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.

Hidrogeología e hidrodinámica del acuífero de los manantiales de Gormaz y su importancia en el caudal base del río Duero, España = Hydrogeology and hydrodynamic of the Gormaz Springs Aquifer and its importance to the base flow of the Duero River, Spain

Se cuantifican las descargas subterráneas de un acuífero a un río que lo atraviesa utilizando correlaciones estadísticas. El río Duero, España, incrementa su caudal base en varios m3/s, al atravesar unos afloramientos carbonatados mesozoicos en un pequeño tramo de su cabecera; esto es de especial importancia en época de estiaje, cuando la mayor parte del caudal base del río procede de manantiales que allí se sitúan. Dichos afloramientos corresponden a uno de los dos acuíferos calcáreos confinados, que se desarrollan en paralelo y están hidráulicamente desconectados por una capa impermeable, que forman el sistema acuífero de los manantiales de Gormaz. Este sistema se encuentra en estado de régimen natural y está apenas explotado. Se define el modelo conceptual de funcionamiento hidrogeológico, considerando el papel hidrogeológico de la falla de Gormaz, situada en la zona de descarga del sistema. Analizando información geológica antecedente y la geofísica exploratoria realizada, se obtuvo un mejor conocimiento de la geometría y los límites de los acuíferos, definiéndose un sistema acuífero con una zona de recarga en el sur, correspondiente a los afloramientos calcáreos, los cuales se confinan hacia el norte bajo el Terciario, hasta intersecar con la falla normal de Gormaz. El salto de falla genera una barrera para las formaciones permeables situadas al extremo norte (margen derecha del río Duero); a su vez, el plano de falla facilita el ascenso del agua subterránea del sistema acuífero en estudio y pone en conexión hidráulica los dos acuíferos. Se estimaron, además, los parámetros hidráulicos de los acuíferos en los alrededores de la falla. La buena correlación entre los niveles piezométricos y las descargas subterráneas al río Duero han permitido la reconstrucción del hidrograma de los manantiales de Gormaz en el periodo 1992-2006. Se calcula así que la contribución subterránea al río Duero es de 135.9 hm3/año, que supone el 18.9% de la aportación total del río. In a short stretch of its headwaters, the base flow of the River Duero increases by several m3/s as it traverses some Mesozoic carbonate outcrops. This is of special importance during the dry season, when the majority of the base flow of the river proceeds from springs in this reach. The outcrops correspond to one of two confined calcareous aquifers that developed in parallel but which are not hydraulically connected because of an impermeable layer. Together, they constitute the aquifer system of the Gormaz Springs. The system is still in its natural regime and is hardly exploited. This study defines the conceptual model of hydrogeological functioning, taking into consideration the role of the Gormaz Fault, which is situated in the discharge zone of the system. Analysis of both antecedent geological information and geophysical explorations has led to a better understanding of the geometry and boundaries of the aquifers, defining an aquifer system with a recharge zone in the south corresponding to in the calcareous outcrops. These calcareous outcrops are confined to the north below Tertiary formations, as far as their intersection with the normal fault of Gormaz. The throw of the fault forms the barrier of the permeable formations situated in the extreme north (right bank of the River Duero). In turn, the fault plane facilitates the upflow of groundwater from the aquifer system and creates hydraulic connection between the two aquifers. In addition, the study estimated the hydraulic parameters of the aquifer around the fault. The close correlation between piezometric levels and the groundwater discharges to the River Duero has enabled the reconstruction of the hydrogram of Gormaz springs over the period 1992-2006. By this means, it is calculated that the groundwater contribution to the River Duero is 135.9 hm3/year, or 18.9% of the total river inflow.

