Sistema y método de adquisición de muestras a distinta profundidad para la monitorización automática y a tiempo real de la calidad de aguas en un medio acuático.
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Objeto de la invención
La presente invención se encuentra dentro de cualquier sector de actividad relacionada con la monitorización de parámetros de calidad de aguas en medios acuáticos, tanto a nivel continental en embalses, lagos, canales ríos y humedales, como en medios acuáticos marinos. 10
Antecedentes de la invención
Un embalse lago o medio acuático, es un sistema dinámico que tiene elementos de vida, es decir, incluye flora, fauna y microorganismos vivos, además de restos orgánicos tanto en el 15 agua como en el sedimento. La interacción es muy compleja entre estos elementos del sistema incluyendo factores geológicos, físicos y químicos. A todo ello se conoce como "metabolismo del embalse" y sus condiciones y funcionamiento general permiten conocer la situación del sistema en cada momento.
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El agua embalsada permanece almacenada durante un tiempo (tiempo de residencia) que puede ser más o menos largo, durante el cual intercambia materia con el fondo o sustrato, principalmente por depósito de materiales sólidos arrastrados por los ríos (depósito de sedimentos).
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El sedimento puede posteriormente devolver compuestos al agua, en interacción dinámica. De forma natural los embalses tienden a acumular sedimento lo que produce que sus aguas contengan cada vez concentraciones más elevadas de nutrientes. El sedimento también atrapa y acumula determinadas sustancias químicas relativamente poco solubles, cuya concentración aumenta con el tiempo, pero que pueden disolverse en otras condiciones (según pH del agua) ; 30 pertenecen a esta categoría los metales pesados. La acción antropogénica acelera estos procesos y generalmente añaden elementos contaminantes. Según el destino que pretenda darse al agua embalsada, su calidad deseable es diferente. En el caso de que se utilice para el abastecimiento de la población, las aguas deben ser oligotróficas y no contener en disolución, actual o potencial (porque este en el sedimento) , sustancias nocivas para la salud humana, 35 como metales pesados, pesticidas y compuestos organoclorados en general, derivados del petróleo, y otros.
Según la concentración de nutrientes en el agua, en su nacimiento suelen ser oligotróficos y con el tiempo acaban siendo eutróficos, pasando por el estado mesotrófico intermedio. Un lago 40 oligotrófico es un cuerpo de agua con baja productividad primaria, como resultado de contenidos bajos en nutrientes. Estos lagos o embalses tienen baja producción de algas, y consecuentemente, poseen aguas sumamente claras, con alta calidad de agua potable. Las aguas superficiales de estos lagos tienen típicamente mucho oxigeno.
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Un sistema acuático eutrofizado se caracteriza por una abundancia anormalmente alta de nutrientes. El desarrollo de la biomasa en un ecosistema viene limitado, la mayoría de las veces, por la escasez de algunos elementos químicos, como el nitrógeno en los ambientes continentales y el fósforo en los marinos, que los productores primarios necesitan para desarrollarse y a los que llamamos por ello factores limitantes. La contaminación puntual de las 50 aguas, por efluentes urbanos, o difusa, por la contaminación agraria o atmosférica, puede aportar cantidades importantes de esos elementos limitantes. El resultado es un aumento de la producción primaria (fotosíntesis) con importantes consecuencias sobre la composición, estructura y dinámica del ecosistema.
Las proliferaciones masivas, o floraciones, de organismos del fitoplancton, y entre ellos de las cianobacterias, representan un importante problema económico y ecológico en la gestión del agua y de los ecosistemas acuáticos. El incremento de biomasa, además de ocasionar problemas estéticos como la aparición de espumas y olores desagradables, altera el sabor del agua de consumo y, al descomponerse, causa desoxigenación modificando la química del 5 agua, cambios que influyen en la supervivencia de los organismos acuáticos. Sin embargo, las floraciones de cianobacterias son las más estudiadas y conocidas porque estos organismos pueden producir metabolitos bioactivos (cianotoxinas) que constituyen un serio problema ambiental con graves repercusiones sobre la salud humana y animal (Chorus & Bartram, Toxic cyanobacteria in water: a guide to their public health consequences, monitoring and 10 management. E & FN Spon, London. 1999).
