MODELOS PARA LA PLANIFICACIÓN HIDROLÓGICA. Cuenca del Guadalquivir

Transcripción

1 MODELOS PARA LA PLANIFICACIÓN HIDROLÓGICA. Cuenca del Guadalquivir Valencia 28 Noviembre 2007 Dr. Ing. C.C. y P. Agustín Argüelles Martín Jefe de la OPH de la CH del Guadalquivir

2 MODELOS IMPLANTADOS RECURSOS HIDRICOS AMPLIACION SERIE 1942/3-1995/ SERIES OBSERVADAS - CORRELACIONES LINEALES ESTUDIO DE RECURSOS HIDRÁULICOS. SERIE 1942/3-1985/6.MODELO SACRAMENTO RECURSOS HIDRAULICOS- CEDEX - MODELO SIMPA SERIES 1940/1-2005/6 MODELOS IMPLANTADOS ASIGNACION DE RECURSOS. BALANCES SIMULACION DE EMBLASES INDIVIDUALES CON UNA DEMANDA ASOCIADA - FORTRAN IV MODELO GENERAL DE LA CUENCA BALANCES MEDIOS DBASE IV PARCIALES DE SISTEMAS SIMULACIONES DE EXPLOTACION SIM V DE SER:SIM V MODELO GENERAL DE LA CUENCA - SIMWIN AQUATOOL CALIDAD DE LAS AGUAS ESTUDIO DE CALIDAD AGUAS SUPERFICIALES: ESTUDIO DE CALIDAD DE LAS AGUAS SUPERFICIALES EQUAL2 QUAL 2E MODELO DE SALINIDAD DEL ESTUARIO MODELO DECAY MODELO DACAI REGIMENES EXTREMOS. AVENIDAS ESTUDIO DE AVENIDAS HEC1 ESTUDIO DE RESGUARDOS HEC-1 ESTUDIO DE ZONAS INUNDABLES HEC-2 2

3 MODELOS IMPLANTADOS RECURSOS HÍDRICOS Series observadas: correlaciones lineales ( ) Modelo Sacramento ( ) Modelo Simpa ( ) ASIGNACIÓN DE RECURSOS. BALANCES Simulación de Embalses Individuales ( ) Modelo General de la Cuenca Balances Medios ( ) Simulaciones de Sistemas de Explotación SIM-V ( ) Modelo General de la Cuenca SIMWIN (2006 >) AQUATOOL(2007) CALIDAD DE LAS AGUAS Estudio de Calidad de las Aguas Superficiales QUAL2E ( ) Modelo de salinidad del estuario (1991) Modelo de calidad DECAY (2007) REGÍMENES EXTREMOS. AVENIDAS Estudio de Avenidas HEC1 ( ) Estudio de Resguardos HEC-1 ( ) Estudio de Zonas Inundables HEC-2 ( ) 3

4 PANEL PRINCIPAL DE LA APLICACIÓN MMOPH 4

5 RECURSOS HÍDRICOS Series observadas: correlaciones lineales ( ) Modelo Sacramento ( ) Modelo Simpa ( ) 5

6 Modelo Sacramento:Esquema Ciclo Hidrológico Fuente: Recursos Guadalquivir (CHG 1996) 6

7 Esquema Modelo Sacramento 7

8 División n Subcuencas Modelo Sacramento MODELO AGREGADO: DIVISIÓN DE LA CUENCA 8

9 Parámetros Caracterizados Modelo Sacramento por Subcuencas Validez a nivel mensual.puede trabajar a nivel diario a partir de unas estaciones seleccionadas 9

10 Restitución n del Régimen R Real al Régimen R Natural para calibración 10

11 Modelo SIMPA Es un modelo distribuido, masivo, de los componentes básicos b del ciclo hidrológico a escala global de toda España a (LBAE 2000). Reproduce los procesos esenciales de transporte de agua entre las diferentes fases del ciclo. Celdas, en 1ªetapa 1 de 1000x1000 m. Principio de continuidad y escala mensual. Entradas:precipitaciones y temperaturas mensuales. Se calibran los resultados con las series observadas. 11

12 Diagrama de Flujo del Modelo SIMPA Fuente: LA EVALUACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS EN EL LIBRO BLANCO DEL AGUA EN ESPAÑA 12

