Universität Stuttgart Auslandsorientierter Studiengang Wasserwirtschaft Master of Science Program Water Resources Engineering and Management - WAREM Master’s Thesis: Auditing Water Resources for Application to Water-Sensitive Urban Design - A Case Study in the Lima (Perú) Metropolitan Area submitted by: Kara Jean McElhinney Date: July 6, 2012 Examinors & Supervisors: Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz Prof. Dipl.-Ing. Antje Stokman Dipl.-Ing. RBM Carsten Meyer Dipl.-Ing. Eva Nemcova Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- Institut für Landschaftsplanung und Abfallwirtschaft und Ökologie Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft Arbeitsgebiet Landschaftsplanung und Wasserrecycling und ökosystemare Entwerfen Bandtäle 2 Keplerstr.11 D-70569 Stuttgart D-70174 Stuttgart Author’s Statement I hereby certify that I have prepared this Master’s Thesis independently, and that only those sources, aids and advisors that are duly noted herein have been used and/or consulted. Signature: Date: Agreement for Publication of the Master’s Thesis between Internationally Oriented Master of Science Program WAREM and Signature: Date: § 1 The student shall deliver the Master’s Thesis to the WAREM Examination Office in both machine-readable and printed format. § 2 WAREM has no rights to commercial exploitation of the thesis. § 3 A printed version of the thesis can be borrowed from the WAREM library. § 4 This agreement does not in any way limit the student’s rights as author in accordance with copyright law. The agreement does not prevent the student from publishing the thesis at any time in unaltered or revised form, either electronically or in another format. ............................................................................................................................ In accordance with the conditions specified above, the student grants WAREM permission to publish the abstract of her thesis in digital full-text form without remuneration. I agree I don’t agree Signature: Date: Abstract The Lima (Per´u) Metropolitan Area faces numerous challenges to water and wastew- ater management which have become more urgent in recent years due to the effects of urban growth and climate change. These effects have also intensified the city’s struggle to provide and maintain an amount of green space adequate for its population. Issues related to both water resources management and the provision of green space in Lima might be addressed through the application of water-sensitive urban design (WSUD) concepts which incorporate constructed wetlands for the treatment of wastewater and surface water for reuse in the irrigation urban green areas. A water audit can be im- plemented to rapidly yet effectively assess the quantity and quality of water resources available to a WSUD project in order to guide design proposals towards technically feasible solutions. In this study, a water audit was formulated for and carried out in the Lima neighborhood of Chuquitanta (San Martin de Porres) in support of a WSUD project being undertaken within the framework of the German BMBF “Fu- ture Megacities” project “Sustainable Water and Wastewater Management in Urban Growth Centres Coping with Climate Change — Concepts for Lima Metropolitana (Per´u)” (LiWa). The audit was developed and undertaken in three phases, with reg- ular feedback from and interaction with a concurrent three-phase preliminary design process aimed at the development of water-sensitive ecological infrastructure in the study area. A variety of tools including observation, estimation, and field and labora- tory testing were implemented to determine values for a customized set of parameters related to water quantity, temperature, oxygen balance, salt content, acidity, nutrient content, microbiology and heavy metal content in several different local water sources. Parameter values were then compared to quality standards for surface- and wastew- aters treated for reuse in irrigation. Finally, audit results were considered alongside results from the preliminary design process to suggest constructed wetland configu- rations which could be incorporated into WSUD prototypes for each of four different water sources in Chuquitanta. The recommendations made were not only technically feasible with regard to observed water qualities/quantities and water usage/treatment goals, but strived to stay true to the vision proposed in preliminary designs. Sugges- tions included a recycled vertical flow constructed wetland for treatment of domestic greywater, a surface flow constructed wetland for treatment of river water channeled into a system of irrigation canals, a system of constructed wetland “modules” built into a riverbank terrace for simultaneous greywater treatment and flood protection/dike