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La Inteligencia Artificial aplicada a la Ingeniería civil
El impacto transformador de la inteligencia artificial en la gestión del agua en España
Ángel Bautista Yáñez
Ingeniero de caminos, canales y puertos. Jefe del Servicio de Seguridad de Infraestructuras. Dirección General del Agua. MITECO.
Arancha Gurrea-Nozaleda Merayo
Ingeniera de caminos, canales y puertos. Jefa de Área de Protección de Inundaciones. Dirección General del Agua. MITECO.
En los últimos años, y especialmente con la implementación de la Directiva Marco del Agua (DMA), se ha llevado a cabo una reorientación significativa de la gestión del agua en España, una transformación que ha sido impulsada por la imperante necesidad de adaptación del uso del recurso al cambio climático. Fortalecer la planificación hidrológica; la recuperación y protección de ríos, lagos, acuíferos y zonas húmedas; el incremento de la seguridad hídrica; la gestión de riesgos extremos tales como inundaciones o sequías; y la explotación y mantenimiento de la infraestructura hidráulica son algunos de los retos que perfilan un escenario crucial en los próximos años, donde la inteligencia artificial (IA) emerge como una herramienta prometedora.
Resaltando nuestra constante innovación, en este artículo exploraremos cómo la IA está revolucionando la gestión del agua en España, examinaremos los avances realizados en los últimos años y veremos los próximos pasos planificados para mantenernos en la vanguardia.
La gestión del recurso hídrico a través del dato
La efectividad de un sistema de gobernanza del agua requiere de la generación y actualización constante de información ligada a los objetivos perseguidos. Esta información debe adaptarse a las necesidades de las distintas administraciones competentes y agentes implicados, ser de fácil acceso y verificación, y ser convertida en conocimiento práctico con objeto de facilitar la toma de decisiones.
En este contexto nace el Proyecto Estratégico para la Recuperación y la Transformación Económica (PERTE) de Digitalización del Ciclo del Agua¹, que tiene como objetivo la modernización del ciclo del agua por medio de la digitalización, la innovación y la formación a través de cuatro objetivos específicos:
- mejorar el conocimiento de los usos del agua para consolidar una gestión integrada de los recursos hídricos garantizando la seguridad hídrica;
- incrementar la transparencia en la gestión del agua en España;
- contribuir al cumplimiento de los objetivos ambientales establecidos en la planificación hidrológica; y
- generar empleo de alta cualificación técnica por medio de inversiones en innovación y tecnología.
Entre sus líneas de desarrollo destacan las convocatorias para la mejora del conocimiento del uso del agua en el ciclo urbano, que en 2023 han lanzado ya más de 400 millones de euros en subvenciones para proyectos de mejora de la eficiencia del ciclo urbano del agua. Solo en la primera convocatoria, más del 80% de los proyectos seleccionados emplearán la inteligencia artificial para lograr, entre otras funcionalidades, la detección de fugas y la mejora del conocimiento de agua no registrada, la eficiencia hidráulica y energética, el movilizarán una importante inversión en la denominada Agricultura 4.0. Estas ayudas complementan el impulso dado a la mejora del conocimiento del uso del agua a través de la modificación normativa, como la llevada a cabo en julio de 2023 con la revisión y actualización del Reglamento del Dominio Público Hidráulico o la orden ministerial, ya en fase de tramitación, de la regulación de los sistemas para realizar el control efectivo de los volúmenes de agua utilizados y vertidos, lo cual, unido a un plan de digitalización de la administración y a la coordinación y colaboración con el sector privado y centros de investigación altamente tecnificados, garantizan la parte más importante para el uso y aprovechamiento de la denominada inteligencia artificial, que no es otra que la calidad y conocimiento del dato en todo el proceso desde la captación, el tratamiento, la distribución, la depuración y la reutilización.
La generación de datos masivos por los actores implicados en la gestión del agua requiere de un esfuerzo en su homogeneización
Como ejemplo concreto del potencial que tiene la digitalización en la gestión del recurso hídrico, la Dirección General del Agua y la Confederación Hidrográfica del Segura, O. A. del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, a través de un convenio suscrito con el Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación (CDTI) del Ministerio de Ciencia e análisis de situaciones de riesgo para colectivos vulnerables, o la comunicación con la ciudadanía.
En paralelo, y estratégicamente diseñadas para la modernización de la agricultura, la mejora del empleo de agua en explotaciones de regadío así como el conocimiento de las pérdidas o la mejora de la eficiencia energética y la productividad, resultan fundamentales las convocatorias de subvenciones para la digitalización de comunidades de usuarios de agua para regadío que hasta 2026 movilizarán una importante inversión en la denominada Agricultura 4.0.
