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Universities Council on Water Resources

Current Issue

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Issue #171 (December 2020)

Issue #171: Challenges and Opportunities of International University Partnerships to Support Water Management

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Articles:

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Introduction: Opportunities of International University Partnerships to Support Water Management

Authors: Edwin F. Bocardo-Delgado, Katy E. Mazer, and Laura C. Bowling

Creating a Collaboration Framework to Evaluate International University-led Water Research Partnerships

Authors: Katy E. Mazer, Anna Erwin, Ruxandra Popovici, Edwin Bocardo-Delgado, Laura C. Bowling, Zhao Ma, Linda S. Prokopy, and Carlos Zeballos-Velarde

Abstract

In a globalized world, universities are forming partnerships to solve today’s water-related challenges, such as increasing water scarcity and diminished water quality. Over the past 20 years, international university-led water research partnerships have been growing in number, including between the U.S. and countries in the Global South. While there are several examples of guidelines and best practices for executing collaborations, none focus on this type of partnership. Additionally, many international collaborations are formed between universities that have little previous experience in developing these types of partnerships. Often, critiques of partnerships happen after initiation and point to structural barriers and best practices for future collaborations, but few offer practical guidance on overcoming obstacles early on, amid an imperfect partnership. In this paper, we created a flexible collaboration framework which can be used as an evaluative tool. To model this, we conducted an internal evaluation of the Sustainable Water Management team of the Arequipa Nexus Institute, a collaboration designed to build research capacity at the Universidad Nacional de San Agustín to address local issues related to agriculture, natural resource management, and environmental change. Results highlighted project strengths and weaknesses and offered strategies to address challenges that many collaborations face. This strategy identification can serve as a guideline for improving the implementation of new or existing international university-led water research partnerships and help partners as they confront challenges at every stage of the partnership. The evaluation shows the effectiveness of using a collaboration framework as an assessment tool for international university-led water research partnerships.

Spanish Translation

La creación de un marco de colaboración para evaluar las asociaciones internacionales de investigación del agua dirigidas por universidades

Resumen: En un mundo globalizado, las universidades están formando asociaciones para resolver algunos desafíos actuales relacionados con el agua, como el aumento de la escasez de agua y la disminución de su calidad. Durante los últimos 20 años, las asociaciones internacionales de investigación del agua dirigidas por universidades han ido creciendo en número, incluso entre los Estados Unidos y los países del Sur Global. Aunque hay varios ejemplos de directrices y prácticas recomendadas para ejecutar colaboraciones, ninguna se centra en este tipo de asociación. Además, se forman muchas colaboraciones internacionales entre universidades que tienen poca experiencia previa en el desarrollo de este tipo de asociaciones. A menudo, las críticas de las asociaciones ocurren después de su inicio y apuntan a barreras estructurales y mejores prácticas para futuras colaboraciones, pero pocas ofrecen una orientación práctica sobre cómo superar los obstáculos desde el principio, en medio de una asociación imperfecta. En este documento, creamos un marco de colaboración flexible que se puede utilizar como una herramienta de evaluación. Para modelarlo, realizamos una evaluación interna del equipo de Gestión Sostenible del Agua del Arequipa Nexus Institute, una colaboración diseñada para desarrollar la capacidad de investigación en la Universidad Nacional de San Agustín para abordar cuestiones locales relacionadas con la agricultura, la gestión de los recursos naturales y el cambio ambiental. Los resultados destacaron las fortalezas y debilidades del proyecto y ofrecieron estrategias para abordar los desafíos a los que se enfrentan muchas colaboraciones. Esta identificación de estrategias puede servir como guía para mejorar la implementación de asociaciones internacionales de investigación del agua, dirigidas por universidades internacionales nuevas o existentes, y ayudar a los socios a enfrentar los desafíos en cada etapa de la asociación. La evaluación muestra la eficacia de utilizar un marco de colaboración como herramienta de evaluación para asociaciones internacionales de investigación del agua dirigidas por universidades.

