Los investigadores destacan la importancia de la investigación de las aguas pluviales

24 de enero de 2017

por Scott Huler, Universidad de Duke

Un cormorán chapotea en el estanque de recuperación de aguas pluviales de Duke mientras Megan Fork, sentada a la sombra bajo el refugio al final del muelle con su colega Chelsea Clifford, se toma un descanso mientras escribe su doctorado. tesis, "Aguas pluviales y materia orgánica en el continuo de corrientes urbanas". Fork cuenta historias de investigaciones sobre aguas pluviales, que a veces pueden resultar un tanto deshonestas.

"Gran parte de mi trabajo consiste en perseguir las tormentas cuando llegan", dice Fork, cuya tesis requiere tareas como descubrir qué sale de las alcantarillas de la gente justo después de que llueve. "Buscando esa primera descarga, como la llamamos": la escorrentía de los primeros minutos de una tormenta, agua cargada de lo que sea que haya estado empapado de humedad desde la última lluvia. Lo que significa que tiene una red de personas preparadas, si les avisa que está lloviendo, para saltar de sus sofás y escabullirse para agarrar receptáculos que ha colocado en los patios de propietarios dispuestos alrededor de Durham para atrapar la primera descarga y poder probarlos. En ocasiones, en la repentina lucha se pierde la claridad de cosas tan básicas como el destino. En ocasiones, los asistentes se encontraron en los patios equivocados, buscando cubos que no estaban allí. Personas desconocidas que se pasean por los patios de personas no notificadas por la noche o que lleven faros durante las tormentas pueden causar alarma. Incluso han llamado a la policía.

No es exactamente el laboratorio de Tony Stark de Iron Man, pero la ciencia va a donde necesita ir, y si estás persiguiendo la ciencia emergente del agua de tormenta, eso es un balde en el patio trasero de alguien en una tormenta de medianoche. Las aguas pluviales, por supuesto, incluyen todo, desde la más suave niebla otoñal hasta los muchos centímetros que un huracán puede arrojar en un día. La suave niebla no suele ser un problema, pero piense en el huracán Matthew, que dejó caer más de cuatro pulgadas de lluvia en aproximadamente 300 millas cuadradas del condado de Durham. Eso le dio a Durham suficiente agua de lluvia para mantener activas las Cataratas del Niágara durante casi ocho horas. Sólo el poder erosivo de esa agua en los barrancos de Durham hace que valga la pena pensar en ello. Pero luego consideremos lo que trae consigo: aceite de motor, polvo de frenos y partículas de emisiones sedimentadas de los automóviles; fertilizantes y pesticidas del césped; además de desechos de mascotas, basura y todo lo demás. Todo se abre paso por nuestras calles, barrancos y caños hacia nuestros ríos en cualquier cosa, desde el chorrito de esa mañana brumosa hasta el torrente del huracán. Y hasta hace poco, la mayoría de los ingenieros lo trataban como un problema del que había que deshacerse, y la mayoría de los científicos no pensaban en ello en absoluto.

Eso está cambiando. La investigación de Fork sobre la materia orgánica en el continuo de los arroyos urbanos, por ejemplo, significa descubrir qué les sucede, por ejemplo, a las hojas que terminan en las alcantarillas. Se sientan allí, "empapados como té", como dice Fork, con microorganismos masticandolos y tornando el agua de color marrón con materia orgánica disuelta, principalmente carbono pero también nutrientes como nitrógeno y fósforo, contaminantes para todo tipo de arroyos urbanos. "En estos lugares pueden ocurrir todo tipo de procesos biológicos con las bacterias", dice. "Cada uno de esos lugares está potencialmente eliminando o añadiendo algo, por lo que se obtiene la señal combinada cuando se llega al arroyo", donde los científicos tradicionalmente han comenzado sus mediciones. "Gran parte de mi trabajo toma infraestructura construida y dice: '¿Qué podemos aprender si aplicamos métodos ecológicos y modelos conceptuales?' Lo mira y dice: '¿Qué pasa en este lugar?' "

Fork está tomando medidas en las alcantarillas de la gente, en los sumideros de las calles suburbanas hasta la cintura. La acumulación de hojas húmedas en los estanques genera condiciones de bajo oxígeno, "así que creo que podríamos estar teniendo mucha biogeoquímica realmente interesante allí abajo". Ella va a donde va primero el agua de lluvia, no solo a donde termina, descubriendo qué sucede y dónde.

El profesor asistente de ecología de ecosistemas y ecohidrología Jim Heffernan, asesor de tesis de Fork, lo aprueba. "Ese es un ejemplo de, esencialmente, [cómo] estamos en el punto en el que necesitamos hacer ecología básica en las ciudades", dice. Su laboratorio, uno de los cuatro que constituyen el Duke River Center, investiga todo tipo de problemas que afectan a los ríos, incluidos "procesos que generan aguas pluviales en el paisaje urbano e influyen en su composición química, y también estudiamos las consecuencias de eso aguas abajo".

