Metodología de evaluación de las reglas de operación de embalses en avenidas

El avance de la presión antrópica sobre las márgenes de los cauces, y la creciente dificultad técnica, política y social para ejecutar nuevos proyectos de grandes presas, promueve la necesidad de utilizar más eficientemente los sistemas de control de avenidas existentes. En el presente trabajo se presenta una metodología de análisis para evaluar y comparar las estrategias de gestión de embalses, considerando su operación individual, a fin de establecer la más adecuada. En particular se comparan dos modos de gestión ante situación de avenidas: el Método de Evaluación Volumétrica (MEV) desarrollado por Girón (1988), de amplia difusión en España, y un modelo de optimización de la gestión mediante Programación Lineal Entera Mixta (PLEM). Para ello se ha implementado un entorno de cálculo con estructura modular. El primer módulo permite generar un conjunto representativo de hidrogramas de entrada a los embalses mediante simulación de Monte Carlo. Luego, dos módulos que funcionan en paralelo simulan la gestión del embalse según las dos estrategias mencionadas (MEV y PLEM). Finalmente, se evalúa el comportamiento de ambas estrategias ante el conjunto de solicitaciones hidrológicas generado. Se propone el empleo del Índice de Riesgo Global (I1), que pondera el resultado de la estrategia de gestión frente a un conjunto de hidrogramas de solicitación. Dicho indicador tiene en cuenta el daño esperado debido a los caudales máximos vertidos y el riesgo para la presa debido a los niveles máximos alcanzados en el embalse. Para ello se analiza la función de distribución de probabilidad de las dos variables (máximo caudal vertido y máximo nivel alcanzado) para la población de hidrogramas analizada. El modelo PLEM se calibra empleando el índice I1. Este mismo índice es utilizado para comparar ambas estrategias, entendiendo como la más adecuada aquella que tenga asociado el menor I1. Este sistema de análisis se aplicó a tres embalses de la cuenca del río Segura, con diferentes características en lo referente al tipo y capacidad de aliviadero, volumen de embalse y de resguardo. En los tres casos se han obtenido mejores resultados con el modelo PLEM que con el modelo MEV, tanto en lo concerniente a caudales máximos vertidos como a los niveles máximos alcanzados, para todo el rango de avenidas analizado. Sin embargo, la diferencia entre ambas estrategias no es muy significativa y el MEV presenta características que lo hacen más adecuado para su empleo en tiempo real

Mapa de peligrosidad por avenidas torrenciales en la isla de El Hierro

El objetivo de este proyecto es el estudio y creación de un mapa de cuencas peligrosas para avenidas torrenciales en la Isla de El Hierro, provincia de Santa Cruz de Tenerife (Islas Canarias). Para ello se realizará un estudio de la zona basado en los índices morfométricos que describen cada cuenca, empleando un sistema de información geográfica (ArcGIS). Se realizará un estudio cualitativo de todos los posibles índices morfométricos a aplicar y se seleccionarán aquellos más determinantes para evaluar la peligrosidad geológica. El análisis morfométrico permitirá caracterizar, por un lado, la configuración hídrica, y por otro lado, sus modelos de organización hidrológica y su capacidad de respuesta ante episodios extremos de precipitación. A partir de estas características, se determinarán las zonas de peligrosidad, generando un mapa de peligrosidad para las personas.

Gestión óptima de embalses en avenidas incorporando al concepto de incertidumbre : aplicación a embalses con central hidroeléctrica