13 Modelo SIMPA Las entradas al modelo son los datos de las precipitaciones y temperaturas mensuales en las estaciones meteorológicas y los datos de caudales observados en los puntos de simulación o calibración. Los mapas de precipitaciones se han obtenido por interpolación de los registrados en los pluviómetros teniendo en cuenta la orografía. Para el cálculo de la ETP utiliza una combinación de los métodos de Thornwaite y Penman-Monteith, e introduce un coeficiente reductor por la vegetación. Otra información que precisa el modelo son datos sobre la geometría de las subcuencas consideradas, teniendo en cuenta los trabajos de clasificación de ríos (MOP-CEH 1965 y 1966) que han sido digitalizados a partir de los planos del Servicio Geográfico del Ejército. Los parámetros del modelo son los mapas de capacidad máxima de almacenamiento de humedad en el suelo, de capacidad máxima de infiltración y los coeficientes de recesión de los acuíferos 13

14 Ámbito del Modelo SIMPA Mapa de escorrentías medias 14

15 Información n Facilitada por el Modelo SIMPA por Cuadrícula de Cuenca Escorrentía Total, Superficial y Subterránea Precipitación Evapotranspiración Real y Potencial Infiltración 15

16 ASIGNACIÓN DE RECURSOS. BALANCES Simulación de Embalses Individuales ( ) Modelo General de la Cuenca Balances Medios ( ) Simulación de Sistemas de Explotación SIM-V ( ) Modelo General de la Cuenca SIMWIN (2006->) Aquatool (2007) 16

17 Simulación n de Embalses Individuales 17

18 Modelo General de la Cuenca Balances Medios 18

19 Simulación n de Sistemas de Explotación n SIM-V Modelos parciales ABASTECIMIENTO SEVILLA 19

20 Características del Programa SIM-V Se simula CANTIDAD de agua superficial El intervalo de cálculo es MENSUAL Las APORTACIONES y DEMANDAS deben ser conocidas cada mes El sistema físico está formado por ARCOS y NUDOS La estrategia de explotación se impone por BENEFICIOS y COSTES Embalses: Volúmenes máximos y mínimos Arcos: caudal máximo circulante Las entradas (aportaciones, retornos) y salidas (demandas y vertidos) se producen en los nudos El beneficio del agua en los embalses tiene tres valores decrecientes El sistema pierde agua a través de NUDOS de VERTIDOS 20

21 Planteamiento Matemático tico SIM-V Condiciones exigidas 1.- Conservación de la masa: Equilibrio en cada nudo 2.- Limitaciones en embalses 3.- Limitaciones en ríos y conducciones (arcos) 4.- Costes de transporte 5.- Beneficio del agua embalsada 6.- Beneficio de servicio de la demanda atendida Función objetivo F = Beneficio en Embalses Coste de Arcos + Beneficio Demandas Coste de Vertido Método solución - Conversión del sistema en un grafo cerrado con nudos sin capacidad y arcos capacitados con ganancia (los embalses se transforman en tres arcos) - Cada arco se caracteriza por nudo inicial y final, caudal máximo y coste o beneficio unitario - El máximo beneficio de grafo se efectúa mediante técnicas de programación lineal. Para ello en cada uno de los meses simulados se plantean tantas ecuaciones como nudos tiene el sistema 21

22 Modelo General de la Cuenca SIMWIN 22

23 Modelo General de la Cuenca SIMWIN Mes a mes no predictivo > mediana, moda,etc 23

24 AQUATOOL En la situación actual es el modelo de gestión que se está utilizando para los trabajos del Plan Hidrológico de la Demarcación 24

25 AQUATOOL En los embalses se define la capacidad máxima, objetivo y mínima, además de los coeficientes de filtración y evaporación para estimar las pérdidas producidas en el vaso. 25

26 AQUATOOL Las demandas divididas en dos tipos: de riego y de abastecimiento, en Hm3 mensuales, se conectan al sistema por medio de tomas en los nudos o embalses y el volumen no consumido es devuelto al sistema a través de los retornos. 26

27 CALIDAD DE LAS AGUAS Estudio de Calidad de las Aguas Superficiales QUAL2E ( ) Modelo de salinidad del estuario (1991) Modelo de calidad de DECAY (2007) 27

