IMPLANTACIÓN DE MODELOS DE PREVISIÓN BASADOS EN EDIMACHI. INFORMACIÓN BÁSICA, COBERTURA Y LÍNEA ACTUAL.

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1 IMPLANTACIÓN DE MODELOS DE PREVISIÓN BASADOS EN EDIMACHI. INFORMACIÓN BÁSICA, COBERTURA Y LÍNEA ACTUAL. Angel Luis Aldana Valverde 1 1 Centro de Estudios Hidrográficos. CEDEX- Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas. Ministerio de Fomento. Paseo Bajo Virgen del Puerto nº MADRID. Angel.L.Aldana@cedex.es web: Resumen El entorno de desarrollo y utilización de modelos hidrológicos EDIMACHI está siendo utilizado en la generación de las aplicaciones de previsión de crecidas y operación de embalses en tiempo real. Estas aplicaciones están en uso en la mayoría de los SAIH operativos en nuestro país (Guadalquivir, Tajo, Segura y Júcar), estando previsto que sean también empleados en los SAIH que actualmente están en proyecto o construcción (Guadiana, Duero y Norte). La selección de los métodos de cálculo ha estado condicionada por la información necesaria para la caracterización de los modelos, teniendo en cuenta las necesidades operativas de estos modelos y la extensión de los trabajos. Aunque se continúa con las actividades encaminadas a la mejora de los modelos actuales, aumentando el número de casos en los que puedan ser utilizados, buena parte de los esfuerzos de desarrollo se centran ahora en el objetivo de incorporar fuentes de información tales como las estimaciones de precipitaciones basadas en radares meteorológicos (objetivo ya alcanzado), los resultados de modelos numéricos de predicción meteorológica, así como en integrar datos procedentes de normas de explotación de embalses, planes de emergencias o mapas de riesgos. Estos objetivos serán prioritarios en la siguiente fase de implantación de los modelos desarrollados por el CEDEX, aunque también se trabaja con la intención de que los resultados de estos modelos puedan a su vez ser integrados en otros sistemas. Palabras clave Previsión hidrológica, operación de embalses, autocalibración de parámetros, predicción meteorológica, bases de datos. 1

2 1. INTRODUCCIÓN En esta comunicación se exponen los aspectos más significativos de los trabajos relacionados con el desarrollo y aplicación de modelos de previsión de crecidas y operación de embalses en tiempo real, llevados a cabo por el CEDEX. Se resumen los antecedentes y los atributos más significativos de los trabajos más recientes, así como se anuncian las que hoy se suponen van a ser las líneas de trabajo futura, algunas de las cuales ya están en fase de desarrollo. 2. ANTECEDENTES Inicialmente, se desarrollaron un conjunto de modelos dirigidos a resolver los problemas más comunes con los SAIH entonces existentes, lo que dio lugar a lo que se denominó la biblioteca de programas de operación SAIH (BPOSAIH), formada en esta primera fase por las aplicaciones SAIH, PLU, CREM y CRAF. Estas aplicaciones ya llegaron a fase de aplicación en casos reales (A. L. Aldana, F. Estrada, R. Espinosa, A. Merchán; 1996) y de su empleo se consolidaron algunas bases para los siguientes desarrollos. La que podría denominarse segunda fase en la evolución de este tipo de herramientas, se generó a partir de la elaboración de una tesis doctoral (A. L. Aldana; 1998), y su núcleo (IMACHI) y estructura sentaron las bases de la tercera fase: EDIMACHI.- el entorno de desarrollo y aplicación de IMACHI PLU Los objetivos de esta aplicación son disponer de una representación espacial de la evolución temporal de una tormenta sobre la cuenca hidrográfica y estimar los hietogramas de precipitación areal en una serie de subcuencas previamente seleccionadas. Para lograr estos objetivos, la aplicación parte de la información captada por la red pluviométrica del SAIH y a partir de ella realiza una interpolación que permite generar la malla de precipitaciones en la cuenca y representar gráficamente las correspondientes isoyetas. 2

3 Ilustración 1: Pantalla con mallas de cálculo de precipitaciones con PLU El cálculo puede realizarse para diversos intervalos de tiempo, lo que permite conocer la evolución temporal de la tormenta en la cuenca. También realiza el cálculo de las precipitaciones areales en aquellas subcuencas cuyos límites se hayan definido previamente. Para ello se integran las mallas de precipitación correspondientes a los diversos intervalos considerados, obteniendo los hietogramas resultantes en cada una de las subcuencas y su representación gráfica CRAF El principal objetivo de la aplicación CRAF es realizar predicciones de hidrogramas en situaciones de crecida en tramos de la red fluvial donde existan estaciones de aforo. Utiliza como información básica los datos de nivel y la curva de gasto en la estación de aforos o directamente los caudales que circulan por ella, y como importante información adicional, en caso de disponer de ella, el hietograma de precipitación areal estimado en la cuenca vertiente a la estación, que ha podido ser calculado por la aplicación PLU. Puede operar indistintamente en conexión con el sistema de adquisición de datos en tiempo real o mediante la introducción manual de los datos básicos, ofreciendo en este caso una vía para realizar previsiones sin datos de precipitación. 3