Actualmente, debido a la importante actividad industrial y agrícola, se están produciendo en estas últimas décadas la introducción continua y permanente de contaminantes diversos en nuestro medioambiente denominados emergentes y también de nutrientes y fertilizantes. 15 Alrededor del 70%-75% de la contaminación de las aguas a nivel global es producto de las actividades humanas que tienen lugar en la superficie terrestre. Un 90% de los contaminantes es transportado por los ríos al mar. Como consecuencia, muchos ecosistemas críticos, algunos únicos en el mundo, han sido alterados más allá de su capacidad de recuperación. Así, la contaminación ambiental por metales pesados, fármacos o nitratos y fosfatos se ha convertido 20 en un grave problema en aguas dulces y océanos. Los metales pesados son esencialmente no biodegradables y por lo tanto se acumulan en el medioambiente. La acumulación de metales pesados en los suelos y en las aguas representa un riesgo para la salud ambiental y humana. Estos elementos se acumulan en los tejidos del cuerpo de los seres vivos (bio-acumulación) y sus concentraciones aumentan a medida que pasan de niveles tróficos más bajos a niveles 25 tróficos más altos (un fenómeno conocido como bio-magnificación). Los metales pesados no esenciales (Cd, Pb, As, Hg y Cr) no son necesarios por los organismos vivos para las funciones fisiológicas y bioquímicas. También la presencia de fármacos en los efluentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) se ha convertido, en los últimos años, en un potencial e importante problema medioambiental. 30
Pese a que la concentración de los mismos es muy pequeña y de manera individual no generan grandes complicaciones, no se conoce con total seguridad el riesgo que puede generar sobre los ecosistemas acuáticos la combinación de varios de estos fármacos. Además, el hecho de la reutilización de las aguas tras el proceso de depuración (ya sea para regadío, 35 consumo, etc.) puede generar problemas de acumulación de estos contaminantes emergentes pudiendo convertirse en un problema potencial para la salud.
Igualmente, los nutrientes vegetales inorgánicos, nitratos y fosfatos, son sustancias solubles en agua que las plantas necesitan para su desarrollo, pero si se encuentran en cantidad excesiva 40 inducen el crecimiento desmesurado de algas y otros organismos provocando la eutrofización de las aguas. Cuando estas algas y otros vegetales mueren, al ser descompuestos por los microorganismos, se agota el oxígeno y se hace imposible la vida de otros seres vivos. El resultado es un agua maloliente e inutilizable.
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De acuerdo con GESAMP (Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Environmental Protection) (2001) , las principales fuentes fijas de contaminación corresponden a las plantas industriales, desechos municipales y sitios de extracción, explotación y construcción como excavaciones (explotación agrícola, aprovechamiento forestales, minería, etc.).
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Monitorización de parámetros ambientales
En lo que se refiere a los procedimientos de control biológico de la calidad de las aguas, se vienen aplicando métodos directos, basados en la toma de muestras y análisis de laboratorio.
Los programas de control de la Directiva Marco del Agua suponen inversiones de gran calado en la adquisición de este tipo de datos, que se muestran claramente insuficientes a la hora de detectar y explicar fenómenos de gran impacto ambiental y social (proliferaciones de algas potencialmente tóxicas, mortandades masivas de peces, desaparición de especies de interés en conservación, proliferación de especies invasoras exóticas, etc.). La necesidad de adoptar 5 procedimientos de refuerzo en la adquisición de este tipo de información es acuciante y reconocida por los gestores del agua, y de hecho se está viviendo la antesala de una verdadera revolución en este campo, que debe permitir un notable incremento en el rendimiento de los programas de control biológico, especialmente en masas de agua no vadeables, como los embalses. 10
Ante la sospecha de un episodio de cianobacterias, actualmente se aplican diferentes procedimientos de laboratorio que comprenderían muestreos periódicos, análisis microscópicos con identificación, un recuento de colonias de cianobacterias, un ensayo de toxicidad aguda por exposición intraperitoneal en ratón y según sintomatología, confirmación de presencia de 15 hepatotoxinas o neurotoxinas.
Estos procedimientos son costosos y requieren de tiempo para poder tener los resultados. El aumento de las explotaciones agrarias, residuos industriales y urbanos, utilización de fosfatos, pesticidas y el cambio climático, son algunos de los factores que repercuten en el incremento 20 de los procesos eutróficos y el desarrollo de cianobacterias en la red hidrológica.
