Operación de presas y embalses
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1 Operación de presas y embalses en situaciones de crecida Angel Luis Aldana Valverde Consultor OMM Coordinador de PROHIMET (http://www.prohimet.org) [email protected]
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Operación de presas y embalses en situaciones de crecida
Angel Luis Aldana Valverde
Consultor OMM
Coordinador de PROHIMET (http://www.prohimet.org)
2
Operación de embalses
o Búsqueda de soluciones n Previas
o Reglas de operación o Política de resguardos
n Operacionales o Información disponible
n Datos de entrada § Sistema de telemedida § Previsión meteorológica § Previsión hidrológica
o Horizonte temporal n Magnitud del hidrograma de entrada
o Margen de maniobra
3
Operación de embalses.- Planteamiento del problema
o Se trata de un proceso continuo de toma de decisiones para la determinación de niveles de embalses y desagüe de caudales.
o La operación estará basada en una política de explotación que serán concretadas en unas reglas que definirán una planificación estratégica (normas de explotación)
o Todo ello irá siendo condicionado por unas decisiones que se irán tomando relativas a la explotación del embalse y que concretarán aún más los resguardos con que se afronte una crecida.
o Decisión en función de la información disponible n Evolución pasada y previsión de entrada n Situación del embalse
o Horizonte temporal de la decisión n Largo: meses – clima – año hidrológico – normas n Medio: semanas/días – meteorología (¿+ hidrología?) n Corto: días/horas – hidrología (¿+meteorología?)
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Condicionantes específicos
o Objetivos: n Seguridad de la presa. n Daños aguas arriba por sobreelevación de la lámina
o por inundación o o por efecto sobre la curva de remanso.
n Daños aguas abajo consecuencia del desagüe. n Asegurar un volumen mínimo al final de la avenida para su explotación normal
(abastecimiento, riegos, energía eléctrica,...) o Variables:
n Nivel de embalse n Caudal de salida n Volumen
o Limitaciones: n Velocidad de maniobra de compuertas,
o por razones mecánicas o o para evitar efectos sorpresa aguas abajo,
n Velocidad de elevación del nivel de agua o para evitar posibles deslizamientos de ladera o o para evitar efectos sorpresa aguas arriba,
o Condiciones: n volumen de embalse destinado a la laminación (resguardo) existente en ese momento, n umbrales de caudales y niveles en puntos de afección
5
Conclusiones del análisis bibliográfico
o Dificultades para definir el problema n Incorporación del usuario o sujeto decisor n Algunos casos de definición en términos económicos
o Simulación y optimización n Método heurísticos: simulaciones y obtención de reglas n Optimización
o Definición de función objetivo o Métodos basados en penalizaciones y restricciones o Construcción automática de la definición numérica del problema
n Ej: SIPROP
o Síntesis de resultados n Ej: Maniobras triangulares
o El problema de la linearización o Complejidad de cálculo y métodos computacionales o La incertidumbre de las entradas al sistema
n Lógica difusa para el tratamiento de la incertidumbre y la ambigüedad
o Aplicación de soluciones de laboratorio en situaciones reales o Participación de los agentes involucrados en el proceso de modelación
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Normas de explotación
o El artículo 5.7 del Reglamento Técnico de Seguridad de Presas y Embalses (1996, España) fija que en las Normas de Explotación de la presa y embalse, de obligada elaboración, se establecerá como mínimo lo siguiente: n Los niveles máximos y mínimos admitidos en el embalse para cada época
del año. n La velocidad máxima de variación del nivel de embalse admisible,
especialmente si existen riesgos de inestabilidad en las laderas y en las presas de materiales sueltos.
n Los resguardos convenientes en el embalse durante épocas de riesgo de avenidas.
n Las normas para accionamiento de compuertas en caso de avenidas. n Las precauciones a adoptar para evitar la evacuación intempestiva de
caudales que pudieran ocasionar daños aguas abajo de la presa. n Los sistemas de alarma y accionamiento.
