Nombre del Artículo: The impact of agricultural activities on water quality: A case for collaborative catchment-scale management using integrated wireless sensor networks
Autores: Huma Zia • Nick R. Harris • Geoff V. Merrett • Mark Rivers • Neil Coles
En el artículo se discuten cómo impactan las actividades agrícolas en la degradación de la calidad del agua en una cuenca, seguidamente se mencionan los métodos de adquisición de datos existentes en el monitoreo de calidad del agua, y sus limitaciones. También se investigó la capacidad de las redes de sensores inalámbricas para monitorear la calidad del agua y describen las limitaciones de esta tecnología, y presentan un caso para la gestión integrada de la calidad del agua en una cuenca.
Métodos disponibles para la adquisición de datos sobre la calidad del agua
- Análisis de laboratorio: Durante décadas, las muestras de agua se recogen en campo y luego se analizan en los laboratorios. Esto permite mediciones de puntos limitados y además es un método costoso para aplicarlos en lugares lejanos y además el transporte de las muestras puede alterar sus propiedades químicas.
- Sensores in situ: Las mediciones continuas usando los sensores in situ fueron utilizados inicialmente en “registradores de datos” para el seguimiento en el lugar; sin embargo, fueron limitados por no proporcionar datos en tiempo real, ya que los sitios tenían que ser visitado para recuperar/almacenar los datos.
- Detección remota: La detección remota utilizando sensores ópticos y térmicos en aviones y satélites, se puede utilizar para monitorear los parámetros de calidad del agua como: turbidez, clorofila, productos químicos, nutrientes y temperatura. Otro ejemplo que se puede monitorear: estimar el fitoplancton en un lago poco profundo utilizando imágenes de satélite. Pero esta es una solución cara y su aplicación se limita a las regiones cubiertas por los satélites. Además, la frecuencia de muestreo de datos puede ser insuficiente y los datos pueden no estar disponibles en tiempo real.
- Redes de Sensores Inalámbricos (WSN): Los avances en sistemas micro-electro-mecánicos (MEMSs), microcontroladores de bajo consumo y bajo costo, permitieron el uso de Redes de Sensores Inalámbricas (WSN) para la vigilancia ambiental. Superó las limitaciones del anterior equipo de monitoreo costoso y voluminoso. WSN es una red de ordenadores pequeños e integrados, de “nodos de sensores” distribuidos espacialmente para controlar conjuntamente el medio ambiente y transmitir los datos de manera inalámbrica.
Redes de Sensores Inalámbricos (WSN)
Un nodo puede tener diferentes tipos de sensores, por ejemplo para medir la humedad, temperatura, turbidez y nitrato. La calidad de los datos dependerá de la calidad del sensor.
Las muestras analógicas adquiridas se convierten en señales digitales utilizando un convertidor (incorporado) de analógico a digital. El microprocesador puede recoger muestras en el tiempo y combinar los datos antes de transmitirlos a través del radio local de transmisor-receptor a otro nodo o a un sumidero de datos (también denominado como una puerta de enlace). La información recopilada de todos los nodos se agregan en el data sink, y son transmitidas y analizadas en un nodo de control fuera del campo, en donde éstos deben tomar una decisión.
WSN y los parámetros de calidad del agua
En las revisiones se han utilizando las redes de sensores inalámbricas para medir los parámetros de calidad del agua como: pH, el oxígeno disuelto (OD), turbidez, salinidad y nitratos.
WSN para el seguimiento y la gestión de la calidad del agua
WSNs se han empleado para monitorear la calidad de aguas en: aguas superficiales (ríos, lagos y presas), las aguas subterráneas, el suelo y las cuencas.
La mayor parte de las aplicaciones fueron implementaciones de prototipos a pequeña escala y estaban dirigidas principalmente a desarrollar y probar la tecnología de la disponibilidad de datos a distancia, continua y en tiempo real.
