IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015 Software de Alerta Hidrológica del Parque Fluvial Padre Renato Poblete, Comuna de Quinta Normal, Región Metropolitana (Santiago de Chile) 1. Introducción R. Bella Piñeiro, J.M. Pérez Quintanilla Aqualogy Dirección Ingeniería Hidráulica C/ Santa Leonor, 39, 28037 Madrid (España) X. Llort, Á. Rodríguez Ramos Hydrometeorological Innovative Solutions (HYDS) Jordi Girona 1-3, K2M-B104, 08034 Barcelona (España) El proyecto Parque Fluvial Padre Renato Poblete, impulsado por el Ministerio de Obras Públicas [MOP] del Gobierno de Chile, consiste en la recuperación y mejora del área urbana de la ciudad de Santiago de Chile emplazada en la ribera sur del Río Mapocho, entre los puentes Bulnes y La Máquina, en la comuna de Quinta Normal. El parque se ha proyectado en un espacio público con características de zona verde y se configura en dos grandes áreas: un paseo en el cauce del río y un parque en torno a un brazo de río. Este proyecto otorga un nuevo espacio público con áreas verdes y usos múltiples que brindarán a la ciudadanía un área de esparcimiento, entretenimiento y encuentro. Como es lógico, el nuevo parque se encuentra en zona inundable durante episodios de avenidas. Para la operación segura y eficiente de las instalaciones se requiere de un sistema de telecontrol y de un sistema de alerta hidrológica que permitan la supervisión y control de las instalaciones, así como la gestión de emergencias derivadas de estas avenidas en el río Mapocho. El Sistema de Alerta Hidrológica implantado se basa en un software de gestión y alerta cuya fuente de información son el conjunto de sensores instalados en la cuenca (pluviómetros, termómetros y limnímetros) un modelo de simulación hidrometeorológica y una herramienta de gestión y notificación de alertas. Este Sistema de Alerta Hidrológica tiene como objetivo principal ser el soporte de información y apoyo a la decisión para la gestión del Parque Fluvial Padre Renato Poblete en
caso de avenidas del río, incluso permitiendo alertar y evacuar a los visitantes de manera segura antes de una eventual episodio de gran magnitud. Para ello el sistema genera el pronóstico, con suficiente antelación, de los caudales que transportará el río Mapocho a la entrada del Parque Fluvial Padre Renato Poblete, apoyándose en información de sensores que marcan el estado y comportamiento de la cuenca del río Mapocho en tiempo real y generando una predicción mediante simulaciones hidrológicas. Así, el Sistema de Alerta Hidrológica descrito ayudará a los operadores a: En episodios de avenida medios y bajos, ayudar a gestionar las barreras inflables existentes en el cauce del río (para elevar la lámina de agua cuando los caudales son bajos) para mantener el nivel de la lámina de agua por debajo de la cota del paseo, sin afectar a los usuarios ni al mobiliario urbano allí presente. En episodios de avenida altos durante los cuales la inundación es inevitable, a generar las alertas pertinentes con el objeto alertar a las autoridades a los usuarios y ayudar al desalojo correcto y oportuno del parque. La siguiente sección describe el software de alerta (incluyendo los módulos que lo componen y la interfaz gráfica) y la sección 3 el modelado hidrológico realizado. 2. Software de alerta El software de alerta usado consiste en una aplicación web, basada en el producto desarrollado conjuntamente por AQUALOGY y HYDS denominado Hidromet (Rodríguez et al 2014), consistente en un sistema de alertas de inundaciones para cuencas fluviales que combina información en tiempo real proveniente de redes de sensores con modelos hidrológicos o hidráulicos. Hidromet es capaz de obtener y predecir en los puntos de control considerados la evolución del caudal, además de permitir observar los valores de las variables de cada sensor y generar y distribuir avisos y alertas en tiempo real totalmente configurables, ya sean por los datos de las simulaciones o de los sensores. Las características más relevantes del Software de Alerta Hidrológica del Parque Fluvial Padre Renato Poblete son: a) La integración de datos registrados por sensores instalados por la cuenca, que registran diferentes variables (caudal, nivel, temperatura y precipitación). Se aplican diferentes procesos de control de calidad sobre estos datos para descartar medidas erróneas. b) Ejecución de modelos en tiempo real (uno de transporte de caudales y otro hidrometeorológico de precipitación-escorrentía y fusión de nieve). Los dos modelos están integrados dentro de la misma plataforma de manera que las alertas que se generen pueden tener su origen indistintamente en cualquiera de éstos. c) La herramienta permite ver los resultados en los puntos más representativos y de interés de la cuenca, permitiendo establecer alertas en estos puntos para las diferentes
