Sistemas de saneamiento y drenaje urbano en las ciudades inteligentes del futuro


Publicamos hoy en futurodelagua.com un resumen de la tesis doctoral, presentada el pasado día 2 de junio por la Dra. en Ciencia y Tecnología Ambientales Anna Petit Boix  en la Universidad Autónoma de Barcelona. La tesis lleva el sugerente título de «Hacia las ciudades sostenibles a través de un análisis ambiental, económico y de ecoeficiencia de los sistemas urbanos de saneamiento y drenaje»

Anna Petit también ha conseguido el tercer premio en el concurso de “posters” que tuvo lugar en CILCA 2015 – VI Conferencia Internacional de Análisis de Ciclo de Vida en Latinoamérica (Lima, Perú – 13 al 16 de julio de 2015),  por su  contribución  «Integración de LCA y LCC para Apoyar Decisiones en el Diseño y Construcción de Redes de Alcantarillado en Ciudades Inteligentes Futuras«, desarrollada en el marco del proyecto LIFE + AQUAENVEC (http://www.life-aquaenvec.eu/)

En el póster se presentó una propuesta para representar los impactos ambientales y económicos de la construcción de redes de alcantarillado, aplicando la Evaluación del Ciclo de Vida (LCA)  y el Cálculo del Ciclo de Vida (LCC), considerando diferentes tipos de soluciones constructivas, como  hormigón y plásticos. Este es un primer paso hacia una evaluación de la ecoeficiencia en el ámbito de las infraestructuras urbanas.

Para nosotros, es un honor divulgar en nuestro blog todos los trabajos de investigación  formulados desde el ámbito académico que puedan suponer un estímulo para avanzar en la gestión del futuro del agua. Como podrán comprobar nuestros lectores, la tesis de la Dra. Petit es un buen ejemplo de ello:

  El crecimiento de las ciudades alrededor del mundo lleva asociado un incremento en la demanda de infraestructuras de saneamiento y drenaje asociadas al ciclo del agua. Combinado con los efectos del cambio climático, que están alterando los patrones de pluviometría, la situación de estos sistemas en entornos urbanos es crítica. Buena parte de las redes de alcantarillado existentes requieren una renovación urgente, otras han de ser construidas en zonas en crecimiento, mientras que la escorrentía superficial de agua pluvial es una amenaza en cuanto a inundaciones debido a la impermeabilización del suelo. En este contexto, se debe determinar a través de una nueva visión ambiental y económica cuáles son las mejoras prácticas para reducir estas problemáticas y al mismo tiempo adaptar a las ciudades al cambio climático.

Aun así, existe una falta de datos ambientales y económicos que describan los principales impactos de la gestión  de las redes de alcantarillado, así como  de diferentes sistemas de prevención de inundaciones. Con este fin, la combinación de diferentes herramientas es clave en la obtención de información integrada sobre estas infraestructuras. Además, también es esencial determinar las implicaciones de diferentes escenarios de gestión del saneamiento y drenaje a escala urbana, periurbana, barrio y edificio.

En respuesta a estas demandas, se formulan las siguientes preguntas, que se responderán según la estructura de la Figura 1:

  • ¿Cuáles son los puntos críticos ambientales y económicos de las redes de alcantarillado y los parámetros que afectan estos resultados en ciudades medianas?
  • ¿Es el saneamiento descentralizado una opción ambientalmente mejor en zonas suburbanas pequeñas cuando se debe gestionar una demanda punta?
  • ¿Tienen las estrategias de prevención de inundaciones un comportamiento ambiental y económico positivo cuando se contabilizan las pérdidas evitadas en inundaciones? En caso afirmativo, ¿es mejor aplicar prácticas de gestión verdes o grises?

Figura 1 Elementos estudiados en la tesis, herramientas y contribuciones

Veamos ahora resumidos los principales métodos y resultados obtenidos en esta tesis, en el ámbito de la ciencia y tecnología ambientales.

Materiales y métodos. Integración de herramientas

En el marco de la ecología industrial, se aplican métodos específicos como el análisis del ciclo de vida (ACV) (atribucional y consecuencial), el análisis de costes del ciclo de vida (ACCV) y la ecoeficiencia a los sistemas de saneamiento y drenaje urbano. Esta investigación interdisciplinaria requiere la incorporación de métodos adicionales, como estudios estadísticos o análisis experimentales de campo para obtener datos reales sobre la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) procedentes del alcantarillado. Dentro de este marco integrador con perspectiva de ciclo de vida se incluyen aplicaciones procedentes de la ingeniería y la hidrología. Las escalas de análisis incluyen desde las ciudades y zonas periurbanas hasta los barrios y edificios, dependiendo del estudio.

