HOSPEDAJE ACTIVO DE MODELOS DE GESTIÓN DE ACUÍFEROS MEDIANTE CLOUD COMPUTING

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1 HOSPEDAJE ACTIVO DE MODELOS DE GESTIÓN DE ACUÍFEROS MEDIANTE CLOUD COMPUTING Jorge JÓDAR BERMÚDEZ*, Xavier ALMOLDA CARDONA*, Francisco BATLLE PIFARRÉ*, Jesús CARRERA RAMÍREZ** (*) HydromodelHost. C/San Juan de la Salle 42, Edif.Technova 2A-12, Barcelona. (**) IDAEA-CSIC. C/Jordi Girona Barcelona. RESUMEN La Directiva Marco del Agua origina y condiciona un cambio importante en el concepto de gestión, protección y planificación del uso del agua. Desde la perspectiva de las aguas subterráneas es necesaria una gestión eficaz de los recursos disponibles. Para ello se han desarrollado modelos numéricos de balance hidrometeorológico de agua en el suelo para los quince acuíferos más importantes de las cuencas internas de Catalunya. Estos modelos numéricos se alojan en la web mediante la tecnología de Cloud Computing, incluyendo en el alojamiento tanto los datos del modelo como la propia simulación numérica realizada en un ordenador virtual dedicado y flexible. La tecnología del Cloud Computing permite que los modelos numéricos sean accesibles de forma dinámica para todos los usuarios mediante una aplicación web, a la cual se accede desde una dirección de internet. Esto facilita (1) la interacción del usuario con el modelo en forma escenarios de tipo "what-if" ("qué pasaría si") simplificando su uso, de forma que el usuario no deba conocer el funcionamiento de cada código numérico de modelo de cálculo, (2) la extracción de información del modelo de forma interactiva y única, con independencia de cada código numérico de modelo de cálculo, y (3) la actualización automática de los datos de entrada a los modelos a medida que se vayan obteniendo, y recalibrando los modelos de forma automática si fuera necesario. El hospedaje activo de los modelos numéricos de balance de agua en los acuíferos permite evaluar el recurso hídrico disponible de manera eficaz y en tiempo real, lo que facilita la gestión de los recursos hídricos tal como impone la Directiva Marco del Agua. Palabras clave: Hospedaje, Modelos, Gestión, Cloud-Computing, GAC INTRODUCCIÓN Los modelos numéricos de flujo son una potente herramienta en la planificación hidrológica y gestión del agua subterránea. Sin embargo la vida útil de los modelos numéricos puede ser efímera ya que muchos de ellos de ellos se quedan obsoletos por falta de actualización, tanto en las observaciones (nivel piezométrico, precipitación, temperatura, etc.) como en la parametrización del modelo numérico.

2 Los modelos numéricos están calibrados para un periodo de tiempo determinado, y reproducen la evolución temporal de los niveles observados para el periodo de calibración. Disponer de observaciones actualizadas permite juzgar la bondad del modelo a la hora de reproducir numéricamente la dinámica de niveles fuera del periodo de calibración. El error en el ajuste nos avisa respecto la necesidad de recalibración de los parámetros del modelo, o bien sobre la necesidad de modificar el modelo conceptual que subyace bajo el modelo numérico. Para garantizar la vida útil de los modelos es necesario actualizarlos de manera sistemática, ya que de otra manera la simulación de escenarios numéricos con estos modelos puede no tener sentido; sin embargo, el proceso de actualización continua puede ser muy costoso, tanto por la necesaria disponibilidad de equipos de proceso de información de tamaño considerable, como por la transformación de las observaciones a entradas del modelo. La tecnología del Cloud Computing (ARMBRUST, et al., 2009) ofrece soluciones reales para actualizar de manera automática la entrada de variables y su posterior cálculo, con independencia de la complejidad del modelo y de su simultaneidad con otros. Las aplicaciones desarrolladas bajo el paraguas de esta tecnología permiten utilizar los modelos numéricos garantizando que las observaciones están siempre actualizadas a la fecha a la que se realiza la simulación si hay observaciones disponibles posteriores a la fecha de última calibración del modelo. MODELOS NUMERICOS DE BALANCE Para evaluar los recursos disponibles en un acuífero y poder hacer hipótesis acerca de su evolución es necesario evaluar los diferentes términos del balance de agua en el acuífero, incluido el término de la recarga procedente de la lluvia (Figura 1). Para evaluar el balance de agua en el acuífero hemos utilizado el código PROOST (SLOOTEN, et al., 2010). PROOST (Process Oriented Optimization and Simulation Tool) es una plataforma de modelación hidrogeológica, desarrollada en una arquitectura orientada a Objetos, y por tanto es un código de propósito general. El código contempla la simulación de problemas de flujo y transporte reactivo, multifase y multicomponente en acuíferos, así como la estimación automática de parámetros en problemas de optimización. PROOST es un código abierto y desarrollado por el Grupo de Hidrología Subterránea del IDAEA (CSIC) y la UPC. El código PROOST tiene un módulo de cálculo del balance hidrometeorológico que calcula la recarga procedente de la lluvia. Para ello se simulan los procesos de intercepción, escorrentía, balance de agua en el suelo y tránsito de la recarga por la zona no saturada. Por simplicidad, y dado que estamos interesados en conocer los términos del balance global de agua en el acuífero, simularemos éste mediante un modelo agregado (CRAWFORD & LINSLEY, 1966, SAMPER, et al., 1999), también conocido como modelo 0D. En este tipo de modelo se resuelve la ecuacion general de flujo subterráneo integrada para todo el dominio espacial de definición del acuífero, esto es: dh AS Qi Ar dt i

