Resumen Ejecutivo Análisis de la Vulnerabilidad de Infraestructura al Cambio Climático Emisario Submarino de Limón, Costa Rica Marzo, 2011
Introducción El Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados de Costa Rica (AyA), el Instituto Meteorológico Nacional de Costa Rica (IMN) y el Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica (CFIA) desarrollaron, con la guía de Ingenieros Canadá, un análisis de la vulnerabilidad al cambio climático del Emisario Submarino de la ciudad de Limón, Costa Rica. El análisis en mención integró el sistema de colectores sanitarios, sistemas de bombeo, planta de pre-acondicionamiento de aguas residuales y el sistema de descarga controlada al mar (emisario submarino). La infraestructura analizada se encuentra ubicada en la zona Caribe de Costa Rica, brinda servicio al casco central de la ciudad de Limón y tiene alrededor entre 20 y 10 años de haber sido construida (colector - 20 años, emisario -10 años). El objetivo principal de este análisis fue el de realizar el estudio de riesgo del Sistema de Tratamiento de Aguas Residuales de Limón (Costa Rica) ante Cambio climático a partir de la selección de los parámetros que describen el clima y los eventos meteorológicos que caracterizan a la zona geográfica donde se ubica esta infraestructura. Este análisis brindó, como resultado, la priorización de acciones a llevar a cabo por parte de la entidad administradora de la infraestructura (AyA) para adaptar el sistema en estudio, al cambio climático basado la naturaleza y nivel de riesgo. El análisis fue realizado tomando como guía el Protocolo de Ingeniería PIEVC, Versión 9 de abril de 2009. El proyecto se llevó a cabo a lo largo del periodo de agosto de 2010 a marzo de 2011 y contemplo los efectos de cambio climático hasta el año 2040. Este proyecto desarrolló un trabajo multidisciplinario que involucró alrededor de 13 profesionales en ingeniería y meteorología. El IMN brindó el apoyó relacionado con información meteorológica, análisis, modelado y proyección del comportamiento meteorológico. El AyA, dado que para este proyecto fungió como diseñador original de proyecto y administrador actual del sistema, brindó apoyo en términos técnicos ingenieriles de diseño y específicos de la operación del mismo. El CFIA fungió como promotor local de la metodología establecida en el Protocolo de Ingeniería PIEVC y coordinador general de proyecto. Ingenieros Canadá fungió como entidad externa, experta en la utilización del Protocolo y asesora en aspectos de interpretación meteorológica y procedimental de la metodología.
Definición del Proyecto La escogencia del proyecto obedeció a factores de disponibilidad de información, de importancia estratégica y condiciones sociales. La combinación de estos factores hicieron del análisis de vulnerabilidad al cambio climático del emisario submarino de Limón un proyecto de alta prioridad. Por una parte, la aplicación de Protocolo demanda contar con amplia información de diseño de la infraestructura a analizar. El emisario submarino, los sistemas de bombeo y el colector sanitario, en conjunto, resultar ser un proyecto que ha sido recientemente construido (no más de 20 años). Es decir, se contó con especificaciones técnicas y diseños de los principales elementos de infraestructura; situación que no se daba en otros proyectos similares. Otra situación que no se da comúnmente pero que si se dio para el emisario submarino es que se contó con bitácoras de operación de los sistemas que brindaron información vital para poder determinar el desempeño del sistema ante ciertos eventos climatológicos. Así mismo, respecto a la información meteorológica se contó con información obtenida de una estación meteorológica cercana. Adicionalmente, se contó con modelos globales y regionales que, en combinación con la información local, representaron datos suficientes para poder realizar el análisis respectivo. La ciudad de Limón es una de las más deprimidas socialmente en Costa Rica y el Gobierno central a definido un serie de proyectos importantes para la zona con el objetivo de inyectarle capital y, de esta manera, generar empleo y bienestar social. Sin embargo, estos proyectos de trascendencia Nacional (Proyecto Limón Ciudad Puerto y Nuevo puerto de Limón), demandan de una infraestructura de manejo de aguas residuales capaz de manejar las nuevas cargas a las que se va a ver sometida. Es por tal razón, que existe un aspecto estratégico que involucra al sistema de emisario submarino y que lo obliga a considerar aspectos de cambio climático para que su nivel de servicio sea ideal para los proyectos venideros. Finalmente, como ya se mencionó anteriormente, la ciudad de Limón tiene una condición social crítica que la hace muy susceptible a impactos climatológicos (ciudad costera y altos índices de criminalidad). Es por esta razón que la identificación elementos críticos de infraestructura al cambio climático que brinda la aplicación del Protocolo permitiría limitar los efectos sociales negativos que eventualmente se presentarían en caso de eventos climatológicos extremos.
