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Mapeo sistemático de la literatura sobre el monitoreo de la calidad del agua subterránea – Revisión 2

El mapeo sistemático de la literatura sobre el monitoreo de la calidad del agua subterránea continuó con la segunda revisión, donde se modificó la cadena de busqueda por otra relacionada al monitoreo de la «calidad del agua» en general y no solamente al monitoreo de «de agua subterránea» como se había realizado en la Revisión 1.

Se continuó con la misma metodología, utilizando el «mapeo sistemático» y siguiendo con las 5 etapas propuestas por Petersen et al. [1]: A) Definir preguntas de investigación, B) Realizar la búsqueda literaria, C) Seleccionar artículos, D) Clasificar artículos y E) Extraer y realizar la agregación de datos.

A. Pregunta de Investigación

Las pregunta de investigación a responder en este estudio es la siguiente:

RQ.1. ¿Cuáles son los estudios que tratan sobre la tecnología de monitoreo de aguas subterráneas?

B. Fuente de Datos y Estrategia de Búsqueda

Se partió de la idea de buscar artículos científicos que sean «Surveys», «Revisiones» o «Estado del arte» del monitoreo de la calidad del agua y tratar de conseguir resultados que puedan responder a la pregunta RQ.1. planteada. Para ello se definió la siguiente cadena de búsqueda.

Cadena 2: groundwater AND «water quality» AND (telemetry OR monitoring) AND (review OR overview OR state art)

La búsqueda se realizó en varios catálogos de publicaciones: ACM, IEEE, Springer, ScienceDirect y en el motor de búsqueda de Google Scholar.

Para las búsquedas se tuvieron en cuenta publicaciones en revistas arbitradas, cubriendo los trabajos del 2010 a la fecha en que se realizó el estudio (Julio/2016). Este período de tiempo fue seleccionado tratando de ubicar estudios de los últimos años con tecnología actual.

C. Selección de Artículos

Se introdujo la cadena de busqueda en cada buscador mencionado más arriba y marcando la opción de relevancia, se seleccionaron los primeros 50 resultados de cada buscador.

Este paso forma parte del primer filtro, en donde se leyeron los Abstracts de un total de 142 resultados con la cadena 2, para continuar con la clasificación de artículos. Cabe mencionar que, 80 de los resultados fueron artículos que también aparecieron en la investigación previa con la Cadena 1.

D. Clasificación de Artículos

Para esta investigación, primero se decide realizar la lectura de los Abstracts de acuerdo a la selección de artículos mencionado anteriormente y clasificarlos de acuerdo a los temas que se mencionan en el Abstract.

Se elaboró una planilla de clasificación de datos, en donde se registran los hallazgos (Tabla 1) junto con toda la información bibliográfica correspondiente. Se describen a continuación cada una de las características tenidas en cuenta para la clasificación de artículos.

Survey: Identificar si el artículo es un review, overview, state of the art.
Acuífero: Si el artículo trata completamente sobre el tema de monitoreo de acuíferos o sólo se trata el tema en una sección. Tipo: completo o sección.
Análisis de Calidad del Agua: Identificar si el monitoreo trata sobre alguno de los diferentes tipos de análisis: Físicos, Químicos y Microbiológicos.
Parámetros: Identificar si se mencionan los parámetros evaluado/s en el análisis de calidad de agua. Ej: pH, Nitratos, Nitritos, Hierro, pH, turbidez, coliformes, etc.
Monitoreo Técnico: Identificar si se menciona o trata sobre la tecnología de monitoreo.
Ubicación Optima de Pozos: Si el artículo menciona sobre el diseño de la red de monitoreo, tratando las metodologías para la ubicación óptima de pozos de monitoreo.
Tecnología de Sensores: Cuando el artículo estudia las tecnologías de sensores para el monitoreo. Ej: chips de sensores, lab-on-a-chip, etc.
Otras Áreas de Monitoreo: Cuando el artículo trata sobre el monitoreo de calidad del suelo, aire u otras áreas como el monitoreo de la salud (health monitoring).

tabla1_ok

Luego de la clasificación, se aplicó un siguiente filtro que consistió en la selección de artículos, teniendo en cuenta dos criterios:

Inclusión: Se define tener en cuenta a todos aquellos trabajos que SI son «surveys», no necesariamente trata de acuífero, pero si sobre el análisis de calidad del agua y monitoreo técnico del agua (por ejemplo, embalses, lagos, ríos, pantanos, aguas subterráneas y superficiales o profundas).
Exclusión: Se decide descartar aquellos trabajos que NO tratan sobre «survey», «análisis de calidad del agua» y «monitoreo técnico». También se descartaron los referentes a «ubicación óptima de pozos» y «otras áreas de investigación».

