Gestión óptima de embalses en avenidas incorporando al concepto de incertidumbre : aplicación a embalses con central hidroeléctrica

Esta tesis realiza una contribución metodológica al problema de la gestión óptima de embalses hidroeléctricos durante eventos de avenidas, considerando un enfoque estocástico y multiobjetivo. Para ello se propone una metodología de evaluación de estrategias de laminación en un contexto probabilístico y multiobjetivo. Además se desarrolla un entorno dinámico de laminación en tiempo real con pronósticos que combina un modelo de optimización y algoritmos de simulación. Estas herramientas asisten a los gestores de las presas en la toma de decisión respecto de cuál es la operación más adecuada del embalse. Luego de una detallada revisión de la bibliografía, se observó que los trabajos en el ámbito de la gestión óptima de embalses en avenidas utilizan, en general, un número reducido de series de caudales o hidrogramas para caracterizar los posibles escenarios. Limitando el funcionamiento satisfactorio de un modelo determinado a situaciones hidrológicas similares. Por otra parte, la mayoría de estudios disponibles en este ámbito abordan el problema de la laminación en embalses multipropósito durante la temporada de avenidas, con varios meses de duración. Estas características difieren de la realidad de la gestión de embalses en España. Con los avances computacionales en materia de gestión de información en tiempo real, se observó una tendencia a la implementación de herramientas de operación en tiempo real con pronósticos para determinar la operación a corto plazo (involucrando el control de avenidas). La metodología de evaluación de estrategias propuesta en esta tesis se basa en determinar el comportamiento de éstas frente a un espectro de avenidas características de la solicitación hidrológica. Con ese fin, se combina un sistema de evaluación mediante indicadores y un entorno de generación estocástica de avenidas, obteniéndose un sistema implícitamente estocástico. El sistema de evaluación consta de tres etapas: caracterización, síntesis y comparación, a fin de poder manejar la compleja estructura de datos resultante y realizar la evaluación. En la primera etapa se definen variables de caracterización, vinculadas a los aspectos que se quieren evaluar (seguridad de la presa, control de inundaciones, generación de energía, etc.). Estas variables caracterizan el comportamiento del modelo para un aspecto y evento determinado. En la segunda etapa, la información de estas variables se sintetiza en un conjunto de indicadores, lo más reducido posible. Finalmente, la comparación se lleva a cabo a partir de la comparación de esos indicadores, bien sea mediante la agregación de dichos objetivos en un indicador único, o bien mediante la aplicación del criterio de dominancia de Pareto obteniéndose un conjunto de soluciones aptas. Esta metodología se aplicó para calibrar los parámetros de un modelo de optimización de embalse en laminación y su comparación con otra regla de operación, mediante el enfoque por agregación. Luego se amplió la metodología para evaluar y comparar reglas de operación existentes para el control de avenidas en embalses hidroeléctricos, utilizando el criterio de dominancia. La versatilidad de la metodología permite otras aplicaciones, tales como la determinación de niveles o volúmenes de seguridad, o la selección de las dimensiones del aliviadero entre varias alternativas. Por su parte, el entorno dinámico de laminación al presentar un enfoque combinado de optimización-simulación, permite aprovechar las ventajas de ambos tipos de modelos, facilitando la interacción con los operadores de las presas. Se mejoran los resultados respecto de los obtenidos con una regla de operación reactiva, aun cuando los pronósticos se desvían considerablemente del hidrograma real. Esto contribuye a reducir la tan mencionada brecha entre el desarrollo teórico y la aplicación práctica asociada a los modelos de gestión óptima de embalses. This thesis presents a methodological contribution to address the problem about how to operate a hydropower reservoir during floods in order to achieve an optimal management considering a multiobjective and stochastic approach. A methodology is proposed to assess the flood control strategies in a multiobjective and probabilistic framework. Additionally, a dynamic flood control environ was developed for real-time operation, including forecasts. This dynamic platform combines simulation and optimization models. These tools may assist to dam managers in the decision making process, regarding the most appropriate reservoir operation to be implemented. After a detailed review of the bibliography, it was observed that most of the existing studies in the sphere of flood control reservoir operation consider a reduce number of hydrographs to characterize the reservoir inflows. Consequently, the adequate functioning of a certain strategy may be limited to similar hydrologic scenarios. In the other hand, most of the works in this context tackle the problem of multipurpose flood control operation considering the entire flood season, lasting some months. These considerations differ from the real necessity in the Spanish context. The implementation of real-time reservoir operation is gaining popularity due to computational advances and improvements in real-time data management. The methodology proposed in this thesis for assessing the strategies is based on determining their behavior for a wide range of floods, which are representative of the hydrological forcing of the dam. An evaluation algorithm is combined with a stochastic flood generation system to obtain an implicit stochastic analysis framework. The evaluation system consists in three stages: characterizing, synthesizing and comparing, in order to handle the complex structure of results and, finally, conduct the evaluation process. In the first stage some characterization variables are defined. These variables should be related to the different aspects to be evaluated (such as dam safety, flood protection, hydropower, etc.). Each of these variables characterizes the behavior of a certain operating strategy for a given aspect and event. In the second stage this information is synthesized obtaining a reduced group of indicators or objective functions. Finally, the indicators are compared by means of an aggregated approach or by a dominance criterion approach. In the first case, a single optimum solution may be achieved. However in the second case, a set of good solutions is obtained. This methodology was applied for calibrating the parameters of a flood control model and to compare it with other operating policy, using an aggregated method. After that, the methodology was extent to assess and compared some existing hydropower reservoir flood control operation, considering the Pareto approach. The versatility of the method allows many other applications, such as determining the safety levels, defining the spillways characteristics, among others. The dynamic framework for flood control combines optimization and simulation models, exploiting the advantages of both techniques. This facilitates the interaction between dam operators and the model. Improvements are obtained applying this system when compared with a reactive operating policy, even if the forecasts deviate significantly from the observed hydrograph. This approach contributes to reduce the gap between the theoretical development in the field of reservoir management and its practical applications