Esta tesis realiza una contribución metodológica al problema de la gestión óptima de embalses hidroeléctricos durante eventos de avenidas, considerando un enfoque estocástico y multiobjetivo. Para ello se propone una metodología de evaluación de estrategias de laminación en un contexto probabilístico y multiobjetivo. Además se desarrolla un entorno dinámico de laminación en tiempo real con pronósticos que combina un modelo de optimización y algoritmos de simulación. Estas herramientas asisten a los gestores de las presas en la toma de decisión respecto de cuál es la operación más adecuada del embalse. Luego de una detallada revisión de la bibliografía, se observó que los trabajos en el ámbito de la gestión óptima de embalses en avenidas utilizan, en general, un número reducido de series de caudales o hidrogramas para caracterizar los posibles escenarios. Limitando el funcionamiento satisfactorio de un modelo determinado a situaciones hidrológicas similares. Por otra parte, la mayoría de estudios disponibles en este ámbito abordan el problema de la laminación en embalses multipropósito durante la temporada de avenidas, con varios meses de duración. Estas características difieren de la realidad de la gestión de embalses en España. Con los avances computacionales en materia de gestión de información en tiempo real, se observó una tendencia a la implementación de herramientas de operación en tiempo real con pronósticos para determinar la operación a corto plazo (involucrando el control de avenidas). La metodología de evaluación de estrategias propuesta en esta tesis se basa en determinar el comportamiento de éstas frente a un espectro de avenidas características de la solicitación hidrológica. Con ese fin, se combina un sistema de evaluación mediante indicadores y un entorno de generación estocástica de avenidas, obteniéndose un sistema implícitamente estocástico. El sistema de evaluación consta de tres etapas: caracterización, síntesis y comparación, a fin de poder manejar la compleja estructura de datos resultante y realizar la evaluación. En la primera etapa se definen variables de caracterización, vinculadas a los aspectos que se quieren evaluar (seguridad de la presa, control de inundaciones, generación de energía, etc.). Estas variables caracterizan el comportamiento del modelo para un aspecto y evento determinado. En la segunda etapa, la información de estas variables se sintetiza en un conjunto de indicadores, lo más reducido posible. Finalmente, la comparación se lleva a cabo a partir de la comparación de esos indicadores, bien sea mediante la agregación de dichos objetivos en un indicador único, o bien mediante la aplicación del criterio de dominancia de Pareto obteniéndose un conjunto de soluciones aptas. Esta metodología se aplicó para calibrar los parámetros de un modelo de optimización de embalse en laminación y su comparación con otra regla de operación, mediante el enfoque por agregación. Luego se amplió la metodología para evaluar y comparar reglas de operación existentes para el control de avenidas en embalses hidroeléctricos, utilizando el criterio de dominancia. La versatilidad de la metodología permite otras aplicaciones, tales como la determinación de niveles o volúmenes de seguridad, o la selección de las dimensiones del aliviadero entre varias alternativas. Por su parte, el entorno dinámico de laminación al presentar un enfoque combinado de optimización-simulación, permite aprovechar las ventajas de ambos tipos de modelos, facilitando la interacción con los operadores de las presas. Se mejoran los resultados respecto de los obtenidos con una regla de operación reactiva, aun cuando los pronósticos se desvían considerablemente del hidrograma real. Esto contribuye a reducir la tan mencionada brecha entre el desarrollo teórico y la aplicación práctica asociada a los modelos de gestión óptima de embalses. This thesis presents a methodological contribution to address the problem about how to operate a hydropower reservoir during floods in order to achieve an optimal management considering a multiobjective and stochastic approach. A methodology is proposed to assess the flood control strategies in a multiobjective and probabilistic framework. Additionally, a dynamic flood control environ was developed for real-time operation, including forecasts. This dynamic platform combines simulation and optimization models. These tools may assist to dam managers in the decision making process, regarding the most appropriate reservoir operation to be implemented. After a detailed review of the bibliography, it was observed that most of the existing studies in the sphere of flood control reservoir operation consider a reduce number of hydrographs to characterize the reservoir inflows. Consequently, the adequate functioning of a certain strategy may be limited to similar hydrologic scenarios. In the other hand, most of the works in this context tackle the problem of multipurpose flood control operation considering the entire flood season, lasting some months. These considerations differ from the real necessity in the Spanish context. The implementation of real-time reservoir operation is gaining popularity due to computational advances and improvements in real-time data management. The methodology proposed in this thesis for assessing the strategies is based on determining their behavior for a wide range of floods, which are representative of the hydrological forcing of the dam. An evaluation algorithm is combined with a stochastic flood generation system to obtain an implicit stochastic analysis framework. The evaluation system consists in three stages: characterizing, synthesizing and comparing, in order to handle the complex structure of results and, finally, conduct the evaluation process. In the first stage some characterization variables are defined. These variables should be related to the different aspects to be evaluated (such as dam safety, flood protection, hydropower, etc.). Each of these variables characterizes the behavior of a certain operating strategy for a given aspect and event. In the second stage this information is synthesized obtaining a reduced group of indicators or objective functions. Finally, the indicators are compared by means of an aggregated approach or by a dominance criterion approach. In the first case, a single optimum solution may be achieved. However in the second case, a set of good solutions is obtained. This methodology was applied for calibrating the parameters of a flood control model and to compare it with other operating policy, using an aggregated method. After that, the methodology was extent to assess and compared some existing hydropower reservoir flood control operation, considering the Pareto approach. The versatility of the method allows many other applications, such as determining the safety levels, defining the spillways characteristics, among others. The dynamic framework for flood control combines optimization and simulation models, exploiting the advantages of both techniques. This facilitates the interaction between dam operators and the model. Improvements are obtained applying this system when compared with a reactive operating policy, even if the forecasts deviate significantly from the observed hydrograph. This approach contributes to reduce the gap between the theoretical development in the field of reservoir management and its practical applications.

