Caracterización del funcionamiento y control hidráulico frente a la rotura de balsas de riego, mediante un marco de trabajo estocástico

[ES]La seguridad y por ende el riesgo son temas de creciente popularidad por la coyuntura socio política que vivimos en las últimas décadas. Su concepción tanto pública como privada, permite avanzar que la sociedad demandará herramientas que faciliten su gestión y cuyo principal objetivo será la propia garantía de esa seguridad, en términos de riesgo tolerable. La robustez de esas herramientas se fundamentará en el reconocimiento de qué factores son los que aportan incertidumbre al comportamiento del sistema. Bajo este enfoque sistémico, la correcta definición de los “inputs” cobra una importancia vital para garantizar que los resultados sean asumibles en los términos de tolerabilidad de ese riesgo. Por lo tanto, determinar su naturaleza y analizar su evolución será uno de los pasos previos en la construcción de esa herramienta. Por otro lado, el acceso casi universal a la información, que con un crecimiento exponencial año a año, estamos viviendo en la actualidad, facilita enormemente el proceso de caracterización de cualquier sistema. Es en este marco de actuación, de accesibilidad a la información donde se observa la oportunidad de este trabajo. En los últimos años, la gestión de los riesgos de inundación, han sido objeto de numerosos desarrollos normativos, y en cualquier dimensión de la administración, desde la supranacional, Unión Europea, hasta la autonómica. Estos desarrollos han obligado a los administrados en muchas ocasiones a una adaptación de la seguridad de las infraestructuras hidráulicas de las que son titulares, muy alejadas de su propia realidad. El Real Decreto 9/2008, de 11 de enero, por el que se modifica el Reglamento del Dominio Público Hidráulico, aprobado por el Real Decreto 849/1986, de 11 de abril, en su articulado introduce un nuevo título relativo a la seguridad de presas, embalses y balsas, situando a esta última a idéntico nivel que sus parientes cercanas las presas. Las exigencias a dichas infraestructuras en cuanto a dotación de medios en la explotación, que gestionen las emergencias, son análogas a las propias de presas. Esta circunstancia denunciada y cuestionada en múltiples foros por los propios usuarios, grava notablemente a la balsa, y queda de manifiesto en un simple análisis de las diferencias existentes entre ambas. La mera ubicación es una de las más importantes porque limita tanto el escenario de solicitación como el modo de fallo, así como la potencialidad del daño causado, función de la altura de agua movilizable y su volumen correspondiente. Este hecho ofrece una ventaja relevante a la vez que una notable incertidumbre, al desconocer a priori la zona de rotura. La ventaja a explorar estriba que su ubicación fuera de cauce, hace presagiar que el hidrograma de rotura puede laminarse sensiblemente en los primeros instantes del colapso. Entre las variables que condicionan la futura afección por un fallo estructural, en términos de inundación provocada, se encuentran la geometría de la brecha y el tiempo de formación de dicha brecha. Estos elementos conforman una de las principales entradas del sistema, que unida a la evolución de dichos caudales por la red de drenaje natural de la cuenca afectada, definen los dos principales ítems de estudio. En esta tesis, basándonos en los resultados de las propuestas de fórmulas empíricas de diversos autores, que evalúan el ancho de brecha y el tiempo de formación, planteamos una caracterización de las balsas, basado en su respuesta hidráulica en forma de hidrograma de vertido frente al fallo estructural. Habiendo elegido la modalidad de fallo más extendida en este tipo de soluciones: “piping” o sifonamiento. De esta manera determinamos el primero de los factores intervinientes en su clasificación en función del riesgo potencial. Para ello se han construido un conjunto de balsas tipo sintéticas, en un total de 10 con 3 alturas: 5.00, 7.50 y 10.00 m., que abarquen la variabilidad geométrica (altura del dique y volumen almacenado) susceptible de exigencias normativas: propuesta de clasificación, normas de explotación y planes de emergencia. La selección final de la fórmula estará asociada a un factor de caracterización, llamado factor de almacenamiento (FA), que relaciona la altura de agua movilizable con el volumen de agua asociado. Esta caracterización tendrá como objetivo final la obtención de la función de distribución de caudales máximos y percentiles asociados, que permita únicamente con la altura y volumen de la balsa, prever el funcionamiento hidráulico frente a su rotura, en términos de probabilidad de ocurrencia de un caudal máximo determinado. La transición a la realidad exige la caracterización a su vez del entorno geomorfológico de la cuenca afectada, el segundo factor que se señalaba anteriormente. Tiene por objeto garantizar un análisis completo de todo el dique de cierre, al sectorizarlo en su totalidad y plantear una única brecha tipo por sector, evitando la arbitrariedad en su ubicación y garantizando que se analizará el comportamiento de todo el dique de cierre y no solo de una o varias partes. Esta sectorización requiere de un conocimiento exhaustivo de la superficie sobre la que deben evolucionar los caudales de vertido. Entre las posibilidades de análisis se ha utilizado la geomorfometría con una ventana de análisis hasta la primera zona vulnerable. Se lleva a cabo delineando las cuencas de drenaje, adoptando como criterio de definición del umbral de corriente hasta 5 órdenes, que conformaría un cauce bien definido. De esta forma cubriríamos toda la longitud de cierre y limitaríamos el número de roturas a analizar en fases posteriores. Conocidas la fórmula empírica que responde mejor a las características de la balsa a estudiar y conocida la ubicación de la brecha es necesario abordar su análisis. Planteamos un enfoque no utilizado hasta ahora, cuyo resultado debe arrojar una representación cartográfica de aquellas zonas con mayor probabilidad de ser peligrosas. Se añade un matiz, en consonancia con los estudios de inundabilidad establecidos en la normativa en vigor, la zonificación de los entornos del cauce con restricciones de uso, en función de avenidas de distintos períodos de retorno. Dada la escasez de datos reales que permitan una validación experimental, que arroja una notable incertidumbre al proceso, es necesario optar por técnicas que repliquen el evento y analizar sus resultados pormenorizadamente. Este marco estocástico requiere de la implementación del método de Montecarlo, que se fundamentará en una función de distribución de probabilidades triangular de la cota del fondo de brecha, propuesta en la literatura científica. Obtenido el número de repeticiones y estudiada su sensibilidad, se desarrollan 5.000 simulaciones por balsa tipo, altura y 4 fórmulas empíricas: Froehlich 08, Macdonald & Langridge-Monopolis 84, actual Guía Técnica de Clasificación de Presas en función del riesgo potencial y Von Thun & Gillette 90. Esto permite por un lado validar la distribución de probabilidades triangular y proponer una para los caudales generados. Llegados a este punto, actuamos sobre el segundo aspecto que enunciábamos al comienzo: el tránsito de caudales de avenida por la red de cauces. Ello nos permitirá dos cosas: • Establecer medidas de atenuación del hidrograma de vertido, aprovechando la ventaja de la ubicación fuera de cauce de la balsa. • Obtener la información hidráulica básica que alimente una cartografía de probabilidades de peligrosidades máximas. La laminación del hidrograma adopta el principio hidrológico en la gestión de inundaciones, de retener el agua en el territorio. Esta retención se implementa mediante una medida estructural de bajo coste, como es la construcción de una plataforma alrededor de la balsa con una pendiente hasta del 1% y una rugosidad superior a un coeficiente de Manning de 0.050, que llamaremos “buffer”. Para poder llevar a cabo esta solución es necesario que el entorno de la balsa cumpla una serie de requisitos, con objeto de no grabar excesivamente su construcción. Ésta deberá situarse en zona llana (flat surface), entendida como aquella que no supera el 1-2%, según la literatura científica. En esta fase de simulación hidráulica, se estudió el comportamiento de las balsas tipo frente a ese buffer, variando la pendiente entre el 0.00% y el 1.00% y la rugosidad entre 0.025 y 0.100. Con los resultados obtenidos, se han propuesto varias expresiones que permiten a partir del caudal estimado por Froehlich, definir el alcance de la zona de seguridad. Finalmente, y como corolario de esta tesis se ha aplicado la metodología expuesta a dos balsas reales: Macías Picavea y Las Porteras, de sensibles diferencias geomorfológica. El resultado final ha permitido validar la propuesta de una cartografía de probabilidades de peligrosidades máximas, así como probar la viabilidad de la zona de atenuación como medida estructural preventiva de los daños generados por fallo estructural

