Sistema de Ayuda a la Decisión frente a inundaciones Eduardo García Salete Ing. CC y P; INCLAM S.A. eduardo.garcia@inclam.com 1 Introducción Muchas de las Confederaciones Hidrográficas españolas, encargadas de la gestión integral del agua en el territorio de su competencia, disponen desde hace varios años de un Sistema Automático de Información Hidrológica en adelante SAIH- que se ocupa, de manera automática y en tiempo real, de la captación, transmisión y presentación de los datos registrados de variables hidrometeorológicas e hidrológico-hidráulicas en una serie de estaciones de control representativas del funcionamiento hidráulico de la cuenca hidrográfica a la que corresponden. El objetivo inicial de estos sistemas fue dar un apoyo adecuado a la toma de decisiones ante situaciones de emergencia por avenida, aunque también han resultado herramientas sumamente útiles para otras muchas actividades, como la optimización de la gestión diaria de los recursos hídricos, el aumento de la seguridad en las presas o la mejora de las bases de datos meteorológicos e hidrológicos, tanto en cantidad como en calidad. A través de la información observada en los distintos sensores repartidos por la cuenca hidrográfica a la que corresponden, todos los SAIH permiten conocer lo que ha ocurrido o está ocurriendo hasta ese momento en los puntos de medida, pero no permiten estimar cómo van a evolucionar en su inmediato futuro, ni tampoco diseñar una estrategia de explotación para las infraestructuras de regulación disponibles -a poner en práctica a partir del instante de observación-, que permitan mitigar las consecuencias en situaciones extremas de avenida. Para aprovechar al máximo la información facilitada por un SAIH, se necesita complementarlo con un Sistema de Ayuda a la Decisión frente a inundaciones en adelante SAD-, capaz de simular el comportamiento en avenidas de los ríos principales de su cuenca, durante dos periodos consecutivos diferentes: los últimos días transcurridos en el momento de realizar la simulación y que, por tanto, disponen de datos observados- y los próximos aún no acaecidos en ese momento y que sólo pueden disponer de previsiones meteorológicas-. Para poder simular el comportamiento de la cuenca durante los dos periodos citados anteriormente, un SAD necesita nutrirse a partir tanto de la información facilitada por el SAIH como de otras fuentes diferentes y debe comprender un conjunto de modelos y herramientas informáticas que permitan simular en tiempo real-, los caudales de avenida que previsiblemente puedan producirse en la cuenca en un futuro inmediato, junto con las maniobras de desembalse más adecuadas a poner en práctica en los embalses principales de la misma. En el presente documento se describe un Sistema de Ayuda a la Decisión frente a inundaciones, cuya primera versión se desarrolló ex profeso y se implementó en el SAIH de la Cuenca del Ebro a finales del año 2002. Desde entonces, a través del sistema SAD se han venido obteniendo previsiones de caudal en numerosos puntos de su cuenca, actualizadas todos los días. Por otra parte, al sistema inicial se le han ido incorporando diferentes modificaciones y mejoras, como consecuencia del incremento de fuentes de información que lo alimentan. De esta forma, a partir de finales del año 2008 se ha implementado una segunda versión, operativa desde entonces tanto en la Cuenca del Ebro como en la del Guadalquivir y, por último, en la actualidad se está trabajando en el desarrollo de una tercera versión, a implementar en el futuro en la mencionada Cuenca del Ebro. 2 Descripción general del Sistema de Ayuda a la Decisión frente a inundaciones desarrollado El Sistema de Ayuda a la Decisión frente a inundaciones, desarrollado inicialmente para su utilización en la cuenca del Ebro, comprende un conjunto de modelos y herramientas informáticas que permiten simular en tiempo real-, los caudales de avenida previsibles en la Cuenca en un futuro inmediato, así como las maniobras de desembalse más adecuadas en los embalses principales de la misma. Tras la introducción de un conjunto de modificaciones y mejoras, el Sistema actual puede utilizarse en otras Cuencas, adaptándose a sus condiciones
específicas, como lo demuestra al estar instalado, a partir de finales de 2008, en el SAIH de la Cuenca del Guadalquivir. El Sistema se concibió para prever, con suficiente antelación, los caudales de avenida que pueden producirse en diferentes puntos de los cauces comprendidos dentro de una Cuenca Hidrográfica, permitiendo a los Técnicos de su Confederación simular las maniobras de explotación -en las infraestructuras de regulación disponibles- que reduzcan al máximo 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. Se alimenta, en tiempo real, con la información hidrológica suministrada por su Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH), que dispone de un conjunto de sensores repartidos por toda su cuenca, en los que se mide periódicamente un conjunto 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 a intervalos periódicos, 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 la actual Agencia Estatal de Meteorología (AEMET, antiguo Instituto Nacional de Meteorología INM-) en concreto, lluvias y temperaturas previstas a través de su modelo HIRLAM- constituyen, hasta la fecha, la fuente de alimentación básica en tiempo real para los procesos de cálculo del Sistema de Ayuda (en la actualidad, el sistema desarrollado admite otras fuentes básicas de información y se está a la espera del suministro periódico de las mismas, por parte de AEMET. Entre los nuevos productos que se prevé disponer en un futuro próximo, se cuenta con datos de lluvia observada mediante radar cada 10 minutos, previsiones meteorológicas deterministas, según modelo del Centro Europeo de Predicción a Medio Plazo ECMWF-, previsiones meteorológicas probabilísticas de igual procedencia, etc). 