4 Partiendo de los datos de caudales hasta el instante de la predicción, la aplicación realiza una previsión del hidrograma futuro por métodos hidrológicos, los cuales requieren el conocimiento del hidrograma unitario característico de la cuenca. Previamente se habrá realizado un análisis de los datos pasados. Ilustración 2: Presentación de hietogramas con PLU 2.3. CREM El principal objetivo del modelo CREM es facilitar la toma de decisiones en la operación de los órganos de desagüe de un embalse en situación de crecida. Las finalidades que cumple están íntimamente relacionadas con las fases de su utilización, que pueden resumirse en dos: previsión de caudales entrantes al embalse y búsqueda de gestiones óptimas de los órganos de desagüe. La fase de previsión, análoga a la correspondiente a CRAF, puede igualmente subdividirse en dos: la de análisis del episodio pasado y la del cálculo de caudales futuros. La búsqueda de la solución óptima se realiza en función de los objetivos de explotación: caudal máximo de salida, máximo nivel de embalse alcanzable durante la crecida y volumen mínimo que se desea mantener al final de la operación. La importancia relativa de cada objetivo puede ser ponderada por el usuario. 4

5 Ilustración 3: Pantalla de previsión de hidrograma en estación de aforos de la aplicación CRAF Ilustración 4: Pantalla de operación de embalse de la aplicación CREM 2.4. IMACHI.- Interfase modular de análisis y cálculo hidrológico En diferentes casos de empleo de modelos hidrológicos, resulta recomendable contar con una organización de datos y aplicaciones que faciliten el empleo de los 5

6 mismos, ordenando y clasificando la información, y permitiendo el empleo de múltiples herramientas especializadas en cada tipo de subproblema. Tal es el caso de la aplicación de modelos hidrológicos en la previsión de crecidas en tiempo real, lo que, en nuestro país, puede hacerse en conexión con los sistemas automáticos de información hidrológica (SAIH). Para facilitar el uso de las diferentes aplicaciones informáticas que se incluyan en el sistema total, resolviendo, entre otros, los problemas de intercambios de información, resulta aconsejable (Bouvier y Delclaux; 1996) el empleo de un programa especial que sirva de conexión entre el resto de aplicaciones y el usuario. De este planteamiento surgió la idea de IMACHI (la interfase modular de análisis y cálculo hidrológico), que lleva asociada una arquitectura modular de aplicaciones. La arquitectura modular anular de IMACHI se fundamenta en una clasificación de los dos tipos de información que se tratan: de episodio (información de variables temporales asociadas a un determinado evento de crecida) y de elementos (descripción física del sistema a modelar). La idea de estructurar el sistema completo de ayuda a la decisión, partiendo en su base de esta separación de los dos tipos de información, es compartida por otros autores (Wolf-Schumann y Vailant; 1996), y es casi impuesta por una razón de hecho: existen en el mercado soluciones especializadas en cada uno de los dos tipos de información, a la vez que igualmente separadas se encuentran habitualmente las metodologías asociadas a los respectivos problemas de análisis. La información así clasificada se encuentra en su forma más bruta en el núcleo central de la arquitectura, evolucionando hacia el exterior del sistema hacia conceptos más elaborados, siendo tratada con módulos especializados en cada tipo de información o subproblema. La información temporal será tratada por aplicaciones específicas de validación y relleno, y por modelos, que la analizarán conjuntamente con la información descriptiva del sistema hidrológico. Las aplicaciones especializadas en el tratamiento de este último tipo de información son los SIG (sistemas de información geográfica), por lo que se les dio cabida en esta arquitectura. La utilidad de una interfase como ésta ha sido puesta de manifiesto en otros trabajos, pues facilitan enormemente la labor del usuario, que puede concentrarse 6