Las exigencias en cuanto a la conservación de ecosistemas acuáticos han sufrido un desarrollo muy importante, especialmente en lo que se refiere a la gestión integrada del agua, que exige alimentar modelos dinámicos complejos. En este sentido las crecientes exigencias normativas 25 y sociales en materia medioambiental están induciendo un notable incremento en la demanda de información, tanto en lo que se refiere a la resolución espacio-temporal como a la temática. Los principales componentes de este escenario son:
Los órganos de gestión ambiental: necesitan registrar de forma sistemática datos 30 referentes a las condiciones físicas, químicas y biológicas (actualmente el coste es elevado).
Creciente escasez, e incluso agotamiento, de los recursos naturales asociados al agua, tanto en sistemas marinos y de transición (rías y estuarios) , como continentales (ríos, 35 lagos, embalses).
En los últimos años, se está asistiendo a una auténtica revolución tecnológica en la aplicación de sistemas digitales a plataformas portátiles multisensoriales, capaces de adquirir datos ambientales a una tasa y fiabilidad muy elevada. La portabilidad y prestaciones conseguidas 40 permite dar una respuesta competitiva a la demanda creciente de sistemas de adquisición, procesado y control remoto de información ambiental en el medio acuático.
En este escenario es imprescindible el desarrollo de herramientas fiables que permitan medir in situ y en tiempo real parámetros de calidad del agua relacionados con la eutrofización en zonas 45 acuáticas, proporcionando un ahorro importante en costes de análisis de laboratorio, y tiempo de los muestreos, así como la mejora radical en los procesos de gestión relativos a la calidad del agua en los embalses y otras masas de agua.
Descripción de la invención 50
Un aspecto de la presente invención comprende un sistema de monitorización para captar aguas de distintos niveles de la columna de agua de forma periódica, realizando medidas de parámetros fisicoquímicos y enviando la información mediante un sistema de comunicaciones a una base de datos o servidor vía internet o telefonía los datos. El sistema de monitorización consta de varios módulos que permiten mantener de forma autónoma y con bajo mantenimiento las labores de muestreo, que comprende al menos:
Un Módulo de Adquisición de agua que consiste en una serie de mangueras a distinta 5 profundidad formada por mangueras flexibles lastradas a fondo que nos permite diseñar el acceso a cualquier profundidad del medio acuático a analizar.
Un Módulo de Extracción que consiste en una bomba de superficie que está situada a pocos centímetros bajo la superficie conectada con una de las tomas de agua del 10 Módulo de Adquisición, un conjunto de electroválvulas de selección de la profundidad de muestreo, y una bomba de extracción.
Un Módulo de Medida de análisis de la muestra de agua donde están ubicados los distintos sensores de medida de calidad de agua. 15
Un Módulo de Control del sistema que regula el ciclo de adquisición de muestras de los distintos niveles de profundidad, la toma de medidas de calidad de agua, el envío de los datos, así como regular el ciclo de limpieza del sistema y las acciones de órdenes recibidas mediante el sistema de comunicaciones. 20
Un Módulo de Energía y Comunicaciones que controla al sistema de captación de energía autónoma necesario para regular las necesidades energéticas del sistema en cada momento y a un sistema de comunicación encargado de enviar y recibir las comunicaciones de los datos captados y analizados por el Módulo de Control y las 25 ordenes para el sistema.
Un Módulo de Limpieza que consiste en un depósito de agua filtrada que está provisto de una pequeña bomba de achique que se encarga de enviar el agua de limpieza al Módulo de Medida en circuito cerrado. 30
Una realización preferida, el Módulo de Adquisición es modular, el número de mangueras de profundidad dependerá del número de niveles de muestreo (niveles de profundidad requeridos) , que a su vez depende del tipo de aguas y su complejidad.
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Una realización preferida, el Módulo de Medida de análisis de muestra consiste en una serie de sensores de parámetros físicos y químicos, así como sensores de concentración de determinados microorganismos presentes en la columna de agua.
En otra realización preferida, el sistema de comunicaciones controlado por el Módulo de 40 Energía y Comunicación puede ser por cable, telefonía, sistema inalámbrico de comunicaciones o cualquier otro sistema para enviar los datos recogidos a un servidor.