Se prosiguió con la lectura de la Introducción y Conclusión de los artículos con el criterio de inclusión.

E. Extracción de datos y síntesis

Para esta investigación se decide realizar la lectura completa de los artículos que cumplen con las características de inclusión y ver si responden a la pregunta RQ.1. planteada.

En la Figura 1 se muestra el resumen de los pasos realizados para el mapeo sistemático de la literatura. Luego de aplicados los criterios de inclusión y exclusión, a los resultados de la Cadena 2 (de búsqueda); esta vez sí aplicaron algunos artículos para su lectura completa. En total 3 artículos son surveys y están relacionados a las tecnologías del monitoreo de calidad del agua.

Figura 1. Número de artículos obtenidos en la búsqueda aplicando la Cadena 2

Las soluciones planteadas resultantes del mapeo sistemático de la literatura, aplicando la Cadena 2, se muestran en la Tabla 2. Se continuará con la lectura completa de los artículos [2-4], para ver si contestan a la pregunta RQ.1 sobre las tecnologías de monitoreo de aguas subterráneas.

Tabla 2

Referencias

[1] K. Petersen, R. Feldt, and S. Mujtaba, “Systematic mapping studies in software engineering,” in Proceedings of the 12th International Conference on Evaluation and Assessment in Software Engineering, 2008, pp. 1-10.

[2] Zia, H., Harris, N. R., Merrett, G. V., Rivers, M., Coles, N., «The impact of agricultural activities on water quality: A case for collaborative catchment-scale management using integrated wireless sensor networks», in Computers and Electronics in Agriculture, 2013.

[3] Bonastre, A., Capella, J.V., Ors, R., Peris, M., «In-line monitoring of chemical-analysis processes using Wireless Sensor Networks», in TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2012.

[4] Storey, M.V., van der Gaag, B., Burns, B.P., «Advances in on-line drinking water quality monitoring and early warning systems», in Water Research, 2011.

Enlaces de los buscadores utilizados:

ACM: http://dl.acm.org/
IEEE: http://ieeexplore.ieee.org/search/advsearch.jsp
Springer: https://www.springer.com/?SGWID=0-102-13-0-0
ScienceDirect: http://www.sciencedirect.com/science/search
Google Scholar: https://scholar.google.es/

El impacto de las actividades agrícolas sobre la calidad del agua: Un caso para la gestión colaborativa de captación utilizando redes de sensores inalámbricos integrados

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.

Mapeo sistemático de la literatura sobre el monitoreo de la calidad del agua subterránea – Revisión 1

El control y la vigilancia de las aguas subterráneas son alternativas importantes para el cuidado de los recursos hídricos.

Se desea proponer un diseño para un sistema de monitoreo de agua del acuífero Patiño en el Gran Asunción y poder monitorear, en lo posible, los siguientes parámetros: pH, conductividad, turbiedad, nitrato, hierro, cloro libre residual, coliformes totales, coliformes fecales, nitrógeno amoniacal. Para ello, primeramente se realizó una revisión exhaustiva sobre los «surveys» de artículos que tratan sobre la tecnología de los sistemas de monitoreo de la calidad del agua subterránea.

Método de Investigación

En esta revisión se utilizó el método «mapeo sistemático». El mapeo sistemático de la literatura es un método definido para construir clasificaciones y conducir análisis temáticos a los efectos de obtener un mapa visual del conocimiento existente dentro de un tema amplio [1]. La información generada a partir de los resultados de búsquedas se puede combinar para responder a preguntas de investigación más específicas y ahorrar tiempo y esfuerzo de investigación.

Petersen et al. [1] sugieren un procedimiento que consta de 5 etapas: A) Definir preguntas de investigación, B) Realizar la búsqueda literaria, C) Seleccionar artículos, D) Clasificar artículos y E) Extraer y realizar la agregación de datos.

A. Pregunta de Investigación

El objetivo general de este estudio es proponer un sistema de monitoreo de calidad de agua subterránea, que ayude en el análisis del agua y la transmisión automática de los resultados, a partir de dicho objetivo se define una pregunta de investigación para obtener un conocimiento más detallado y una visión integral del tema.

