SISTEMA PARA CONTROL DE AVENIDAS EN TIEMPO REAL EN LA CUENCA DEL EBRO

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1 SISTEMA PARA CONTROL DE AVENIDAS EN TIEMPO REAL EN LA CUENCA DEL EBRO Rafael ROMEO GARCÍA Confederación Hidrográfica del Ebro Antonio LINARES SÁEZ Confederación Hidrográfica del Ebro Eduardo GARCÍA SALETE Inclam, S.A. RESUMEN El Sistema de Ayuda para la explotación de embalses de la Cuenca del Ebro está constituido por un conjunto de modelos y herramientas informáticas diseñados para la gestión de avenidas en tiempo real. El Sistema calcula caudales de avenida en un conjunto de cauces de la Cuenca y se alimenta tanto con valores observados como previstos. Permite simular diferentes maniobras de explotación en embalses, de forma que puedan seleccionarse aquéllas que minimicen los efectos perniciosos de las avenidas. El Sistema se alimenta, en tiempo real, con la información suministrada por el SAIH, que tiene sensores repartidos por toda la cuenca; en ellos se mide un conjunto de variables hidrológicas que se envían cada 15 minutos a un equipo central, donde se almacenan y tratan. Dicha información, junto con las previsiones meteorológicas del INM, constituye la entrada de datos básicos del Sistema. Su núcleo central es un modelo hidrológico que calcula los caudales de avenida generados por las subcuencas que conforman la Cuenca, ligado a un modelo hidráulico que transmite los caudales generados por aquéllas a lo largo de los cauces modelizados. Incluye un módulo específico de gestión de embalses, con el que pueden simularse diferentes maniobras de explotación. Se encuentra en funcionamiento -aunque en fase de calibración y pruebas- en la Confederación Hidrográfica del Ebro, desde Octubre de 2002, y se estima esté completamente operativo a finales de INTRODUCCIÓN El Sistema de Modelización para Ayuda a la Explotación de Embalses del Ebro en adelante SAD, o Sistema de Ayuda a la Decisión- comprende un conjunto de modelos y herramientas informáticas que permiten la gestión de avenidas en tiempo real-, y ha sido diseñado específicamente para la Cuenca del Ebro. El Sistema se ha concebido para que sea capaz de prever, con suficiente antelación, los caudales de avenida que puedan producirse a lo largo de los diferentes cauces comprendidos en la Cuenca del Ebro, permitiendo a los Técnicos de Confederación simular las maniobras de explotación -en las infraestructuras de regulación existentes- que reduzcan al máximo posible los efectos perniciosos de dichas avenidas; igualmente, y en casos de fuerza mayor, permite difundir con suficiente antelación las alertas necesarias a los Organismos competentes y a la población afectada. El Sistema de Ayuda se alimenta, en tiempo real, con la información hidrológica suministrada por el Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH), que dispone de un conjunto de sensores repartidos por toda la cuenca del Ebro, en los que se mide periódicamente un conjunto