7 en su labor específica sin tener que ocuparse de laboriosas tareas de intercambios de información. Ilustración 5: Esquema de la arquitectura de IMACHI 3. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL ENTORNO EDIMACHI Sobre la base de la arquitectura IMACHI, y continuando con el axioma de la necesidad de alguna interfase, se desarrolló el entorno de desarrollo y aplicación de modelos de previsión y gestión de embalses EDIMACHI (A. L. Aldana y A García; 2002). La arquitectura del entorno de desarrollo sigue en su estructuración de código los mismos principios de la arquitectura IMACHI, a la vez que va dando lugar a aplicaciones que desempeñan el papel de módulos. En su centro se sitúan módulos especializados en los dos tipos de información básica (variables temporales y datos descriptivos). Alrededor de los módulos básicos se han superpuesto una serie de herramientas o modelos en varias capas, cada uno de ellos especializado en un determinado tipo de información o un tipo de problema, siguiendo una estructura anular en la que las capas más externas operan con conceptos más próximos a los hidrológicos, teniendo las internas un carácter más básico que sirva de base a las anteriores, que se entenderán de nivel superior (más alejadas de problemas básicos de programación o cálculo). 7

8 Con este entorno, la forma de representación del sistema hidrológico está abierta a ampliaciones, y el código de programación a emplear es comprensible al modelador, pues se basa en sus conceptos. Todo ello gracias a que se ha seguido una metodología de programación orientada a objeto, en la que cada tipo de entidad cuenta con una implementación en forma de clase. Por tanto, las ampliaciones se pueden realizar fácilmente: aumentando el número de atributos de las entidades de representación, definiendo nuevos métodos que definan otros modos de comportamiento, o, siguiendo una estructura jerárquica, definiendo adaptaciones singulares apropiadas para casos concretos, es decir, como subclases en terminología de programación orientada a objetos. También existe siempre la posibilidad de aumentar el número de clases básicas. Ilustración 6: Esquema del entorno EDIMACHI Puede entenderse el entorno de desarrollo dividido en dos subentornos, que realmente se encuentran fundidos gracias a las características del lenguaje de programación adoptado: Subentorno básico: Consistente en los desarrollos de módulos, clases o utilidades básicas de más bajo nivel, como pudieran ser la representación de gráficos o mapas, y que puede ser extendido hasta la generación de las clases básicas de tipo hidrológico. 8

9 Subentorno de aplicación: El programador, que puede ser ahora un modelador con una formación básica en informática, cuenta con unas utilidades y unas clases básicas que puede emplear para generar aplicaciones de usuario final Características informáticas El entorno de desarrollo EDIMACHI se ha programado con el lenguaje Visual Basic v6.0 (Microsoft; 1998) siguiendo una metodología de modelo de objetos componentes (COM.- component object model). Según esta metodología de programación, un sistema informático se crea con módulos, cada uno de los cuales actúa como servidor, realizando determinado tipo de operaciones que pueden ser usadas por los otros módulos, y como librería de desarrollo, en el sentido de que pone a disposición del desarrollador informático utilidades que pueden ser usadas en tiempo de ejecución por el módulo que cree. Uno de estos módulos puede ser también una aplicación de usuario Estructura de la información y formatos de almacenamiento La información de la que dependen los modelos desarrollados con EDIMACHI se clasifica según: Información descriptiva: atributos y parámetros de cada una de las entidades con las que se opera. Información temporal: que, fundamentalmente, está constituida por variables recogidas por los SAIH, y, opcionalmente, puede ser ampliada con estimaciones de precipitación (basadas en radar, por ejemplo) o con previsiones meteorológicas (línea de trabajo actualmente en desarrollo). La información descriptiva está constituida básicamente por: Nombre, descripción y situación geográfica de cada uno de los elementos que definen el esquema topológico del sistema hidrológico a tratar, distinguiéndose entre embalses, estaciones de aforos, subcuencas (áreas receptoras de lluvia) y nodos (como puedan ser las confluencias), así como las conexiones entre ellos, que pueden ser tratados como tramos de transporte de la red hidrográfica. 9