variables medidas. Además, pueden compararse los datos simulados en dichos puntos con los datos registrados por los sensores que se encuentren instalados en los mismos puntos, permitiendo una comparación sencilla e intuitiva entre los datos medidos por los sensores y los simulados. d) El sistema funciona en modo operacional las 24 horas del día de manera ininterrumpida. Además dispone de herramientas adicionales para su correcta administración. e) Revisión de eventos pasados. Estos eventos pasados pueden ser o eventos relativamente recientes (del último mes) o aquellos eventos anteriores que hayan sido considerados de especial interés (útil para analizar tanto situaciones actuales como del pasado de cara a calibrar la herramienta) permitiendo una mejora continua y la consolidación del sistema. La arquitectura del software de alerta ha sido definida para optimizar su rendimiento. Por ello, han sido definidas varias máquinas virtuales dentro del servidor que contiene el software de alerta. Cada una de las máquinas virtuales ha sido destinada a una tarea concreta, permitiendo así una gran escalabilidad. Las diferentes funcionalidades del software han sido divididas en módulos, independientes entre sí pero relacionados entre ellos (ver esquema de los módulos integrados y la relación entre ellos en la Figura 1). Figura 1. Arquitectura general del software de alertas y de los módulos que lo integran.
2.1 Módulos Los distintos módulos que componen el software de alertas el software de alertas (representados en la Figura 1) se describen en los siguientes apartados. 2.1.1 Módulo de entrada de datos El módulo de entrada de datos se encarga de importar desde una base de datos (rellenada por la SCADA que centraliza los datos medidos por los sensores) hacia el software de alertas. Una vez los datos se han adquirido, se vacía la base de datos y se genera un fichero con los datos exportados, para su posterior tratamiento. Así pues, la base de datos hace la labor de buffer intermedio de datos entre el software de alertas y la SCADA. 2.1.2 Módulo de inserción de datos El módulo de inserción de datos se encarga de leer ficheros con datos registrados por los distintos sensores instalados en la cuenca del río (proporcionados por el módulo de entrada de datos ya en el formato de entrada adecuado) e insertar dichos registros en la base de datos del software de alertas. Estos datos insertados se consideran datos brutos dentro del sistema, ya que no han sido aún tratados. 2.1.3 Módulo de validación de datos El módulo de validación de datos se encarga de validar los datos brutos de entrada al sistema para proporcionar una serie de datos validados. Así pues, dentro del software de alertas coexistirán, para cada variable de los sensores, dos series temporales distintas, una con los con datos en bruto (datos registrados directamente por los sensores y obtenidos del SCADA) y otra con los datos validados (las mismas series temporales después de su tratamiento por una serie de procesos de validación). Esto permite diferenciar entre datos brutos y datos que han sido validados e incluso poder visualizarlos conjuntamente en el módulo interfaz. Además, permite generar alertas tanto sobre los datos en bruto como de los validados. Los algoritmos que se han implementado en este módulo para la validación de datos son: Identificación de falta de datos: Este algoritmo comprueba que no hay huecos (gaps) en las series temporales y de encontrarlos identifica estos huecos etiquetando el registro correspondiente dentro del intervalo como anómalo. Identificación de datos fuera de rango: El algoritmo comprueba que los datos registrados están dentro del rango predefinido para la variable y de no ser así se etiqueta el registro correspondiente como anómalo. Pendiente de datos consecutivos mayor o menor que un valor predefinido: El principio es el mismo que el del algoritmo de mínimos y máximos pero aplicado a la pendiente entre dos valores consecutivos. De esta forma se controla la
