Citizen sciences technologies for operational monitoring of aquatic ecosystems

Abstract

(English) Light attenuation is a critical factor in aquatic ecosystems for many physical and biological processes. Water transparency plays an essential role in understanding the variations of the ecological environment in water, especially in coastal and continental areas. Monitoring the transparency of the water serves as an indicator of the water quality and reports on the concentrations of phytoplankton, the levels of dissolved organic compounds, or particulate matter.
 The traditional method for measuring water transparency is the Secchi disk. However, some limitations exist in this method. In shallow and transparent waters, the Secchi disk can reach the bottom without disappearing. In addition, the quality of the Secchi disk distance observations has an error associated with each person’s vision. Furthermore, it is not possible to include this measurement as an operational oceanography measurement due to the measurement’s difficulty in quantifying its uncertainty. These issues contrast with the objectivity of technological equipment, which can provide accurate and complete measurements that help with long-term evaluations. 
 The main goal of this thesis is to assess the feasibility of an operational water quality monitoring system based on low-cost optical technologies that ensure a high density of measurement stations (completeness) and, at the same time, an automated system to control the quality of the observations (accuracy). For this reason, we plan to validate the concept of Operational Marine Optics (OMO): Towards systematic and long-term routine measurements of the optical properties of the water and their rapid interpretation and dissemination. 
 First, a low-cost operational monitoring device, the KduPRO, has been developed for coastal and inland waters. This device estimates the Kd (the diffuse attenuation coefficient, which describes the concept of light extinction with depth) with an automated quality control system. The measurements have been compared with the ones provided by other reference instruments in Loch Leven (Scotland). Besides an estimate of the measurement uncertainty is provided. A co-design exercise has been carried out by volunteers in the Lobo Reservoir (Brazil). The recommendations and outcomes of this exercise will be integrated into the new phase of the development of KduPRO.
 Secondly, we designed a new device: The KnuSTICK. It consists of a watertight transparent tube with light measurement sensors inside. It is easy to use, maintain, and connect to the Internet of Things (IoT) networks, making KnuSTICK suited for observations based on citizen science. To fit with the design requirements, a new annular-shaped irradiance measurement concept, Ea, is introduced. This new concept is assessed by using a radiative transfer model (Hydrolight). The theoretical annular-shaped irradiance can be measured by setting the sensors at different orientation angles. We have evaluated several configurations and selected the one which provides the best performance. The robustness of the corresponding diffuse attenuation coefficient, Ka, has been analysed in different conditions of water types, solar angles, cloudiness levels, as well as bottom types and depths.
 Finally, to ensure the high density of the measurements, we evaluated the coverage of an IoT network to demonstrate that the low-cost deployment of this technology is feasible to carry out operational monitoring in a specific territory, such as the coast of Catalonia. Different prototypes developed during the European H2020 MONOCLE project have been tested to check network connectivity, such as the KnuSTICK and the KduMIC (a professional multiparametric modular device with multispectral detectors and temperature sensors), sending data in real-time.
 The study carried out in this thesis represents an important contribution that can help in the management of water quality by policymakers and governmental institutions. (Español) En los ecosistemas acuáticos, la atenuación de la luz es un factor crítico que influye en muchos procesos físicos y biológicos. La transparencia del agua es esencial para comprender las variaciones del entorno ecológico en el agua, especialmente en las áreas costeras y continentales. Monitorizar la transparencia del agua sirve como indicador de su calidad e informa sobre las concentraciones de fitoplancton, de los niveles de compuestos orgánicos disueltos, o bien de la materia particulada.
 El método tradicional para medir la transparencia del agua es el disco de Secchi, aunque presenta algunas limitaciones. En aguas poco profundas y transparentes, el disco puede llegar al fondo sin desaparecer. Además, la precisión de las observaciones sobre la distancia del disco de Secchi está sujeta a la visión de cada persona. Debido a la dificultad para cuantificar la incertidumbre de esta medida, no es posible incluirla como medida oceanográfica operacional. Estos problemas contrastan con la objetividad de los equipos tecnológicos, que pueden proporcionar mediciones precisas y completas que ayudan con las evaluaciones a largo plazo.
 El objetivo principal de esta tesis es evaluar la viabilidad de un sistema operativo de monitorización de la calidad del agua basado en tecnologías ópticas de bajo coste que aseguren una alta densidad de estaciones de medida (completitud) y, al mismo tiempo, un sistema automatizado para controlar la calidad de las observaciones (exactitud). Para ello, se ha propuesto validar el concepto de Óptica Marina Operacional (OMO): Hacia mediciones rutinarias sistemáticas y a largo plazo de las propiedades ópticas del agua y su rápida interpretación y difusión. 
 En primer lugar, se ha desarrollado un dispositivo de monitoreo operacional de bajo coste, el KduPRO, que puede ser utilizado en aguas costeras y continentales. Este dispositivo estima el Kd (el coeficiente de atenuación difusa, que describe la extinción de la luz con la profundidad), con un sistema automatizado de control de calidad. Los resultados se han comparado con otros instrumentos de referencia en Loch Leven (Escocia) y se ha hecho un análisis de la incertidumbre sobre la medida proporcionada. Además, se ha llevado a cabo un ejercicio de co-diseño por voluntarios en la Reserva de Lobo (Brasil) en que sus recomendaciones se integrarán en la nueva fase de desarrollo del KduPRO.
 A continuación, se ha diseñado un nuevo dispositivo, el KnuSTICK, que consiste en un instrumento tubular estanco, con sensores que miden la luz en su interior. Es fácil de manejar, mantener, y de conectarse a las redes de Internet de las Cosas (IoT), por lo que es ideal para su uso en ciencia ciudadana. Debido a sus requerimientos de diseño, es necesario un nuevo concepto de medida de la irradiancia de forma anular, Ea. La teórica irradiancia anular se ha calculado utilizando un modelo de transferencia radiativa (Hydrolight), colocando los sensores en diferentes ángulos de orientación y evaluando varias configuraciones, seleccionando la de mayor rendimiento. Además, se ha comprobado la robustez del correspondiente coeficiente de atenuación difusa, Ka, en diferentes condiciones de tipos de agua, ángulos solares, nubosidad, tipos de suelo y profundidades. 
 Por último, para asegurar una alta densidad de medidas, se ha evaluado la cobertura de una red de IoT para demostrar que es factible el despliegue de bajo coste de esta tecnología para llevar a cabo un monitoreo operacional en un territorio concreto, como la costa de Catalunya. Para comprobar la conectividad de la red, se han puesto a prueba diferentes prototipos desarrollados durante el proyecto europeo H2020 MONOCLE, como el KnuSTICK y el KduMIC (un dispositivo paramétrico modular con sensores multiespectrales y de temperatura), enviando datos en tiempo real.
 Las conclusiones de esta tesis suponen una importante contribución en la gestión de la calidad del agua para las Administraciones correspondientes.