La etapa de construcción del alcantarillado

El ciclo de vida de las redes de alcantarillado han sido ampliamente analizado en ciudades de tamaño mediano. Por ejemplo, de entre los resultados se ha estimado que un metro de solución constructiva de 300 mm de diámetro puede generar hasta 120 kg CO2 eq si es de hormigón, o hasta 190 kg CO2 eq si es de polietileno de alta densidad. En cuanto a las tuberías, generalmente el hormigón se presenta como la opción ambientalmente mejor frente a los plásticos debido a su larga vida útil, aunque depende de los casos considerados. No obstante, se ha determinado que los materiales de la tubería no son los únicos determinantes del impacto ambiental de una solución constructiva para alcantarillado.

 En algunos casos, la contribución de la zanja puede representar hasta un 80% de los impactos ambientales de la etapa constructiva, hecho que no es irrelevante de cara a la toma de decisiones. Mediante un estudio estructural paramétrico se han podido encontrar las  soluciones constructivas equivalentes  que generan el  menor impacto ambiental. Así, reducir el uso de hormigón en las zanjas y reutilizar los materiales del suelo excavado para rellenar y proteger las tuberías puede significar una reducción de los impactos ambientales. 

 

La etapa de operación y mantenimiento de las redes de alcantarillado relacionadas con cada ciudad

La etapa de operación incluye importantes retos en el ámbito del planeamiento urbano. Estudiando una muestra de municipios de España, en general, y dos municipios contrastados, en particular, se observa que el planeamiento es clave en el consumo de energía. Se han comparado el municipio costero de Calafell (clima mediterráneo) y Betanzos (clima atlántico). En este caso, la ubicación de la estación depuradora de Calafell a una cota más elevada que el municipio hace que el consumo de energía de bombeo (0.47 kWh/m³) sea mayor que en Betanzos (0.11 kWh/m³), donde el agua circula por gravedad. En una línea de investigación adicional, se han observado emisiones de GEI en el alcantarillado a través de campañas de muestreo en estos dos municipios de climas diferentes. Estos GEI incluyen el metano y el monóxido de dinitrógeno, los cuales tienen un potencial de calentamiento global 25 y 298 más elevado que el dióxido de carbono, respectivamente. Principalmente se detectaron mayores emisiones durante el verano asociadas a las elevadas temperaturas y en zonas de turbulencia del alcantarillado, como antes de las estaciones de bombeo.

Innovación a través de la ecoeficiencia de redes

 La combinación de valores ambientales y económicos del alcantarillado se lleva a cabo a través de uno de los primeros estudios de ecoeficiencia que aplica la ISO 14045:2012. En los casos de Calafell y Betanzos se ha comparado la ecoeficiencia tanto de las diferentes etapas del ciclo de vida como de los valores totales de los municipios. Independientemente del clima y la estructura urbana, la etapa de operación es la que genera más impactos ambientales (hasta el 74% de los impactos), mientras que la instalación (es decir, la zanja) contribuye más a la generación de costes económicos (70-75%). La operación tiene margen de mejora en cuanto al consumo de energía asociada al bombeo, mientras que a los costes de la instalación dependen de la mano de obra. Esta contribución en los costes de ciclo de vida es especialmente relevante en el contexto del ciclo urbano del agua completo, dado que pueden representar hasta un 45% de los costes de estos municipios. En este sentido, se discute la necesidad de gestionar el alcantarillado en el contexto de la gestión integrada de las aguas residuales para mejorar la ecoeficiencia del sistema.

 

Tratamiento del agua residual centralizado vs descentralizado, en la esfera ambiental

 La implementación de estos sistemas centralizados del tratamiento del agua residual puede ser más o menos impactante dependiendo de la escala de aplicación y el grado de demanda. Por este motivo, en un estudio específico en asentamientos urbanos temporales en la isla de Menorca se han estudiado ambientalmente diferentes escenarios de tratamiento del agua residual con sistemas centralizados o descentralizados para determinar las mejores opciones para hacer frente a las épocas turísticas. Los resultados dependen de los indicadores estudiados y las variables consideradas. Aun así, parece que un escenario centralizado en el que se conecta el asentamiento a una depuradora existente de gran capacidad es beneficioso debido a las economías de escala. Según una puntuación ambiental ponderada, este escenario generaría 390 mPt/m³, que representa un 12% menos que descentralizar parcialmente con fosas sépticas o un 36% respecto a tratar el flujo estacional en un humedal construido. No obstante, mediante un estudio probabilístico se ha variado la población punta, la generación de agua residual estival y la duración de la época turística para extrapolar a otras zonas similares. En este caso, tratar el agua en fosas sépticas y transportar el efluente a la depuradora vecina puede presentar los mejores resultados medios (520 mPt/m³). En general, los resultados dependen de la duración de la época turística. El escenario centralizado es el que más variabilidad presenta (77%) en función de la generación del agua, que va ligada al bombeo. Por este motivo, se deben estudiar de forma diferenciada los sistemas urbanos temporales y los permanentes.