variabilidad de las distintas variables, pudiendo limitarla o requerir una variabilidad mínima (útil para detectar sensores bloqueados). 2.1.4 Módulo de gap-filling El módulo de gap-filling se encarga de rellenar los huecos de datos faltantes en las series temporales de datos. Los huecos (gaps) y su restauración se recalcularán en cada ejecución a partir de las series en bruto. Esto permite que si llegan datos nuevos con retraso el proceso de gap-filling pueda verse mejorado gracias a estos nuevos datos. Los algoritmos de gap-filling (o reconstitución de series temporales) que se han implementado en el software de alertas son: Método lineal (interpolación lineal entre el valor previo válido y el valor posterior válido); Método del paso anterior/posterior (los valores anómalos son sustituidos de forma uniforme por el valor válido previo/posterior al hueco de la serie temporal). 2.1.5 Módulo de generación de campos raster Este módulo cumple el objetivo de generar un campo raster de información a partir de los valores puntuales disponibles de manera que se dispone de información distribuida en el territorio obtenida mediante interpolación de los datos disponibles. De esta forma se permite que se disponga de datos de lluvia en los puntos de entrada del modelo hidrológico independientemente del fallo puntual de sensores concretos y de su ubicación. De la misma forma el mapa de temperaturas será utilizado para calcular tanto la acumulación como fusión de nieve en función de las condiciones climáticas. 2.1.9 Módulo de simulación Dicho módulo, se ha desarrollado sobre el modelo HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modelling System; Scharffenberf y Fleming, 2010; HEC 2010) creado por el U.S. Army Corps of Engineers, mediante el que se pueden simular tanto eventos o episodios aislados (simulación off-line) como usarlo en tiempo real de forma iterada (simulación online). El módulo de simulación integra dos modelos, uno de transporte de caudales y otro hidrometeorológico de precipitación-escorrentía y fusión de nieve. Ambos modelos correrán en paralelo, y las alertas que se generen podrán tener su origen indistintamente en cualquiera de los dos modelos. El módulo registra el caudal y nivel simulado en varios puntos críticos de interés de la cuenca. Esto permite al operador entender la situación hidrológica a nivel de cuenca y no sólo en el inicio del parque, y por tanto una mejor comprensión del sistema de alertas. La sección 3 describe con detalle el modelado hidrológico realizado en el marco del proyecto.
2.1.6 Módulo de alertas El módulo de alertas consiste en la obtención de la base de datos los datos medidos por los sensores y de las últimas simulaciones de los modelos hidrológicos y, a partir de los umbrales definidos por el usuario, establecer si se supera algún umbral para dichos valores. De esta forma registra las alertas en la base de datos para su diseminación. 2.1.7 Módulo de control de sensores Permite la administración de los sensores definidos dentro del software de alerta (añadir nuevos sensores o modificar los existentes) permitiendo actualizar el software. 2.1.8 Módulo de importación y exportación de datos Este módulo permite realizar la exportación de datos de sensores del software de alertas, o la importación de datos de sensores con el objetivo de incorporar al sistema datos de sensores que no transmiten en tiempo real (con lo que puede integrarse datos en diferido de dichas estaciones) y modificar valores de mediciones en el sistema. 2.10 Módulo de backups Este módulo permite realizar copias de seguridad de la base de datos y de la configuración del sistema, así como la restaurarlas en caso de necesidad. Las copias de seguridad pueden realizarse en local (ya sean en el propio servidor o en un disco externo conectado al servidor), o en un servidor FTP. 2.2 Interfaz gráfica del usuario El módulo de interfaz es el encargado de la visualización de toda la información. Esta interfaz ha sido desarrollada como una aplicación web y dispone de una interfaz intuitiva y que sigue unos patrones muy similares en cada una de las funcionalidades para facilitar la interacción. Así, resulta bastante sencillo comprender su funcionamiento ya que prácticamente todas sus funcionalidades se manejan de idéntica manera. La interfaz de usuario del software consta de las siguientes partes: Resumen de estaciones: Se encarga de presentar de manera resumida el estado de los sensores (fecha de último dato y valor de dicho dato). Ver Figura 2. Alerta inundación: Muestra la previsión de la evolución del caudal y nivel en varios puntos de control de la cuenca del rio Mapocho y en la entrada del parque fluvial, basándose en las simulaciones de los modelos hidrológicos. Ver ejemplo de la visualización de esta parte en la Figura 3.