Assessment of Arequipa’s Hydrometeorological Monitoring Infrastructure to Support Water Management Decisions

Authors: André Geraldo de Lima Moraes, Edwin Bocardo-Delgado, Laura C. Bowling, Fariborz Daneshvar, José Pinto, Alec Hale Watkins, and Keith Aric Cherkauer

Abstract

Hydrometeorological monitoring of weather, streamflow, and water quality is essential for understanding available water resources, protecting populations from hazard, and identifying changes in environmental conditions over time. To meet such competing goals, monitoring networks require representative parameters, uniform sampling protocols, and stable locations, selected to reliably measure the phenomenon of interest. However, budgets are always limited, and immediate operational needs and short-term decisions often influence monitoring decisions. Here, the hydrometeorological monitoring systems in Arequipa, Peru, are examined with respect to established criteria for their ability to support these competing goals. The Arequipa Department in Peru has a well-established, stable, weather monitoring program, although reliance on manual observers results in variable data quality. The lack of observations in high altitude areas limits estimation of water availability, and high temporal resolution, automatic stations are needed to improve flash flood warnings. The streamflow monitoring system is designed to quantify water transfers throughout this heavily managed system. Twenty-one discharge monitoring stations were identified to serve as Historic Hydrologic Reference Stations, but many were only operational in the 1960s and 1970s and cannot be used to evaluate environmental trends. Twelve stations are identified that should be maintained for establishment of a future reference network. State sponsored water quality monitoring in the Department is fairly new, and a stratified sampling method has been used to maximize sample locations. Uniform sampling in fewer locations along intermediate sized tributaries, at least two times per year, would improve the reliability of the system and allow better detection of change over time.

Spanish Translation

Evaluación de la Infraestructura de Monitoreo Hidrometeorológico de Arequipa para Apoyar las Decisiones de Gestión del Agua

Resumen: El monitoreo hidrometeorológico, el flujo de los arroyos y la calidad del agua es esencial para comprender los recursos hídricos disponibles, proteger a las poblaciones de peligros e identificar cambios en las condiciones ambientales a lo largo del tiempo. Para cumplir con estos objetivos considerados, las redes de monitoreo requieren parámetros representativos, protocolos de muestreo uniformes y ubicaciones estables, seleccionadas para medir de manera confiable el fenómeno de interés. Sin embargo, recursos económicos  siempre son limitados y las necesidades operativas inmediatas y las decisiones a corto plazo a menudo influyen en las decisiones de seguimiento. Aquí, los sistemas de monitoreo hidrometeorológico en Arequipa, Perú, se examinan con respecto a los criterios establecidos para su capacidad para respaldar estos objetivos considerados. El departamento de Arequipa en Perú tiene un programa de monitoreo meteorológico estable y bien establecido, aunque la utilización  de monitoreos  manuales da como resultado una calidad de datos variable. La falta de observaciones en áreas de gran altitud limita la estimación de la disponibilidad de agua, y se necesitan estaciones automáticas de alta resolución temporal para mejorar las alertas de crecidas repentinas. El sistema de monitoreo de caudal está diseñado para cuantificar las transferencias de agua. Se identificaron veintiuna estaciones de monitoreo de descargas para que sirvan como Estaciones de Referencia Hidrológica Histórica, pero muchas solo estaban operativas en las décadas de 1960 y 1970 y no se pueden utilizar para evaluar las tendencias ambientales. Se identifican doce estaciones que deben mantenerse para el establecimiento de una futura red de referencia. El monitoreo de la calidad del agua patrocinado por el estado en Arequipa es bastante nuevo y se ha utilizado un método de muestreo estratificado para maximizar las ubicaciones de las muestras. Un muestreo uniforme en menos ubicaciones a lo largo de afluentes de tamaño intermedio, al menos dos veces al año, mejoraría la confiabilidad del sistema y permitiría una mejor detección de cambios a lo largo del tiempo.

