Digitalizando el agua urbana: ideas de cinco ciudades europeas y una mirada global

Milán, París, Sofía, Berlín y Copenhague han participado en un proyecto europeo para idear soluciones que digitalicen la gestión del agua urbana, por ejemplo en alcantarillado y ríos. El objetivo: reducir los riesgos de salud pública, cuidar el medio ambiente y asegurar la sostenibilidad. Los sensores inteligentes y la inteligencia artificial son algunas de las tecnologías claves para conseguirlo. No solo en Europa: en Norte América, América Latina, Asia y África también se dan pasos hacia la digitalización del agua en las ciudades.

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Cuando cae una gota en una superficie de agua, forma circunferencias concéntricas que van expandiéndose más y más. De esa gota de agua inicial se genera un movimiento que impacta y cala en toda su extensión, aunque sea con una onda leve. Todo empieza por una gota.

Con la innovación pasa lo mismo. Una idea puesta en marcha en un lugar puede escalar, recalar en otros lugares y servir de inspiración. Si hablamos de digitalizar el sector del agua urbana, en Europa encontramos cinco fuentes de ideas: Milán (Italia), París (Francia), Sofía (Bulgaria), Berlín (Alemania) y Copenhague (Dinamarca).

Estas cinco ciudades europeas han participado en el proyecto Digital-water.city (DWC), que empezó en 2019 con financiación del Programa de Investigación e Innovación H2020 de la Unión Europea y en el que se han ideado y desarrollado más de 15 soluciones digitales para abordar los desafíos a los que se enfrentan las empresas de servicios públicos de agua y de alcantarillado. Muchas de estas iniciativas ya se están probando e incluso se han llevado al mercado, y no sirven para una única ciudad: algunas son comunes a varias, lo que demuestra el potencial de su impacto.

Por ejemplo, París está aprovechando la sensorización y el aprendizaje automático (una rama de la inteligencia artificial) para abrir sus ríos a los bañistas, y Berlín utiliza la realidad aumentada para mostrar el agua subterránea al público. Analizamos algunas de estas ideas (que se han llevado a cabo en colaboración con ayuntamientos, empresas de servicios públicos, institutos de investigación y agentes de innovación) para fomentar la digitalización del agua urbana europea, y lanzamos una mirada para saber qué está haciendo el resto del mundo.

 

 

 

¿Por qué es necesario digitalizar el agua urbana en Europa?

Antes de empezar a vislumbrar las soluciones, hay que entender los problemas y los retos. ¿Por qué es una oportunidad digitalizar el sector del agua urbana en Europa? ¿Qué potencial tiene aplicar la tecnología a la gestión hídrica en las ciudades? Desde Water Europe, una plataforma puesta en marcha por la Comisión Europea, recuerdan que hacerlo va en línea con los objetivos de construir una Europa verde y digital, y que el sector del agua ya ha establecido compromisos reconociendo los beneficios de la digitalización para nuestra sociedad, economía y medio ambiente.

“La digitalización es una oportunidad enorme para el ciclo del agua. En primer lugar, para mejorar la gestión actual, que se está haciendo mayormente de manera correcta, pero en la que hay mucho margen de mejora con más sensorización, gestión de datos e información a tiempo real. En segundo lugar, para afrontar la modernización de las infraestructuras del agua y que eso nos permita hacer frente al cambio climático”, enumera Oriol Gutiérrez, investigador de ICRA (Instituto Catalán de Investigación del Agua) que forma parte de uno de los proyectos desarrollados en DWC. “Las tecnologías digitales tienen y tendrán un papel clave como facilitadoras para lograr esta modernización”, condensa Gutiérrez.

Para Dan Angelescu, CEO y director de I+D de la empresa francesa de alta tecnología Fluidion que también ha participado en el proyecto europeo, estamos en un momento de presiones sin precedentes sobre el suministro de agua, así que la digitalización será una herramienta vital en el corto plazo.