Flood frequency analysis by a bivariate model based on copulas

La adecuada estimación de avenidas de diseño asociadas a altos periodos de retorno es necesaria para el diseño y gestión de estructuras hidráulicas como presas. En la práctica, la estimación de estos cuantiles se realiza normalmente a través de análisis de frecuencia univariados, basados en su mayoría en el estudio de caudales punta. Sin embargo, la naturaleza de las avenidas es multivariada, siendo esencial tener en cuenta características representativas de las avenidas, tales como caudal punta, volumen y duración del hidrograma, con el fin de llevar a cabo un análisis apropiado; especialmente cuando el caudal de entrada se transforma en un caudal de salida diferente durante el proceso de laminación en un embalse o llanura de inundación. Los análisis de frecuencia de avenidas multivariados han sido tradicionalmente llevados a cabo mediante el uso de distribuciones bivariadas estándar con el fin de modelar variables correlacionadas. Sin embargo, su uso conlleva limitaciones como la necesidad de usar el mismo tipo de distribuciones marginales para todas las variables y la existencia de una relación de dependencia lineal entre ellas. Recientemente, el uso de cópulas se ha extendido en hidrología debido a sus beneficios en relación al contexto multivariado, permitiendo superar los inconvenientes de las técnicas tradicionales. Una copula es una función que representa la estructura de dependencia de las variables de estudio, y permite obtener la distribución de frecuencia multivariada de dichas variables mediante sus distribuciones marginales, sin importar el tipo de distribución marginal utilizada. La estimación de periodos de retorno multivariados, y por lo tanto, de cuantiles multivariados, también se facilita debido a la manera en la que las cópulas están formuladas. La presente tesis doctoral busca proporcionar metodologías que mejoren las técnicas tradicionales usadas por profesionales para estimar cuantiles de avenida más adecuados para el diseño y la gestión de presas, así como para la evaluación del riesgo de avenida, mediante análisis de frecuencia de avenidas bivariados basados en cópulas. Las variables consideradas para ello son el caudal punta y el volumen del hidrograma. Con el objetivo de llevar a cabo un estudio completo, la presente investigación abarca: (i) el análisis de frecuencia de avenidas local bivariado centrado en examinar y comparar los periodos de retorno teóricos basados en la probabilidad natural de ocurrencia de una avenida, con el periodo de retorno asociado al riesgo de sobrevertido de la presa bajo análisis, con el fin de proporcionar cuantiles en una estación de aforo determinada; (ii) la extensión del enfoque local al regional, proporcionando un procedimiento completo para llevar a cabo un análisis de frecuencia de avenidas regional bivariado para proporcionar cuantiles en estaciones sin aforar o para mejorar la estimación de dichos cuantiles en estaciones aforadas; (iii) el uso de cópulas para investigar tendencias bivariadas en avenidas debido al aumento de los niveles de urbanización en una cuenca; y (iv) la extensión de series de avenida observadas mediante la combinación de los beneficios de un modelo basado en cópulas y de un modelo hidrometeorológico. Accurate design flood estimates associated with high return periods are necessary to design and manage hydraulic structures such as dams. In practice, the estimate of such quantiles is usually done via univariate flood frequency analyses, mostly based on the study of peak flows. Nevertheless, the nature of floods is multivariate, being essential to consider representative flood characteristics, such as flood peak, hydrograph volume and hydrograph duration to carry out an appropriate analysis; especially when the inflow peak is transformed into a different outflow peak during the routing process in a reservoir or floodplain. Multivariate flood frequency analyses have been traditionally performed by using standard bivariate distributions to model correlated variables, yet they entail some shortcomings such as the need of using the same kind of marginal distribution for all variables and the assumption of a linear dependence relation between them. Recently, the use of copulas has been extended in hydrology because of their benefits regarding dealing with the multivariate context, as they overcome the drawbacks of the traditional approach. A copula is a function that represents the dependence structure of the studied variables, and allows obtaining the multivariate frequency distribution of them by using their marginal distributions, regardless of the kind of marginal distributions considered. The estimate of multivariate return periods, and therefore multivariate quantiles, is also facilitated by the way in which copulas are formulated. The present doctoral thesis seeks to provide methodologies that improve traditional techniques used by practitioners, in order to estimate more appropriate flood quantiles for dam design, dam management and flood risk assessment, through bivariate flood frequency analyses based on the copula approach. The flood variables considered for that goal are peak flow and hydrograph volume. In order to accomplish a complete study, the present research addresses: (i) a bivariate local flood frequency analysis focused on examining and comparing theoretical return periods based on the natural probability of occurrence of a flood, with the return period associated with the risk of dam overtopping, to estimate quantiles at a given gauged site; (ii) the extension of the local to the regional approach, supplying a complete procedure for performing a bivariate regional flood frequency analysis to either estimate quantiles at ungauged sites or improve at-site estimates at gauged sites; (iii) the use of copulas to investigate bivariate flood trends due to increasing urbanisation levels in a catchment; and (iv) the extension of observed flood series by combining the benefits of a copula-based model and a hydro-meteorological model.