Estas ayudas complementan el impulso dado a la mejora del conocimiento del uso del agua a través de la modificación normativa, como la llevada a cabo en julio de 2023 con la revisión y actualización del Reglamento del Dominio Público Hidráulico o la orden ministerial, ya en fase de tramitación, de la regulación de los sistemas para realizar el control efectivo de los volúmenes de agua utilizados y vertidos, lo cual, unido a un plan de digitalización de la administración y a la coordinación y colaboración con el sector privado y centros de investigación altamente tecnificados, garantizan la parte más importante para el uso y aprovechamiento de la denominada inteligencia artificial, que no es otra que la calidad y conocimiento del dato en todo el proceso desde la captación, el tratamiento, la distribución, la depuración y la reutilización.
Como ejemplo concreto del potencial que tiene la digitalización en la gestión del recurso hídrico, la Dirección General del Agua y la Confederación Hidrográfica del Segura, O. A. del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, a través de un convenio suscrito con el Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación (CDTI) del Ministerio de Ciencia e Innovación, ha llevado a cabo recientemente la contratación precomercial de servicios de I+D en el ámbito de los sistemas informáticos de apoyo a la toma de decisiones en la gestión del agua. Mediante este contrato de compra pública de innovación se han desarrollado dos prototipos: la plataforma inteligente de gestión del agua SIAGES, y el HYDROTWIN, un gemelo digital para la gestión eficiente y sostenible del sistema de recursos hídricos del Segura; se trata de unos sistemas de gestión que integran las predicciones meteorológicas en tiempo real y la estimación y adquisición de datos hidrológicos en la cuenca, considerando la configuración de los terrenos —en este caso, de la demarcación hidrográfica del Segura— y sus demandas con objeto de dar soluciones para cubrir los suministros de la manera más eficiente y eficaz posible atendiendo también a criterios económicos y ambientales.
Ambos prototipos ejecutan simulaciones gracias a la inteligencia artificial, empleada especialmente en el bloque meteorológico, por ejemplo, con modelos de machine learning (random forest) y árboles de decisión basados en modelos predictivos existentes —datos observados de precipitación y precursores causales; estos permiten obtener y corregir en distintos horizontes temporales los pronósticos meteorológicos para predecir el recurso hídrico con los modelos hidrológicos y de calidad de las aguas previsibles y, en función de la información agronómica y de los condicionantes exigibles procedentes de la planificación hidrológica, ejecutar propuestas razonadas de riego y de gestión hidroeconómica a medio y largo plazo.
Iniciados en junio de 2020 y entregados formalmente en enero de 2023 y dado que ambos productos se encuentran en fase precomercial, la Dirección General tiene como objetivo seguir trabajando en su desarrollo para que puedan convertirse en herramientas plenamente operativas y puedan ser exportadas al resto de confederaciones, permitiendo así disponer de un sistema de apoyo a la gestión integrada homogéneo para todas las cuencas intercomunitarias.
La integración del dato
La generación de datos masivos por los actores implicados en la gestión del agua requiere de un esfuerzo en su homogeneización y accesibilidad al público, ya que solo contando con bases de datos bien estructuradas y unificadas nos aseguraremos de un correcto uso de aquellos aprovechando las nuevas herramientas de análisis y aprendizaje automatizado. Por ello, y en base a estas referencias, la Dirección General del Agua propone, aprovechando el impulso de los fondos europeos, la creación en los próximos años del Observatorio de la gestión del agua en España cuya puesta en marcha arrancará en 2024 con una inversión inicial estimada de más de 5 millones de euros. Esta plataforma incorporará avisos hidrológicos sobre la base de las previsiones meteorológicas, ya mencionadas, con datos en tiempo real, integrando en una única herramienta el conocimiento del recurso superficial y subterráneo, la reutilización, desalación, depuración y el vertido en su ciclo urbano, agrario, industrial e hidroeléctrico y atendiendo al principio de interoperabilidad. El éxito de esta herramienta estará condicionado al gobierno del dato, al mantenimiento y la evolución del sistema con la tecnología y a su apertura e interacción con el resto de políticas y potencialidades exploradas por el sector del agua.
El camino a la predicción
Integrar en tiempo real la información hidrológica a nivel nacional no sería posible sin entender los más de 25 años recolectando y procesando datos por parte de los sistemas de información hidrológica en España, convirtiéndolos en un auténtico big data de los organismos de la cuenca en particular y del sector del agua en general; esto, unido a su continua actualización tecnológica, resulta especialmente atractivo para mejorar la toma de decisiones con los nuevos potenciales y aplicaciones de la inteligencia artificial. Es el caso del reciente estudio llevado a cabo por la Confederación Hidrográfica del Ebro, O. A. para la predicción hidrológica de caudales mediante redes neuronales, en el cual se ha seleccionado para su estudio la cuenca del río Arga hasta la ciudad de Pamplona. Tras haber vivido recientemente numerosos episodios de inundaciones y monitorizada con una densidad razonable de estaciones foronómicas y pluviométricas que contribuyen a la robustez y al entrenamiento de este tipo de modelos, el objetivo ha sido aprovechar esta tecnología para garantizar una mejor anticipación en la cuenca, reforzando los sistemas de alerta temprana y complementando a los modelos tradicionales ante la necesidad de anticiparse en una cuenca de tiempo de concentración reducido.