Aunque los científicos tradicionalmente han descartado la ecología de lugares como jardines delanteros y canalones, en los últimos años han despertado al entorno construido como tema de estudio, y no sólo para ver cómo daña el medio ambiente. "No sólo estamos tratando de entender cómo diseñamos ciudades para causar menos contaminación", dice, "¿sino cuál es la ecología de las ciudades? El año pasado, la Sociedad Ecológica de América celebró su reunión centenaria, y la ecología urbana fue todo sobre el lugar." Sus contribuciones recientes a publicaciones incluyen trabajos sobre el cuidado del césped urbano (el trabajo hacia la sostenibilidad deberá tomar diferentes rumbos ya que todos tienen ideas diferentes sobre la fertilización y el riego) y sobre los valores que los residentes urbanos perciben que obtienen de los ecosistemas que los rodean. (La gente del Sur valora más los efectos refrescantes y la estética de su césped que los del Norte, donde la gente prefiere los céspedes que no necesitan mucho trabajo).

Difuminar la distinción entre césped y campos, entre canalones y ríos tiene sentido, afirma. "Realmente ya no hay mucho paisaje sobre el que no tengamos cierto control". ¿Ese Antropoceno del que todos hemos oído hablar, la era en la que la actividad humana ha sido la influencia dominante sobre el clima y el medio ambiente? Está en todas partes, y cuando llueve, las gotas caen sobre un entorno afectado por las personas. La lluvia es fuente de vida: carga acuíferos y llena ríos y lagos, aunque también arrastra consigo todo lo que encuentra en su camino. Las aguas pluviales son lo que bebemos, eventualmente, y debemos entenderlo. Y Heffernan y sus estudiantes de posgrado no son las únicas personas en Duke involucradas en el caso.

"En realidad no son aguas pluviales", dice el profesor de ecología de recursos Curt Richardson, fundador y director del Centro de Humedales de la Universidad de Duke en la Escuela de Medio Ambiente Nicholas. "Es agua de lluvia. La razón por la que la llamamos agua de tormenta es porque los ingenieros la tomaron y la pusieron en tuberías". Las aguas pluviales suenan como aguas residuales, que salen de los desagües de su casa y necesitan una planta de tratamiento antes de que puedan ingresar de manera segura al medio ambiente. Tormenta... err, el agua de lluvia viene del cielo y está en el medio ambiente cuando la alcanzamos. "No es necesario tratar las aguas pluviales como se tratan las aguas residuales", dice Richardson.

Pero es necesario pensar en ello. En primer lugar, las aguas pluviales llevan a los ríos todo lo que encuentran en el camino: contaminantes químicos como los fertilizantes, herbicidas y antifúngicos que la gente pone en el césped, por ejemplo. Y mucho más: polvo de frenos, excrementos de mascotas y contaminantes del aire que se han depositado en el suelo, nanopartículas que ingresan al medio ambiente desde los gases de escape de los vehículos y envoltorios de dulces y latas de Bud Light desechados que terminan arrastrados por las lluvias. ¿Todas esas manchas de basura en los océanos? La mayoría de esos plásticos no fueron arrojados por malhechores desde barcos y plataformas petroleras; simplemente llegaron a los océanos desde nuestros patios y calles.

Entonces, cuando Richardson dice que no es necesario tratar las aguas pluviales (seguiremos llamándolas aguas pluviales porque casi todos menos Richardson lo hacen), tiene razón, pero sabe mejor que nadie que realmente es necesario hacerlo, como lo ha hecho. . Creó SWAMP, el parque de gestión de evaluación de arroyos y humedales, una restauración de catorce acres de la cuenca de Sandy Creek que drena el campus oeste de Duke y 1200 acres circundantes. El proyecto SWAMP de cinco fases comenzó en 2004 y se completó en 2012 y siguió al trabajo de Richardson en humedales en China y los Everglades de Florida.

El SWAMP funciona ahora como una especie de laboratorio al aire libre y alberga decenas de proyectos de investigación cada año. Cada número de "Wetland Wire", un boletín publicado un par de veces al año por el Wetlands Center, incluye una lista de artículos publicados por investigadores y afiliados del centro, muchos de los cuales se centran en investigaciones basadas en SWAMP. En 2015, por ejemplo, Richardson y sus asociados publicaron un artículo sobre cómo las diferencias de hábitat entre los arroyos restaurados y no restaurados afectaron a las poblaciones de tortugas (parece que a las tortugas les gustan los restaurados) y la fuente de contaminación por mercurio en el PANTANO (probablemente lixiviados de antifúngicos una vez rociado en campos deportivos río arriba).