28 Calidad de las Aguas Superficiales QUAL2E ( ) Modelo basado en las leyes de evolución de los elementos degradables en la autodepuración.los modelos de calidad de las aguas superficiales pueden ser de muchos tipos diferentes atendiendo a dos aspectos: El primero es la consideración de los diferentes comportamientos de los cauces a lo largo del tiempo, diferencias que se deducen de la variación en las características de climatología y caudal, asociados con los vertidos y la aportación natural. El otro aspecto es el de las características morfológicas de los cauces; la mayor parte de los modelos de calidad considera geometrías unidimensionales o lineales, aunque existen modelos que emplean morfologías bidimensionales o tridimensionales, para estratificación térmica o fenómenos asociados con diferencias de profundidad. La experiencia demuestra adecuados los modelos de carácter unidimensional y régimen permanente. Aunque el QUAL 2E, presente alguna limitación en la simulación de los transitorios, ofrece ventajas en otros aspectos, como la posibilidad de calibración. La aplicación informática puesta a punto para la explotación del modelo de simulación en la cuenca del Guadalquivir está basada en dicho modelo, desarrollado por EPA de USA, elección apoyada por : Es el programa de simulación de calidad más extendido para cauces con distintos tipos de vertidos, lo cual acredita su fiabilidad y la adecuación de las ecuaciones utilizadas para la : modelización de los fenómenos químicos, físicos y bioquímicos entre los distintos componentes del agua. Este programa se ha utilizado ya en estudios equivalentes y se ha visto su capacidad para el tratamiento de los problemas de calidad de aguas superficiales con los que se enfrentan los organismos de cuencas. Puede simular además de las condiciones de tipo hidráulico, el comportamiento de hasta catorce parámetros de relevancia en la definición de la calidad. Es aplicable a descargas múltiples, y simulación de afluentes, contaminaciones puntual y difusa, y 28 caudales de dilución.

29 QUAL2E En relación con el fundamento teórico : Balance de masas. La ecuación básica es la correspondiente al transporte de masas por advección y dispersión, que se integra numéricamente a lo largo del tiempo para cada componente de la calidad. Esta ecuación incluye los efectos de la advección (transporte), dispersión, dilución, las reacciones e interacciones de los componentes y las fuentes y sumideros. Para un componente cualquiera C, puede escribirse: donde: M = masa x = longitud C = concentración Ax = sección transversal, DL=coef. de dispersión, U = velocidad media S = fuentes y sumideros. 29

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31 Estudio de Calidad de las Aguas Superficiales QUAL2E 31

32 Estudio de Calidad de las Aguas Superficiales QUAL2E 32

33 Modelo de salinidad del Estuario La evolución de cualquier sustancia disuelta en el seno de una masa de agua se modeliza mediante la llamada ecuación general del transporte. Para sustancias muy conservativas el interés se centra en el análisis de la evolución a lo largo de períodos superiores a la duración de un ciclo de marea. Se puede suponer en estos casos que la acción mareal se reduce a un reforzamiento de la dispersión longitudinal y a una traslación periódica de las concentraciones, calculable mediante consideraciones de volúmenes almacenados. Se dispone de distintos modelos con distintas hipótesis de partida. Régimen estacionario Guadal 1. Considera sección transversal constante Coeficiente de dispersión proporcional al cuadrado del recorrido de marea No existen aportes ni extracciones La variable es el Q de agua dulce en cabecera del estuario Las demandas son las de la zona y otros aportes de retornos, etc. son datos. Guadal 3. Permite variar la sección transversal y el coeficiente de dispersión Régimen transitorio Guadal 2 Con condiciones muy restrictivas Guadal 4 Con condiciones menos restrictivas La simulación de una presa de cierre, establecimiento de tomas y retornos en distintos puntos, etc. es posible. Los datos se toman de un estudio del CEDEX. Lenguaje BASIC compilado 33

34 Modelo de salinidad del Estuario 34

35 Modelo de salinidad del Estuario 35

36 Modelo de salinidad del Estuario 36

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38 MODELO de DECAY Modelo basado en el desarrollo Geo-ImPress de la Confederación Hidrográfica del Júcar. Características del Modelo: Realizado con ArcGIS 9 como modelo Modelbuilder. Datos de caudales en régimen natural de partida obtenidos del SIMPA. Paso a caudales circulantes con coberturas de consumos de abastecimiento, regadíos y usos industriales. Base GRID de modelo de direcciones de la cuenca del Guadalquivir realizado a partir de cartografía 1: con tamaño de pixel de 25 m. Modelos en desarrollo en la Cuenca del Guadalquivir. Modelos relativos a presiones puntuales: Vertidos urbanos: Modelos de DBO5 y P total Modelos de presiones difusas. Modelización del exceso de Nitrógeno. Exceso de fitosanitarios Suelos Contaminados 38

39 MODELO de DECAY: aplicación a la DBO5 Información APLICACIÓN de partida: A Datos LA del DBO5 Plan Nacional de Calidad de Aguas (PNCA) completados con vertidos de menos de h-e. Características del Modelo: Ubicación espacial de los vertidos con cargas anuales en estado actual Neto y en escenario según PNCA. Acumulación en la red y paso a concentraciones de DBO5 (mg/l) dividiendo por caudales medios anuales circulantes. Calibración con datos medios de estaciones ICA. Permite evaluar estado de las masas y cuantificar medidas. Vertidos urbanos (DBO5 neta actual) Datos de la Red ICA para la calibración (valores medios DBO5 mg/l) 39 Salida Modelo DECAY (DBO5 Neto actual)