Innovative Risk Assessment Framework for Hydraulic Control of Irrigation Reservoirs´ Breaching

[EN] This research introduces an innovative framework aimed at developing a risk assessment to analyse the breaching hydraulic control of non-impounding reservoirs for irrigation purposes, called irrigation reservoirs (IRs). This approach comprises an analytical method based on several empirical formulas where the one that best fts the diferent geometric characteristics of IR water systems is chosen. Furthermore, a stochastic framework allows for the incorpo ration of the occurrence probability as a tool to characterize the risk analysis of IRs. This occurrence probability has two components: probability based on the bottom elevation of a fnal breach and probability based on the failure mode (piping in this case). In risk assessment terms, the ultimate product comprises the maximum hazard probability maps that allow a signifcant improvement in the representation of the artifcial fooding efect. This research was successfully applied in two dimensions, synthetically and realistically, in the Las Porteras and Macías Picavea IR water systems (Spain). This approach may improve the management of this type of hydraulic infrastructure and its surrounding area by reducing the risk of experiencing negative consequences derived from uncontrolled hydraulic breaching.Publicación en abierto financiada por el Consorcio de Bibliotecas Universitarias de Castilla y León (BUCLE), con cargo al Programa Operativo 2014ES16RFOP009 FEDER 2014-2020 DE CASTILLA Y LEÓN, Actuación:20007-CL - Apoyo Consorcio BUCLE