Richardson estima que entre 500 y 800 estudiantes de Duke, de pregrado y posgrado, realizan algún tipo de trabajo en SWAMP cada año, y no solo provienen de laboratorios de ciencias; Las clases de inglés y arte utilizan el SWAMP, así como las clases de ecología y biología. Autobuses llenos de escolares de Durham también visitan el SWAMP todos los años.

Es más, funciona. Según una investigación que ha publicado Richardson, el SWAMP reduce las cargas de nitrógeno en Sandy Creek en un 64 por ciento y el fósforo total en un 28 por ciento. En lugar de que el agua en rápido movimiento abra zanjas cada vez más profundas para el arroyo y lleve sedimentos al problemático lago Jordan, el PANTANO apoya todo lo contrario: permite que 488 toneladas de sedimentos cada año se asienten, en lugar de fluir hacia el lago Jordan. Unas 113 especies, el triple que antes, ahora frecuentan el PANTANO, incluido el avetoro americano, que Richardson no está seguro de que alguna vez frecuentara el arroyo antes de que fuera limpiado. Los macroinvertebrados (larvas de moscas, libélulas y similares) también se han triplicado, y ahora se pueden encontrar diez especies de peces en Sandy, el doble de lo que sustentaba el arroyo en 2004.

"Calidad del agua, biodiversidad, educación, investigación", afirma. "Le estamos sacando mucho partido".

Mientras Megan Fork habla sobre su trabajo como cazadora de aguas pluviales, se sienta en un muelle sobre Duke Reclamation Pond, un estanque de aguas pluviales de cinco acres en un sitio de 12,5 acres que, al igual que el SWAMP, terminó beneficiando a estudiantes, investigadores y el arroyo. y la comunidad. El estanque funciona de manera muy similar al SWAMP: ralentiza el agua para dar tiempo a que se asiente y se produzcan procesos naturales.

Pero el estanque comenzó como nada más que un problema costoso. En 2007-08, una sequía extrema redujo los embalses y puso a Duke en la situación en la que tuvo que mirar hacia el futuro ante la posibilidad de limitar su capacidad para enfriar sus edificios. Duke enfría sus edificios con plantas enfriadoras, que son muy parecidas a enormes acondicionadores de aire que enfrían el agua y la conducen a través de tuberías hasta los edificios de todo el campus. Usar una reserva cada vez menor de agua potable para aire acondicionado no iba a funcionar a largo plazo, dice James Caldwell, subdirector de recursos hídricos e infraestructura de John R. McAdams Company, la firma de ingeniería que realiza grandes estudios de aguas pluviales para la Universidad. "Inicialmente se concibió para proporcionar agua pluvial recolectada como una cuestión de capacidad", dice Caldwell. Es decir, represar el afluente del arroyo que drenaba el 22 por ciento de West Campus crearía un estanque que podría abastecer la planta enfriadora número 2 de Duke, que, utilizando 200 millones de galones de agua por año, es el mayor usuario de agua en Durham. Tenía sentido.

"Luego nos dimos cuenta de que podíamos utilizarlo para la retención del flujo máximo y la eliminación de nutrientes". Es decir, Duke tiene la obligación de gestionar sus aguas pluviales para cada nuevo proyecto que crea. En el caso del estanque, ralentizar el flujo y permitir la eliminación de nutrientes permite a Duke "guardar" la eliminación de nutrientes para otros proyectos, ahorrando los costos de desarrollar instalaciones de gestión de aguas pluviales para desarrollos futuros, además de proporcionar una fuente de agua gratuita. Agregue el estanque como una nueva oportunidad para la investigación y la recreación, con un sendero a su alrededor y lugares para sentarse como el muelle, y comenzará a ver las aguas pluviales como una oportunidad, no como un problema.

Nuevamente, esa no es la tradición con respecto a las aguas pluviales, como lo demuestran algunos elementos más antiguos del campus de Duke. Edens Quad, un grupo de dormitorios de West Campus construidos en una llanura aluvial en 1966, acomodó el pequeño afluente sobre el cual están construidos simplemente recubriendo el curso del arroyo con piedra Duke. Las aguas pluviales, llenas de contaminantes, atravesarían el canal en su camino hacia el lago Jordan, pero al menos habían desaparecido. A veces llamado la versión de Duke del río Los Ángeles, el arroyo endurecido no puede hacer lo que hace el arroyo cuando pasa por el PANTANO: hincharse con agua de lluvia, esparcir el agua para que se asiente a lo largo de su llanura aluvial, ralentizándola y fomentando la absorción.