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 de que se trate-, ligado a un modelo hidráulico capaz de calcular la transmisión de los caudales generados a lo largo del conjunto de cauces a modelizar-. El conjunto incluye, junto con los anteriores, un módulo encargado de gestionar los embalses de regulación intercalados en la red hidráulica, de forma que sea 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 en cada Cuenca considerada Ebro y Guadalquivir- requirió en su momento 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. Al objeto de adaptarse a las necesidades específicas de cada cuenca, el sistema desarrollado permite trabajar con diferentes modelos hidrológicos e hidráulicos, descritos a continuación, que se ejecutan desde una aplicación informática, cuya versión actual también se describe más adelante. Toda la estructura se concibe de forma modular, de manera que pueda adaptarse lo más cómodamente posible a las necesidades de cada cuenca. 2.1 Modelos gestionados por el Sistema El Sistema gestiona modelos o módulos -de diferente tipo-, cuya construcción y puesta a punto debe realizarse específicamente para cada cuenca. 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, deben abarcar la cuenca completa de que se trate. Una misma subcuenca puede modelizarse mediante diferentes tipos de modelos hidrológicos, de manera que puedan compararse los resultados obtenidos según los modelos considerados en cada hipótesis de simulación. Para ello, es necesario definir previamente diferentes conjuntos de modelización y, para cada uno, con qué modelo y con qué parámetros debe modelizarse cada una de las subcuencas que conforman la cuenca completa. Los modelos hidrológicos integrados son los siguientes: De tipo agregado: 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 de forma continua- la fase terrestre del proceso de transformación lluvia en escorrentía, calculando diferentes componentes de dicho proceso. Puede incorporar o no rutinas de retención de agua en forma de nieve. De tipo distribuido: En esta categoría se ha integrado 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, por lo que está muy recomendado para el tratamiento de la retención de agua de lluvia en forma de nieve. Está basado en el modelo CEQUEAU, del Institut National de la Recherche Scientifique de Canadá. Al igual que el anterior, modeliza la fase terrestre del proceso de transformación lluvia en escorrentía, pero destacando la gestión de los depósitos de almacenamiento de agua en forma de nieve. También efectúa, como el anterior, el cálculo de manera continua y conceptualmente se engloba dentro de la categoría de modelos determinísticos, pero en este caso cabe englobarlo en los de tipo cuasi distribuido. Modelos de propagación, que se encargan de transmitir hidráulicamente a lo largo de los distintos cauces considerados-, los caudales generados por las subcuencas modelizadas mediante los modelos hidrológicos citados anteriormente. Al igual que en éstos, cada tramo puede modelizarse con cualquiera de los tipos integrados, de manera que puedan compararse los resultados obtenidos según los modelos considerados en cada hipótesis de simulación. Para ello, es necesario definir previamente diferentes conjuntos de modelización y, para cada uno, con qué modelo y con qué parámetros debe modelizarse cada uno de los subtramos de la red a simular. Los modelos de propagación integrados son los siguientes: El primero de ellos, el modelo Muskingum, que permite calcular los caudales circulantes en un punto en diferentes intervalos en función de los obtenidos en otro punto situado aguas arriba, utilizando dos coeficientes de transmisión. Este método de transmisión resulta muy sencillo de utilizar, lo que permite obtener resultados en muy breve tiempo, permitiendo estimar rápidamente los caudales que puedan producirse en todos los puntos de la cuenca que interesen. El segundo, el modelo 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 deben modelizarse en este caso mediante un conjunto de perfiles transversales. Módulo 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. En cada embalse e hipótesis de simulación, estas maniobras pueden fijarse bien siguiendo las reglas establecidas en las Normas de Explotación de la presa (a este respecto el SAD integra tanto el método de Dordogne como el de Evaluación Volumétrica o MEV-), bien definiendo unas leyes de caudal vertido a lo largo del tiempo, que el sistema se encarga de validar en función de la capacidad de vertido del conjunto de órganos de desagüe de la presa en cuestión. Corrección de valores simulados en función de datos observados, módulo 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 meteorológicos e hidrológicos y el segundo, aún no acaecido, en el que solo se estiman los datos meteorológicos de partida. El módulo de corrección se encarga de modificar los valores en el periodo de previsión inicialmente calculados por el sistema, en función de las diferencias observadas durante el periodo de observación. 2.2 Software involucrado en el desarrollo del SAD El software involucrado en el desarrollo del 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 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 la Agencia Estatal de Meteorología que le resulte de interés integrar. Generador de maniobras de explotación: Aplicación informática que permite modificar las maniobras de explotación a efectuar en cada uno de los embalses a simular 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.
