IMPLANTACIÓN DE MODELOS DE PREVISIÓN BASADOS EN...

II Jornadas sobre “los sistemas de ayuda a la decisión ante problemas hidráulicos e hidrológicos en tiempo real”.

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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 3. 28005 MADRID. e-mail: [email protected]

web: http://hercules.cedex.es/hidraulica

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.

mailto:[email protected]

http://hercules.cedex.es/hidraulica


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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.

2.1. 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.


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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.

2.2. 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.


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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.


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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


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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


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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).


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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.


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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.

3.1. 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.

3.1.1. 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.


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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.

3.1.2. 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


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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.


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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.

4.1. 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


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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


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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).


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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


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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.

7.1. Proyectos I+D

7.1.1. 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 1998-

2000 (entidad financiadora: Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología,

programa: Programa Nacional de Recursos Hídricos, referencia: HID98-1120-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 2000-2003 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:

REN2000-0337-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


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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: 2004-2006, financiado

nuevamente por el Ministerio de Ciencia y Tecnología dentro del Programa Nacional

de Recursos Naturales (referencia: REN2003-09021-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


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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.

7.1.2. 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° EVK1 – 2002 – 00509.

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: http://www.woisydes.net/

http://www.woisydes.net/


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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-2002-60012

También esta actuación tiene su página web: http://www.balwois.net/

El CEDEX participa en este proyecto como miembro del Comité Organizador y con

comunicaciones al congreso.

7.2. 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.

7.2.1. 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.

7.3. 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

http://www.balwois.net/


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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).

7.3.1. 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.


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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; 1996. “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. 235.

– 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 104. 1996.

– Ulrich Wolf-Schumann y Stefan Vailant; 1996. “Time View: a time series management system for

GIS and hydrological systems”. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and


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Water Resource Management. International Assotiation of Hydrological Sciences (IAHS). IAHS

publication no. 235.

– Angel Luis Aldana Valverde; 1998: “Sistemas de ayuda en la explotación de un SAIH.”. ISBN 84-

498-0379-9. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas. Madrid: Ministerio de

Fomento. Centro de Publicaciones.1998.

– 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 2003. (Recopilación de comunicaciones españolas al XI Congreso

mundial del agua. La gestión de los recursos hídricos en el siglo XXI. 5-9 octubre 2003. Madrid.)

– Montserrat Ferrer i Juliá; 2003. “Análisis de nuevas fuentes de datos para la estimación del

parámetro número de curva: perfiles de suelos y teledetección“. Cuadernos de Investigación ,

C48 , ISSN: 0211-6499. CEDEX.

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