Investigaciones dendrogeomorfológicas aplicadas al estudio de la peligrosidad por avenidas e inundaciones en el parque nacional de la Caldera de Taburiente (La Palma, Islas Canarias).

Las Angustias torrent is an ungauged stream located in the Caldera de Taburiente National Park (Canary Islands), where frequent and intense flood events occur (even causing fatalities, such as in November 2001). The aim of this research is to analyse the flood hazard in one of the most visited areas of this protected area. To carry out this objective, during two dendrogeomorphological campaigns, all pine trees located on the stream bed and banks showing external evidence of flash flood damage were sampled. In addition, a detailed topographical survey using GPS and total station allowed us to obtain the inputs for hydraulic modelling. In the preliminary results, two flood events have been identified (1967-1968 and 1999- 2000), and evidence of other dates has been observed (1976, 1983, 1993 and 2001). Magnitude reconstruction of these events will improve flood hazard and risk analyses and will be useful for National Park managers.

Investigaciones dendrogeomorfológicas aplicadas al estudio de la peligrosidad por avenidas e inundaciones en el parque nacional de la Caldera de Taburiente (La Palma, Islas Canarias)

La red de drenaje del parque nacional de la Caldera de Taburiente (La Palma, Islas Canarias) está constituida por numerosos torrentes tributarios del barranco de Las Angustias, que presentan frecuentes e intensos eventos de avenidas súbitas. Estas riadas han producido incluso víctimas mortales entre practicantes de senderismo (3 fallecidos en noviembre de 2001) e importantes pérdidas económicas al interferir con los proyectos de repoblación de las riberas con especies autóctonas (superiores a los 700.000 euros en los últimos dos años); aparte de daños puntuales a instalaciones del parque y las sendas más transitadas. Ante la imposibilidad de realizar análisis de peligrosidad con métodos hidrológicohidráulicos convencionales por no existir estaciones de aforo representativas ni datos pluviométricos con series largas y discriminación temporal adecuada, se ha recurrido a los métodos dendrogeomorfológicos. Para ello, en dos campañas de campo se han caracterizado geomorfológica y florísticamente varios tramos de los barrancos principales, y se ha muestreado y analizado cerca de 60 ejemplares de pino canario (Pinus canariensis Chr. Sm. ex DC.) ubicados en las proximidades de los cauces. A partir del análisis de la secuencia de anillos y de las heridas de los descortezados producidos por la carga sólida transportada durante las riadas, se ha podido reconstruir el registro reciente (últimos 150 años) de eventos de avenidas súbitas que han sufrido estos barrancos. En paralelo se ha realizado una topografía de detalle de los tramos de barranco que, junto con las alturas de los descortezados, permite tener una primera aproximación hidráulica a la magnitud de dichos eventos (caudales, velocidades, energías?). Con toda esta información se pretende realizar un estudio integral de peligrosidad y riesgo, de utilidad para los gestores del parque nacional. Los estudios son financiados por el proyecto de investigación IDEA-GesPPNN (www.idea-gesppnn.es), del Organismo Autónomo de Parques Nacionales (MAGRAMA)

Datación de avenidas e inundaciones por métodos dendrogeomorfológicos: aplicación en el Parque Nacional de la Caldera de Taburiente (La Palma, Canarias)

Se analizan las heridas que las grandes avenidas dejan en los árboles y se identifican fechas de actividad en relación a los datos meteorológicos.