Factores Climatológicos El equipo de trabajo definió originalmente, una lista de trece factores climatológicos a ser considerados en el análisis. Sin embargo, luego de un proceso de análisis y profunda discusión, se llegó a la conclusión de utilizar un grupo de factores reducido. La lista final de factores climatológicos se presenta a continuación: Parámetro Aplicación en el estudio Efecto relevante sobre la infraestructura. Alta Temperatura Determinar variación en consumos de agua, dado que a mayor consumo mayor retorno. Afectación de condiciones de trabajo en la EPA. Reducir capacidad de tratamiento del sistema al alcanzar anticipadamente el valor de diseño. Riesgos de accidentes y salidas de operación de la EPA. Brisa marina La brisa contiene salinidad que puede afectar los equipos e instalaciones eléctricas, telemétricas, de control y de comunicación, al aumentar la corrosión. Falla de sistemas de control causando salidas de operación de la EPA y del emisario submarino. Lluvias de sobrecarga Se incrementan los caudales de entrada a la EPA debido a conexiones del pluvial. Salidas de operación de la EPA y del emisario submarino. Lluvias de inundación Inundación del área urbana al superarse la capacidad hidráulica del sistema pluvial y afectación al inundar la instalación de la EPA. Salidas de operación de la EPA y del emisario submarino. Riesgo de daños a equipo, infraestructura y operadores. Rayería. Afectación por daños en equipos electromecánicos y posible afectación al personal de la EPA. Falla de suministro de energía en EPA y las Falla de sistemas de control causando salidas de operación de la EPA y del emisario submarino.
estaciones de bombeo. Viento: dirección velocidad, Componente de velocidad y dirección de viento que determina la dirección de la corrientes marinas en la zona de descarga de los difusores del emisario. En forma conjunta determinan el desplazamiento de la pluma de la descarga de acuerdo al diseño alejándolo de la costa o hacia la costa de la ciudad. Mareas (oleaje) Posibilidad de eventos extremos de vientos huracanados y oleajes en la zona de estudio donde se ubica la EPA y el emisario submarino. Salida de operación por efecto del oleaje que alcance el nivel de la EPA e inunde la zona de operación. Daños a la infraestructura de la edificación. Estabilidad de la tubería y anclajes del emisario submarino. Huracanes Determinar posible afectación de infraestructura y sobrecarga lluvias intensas y efecto de oleaje y vientos. Eventual afectación de infraestructura en condiciones de drenaje urbano deficiente, altura de estaciones y de equipos ante efectos las cargas. Marco temporal El equipo de trabajo definió el periodo de tiempo del análisis en 30 años (2040). Es tiene sus sustento basado en la vida útil remanente del colector sanitario, la estación de preacondicionamiento y emisario submarino sin que sea necesario un trabajo considerable de rehabilitación del mismo.