10 Información complementaria de cada una de las entidades de representación anteriores, como puedan ser las curvas de gasto en estaciones de aforo, curvas de volumen y de desagüe de embalses, divisorias de cuenca y subcuencas, etc. Valores de parámetros de modelación por defecto, los cuales en su mayoría serán los valores iniciales a partir de los cuales buscar una solución que optimice la simulación. Atendiendo a lo anterior, la información se almacena en archivos de texto, modificables por tanto desde un editor, en su mayoría auto-explicativos, lo que facilita su manipulación desde fuera de la aplicación. Las mismas características comparten los archivos que contienen los resultados de cálculo realizados con aplicaciones generadas con este entorno. También la configuración de directorios en los que situar los archivos se almacena en otro de tipo texto Sistemas operativos, controles y librerías específicas de programación Se ha buscado la máxima compatibilidad del entorno desarrollado con los estándares de los sistemas operativos de Microsoft, con lo que es previsible un mínimo de dificultades al instalar y ejecutar la aplicación en diversos sistemas. De acuerdo a las pruebas realizadas, hasta el momento no se han encontrado problemas en los sistemas operativos 95, 98, NT 4.0, 2000 y XP. Los controles y librerías específicas de programación, por otra parte muy reducidas en número, se sitúan en el directorio de la aplicación, pues se entiende que esta práctica es la aconsejable ya que serán usadas únicamente por ella. 4. APLICACIONES DESARROLLADAS. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS GENERALES Los desarrollos se basan en un módulo central (EDIMACHI-CEnP), que concentra diversas responsabilidades que serán descritas posteriormente (ver comunicación Módulo central EDIMACHI-CEnP. Incorporación de estimaciones de precipitaciones basadas en radares meteorológicos ), y otros periféricos, generalmente destinados para operaciones de previsión y operación de embalses, especializados cada uno de ellos en un tipo de problema o técnica de modelación. Una de estas aplicaciones es 10

11 el módulo EDIMACHI-SIPROP que será descrito en este mismo documento (ver comunicación Módulo EDIMACHI-SIPROP (SImulación, PRevisión Y OPeración de embalses). Fundamentos y casos de aplicación ). El primero de estos módulos concebidos acorde a esta solución fue la aplicación PROC-Segura (A. L. Aldana; 2002), específicamente desarrollado para el tramo Contraparada-Guardamar del río Segura. En principio, cabe plantearse un esquema de operación en tiempo real en el que se diferencian las siguientes fases: Consulta de datos SAIH Análisis básicos de los datos SAIH Simulación de datos pasados Previsión Operación de embalses En la primera fase el usuario consultará los datos procedentes del SAIH específicos para la aplicación (niveles y caudales de salida en embalses, niveles y, opcionalmente, caudales en estaciones de aforo, y precipitaciones en pluviómetros), u otros que le permitan tener una idea más global del evento de crecidas, no teniéndose que limitar la visión de cuanto ocurra a la zona que se analice con estas aplicaciones. Pueden realizarse algunos análisis básicos de cálculos de caudales o volúmenes, en algunos casos con métodos alternativos, así como tratamientos de preproceso de variables como rellenos y filtrados o análisis de coherencia. En este último paso, el usuario puede llegar a comprender lo que está sucediendo, aunque puede aún ser necesario el uso de modelos, cuya simulación del fenómeno observado contribuya a un mejor entendimiento de la evolución y estado actual del sistema hidráulico-hidrológico. Se tratará siempre dar a elegir el modelo o alternativa de cálculo básico que el usuario estime más acertado. En el que puede ser el último paso, el usuario puede hacer previsión de caudales, niveles y volúmenes, según unas hipótesis de entradas futuras, que las aplicaciones ayudan a establecer. En el caso de los embalses, se ofrecerá la posibilidad de analizar y buscar por comparativa de resultados, la maniobra de órganos de desagüe acorde con unas restricciones, criterios y objetivos. 11

12 La aplicación no obliga a que el usuario siga este esquema del proceso de operación, sino que le ofrece libertad de movimiento por una y otra fase, pudiendo incluso realizar procesos en paralelo. Todo esto se consigue gracias a la arquitectura interna de las aplicaciones y al diseño de menús y ventanas, que han buscado ofrecer un entorno de uso de modelos amigable y con las máximas posibilidades de interactividad Casos de aplicación Actualmente, en el marco de un convenio entre la Dirección General de Obras Hidráulicas y Calidad de las Aguas del Ministerio de Medio Ambiente y el CEDEX, se están aplicando los desarrollos basados en EDIMACHI en los SAIH de las cuencas del Tajo, Guadalquivir, Segura y Júcar. Aunque estos trabajos no están totalmente concluidos, ya se cuenta en los respectivos centros de proceso de cuenca con versiones de estas aplicaciones operativas. 5. CONFIGURACIÓN DE MODELOS. DATOS DE PARTIDA Y PRECALIBRACIÓN Los modelos desarrollados son configurados a partir de un conjunto de datos descriptivos de cada cuenca y de sus elementos de representación del sistema hidrológico. Se parte de una representación del sistema hidrológico basado en un conjunto de elementos y sus conexiones entre sí dadas por las condiciones de drenaje (A. L. Aldana y A. García; 2002), para después realizar una caracterización y, después, una parametrización de modelos hidrológicos basada en criterios de diseño. Estos parámetros de partida serán contrastados durante pruebas de los modelos con datos históricos, y modificados (si se considera necesario), dando así lugar a una configuración de las aplicaciones que pueda ser denominada precalibración. Finalmente, será en tiempo real cuando se realice la calibración propiamente dicha, adaptando la respuesta de los modelos a las condiciones circunstanciales del sistema analizado. Para caracterizar los embalses con las versiones actuales de las aplicaciones desarrolladas, se necesitan como datos las tablas que relacionan los niveles de agua embalsada con el volumen almacenado y los caudales mínimo y máximo desaguables para cada nivel. También cabe introducir aquí el nivel y caudal 12