Hacia la automatización
En el campo de la inspección y el seguimiento del comportamiento de las presas, un importante volumen de información se genera con la auscultación, la cual tiene como objetivo detectar comportamientos anómalos, patrones o derivas que evidencien potenciales problemas que puedan comprometer su seguridad. La profundidad y la precisión en la identificación de estos aspectos depende de la calidad y cantidad de información disponible y de la capacidad para su análisis. Por tanto, una de las claves para una detección temprana de posibles anomalías es disponer de modelos de comportamiento con los que evaluar la información proporcionada por los sistemas de auscultación.
Surge así un reto de automatización de la obtención e interpretación de los datos de auscultación que sea eficaz, rápido y que tenga en cuenta toda la información disponible para apoyar la toma de decisiones en la gestión de estas infraestructuras.
Con el objetivo de reforzar el conocimiento de las presas que gestiona actualmente el Estado, la Dirección General del Agua ha firmado un convenio de investigación, actualmente en marcha, con la Fundación Agustín de Betancourt para la puesta a punto metodológica y la evaluación práctica de la utilidad de la aplicación de técnicas de inteligencia artificial en el análisis de los datos de auscultación de presas. El convenio contempla además el desarrollo de modelos predictivos de las principales variables auscultadas empleando diferentes algoritmos de machine learning que se aplicarán en siete presas de titularidad estatal.
Estos modelos se emplearán para la evaluación de las ventajas prácticas que, a la hora de realizar la revisión sistemática en continuo de los datos de auscultación, pueden proporcionar la identificación temprana de anomalías de comportamiento o de medición, la obtención de información relevante sobre los mecanismos que rigen el comportamiento de la presa y la evaluación de tendencias o comportamientos irreversibles.
La mejora de la capacidad de predicción permitiría establecer además umbrales de emergencia fundamentados, facilitando la evaluación continua de la seguridad de las presas y la detección temprana de eventuales patologías.
Además, desde la Dirección General del Agua se apuesta por la cultura digital del trabajo y se espera hacer más accesible y manejable toda esta información gracias al proyecto de implementación de la metodología Building Information Modeling (BIM), que se está desarrollando en 152 presas estatales para dar continuidad al proceso de revolución digital de la explotación y del mantenimiento de estas infraestructuras hidráulicas.
Facilitar la toma de decisiones
Así, la ingeniería civil siempre ha evolucionado de manera adaptativa hacia la transformación, adoptando las mejores tecnologías disponibles en la toma de decisiones para la explotación y gestión de la obra hidráulica. Es el caso de la depuración, donde la Dirección General del Agua busca anticiparse a los futuros requerimientos de eficiencia energética y producción de energía renovable de la nueva Directiva de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas, lo que conllevará prever diferentes medidas como la maximización de la producción de biogás, la instalación de nuevas fuentes energéticas como paneles fotovoltaicos o turbinas en emisarios, y, en especial, la optimización de la explotación de las instalaciones.
En esta línea, se ha puesto en marcha una novedosa licitación con objeto de implantar la metodología BIM en la explotación de la estación depuradora de aguas residuales de Nerja (Málaga), siendo uno de los objetivos principales implantar una herramienta que, mediante inteligencia artificial y analizando las características del agua residual de entrada y el comportamiento de la planta, desarrolle algoritmos de aprendizaje para optimizar los diferentes procesos operativos.
Estas nuevas herramientas permiten valorar adecuadamente las diferentes variables, ya sean hidráulicas, económicas, técnicas o ambientales. Es el caso concreto del estudio (2) llevado a cabo por el Centro de Estudios hidrográficos del CEDEX para la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir, O. A. en el que, sobre la base de la información batimétrica y aforos de sedimentos y con el empleo de técnicas de supercomputación y Machine Learning, se ha podido calibrar un modelo numérico bidimensional en un embalse situado aguas abajo de Andújar, en Jaén, simulando la evolución histórica del proceso de sedimentación. El objetivo final ha sido generar una herramienta que permita optimizar la explotación y gestionar la apertura de compuertas, manteniendo siempre unos niveles de sedimentación adecuados para la seguridad del municipio frente al riesgo de inundación.
Nuevos retos
La computación moderna ha desempeñado un papel integral en la gestión del agua en el último quinquenio. El salto exponencial dado en los últimos dos años hasta la denominada inteligencia artificial generativa está maximizando que penetre en todas las esferas de nuestro día a día, y no cabe duda de que generará un gran impacto en el modo de abordar la gestión del agua en el corto plazo, aunque, como hemos podido comprobar, ya es una realidad presente. Así, en la era del big data esta transformación se presenta como una oportunidad que el sector de la ingeniería civil, siempre a la vanguardia, no va a desaprovechar para abordar con mayor eficacia los desafíos hídricos.
Referencias
2
López, et al. (2023). Herramientas para la gestión sostenible de la sedimentación en el embalse de Marmolejo. Ingeniería del Agua.