Modelo de gestión de un embalse en tiempo real durante avenidas basado en redes bayesianas entrenadas con el método de optimización PLEM

En la actualidad, la gestión de embalses para el control de avenidas se realiza, comúnmente, utilizando modelos de simulación. Esto se debe, principalmente, a su facilidad de uso en tiempo real por parte del operador de la presa. Se han desarrollado modelos de optimización de la gestión del embalse que, aunque mejoran los resultados de los modelos de simulación, su aplicación en tiempo real se hace muy difícil o simplemente inviable, pues está limitada al conocimiento de la avenida futura que entra al embalse antes de tomar la decisión de vertido. Por esta razón, se ha planteado el objetivo de desarrollar un modelo de gestión de embalses en avenidas que incorpore las ventajas de un modelo de optimización y que sea de fácil uso en tiempo real por parte del gestor de la presa. Para ello, se construyó un modelo de red Bayesiana que representa los procesos de la cuenca vertiente y del embalse y, que aprende de casos generados sintéticamente mediante un modelo hidrológico agregado y un modelo de optimización de la gestión del embalse. En una primera etapa, se generó un gran número de episodios sintéticos de avenida utilizando el método de Monte Carlo, para obtener las lluvias, y un modelo agregado compuesto de transformación lluvia- escorrentía, para obtener los hidrogramas de avenida. Posteriormente, se utilizaron las series obtenidas como señales de entrada al modelo de gestión de embalses PLEM, que optimiza una función objetivo de costes mediante programación lineal entera mixta, generando igual número de eventos óptimos de caudal vertido y de evolución de niveles en el embalse. Los episodios simulados fueron usados para entrenar y evaluar dos modelos de red Bayesiana, uno que pronostica el caudal de entrada al embalse, y otro que predice el caudal vertido, ambos en un horizonte de tiempo que va desde una a cinco horas, en intervalos de una hora. En el caso de la red Bayesiana hidrológica, el caudal de entrada que se elige es el promedio de la distribución de probabilidad de pronóstico. En el caso de la red Bayesiana hidráulica, debido al comportamiento marcadamente no lineal de este proceso y a que la red Bayesiana devuelve un rango de posibles valores de caudal vertido, se ha desarrollado una metodología para seleccionar un único valor, que facilite el trabajo del operador de la presa. Esta metodología consiste en probar diversas estrategias propuestas, que incluyen zonificaciones y alternativas de selección de un único valor de caudal vertido en cada zonificación, a un conjunto suficiente de episodios sintéticos. Los resultados de cada estrategia se compararon con el método MEV, seleccionándose las estrategias que mejoran los resultados del MEV, en cuanto al caudal máximo vertido y el nivel máximo alcanzado por el embalse, cualquiera de las cuales puede usarse por el operador de la presa en tiempo real para el embalse de estudio (Talave). La metodología propuesta podría aplicarse a cualquier embalse aislado y, de esta manera, obtener, para ese embalse particular, diversas estrategias que mejoran los resultados del MEV. Finalmente, a modo de ejemplo, se ha aplicado la metodología a una avenida sintética, obteniendo el caudal vertido y el nivel del embalse en cada intervalo de tiempo, y se ha aplicado el modelo MIGEL para obtener en cada instante la configuración de apertura de los órganos de desagüe que evacuarán el caudal. Currently, the dam operator for the management of dams uses simulation models during flood events, mainly due to its ease of use in real time. Some models have been developed to optimize the management of the reservoir to improve the results of simulation models. However, real-time application becomes very difficult or simply unworkable, because the decision to discharge depends on the unknown future avenue entering the reservoir. For this reason, the main goal is to develop a model of reservoir management at avenues that incorporates the advantages of an optimization model. At the same time, it should be easy to use in real-time by the dam manager. For this purpose, a Bayesian network model has been developed to represent the processes of the watershed and reservoir. This model learns from cases generated synthetically by a hydrological model and an optimization model for managing the reservoir. In a first stage, a large number of synthetic flood events was generated using the Monte Carlo method, for rain, and rain-added processing model composed of runoff for the flood hydrographs. Subsequently, the series obtained were used as input signals to the reservoir management model PLEM that optimizes a target cost function using mixed integer linear programming. As a result, many optimal discharge rate events and water levels in the reservoir levels were generated. The simulated events were used to train and test two models of Bayesian network. The first one predicts the flow into the reservoir, and the second predicts the discharge flow. They work in a time horizon ranging from one to five hours, in intervals of an hour. In the case of hydrological Bayesian network, the chosen inflow is the average of the probability distribution forecast. In the case of hydraulic Bayesian network the highly non-linear behavior of this process results on a range of possible values of discharge flow. A methodology to select a single value has been developed to facilitate the dam operator work. This methodology tests various strategies proposed. They include zoning and alternative selection of a single value in each discharge rate zoning from a sufficient set of synthetic episodes. The results of each strategy are compared with the MEV method. The strategies that improve the outcomes of MEV are selected and can be used by the dam operator in real time applied to the reservoir study case (Talave). The methodology could be applied to any single reservoir and, thus, obtain, for the particular reservoir, various strategies that improve results from MEV. Finally, the methodology has been applied to a synthetic flood, obtaining the discharge flow and the reservoir level in each time interval. The open configuration floodgates to evacuate the flow at each interval have been obtained applying the MIGEL model.