2 de variables tales como precipitación y temperatura observadas, nivel y caudal de agua en ríos y canales, volumen almacenado y caudal vertido en embalses, etc; el SAIH se encarga de enviar, de manera automática y cada 15 minutos, los valores medidos en cada sensor a un equipo central, donde se procede a su almacenamiento y eventual tratamiento. Dicha información, junto con las previsiones meteorológicas realizadas periódicamente por el Instituto Nacional de Meteorología (INM) en concreto, lluvias y temperaturas previstas a través del modelo HIRLAM- constituyen la fuente de alimentación básica en tiempo real para los procesos de cálculo del Sistema de Ayuda. El núcleo central del Sistema de Ayuda consiste en un modelo hidrológico capaz de calcular los caudales de avenida generados por un conjunto de subcuencas vertientes que, entre todas, conforman la Cuenca del Ebro-, ligado a un modelo hidráulico capaz de calcular la transmisión de los caudales generados a lo largo del conjunto de cauces a modelizar el río Ebro y una serie de afluentes de distinto orden-. El conjunto incluye, junto con los anteriores, un módulo encargado de gestionar los embalses de regulación intercalados en la red hidráulica, de forma que es capaz de considerar, para cada embalse, el volumen almacenado en cada instante así como el caudal vertiente, éste último gestionado de acuerdo con las maniobras de explotación que se estén simulando durante el episodio analizado. El desarrollo del Sistema de Ayuda ha requerido tanto la construcción de los modelos hidrológico/hidráulicos -incluyendo el módulo de gestión de embalses-, como el desarrollo e integración de todo el software necesario para su correcto funcionamiento. La construcción de modelos e integración de gestión de maniobras de embalse requiere la utilización de un gran número de datos de entrada, tales como parámetros de modelización, datos básicos de embalses, curvas de volumen de embalse, de caudales vertidos, etc, que, junto con los datos en tiempo real citados anteriormente, constituyen la fuente de alimentación básica del sistema, si bien aquéllos permanecen fijos a lo largo del tiempo, mientras que éstos últimos varían en función del momento o del período que pretenda modelizarse en un momento dado. De acuerdo con lo indicado, y en síntesis, el SAD ha comprendido las siguientes actividades: 1.1 CONSTRUCCIÓN DE MODELOS El Sistema gestiona modelos de diferente tipo, cuya construcción y puesta a punto ha sido una de las primeras tareas a desarrollar. Los principales pertenecen a las siguientes categorías: Modelos hidrológicos, que se encargan de calcular los caudales generados por un conjunto de subcuencas que, entre todas, abarcan la Cuenca completa. Como en la Cuenca conviven territorios con regímenes hidrológicos muy dispares, desde aquellos que presentan un clima de alta montaña -con frecuentes nevadas- hasta otros que alcanzan un clima semidesértico, el territorio de la Cuenca se ha distribuido en dos zonas distintas, según la cantidad de agua que sea capaz de retener en forma de nieve. En la mayor parte de la Cuenca, en que la retención nival es escasa, se ha utilizado un modelo de transformación lluvia/escorrentía, mientras que en la zona de alta montaña -cuencas pirenáicas de cabecera- se ha preferido un modelo hidrológico de fusión. Los dos modelos seleccionados han sido los siguientes: Precipitación/escorrentía: En esta categoría se ha escogido el modelo NAM, abreviatura de Nedbør Afstrømnings Model, desarrollado por el Departamento de Hidrodinámica de la Universidad Técnica de Dinamarca y puesto a punto por el Danish Hydraulic Institute. Se encarga de modelizar la fase terrestre del proceso de transformación lluvia en escorrentía, calculando diferentes componentes del proceso mencionado -de forma continua-, evaluando el contenido de agua en cuatro depósitos de almacenamiento interrelacionados entre sí. Conceptualmente se engloba dentro de la categoría de modelos determinísticos de tipo agregado.