Tema B: Hidrología y Gestión del Agua 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. 3 Descripción del simulador principal del sistema El simulador principal del sistema fue concebido inicial y específicamente para el SAD del SAIH del Ebro. Si bien, y desde entonces, el simulador ha sufrido diferentes modificaciones que aumentan sensiblemente sus prestaciones, mantiene básicamente su línea de funcionamiento inicial. En la figura 1 adjunta se representa su aspecto inicial actual en las dos cuencas implementadas (Ebro y Guadalquivir, respectivamente). Figura 1 Aspecto inicial del simulador principal del SAD en las cuencas del Ebro y Guadalquivir
Hoy en día, el simulador principal del sistema es una aplicación propia, desarrollada en entorno.net y que incluye diferentes módulos. Su esquema de funcionamiento básico se representa en la figura 2 adjunta. Trabaja con dos bases de datos de diferente tipo; la primera se encarga de interactuar con otros sistemas o fuentes de información (SAIH o servicios meteorológicos, identificada en el diagrama como Base de datos de intercambio y cuya estructura y formato puede adaptarse según las necesidades de la Confederación de que se trate); la segunda, que se encarga del control de funcionamiento del propio SAD y de almacenar toda la información generada por éste, identificada en el diagrama como Base de datos SAD y cuya estructura y formato son fijos. Figura 2 Diagrama funcional del simulador principal del Sistema 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 hipótesis de modelización a realizar en toda la cuenca, cada una de las cuales correspondiente a la utilización de una previsión meteorológica determinada, junto con un juego específico encargado de fijar el modelo hidrológico e hidráulico a utilizar en cada subcuenca y tramo de río considerados, combinados con la definición de determinadas maniobras de explotación en embalses y correcciones de caudal a incorporar en los puntos de control; actividades 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, o inicio del tiempo de previsión) que suele establecerse a partir del último intervalo con datos observados en los sensores SAIH en el momento en que se inicia una sesión de simulación. 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 corrección de errores en función de los datos observados durante el primer periodo).