“En la actualidad, la tecnología puede complementar las prácticas de control existentes, pero creemos que, en un futuro próximo, alterará por completo la forma de operar de los servicios públicos y los municipios, con importantes consecuencias en términos de mejora de la calidad del agua y del medio ambiente, y de reducción de los riesgos para la salud pública asociados al uso del agua”, vaticina Angelescu.

 

"La digitalización del agua nos ayudará a abordar los grandes retos a los que nos enfrentamos: mitigación y adaptación al cambio climático, biodiversidad y sostenibilidad", destaca Barbara Greenhill, responsable de proyecto en el departamento de planificación de BIOFOS.

 

Barbara Greenhill, responsable de proyecto en el departamento de planificación de BIOFOS, planta de tratamiento de aguas residuales de Dinamarca que ha participado en Digital-water.city, lleva 15 años en el sector del agua y cree que los avances que se han producido, especialmente en los últimos tiempos, son impresionantes. “La digitalización del agua nos ayudará a abordar los grandes retos a los que nos enfrentamos: mitigación del cambio climático y adaptación al mismo, biodiversidad y sostenibilidad”, sostiene.

Pero también recuerda que “digitalizar el agua no es gratis: cuesta dinero, tiempo y recursos. Además, la asimilación de las nuevas tecnologías viaja a la velocidad de la confianza, y aún tenemos que ganárnosla”. En eso se centran algunas de las ideas de DWC, en abaratar las soluciones y demostrar que funcionan.

 

"En el marco del proyecto Digital-water.city se han ideado y desarrollado más de 15 soluciones digitales para abordar los desafíos a los que se enfrentan las empresas de servicios de agua"

 

 

Cómo monitorizar el desbordamiento del alcantarillado cuando llueve

Cuando llueve en una ciudad, el alcantarillado es el sistema encargado de recoger el agua. Pero hay distintos tipos de sistemas. En el caso del alcantarillado combinado, se trata de un complejo modelo subterráneo que traslada a la vez aguas pluviales y aguas residuales. Estas van juntas en el mismo sistema de tuberías y túneles dirigidos a la planta de tratamiento. Sin embargo, cuando la lluvia es muy fuerte y duradera y el alcantarillado no es capaz de transferir todo el volumen de agua a las plantas, pueden darse problemas, como el desbordamiento de alcantarillado combinado (CSO, por sus siglas en inglés).

Si sucede un CSO, el agua no llega a la planta, sino que se vierte en la masa de agua receptora (como por ejemplo un río), provocando episodios de contaminación y daños en el ecosistema y en los organismos acuáticos. Las infraestructuras de este tipo son muy frecuentes y, por tanto, los episodios de CSO también. ¿Cómo se controlan y se mide el volumen de agua vertida y su impacto? Hasta ahora, esto era caro y complejo de medir, mucho más en tiempo real, pero uno de los proyectos de Digital-water.city busca mejorarlo.

“La solución combina tres tecnologías diferentes: la medida de temperatura en puntos de alivio del sistema de saneamiento, el tratamiento de datos con algoritmos avanzados de inteligencia artificial para detectar específicamente descargas del sistema unitario (DSU) y una plataforma web de visualización que permite ver lo que ocurre en cada punto”, explica Oriol Gutiérrez del ICRA, desarrollador de los sensores de temperatura de bajo coste utilizados.

 

"La digitalización es una oportunidad enorme para el ciclo del agua, tanto para mejorar la gestión actual, como para afrontar la modernización de las infraestructuras y hacer frente al cambio climático", afirma Oriol Gutiérrez, investigador de ICRA (Instituto Catalán de Investigación del Agua).

 

En concreto, se trata de soft sensing, un sensor simple pero robusto que mide la temperatura y que se coloca antes de la zona por donde el agua se vertería. Gracias a algoritmos avanzados, “conseguimos detectar eventos de alivio”, detalla el experto. Para la transmisión de estos datos en tiempo real se utiliza tecnología de internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés).