13 máximos objetivos (aquéllos que se desea no sean superados durante la crecida), así como el volumen mínimo que se desea mantener. Las estaciones de aforos pueden ser tratadas sin ninguna información asociada, aunque se aconseja realizar las simulaciones y previsiones pasando por la transformación de nivel a caudal a través de una curva de gasto, la cual será el dato descriptivo básico, pues muy probablemente será necesario pasar por un proceso de corrección de las mismas en situaciones de crecida en tiempo real. El tipo de elemento que necesita mayor información para su caracterización y parametrización es la subcuenca. En primer lugar, se exige la divisoria como polilínea cerrada que defina un polígono. Como atributos de especial interés serán las longitudes de cauces principales y pendientes medias, que permitirán, junto al dato área que puede obtenerse de la divisoria, definir unos hidrogramas unitarios de diseño. Aunque las aplicaciones desarrolladas pueden prescindir del parámetro números de curva en condiciones normales para aplicar la metodología seleccionada para la transformación lluvia-escorrentía, resulta aconsejable su uso para así poder evaluar el estado de humedad antecedente en tiempo real, teniendo así mayor criterio sobre el funcionamiento de los modelos. Ilustración 7: Capas de subcuencas y ríos según la clasificación decimal de ríos del Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX 13

14 El CEDEX ha definido la subdivisión de subcuencas para los modelos actualmente instalados con base a la capa SIG (sistema de información geográfica) de clasificación decimal de ríos y subcuencas (Ilustración 7), que forma parte de la información fundamental de las bases de datos del Centro de Estudios Hidrográficos (T. Estrela, L. Quintas, y M. Ferrer; 1996), complementada con otra cartografía digital proporcionada por los distintos organismos de cuenca y, en ocasiones, se ha recurrido también a la utilización de modelos digitales de terreno tratados con algoritmos especiales para la definición de algunas divisorias de subcuencas (Ilustración 8). Ilustración 8: Ejemplo de modelo digital del terreno con puntos SAIH y división de ríos subcuencas adaptadas a la topología impuesta por embalses y estaciones de aforo. Caso: SAIH Tajo. Con toda esta información, adaptando la subdivisión en subcuencas a la topología impuesta por los puntos SAIH existentes de tipo embalse y estación de aforos, se ha definido una capa de subcuencas SAIH sobre la que operan los modelos de previsión (Ilustración 9), con sus atributos numéricos correspondientes. Para establecer los valores del número de curva en condiciones normales, se ha recurrido al empleo de una malla de distribución de este parámetro que cubre el territorio nacional peninsular, que también forma parte de la información básica de trabajo del Centro de Estudios Hidrográficos. Esta capa se ha generado en un proceso de varias etapas, la última de las cuales ha alcanzado un nivel de confianza elevado por el rigor de su proceso de obtención y la información utilizada (Ferrer; 2003). 14

15 Ilustración 9: Subdivisión en subcuencas adaptada a la topología de los SAIH. Los ríos cuentan de forma análoga con la pendiente media y longitud como atributos característicos, contando ahora con representación geográfica en forma de líneas, con una segmentación adaptada a la subdivisión en subcuencas. 6. ANÁLISIS DE EPISODIOS HISTÓRICOS Tal y como se anticipó, una fase importante de los trabajos de preparación de los modelos para ser usados en tiempo real es, una vez se han completado las labores de caracterización y parametrización, realizar una serie de pruebas con archivos históricos de datos SAIH que permitan establecer una precalibración de los modelos de simulación. Durante estas pruebas se comprueba si el modelo es válido para el caso de aplicación, se evalúan fuentes y magnitudes de los errores, y se aprende a interpretar el modelo según el caso. Es importante, especialmente por esto último, que el usuario final de los modelos participe o repita, al menos parcialmente, cálculos de episodios pasados con las aplicaciones de previsión. Al final de la etapa de análisis de episodios históricos, se habrán configurado las aplicaciones en situación de precalibración para aquellas subcuencas de las que se contase con datos suficientes, y por tanto estarán listas para su uso en tiempo real. Los parámetros de simulación contarán con unos valores que promedien los esperados, de tal modo que la calibración en tiempo real exija la mínima intervención del usuario, el cual se limitará a supervisar y definir algunos criterios para el 15