Desarrollo de metodologías para mejorar la estimación de los hidrogramas de diseño para el cálculo de los órganos de desagüe de las presas

En la presente Tesis se ha llevado a cabo el contraste y desarrollo de metodologías que permitan mejorar el cálculo de las avenidas de proyecto y extrema empleadas en el cálculo de la seguridad hidrológica de las presas. En primer lugar se ha abordado el tema del cálculo de las leyes de frecuencia de caudales máximos y su extrapolación a altos periodos de retorno. Esta cuestión es de gran relevancia, ya que la adopción de estándares de seguridad hidrológica para las presas cada vez más exigentes, implica la utilización de periodos de retorno de diseño muy elevados cuya estimación conlleva una gran incertidumbre. Es importante, en consecuencia incorporar al cálculo de los caudales de diseño todas la técnicas disponibles para reducir dicha incertidumbre. Asimismo, es importante hacer una buena selección del modelo estadístico (función de distribución y procedimiento de ajuste) de tal forma que se garantice tanto su capacidad para describir el comportamiento de la muestra, como para predecir de manera robusta los cuantiles de alto periodo de retorno. De esta forma, se han realizado estudios a escala nacional con el objetivo de determinar el esquema de regionalización que ofrece mejores resultados para las características hidrológicas de las cuencas españolas, respecto a los caudales máximos anuales, teniendo en cuenta el numero de datos disponibles. La metodología utilizada parte de la identificación de regiones homogéneas, cuyos límites se han determinado teniendo en cuenta las características fisiográficas y climáticas de las cuencas, y la variabilidad de sus estadísticos, comprobando posteriormente su homogeneidad. A continuación, se ha seleccionado el modelo estadístico de caudales máximos anuales con un mejor comportamiento en las distintas zonas de la España peninsular, tanto para describir los datos de la muestra como para extrapolar a los periodos de retorno más altos. El proceso de selección se ha basado, entre otras cosas, en la generación sintética de series de datos mediante simulaciones de Monte Carlo, y el análisis estadístico del conjunto de resultados obtenido a partir del ajuste de funciones de distribución a estas series bajo distintas hipótesis. Posteriormente, se ha abordado el tema de la relación caudal-volumen y la definición de los hidrogramas de diseño en base a la misma, cuestión que puede ser de gran importancia en el caso de presas con grandes volúmenes de embalse. Sin embargo, los procedimientos de cálculo hidrológico aplicados habitualmente no tienen en cuenta la dependencia estadística entre ambas variables. En esta Tesis se ha desarrollado un procedimiento para caracterizar dicha dependencia estadística de una manera sencilla y robusta, representando la función de distribución conjunta del caudal punta y el volumen en base a la función de distribución marginal del caudal punta y la función de distribución condicionada del volumen respecto al caudal. Esta última se determina mediante una función de distribución log-normal, aplicando un procedimiento de ajuste regional. Se propone su aplicación práctica a través de un procedimiento de cálculo probabilístico basado en la generación estocástica de un número elevado de hidrogramas. La aplicación a la seguridad hidrológica de las presas de este procedimiento requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno aplicado a variables hidrológicas bivariadas. Para ello, se realiza una propuesta de interpretación de dicho concepto. El periodo de retorno se entiende como el inverso de la probabilidad de superar un determinado nivel de embalse. Al relacionar este periodo de retorno con las variables hidrológicas, el hidrograma de diseño de la presa deja de ser un único hidrograma para convertirse en una familia de hidrogramas que generan un mismo nivel máximo en el embalse, representados mediante una curva en el plano caudal volumen. Esta familia de hidrogramas de diseño depende de la propia presa a diseñar, variando las curvas caudal-volumen en función, por ejemplo, del volumen de embalse o la longitud del aliviadero. El procedimiento propuesto se ilustra mediante su aplicación a dos casos de estudio. Finalmente, se ha abordado el tema del cálculo de las avenidas estacionales, cuestión fundamental a la hora de establecer la explotación de la presa, y que puede serlo también para estudiar la seguridad hidrológica de presas existentes. Sin embargo, el cálculo de estas avenidas es complejo y no está del todo claro hoy en día, y los procedimientos de cálculo habitualmente utilizados pueden presentar ciertos problemas. El cálculo en base al método estadístico de series parciales, o de máximos sobre un umbral, puede ser una alternativa válida que permite resolver esos problemas en aquellos casos en que la generación de las avenidas en las distintas estaciones se deba a un mismo tipo de evento. Se ha realizado un estudio con objeto de verificar si es adecuada en España la hipótesis de homogeneidad estadística de los datos de caudal de avenida correspondientes a distintas estaciones del año. Asimismo, se han analizado los periodos estacionales para los que es más apropiado realizar el estudio, cuestión de gran relevancia para garantizar que los resultados sean correctos, y se ha desarrollado un procedimiento sencillo para determinar el umbral de selección de los datos de tal manera que se garantice su independencia, una de las principales dificultades en