3 Fusión: En las cuencas pirenáicas de cabecera, en que la retención en forma de nieve puede durar hasta 5 ó 6 meses, se ha preferido utilizar el modelo ASTER, desarrollado por la DGOH del Ministerio de Medio Ambiente en colaboración con la empresa consultora Ingeniería 75 y dentro del programa ERHIN; está basado en el modelo CEQUEAU, del Institut National de la Recherche Scientifique de Canadá y ya ha sido utilizado en otros trabajos, y con buenos resultados, por la Confederación Hidrográfica del Ebro. Al igual que el anterior, modeliza la fase terrestre del proceso de transformación lluvia en escorrentía, pero incluyendo un nuevo depósito de almacenamiento de agua en forma de nieve. También efectúa el cálculo de manera continua y conceptualmente se engloba dentro de la categoría de modelos determinísticos, en este caso de tipo cuasi distribuido. Modelo de propagación, que se encarga de transmitir hidráulicamente a lo largo de los distintos cauces considerados-, los caudales generados por las subcuencas modelizadas mediante los modelos hidrológicos citados anteriormente. El modelo seleccionado en este caso ha sido MIKE11, desarrollado por el Danish Hydraulic Institute y que es capaz de resolver, para un conjunto de ríos interconectados entre sí -y de manera implícita-, un conjunto de ecuaciones diferenciales planteadas en función del flujo hidráulico en régimen variable- circulante por los mismos. Los cauces considerados se han modelizado mediante un conjunto de perfiles transversales. Modelo de gestión de embalses, que se encarga de simular, en conjunción con los anteriores, diferentes maniobras de explotación en los embalses asociados a los ríos modelizados hidráulicamente. Las maniobras de explotación en un embalse se definen en función de los caudales que pretenden verterse por el embalse a lo largo del período de predicción a simular. Para ello, el modelo escogido ha sido el módulo de regulación de estructuras del que está provisto el programa MIKE11 -ya mencionado-, aunque en este caso ha sido necesario modificar el programa original para adaptarlo a las necesidades planteadas por Confederación, tal y como se indica más adelante. Para ello ha sido necesario contar con la colaboración del Danish Hydraulic Institute, que ha tenido que modificar el código de sus programas fuente. Modelo de predicción, que permite distinguir, en una determinada simulación, dos períodos de tiempo diferenciados y consecutivos; el primero de ellos, ya transcurrido en el momento de la simulación y en el que se dispone de datos observados y el segundo, aún no acaecido, en el que se estiman los datos de partida básicamente, precipitación y temperatura-. En este caso, el modelo utilizado ha sido el módulo de predicción de que también está provisto MIKE DESARROLLO O ADAPTACIÓN DE SOFTWARE El software involucrado en el SAD puede desglosarse de la siguiente forma: Interfaz SAIH-SAD y SAD-SAIH: Comprende el software necesario para trasladar la información disponible en tiempo real capturada por SAIH al sistema SAD, así como los resultados generados por SAD que interese visualizar a través de SAIH. En el primer caso, se traslada la información hidrológica capturada por los sensores distribuidos por toda la cuenca convenientemente transformada para su utilización por SAD- y en el segundo, los niveles y caudales previstos en determinados puntos por SAD que interese conocer a todos los usuarios de SAIH. Comunicación con los servicios meteorológicos: Comprende el establecimiento de mecanismos que permitan a SAD capturar en tiempo real la información generada por el INM que le resulte de interés. A este efecto, se ha establecido un convenio entre el INM y la Dirección General de Obras Hidráulicas por la que aquél suministra a las diferentes Confederaciones Hidrográficas información diversa. En lo que concierne a la Confederación Hidrográfica del Ebro y, entre otras cosas, el INM envía, cada seis horas, la última previsión

4 alfanumérica de precipitaciones y temperaturas horarias, calculada por el modelo HIRLAM en el ámbito de actuación de la Confederación. Base de datos de sucesos históricos y manejo de la misma: Comprende el desarrollo de una aplicación informática capaz de manejar una base de datos en la que se incluye un conjunto de sucesos históricos hidrológicos. Dicha base resulta ser uno de los pilares en los que se basa el generador de predicciones, del que se habla seguidamente. Generador de predicciones: Aplicación informática que permite generar predicciones de lluvias y temperaturas a utilizar por SAD, basadas en las propias predicciones meteorológicas generadas por el INM y en la información complementaria de sucesos históricos almacenada en la base ya citada. El personal adscrito al SAD, en un momento dado, puede ejecutar diferentes pasadas