16 funcionamiento de los algoritmos de autocalibración con que cuentan las aplicaciones basadas en EDIMACHI. 7. LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO PARALELAS A LAS DE APLICACIÓN DE EDIMACHI Las labores de desarrollo de aplicación de soluciones que se describen en este capítulo, que son complementados con otros del presente documento, han transcurrido paralelas y estrechamente relacionadas con otras líneas de actuación. En conjunto, todas ellas forman un único frente cuyo objetivo final es la de proporcionar soluciones a problemas de previsión de crecidas y operación de embalses en tiempo real, y entre las cuales se destacan las actividades en investigación y las de coordinación con organismos como el Instituto Nacional de Meteorología Proyectos I+D Nacionales Dentro del III Plan Nacional de I+D, fue subvencionado el proyecto titulado Construcción de un entorno integrado de aplicación de modelos en tiempo real para previsión de avenidas y gestión de embalses en el SAIH, durante el periodo (entidad financiadora: Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología, programa: Programa Nacional de Recursos Hídricos, referencia: HID C02-01). Este proyecto fue el que sirvió de marco para el desarrollo de la primera versión de EDIMACHI. Esta línea de I+D se llevó en paralelo con el desarrollo y aplicación de la mencionada aplicación PROC-Segura, y tuvo continuidad dentro del Plan Nacional de I+D+I, durante el periodo con el proyecto titulado Incorporación de metodologías no convencionales a un entorno integrado de desarrollo y aplicación de modelos en tiempo real para previsión de crecidas y gestión de embalses en el SAIH y financiado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología dentro del Programa Nacional de Recursos Naturales (referencia: REN C02-01 / RIES). En el desarrollo de este proyecto se han explorado y aplicado líneas de investigación, basadas en soluciones no convencionales, para resolución de problemas relacionados con la utilización, en tiempo real, de modelos de simulación y optimización para gestión de crecidas en conexión con datos del SAIH. En especial, se han centrado los trabajos en lo relativo a la aplicación de 16

17 redes neuronales y técnicas de optimización basadas en computación evolutiva en la solución de varios problemas asociados a este tipo de modelos (ver comunicación Aplicación de la computación evolutiva en la hidrología operacional ). Todo ello, siguiendo la línea de investigación iniciada con IMACHI, seguida con el anterior proyecto y ampliada en éste, gracias al cual se han incorporando importantes mejoras y avances al entorno de desarrollo EDIMACHI. Más concretamente, se ha realizado: - Mejora del tratamiento de hipermodelos y multimodelos, facilitándose incluso la integración de modelos de onda dinámica. - Evaluación de la capacidad predictiva de las redes neuronales en un tipo de problema concreto de previsión hidrológica. - Aplicación de conceptos de computación evolutiva al problema de calibración de modelos. - Creación de complejos simuladores de presas, dando así mayor flexibilidad y representatividad al entorno. - Generación de nuevas herramientas de búsqueda de soluciones de operación de presas y embalses que tratan de ofrecer soluciones realistas, en las que se trata de compatibilizar diferentes objetivos y criterios, todo ello sujeto a una programación de maniobras de válvulas y compuertas. Algunos de estos avances se han incorporado ya a las versiones de aplicaciones basadas en EDIMACHI operativas, otras se incorporarán en la siguiente fase de desarrollo y aplicación. Actualmente se participa en un nuevo proyecto, en coordinación con la Universidad Politécnica de Madrid, titulado E-VIRTUAL: Entorno Virtual de Entrenamiento para Mejora de Respuesta ante Emergencias, para el periodo: , financiado nuevamente por el Ministerio de Ciencia y Tecnología dentro del Programa Nacional de Recursos Naturales (referencia: REN C03-03). Su objetivo es llevar a cabo una investigación sobre técnicas de simulación hidrológica y ayuda a la decisión aplicables al problema de entrenamiento de equipos humanos de respuesta ante emergencias producidas por inundaciones. La propuesta se encuadra en el contexto de los Centros de Control del SAIH (Sistema Automático de Información Hidrológica) existentes actualmente en un cierto número de Confederaciones 17