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SIPROP- Operación de embalses (I)
o SIPROP: Simulación, previsión y operación de embalses n Una solución para su uso en operación con datos en
tiempo real (nivel, caudal de salida y previsión de entrada)
o Operación programada de embalse por compatibilidad de criterios y objetivos
o Maniobras predefinidas n Grado de apertura constante n Salida constante n Todo abierto n Todo cerrado
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SIPROP- Operación de embalse (III)
o Búsqueda de una solución:
n que sea compatible con un conjunto de criterios y objetivos
n con posibilidad de ajustarse a una programación de movimientos o cambios en las posiciones de válvulas y compuertas
n que sea realista, admitiendo limitaciones y restricciones que pueda encontrar el responsable de la operación de embalse
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SIPROP- Operación de embalse (IV)
o Herramienta interactiva que exige al usuario:
n ponderación de la importancia relativa de cada suceso
n cuantificación de los objetivos de explotación (utilizados en el módulo de gestión óptima de embalses de la aplicación CREM):
o Nivel máximo objetivo - seguridad estructural de la presa
o Caudal de salida máximo objetivo - afecciones aguas abajo
o Volumen mínimo objetivo - garantía mínima
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SIPROP- Operación de embalse (V)
o Formulación del problema de modo que también se trate de evitar:
n La variación brusca del nivel de embalse – riesgos de
deslizamientos de laderas o estabilidad de presas de materiales sueltos
n La variación brusca del caudal de salida - evitar el efecto sorpresa de una repentina subida del nivel de las aguas en el río aguas abajo de la presa
n El vertido y la pérdida de agua – pérdida de agua innecesaria
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Operación programada de embalse (IV)
o Este planteamiento da lugar a una solución basada en la penalización de sucesos:
Función de penalización
El problema numérico es la minimización de dicha función
VSNQSVVarNVarSp FFFFFFF +++++=
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Operación programada de embalse (V)
o donde cada término es:
penalización de variación del caudal de salida (QSi)
penalización de la variación del nivel de embalse (Ni)
∑+
+=−−=
pn
niiiVarSVarS QSQSCF
11*
∑+
+=−−=
pn
niiiVarNVarN NNCF
11*
13
Operación programada de embalse (VI)
penalización por no almacenar un volumen igual o superior a Vobj en el intervalo último n+p
penalización por superar el caudal máximo objetivo QSobj según criterio de persistencia o de máxima diferencia
( ){ }pnobjVV VVCF +−= *,0max
{ }
{ }{ }⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
++=−
−
=
∑+
+
pnniQSQSCó
QSQSC
F
objiQS
obji
pn
nQS
QS
,...,1;max,0max*
,0max*1=i
14
Operación programada de embalse (VII)
penalización por superar el nivel máximo objetivo Nobj según criterio de persistencia o de máxima diferencia.
penalización por vertido y pérdida de agua
{ }
{ }{ }⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
++=−
−
=
∑+
+
pnniNNCó
NNC
F
objiN
obji
pn
nN
N
,...,1;max,0max*
,0max*1=i
∑+
=
=pn
niiVSVS QSCF *
15
SIPROP- Operación de embalses
o La aplicación construye la definición numérica del problema en función de unas indicaciones del usuario y le ofrece una solución que trata de compatibilizar sus objetivos, criterios y ponderaciones
16
SIPROP- Operación de embalses con dos presas
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Análisis de operación con maniobras triangulares
Tiempo
Ape
rtura
(%)
Inicio Cambio Cierre
o Una solución para el análisis previo de posibilidades de operación n Facilidad de interpretación de resultados n Representación de los aspectos principales de la decisión
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Equivalencia de maniobras
o Condición: iguales volúmenes entre tiempos característicos (con valores puntas simulares) n Las puntas resultantes pueden tener pequeñas
diferencias
Tiempo
Ape
rtura
(%)
Inicio
Cambio
Cierre
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Envolventes: supuestos
o En lo que sigue, se va a suponer una presa caracterizada por: n Altura=70 m. Volumen= 200 hm3 n Aliviadero que desagua 2000 m3/s con una sobreelevación de 4 m n Desagüe (caudal 0)
o Y unas maniobras que se caracterizan por (ambos tiempo a medir desde el instante cero) n Inicio = 6 horas n Cierre = 96 horas n Pudiendo variar el cambio y la apertura.