Inclusión en modelos de riesgo de presas de una metodología de estimación hidrológica basada en técnicas de Monte Carlo

En este estudio se aplica una metodología de obtención de las leyes de frecuencia derivadas (de caudales máximo vertidos y niveles máximos alcanzados) en un entorno de simulaciones de Monte Carlo, para su inclusión en un modelo de análisis de riesgo de presas. Se compara su comportamiento respecto del uso de leyes de frecuencia obtenidas con las técnicas tradicionalmente utilizadas

Comparación de estrategias de laminación en embalses hidroeléctricos

En el artículo se presenta un entorno sistemático que facilita la comparación de las estrategias de laminación, evaluando su comportamiento general para un conjunto amplio de solicitaciones hidrológicas

Metodología de evaluación de las reglas de operación de embalses en avenidas

El avance de la presión antrópica sobre las márgenes de los cauces, y la creciente dificultad técnica, política y social para ejecutar nuevos proyectos de grandes presas, promueve la necesidad de utilizar más eficientemente los sistemas de control de avenidas existentes. En el presente trabajo se presenta una metodología de análisis para evaluar y comparar las estrategias de gestión de embalses, considerando su operación individual, a fin de establecer la más adecuada. En particular se comparan dos modos de gestión ante situación de avenidas: el Método de Evaluación Volumétrica (MEV) desarrollado por Girón (1988), de amplia difusión en España, y un modelo de optimización de la gestión mediante Programación Lineal Entera Mixta (PLEM). Para ello se ha implementado un entorno de cálculo con estructura modular. El primer módulo permite generar un conjunto representativo de hidrogramas de entrada a los embalses mediante simulación de Monte Carlo. Luego, dos módulos que funcionan en paralelo simulan la gestión del embalse según las dos estrategias mencionadas (MEV y PLEM). Finalmente, se evalúa el comportamiento de ambas estrategias ante el conjunto de solicitaciones hidrológicas generado. Se propone el empleo del Índice de Riesgo Global (I1), que pondera el resultado de la estrategia de gestión frente a un conjunto de hidrogramas de solicitación. Dicho indicador tiene en cuenta el daño esperado debido a los caudales máximos vertidos y el riesgo para la presa debido a los niveles máximos alcanzados en el embalse. Para ello se analiza la función de distribución de probabilidad de las dos variables (máximo caudal vertido y máximo nivel alcanzado) para la población de hidrogramas analizada. El modelo PLEM se calibra empleando el índice I1. Este mismo índice es utilizado para comparar ambas estrategias, entendiendo como la más adecuada aquella que tenga asociado el menor I1. Este sistema de análisis se aplicó a tres embalses de la cuenca del río Segura, con diferentes características en lo referente al tipo y capacidad de aliviadero, volumen de embalse y de resguardo. En los tres casos se han obtenido mejores resultados con el modelo PLEM que con el modelo MEV, tanto en lo concerniente a caudales máximos vertidos como a los niveles máximos alcanzados, para todo el rango de avenidas analizado. Sin embargo, la diferencia entre ambas estrategias no es muy significativa y el MEV presenta características que lo hacen más adecuado para su empleo en tiempo rea

Risk-based methodology for parameter calibration of a reservoir flood control model