Eche un vistazo al arroyo endurecido ahora y verá que la naturaleza ha estado haciendo retroceder; Los cipreses calvos han echado raíces junto al arroyo, las rodillas de los cipreses empujan hacia arriba a través de la piedra y la tierra hacia el canal. Las rodillas se enganchan en hojas, agujas de pino y basura que pasan, a veces incluso ramas; eso crea pequeñas represas y, en última instancia, piscinas. Pequeños peces se lanzan al agua cerca de donde el canal pasa directamente debajo de los edificios. El fondo de piedra no permitirá que el agua se filtre en la tierra, y la próxima gran lluvia arrastrará todos los contaminantes río abajo: no habrá absorción de nutrientes por parte de las plantas, ni retención de sedimentos, ni carga del agua subterránea. Pero es instructivo ver cuán duro trabaja la naturaleza para hacer de este canal endurecido algo útil, algo que reconoce como una corriente.

Explorar lugares donde la naturaleza intenta hacer un trabajo útil por sí sola es competencia de Chelsea Clifford, otra de las estudiantes de posgrado de Jim Heffernan. Si el interés de Fork por las cunetas parecía ampliar los límites de la ciencia, ¿qué hacer con el enfoque de Clifford en las cunetas cotidianas al borde de la carretera? "Estoy tratando de descubrir en qué condiciones las zanjas pueden funcionar como ecosistemas naturales, como humedales o arroyos", dice. Está probando lo que encuentra en las zanjas de las carreteras, en zonas agrícolas y boscosas. "No son tan buenos como los humedales naturales", dice, "pero son un ecosistema real".

Camine por un camino rural y verá comúnmente, donde el agua se deposita cerca de las tuberías que pasan debajo de los caminos de entrada, pequeños ecosistemas pantanosos y soleados que crecen alrededor de las aguas pluviales. Debido a que las zanjas al borde de las carreteras se cortan, dice Clifford, "se mantienen en esta fase temprana de sucesión, sin árboles". Ella ve pastos como la retama y el junco, que son los primeros aburguesadores. Una vez que los pastos están allí, las zanjas albergan ranas, macroinvertebrados e incluso reptiles. Y dada la compleja interacción de las especies, también están trabajando en el ecosistema.

Al salir de las alcantarillas, dice Fork, las aguas pluviales tienen concentraciones de materia orgánica disuelta que ella describe usando el término científico "plátanos locos": cinco o seis veces los niveles encontrados en los ríos de aguas negras de Florida, que son como el estándar de oro de los altos niveles de materia orgánica disuelta. asunto. Un colega de Clifford que estudiaba la desnitrificación en zanjas descubrió que las zanjas eliminaban cantidades sustanciales de nitrógeno y fósforo. "Así que en las zanjas y otros lugares donde hay un sustrato orgánico", dice Clifford, "hay una reducción real de los contaminantes".

La naturaleza toma nuestro entorno construido y lo manipula para sus propios fines. Will Wilson, profesor asociado de biología, cuya investigación original se centró en la ecología evolutiva matemática, en los últimos años ha centrado su atención en las aguas pluviales y el entorno construido, desarrollando un curso en torno a su Climas construidos: una introducción a los entornos urbanos y este año publicando Stormwater. : Un recurso para científicos, ingenieros y responsables políticos. Al igual que Richardson, denuncia la perspectiva de que las aguas pluviales sean algo que hay que poner en tuberías o estanques. Prefiere abordar las aguas pluviales en sus numerosas fuentes, antes de que se conviertan en arroyos con un volumen lo suficientemente grande como para requerir tuberías. Las técnicas de construcción ecológica (techos verdes, barriles de lluvia, cisternas) ayudarán. "Cada acre de tierra necesita decir: 'No voy a exportar más agua de lluvia'. Pero las ciudades son todo lo contrario de eso".

Señala que incluso el humedal mejor construido se verá abrumado por más de una pulgada de lluvia. El huracán Matthew acababa de pasar y dejó caer más de diez centímetros de lluvia sobre Durham. Wilson se encogió de hombros. "Es precipitación. Tienes que hacerlo en la fuente. Porque tan pronto como recoges agua, tienes un problema".

Wilson ve las aguas pluviales como una situación que incluye todo lo anterior. Techos verdes para recogerlo, barriles de lluvia para almacenarlo, humedales para frenarlo, pero tuberías de aguas pluviales, cisternas y estanques de retención para cuando haya demasiado. Y luego, detrás de eso, viene un ejército de estudiantes de posgrado y científicos listos para analizarlo. A veces trabajando con la naturaleza, con emprendimientos como el PANTANO o el nuevo estanque. A veces casi trabajando contra la naturaleza, en lugares como cunetas y zanjas al borde de la carretera e incluso en el canal endurecido y de piedra del arroyo debajo de Edens Quad.

"Creemos que, debido a que los construimos, están allí solo con fines utilitarios", dice Fork, hablando no solo de sus canaletas y zanjas de Clifford, sino también del PANTANO, el estanque y todo tipo de entornos construidos.

"Pero están sucediendo muchas cosas".

Proporcionado por la Universidad de Duke