Development of a Pilot Smart Irrigation System for Peruvian Highlands

Authors: Santiago Guevara, Yogang Singh, Austin Shores, Juan Mercado, Mauricio Postigo, Jose Garcia, and Brittany Newell

Abstract

With growing developments in the technology of cloud storage and the Internet of Things, smart systems have become the latest trend in major agricultural regions of the world. The Arequipa and Caylloma provinces of Peru are highly productive agricultural areas that could benefit from these technologies. This region has low precipitation, generally less than 100 mm per year. Electricity is not available in most of the agricultural fields, limiting the types of irrigation methods and technologies that can be supported. Currently, 20 ponds supplied by water runoff from the Andean glaciers are used for irrigating approximately 545 hectares of land in the Majes district (Caylloma province). In order to develop optimal techniques for water irrigation in Arequipa and improve the infrastructure, there is a need for development of a smart water irrigation system applicable to the existing conditions in the region. The current study proposes a pilot smart water irrigation framework comprised of a drip irrigation module, wireless communication module, and a sensor network for intelligently regulating water flow from the cloud. In this study, a TEROS 12 soil moisture sensor is connected to a Digi XBee wireless module for collecting measurements of volumetric water content, temperature, and electrical conductivity, which are sent through a secure IP gateway to the cloud. A user-friendly web interface is available for end-users to access and analyze real-time data. The proposed framework is easily implementable, low-cost, and is predicted to conserve water through optimization of irrigation cycles based on a set moisture threshold.

Spanish Translation

Desarrollo de un Sistema Piloto de Riego Inteligente para la Sierra Peruana

Resumen: Con los recientes avances tecnológicos de procesamiento en la Nube y el Internet de las cosas, los sistemas inteligentes se han convertido en la última tendencia, y son cada vez más populares alrededor del mundo. Las regiones Peruanas de Arequipa y Caylloma son áreas agrícolas productivas que se podrían beneficiar de éste tipo de tecnologías. La región cuenta con poca precipitación, usualmente menos de 100 mm anuales. La mayoría de los campos agrícolas no cuentan con electricidad, limitando las técnicas de riego y tecnologías que se pueden implementar. Actualmente, 20 reservorios alimentados por agua de escorrentía proveniente de los glaciares de los Andes son usados para regar alrededor de 545 hectáreas en el distrito de Majes (Provincia de Caylloma). Para desarrollar técnicas de riego optimas en Arequipa y mejorar la infraestructura, se requiere el desarrollo de un sistema de riego inteligente adaptado a las condiciones actuales de la región. El presente estudio propone un sistema piloto de riego inteligente compuesto por un módulo de riego por goteo, un módulo de comunicación inalámbrica y una red de sensores para regular de manera estratégica y remota el caudal desde la Nube. En este estudio se emplea un sensor de humedad de suelo TEROS 12 conectado a un módulo inalámbrico Digi XBee para capturar medidas de contenido volumétrico de agua en el suelo, temperatura y conductividad eléctrica, las cuales son luego enviadas a través de una puerta de enlace IP a la Nube. Una interfaz amigable permite a los usuarios acceder y analizar la información en tiempo real. El esquema de trabajo propuesto es fácil de implementar, de bajo costo y se espera que reduzca el consumo de agua mediante la optimización de los ciclos de riego de acuerdo con un contenido de humedad objetivo.

3D Interactive Modeling of Pipe Failure in Water Supply Systems

Authors: Thikra Dawood, Emad Elwakil, Hector Mayol Novoa, and José Fernando Gárate Delgado