Flash floods are of major relevance in natural disaster management in the Mediterranean region. In many cases, the damaging effects of flash floods can be mitigated by adequate management of flood control reservoirs. This requires the development of suitable models for optimal operation of reservoirs. A probabilistic methodology for calibrating the parameters of a reservoir flood control model (RFCM) that takes into account the stochastic variability of flood events is presented. This study addresses the crucial problem of operating reservoirs during flood events, considering downstream river damages and dam failure risk as conflicting operation criteria. These two criteria are aggregated into a single objective of total expected damages from both the maximum released flows and stored volumes (overall risk index). For each selected parameter set the RFCM is run under a wide range of hydrologic loads (determined through Monte Carlo simulation). The optimal parameter set is obtained through the overall risk index (balanced solution) and then compared with other solutions of the Pareto front. The proposed methodology is implemented at three different reservoirs in the southeast of Spain. The results obtained show that the balanced solution offers a good compromise between the two main objectives of reservoir flood control managemen

Evaluation/Optimization of reservoir operation rules for flood management using an integrated hydrologic-hydraulic framework

Se ha presentado la evaluación y optimización de las reglas de operación de un embalse para gestión de avenidas usando un entorno integrado hidrológico- hidráulico de tipo Monte Carlo. Some reservoirs play a major role in flood protection, managing the floods and reducing or delaying the peak discharges in the river downstream. However, the changing environment (natural and anthropological changes) requires the development of more elaborated strategies for reservoir operation. Three factors are relevant: 1) the natural variability of inflow hydrographs, 2) the competition for reservoir storage capacity between flood control and other uses, and 3) the existence of built-up areas on downstream river reaches. A framework for evaluation/optimization of reservoir operation rules for flood management in a changing environment is presented in this study. The study was carried out using an integrated hydrologic – hydraulic model in a Monte Carlo framework

A Parametric Flood Control Method for Dams with Gate-Controlled Spillways

The study presents a method which can be used to define real-time operation rules for gated spillways (named the K-Method). The K-Method is defined to improve the performance of the Volumetric Evaluation Method (VEM), by adapting it to the particular conditions of the basin, the reservoir, or the spillway. The VEM was proposed by the Spanish engineer Fernando Girón in 1988 and is largely used for the specification of dam management rules during floods in Spain. This method states that outflows are lower than or equal to antecedent inflows, outflows increase when inflows increase, and the higher the reservoir level, the higher the percentage of outflow increase. The K-Method was developed by modifying the VEM and by including a K parameter which affects the released flows. A Monte Carlo environment was developed to evaluate the method under a wide range of inflow conditions (100,000 hydrographs) and with return periods ranging from one to 10,000 years. The methodology was applied to the Talave reservoir, located in the South-East of Spain. The results show that K-values higher than one always reduce the maximum reservoir levels reached in the dam. For K-values ranging from one to ten, and for inflow hydrographs with return periods higher than 100 years, we found a decrease in the maximum levels and outflows, when compared to the VEM. Finally, by carrying out a dam risk analysis, a K-value of 5.25 reduced the expected annual damage by 8.4% compared to the VEM, which represents a lowering of 17.3% of the maximum possible reduction, determined by the application of an optimizer based on mixed integer linear programming (MILP method)

Assessment of droughts at a continental scale under different climate change scenarios. Case study: La Plata Basin

In this study, we characterized and diagnosed the droughts across La Plata Basin for the reference (1961 - 2005) and future (2007 - 2040, 2041 - 2070 and 2071 - 2099) scenarios. La Plata Basin is located in the Centre-South of South America and comprises 3.174.229 km2 and five countries. Despite the significant impact of droughts on agriculture, cattle, water supply, natural water courses and wetlands, droughts are still difficult to predict in the region, both in time and space. We used the Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI) to characterize droughts based on Potential Evapotranspiration (PET) and Precipitation (P) at a monthly scale. PET and P were obtained for all 10 x 10 km-size cells within the basin by using the regional climatic model Eta, under the boundary conditions of the HadGEM2-ES model and the CO2 emissions scenario RCP 4.5. Cell to cell information was integrated into a sub-basin level in order to show and analyze the results. For each sub-basin, climate scenario, and temporal scale of SPEI (1, 3, 6 and 12 months), we identified the beginning of each drought, calculated its duration, magnitude, maximum and mean intensities, and the duration between drought events. Additionally, for each SPEI temporal scale and sub-basin, we described the spatial coverage of droughts for the temporal series of all climate scenarios. Spatially, we found a decrease of PET from North to South. Temporally, results showed a future increase of PET for the Paraguay river basin and upper Parana river basin but similar to present values for the remaining basin. Results showed that P will be similar in the future for the Paraguay river basin and upper Parana river basin, but will increase within the remaining basin. During the 2007 - 2040 scenario, we expect that the northern sub-basins suffer from several droughts while the southern ones have wetter climate with few short drought events. As we analyzed more distant future scenarios the wet climate spreads towards northern sub-basins and droughts became less intense. Similarly, the area covered by droughts for each sub-basin, in general, tended to decrease in the farther future. Finally, the results highlight a significant heterogeneity of droughts (occurrence and drought characteristics) in La Plata Basin