Componentes de infraestructura Los elementos de infraestructura para este proyecto quedan establecidos en la siguiente tabla. Elemento Sistema de recolección del alcantarillado sanitario Estaciones de bombeo Estación de preacondicionamiento Emisario submarino Muro de protección contra oleajes Personal Equipo de telecomunicación Subelementos Acometidas Sifones Redes Subcolectores Colectores Pozos de registro Mini-estaciones costeras Mini-estaciones terrestres Estaciones centrifugas Estaciones sumergibles Edificio Sistema de ventilación Compuertas, rejillas, canal Parshal, canal de interconexión Militamices Tornillo sin fin, canastas, sistema de izaje, transporte Tanque cisterna Bombas Estructura de rebalse Accesorios en línea de bombeo Panel de control Planta eléctrica Tuberías Difusores Válvula de cierre Anclajes Sistema de recolección de aguas residuales Estación de preacondicionamiento Emisario submarino Teléfonos en la estación de preacondicionamiento Telemetría Radios Mensajería de texto por internet
Consideraciones de Cambio Climático y modelaciones realizadas Para poder realizar los pronósticos de cambio climático se tuvo, primero, que realizara una serie de trabajos basados en los siguientes aspectos: Descripción climatológica de zona Definición de los factores climáticos y meteorológicos que generan vulnerabilidad actual en la infraestructura Probabilidad de ocurrencia actual a partir de registros históricos Probabilidad de ocurrencia futura mediante proyecciones generadas por modelaciones para el periodo 2011 2040 Análisis crítico de las proyecciones climáticas para parámetros con los cuales no se contaba con registros para realizar modelaciones Las fuentes de información para el análisis de vulnerabilidad de la infraestructura al cambio climático fueron las siguientes: Estación meteorológica Limón (81-003) Registro de inundaciones (base de datos del Sistema de Inventario de Efectos de Desastres) Registros de Huracanes (Evaluación Probabilística de Riesgo para América Central) Modelación de oleajes: Modelo WAVEWATCH III, versión 2.22 de la NOAA Boletines meteorológicos del IMN Bitácora de Operaciones del Sistema de recolección y tratamiento del alcantarillado sanitario (AyA) Literatura climatológica generada y editada por el IMN Publicaciones científicas Modelos climáticos regionales (MCR) y aplicación al caso local mediante el Modelo de Reducción de Escala (downscaling) dinámico, utilizando MR PRECIS de alta resolución especial y temporal. Las salidas utilizadas fueras las del MG HAdAM3H y anomalías de la superficie del mar del modelo HadCM3. (resoluciones espaciales 50 km, resoluciones temporales anual) Modelos globales generados por el CCCSN, basados en los resultados del 4 to reporte de IPCC. Para los casos en donde no existieron modelaciones, el análisis utilizó correlaciones y análisis de tendencias, publicaciones científicas, información en la web relacionada con cambio climático y publicaciones del IPCC.
Probabilidades de ocurrencia Luego de los análisis realizados y una serie de discusiones en el equipo de trabajo se desarrolló el siguiente grupo de probabilidades actuales y futuras para los distintos factores climáticos. Es importante mencionar que, adicionalmente a este análisis general, se desarrolló una metodología alterna de determinación de probabilidad. De esta manera se dividieron los eventos en extremos y recurrentes. Parámetro Probabilidad actual Probabilidad futura Alta Temperatura 5 6 Brisa marina 7 7 Lluvias sobrecarga de 1 2 Lluvias inundación de 1 2 Rayería. 2 2 Viento: velocidad, dirección 1 2 Mareas (oleaje) 1 2 Huracanes 0 1
Las tablas de probabilidades modificadas (actuales y futuras) para los eventos extremos y recurrentes, se muestran a continuación: Probabilidad Tipo Parámetro actual futura Rec Altas temperaturas 4 5 Rec Oleaje 1 2 Rec Brisa marina 2 3 Rec Rayería 2 2 Probabilidad Tipo Parámetro actual futura Ext Lluvia inundación de 4 5 Ext Lluvia sobrecarga de 6 7 Ext Huracán 1 2 Ext Viento 3 3 Talleres de de capacitación, discusión y seguimiento para la aplicación del Protocolo de Ingeniería PIEVC. Para la ejecución del proyecto en cuestión, se realizaron tres talleres de trabajo. El primer taller se llevó a cabo en agosto de 2010 y consistió en la capacitación inicial para el grupo de trabajo costarricense y se impartió a lo largo de tres días. Este taller involucró también visita al sitio de proyecto. El segundo taller se concentró en la discusión de la matriz de análisis de riesgo y se llevó a cabo en diciembre de 2010. Dicho taller se impartió por espacio de tres días.