Abstract

The increased incidences of pipe breaks worldwide are posing a serious threat to potable water security in urban communities. The consequences may involve water loss and service interruptions, compromised water quality, infrastructure disruptions, and loss of revenue. Thus, creating failure assessment models is quite crucial to sustain water distribution networks (WDNs) and to optimize maintenance spending. This research paper aims at developing an assessment framework for water systems, as well as modeling the failure phenomena toward sustainable management of underground infrastructure. The city of El Pedregal in Peru was chosen to exemplify the methodology of the research due to the rapid pace of urbanization and growing economic activities in the region, which make water infrastructure even more critical. The framework is based on the application of modeling techniques stemming from statistical regression analysis (RA) and 3D schematic representation. First, the influential factors that lead to the deterioration of the WDNs are determined. Second, the RA technique is leveraged to evaluate and model the failure rate through consecutive simulation operations and a 3D surface plot. Finally, the efficacy of the model is investigated using different performance metrics, in conjunction with a residual analysis scheme. The validation results revealed the robustness of the model with R-squared (R2) and the sum of squares error (SSE) of 0.9767 and 0.0008, respectively. The developed model is a predictive tool that can be used by municipal engineers as a preemptive measure against future pipeline bursts or leaks.

Spanish Translation

Modelado Interactivo 3D de Fallas de Tuberías en Sistemas de Abastecimiento de Agua

Resumen: El aumento de la incidencia de roturas de tuberías en todo el mundo representa una grave amenaza para la seguridad del agua potable en las comunidades urbanas. Las consecuencias pueden incluir pérdida de agua e interrupciones del servicio, calidad del agua comprometida, interrupciones de la infraestructura y pérdida de ingresos. Por lo tanto, la creación de modelos de evaluación de fallas es crucial para mantener las redes de distribución de agua (WDNs) y optimizar el gasto de mantenimiento. Este trabajo de investigación tiene como objetivo desarrollar un marco de evaluación para los sistemas de agua, así como modelar los fenómenos de falla hacia la gestión sostenible de la infraestructura subterránea. La ciudad de El Pedregal en Arequipa, Perú fue elegida para ejemplificar la metodología de la investigación debido al rápido ritmo de urbanización y al crecimiento de las actividades económicas en la región, que hacen que la infraestructura del agua sea aún más crítica. El marco se basa en la aplicación de técnicas de modelado derivadas del análisis de regresión estadística (RA) y la representación esquemática 3D. En primer lugar, se determinan los factores influyentes que conducen al deterioro de las WDNs. En segundo lugar, se aprovecha la técnica RA para evaluar y modelar la tasa de fallas a través de operaciones de simulación consecutivas y un gráfico de superficie en 3D. Finalmente, la eficacia del modelo se investiga utilizando diferentes métricas de desempeño, junto con un esquema de análisis residual. Los resultados de la validación revelaron la robustez del modelo con R-cuadrado (R2) y la suma de errores cuadrados (SSE) de 0,9767 y 0,0008, respectivamente. El modelo desarrollado es una herramienta predictiva que los ingenieros que laboran en la municipalidad pueden utilizar como medida preventiva contra futuras explosiones o fugas de tuberías.

Using Remote Sensing to Discover Historic Context of Human-Environmental Water Resource Dynamics

Authors: Zachary Brecheisen, Nicholas Hamp-Adams, Abigail Tomasek, Erika J. Foster, Timothy Filley, Martín Villalta Soto, Lucia Zuniga Reynoso, Andre de Lima Moraes, and Darrell G. Schulze

Abstract

Analysis of historic and contemporary high-resolution imagery can help to fill knowledge gaps in land cover and management history in locations where documentation is non-existent or records are difficult to access. Historic imagery dating back to the 1960s can be used to structure quantitative investigation and mapping of land use and land cover change across space and time to enhance earth science, policy, and social science research. Imagery can further inform municipal planning and implementation in areas of natural resource allocation, infrastructure, and hazard mitigation. For management and public education, historic imagery can help people to understand environmental processes and the impacts of human activity in the local environment. Here we emphasize the value of high-resolution historic satellite imagery from the Corona and Keyhole satellite programs to inform environmental research, public education, and environmental management. Within the Region of Arequipa in southern Peru we highlight examples of urban development, agricultural expansion, river channelization, and glacial retreat via comparison of historic and modern satellite imagery. By incorporating these types of historic imagery data in formats accessible to non-professionals, public engagement as well as research into human-environmental investigations will be greatly enhanced.