Figura 2. Vista general del módulo Resumen estaciones. Aquí, se muestra un resumen de los diferentes sensores instalados en la cueca del rio y posibles desfases en la obtención de datos. Figura 3. Vista general del módulo Alertas de inundación. Esta vista permite analizar cada uno de los puntos de control definidos en la cuenca y, para cada uno de ellos, analizar la evolución tanto del caudal como del nivel. Alertas de sensor: Muestra los datos medidos en las últimas horas por los diversos sensores instalados a lo largo de la cuenca del rio Mapocho. Datos históricos: Muestra los datos tanto de los sensores como de los modelos hidrológicos en los últimos 30 días, ofreciendo así las herramientas necesarias para hacer un estudio a posteriori de un evento de interés. Episodios off-line: Muestra los datos tanto de sensores como de los modelos hidrológicos en episodios que se consideran de interés, con el objetivo de validar el sistema y analizar los resultados que dio el software en dichos episodios. Gestión de sensores: Permite definir los sensores integrados en el sistema y sus umbrales de alerta. Se muestra un ejemplo en la Figura 4.
Figura 4. Vista del módulo Gestión de sensores. En ella se pueden definir los umbrales de alerta para cada sensor que registra una variable determinada. Gestión de puntos de control: Permite definir los umbrales de alerta para cada punto de interés de la cuenca del río Mapocho. En estos puntos se calcularán las alertas a partir de la salida de los modelos hidrológicos. Parámetros del modelo: Permite definir los distintos parámetros de los modelos hidrológicos. Importación/exportación: Permite la importación y exportación de datos de sensores. Administración: Permite modificar la información general del software de alerta. 3. Modelización hidrológica Como se ha mencionado anteriormente el módulo de simulación cuenta con dos modelos hidrológicos, uno de transporte de caudales y otro hidrometeorológico de precipitaciónescorrentía y fusión de nieve. En el caso del modelo hidrometeorológico el módulo de simulación toma como datos de entrada los resultados del módulo de generación de campos raster (pluviometría y temperatura) y ejecuta la modelización hidrológica, obteniendo como resultado los caudales simulados en los puntos de control establecidos en dicho modelo. Este modelo hidrometerológico realiza una transformación lluvia-escorrentía y un derretimiento de nieve. La generación de caudales circulantes en el Parque Fluvial Padre Renato Poblete, considerado como punto de desagüe o concentración de la cuenca del río Mapocho en este estudio, comienza al producirse una determinada precipitación sobre el conjunto de la cuenca. Dicha precipitación se puede producir en forma líquida o sólida, de la primera se encarga de simularla el módulo Precipitation de HEC-HMS, mientras que de la precipitación en forma de nieve se encarga el módulo Snowmelt de HEC-HMS (Fattorelli y Fernández, 2011), que determina la fusión de nieve en base a la temperatura del aire. En efecto, en la cuenca del río Mapocho, la nieve es un contribuyente principal al caudal de agua circulante
por los cauces fluviales en determinadas épocas del año. La precipitación en forma sólida sobre una cuenca origina un desfase de régimen de caudales respecto al de precipitaciones, debido a la acumulación que se produce, en forma de nieve, en los meses fríos y al proceso de fusión de la misma que se produce en los meses cálidos. Este proceso de fusión, en determinadas circunstancias, se puede desarrollar de manera rápida, dando lugar a hidrogramas de avenida. Para la realización del modelo hidrometeorológico se siguieron los siguientes pasos: - Conceptualización de la cuenca: se dividió la cuenca vertiente del río Mapocho en unidades más pequeñas o subcuencas. Se establecieron una serie de puntos de control en confluencias de cursos de agua y en estaciones de aforo. - Estudio pluviométrico y generación tormenta de diseño: La tormenta de diseño es un episodio de precipitación de tipo sintético, que reproduce los