La Universidad de Friburgo es una de las mejores universidades de Alemania y lleva 565 años siendo reconocida por su excelencia en investigación y enseñanza. De hecho, 23 galardonados con el Premio Nobel han investigado, impartido clases y estudiado en esta universidad. Markus Weiler es catedrático de Hidrología y director de la Cátedra de Hidrología de la Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales, y explica por qué la facultad goza de tan buena reputación en el ámbito de la investigación.
«Somos algo singulares en el sentido de que, por lo general, contamos con un catedrático que supervisa un pequeño departamento con entre 5 y 20 doctorandos y otros científicos, por lo que tenemos capacidad para llevar a cabo muchos proyectos de investigación diferentes. Además, en Alemania se dispone de una financiación externa muy buena para la investigación universitaria. El departamento de hidrología cuenta actualmente con cinco cuencas experimentales diferentes: una en la Selva Negra, otra en un entorno rural, otra en un entorno urbano y dos en cuencas agrícolas. «En cualquier momento dado, tenemos entre 10 y 15 proyectos diferentes en marcha», afirmó Weiler.
Estos proyectos de investigación generan grandes volúmenes de datos que deben ser almacenados y gestionados por varias personas durante largos periodos de tiempo. Es importante que estos datos estén accesibles en un único lugar centralizado para que los investigadores puedan organizarlos y analizarlos. En 2003, Weiler trabajaba en la Universidad de Columbia Británica, en la costa oeste de Canadá, donde conoció por primera vez Aquarius, una herramienta de software de gestión de datos desarrollada por Aquatic Informatics.
«Valoro mucho el esfuerzo que se ha dedicado a estructurar los datos en Aquarius. En lugar de centrarse en el sensor, Aquarius parte de la ubicación, ya que se necesita mucho más que una medición, unas coordenadas y una marca de tiempo para conocer la calidad de los datos. También hay que incluir metadatos, como si la lectura es manual o digital, además de la frecuencia de medición. Esto ayuda a determinar si hay deriva o si el sensor está averiado. La deriva del sensor puede dar lugar a lecturas inexactas. Puede deberse a varios factores, como la contaminación ambiental, la vibración o las fluctuaciones extremas de temperatura. El uso de un software como Aquarius nos proporciona datos de calidad garantizada, lo que establece la base para un buen análisis», afirmó Weiler.
En 2012, la Cátedra de Hidrología obtuvo una importante subvención de la fundación alemana de investigación Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) para instalar 10 000 sensores individuales en diferentes cuencas hidrográficas de Luxemburgo con el fin de medir el caudal, la humedad del suelo, las variables meteorológicas, la calidad del agua, las aguas subterráneas y los isótopos. Se utilizó Aquarius para gestionar la gran cantidad de datos procedentes de este seguimiento continuo, lo que requirió algunas modificaciones a medida para hacer frente al amplio alcance del proyecto.
«En aquel momento, Aquarius estaba diseñado principalmente para datos de nivel, caudal y calidad del agua, por lo que colaboramos con los desarrolladores del software para añadir nuevos parámetros de medición relativos al contenido de agua en el suelo, los isótopos estables y las variables meteorológicas. También trabajaron con nosotros para crear nuevas funciones que nos permitieran gestionar los datos de la forma en que queríamos aplicarlos. Por ejemplo, contábamos con múltiples estaciones con grupos de sensores y queríamos duplicar la metainformación para todas las estaciones, en lugar de configurar cada una de ellas individualmente. Poder colaborar con el equipo de Aquarius para realizar este tipo de mejoras resultó beneficioso para ambas partes».
Otro aspecto singular de la cátedra de hidrología es que forma parte de la Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales, lo que proporciona a Weiler acceso a una amplia gama de conocimientos especializados. Los proyectos incluyen la aportación y el uso de datos de economistas, politólogos, ingenieros, etc. Este enfoque interdisciplinar permite que los proyectos de investigación incorporen muchas habilidades y perspectivas diferentes, lo que hace que los resultados sean más significativos para la sociedad.