re- inforcement, and a subsurface flow constructed wetland as a stop-gap measure for secondary wastewater treatment. A simple, Excel-based wetland dimension estimation tool was also developed and implemented to generate estimations for the land area required by each of the recommended wetland configurations. With some adjustments to auditing methods and the timing of steps carried out during the auditing vs. design phases, the auditing methodology described in this study should be transferable to other infrastructure design projects. Resumen Actualmente el ´area metropolitana de Lima (Per´u) enfrenta m´ultiples desaf´ıos con- cernientes al manejo del recurso h´ıdrico y al tratamiento de aguas residuales, factores que en los ´ultimos a˜nos se han vuelto m´as cr´ıticos debido a los efectos del crecimiento de la poblaci´on y del cambio clim´atico. Dichos efectos tambi´en han repercutido en la problem´atica que tiene la ciudad para proveer y mantener una proporci´on adecuada de espacios verdes para su poblaci´on. Aspectos relacionados tanto con el manejo de dichos recursos h´ıdricos como con la provisi´on del espacio verde en Lima, podr´ıan ser considerados a trav´es de la aplicaci´on del concepto del Dise˜no Urbano Hidro-sensible (DUHS), el cual incorpora la construcci´on de humedales para el tratamiento de aguas residuales y aguas superficiales para su reutilizaci´on en la irrigaci´on de zonas verdes urbanas. Una auditoria en aguas puede implementarse r´apidamente para evaluar efec- tivamente la cantidad y calidad de los recursos h´ıdricos disponibles para un proyecto DUHS, a fin de orientar propuestas dirigidas a la obtenci´on de soluciones t´ecnicamente viables. En el presente estudio, una auditoria en aguas fue formulada y llevada a cabo en la localidad de Chuquitanta (San Mart´ın de Porres) de la ciudad de Lima como soporte a un DUHS proyecto dentro del marco del proyecto alem´an BMBF “Future Megacities” “Gesti´on sostenible del agua y las aguas residuales en centros urbanos en crecimiento afrontando el cambio clim´atico — Conceptos para Lima Metropolitana (Per´u)” (LiWa). La auditoria fue desarrollada y puesta en marcha en tres fases, y con informaci´on peri´odica de la interacci´on con un proceso de dise˜no preliminar concurrente de tres fases dirigido al desarrollo de la infraestructura ecol´ogica hidro-sensible en el ´area de estudio. Un sinn´umero de herramientas que incluyen la observaci´on, estimaci´on y experimentaci´on tanto en laboratorio como en campo, fueron implementadas para as´ıdeterminar los valores de un conjunto de par´ametros relacionados con la cantidad de agua, temperatura, balance de ox´ıgeno, contenido de sales, acidez, contenido de nutrientes, microbiolog´ıa y contenido de metales pesados en varias fuentes de recursos h´ıdricos. Estos par´ametros fueron a su vez comparados con los est´andares de calidad vigentes que aplican a aguas superficiales y residuales tratadas con fines de irrigaci´on. Finalmente, los resultados de dicha auditoria fueron evaluados junto con los resultados del proceso de dise˜no preliminar con el fin de sugerir configuraciones de humedales artificiales, los cuales pudieran ser incorporados a prototipos de DUHS para cada una de las cuatro diferentes fuentes de agua. Las recomendaciones formuladas probaron ser no solamente t´ecnicamente viables en lo concerniente a las cantidades/calidad y a los objetivos uso/tratamiento observados, sino que se mantuvieron consistentes a la visi´on propuesta en dise˜nos preliminares. Entre las propuestas se incluy´ola construcci´on de un humedal de reciclado de flujo vertical para el tratamiento de aguas grises domesti- cas, un humedal de flujo superficial para el tratamiento de agua de r´ıo canalizada hacia un sistema de irrigaci´on por canales, un sistema de m´odulos de humedales construidos hacia la terraza de una ribera con el fin de proveer tratamiento de aguas grises y re- forzar el dique/protecci´on contra inundaciones y un humedal de flujo subterr´aneo como medida provisional para el tratamiento secundario de aguas residuales. Se desarrollo e implemento tambi´en una herramienta simple en Excel para el dimensionamiento de humedales con el fin de estimar la superficie de tierra requerida para cada una de las configuraciones de humedales recomendados. Con algunos ajustes a los m´etodos de evaluaci´on y al cronometraje de los tiempos de los pasos seguidos durante la auditoria vs. las fases de dise˜no, la metodolog´ıa de evaluaci´on descrita en este estudio se deber´ıa poder transferir a otros proyectos de dise˜no de infraestructura. Abstract Die Stadtregion von Lima (Per´u) sieht sich mit diversen Herausforderungen im Bereich Wasser- und Abfallmanagement konfrontiert. Diese Probleme werden mit zunehmenden Bev¨olkerungswachstum und durch den Einfluss des globalen Klimawan-