la aplicación práctica de la técnica de las series parciales. Por otra parte, la aplicación practica de las leyes de frecuencia estacionales requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno para el caso estacional. Se propone un criterio para determinar los periodos de retorno estacionales de forma coherente con el periodo de retorno anual y con una distribución adecuada de la probabilidad entre las distintas estaciones. Por último, se expone un procedimiento para el cálculo de los caudales estacionales, ilustrándolo mediante su aplicación a un caso de estudio. The compare and develop of a methodology in order to improve the extreme flow estimation for dam hydrologic security has been developed. First, the work has been focused on the adjustment of maximum peak flows distribution functions from which to extrapolate values for high return periods. This has become a major issue as the adoption of stricter standards on dam hydrologic security involves estimation of high design return periods which entails great uncertainty. Accordingly, it is important to incorporate all available techniques for the estimation of design peak flows in order to reduce this uncertainty. Selection of the statistical model (distribution function and adjustment method) is also important since its ability to describe the sample and to make solid predictions for high return periods quantiles must be guaranteed. In order to provide practical application of previous methodologies, studies have been developed on a national scale with the aim of determining a regionalization scheme which features best results in terms of annual maximum peak flows for hydrologic characteristics of Spanish basins taking into account the length of available data. Applied methodology starts with the delimitation of regions taking into account basin’s physiographic and climatic characteristics and the variability of their statistical properties, and continues with their homogeneity testing. Then, a statistical model for maximum annual peak flows is selected with the best behaviour for the different regions in peninsular Spain in terms of describing sample data and making solid predictions for high return periods. This selection has been based, among others, on synthetic data series generation using Monte Carlo simulations and statistical analysis of results from distribution functions adjustment following different hypothesis. Secondly, the work has been focused on the analysis of the relationship between peak flow and volume and how to define design flood hydrographs based on this relationship which can be highly important for large volume reservoirs. However, commonly used hydrologic procedures do not take statistical dependence between these variables into account. A simple and sound method for statistical dependence characterization has been developed by the representation of a joint distribution function of maximum peak flow and volume which is based on marginal distribution function of peak flow and conditional distribution function of volume for a given peak flow. The last one is determined by a regional adjustment procedure of a log-normal distribution function. Practical application is proposed by a probabilistic estimation procedure based on stochastic generation of a large number of hydrographs. The use of this procedure for dam hydrologic security requires a proper interpretation of the return period concept applied to bivariate hydrologic data. A standard is proposed in which it is understood as the inverse of the probability of exceeding a determined reservoir level. When relating return period and hydrological variables the only design flood hydrograph changes into a family of hydrographs which generate the same maximum reservoir level and that are represented by a curve in the peak flow-volume two-dimensional space. This family of design flood hydrographs depends on the dam characteristics as for example reservoir volume or spillway length. Two study cases illustrate the application of the developed methodology. Finally, the work has been focused on the calculation of seasonal floods which are essential when determining the reservoir operation and which can be also fundamental in terms of analysing the hydrologic security of existing reservoirs. However, seasonal flood calculation is complex and nowadays it is not totally clear. Calculation procedures commonly used may present certain problems. Statistical partial duration series, or peaks over threshold method, can be an alternative approach for their calculation that allow to solve problems encountered when the same type of event is responsible of floods in different seasons. A study has been developed to verify the hypothesis of statistical homogeneity of peak flows for different seasons in Spain. Appropriate seasonal periods have been analyzed which is highly relevant to guarantee correct results. In addition, a simple procedure has been defined to determine data selection threshold on a way that ensures its independency which is one of the main difficulties in practical application of partial series. Moreover, practical application of seasonal frequency laws requires a correct interpretation of the concept of seasonal return period. A standard is proposed in order to determine seasonal return periods coherently with the annual return period and with an adequate seasonal probability distribution. Finally a methodology is proposed to calculate seasonal peak flows. A study case illustrates the application of the proposed methodology.