3 donde h [L] es el nivel promedio en el acuífero y es a su vez la variable de estado de la ecuación diferencial, A[L 2 ] es la superficie del acuífero, S[-] es su almacenamiento, t[t] es el tiempo, Q i [L 3 T -1 ] son los términos de transferencia lateral por los contornos del acuífero, incluyendo aquí las aportaciones laterales de aquíferos vecinos, el intercambio río-acuífero, etc, y finalmente r [LT -1 ] es el término fuente/sumidero promedio, el cual engloba los bombeos y extracciones, la recarga artificial, etc. La Figura 1 muestra el modelo conceptual de balance hidrometeeorológico implementado en PROOST. La discretización temporal es de diferencias finitas con paso de tiempo diario. Evapotranspiration River-Aquifer Exchg Interception Box Adjacent Mountains Prescribed Outflows Soil Box RunOff Artifical Recharge Withdrawals Sewage & Water Network Unsaturated Zone Box Irrigation Rain Recharge Aquifer Discharge Aquifer Box Lateral Exchg Adjacent Aquifer Figura 1: Modelo general de balance hidrometeorológico resuelto por PROOST Entre todos los acuíferos que existen en las cuencas internas de Cataluña, se han seleccionado los 15 más importantes respecto a su relevancia como recurso estratégico para el abastecimiento (Figura 2). A partir de algunos modelos numéricos de la Agència Catalana de l Aigua (ACA) y del documento IMPRESS (ACA, 2005) se ha realizado un modelo conceptual de balance para cada unos de los acuíferos seleccionados, y se han implantado en PROOST como modelos 0D. Figura 2: Página principal donde se muestran los acuíferos modelados desde la aplicación El Servei Meteorològic de Catalunya (SMC) dispone de una serie de estaciones meteorológicas en las que se obtienen series temporales (cincominutales o diarias) de

4 variables meteorológicas (precipitación, temperatura, humedad relativa, etc) representativas para cada acuífero. Estas series se van actualizando automáticamente en una base de datos propia del SMC. Asimismo, para cada acuífero se ha determinado un piezómetro promedio representativo de la dinámica general de los niveles del acuífero. Estos piezómetros pertenecen a la red de control de la ACA y miden el nivel piezométrico, almacenando las medidas en una base de datos propia de la ACA. Todas las series temporales seleccionadas son lo suficientemente largas como para que el intervalo temporal de calibración abarque varios años en todos los casos. Para cada acuífero se han calibrado de manera automática los parámetros del modelo 0D (almacenamiento, coeficiente de goteo, permeabilidad vertical del suelo y capacidad de campo) de manera que se reproduzca la historia de niveles piezométricos medidos. Una vez calibrados los modelos éstos se alojan en la web mediante la tecnología de Cloud Computing. HOSPEDAJE ACTIVO DE MODELOS HIDROGEOLÓGICOS El término de Cloud Computing hace referencia, tanto (1) a las aplicaciones desarrolladas para proporcionar su servicio en Internet, conocidas por Software as a Service (SaaS), como (2) al hardware y software de sistemas existentes en grandes centros de datos que proporcionan los servicios antes mencionados utilizando máquinas virtuales que se crean a demanda. El hardware y el software de estos centros de datos se usan a través de internet, de ahí que se denominen servicios en el cloud (porque internet suele representarse gráficamente como una nube ) Hemos desarrollado una aplicación llamada GAC (Global Aquifer Control) en el Cloud que permite a los usuarios el acceso a modelos hidrológicos alojados. El alojamiento del modelo numérico no es estático (como lo sería la publicación de unos resultados en una página de internet) sino que es dinámico ( hospedaje activo ), esto es, con capacidad de cálculo. En este sentido el GAC permite: La interacción con el usuario mediante escenarios preprocesados ( what-if ), siendo estos escenarios independientes de la plataforma numérica que los calcula (PROOST, Transin, Modflow, Feflow, etc.). Esto permite que el usuario final, gestor del acuífero, no tenga por qué ser un experto en el uso de la plataforma numérica de cálculo. Proporciona los resultados de una manera homogénea e independiente de la plataforma numérica utilizada para simular y/o calibrar. Con una frecuencia prefijada el GAC automáticamente actualiza las observaciones del modelo con la información de entrada disponible (series climáticas, series piezométricas, bombeos, etc.). Realiza una simulación para comprobar el ajuste del modelo respecto las últimas medidas y procede si es necesario a la recalibración automática de los parámetros del modelo. La simulación numérica de cada modelo se ejecuta en una máquina virtual exclusivamente dimensionada (capacidad de memoria, número de procesadores ) según las necesidades propias del modelo en términos de tamaño y complejidad. La máquina virtual se destruye una vez ha realizado todos los cálculos (Figura 3). La plataforma del Cloud en la que aloja el