Spanish Translation

Uso de la sensibilidad remota para descubrir contextos históricos de la dinámica del recurso hídrico en ambientes antropogénicos

Resumen: El análisis de imágenes históricas y contemporáneas de alta resolución puede ayudar a llenar las brechas de conocimiento en cobertura del suelo e historial de gestión en lugares donde la documentación es inexistente o los registros son de difícil acceso. Imágenes históricas que se remontan a la década de 1960 se pueden utilizar para estructurar la investigación cuantitativa y mapeo del uso de la tierra y el cambio de la cobertura de la tierra en el espacio y tiempo para mejorar la investigación en ciencias de la tierra, políticas y sociales. Las imágenes pueden promover información para el planeamiento e implementación municipal en áreas de distribución de recursos naturales, infraestructura y mitigación de riesgos. Para la administración y educación pública, las imágenes históricas pueden ayudar a comprender los procesos ambientales y los impactos de la actividad humana en el ambiente local. Aquí nosotros enfatizamos el valor de las imágenes de satélite históricas de alta resolución de los programas satelitales Corona y Keyhole para informar la investigación ambiental, la educación pública y manejo ambiental. En la Región Arequipa, al sur del Perú, destacamos ejemplos de desarrollo urbano, expansión agrícola, canalización de ríos y retroceso de los glaciares al comparar imágenes satelitales históricas y modernas. Al incorporar este tipo de datos de imágenes históricas en formatos accesibles para ciudadanos no profesionales, se mejorará enormemente la participación pública, así como la investigación sobre la interacción humana-ambiental.

Integrated Hydrologic and Hydraulic Analysis of Torrential Flood Hazard in Arequipa, Peru

Authors: Katy E. Mazer, Abigail A. Tomasek, Fariborz Daneshvar, Laura C. Bowling, Jane R. Frankenberger, Sara K. McMillan, Hector M. Novoa, and Carlos Zeballos-Velarde

Abstract

Seated at the foot of the Misti volcano in an area prone to intense seasonal rains and earthquakes, the city of Arequipa is highly vulnerable to natural disasters. During the rainy season, intense storms create large volumes of runoff that rush through the city’s ephemeral streams, known locally as torrenteras. Episodic flows in these torrenteras have caused flooding, damage to bridges, homes, and other infrastructure, and caused many deaths. In recent years, while unprecedented rain events have caused extreme disasters, the city’s population has continued to expand into these channels by creating informal or illegal settlements. Currently, detailed hazard maps of flood-prone areas surrounding the torrenteras are not available to stakeholders in Arequipa. In this study, hydrologic and hydraulic models were combined to assess flash flood hazards, including inundation, velocity hazards, and slope instability hazards. Hydrologic models were created using satellite precipitation data and terrain-sensitive, gridded climate maps to characterize flow within six torrenteras in Arequipa. These flows were used in conjunction with elevation data and data collected in the field using an online mobile application system to develop a hydraulic model of these flood events. Hydraulic model outputs were used to determine flood hazards related to inundation, velocity affecting human stability, and slope instability in case study areas of the torrenteras. We then discuss how this information can be used by disaster risk management groups, water authorities, planners and municipalities, and community groups.

Spanish Translation

El análisis hidrológico e hidráulico de peligros de torrenteras en Arequipa, Perú