Las pregunta de investigación a responder en este estudio es la siguiente:

RQ.1. ¿Cuáles son los estudios que tratan sobre la tecnología de monitoreo de aguas subterráneas?

B. Fuente de Datos y Estrategia de Búsqueda

Se partió de la idea de buscar artículos científicos que sean «Surveys», «Revisiones» o «Estado del arte» del monitoreo del agua subterránea. Se identificaron palabras claves que podrían estar relacionadas con las preguntas de investigación como: Groundwater, monitoring, telemetry, transmit information, design, techniques, implementation, information transfer, network design, real-time, review, overview, state of the art; y de ésta forma se pudo refinar el vocabulario y conocer el uso de sinónimos para poder generar la siguiente cadena de búsqueda.

Cadena 1: groundwater AND (telemetry OR monitoring) AND (review OR overview OR state art)

La búsqueda se realizó en varios catálogos de publicaciones: ACM, IEEE, Springer, ScienceDirect y en el motor de búsqueda de Google Scholar. Los mismos tienen una amplia cobertura de publicaciones del área computer science (entre otras).

C. Selección de Artículos

Se introdujo la cadena de busqueda en cada buscador mencionado más arriba y marcando la opción de relevancia, se seleccionaron los primeros 50 resultados de cada buscador.

Este paso forma parte del primer filtro, en donde se leyeron los Abstracts de un total de 141 resultados con la cadena 1, para continuar con la clasificación de artículos.

D. Clasificación de Artículos

Survey: Identificar si el artículo es un review, overview, state of the art.
Acuífero: Si el artículo trata completamente sobre el tema de monitoreo de acuíferos o sólo se trata el tema en una sección. Tipo: completo o sección.
Análisis de Calidad del Agua: Identificar si el monitoreo trata sobre alguno de los diferentes tipos de análisis: Físicos, Químicos y Microbiológicos.
Parámetros: Identificar si se mencionan los parámetros evaluado/s en el análisis de calidad de agua. Ej: pH, Nitratos, Nitritos, Hierro, pH, turbidez, coliformes, etc.
Monitoreo Técnico: Identificar si se menciona o trata sobre la tecnología de monitoreo.
Ubicación Optima de Pozos: Si el artículo menciona sobre el diseño de la red de monitoreo, tratando las metodologías para la ubicación óptima de pozos de monitoreo.
Tecnología de Sensores: Cuando el artículo estudia las tecnologías de sensores para el monitoreo. Ej: chips de sensores, lab-on-a-chip, etc.
Otras Áreas de Monitoreo: Cuando el artículo trata sobre el monitoreo de calidad del suelo, aire u otras áreas como el monitoreo de la salud (health monitoring).

tabla1_ok

Luego de la clasificación, se aplicó un siguiente filtro que consistió en seleccionar los estudios teniendo en cuenta dos criterios:

Inclusión: Se define tener en cuenta a todos aquellos trabajos que SI tratan sobre «survey, tema completo o sección con acuífero, análisis de calidad del agua y monitoreo técnico del agua».
Exclusión: Se decide descartar aquellos trabajos que NO tratan sobre «survey», «análisis de calidad del agua» y «monitoreo técnico». También se descartaron los referentes a «ubicación óptima de pozos» y «otras áreas de investigación».

Se prosiguió con la lectura de la Introducción y Conclusión de los artículos con el criterio de inclusión.

E. Extracción de datos y síntesis

Para esta investigación se decide realizar la lectura completa de los artículo que cumplen con las características de inclusión, para ver si responden a la pregunta RQ.1. planteada.

En la Figura 1 se muestra el resumen de los pasos realizados para el mapeo sistemático de la literatura sobre el monitoreo de la calidad del agua subterránea. Luego de aplicados los criterios de inclusión y exclusión, a los resultados de la Cadena 1 (de búsqueda), no se encontró ningún artículo que sea survey y trata sobre la tecnología de monitoreo de agua subterráneas, por lo tanto, en esta revisión no se realizó la lectura completa de ningún artículo y se decide modificar la cadena de busqueda aplicando la misma metodología en una segunda revisión.

Figura 1. Número de artículos obtenidos en la búsqueda aplicando la Cadena 1

Referencias

Enlaces de los buscadores utilizados:

ACM: http://dl.acm.org/
IEEE: http://ieeexplore.ieee.org/search/advsearch.jsp
Springer: https://www.springer.com/?SGWID=0-102-13-0-0
ScienceDirect: http://www.sciencedirect.com/science/search
Google Scholar: https://scholar.google.es/