efectos más desfavorables, estadísticamente, con vista a la formación de avenidas dentro del modelo diseñado. Partiendo de la información pluviométrica suministrada por la Dirección General de Aguas del Ministerio de Obras Públicas se elaboró la tormenta de diseño, que sirvió para fijar umbrales de alerta de caudal para cada período de retorno. - Generación del número de curva (CN): este método establecido por el Soil Concervation Service del Departamento de Agricultura de los estados Unidos representa el comportamiento hidrológico del terreno frente a la precipitación. Para su determinación se emplearon herramientas SIG, generando mapas de pendientes a partir del modelo digital de elevaciones, mapas de tipo de suelo gracias a la información geológica contenida en el Mapa Geológico de Chile a escala 1:1.000.000 en formato SIG elaborado por el Servicio Nacional de Geología y Minería (SERNAGEOMIN), y mapas de uso de suelo a partir de información SIG del Sistema de Información Territorial CONAF (Corporación Nacional Forestal). - Aplicación del método de la Onda Cinemática al tránsito de hidrogramas: representa idóneamente el tránsito de hidrogramas a lo largo de los tramos de cauce de la cuenca del río Mapocho debido a que los tramos de cauce considerados tienen pendientes mayores del 2. - Modelo de fusión de nieve: para implementar dicho modelo se procedió primeramente a dividir cada subcuenca en bandas de altura cada 500 m, y a estimar la extensión del manto de nieve en la cuenca nival del río Mapocho a partir de productos de cobertura de nieve MODIS/Terra Snow Cover Monthly L3 Global 0.05Deg CMG (MOD10CM) de MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) a través del National Snow and Ice Data Center (NSIDC) de la NASA EEUU., y se determinó el equivalente en agua (SWE) del manto de nieve existente en la cuenca que permite estimar el volumen de agua almacenado. La calibración y validación del modelo, se llevó a cabo con episodios de lluvia históricos registrados en la cuenca del río Mapocho.
Paralelamente al anterior modelo corre el modelo de transporte que toma como datos los valores de caudal proporcionados por la SCADA y ejecuta con ellos la modelización generando como resultado el transporte de los hidrogramas de entrada a lo largo del modelo. Para le realización del modelo de transporte se siguieron los siguientes pasos: - Conceptualización de la cuenca: se adaptó la conceptualización del modelo hidrometeorológico para el caso de transporte, en este caso los datos de entrada al modelo son los registros de aforo de las estaciones de Arrayán en La Montosa y Mapocho en Los Almendros. Los caudales registrados en las estaciones fluviométricas son transportados por sendos tramos de cauce (se produce el tránsito del hidrograma). Estos caudales se suman en la junta de ambos tramos. Desde dicha unión estos caudales serían transportados directamente hasta el inicio del Parque Fluvial. - Aplicación del método de la Onda Cinemática al tránsito de hidrogramas: al igual que en el modelo hidrometerológico este método representa idóneamente el tránsito de hidrogramas a lo largo de los tramos de cauce de la cuenca del río Mapocho. Agradecimientos Dirección General de Aguas. Ministerio de Obras Públicas. Chile. National Snow and Ice Data Center (NSIDC) de la NASA EEUU, (Hall, D. K., V. V. Salomonson, and G. A. Riggs. Boulder, Colorado USA, NSIDC). Referencias Fattorelli, S, and Fernández, P.C. 2011. Diseño Hidrológico. 7. Modelo HEC-HMS con el algoritmo SMA (Soil Moisture Accounting) de simulación continua y fusión de nieve, 297-319. HEC (2010) Hydrologic Modeling System HEC-HMS. User s Manual Version 3.5. Rodríguez A., X. Llort, D. Sancho, R. Sánchez-Diezma, R. Bella y V. Gómez, 2014: Hidromet: A Cloud-based EWS platform for real time urban flooding warning. Proceedings of the 11 th International Conference on Hydroinformatics HIC 2014, New York City, USA. ISBN: 978-0-692-28129-1. Scharffenberf, W.A. and Fleming, M.J. 2010. Hydrologic Modeling System HEC-HMS. User s Manual, 205, 221-229.