“El objetivo final es tener una herramienta robusta y asequible, que se pueda implementar en múltiples puntos, ya que los alivios pueden ocurrir en muchos lugares distintos”, indica Gutiérrez. También, reducir el tiempo de reacción de las ciudades y prever episodios de inundación y desbordamiento.

Este proyecto se está probando en Berlín, Sofía y Milán. En las dos primeras ciudades, “los tests han concluido recientemente con muy buenos resultados y las empresas gestoras de aguas - BWB Berlin y SV Sofia - están muy satisfechas con la información que les hemos podido suministrar, porque ahora tienen una idea mucho más precisa del comportamiento de sus puntos de alivio más críticos”. Con esta información se puede cuantificar la frecuencia y duración de los CSO, estimar el volumen vertido, y planificar y diseñar medidas correctoras en base a ello. En Milán, están en fase de monitorización.

Esta idea tiene potencial para ser implementada en otras ciudades. “Estamos muy satisfechos con el progreso, aunque es verdad que también tenemos que solucionar algunas limitaciones técnicas que nos hemos encontrado. Estamos en ello”, concluye el investigador.

 

Los proveedores de servicios de agua invierten unos 45.000 millones de euros al año en infraestructuras, según datos de EurEau. Los sistemas de alcantarillado están en el punto de mira de la serie de cosas que hay que modernizar.

 

 

Algoritmos e interoperabilidad para gestionar las aguas residuales y pluviales

Anualmente, los proveedores de servicios de agua invierten unos 45.000 millones de euros en infraestructuras, según datos de EurEau. Los sistemas de alcantarillado están en el punto de mira de la serie de cosas que hay que modernizar: las regulaciones y normativas cada vez son más estrictas, las ciudades no dejan de crecer y es necesario que se adapten al cambio climático. Esto significa implementar mejoras en todos los sistemas urbanos, también en el agua y, en particular, en el alcantarillado y en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR).

Como hemos visto en el ejemplo anterior, hacerlo en tiempo real es clave. Por eso, dentro del proyecto DWC, se ha estudiado cómo poder tomar decisiones de forma más rápida y certera. Así ha surgido el Decision Support System (DSS), en español, Sistema de Apoyo a la Decisión. Se trata de una herramienta para poder gestionar de manera sostenible una red integrada de alcantarillado y una EDAR.

Esto se hace mediante sensores dentro de la red y datos de funcionamiento y previsión de la EDAR. “El sistema de apoyo a la toma de decisiones de la ciudad digital del agua se basa en MIKE+ y MIKE OPERATIONS, del grupo DHI. Para el proyecto de Digital-water.city utilizamos un modelo hidrodinámico calibrado y un modelo de aprendizaje automático, para poder hacer una simulación online”, explica Sten Lindberg, director de Ventas y Desarrollo de Negocio en DHI.

El objetivo principal es optimizar las capacidades de tratamiento de la planta y la asignación de flujo en el alcantarillado ante episodios de lluvia, y “producir previsiones fiables sobre el caudal utilizando el aprendizaje automático para el apoyo a la toma de decisiones en las operaciones”, añade Lindberg. Es decir, anticiparse y prever.

Para esto, se han desarrollado tres soluciones digitales, detalla el experto: previsión mejorada del flujo de agua al alcantarillado mediante aprendizaje automático, sistema de apoyo a la toma de decisiones para el control en tiempo real de las operaciones de las EDAR y la retención en el alcantarillado, y una plataforma web para el apoyo a la toma de decisiones a escala urbana. Esta última plataforma se llama Future City Flow, y “ofrece una visión completa de los datos y procesos clave en la cuenca e incluye tanto una visión general tipo GIS [sistema de información geográfica, por sus siglas en inglés] como un cuadro de mandos con datos esenciales”, especifica Lindberg.

También utiliza tecnología de gemelos digitales, pero hay más componentes tecnológicos y matemáticos, como predicción de series temporales, detección de anomalías y modelización hidrodinámica con asimilación avanzada de datos, resume el experto de DHI.