de simulación utilizando distintas previsiones meteorológicas, bien las generadas por el INM, bien cualesquiera otras que pudieran obtenerse a través del generador de predicciones; de esta forma, pueden combinarse diferentes maniobras de explotación en embalses con distintas previsiones meteorológicas, analizando los efectos de cada una según cuál sea la predicción utilizada. Generador de maniobras de explotación: Aplicación informática que permite modificar las maniobras de explotación a efectuar en cada uno de los embalses simulados mayor o menor apertura de compuertas en cualquier momento de la simulación-, de forma que puedan compararse los efectos derivados de tales maniobras en los cauces situados aguas abajo. Simulador del sistema: Constituye el núcleo central del sistema y comprende el desarrollo del software necesario para efectuar diversas pasadas de simulación. Incluye -por motivos prácticos- el generador de maniobras de explotación, citado anteriormente; de él se hablará con más detalle en siguientes apartados. 2 DESCRIPCIÓN DEL MODELO CONSTRUIDO El modelo construido, del que se adjunta esquema, comprende la superficie total de la Cuenca del Ebro, así como la del Garona en territorio español. Los aproximadamente km 2 que comprenden, se han dividido en 254 subcuencas modelizadas mediante NAM, y otras 29 mediante ASTER. Entre las subcuencas modelizadas mediante ASTER se encuentran la cabecera del río Aragón hasta el embalse de Yesa-, la del Gállego hasta Búbal-, las de los ríos Ara y Cinca, las del Noguera Ribagorzana, Flamisell, Noguera Pallaresa, Valira y Segre y, finalmente, todo el Garona español. Los cauces, modelizados mediante perfiles transversales, totalizan unos 4500 km de longitud. Entre los cauces modelizados se incluye la práctica totalidad de los ríos más importantes de la Cuenca: Ebro, Aragón, Segre/Cinca, Gállego, Jalón, Nela, Zadorra, Ega, Najerilla, Huerva, Martín, Aguas Vivas, Matarraña, y afluentes: Araquil, Arga, Piedra, Ara, Ésera, Nogueras, El modelo se alimenta, en tiempo real, con datos observados durante el período inicial y con datos previstos durante el período de predicción. Con respecto al período inicial, se dispone de unos 160 sensores, repartidos por toda la Cuenca, en los que se mide la precipitación acumulada cada 15 minutos. Los valores de precipitación en cada subcuenca se calculan con idéntica periodicidad, y por métodos informáticos, en función de los valores observados en los sensores. En la zona pirenáica se dispone de 23 sensores termométricos número que está previsto aumentar en el futuro- que permiten un cálculo similar con respecto a la variable temperatura.

5 Figura 1. Modelo general Con respecto al período de predicción, y tal como se encuentra actualmente el modelo HIRLAM, éste da el valor de la precipitación y temperatura horarias previstas, durante un período de hasta 48 horas de duración, en un conjunto de puntos distribuidos en forma de malla. La rejilla actual es de medio grado terrestre de precisión, lo que da lugar a unos 120 puntos relacionados con la Cuenca del Ebro (el INM prevé disminuir próximamente el paso a la mitad). El cálculo de precipitación y temperatura, en cada subcuenca, se realiza durante este período de una forma similar al del anterior. El modelo incluye la gestión interrelacionada de 41 embalses, en los que pueden simularse diferentes maniobras de explotación y analiza los efectos que dichas maniobras conllevan en los caudales circulantes por los cauces. Como es natural, están incluidos los principales embalses de la Cuenca, tanto en explotación como próximos a poner en funcionamiento: Ebro, Yesa, Mequinenza, El Grado, Mediano, etc, entre los primeros, Itoiz entre los segundos. La gestión de un embalse se determina a través de los caudales vertidos a lo largo del período de predicción, puesto que durante el período con datos observados deben imponerse los caudales efectivamente vertidos. Como caso particular, deben comprobarse las maniobras de explotación necesarias para evacuar una determinada avenida en un embalse, siguiendo los procedimientos establecidos por la Confederación Hidrográfica del Ebro y que quedan reflejados en las Normas de Explotación del correspondiente embalse. La Confederación se ha decantado por utilizar una variante del método Dordogne para redactar dichas Normas -tal y como se detalla en otra Ponencia de este Congreso-, por lo que huelga insistir en la presente sobre dicho método. Teniendo en cuenta lo indicado anteriormente, el modelo de gestión de embalses trabaja de la siguiente forma:

6 Figura 2. Gestión de embalses En primer lugar comprueba la fecha correspondiente al período de simulación y la compara con la de construcción de un determinado embalse (la correspondiente al inicio del primer llenado); en caso de ser anterior no considera la existencia del embalse y simula utilizando la ecuación de momentos o de cantidad de movimiento. A continuación comprueba si, durante el período con datos observados, se han transmitido los datos de caudales vertidos por el embalse; en caso afirmativo, se imponen los caudales observados. Inmediatamente después, y para el período con datos previstos, comprueba si el usuario del Sistema ha introducido caudales demandados a lo largo del mismo; en caso afirmativo se imponen los caudales demandados. Por último, y en caso de que no se haya cumplido ninguno de los condicionantes anteriores, se calculan los caudales vertidos utilizando una variante del método Dordogne 1. Por último, el modelo de predicción se encarga de distinguir entre los dos períodos en que se divide una simulación, efectuando las transformaciones necesarias. En lo referente a los 41 embalses modelizados, y durante el período con datos observados, en caso de que el sensor de nivel de un determinado embalse haya enviado la información correspondiente, hace caso omiso de la ecuación de continuidad y sustituye el nivel de embalse calculado por el nivel de embalse observado. En lo referente al conjunto de estaciones de aforo sensorizadas, el modelo es capaz de analizar las discrepancias observadas -durante el período con datos observados- entre caudales simulados y observados, calculando la magnitud de los errores observados. En base al cálculo, además de sustituir -durante el período con datos observados- los valores simulados por los observados, se encarga de modificar los resultados obtenidos durante el período de predicción-, utilizando las variaciones detectadas durante el período previo. 3 DESCRIPCIÓN DEL SIMULADOR PRINCIPAL DEL SISTEMA El simulador principal del sistema ha sido concebido específicamente para el Sistema de Ayuda a la Decisión del SAIH del Ebro. Está compuesto por un conjunto de rutinas incluidas en Flood Watch, herramienta informática desarrollada por el DHI, a la que se le han añadido otra serie de rutinas diseñadas específicamente para el presente Sistema. El control del conjunto se efectúa a 1 Descrita en la Ponencia Definición de maniobras de las presas del Ebro en avenidas mediante el SAIH

7 través de una base de datos propia, que se encarga de transmitir la información principal entre unos módulos y otros. Figura 3. Diagrama funcional del simulador principal En el gráfico anterior se incluye un diagrama funcional con los elementos principales del simulador. Su diseño viene condicionado por la posibilidad de simular y poder comparar- los resultados obtenidos manejando diferentes maniobras de explotación en embalses, combinadas con predicciones meteorológicas distintas. Desde ese punto de vista, el denominado Gestor de hipótesis se alza como la pieza fundamental del simulador. Por otra parte, la inclusión de dicho módulo lleva aparejada la del Gestor de sesiones de trabajo, encargado de controlar los conjuntos de hipótesis que pueden compararse entre sí. Se considera como sesión de trabajo un conjunto de actividades, realizadas a través del simulador, que permiten simular y comparar diferentes modelizaciones de la cuenca, cada una de las cuales correspondiente a unas determinadas maniobras de explotación; todas ellas ligadas a dos períodos de tiempo consecutivos y prefijados al inicio de la sesión. El primer período, o de observación, finaliza en el TOF (time of forecast) y fija este último en función del último intervalo con datos observados en los sensores SAIH- en el instante inicial en que se da de alta la sesión. El instante inicial debe preceder al TOF en, al menos, el período de calentamiento establecido mediante el módulo de configuración SAD, y es necesario que se encuentre comprendido entre el instante de inicio de la sesión de trabajo anterior y su correspondiente TOF (como se ha indicado anteriormente, los modelos hidrológicos trabajan en continuo, es decir, deben conservar entre simulaciones- los estados de humedad de todos los depósitos encargados de simular la fase terrestre del ciclo hidrológico, incluido el almacenamiento en forma de nieve. Por otra parte, también es necesario transmitir entre simulaciones- los niveles y caudales circulantes calculados -con datos meteorológicos reales- en todas las secciones involucradas en el cálculo. De esta forma, no es necesario un período de calentamiento muy elevado, ya que en cada sesión de simulación no hace falta trasladar la onda de avenida desde la cabecera de la Cuenca hasta desembocadura, puesto que ya viene trasladada desde sesiones previas. La duración del período de calentamiento viene condicionada, en realidad, por la necesidad de entrenamiento del modelo a la hora de evaluar las funciones de transformación de errores en estaciones de aforo).