HydroPredicT_Extreme: A probabilistic method for the prediction of extremal high-flow hydrological events

Disastrous losses related to high-flow events have increased dramatically over the past decades largely due to an increase in flood-prone regions settlements and shift in hydrological trends largely due to Climate Change. To mitigate the societal impact of hydrological and hydraulic extremes, knowledge of the processes leading to these extreme events is vital. Hydrological modelling is one of the main tools in this quest for knowledge but comes with uncertainties. For that it is necessary to deeply study the impact of hydrological models’ structure on the magnitude and timing of extreme rainfall-runoff events. This paper is mainly aimed to show the development of a method called “HydroPredicT_Extreme” based on Bayesian Causal Modelling (BCM), a technique within Artificial Intelligence (AI). This method may enhance predictive capacity of extreme rainfall-runoff events. “HydroPredicT_ Extreme” follows an iterative methodology that comprise 2 main stages. First one comprises a mixed graphical/analytical method from Hydrograph. This stage is conditioned by two initial constraints which are, a) pluviometry station is representative of hydrograph downstream flow behaviour; b) there must be independence of events. This first stage comprises sub-phases such as: 1.1. Calculation of Response Time (RT) through a mixed graphical/analytical approach, 1.2 Subtraction of RT from the flow series to remove the Rainfall-Flow delay; 1.3 Calculation base flow rate; 1.4 Subtraction base-flow from flow series to work on absolute inputs. Second man stage is called Bayesian Causal Modelling Translation (BCMT) that comprises the 2.1 Learning, 2.2 Training, 2.3 Simulation through BCM modelling, 2.4 Sensitivity Analysis-Validation. This whole methodology will become a digital application and software that could be extrapolated to several similar case studies. This may be coupled with posterior devices for the prevention of catastrophic flood consequences in the form of MultiHazard-Early Warning System (MH-EWS) or others

DigiTL: diseño de un cronograma digital para la distribución temporal de actividades y tareas formativas en el Máster Universitario en Modelización de Sistemas Hídricos (MODSH)

Memoria ID2022-121 Ayudas de la Universidad de Salamanca para la innovación docente, curso 2022-2023

Cartografía de zonas inundables, análisis de sensibilidad de distintas fuentes cartográficas en el resultado de simulaciones hidráulicas, aplicación al estudio de rotura de balsas

Trabajo de Fin de Máster del Máster en Geotecnologías cartográficas en ingeniería y arquitectura, curso 2010-2011.La clasificación de las infraestructuras hidráulicas en función de su riesgo potencial es un imperativo legal. Desde la entrada en vigor del reglamento de seguridad de presas y embalses en 1.996, se han venido estudiando las consecuencias de fenómenos de colapso de estas estructuras, alrededor de 1.400, llegando a completarse dichos estudios hace pocos años. Los cambios introducidos en el Reglamento del Dominio Público Hidráulico, tras la entrada en vigor del Real Decreto 9/2008, de 11 de enero, por el que se modifica el Reglamento del Dominio Público Hidráulico, aprobado por el Real Decreto 849/1986, de 11 de abril (BOE de 16 de enero de 2008), son relevantes y ofrecen una novedad importante en su título VII, como es la inclusión de las balsas, elemento primordial en la regulación del recurso para riego, al que se le prestará una especial atención a semejanza de sus hermanas mayores las presas, con unas perspectivas de actuación realmente notable dado su número, estimado entre 50.000 y 100.000. Las fuentes cartográficas suponen el primer paso para garantizar una correcta simulación hidráulica que responda a las especificaciones de la cartografía de riesgos. Este particular es especialmente importante en balsas, dada su situación fuera de cauce, y cuya rotura potencial responderá a distintos escenarios por poderse dar a lo largo de todo el dique de cierre. Este proyecto pretende analizar cómo la calidad de las fuentes cartográficas condiciona el resultado final de dicha simulación. Aplicando la metodología ad-hoc se pretende responder a los siguientes objetivos: -Delimitar zonas inundables por colapso de balsas -Cartografiar zonas de riesgo potencial atendiendo a la normativa vigente -Analizar la sensibilidad de los modelos hidráulicos atendiendo a la calidad de la fuente cartográfica. -Establecer correlaciones en función del origen de los datos cartográficos: o Convencional o LIDA