Criterios para el dimensionamiento de redes de riego robustas frente a cambios en la alternativa de cultivos

En los años 50 y 60 del siglo XX se produjo en Europa un cambio en la concepción de los sistemas de riego, en los cuales se pasó del regadío por superficie al presurizado y con ello del riego por turnos al riego a la demanda. Las ventajas de este nuevo sistema de riego dieron lugar a una gran expansión de las redes colectivas de riego a presión, especialmente en los países del arco mediterráneo y del Sur de Europa (Francia, España, Italia, Portugal y Grecia). Desde entonces el riego presurizado a la demanda ha tenido una evolución permanente, en la que han mejorado los equipos y las técnicas de aplicación del riego, siempre con una clara orientación hacía el incremento de la productividad. Esta evolución unida a los vaivenes de los mercados, al abaratamiento de los transportes y la globalización, y a las subvenciones agrícolas, ha propiciado que las alternativas de cultivos previstas hayan sufrido cambios. El cambio de la alternativa de cultivos hacia otros más exigentes desde el punto de vista de las necesidades hídricas tiene como consecuencia el aumento de los consumos, circunstancia para cual debe estar capacitada la red. Otros fenómenos como el cambio climático, de amplio interés a día de hoy, presentan algunos escenarios en lo que se prevé un incremento de las temperaturas que unido a una reducción en las precipitaciones, supondría también que se elevarían las necesidades de riego de los cultivos. Todas estas circunstancias deben ser contempladas en la redacción de los proyectos de transformación de nuevas zonas regables y en los de modernización de las existentes. Las redes de riego deben estar dimensionadas para poder atender dichos incrementos de consumo. La fortaleza de la red para atender variaciones en las demandas de agua se convierte por tanto en una premisa del proyecto. Dicha fortaleza se puede conseguir de formas diferentes y a costos distintos, puesto que en el proceso de dimensionamiento estadístico de los caudales circulantes en punta de campaña intervienen muchas variables y parámetros de riego. En la presente tesis doctoral se analiza en detalle el estado del arte en la materia, se efectúa un análisis de la función específica y la influencia en el cálculo de cada uno de los parámetros, se establece un procedimiento de actuación que optimice el dimensionamiento de la red colectiva para que ésta disponga de la robustez necesaria para hacer frente a incrementos potenciales de consumo de agua sobre la previsiones de base del proyecto y se establecen los criterios, rangos y combinaciones de parámetros que permiten dotar a la red de la fortaleza necesaria de la manera más eficiente posible. During the 1950s and 1960s the design of irrigation systems in Europe underwent change. Traditional surface irrigation was replaced by pressure irrigation, with the delivery method shifting from a scheduled type to an on-demand one. The advantages obtained with this new system led to a significant development of on-demand pressurised irrigation districts, especially in the Southern countries (France, Greece, Italy, Portugal and Spain). On-demand pressurised irrigation has since evolved in a continuous manner in which, with the purpose of gaining productivity, on-farm equipment and automation instruments have seen improvements. Such developments, along with market fluctuations, reductions in transport costs, globalisation and the influence of agricultural subsidies, have resulted in changes in the crop pattern. The farming of new crops may require more water and the consumption may become greater. In addition to this, other phenomena, such as the frequently-debated effects of climate change, reveal scenarios in which an increase in temperatures and the accompanying reductions in rainfall are expected. One consequence of this would be an increase in irrigation requirements and subsequent impact on irrigation networks. All such circumstances should be taken into account in both the design of new irrigation districts and the upgrading of the existing ones. Irrigation networks should be of a size that allows them to meet increases in consumption. The robustness of the network, defined as its capacity to absorb increments in water requirements, becomes a key point to be taken into account in the design phase. Given that there are several parameters that influence the calculus of design flows, such robustness may be obtained in different ways and at varying costs. In the context of this, the thesis reviews the state of the art, analyses the role and influence of each parameter, establishes a procedure for checking the design and robustness of on-demand irrigation networks, and sets design criteria for selecting the most effective range and combination of parameters that provide the network with such robustness.

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.