WSN en el monitoreo del agua subterránea
Se ha utilizado WSNs para medir la frecuencia, cantidad y dirección del flujo de la contaminación del agua en dos escenarios diferentes: arsénico en las aguas subterráneas de Bangladesh, y para controlar la propagación de nitrato a través de suelos y aguas subterráneas en algunas partes de los EE.UU (Gallagher et al, 1996; Valiela et al, 1999)
A pesar de que los nodos sensores son relativamente económicos, el alto costo de algunos sensores (por ejemplo amonio) es una de las principales barreras para el despliegue de sensores de redes inalámbricas (Ramanathan et al., 2006).
WSN han sido desplegados para monitorear la calidad del agua en una zona costera en Australia (Le Dinh et al., 2007), para controlar la intrusión de agua salada en los acuíferos costeros.
Limitacions de WSN
Las principales limitaciones comunmente encontradas en la literatura revisada se citan a continuacuón.
- WSN se ha utilizado a pequeña escala, localizada y mediciones específicas en ríos, lagos, embalses y reservorios de agua subterránea. Menos estudios fueron destinados para realizar observaciones a gran escala, estas fueron implementaciones de prototipo basado en limitados puntos de monitoreo en toda la cuenca.
- Los proyectos actuales se centran en el desarrollo de la infraestructura necesaria que permitan observaciones de calidad del agua en tiempo real y estén disponibles a través de GSM o Internet en un repositorio central de datos. Estos no incluyen en hacer frente a las decisiones de gestión y control, para minimizar y prevenir los contaminantes de manera autónoma y dinámica; por lo tanto puede ser una necesidad (identificada) de un mecanismo de vigilancia autónomo e integrado, basado en las tecnologías de sensores inalámbricos específicos.
- Ausencia de sensores adecuados. A través de la literatura existente, no se incluyen la totalidad de los contaminantes y los parámetros necesarios para el monitoreo de la calidad del agua, por ejemplo fósforo, nitratos y amoníaco.
- Los sensores disponibles para el seguimiento de nitrato se basan en la absorción ultravioleta y analizadores de células que son muy costosos.
- Los modos de detección electromecánico y ópticos, relevantes para el nitrógeno y el fósforo siguen siendo un área de investigación activo.
- Aunque el desarrollo de los sensores está en curso, aún son pocos los sensores utilizados para muchos de los parámetros, por lo tanto, se puede concluir que existe una exigencia de precisión, bajo costo, bajo consumo de energía, sensores de larga duración, robustos y miniaturas, para el análisis eficaz de la calidad del agua.
- El problema de cobertura, la atenuación de la señal, la configuración y las dificultades operativas, y la ausencia de un modelo de red para la captación en áreas de terrenos montañosos, afectan a los enlaces de radio.
- Fueron desarrollados estándares de WSN, principalmente para el seguimiento de situaciones urbanas, tales como edificios e industrias. Sin embargo, son menos adecuados para aplicaciones remotas y de gran escala, como la agricultura.
- La literatura existente ha demostrado que muchos nodos duraron sólo unos pocos días o meses, por lo tanto, los cambios de diseño eficaces deben ser considerados para prolongar su tiempo de vida a los años.
- Los sensores instalados en agua necesitan limpieza y mantenimiento periódico, para evitar la contaminación biológica.
Referencias
Gallagher, D.L., Dietrich, A.M., Reay, W.G., Hayes, M.C., Simmons, J.R., G. M. 1996. Ground water discharge of agricultural pesticides and nutrients to estuarine surface water. Ground Water Monitoring -@@- Remediation, 16, 118–129, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1745-6592.1996.tb00579.x/abstract.
Le Dinh, T., Hu, W., Sikka, P., Corke, P., Overs, L., Brosnan, S., 2007. Design and deployment of a remote robust sensor network: experiences from an outdoor water quality monitoring network. IEEE, 799–806.
Ramanathan, N., Balzano, L., Estrin, D., Hansen, M., Harmon, T., Jay, J., Kaiser, W., Sukhatme, G., 2006. Designing wireless sensor networks as a shared resource for sustainable development. In: International Conference on Information and Communication Technologies and Development IEEE, pp. 256–265.
Valiela, I., Costa, J., Foreman, K., Teal, J.M., Howes, B., Aubrey, D., 1999. Transport of groundwater-borne nutrients from watersheds and their effects on coastal waters. Biodegradation 10, 177–197.