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 2.1. 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 diferentes juegos de modelización hidrológica que se desee: cada uno de ellos, 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 la selección del juego de modelizaciones hidrológica e hidráulica a utilizar, así como la predicción utilizada durante el periodo de previsión, junto con el establecimiento de la forma de gestionar las maniobras de explotación correspondientes a cada uno de los embalses y las correcciones a establecer en los diferentes puntos aforados. 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 a partir de la información almacenada correspondiente a otra hipótesis previa, tal y como se muestra en la figura 3 adjunta. Figura 3 Gestión de hipótesis: gráficas iniciales de embalses
Los efectos derivados de la modificación de la gestión de maniobras de vertido en un embalse o de las correcciones a efectuar durante el periodo de predicción en un determinado punto aforado, pueden contemplarse en todos los puntos de simulación situados aguas abajo del corregido, bien inmediatamente y a través de las utilidades de visualización que incorpora el propio gestor de hipótesis únicamente en el caso de haber utilizado en todos los tramos hidráulicos el método de transmisión de flujo tipo Muskingum- bien en todos los casos y a través del módulo de visualización de resultados del propio simulador, tras la ejecución de la pasada de simulación hidráulica completa, que en el caso de haber utilizado Mike11 en la totalidad de cauces a simular puede demorar unos cuantos minutos. Tras la ejecución de la pasada de simulación hidráulica, la aplicación presenta resultados 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, etccorrespondientes a la última y otras posibles simulaciones previas. Una vez analizados los resultados obtenidos en una hipótesis determinada, el sistema permite, bien la preparación de datos de una nueva hipótesis, bien que el usuario seleccione cualquier hipótesis ya simulada para elevarla 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 llevar a cabo. 4 Modificaciones a incorporar al sistema en un futuro próximo (actualmente en fase de desarrollo) En la actualidad, y debido a la mayor disponibilidad de información básica capaz de alimentar un modelo de previsión como el que nos ocupa, se está trabajando en una nueva versión del Sistema, al objeto de aprovechar al máximo la nueva información disponible y mejorar sus prestaciones. En este sentido, y en breve plazo, se prevé que AEMET suministre a las Confederaciones que lo deseen imágenes de lluvia deducida a partir de información radar, acumulada cada 10 minutos, imágenes satelitales con información de diferentes variables de interés hidrológico, nuevos modelos meteorológicos, tanto deterministas como por conjuntos (en concreto, los modelos del Centro Europeo de Predicción a Medio Plazo -ECMWF-), mapas de probabilidad de precipitación, elaborados por el método de análogos, etc. En estos momentos, el cálculo espacial así como su representación gráfica- efectuado para las variables climáticas de entrada a los modelos hidrológicos incluidos en el SAD lluvia y temperatura, principalmente-, tanto para el periodo de observación como para el de previsión, viene integrado dentro del simulador principal del sistema, descrito anteriormente. Pero la existencia en el futuro de diversas fuentes de información para una misma variable hace necesario incorporar un nuevo visor/generador de valores climáticos en fase actual de desarrollo-, integrado en un nuevo módulo independiente, aunque totalmente interactivo con el mencionado simulador principal. Este nuevo módulo se ha diseñado para que pueda ser ejecutado de forma totalmente independiente del simulador principal, aunque ambos se encuentren comunicados por medio de interfaces al objeto de facilitar su interoperabilidad. Entre otras prestaciones, va a incluir un visor de valores climáticos en forma de mapas, tanto animados como acumulados, en el que se va a representar la evolución espacial de lluvias, temperaturas u otras variables, obtenidas a través de distintas procedencias (SAIH, radar, satélite, previsiones futuras, datos manipulados). En la figura 4 se incluye la representación gráfica animada- de lluvia calculada en función de los datos registrados en estaciones SAIH. El módulo va a incluir una herramienta de manipulación de datos climáticos que se encargue de combinar datos de diferentes fuentes de suministro o de diferentes fechas, permita modificar la evolución de una variable escalando sus valores para diferentes zonas de la cuenca, etc. Esta nueva herramienta se prevé deba ser controlada totalmente por los usuarios del sistema.
Tema B: Hidrología y Gestión del Agua Figura 4 Representación gráfica animada de lluvia calculada en función de datos SAIH Otra de las utilidades del nuevo módulo va a consistir en una herramienta que permita obtener mapas de lluvia por tratamiento conjunto de información procedente de diferentes fuentes de suministro (datos SAIH y lluvia radar, por ejemplo), utilizando métodos geoestadísticos. En la figura 5 se incluye la representación gráfica de lluvia horaria conjunta, obtenida utilizando diferentes algoritmos de cálculo Figura 5 Combinación lluvia SAIH-lluvia radar, obtenida por diferentes algoritmos de cálculo
Por último, y a medio plazo, está previsto el desarrollo de un nuevo módulo, encargado de trabajar con previsiones probabilísticas de lluvia que permita elaborar previsiones hidrológicas también probabilísticas. Al objeto de homogeneizar los resultados obtenidos para el conjunto de previsiones meteorológicas durante una determinada sesión, la gestión de las maniobras de explotación en embalses y la de corrección en estaciones de aforo, a utilizar en todas ellas, vendrán definidas en función de las fijadas como más idóneas durante la simulación previa de la previsión meteorológica determinística utilizada en la sesión. El módulo deberá completarse con un visualizador de resultados, diseñado especialmente para la representación gráfica y numérica de las previsiones hidrológicas obtenidas.