o La entrada al embalse estará definido por un hidrograma tipo SCS con diferentes caudales punta y con: n Tiempo de punta = 12 horas n Duración = 96 horas
Ent
rada
con
pun
ta =
200
0 m
3 /s Hidrogramas de salida (apertura-cambio)
0
500
1000
1500
2000
2500
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Instante (h)
Salid
a (m
3/s)
25 12 50 12 75 12 100 12100 18 100 24 100 54 100 9075 90 50 90 25 90 EntradaMáximos Salida (abierto)
Niveles de embalse (apertura-cambio)
0
2
4
6
8
10
12
14
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Instante (h)
Niv
el (m
)
0 12 25 12 50 12 75 12100 12 100 18 100 24 100 54100 90 75 90 50 90 25 90Máximos Nivel todo abierto
20
Laminación
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
QSM
ax/Q
EMax
(%)
Instante (h)
Valores punta e instantes de presentación (QEMax=600)
Cambio 12 Apertura 100 Cambio 90
Cambio hora 12, apertura 100 %
Cambio hora 90, apertura 100 %
Cambio hora 12, apertura 5 %
Cambio hora 90, apertura 5 %
21
Sobreelevaciones
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Sob/
SobQ
S0 (%
)
Instante (h)
Valores punta e instantes de presentación (QEMax=600)
Cambio 12 Apertura 100 Cambio 90
Apertura 0 %
Cambio hora 90, apertura 100 %
Cambio hora 12, apertura 100 %
22
Relaciones entre puntas
Apertura 0 %
Cambio hora 90, apertura 100 %
Cambio hora 12, apertura 100 %
23
Área de maniobra compatible con objetivos
Sob QS0=3.82 m, Max Qs operación=2.5 m (65%) QE = 600 m3/s, QS Max operación = 420 m3/s (70%)
24
Ejemplo de solución Sob QS0=3.82 m, Max Qs operación=2.5 m (65%)
QE = 600 m3/s, QS Max operación = 420 m3/s (70%)
Cambio = 30 h, apertura = 75 % Sobreelevación = 2.21 m (57%) Salida máx = 333 m3/s (55 %)
25
Ejemplo de solución
195.0
200.0
205.0
210.0
215.0
220.0
225.0
69.50
70.00
70.50
71.00
71.50
72.00
72.50
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108
hm3
m
Instante (h)
Nivel (m) H inicial H vertido
H máximo H mínimo V (hm3)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
600.0
700.0
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108
hm3
m3/
s
Instante (h)Q entrada (m3/s) Q salida (m3/s)Q s posible (m3/s) V - V inicial (hm3)Ve acum (hm3) Vs acum (hm3)
Solución: Cambio = 30 h, apertura = 75 % Resultado: Sobreelevación = 2.21 m (57%), Salida máx = 333 m3/s (55 %)
26
Maniobra análoga
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
0 20 40 60 80 100 120Horas
198.0200.0202.0204.0206.0208.0210.0212.0214.0216.0218.0220.0
69.50
70.00
70.50
71.00
71.50
72.00
72.50
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108
hm3
m
Instante (h)
Nivel (m) H inicial H vertido
H máximo H mínimo V (hm3)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
0.0
100.0
200.0
300.0
400.0
500.0
600.0
700.0
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108
hm3
m3/
s
Instante (h)Q entrada (m3/s) Q salida (m3/s)Q s posible (m3/s) V - V inicial (hm3)Ve acum (hm3) Vs acum (hm3)
27
Envolventes para instantes
o Al imponer un nivel máximo, el margen de maniobra se reduce, a la vez que las posibilidades de laminación
o La laminación es menor para caudales mayores
Valores punta e instantes de presentación
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Instante (h)
Sob/
SobQ
S0 (%
)
300 600 1200 2000
Valores punta e instantes de presentación
0
20
40
60
80
100
120
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Instante (h)
QSM
ax/Q
EMax
(%)
300 600 1200 2000
28
Envolventes para puntas
o Mayor sobreelevación para mejor laminación o Hay mayor margen de decisión en el tiempo de punta
de caudal de salida y menor para el de nivel o El nivel máximo admisible también limita la
posibilidad de laminación
Relaciones entre puntas
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0 20 40 60 80 100 120
QS/QE (%)
Sob/
SobQ
S0 (%
)
300 600 1200 2000
Relación entre presentación de puntas
0.00
12.00
24.00
36.00
48.00
60.00
72.00
84.00
96.00
0.00 12.00 24.00 36.00 48.00 60.00 72.00 84.00 96.00
T QSMax (h)
T NM
ax (h
)
300 600 1200 2000
29
Envolventes para un caudal punta de entrada
Valores punta e instantes de presentación (QEMax=600)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Instante (h)
QSM
ax/Q
EMax
(%)
Cambio 12 Apertura 100 Cambio 90
Valores punta e instantes de presentación (QEMax=600)
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
Instante (h)
Sob/
SobQ
S0 (%
)
Cambio 12 Apertura 100 Cambio 90
Relaciones entre puntas
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0 20 40 60 80 100
QS/QE (%)
Sob/
SobQ
S0 (%
)
Cambio 12 Apertura 100 Cambio 90
Relación entre presentación de puntas (QEMax=600)
0
12
24
36
48
60
72
84
96
0 12 24 36 48 60 72 84 96T QSMax (h)
T N
Max
(h)
Cambio 12 Apertura 100 Cambio 90
o Fijado un nivel máximo, el desagüe no puede retrasarse
o Retrasar el desagüe impone sobreelevaciones mayores
o Si se abre rápido ambas puntas se alcanzan igualmente pronto
o Hay que maniobrar para reducir caudal punta, pero a costa de mayores sobreelevaciones
30
Operación de presas en serie
o Maniobras representativas n 1A-2A .- Las dos presas tienen todo abierto desde el inicio
del evento analizado. n 1A-2C.- Presa 1 con todo abierto y la 2 con todo cerrado n 1I-2I.- Ambas presas abren inmediatamente (inicio=6 h) n 1I-2F.- Se adelanta la primera y retrasa la segunda. n 1F-2I.- Se retrasa la primera y adelanta la segunda. n 1F-2F.- Se demora el cambio de ambas n 1M-2I.- Se ajusta la maniobra de máximo desagüe y mínima
sobreelevación en la 1 y se adelanta la segunda n 1M-2F.- Presa 1 con máximo desagüe y retardo en el cambio
de la 2. n 1M-2M.- Ambas presas se operan de tal modo que para cada
una de ellas se logra el máximo desagüe y la mínima sobreelevación.