En otra realización preferentemente, el sistema de monitorización propuesto puede estar en una plataforma flotante, en un poste en la rivera de una zona acuática, en una embarcación, en 45 una boya o fijado a tierra a un dique de embalse o un puerto.
En otra realización preferente, el sistema de energía puede ser mediante una conexión directa a red eléctrica o un sistema autónomo basado en paneles fotovoltaicos, aerogeneradores o cualquier sistema autónomo que suministre la energía necesaria para el funcionamiento del 50 sistema.
En otra realización preferente, el sistema puede no contener módulo de limpieza.
En otra realización preferente, el sistema puede reunificar o separar módulos en partes con las mismas funcionalidades.
En otra realización preferente, el sistema puede estar formado en su Módulo de Adquisición por tubería rígida o flexible. 5
Otro objeto de la presente invención es un método para la monitorización de aguas que comprende las siguientes etapas:
a) Suministrar agua al Módulo de Medida de la muestra de superficie, a través de la 10 bomba de superficie del Módulo de Extracción y a través de la válvula correspondiente a la profundidad de superficie pasando a través de la bomba de extracción, y retornando por el desagüe fuera del sistema de monitorización.
b) Análisis de la muestra de agua y envío de datos, el análisis de la muestra de agua se 15 realiza mediante los sensores del Módulo de Medida, estos datos son recogidos por el Módulo de Control y enviados por el sistema de comunicaciones controlado por el Módulo de Energía y Comunicaciones.
c) Muestreo y análisis a diferentes niveles de profundidad, mediante el Módulo de 20 Control, se activa la electroválvula correspondiente de la siguiente manguera de profundidad del Módulo de Adquisición, a la vez que cierra la bomba de superficie, con lo que el agua que pasa ahora al Módulo de Medida procede de un nivel distinto de profundidad, repitiéndose la etapa b) de medida de la muestra de agua y envío de datos; esta etapa se repite con el resto de mangueras de profundidades que conste el 25 sistema de monitorización, sincronizadas con la apertura de electroválvulas correspondientes y la toma de datos por los sensores del Módulo de Medida controlada por el Módulo de Control.
d) Limpieza del sistema de monitorización, una vez concluido el ciclo de muestreo de 30 profundidades, se detiene la bomba de extracción y se cierran las electroválvulas de adquisición, para activar el Módulo de Limpieza que consiste en enviar agua filtrada del depósito de limpieza hasta el Módulo de Medida en un circuito cerrado, hasta comenzar de nuevo el ciclo de extracción y medida.
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El sistema y método propuesto resulta de aplicación en todo tipo de medios acuáticos, tanto continentales como marinos, en embalses, lagos, cauces de ríos, puertos y canales.
Breve descripción de los dibujos 40
Para complementar la descripción realizada se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras donde se representa, con carácter ilustrativo y no limitativo, una realización preferente que será descrita en el siguiente apartado.
Figura 1. Sistema de adquisición de muestras a distinta profundidad para la monitorización 45 automática y a tiempo real de la calidad de aguas en un medio acuático con todos sus módulos. Está formado por: Módulo de Adquisición (1) ; Módulo de Extracción (2) ; Módulo de Medida (3) ; Módulo de Energía y Comunicaciones (4) ; Módulo de Control (5) ; Módulo de Limpieza (6) ; Acople de mangueras de extracción y desagüe (7) ; Batería (8) , el Medio Acuático (9) y bomba de superficie o bomba 1 (10). 50
Figura 2. Esquema de Sistema de adquisición de muestras a distinta profundidad para la monitorización automática y a tiempo real de la calidad de aguas en un medio acuático. Formado por el Módulo de Extracción (2) con bomba de superficie (Bomba1) , bomba de extracción (Bomba2) , válvulas de extracción y de desagüe, y los Módulos de Limpieza (6) y Módulo de Medida (3).