5 GAC (en nuestro caso Windows Azure ), garantiza un acceso a la aplicación desde cualquier emplazamiento y seguro, garantizando una fiabilidad del 99.9%. Esto se traduce en una gran estabilidad de la aplicación, y una velocidad constante tanto de cálculo como de transferencia de datos entre la aplicación y el usuario. Client GAC Application Cloud Download ftp Save observ. to ODM Create Virtual Machine Load Model Execute new Simulation Observations Database ftp-out server ftp-in server Download Results Re-Calibrate model Execute new Simulation Download Results Destroy Virtual Machine Save results to ODM Upload to ftp GAC Service Management ODM Client data Message flow Data flow Figura 3: Esquema de funcionamiento del GAC durante el seguimiento y actualización de los modelos hidrogeológicos alojados en el Cloud. Los modelos se simulan/calibran directamente a través de la aplicación del GAC obteniéndose así mismo los resultados a través de la aplicación. Los resultados se dan, bien como comparación de las series temporales de niveles calculados y observados, o como una serie temporal de la evolución del error de ajuste para todo el periodo de simulación. De igual manera está disponible la evolución de todos los términos del balance que se consideran en el modelo, así como su comparación para un intervalo determinado de tiempo (Figura 4). Figura 4: Página con los resultados del balance de masas del modelo del acuífero aluvial de la cubeta de la Llagosta.

6 Para un determinado intervalo el GAC integra todos los términos del balance que intervienen, mostrándolos de manera conjunta en la misma gráfica. Esta posibilidad permite explorar de manera rápida el papel jugado por cada término del balance en el intervalo de tiempo seleccionado. CONCLUSIONES Hemos desarrollado la aplicación GAC (Global Aquifer Control) como una aplicación SaaS (Software as a Service) basada en tecnología de Cloud Computing. El objetivo del GAC es el alojamiento de modelos numéricos de hidrogeología, independientemente de la plataforma numérica en la que el modelo esté implementado. El acceso a la aplicación se realiza desde el navegador y el uso de la tecnología de Cloud Computing permite el acceso a tantos usuarios como sea necesario sin que ello suponga un detrimento en el tiempo de calculo o la transferencia de resultados. Para cada uno de los 15 acuíferos más importantes de las cuencas internas de Cataluña se ha desarrollado y calibrado en PROOST un modelo numérico de balance 0D, que reproduce la dinámica de niveles del piezómetro de control. Estos modelos se han alojado en el Cloud y su acceso se realiza a través de la aplicación GAC. Ello permite controlar la evolución del recurso disponible en estos acuíferos en tiempo real. El GAC ha demostrado ser una herramienta rápida y eficaz para la gestión integrada de los recursos hídricos, así como un facilitador de la participación pública de los actores que intervienen en su gestión, permitiendo alcanzar uno de los objetivos prioritarios de la Directiva Marco del Agua. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARMBRUST, M.; FOX, A.; GRIFFITH, R.; JOSEPH, A.D.; KATZ, R.; KONWINSKI, R.; LEE, G.; PATTERSON, D.; RABKIN, A.; STOICA, I. Y ZAHARIA,M. (2009). Above the Clouds: A Berkeley View of Cloud Computing. Technical Report No. UCB/EECS , 23 pp AGÈNCIA CATALANA DE L AIGUA (2005). Caracterització de masses d'aigua i anàlisi del risc d'incompliment dels objectius de la directiva marc de l'aigua (2000/60/CE) a Catalunya (conques intra i intercomunitàries) en compliment als articles 5, 6 i 7 de la Directiva. 860 pp. CRAWFORD, N.H. Y LINSLEY,R.S. (1966). Digital Simulation in Hydrology: The Stanford Watershed Model IV. Technical Report No, 39, Department of Civil Engineering, Stanford University, Palo Alto, California. SAMPER, J.; HUGUET, LL.; ARES, J. Y GARCÍA VERA, M.A. (1999). Manual del usuario del programa VISUAL BALAN v.1.0: Código interactivo para la realización de balances hidrológicos y la estimación de la recarga. Publicación Técnica de ENRESA nº 5/99, Madrid. 205 pp SLOOTEN, L.J.; BATLLE, F. Y CARRERA, J. (2010). An XML based problem solving environment for hydrological problems. XVIII International Conference on Water Resources CMWR 2010.