El último taller se llevó a cabo en marzo de 2011 y tuvo como objetivo la revisión de resultados y análisis global del proyecto. Durante este taller se realizó la presentación de resultados a entidades de gobierno y técnicos de otras instituciones y se llevó a cabo un gira al sitio. Este taller tuvo una duración de cinco días. Adicionalmente, a lo largo de la duración de todo el proyecto se tuvieron 7 conferencias telefónicas con el grupo de apoyo especializado de Ingenieros Canadá y el grupo de trabajo de Costa Rica. Umbrales de tolerancia de riesgo Para este proyecto se utilizaron los umbrales de tolerancia que establece el Protocolo. Estos umbrales probaron ser adecuados para la clasificación del riesgo. Aun así, el operador del sistema (AyA) estableció en sus recomendaciones una pequeña variación hacia abajo del umbral de riesgo alto. De esta manera, los umbrales de riesgo utilizado, se muestran a continuación: Riesgo Bajo Menor a 12 Se descarta para análisis posterior Riesgo Medio De 12 a 35 Se conserva para análisis posterior Riesgo Alto Mayor a 35 Ir directamente a recomendaciones Calculo de riesgo para las principales interacciones encontradas Basado en las probabilidades que se obtuvieron para los factores climatológicos clasificados como recurrentes y extremos, se asignaron los valores de severidad (gravedad) y, finalmente, se aplicó la ecuación de riesgo que a continuación se muestra: R = P x S Donde: R = riesgo P = probabilidad S = severidad (gravedad) Luego de aplicar la ecuación de riesgo se obtuvieron los respectivos resultados por cada una de las interacciones definidas. La clasificación de los riesgos se realizó utilizando los umbrales establecidos en la sección anterior. A continuación se presenta la matriz de los principales riesgos encontrados. Es importante mencionar que en dicha matriz se muestran los riesgos actuales y futuros ( RA y RF).
Componente de Infraestructura Parámetro Climático PA PF G RA RF Asis Esna, 4 5 7 28 35 Pacuare 2 Lluvia de inundación 4 5 7 28 35 Compuertas, Rejillas, Canal Parshall, Canal Interconexión 4 5 7 28 35 Redes, Subcolectores, Colectores 6 7 5 30 35 Mini estaciones terrestres 6 7 5 30 35 Lluvia de sobrecarga Asis Esna, 6 7 5 30 35 Compuertas, Rejillas, Canal Parshall, Canal Interconexión 6 7 5 30 35 Redes, Subcolectores, Colectores 4 5 6 24 30 Lluvia de inundación Mini estaciones costeras 4 5 6 24 30 Mini estaciones costeras 6 7 4 24 28 Pacuare 1 6 7 4 24 28 Lluvia de sobrecarga Pacuare 2 6 7 4 24 28 Tanque cisterna 6 7 4 24 28 Mini estaciones terrestres 4 5 5 20 25 Pacuare 1 4 5 5 20 25 Lluvia de inundación Tanque cisterna 4 5 5 20 25 Estructura de Rebalse 4 5 5 20 25 Planta eléctrica Brisa Marina 3 3 7 21 21 Bombas 6 7 3 18 21 Lluvia de sobrecarga Estructura de Rebalse 6 7 3 18 21 En la EPA Alta temperatura 4 5 4 16 20 Del análisis realizado se logra determinar que de las 138 interacciones, no hay de alto riesgo. Existe una cantidad de 41 interacciones de riesgo medio actual que aumentan a 54 para riesgo futuro. De lo anterior se desprende que existen 97 interacciones de riesgo bajo actual que disminuyen a 84 para riesgo bajo futuro. Se muestra, a continuación, los gráficos resumen de riesgos actuales y futuros. Riesgo actual Riesgo futuro
Evaluación de la vulnerabilidad Se realizaron una serie de cálculos para determinar la capacidad del sistema de recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales de Limón. En el análisis de tormenta de sobre carga, se determina para el alcantarillado sanitario, que su capacidad máxima es de 91,1 l/s y que existen una serie de conexiones ilícitas de los techos de viviendas al mismo. Realizado un modelado en donde se genera una lluvia leve cuya intensidad sea de 16 mm/hr, se determina que con sólo el 4% de los techos de las casas conectados al alcantarillado sanitario colapsan el sistema. Sin embargo, el sistema de alcantarillado sanitario si tiene capacidad para tratar el agua residual que se genera actualmente y la que se generará en el futuro siempre y cuando, se realice la desconexión de techos de viviendas al sistema sanitario. Para el análisis de lluvia de inundación se determina que para un evento extremo identificado en bitácora de sistema (Intensidad 106 mm/hr) el sistema pluvial tiene capacidad para conducir el flujo de agua generado. Sin embargo, para el caso en específico se determina que una serie de tragantes se obstruyeron, lo cual impidió que el agua de lluvia ingresara al colector pluvial. Se comprueba que el sistema pluvial tiene capacidad para manejar las aguas de lluvias pero es vulnerable para las condiciones futuras. Se aclara que se analiza el alcantarillado pluvial debido a que existen interconexiones entre el alcantarillado en mención y el sanitario. Respecto a efectos