31
Presas en serie. Ilustración de resultados
Salidas de embalse 1
0
100
200
300
400
500
600
0 12 24 36 48 60 72 84 96
Intervalo (h)
m3/
s
1A 1I 1F 1M Entrada
32
Presas en serie. Ilustración de resultados
Salidas de embalse 2
0
100
200
300
400
500
600
0 12 24 36 48 60 72 84 96
Intervalo (h)
m3/
s
1A-2A 1A-2C 1I-2I 1I-2F 1F-2I 1F-2F 1M-2I 1M-2F 1M-2M
33
Presas en serie. Ilustración de resultados
Niveles de embalse 2
70
70.5
71
71.5
72
72.5
73
73.5
74
0 12 24 36 48 60 72 84 96
Intervalo (h)
m
1A-2A 1A-2C 1I-2I 1I-2F 1F-2I 1F-2F 1M-2I 1M-2F 1M-2M
34
Presas en series. Síntesis
Orden Q (1M-2M, 1A-2A, 1M-2I, 1I-2I, 1M-2F, 1I-2F, 1F-2F, 1F-2I, 1A-2C)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0QS2max/QE1 (%)
Sob2
/Sob
2QS2
0 (%
)
300 600 1200 2000
Orden Sob2 (1F-2I, 1A-2A, 1I-2I, 1M-2I, 1M-2M, 1F-2F, 1I-2F, 1M-2F, 1A-2C)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0QSMax2/QE1(%)
Sob2
/Sob
2QS2
0 (%
)
300 600 1200 2000
35
Sistema Talave-Camarillas
CAMARILLASTALAVE
o Se incluye la propagación del hidrograma entra las dos presas o La representación de presas y embalses son aproximadas
36
Posibilidad de generar caudales mayores a los de entrada
Talave
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48
Horas
m3/s
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
m
Qe (m3/s) QS QSMax QSMin Sobreelevación (m)
Camarillas
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48
Horas
m3/s
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
m
QS1prop+Qe2 (m3/s) QS QSMax QSMin Sobreelevación (m)
37
Retraso del cambio
Talave
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48
Horas
m3/s
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
m
Qe (m3/s) QS QSMax QSMin Sobreelevación (m)
o Si se retrasa el cambio, aumentan las sobreelevaciones sin cambios significativos en los caudales de salida, aunque se evita que el caudal de salida en Talave supere al de entrada
Camarillas
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48
Horasm3/s
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
m
QS1prop+Qe2 (m3/s) QS QSMax QSMin Sobreelevación (m)
38
Ventajas de la reducción de la apertura
o Si se reduce la apertura y ésta se produce sin retraso, se logran importantes ventajas, con una mayor laminación sin un aumento de sobreelevación significativo.
Talave
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48
Horas
m3/s
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
m
Qe (m3/s) QS QSMax QSMin Sobreelevación (m)
Camarillas
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48
Horas
m3/s
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
m
QS1prop+Qe2 (m3/s) QS QSMax QSMin Sobreelevación (m)
39
Herramientas basadas en hojas de cálculo
40
Conclusiones
o Son necesarios estudios básicos o Hay que diferenciar entre métodos y herramientas
para los estudios previos de aquellas destinadas a uso en operación
o Enfoques en función de los horizontes temporales de decisión y de previsión
o El margen de maniobra se reduce con la magnitud de la avenida
o Hay grandes posibilidades de gestión de información en tiempo real gracias a los avances de las TIC
o Existen herramientas informáticas de apoyo o Hay que evitar la improvisación con la elaboración
previa de normas de explotación y protocolos, que deberán mantenerse a punto como el resto de recursos