 

"Utilizamos un modelo hidrodinámico calibrado y un modelo de aprendizaje automático, para poder hacer una simulación online, producir previsiones fiables sobre el caudal y apoyar en la toma de decisiones en las operaciones", afirma Sten Lindberg, director de Ventas y Desarrollo de Negocio en DHI.

 

El núcleo de todo esto es poder tomar mejores decisiones y apoyarse para ello en el sistema. “La solución de DWC puede utilizarse en modo consultivo, pero si se añaden los módulos de Future City Flow, el gemelo digital también puede funcionar en modo accionable”, Dennis Jursic Wanninger, asesor en servicios digitales de DHI. Así, no solo serviría para consultas, sino también para acciones. Para el control predictivo en tiempo real, Wanninger reitera que es importante usar modelos de aprendizaje automático.

En conclusión, el DSS proporciona una plataforma interoperable, que incluye datos y predicciones, modelos de EDAR y del sistema alcantarillado, para poder reaccionar en tiempo real y en diferentes condiciones ante cambios de caudal y lluvias.

También están animando a las empresas de servicios públicos a hacer lo mismo: “Establecer una previsión basada en aprendizaje automático para las estructuras de desbordamiento críticas u otros puntos críticos y cambiar el sistema puede dar lugar a la reducción de desbordamientos o inundaciones”. Aunque Greenhill reconoce que todo esto es complejo y llevará algún tiempo analizarlo y comprenderlo perfectamente, la innovación y el desarrollo de la tecnología siguen.

 

 

 

Sensores para medir la presencia de bacterias en el agua en tiempo real

¿Es seguro (a nivel sanitario) bañarse en un río urbano? Depende. En las ciudades, las descargas de CSO y de aguas pluviales en los ríos pueden contener grandes cantidades de bacterias fecales y contaminar el agua, de forma que no habría garantías de seguridad para los bañistas, ni tampoco para su reutilización. Esto se regula bajo la normativa europea de gestión de la calidad de las aguas de baño 2006/7/CE del Parlamento Europeo y del Consejo Europeo.

Para medir la concentración de bacterias fecales, la compañía Fluidion ha desarrollado el sistema ALERT, un dispositivo autónomo que se puede controlar de forma remota, se instala in situ, permite una rápida cuantificación de las concentraciones de E.coli o enterococos y emite alertas automáticamente al momento.

“ALERT utiliza nuestra tecnología de medición patentada, que se basa en la incubación de la muestra en presencia de un reactivo durante la que realizamos mediciones ópticas en tiempo real”, detalla el CEO y director de I+D de Fluidion Dan Angelescu.

Además, en la versión 2 de ALERT V2, la solución ha avanzado para integrar todos los elementos necesarios para realizar una medición en un cartucho desechable sellado de fábrica. “Esto simplifica, por un lado, el mantenimiento del instrumento y, por otro, proporciona resultados muy precisos, lo que elimina por completo la posibilidad de error humano”, añade Angelescu.

En Europa, la vigilancia de las aguas de baño suele basarse en muestras tomadas mensualmente y analizadas en laboratorios aprobados. Aunque ya existen otras soluciones de monitorización online, ninguna tecnología de medición rápida está actualmente aprobada por las autoridades sanitarias. El CEO de Fluidion destaca que uno de los rasgos que distingue la tecnología ALERT y la hace muy precisa comparada con las prácticas actuales de laboratorio es el paso de cultivo que incluye. Este es necesario para todas las mediciones de laboratorio aprobadas. “Este paso de cultivo garantiza que solo se midan bacterias viables y también mejora la especificidad de la medición al eliminar posibles interferencias de otros tipos de bacterias”, afirma.