Resumen: Sentada a los pies del volcán Misti en una zona propensa a intensas lluvias estacionales y terremotos, la ciudad de Arequipa es altamente vulnerable a los desastres naturales. Durante la temporada de lluvias, las intensas tormentas crean grandes volúmenes de escorrentía que se precipitan a través de los arroyos efímeros de la ciudad, conocidos localmente como torrentras. Los flujos episódicos en estos torrentes han causado inundaciones, daños en puentes, hogares y otras infraestructuras, y han causado muchas muertes. En los últimos años, si bien los eventos de lluvia sin precedentes han causado desastres extremos, la población de la ciudad ha continuado expandiéndose a estos canales mediante la creación de asentamientos informales o ilegales. Actualmente, las partes interesadas en Arequipa no disponen de mapas detallados de peligros de las zonas propensas a inundaciones que rodean las torrenteras. En este estudio, se combinaron modelos hidrológicos e hidráulicos para evaluar los peligros de inundaciones repentinas, incluidos los peligros de inundación, velocidad e inestabilidad de la pendiente. Los modelos hidrológicos se crearon utilizando datos de precipitación por satélite y mapas climáticos cuadriculados sensibles al terreno para caracterizar el flujo en seis torrentes en Arequipa. Estos flujos se utilizaron junto con los datos de elevación y los datos recopilados sobre el terreno utilizando un sistema de aplicación móvil en línea para desarrollar un modelo hidráulico de estos eventos de inundación. Las salidas del modelo hidráulico se utilizaron para determinar los peligros de inundación relacionados con la inundación, la velocidad que afecta a la estabilidad humana y la inestabilidad de la pendiente en las áreas de estudio de caso de las torrenteras. A continuación, analizamos cómo esta información puede ser utilizada por grupos de gestión del riesgo de desastres, autoridades de agua, planificadores y municipios, y grupos comunitarios.

Coproduction Challenges in the Context of Changing Rural Livelihoods

Authors: Ruxandra Popovici, Katy E. Mazer, Anna E. Erwin, Zhao Ma, José P. Pinto Cáceres, Laura C. Bowling, Edwin F. Bocardo-Delgado, and Linda S. Prokopy

Abstract

Coproduction is a process that involves scientists and citizens engaging throughout the production of knowledge, decisions, and/or policies. This approach has been widely applied in an international context for addressing global environmental issues. It is customary for scientists to travel to rural communities, where both scientists and local knowledge holders work together and jointly design solutions to pressing problems. Such collaboration, however, often involves high costs for both residents and scientists, which can reduce project effectiveness. This study examines the challenges associated with coproduction in the context of changing rural livelihoods in beneficiary communities. We specifically conduct a self-analysis of the coproduction process led by our own university team, where scientists designed tools for water and crop management together with community members in Peru’s Caylloma province. We collected qualitative data on the coproduction challenges in five local districts in Caylloma, using focus groups and semi-structured interviews. Our results indicate that changing socioeconomic conditions in rural communities undermined the long-term sustainability and effectiveness of the coproduction efforts and deliverables. These included increased migration, market integration, and reliance on regional institutions for water and crop management.

Spanish Translation

Desafíos asociados con la coproducción en el contexto de cambios en los medios de vida rurales

Resumen: La coproducción es un proceso que involucra a científicos y ciudadanos en toda la producción de conocimientos, decisiones y/o políticas. Este enfoque se ha aplicado ampliamente en un contexto internacional para abordar los problemas ambientales globales. Es costumbre que los científicos viajen a comunidades rurales, donde tanto los científicos como los poseedores de conocimientos locales trabajen juntos y diseñen conjuntamente soluciones a los diversos   problemas. Sin embargo, esta colaboración a menudo implica altos costos tanto para los residentes como para los científicos, lo que puede reducir la eficacia del proyecto. Este estudio examina los desafíos asociados con la coproducción en el contexto de cambios en los medios de vida rurales en las comunidades beneficiarias. Realizamos específicamente un autoanálisis del proceso de coproducción liderado por nuestro propio equipo universitario, donde los científicos diseñaron herramientas para el agua y manejo de cultivos junto con miembros de la comunidad en la provincia de Caylloma, Perú. Recolectamos datos cualitativos sobre los desafíos de la coproducción en cinco distritos locales de Caylloma, utilizando grupos focales y entrevistas semiestructuradas. Nuestros resultados indican que las condiciones socioeconómicas cambiantes en las comunidades rurales socavaron la sostenibilidad a largo plazo y la eficacia de los esfuerzos de coproducción y los entregables. Estos incluyen en la mayor migración, la integración al mercado y la dependencia de las instituciones regionales para el agua y manejo de cultivos.

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