18 Hidrográficas en España. Se propondrá un entorno software dirigido a los equipos responsables de la actuación ante avenidas. Mediante el entorno, el operador podrá realizar dos tareas: (1) simular el desarrollo temporal de episodios de lluvia, la propagación de avenidas y la ocurrencia de daños, (2) analizar las consecuencias de sus decisiones sobre formas de actuación del equipo de gestión, evaluando su capacidad de respuesta. En el proyecto se tiene previsto estudiar y aplicar modelos de cálculo hidrológico e hidráulico para simulación de procesos físicos y generación de daños. Para integrar los diversos modelos se plantea hacer uso del enfoque multiagente utilizado en el campo de Inteligencia Artificial para problemas de coordinación. El entorno hará uso de técnicas gráficas avanzadas así como animaciones para ofrecer un interfaz de usuario adecuado para operación en entrenamiento. La propuesta se validará mediante la experimentación y construcción de modelos de comportamiento de un Centro de Control de una Confederación Hidrográfica elegida para tal fin, a propuesta de los responsables de la Dirección General de Obras Hidráulicas y Calidad de las Aguas (Ministerio de Medio Ambiente) cuya participación, está prevista en el proyecto como ente observador Internacionales El CEDEX está participando en el proyecto Woisydes (Water Observation and Information System for Decision Support), liderando el grupo de trabajo de sistemas de alarma y previsión ( Flood warning systems ). Referencias del proyecto: Proposal for EC financial Support for the Integration of Newly Associated States (NAS) in the European Research Area (Accompanying Measures). Call identifier: QOL/Growth/EESD-2001-INTEGR (OJ 2001/C 264/05). Proposal N EVK FP5 Work Program: Environment and Sustainable Development. Key actions: 1. Sustainable Management and Quality of Water, 2. Global Change, Climate and biodiversity Una descripción completa de este proyecto puede encontrarse en la dirección de Internet: 18

19 Este proyecto está relacionado con el denominado BALWOIS: Conference on Water Observation and Information System for the Balkan Countries, también dentro del V Programa Marco de la UE, cuyas referencias son: Programme "Confirming the International Role of Community Research" International Cooperation, (INCO) - Conference Participation Support Call identifier ICFP599A2AM02 - Proposal No ICA También esta actuación tiene su página web: El CEDEX participa en este proyecto como miembro del Comité Organizador y con comunicaciones al congreso Colaboración con el Instituto Nacional de Meteorología Dadas las interdependencias entre hidrología y meteorología, resulta obligado trabajar en la previsión de crecidas buscando la coordinación técnico-científica e institucional para lograr las mejores soluciones Mejora de la estimación de precipitaciones basada en radares meteorológicos A partir de los productos radar generados por el Instituto Nacional de Meteorología de España (INM), seleccionando entre ellos el mosaico de cobertura nacional con la estimación de acumulaciones temporales de precipitaciones, en combinación con los datos de pluviómetros de los SAIH, se puede llegar a una mejora notable de la cuantificación de las precipitaciones respecto de los métodos que se basan únicamente en la última fuente de información. Actualmente, los desarrollos basados en EDIMACHI (ver comunicación Módulo central EDIMACHI-CEnP. Incorporación de estimaciones de precipitaciones basadas en radares meteorológicos ) incorporan la posibilidad de aprovechar la malla de estimación de precipitaciones basada en radares meteorológicos, realizando una fusión entre ésta y la resultante de una operación de interpolación a partir de datos pluviométricos Modelos numéricos de predicción meteorológica Si se cuenta con una previsión de lluvias con fundadas garantías de ser ciertas, como la generada por un modelo numérico de previsión meteorológica, el horizonte 19

20 de previsión puede ser ampliado más allá de lo que recomienda la consideración del desfase entre causa y efecto del fenómeno hidrológico cuando sólo se opera con entradas de tiempo pasado, lo que supone una importante ventaja en muchos casos de aplicación. El INM dispone en operación de dos modelos cuyas salidas tienen especial interés en la previsión hidrológica: El modelo regional (área limitada) de predicción numérica HIRLAM El sistema de Predicción Analógica de la Precipitación del INM (PAP-INM). El PAP es un sistema de predicción estadística que está realizado mediante metodología analógica con una discretización temporal de 24 horas, por lo que la posibilidad de poder utilizar sus resultados para previsión de caudales estará limitada a sistemas de gran extensión, aunque queda siempre la opción de usarlos en herramientas de ayuda a la decisión a la explotación de embalses basadas en razonamientos en volúmenes, con la ventaja añadida de poder realizar razonamientos probabilistas. La utilización conjunta de las salidas de ambos modelos meteorológicos como entrada a los hidrológicos abre, para éstos últimos, un gran número de posibilidades aún por explorar. Sin duda, cabe asegurar que estamos en los primeros pasos de la modelación mixta por enlace entre ambos tipos de modelos (A. L. Aldana, A. Mestre y J. Mora; 2003) Aplicación de las soluciones coordinadas en España Gracias a que se cuenta ya con SAIH en diversas cuencas (que en un futuro próximo abarcará la mayor parte del territorio español), con una red de radares y los sistemas de procesamiento de los datos que proporciona, con modelos numéricos de predicción meteorológica (éstos dos últimos proporcionan resultados en todo el territorio) y con un conjunto de aplicaciones de análisis y previsión hidrológica capaces de incorporar en sus cálculos información meteorológica, se cumplen ya todos los requisitos para dar un paso más en la implantación de soluciones prácticas de previsión hidrológica. No hay que olvidar que esto es posible también gracias a las posibilidades que ofrecen las actuales tecnologías y medios de la información y las comunicaciones. 20