 

 

ALERT se ha probado en Berlín, París y Milán. Según Angelescu, en Berlín, las pruebas realizadas con el agua del río Spree que recorre la ciudad demostraron que se pueden detectar con exactitud los casos de contaminación. En París, instalaron un sistema a largo plazo para el muestreo diario del Sena y el Marne, para analizar la distribución de bacterias. Para probarlo, se están comparando los resultados de ALERT con los del laboratorio. “La comparación fue muy buena, y demostramos que con el ALERT V2 podemos detectar episodios de contaminación a corto plazo que no son visibles con las muestras semanales de laboratorio”, asegura el CEO. En el caso de Milán, el sistema se está implementando para obtener una alerta temprana de contaminación bacteriana relacionada con la reutilización del agua en una planta de tratamiento de aguas residuales.

 

Los DSS proporcionan una plataforma interoperable, que incluye datos y predicciones, modelos de EDAR y del sistema alcantarillado, para poder reaccionar en tiempo real y en diferentes condiciones ante cambios de caudal y lluvias.

 

 

Ideas y tecnologías que se expanden como ondas en el agua

Estas son solo tres de todas las soluciones que se han desarrollado, pero las ideas y las tecnologías posibles son muchas más.

Además del proyecto para medir la presencia de bacterias en el agua, en el Digital-water.city se ha estudiado cómo utilizar el aprendizaje automático para garantizar la creación de un sistema de alerta si la calidad del agua no es suficiente para el baño. También se han usado drones para medir la eficiencia del uso de agua de riego y sistemas de detección temprana para hacer un uso seguro de las aguas residuales en riego agrícola. Hemos mencionado algunas ideas para gestionar el alcantarillado, pero hay más, como un sistema de limpieza inteligente de alcantarillas basado en cámaras HD y comunicación inalámbrica.

Hemos visto que los sensores inteligentes en tiempo real están muy presentes,como resalta Dan Angelescu de Fluidion: “Creemos que los sensores digitales son esenciales para obtener información valiosa sobre el sistema hídrico. Pueden funcionar en todas las condiciones meteorológicas y a todas horas, y pueden proporcionar datos durante emergencias, cuando el personal puede no estar disponible”.

Los sensores combinados con otras tecnologías pueden ser herramientas muy potentes. En el caso del proyecto DWC, “los sensores digitales de calidad del agua y su posible combinación con modelos de calidad del agua basados en inteligencia artificial pueden proporcionar las herramientas necesarias para garantizar una gestión activa de las aguas de baño y la protección de la salud pública en las zonas de aguas de baño urbanas”, recuerda Angelescu.

 

"Los sensores digitales son esenciales para obtener información valiosa sobre el sistema hídrico. Pueden funcionar en todas las condiciones meteorológicas, a todas horas y proporcionar datos durante emergencias", destaca Dan Angelescu, CEO y director de I+D de Fluidion.

 

Hay más tecnologías que quieren ser esa gota que crea ondas concéntricas que expanden la digitalización, como la realidad aumentada, la computación en la nube, las plataformas abiertas de datos, los robots, los gemelos digitales, la automatización y los sistemas de toma de decisiones. Por ejemplo, como subraya Greenhill de BIOFOS, “nuestra previsión de la entrada de agua mediante aprendizaje automático o la posibilidad de medir el N2O mediante sensores en línea y drones para ajustar el control de las EDAR son solo dos de los muchos ejemplos de la digitalización
del agua”.

En el position paper de Water Europe Digitalization & Water. Start with digital water and end with a water-smart digital sector (Digitalización y agua. Empezar con el agua digital y terminar con un sector digital inteligente en materia de agua), también subrayan que, para aprovechar todo este potencial, Europa necesita una plataforma de datos abierta para facilitar el intercambio de información entre las distintas partes interesadas, y fomentar así un uso libre y seguro del agua.

Como siempre, la tecnología y el uso de datos no es el fin, sino el medio; en este caso, de que la digitalización del agua urbana sea un paso contundente para garantizar la sostenibilidad y la eficiencia de una ciudad.

 

La tecnología y el uso de datos no es el fin, sino el medio; en este caso, de que la digitalización del agua urbana sea un paso contundente para garantizar la sostenibilidad y la eficiencia de una ciudad.