40 MODELO de DECAY: aplicación a la DBO5 Modelo DECAY Estado actual (Tn DBO5) 40

41 MODELO de DECAY: aplicación a la DBO5 VERTIDOS URBANOS Modelo DECAY Escenario año (Tn DBO5) 41

42 REGÍMENES EXTREMOS. AVENIDAS Estudio de Avenidas HEC1 ( ) Estudio de Resguardos HEC-1 ( ) Estudio de Zonas Inundables HEC-2 ( ) 42

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44 Estudio de avenidas El modelo HEC 1 está diseñado para simular la respuesta superficial de avenida en una cuenca a la precipitación representándola como un sistema interconectado de componentes hidrológicos e hidráulicos. Cada componente modeliza un aspecto del proceso de precipitación avenida en una parte de cuenca. Una componente puede representar un término de la avenida, una canalización de corriente o un embalse. La representación de una componente requiere un conjunto de parámetros que especifiquen sus características y las relaciones matemáticas que describen el proceso físico. El resultado del proceso de modelización es el cálculo de los hidrogramas en los puntos requeridos en la cuenca. 44

45 Estudio de Avenidas HEC1 Esquema de Trabajo Coeficientes de simultaneidad. Ajuste Gumbel de diferentes pluviómetros/sqrt 300 puntos 45

46 Estudio de Avenidas HEC1 Esquema de Trabajo 46

47 Estudio de Avenidas HEC1 Nº de Curva 47

48 Estudio de Avenidas HEC1 Relación Puntual - Espacial Hietograma. Relación Intensidad - Duración 48

49 Estudio de Avenidas HEC1 Calibración en la Estación de Aforo 49

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51 Estudio de Avenidas HEC1 51

52 Estudio de resguardos óptimos HEC-1 52

53 Estudio de Resguardos HEC-1 Modelo de Laminación de Embalses: Simulación de la Operación de compuertas en avenidas 53

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56 Estudio de Resguardos HEC-1 56

57 Estudio de Zonas Inundables HEC-2 57

58 CARACTERÍSTICAS DEL PROGRAMA El programa está diseñado para calcular perfiles de lámina de agua para flujo gradualmente variado en régimen estacionario en cauces naturales o artificiales. Los perfiles en flujo subcrítico y supercrítico pueden ser calculados. Los efectos de puentes, azudes, presas, etc. pueden ser considerados en el cálculo. El método de cálculo está basado en la solución de la ecuación unidimensional de la energía con la pérdida debida a la fricción evaluada con la ecuación de Manning. El procedimiento de resolución es el método iterativo standard de pasos. El programa sirve también para la aplicación en la gestión de la llanura de inundación y estudios para evaluar las probabilidades de daños desde el punto de vista de las aseguradoras de riesgos. También para evaluar los efectos de mejora de canales y diques en la lámina de agua. 58

59 CÁLCULO DE LA LLANURA DE INUNDACIÓN PARA DIFERENTES CAUDALES 59

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62 Sistemas de Información Geográfica SISTEMAS DE INFORMACION GEOGRAFICA RECURSOS SUBTERRANEOS REGADIOS USOS EN LA CUENCA NORMAS DE EXPLOTACION DE UNIDADES HIDROGEOLOGICAS INVENTARIO DE TOMAS POR RIOS -SMALL-WORD INVENTARIO DE REGADIOS ARCVIEW INVENTARIO DE REGADIOS ARCMAP INVENTARIO DE USOS EN LA CUENCA PLAN HIDROLOGICO ARCMAP 62

63 Sistemas de Información Geográfica RECURSOS SUBTERRÁNEOS Normas de Explotación de Unidades Hidrogeológicas ( ) USOS DE LA CUENCA Inventario de regadíos 2004 ARCVIEW ( ) Inventario de Tomas por Ríos SMALL-WORLD ( ) Inventario de Usos en la Cuenca Plan Hidrológico ARCMAP (2006->) 63

64 Normas de Explotación n de Unidades Hidrogeológicas gicas 64

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66 Inventario de Regadíos ARCVIEW 66

67 Inventario de Tomas por RíosR 67

68 Inventario de Usos en la Cuenca Plan Hidrológico - ARCMAP 68

69 Inventario de Usos en la Cuenca Plan Hidrológico - ARCMAP Tomas de Abastecimiento 69

70 Inventario de Usos en la Cuenca Plan Hidrológico - ARCMAP Tomas de Usos Industriales 70

71 Inventario de Usos en la Cuenca Plan Hidrológico - ARCMAP Tomas de Regadíos 71