Análisis de las inundaciones desde una perspectiva de ciclo de vida

 En el ámbito de la prevención de inundaciones, se aporta una nueva visión y un enfoque innovador, pues se trata de los primeros estudios que integran el impacto ambiental y económico de invertir en medidas preventivas con el impacto de los daños evitados. Estos estudios pueden ser de gran interés de cara a la planificación urbana y, en particular, dependiendo de climas y entornos. Desde una perspectiva metodológica, los estudios de inundaciones aportan una discusión en el ámbito de las metodologías de ACV y en cómo abordar las consecuencias de las inundaciones desde un punto de vista integrador y de la sostenibilidad de las ciudades.

Balance ambiental y económico de los sistemas de prevención de inundaciones

 Para determinar el balance neto de los impactos ambientales y costes económicos de determinadas acciones preventivas, se han estudiado dos zonas diferenciadas. Por un lado, las rieras son una amenaza en la costa mediterránea. En este entorno, se ha estudiado la evolución histórica de los daños causados en tres municipios del Maresme (Cataluña, España) antes y después de la implementación de actuaciones de emergencia. Comparando los impactos y costes invertidos en la prevención y los daños evitados, se observa que estas acciones se podrían amortizar económicamente en 2 años y ambientalmente, en 25 años. Este resultado pone de manifiesto una de las consecuencias ambientales y económicas de invertir en sistemas intensivos en materiales y de larga durabilidad, como el hormigón.

Por el contrario, también se ha estudiado un sistema de prevención verde existente en la ciudad de São Carlos (Brasil), donde las elevadas precipitaciones resultan en gran cantidad de daños cada año. En este entorno, se ha observado que la ratio de ecoeficiencia del sistema (0.38 kg CO2 eq/€) es menor que en el caso de las actuaciones en las rieras (1.2 kg CO2 eq/€). Aunque no son sistemas equivalentes, el uso de un sistema verde que puede captar carbono puede ser beneficioso en algunos casos, además de que también fomenta la infiltración natural del agua. En este último caso, se comprobó que el impacto del sistema puede ser amortizado una vez se evita la destrucción de un coche en términos de huella de carbono.

Retos de futuro en la investigación del saneamiento y drenaje urbano

Los resultados obtenidos abren un abanico de nuevas líneas de investigación de futuro. Es interesante determinar si las tendencias observadas en el alcantarillado de ciudades medianas también tienen lugar en grandes ciudades, donde la complejidad urbana es mayor. Por otro lado, el debate de la centralización en zonas periurbanas presenta más retos de futuro, como estudiar las posibilidades del tratamiento de agua a diferentes escalas, climas y entornos turísticos, así como la simbiosis que los sistemas naturales pueden aportar en el almacenaje del agua pluvial para un uso descentralizado.

En este ámbito, se deberían comprender las aplicaciones de las aguas pluviales y/o regeneradas en la agricultura y servicios para cerrar el ciclo del agua de la manera más sostenible en sistemas urbanos. En el caso de las inundaciones, son necesarios más modelos predictivos que permitan determinar las  consecuencias concretas de las inundaciones y su prevención. Por último, el enfoque de ciclo de vida de esta tesis se podría completar analizando los servicios ecosistémicos (es decir, beneficios para las personas) de diferentes alternativas de saneamiento y drenaje. De esta forma, sus beneficios e impactos quedarían claramente establecidos en vistas a la toma de decisiones a escala urbana.

Hasta aquí el resumen de la apasionante tesis de la Dra. Anna Petit. Invitamos en su nombre a todos los que tras disfrutar de su lectura se sientan interesados en conocerla más a fondo a contactar con la autora en las siguientes coordenadas:

Dra. Anna Petit Boix

Institute of Environmental Science and Technology (María de Maeztu Excellence Institute)
Sostenipra (http://www.sostenipra.cat/)

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Lorenzo Correa

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