8 El segundo período, o de predicción, comienza en el TOF y debe terminar, como muy tarde, al final del período correspondiente a la predicción más moderna disponible en el instante en que se declara la sesión de trabajo. Una sesión de trabajo lleva aparejada la asociación de hasta tres predicciones diferentes que cubran todo el periodo de predicción, aún cuando basta una sola para dar de alta y trabajar con aquélla. La asociación de las dos predicciones adicionales puede realizarse en cualquier instante de la sesión. Una vez declaradas y cargadas, todas ellas pueden utilizarse indistintamente en cualquier hipótesis a simular. Los módulos de carga de datos observados y de predicciones se encargan de capturar todos los datos necesarios para empezar a ejecutar los modelos descritos en 1.1. En concreto, trasladan la información contenida en la base de datos SAIH relativa al período con datos observados precipitación, temperatura, niveles y caudales observados en estaciones de aforo, niveles de embalse, caudales vertidos, etc- y también los de la base de datos de predicciones, cargando la información correspondiente a cada una de las predicciones declaradas en la sesión. Una vez cargados los datos básicos, se está en disposición de ejecutar los modelos hidrológicos NAM y ASTER-, una vez para el período con datos observados y tantas otras veces, para el período de predicción, como predicciones se hayan declarado. El gestor de hipótesis permite dar de alta -dentro de la sesión de trabajo activa-diferentes hipótesis de modelización, así como introducir los datos que caracterizan cada una de las hipótesis. Los datos de una determinada hipótesis comprenden tanto las maniobras de explotación correspondientes a cada uno de los embalses como la selección de la predicción con que va a simularse. La primera hipótesis asociada a cada sesión puede realizarse, bien simulando todos los embalses en función de las Reglas establecidas en su correspondiente Norma de Explotación, bien prolongando las maniobras seleccionadas en la sesión de trabajo precedente (cuando esto último sea posible). El resto de hipótesis puede confeccionarse en base a la información transmitida desde otra hipótesis previa, tal y como se muestra en el gráfico adjunto. En él puede verse la pantalla de definición de maniobras de explotación correspondientes a un embalse dado, asociadas siempre al período con datos previstos. La introducción o modificación de datos se efectúa mediante ratón. Una vez definidos los datos de una determinada hipótesis, ésta puede modelizarse mediante MIKE11. Ello supone la ejecución conjunta del modelo hidráulico de propagación, el de gestión de embalses y el de predicción. Tras la ejecución de MIKE11, el simulador presenta los resultados obtenidos, tanto en forma de mapa como de gráficos. En el mapa de la Cuenca, todos los elementos modelizados tramos de ríos, embalses, estaciones de aforo- se colorean en función de los valores calculados, comparándolos con unos valores patrón previamente establecidos con colores verde, amarillo o rojo, según que permanezcan por debajo o superen determinados valores umbral-. También es posible visualizar gráficos de evolución temporal a lo largo de la simulación-, en el que se representan diferentes variables niveles de embalse, caudales circulantes, etc- correspondientes a la última y otras posibles simulaciones previas.

9 Figura 4. Definición de maniobras de explotación en un embalse Tras la visualización de resultados de una hipótesis determinada, el sistema permite, bien la preparación de datos de una nueva hipótesis, bien que el usuario seleccione cualquier hipótesis ya simulada y la eleve a la categoría de definitiva, asociada siempre a la sesión de trabajo correspondiente. En ese momento, es posible enviar los resultados de la hipótesis seleccionada al sistema SAIH, para que éste muestre los resultados en cualquier equipo conectado a la red interna de la Confederación, así como transmitir las maniobras de explotación de la hipótesis en cuestión a los diferentes encargados de presa, para que éstos las puedan ejecutar.