Metodología para la gestión integral de las presas de laminación de avenidas y su aplicación a la cuenca hidrográfica del Segura

En el levante español se producen periódicamente intensos aguaceros (gota fría), que generan grandes riadas, desbordándose los cauces y asolando los campos y las ciudades, ocasionando graves daños en la economía local y con frecuencia, por desgracia, víctimas personales. La Confederación Hidrográfica del Segura ha puesto en marcha un vasto sistema de protección, conocido como Plan de Defensa contra Avenidas, del que ya se encuentran en explotación un conjunto de presas cuyo objetivo prioritario es la laminación de las avenidas. Las presas de laminación ubicadas en esta área mediterránea son estructuras muy singulares, al estar ubicadas en cuencas extremadamente secas, con alta pendiente, rápida respuesta, picos altos de caudal, y gran poder erosivo del flujo. Las aguas arrastran en suspensión un alto porcentaje de aporte sólido y flotantes, que quedan retenidos en el embalse, aterrándolo e inutilizando los desagües. En esta tesis doctoral se analizan los criterios de actuación para la gestión de estas presas de laminación, con objeto de que se puedan introducir en las Normas de Explotación innovaciones destinadas a mejorar la eficiencia del conjunto, de manera que se consiga la máxima protección posible y al mismo tiempo se puedan aprovechar las aguas, sin menoscabo de su objetivo prioritario, para otros fines complementarios. Como consecuencia del trabajo realizado se indica la conveniencia de establecer un conjunto de normas de actuación comunes a todas las presas del sistema, como es la estrategia de recibir siempre a los hidrogramas de la riada con las compuertas de los desagües de fondo cerrados, o la conveniencia de que en todas las presas se dispongan compuertas en estos órganos. También se dictan recomendaciones en la gestión del vaciado, para conseguir el máximo aprovechamiento del agua, introduciendo el concepto innovador de los trasvases virtuales. Asimismo, se analiza la conveniencia de fijar normas diferenciales específicas atendiendo a las peculiaridades de cada presa, en cuanto se refiere al nivel máximo de explotación, al cumplimiento de los condicionantes ambientales, al mantenimiento de la calidad del agua, y a otros aspectos singulares que caracterizan a cada uno de estos embalses. The Spanish Mediterranean region hydrology is characterised by low rainfall, but concentrated in extreme convective events. Those heavy rains and storms lead to large, flash-floods which cause devastation of fields, villages and, unfortunately, loss of lives. Segura River Basin Authority has developed an ambitious plan for flood protection and control that is constituted by a system of flood protection dams, river channelling, river diversions diversions and levees. Flood protection dams placed on this area, are distinct structures, as they are located on extremely dry basins, with high slopes and limited vegetal covering. These facts, along with the very high rainfall intensity, are determinants of a rapid response and a very erosive flow. The flow transports a large rate of solids in suspension, and also debris, which many times block and clog the outlets intakes, disabling them. In such a case, the dam would be inoperative, in an emergency state and remedial measures should be taken. This PhD thesis analyses the flood protection dams operation criteria, for providing managers a methodology to analyse each individual case and also the flood protection system as a whole. Additionally practical rules and recommendations, to cope with the objectives of dam safety, flood protection and water resources use, are given. The rules consider the specific differences and risks that may be faced by the dams. To that end, they were grouped, depending on their characteristics: allowance for permanent water storage, environmental restrictions, water quality, geotechnical problems, type of structure, etc. As a result of this research, it is recommended to design these dams with valves for regulating the bottom outlets. The availability of valves is linked with the routing strategy of receiving flood with the outlets closed. This has been shown as the best measure to prevent clogging and opens the possibility of storing temporarily the water, making then a scheduled emptying of the reservoir, which could be computed as a virtual transfer to the regulating dams. Emptying should be done in accordance with the situation of the other dams of the system and of the rivers downstream. This detention time would make possible also the beginning of the sedimentation process which is necessary for using the water with the modern irrigation systems that are in use in this area.