del viento se determinó, a través de la modelación de pluma de contaminación, que el emisario cuenta con una capacidad adecuada y que las condiciones de velocidad de corrientes bajas con componente de dirección de viento Este son improbables. Lo anterior significa que el emisario submarino cuenta con capacidad para el efecto del viento. Discusión general Los análisis realizados tanto para determinar la vulnerabilidad de infraestructura así como el análisis subsiguiente de ingeniería muestran que los dos principales eventos que afectarán al sistema de recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales de Limón, son las lluvias de sobre carga y las lluvias de inundación. Los sistemas que se verán principalmente afectados son: Sistema de bombeo (sistemas costeros y terrestres) Compuerta, rejillas, canal Parshall y canal de interconexión (estación de preacondicionamiento) Colectores y subcolectores
Recomendaciones Se considera que la aplicación del Protocolo PIEVC al sistema de Alcantarillado Sanitario de la Ciudad de Limón, ha permitido abordar el tema del cambio climático en forma sistematizada, a partir de un amplio análisis climático. Los mejores resultados en la aplicación del Protocolo se obtuvieron para los parámetros en los cuales se contó con umbrales de carga basados en la corroboración de la ocurrencia de eventos (registrados en bitácoras de operación) con los registros climatológicos. Para esos umbrales se identificó la infraestructura que en la actualidad se ve afectada en términos de pérdida de capacidad o salida de operación. Se identificaron además las medidas de adaptación que requieren acciones inmediatas, aún sin que se presenten condiciones extremas atribuibles a los efectos de Cambio Climático. Se identifican además aspectos en los cuales se requieren estudios más detallados, mejoras en equipamiento y mejores registros de información. Para aplicaciones futuras del Protocolo PIEVC en la infraestructura nacional, las instituciones deben asegurar la participación de los funcionarios de acuerdo con las cargas de trabajo que genera la aplicación del protocolo, para asegurar un adecuado proceso y una óptima transferencia de conocimientos. La forma alternativa existente, de contratación de consultorías (Caso de estudios de las presas Claireville y G. Ross Lord Dams y Metro Vancouver Sewerage) puede dar resultados en ahorro de tiempo, pero no se lograría transferir el conocimiento. El tema de Gestión de Riesgo debe alcanzar el nivel de proyecto país, para asegurar un liderazgo y una participación conjunta de las instituciones responsables de la infraestructura y especialmente de las que generan datos de tipo climatológico. Comentarios finales Conocimiento, manejo y aplicación del Protocolo de Ingeniería PIEVC El CFIA, el AyA y el IMN, con el apoyo de Ingenieros Canadá, desarrollaron el proyecto de aplicación del Protocolo de Ingeniería PIEVC a una determinada infraestructura. A lo largo del proceso de aplicación se logró cumplir con los objetivos generales que habían sido definidos en la propuesta original. De esta manera: Se logró determinar la vulnerabilidad al cambio climático del sistema de recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales de la ciudad de Limón. Se logró adquirir un mejor entendimiento de la necesidad de información climatológica, la forma que esta debe solicitar a la institución respectiva y la manera en que esta debe ser presentada al equipo técnico.
Se logro adquirir experticia en el uso y aplicabilidad del proceso de análisis de PIEVC Se logró relacionar directamente o indirectamente los efectos de cambio climático a la infraestructura en estudio a través del establecimiento de interrelaciones entre componentes de la infraestructura y los factores de clima. Se logró identificar las acciones prioritarias para adaptar la infraestructura existente a los eventos climáticos actuales y futuros. Se logró identificar los vacios de información climatológica que deberá de recabares en el futuro para realizar un segundo ciclo de análisis de ingeniería para este proyecto. Se logró establecer una estructura de funcionamiento que integró a todas las partes involucradas (operador de sistema, dueño de sistema, especialista meteorológico, gerente de proyecto, entre otros) y que, se espera, sea aplicable para otros proyectos. La vulnerabilidad al cambio climático del sistema de recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales de la ciudad de Limón. En virtud del análisis de riesgo que sea realizó sobre la infraestructura que compone el sistema de recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales de la ciudad de Limón, se puede afirmar que en general, esta cuenta con capacidad a favor para resistir los embates del cambio climático.