Análisis del efecto del cambio climático sobre los vertidos de los saneamientos urbanos y la calidad del agua: aplicación al saneamiento de la cuenca Baja del Saja – Besaya

Abstract

El presente trabajo de fin de máster aborda el análisis del efecto del cambio climático sobre los vertidos del sistema de saneamiento urbano, así como sobre la calidad del agua en la cuenca Baja del Saja Besaya, con especial énfasis en la Ría de San Martín de la Arena o Ría de Suances. Para llevar a cabo este estudio, se emplearon modelos numéricos con el fin de evaluar las condiciones actuales y las condiciones del futuro proyectado en los escenarios correspondientes a los RCPs 4.5 y 8.5 en el año 2050 como año horizonte. El trabajo comenzó con la recopilación de datos de partida, que incluyó las características de la zona de estudio, los forzamientos climáticos y la configuración del sistema de saneamiento existente. La ría de Suances, un estuario mesomareal situado en la costa central de Cantabria, sirvió como caso de estudio y aplicación. Para ello, se consideraron variables marinas, atmosféricas y fluviales para evaluar el cambio de las condiciones climáticas. En segundo lugar, se utilizaron los resultados obtenidos con el modelo SWMM realizado por IHCantabria para calcular las descargas del sistema de saneamiento bajo las condiciones de precipitación actuales y las modificadas según los escenarios de cambio climático. Este modelo hidráulico permitió calcular los caudales y las concentraciones de Escherichia coli en diferentes puntos del sistema de saneamiento, incluyendo la estación depuradora de aguas residuales de Vuelta Ostrera y los tanques del tormenta existente en la red. Posteriormente, se utilizaron las simulaciones hidrodinámicas desarrolladas por Lupiola et al. (2023), así como los resultados de los vertidos de la red de saneamiento, en el software Delft3D para modelar la calidad del agua en términos de contaminación fecal. Este modelo permitió evaluar la distribución y concentración de Escherichia coli en la ría de Suances y las zonas de aguas de baño adyacentes. Además, se calcularon los valores de los percentiles 90 y 95 en las zonas de aguas de baño con el objetivo de determinar el cumplimiento de la normativa de calidad de aguas de baño en la temporada de baño actual, así como en un periodo ampliado de baño como consecuencia del aumento de la temperatura media del aire por cambio climático, que abarca desde el mes de mayo hasta el mes de septiembre, ambos inclusive. Los resultados de SWMM indicaron un aumento en la frecuencia y volumen de los vertidos debido a eventos de precipitación extremos más frecuentes en el escenario correspondiente al RCP 4.5, y una disminución paulatina de estas variables en el escenario correspondiente al RCP 8.5 debido al aumento significativo de la temperatura media del aire y la consiguiente disminución de la precipitación. Sin embargo, con el modelo de calidad se observó una ligera disminución en las concentraciones medias de Escherichia coli debido al incremento en la tasa de desaparición bacteriana, asociado al aumento de la temperatura del agua y al más temprano contacto de las bacterias fecales con el agua salada, inducido por el aumento del nivel medio del mar. Como consecuencia, los valores de las concentraciones de Escherichia coli en las zonas de aguas de baño se ven disminuidos en los escenarios de cambio climático. Asimismo, durante la simulación de los eventos de tormenta, se ha observado una disminución de la concentración de bacterias fecales en el estuario tanto en el espacio como en el tiempo, asociada al aumento de la tasa de desaparición bacteriana anteriormente indicado. Por tanto, se concluye que el impacto del cambio climático tanto en los vertidos de la red de saneamiento como en la calidad del agua del estuario de Suances en términos de contaminación fecal es positivo, además de cumplirse la normativa de calidad de aguas de baño tanto en la temporada de baño como en el periodo ampliado de baño por cambio climático considerado.

The present master's thesis addresses the analysis of the impact of climate change on the discharges from the urban sanitation system and the water quality in the lower Saja-Besaya basin, with a special focus on the San Martín de la Arena´s or Suances´ estuary. Numerical models were employed to evaluate current conditions and projected future conditions under the RCPs 4.5 and 8.5 scenarios for the year 2050 as the horizon year. The study began with the collection of initial data, which included the characteristics of the study area, climate predictors, and the configuration of the existing sewage drainage system. Suances´ estuary, a mesotidal estuary located on the central coast of Cantabria, served as the case study and application. Marine, atmospheric, and fluvial variables were considered to assess changes in climate conditions. Secondly, results obtained from the SWMM model and computed by IHCantabria, were used to calculate the discharges from the sanitation system under current precipitation conditions and those modified according to climate change scenarios. This hydraulic model enabled the calculation of flows and Escherichia coli concentrations at different points in the sanitation system, including the Vuelta Ostrera´s wastewater treatment plant and existing storm tanks in the network. Subsequently, hydrodynamic simulations developed by Lupiola et al. (2023), as well as with the results of the discharges from the sanitation network, were used in the Delft3D software to model water quality in terms of fecal contamination. This model allowed for the evaluation of the distribution and concentration of Escherichia coli in Suances´ estuary and adjacent bathing water areas. Additionally, the 90th and 95th percentile values in the bathing water areas were calculated to determine compliance with bathing water quality regulations during the current bathing season and during an extended bathing period due to the increase in average air temperature due to climate change, which spans from May to September, inclusive. The results of SWMM model indicated an increase in the frequency and volume of discharges due to more frequent extreme precipitation events in the RCP 4.5 scenario, and a gradual decrease in these variables in the RCP 8.5 scenario due to the significant increase in average air temperature and the consequent decrease in precipitation. However, the quality model showed a slight decrease in average Escherichia coli concentrations due to the increase in bacterial disappearance rate, associated with the rise in water temperature and earlier contact of fecal bacteria with saltwater, induced by the increase in mean sea level. Consequently, Escherichia coli concentrations in bathing water areas decreased under climate change scenarios. Additionally, during storm event simulations, a decrease in fecal bacteria concentration in the estuary, both spatially and temporally, was observed, associated with the previously mentioned increase in bacterial disappearance rate. Therefore, it is concluded that the impact of climate change on both the discharges from the sewage drainage network and the water quality of Suances´ estuary in terms of fecal contamination is positive, with bathing water quality regulations being accomplished during both the current and extended bathing seasons considered due to climate change