En la actualidad, la cátedra de hidrología está trabajando en un gran proyecto que relaciona los flujos de carbono y agua en los bosques entre los árboles, el suelo y la atmósfera. Se están realizando miles de mediciones en una hectárea de diferentes masas forestales y Weiler utiliza Aquarius para gestionar, validar y analizar gran parte de estos datos. Se trata de un proyecto complejo con mediciones en cuatro dimensiones, que incluye datos de sensores y muestras que actualmente recogen los estudiantes, pero que pronto serán recopilados por robots diseñados por el departamento de ingeniería, así como por drones para medir las condiciones en el dosel, imágenes por resonancia magnética (IRM) y resonancia magnética nuclear (RMN), que permiten analizar los flujos de agua y de savia del floema a lo largo de todo el sistema arbóreo. La RMN continua es una nueva metodología capaz de cuantificar el transporte de agua y carbono (isótopos) en los árboles, y es algo que Weiler espera incorporar al software en colaboración con los desarrolladores de Aquarius.
Al mejorar la comprensión de los ciclos del carbono y del agua en los bosques, los científicos podrán predecir mejor los efectos del calor extremo, la sequía y las inundaciones que amenazan cada vez más a muchos bosques de todo el mundo. «Dado que los bosques procesan gran parte del carbono del planeta, su supervivencia es nuestra supervivencia, por lo que es imprescindible que comprendamos cómo funcionan a diferentes escalas para poder predecir mejor la salud de los bosques dentro de 10, 20, 50 o más de 100 años, a medida que nos enfrentamos a los efectos del cambio climático», afirmó Weiler.
Otro proyecto de investigación que requiere el procesamiento y almacenamiento de datos de seguimiento continuo es el estudio de la conectividad hidrológica y su influencia en la generación de caudales en laderas y cuencas hidrográficas. La universidad cuenta con 46 emplazamientos de grupos de sensores y más de 20 estaciones de medición de caudales dentro de una estructura de cuencas anidadas. Las mediciones incluyen la humedad y la temperatura del suelo, el nivel y la temperatura del agua subterránea y superficial, el flujo de savia, las precipitaciones, la temperatura del aire, la humedad, la velocidad y la dirección del viento, y la radiación global. Estas mediciones suman un total de 2.664 series temporales a intervalos de cinco minutos. También hay 60 cámaras de lapso de tiempo y observaciones de muestras que pueden registrarse en las notas de Aquarius para cada emplazamiento.
Mediante Aquarius, los investigadores pueden organizar y analizar los datos, así como establecer relaciones entre aspectos como la humedad del suelo y el nivel de las aguas subterráneas, el caudal de los arroyos y los isótopos, con el fin de comprender mejor la cantidad de agua que almacenan las cuencas, cómo liberan el agua en el espacio y en el tiempo, y cómo se interrelacionan las funciones hidrológicas de captación, almacenamiento y liberación de agua.
Al profundizar en la comprensión de la conectividad con una cuenca hidrográfica, los científicos pueden predecir mejor la respuesta de la escorrentía a las precipitaciones y cómo esta afecta a la calidad del agua en los arroyos, así como su impacto en los ecosistemas ribereños. Dado que los episodios de lluvias extremas son cada vez más frecuentes, esta investigación ayudará a comprender la interacción entre las aguas superficiales y subterráneas, pero también la conectividad de los contaminantes con el medio ambiente.
Antes de utilizar Aquarius, los datos de investigación se encontraban dispersos en distintos lugares y, con el paso del tiempo, los conjuntos de datos solían perder su valor porque la información que definía los datos o las series temporales se perdía al cambiar de responsable. La universidad se dio cuenta de que se perdían años y años de información valiosa cuando los datos se almacenaban en diversos formatos de archivo de proyecto y en diferentes ubicaciones.
«Al igual que la mayoría de las universidades, contamos con muchos científicos de datos y, por supuesto, a estos les suele gustar crear sus propios sistemas y piensan que es más asequible. Pero con el tiempo hemos comprobado que, para sacar el máximo partido a los datos, se requiere una estructuración especializada y, en nuestro caso, a cargo de expertos en hidrología. El software sigue evolucionando con el tiempo, al igual que nuestras metodologías, necesidades de investigación y parámetros de proyecto. Diseñar un nuevo sistema de gestión de datos desde cero para adaptarse a estos cambios no tiene sentido. Por eso preferimos utilizar un programa profesional mantenido por desarrolladores que se centran exclusivamente en optimizar la gestión de datos para un mejor análisis», afirmó Weiler.
Hoy en día, Aquarius es utilizado por organismos de seguimiento de todo el mundo para adquirir, procesar, modelar y publicar datos, y sigue ampliando sus funciones y su oferta basándose en los valiosos conocimientos y las necesidades de clientes como Markus Weiler.
Este artículo se publicó inicialmente en la revista Water Magazine.