Figura 3. Esquema de detalle de Módulo de Extracción (2) , con bomba de superficie (Bomba1) , bomba de extracción (Bomba2) y válvulas de extracción. 5
Figura 4. Vista cenital de sistema en configuración para ubicar en una boya. Las partes del sistema son: Módulo de Extracción (2) ; Módulo de Medida (3) ; Módulo de Energía y Comunicaciones (4) ; Módulo de Control (5) ; Módulo de Limpieza (6) ; Acople de mangueras de extracción y desagüe (7) y Batería (8). 10
Figura 5. Detalle de Módulo de Medida (3) y Módulo de Control (5).
Figura 6. Detalle de Módulo de Adquisición (1) : conjunto de válvulas de extracción, bomba de extracción o Bomba 2 (11) y válvulas de extracción o electroválvulas (12). 15
Figura 7. Detalle de Acople de mangueras de extracción y desagüe (7).
Figura 8. Detalle de Módulo de Control (5).
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Figura 9. Sistema de adquisición de muestras a distinta profundidad para la monitorización automática y a tiempo real de la calidad de aguas en un medio acuático ubicado en boya fondeada a fondo.
Figura 10. Sistema de adquisición de muestras a distinta profundidad para la monitorización 25 automática y a tiempo real de la calidad de aguas en un medio acuático ubicado en embarcación.
Figura 11. Sistema de adquisición de muestras a distinta profundidad para la monitorización automática y a tiempo real de la calidad de aguas en un medio acuático adosado a dique, o 30 muelle en un medio acuático.
Figura 12. Sistema de adquisición de muestras a distinta profundidad para la monitorización automática y a tiempo real de la calidad de aguas en un medio acuático ubicado en plataforma o pantalán. 35
Figura 13. Esquema de la etapa 1 del procedimiento en el que la bomba de superficie envía agua desde esa manguera hacia el Módulo de Medida (3) , a través del Módulo de Extracción (2).
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Figura 14. Esquema de la etapa 2 del procedimiento, donde se extrae agua de la segunda manguera hacia el Módulo de Medida (3).
Figura 15. Esquema de la etapa 3 del procedimiento en el que se activa el Módulo de Limpieza (6) en circuito cerrado. 45
Realización preferente de la invención
Para una mejor comprensión de la presente invención, se exponen a continuación una realización preferente de la invención, que se muestra en las figuras de la 1 a la 15, que deben 50 entenderse sin carácter limitativo del alcance de la invención.
En las figuras 1 a 8 se muestran los diferentes elementos del sistema de monitorización objeto de la invención, en el caso concreto de la Figura 1 se muestra el conjunto de módulos del sistema, que consta:
Un Módulo de Adquisición de agua (1) que consisten una serie de tomas de agua (ver 5 Figura 1) a distinta profundidad formada por tuberías flexibles lastradas a fondo que nos permite diseñar el acceso a cualquier profundidad del Medio Acuático (9) a analizar. Este módulo esta fijo a la estructura, ya sea una boya, poste, pantalán o dique, mediante un Acople de mangueras de extracción y desagüe (7).
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Este Módulo de Adquisición (1) se complementa con un Módulo de Extracción (2) (ver Figuras 2, 3 y 6) que consiste al menos en una bomba de superficie (Bomba1) (10) que está situada a pocos centímetros bajo la superficie, una bomba de extracción (Bomba 2) (11) situada en el interior de la boya, cabina o habitáculo del sistema y previa al Módulo de Medida (3) y un conjunto de electroválvulas (12). Ambos módulos están 15 conectados a un Acople de mangueras de extracción y desagüe (7).
La extracción es programada por el Módulo de Control (5) y se realiza a través de electroválvulas (12) (ver Figura 6) las cuales determinan la manguera o profundidad de medida. 20
Un Módulo de Medida (3) de análisis de la muestra de agua, consiste en una serie de sensores de medidas de parámetros físicos y químicos (Ver Figura 5) , así como sensores de medida de concentración de determinados microorganismos presentes en la columna de agua. 25
Un Módulo de Control (5) del sistema que regula el ciclo de adquisición de muestras de los distintos niveles de profundidad, la toma de medidas mediante sensores de calidad de agua y el envío de los datos a la base junto con parámetros de control (ver Figura 8). También regula el ciclo de limpieza del sistema y las acciones de órdenes 30 recibidas mediante el sistema de comunicaciones.
