los Santos, permitiendo el normal desenvolvimiento de las actividades económicas, de los centros de salud, así como las diarias en el hogar. Además, fortalece la imagen organizacional del IDAAN ante la comunidad al mostrar capacidad de adopción de innovación para resolver problemas críticos y proyectar que no solo opera, sino que gestiona el acueducto.