 

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Una mirada global a la digitalización del agua

No solo Milán, París, Sofía, Berlín y Copenhague están digitalizando la gestión del agua urbana. Se trata de una necesidad a nivel mundial y en todos los continentes se está llevando a cabo porque en todos hay retos y necesidades.

Como recuerda el informe A Strategic Digital Transformation for the Water Industry de 2022 de la Asociación Internacional del Agua (IWA, por sus siglas en inglés), en Ciudad del Cabo (Sudáfrica) luchan a diario contra la escasez del agua. São Paulo (Brasil) tiene problemas de abastecimiento de agua. Shenzhen (China), de vertidos de aguas residuales sin tratar. En Miami (Estados Unidos) está subiendo el nivel del mar y en Yakarta (Indonesia) se están quedando sin aguas subterráneas.

En Norteamérica y Europa, ya existen amplios sistemas de infraestructuras; el riesgo que corren es el de quedarse obsoletos. Por eso, ahora toca modernizarlos con tecnologías digitales.

En Las Vegas Valley Water (Estados Unidos) se están usando soluciones digitales para reducir el consumo de agua, mejorar la conservación y optimizar el suministro.

En Europa, el proyecto europeo Horizonte 2020 PrimeWater está usando datos de observación de la Tierra para entender los efectos de los cambios del agua. Por ejemplo, en el lago artificial de Mulargia (Italia), se está evaluando la previsibilidad de algas.

Otra iniciativa dentro de Horizonte 2020 es el proyecto aqua3S, que busca combinar tecnologías novedosas en el ámbito de la seguridad del agua con mecanismos de detección para prevenir crisis. Están llevando a cabo pilotos en Italia, Francia, Bélgica, Chipre, Grecia y Bulgaria.

Por otro lado, el informe de IWA afirma que dentro del marco de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) para 2030, se crearán oportunidades y nuevos mercados en Asia, África, América Latina y Oriente Medio para que la tecnología satisfaga la creciente demanda en zonas urbanas densas y regiones con escasez de agua. En concreto, según IWA, en regiones como Asia y Pacífico la automatización digital ya está muy extendida, y es probable que se demanden y mejoren más tecnologías en el sector del agua.

En Shenzhen (China) han implantado sensores de control de la calidad del agua y de modelización hidráulica.

En Singapur se creó la iniciativa NEWater, una estrategia de reutilización del agua basada en nuevas tecnologías y plantas de tratamiento para satisfacer las necesidades de la población con agua reciclada y desalinizada.

En New Clark City (Filipinas) han implementado contadores inteligentes para la conservación del agua, sistemas de control de datos para mejorar la gestión de las decisiones y análisis de datos espaciales para analizar la sobreexplotación de acuíferos. En el proyecto ha participado el Banco Asiático de Desarrollo (ADB, por sus siglas en inglés).

En India, con el proyecto West Bengal Drinking Water Sector Project se busca mejorar el acceso a agua potable mediante tecnología de internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés), modelización de la salinidad del agua, sistemas de información geográfica y sensores para monitorización en tiempo real.

En Durban (Sudáfrica) están utilizando tecnología digital para gestionar mejor sus recursos hídricos mediante modelos hidrológicos y dispositivos de control; esto les ha permitido optimizar los niveles de almacenamiento en presas y embalses en presas y embalses.

En Kenia llevan más de diez años avanzando hacia la digitalización del agua, recoge el informe de la organización GSMA Water Utility Digitalisation in Low- and Middle-Income Countries Experiences from the Kenyan water sector. Entre sus desarrollos, está WARIS, un software de información y supervisión sobre la regulación del agua; Jisomee Mita, una plataforma web que permite a los consumidores enviar consultas y recibir pagar sus facturas del agua; y asistentes móviles de lectura de contadores, para recopilar información sobre georreferencias y la ubicación de los hogares para facilitar el trabajo de los operarios.