Un Módulo de Limpieza (6) que consiste en un depósito de agua filtrada carente de cualquier elemento que pueda alterar la medida de los sensores presentes en el sistema, cumpliendo las exigencias para el mantenimiento de los sensores dadas por 35 los fabricantes. El depósito del Módulo de Limpieza (6) está provisto de una pequeña bomba de achique que se encarga de enviar el agua de limpieza al Módulo de Medida en circuito cerrado. El procedimiento de limpieza del Módulo de Medida se realizará al finalizar el ciclo de captación de aguas en la fase de medida y extracción. A través del Módulo de Control (5) se programara la limpieza de sensores y así evitar lecturas 40 erróneas debido a la acumulación de sedimentos en las partes más sensibles de los sensores.
Un Módulo de Energía y Comunicaciones (4) conectado a placas fotovoltaicas o a aerogeneradores y a una antena de comunicaciones que se encarga de enviar y recibir 45 los datos y órdenes al sistema, así como de regular las necesidades energéticas del sistema en cada momento. Este Módulo de Energía y Comunicaciones comprende a su vez:
o Un sistema de captación de energía autónoma dimensionado para cumplir las 50 necesidades energéticas de los equipos a los que se conecten con un alto grado de fiabilidad y el mínimo mantenimiento de los todos los elementos del sistema. Se trata de un sistema de diseño modular que permite acoplar
generadores de energía eléctrica utilizando paneles fotovoltaicos, aerogeneradores o cualquier sistema de energía suministrado por red o por un sistema autosuficiente.
o Un sistema de comunicación en boya basado en tecnologías de sensores sin 5 hilos WSN (Wireless Sensing Networks / estándar IEEE 802.15.4) y en el desarrollo de nodos de sensores de bajo coste, reducido tamaño y bajo consumo para configurar un sistema distribuido de monitorización ambiental.
El sistema de monitorización propuesto en esta invención es versátil y puede ser emplazado en 10 una plataforma flotante o pantalán (figura 11) o bien fijado a tierra adosado a un dique de embalse o puerto (figura 12) , o en el interior del medio acuático en una embarcación (figura 10) , o en boya fondeada a fondo (figura 9).
Método de monitorización 15
a) Suministrar agua al Módulo de Medida de análisis de muestra
A fin de suministrar agua al Módulo de Medida donde se procede al análisis de muestra, la bomba superficie (10) envía las aguas de superficie del medio acuático (9) a través de la 20 bomba de extracción (12). Este sistema colector consta de tantas entradas como niveles de profundidad sean requeridos por el sistema (ver Figura 13).
b) Análisis de la muestra de agua y envío de datos 25
Una vez tomada la medida por los sensores ubicados en el Módulo de Medida (3) , estos datos son recogidos por el Módulo de Control (5) y enviados por el sistema de comunicaciones controlado por el Módulo de Energía y Comunicación (4).
c) Muestreo y análisis a diferentes niveles de profundidad 30
A continuación se pasa a extraer agua de la siguiente manguera de profundidad en el Módulo de Adquisición (1) , mediante la apertura y cierre de las electroválvulas correspondientes (12). Ahora la bomba de superficie (9) ya no es necesaria ya que el sistema de monitorización está totalmente lleno de agua y funciona mediante la bomba de extracción (11). Es en este 35 momento cuando se procede a la medida y envío de datos, por el sistema de comunicaciones, de los análisis de las aguas procedentes de la segunda manguera. A continuación se repite la etapa en el punto 3 con la extracción y análisis de la muestra de agua de la siguiente manguera y el envío de datos a través de la unidad de control (4) y el sistema de comunicaciones. Este proceso se repite con las diferentes mangueras o tomas de agua de profundidad (1) , 40 sincronizadas con la apertura de electroválvulas (12) correspondientes y la toma de muestras por los sensores (ver Figura 14).
d) Limpieza del sistema de monitorización 45
Posteriormente, una vez completada la medida de todas las profundidades se procede a la limpieza del sistema de sensores del módulo de medida (3) con agua filtrada, situada en un depósito (6) provisto de una pequeña bomba de achique. El agua de limpieza circula en un circuito cerrado volviendo al depósito al finalizar esta fase (ver Figura 15). Una vez recirculada el agua de limpieza se resetearán los sensores para la obtención de datos y de ese modo 50 realizar el procedimiento rutinario anteriormente descrito desde el punto 1.