21 Por y para ello, se han creado grupos de trabajo (formados por personal del INM, de la Dirección General de Obras Hidráulicas, del Ministerio de Medio Ambiente, y del CEDEX, del Ministerio de Fomento) para poner en práctica estas soluciones. Las aplicaciones EDIMACHI-CEnP y EDIMACHI-SIPROP se encuentran operativas, con posibilidades de incorporar información meteorológica, en las cuencas del Júcar, Segura, Guadalquivir y Tajo, estando en marcha los trabajos que ampliarán la aplicación de estas soluciones (alguna de las cuales está actualmente funcionando con carácter de experiencia piloto) a otros ámbitos territoriales. 8. CONCLUSIONES Y LÍNEAS DE ACTUACIÓN FUTURAS Se han expuesto brevemente los antecedentes, líneas de trabajo recientes y activas llevadas a cabo por el CEDEX. Ahora, buena parte de los esfuerzos de desarrollo se centran en el objetivo de dotar a los modelos de capacidad de utilizar nuevas fuentes de información, tales como las estimaciones de precipitaciones basadas en radares meteorológicos, los resultados de modelos numéricos de predicción meteorológica (línea de trabajo en desarrollo que aún no está en fase operativa), así como en integrar datos procedentes de normas de explotación de embalses, planes de emergencias o mapas de riesgos. Estos objetivos serán prioritarios en la siguiente fase de implantación de los modelos desarrollados por el CEDEX, aunque también se trabaja con la intención de que los resultados de estos modelos puedan a su vez ser integrados en otros sistemas. 9. REFERENCIAS A. L. Aldana, F. Estrada, R. Espinosa, A. Merchán; 1996: Previsión y gestión de crecidas en embalses en tiempo real: experiencia de aplicación del modelo CREM en la red Hidrosur. Comportamiento y seguridad de las presas existentes. Riesgos aceptables. Jornadas españolas de Grandes Presas de Valencia. CNGP. Chritophe Bouvier and Francois DelClaux; ATHYS: a hydrological environment for spatial modelling and coupling with GIS. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resource Management. International Assotiation of Hydrological Sciences (IAHS). IAHS publication no Teodoro Estrela Monreal, Luis Quintas Ripoll y Monserrat Ferrer Juliá; 1996: Los sistemas de información geográfica orientados a la hidrología en el CEDEX. Ingeniería Civil, Nº Ulrich Wolf-Schumann y Stefan Vailant; Time View: a time series management system for GIS and hydrological systems. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and 21

22 Water Resource Management. International Assotiation of Hydrological Sciences (IAHS). IAHS publication no Angel Luis Aldana Valverde; 1998: Sistemas de ayuda en la explotación de un SAIH.. ISBN Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas. Madrid: Ministerio de Fomento. Centro de Publicaciones Microsoft; 1998: Documentación de Visual Basic. Angel Luis Aldana Valverde, 2002: Previsión de crecidas en el río Segura. Jornadas sobre Sistemas de ayuda a la decisión ante problemas hidráulicos e hidrológicos en tiempo real. CEDEX. Madrid. Angel Luis Aldana Valverde y Juan Alberto García Serrano, 2002: El entorno de desarrollo y aplicación de modelos EDIMACHI. Jornadas sobre Sistemas de ayuda a la decisión ante problemas hidráulicos e hidrológicos en tiempo real. CEDEX. Madrid. Angel Luis Aldana Valverde. Antonio Mestre Barceló y Justo Mora Alonso-Muñoyerro; 2003: Modelos de previsión hidrológica basados en previsiones meteorológicas. Ingeniería Civil 131/2003. CEDEX. Madrid (Recopilación de comunicaciones españolas al XI Congreso mundial del agua. La gestión de los recursos hídricos en el siglo XXI. 5-9 octubre Madrid.) Montserrat Ferrer i Juliá; Análisis de nuevas fuentes de datos para la estimación del parámetro número de curva: perfiles de suelos y teledetección. Cuadernos de Investigación, C48, ISSN: CEDEX. 22