RESERVORIOS, ANTIGUOS Y MODERNOS


Translado por Romy Vargas Bezzubikoff


El primer reservorio usado por la humanidad debe haber sido controversial. Cuánta agua proveería el reservorio? Cuánta agua puede ser usada ahora, y cuánta debe ser guardada para su uso posterior?

Las redes de datos en tiempo-real que reportan datos meteorológicos, condiciones de nieve, flujos de avenida y niveles de reservorios, combinados con modelos de simulación hidrológica proveen nuevas herramientas para contestar esas preguntas. Las figuras y ejemplos del comportamiento de las cuencas y reservorios en estas notas fueron creadas por el SEAFM, modelo de Análisis y Predicción de Seattle, un sistema desarrollado por Hidrocomp para el Departamento de Agua de Seattle. SEAFM ha sido usado por el Departamento de Agua de Seattle desde 1991.

OPERACIONES DE RESERVORIOS

"... se me ocurre que correr un programa como este seguramente causará un interés publico sensacional y así cualquier filósofo que es pronto a opinar va a corregir su opinión sobre el asunto de las predicciones" [1]

Ahora, treinta años después de la "revolución de la computadora" y aproximándonos al milenio, la información que puede estar a la mano para los reservorios incluye la Figura 1, la Probabilidad de Exceso de Déficit [2] en el período actual de bajo nivel, Figura 2, la futura Frecuencia de Inundaciones en el corto período, y Figura 3, la futura Probabilidad de Exceso de Flujo en el Reservorio. Estas figuras, y figuras similares para la producción de hidroenergía, amontonamiento de nieve, acuíferos y entregas de agua son creadas interactivamente sobre la demanda de estaciones de trabajo gráficas por simulación contínua de procesos hidrológicos [3] . Ellas muestran condiciones futuras en los reservorios dadas las condiciones actuales de los reservorios y programando las descargas del reservorio, y ellas pueden ser creadas cada semana, o cada día, mientras las condiciones cambian en un reservorio y cuenca . Ellas son la mas reciente adición a los siglos de antigua tecnología para la construcción y operación de reservorios.

Figura 1

Figuras 2

Figura 3

El análisis que crea las Figuras 1 a 3 es un modelo detallado de infiltración, evapotranspiración real, escorrentía superficial, interflujo, acumulación de nieve y deshielo, etc. (Figura 4).

 

Los datos requeridos para el modelo de simulación continua son características de la cuenca (representada por los parámetros del modelo), estado de la cuenca (la acumulación real de nieve, humedad del suelo y los niveles del acuífero en la cuenca ) y los registros meteorológicos (Figura 5).

Los parámetros del modelo para las características de la cuenca son encontrados a partir de los datos físicos (vegetación y mapas de suelos, datos topográficos y mediciones de campo), y por calibración del sistema de modelamiento para reproducir flujos de avenida registrados históricamente que son tributarios al reservorio.

El estado de la cuenca o "condición inicial" es observado (por ejemplo niveles del reservorio) y es contínuamente calculado. Las cuencas variables que no son fácilmente observables se encuentran por modelamiento, corriendo el sistema de modelamiento de un punto a un año o más en el pasado hasta el tiempo actual.

Los registros meteorológicos necesarios para el modelamiento son provistos por futuros alternos. El clima a diez días en el futuro frecuentemente lleva poca relación con diez días de pronósticos meteorológicos [4] . El clima histórico provee muestras de futuros alternos, clima que puede ocurrir en el presente tiempo del año. Los futuros alternos son usados en el modelamiento continuo para crear igualmente series de tiempos parecidos de flujos, niveles de reservorios, producción de energía, etc. Estas series de tiempos son resumidas estadísticamente para crear las Figuras 1, 2, 3, etc.

Si tenemos registros históricos de flujos de avenidas, o registros de caudal de reservorios, porqué preocuparnos creando registros de flujo de "futuros alternos" a partir de datos meteorológicos? Los flujos futuros son una función del clima futuro y el estado actual de la cuenca . Los flujos históricos resultan de un espectro completo de estados de cuenca . Ellos no están conscientes de, y no están condicionados por el estado actual de la cuenca , y ellos no pueden ser usados para futuros flujos de corto período. Los efectos del estado de la cuenca son ilustrados por las Figuras 6 y 7.

Figura 6

Figura 7

La Figura 6 muestra la probabilidad de exceso para futuros influjos al reservorio dentro del Lago Chester Morse en el Río Cedar en Washington , del 1ro. de Junio al 30 de Setiembre, para dos estados de cuenca iniciales (1ro. de Junio de 1972 y 1ro. de Junio de 1978). [5] La Figura 7 muestra la frecuencia de inundaciones de corto período del 15 de Noviembre al 31 de Diciembre para el Río Cedar en Renton para dos estados de cuenca iniciales (14 de Noviembre de 1975 y 14 de Noviembre de 1987). La diferencia en los influjos al reservorio en la Figura 6 es debida a la acumulación de nieve en la cuenca, y la diferencia en la frecuencia de inundaciones de corto período en la Figura 7 es principalmente debida a humedades iniciales de suelo. [6]

Los resultados del modelamiento para futuros influjos al reservorio, frecuencia de inundaciones, producción de energía, etc, pueden ser usados directamente para decisiones en las operaciones del reservorio, o pueden ser usados como datos para métodos de optimización formal.

Las operaciones de control de inundaciones en reservorios deben lógicamente estar basadas en la frecuencia de inundaciones de corto período (Figura 2), lo que depende del tiempo del año y del estado verdadero de la cuenca . Para contar frecuencias de inundaciones de corto período, se hace frecuentemente control de espacio de inundaciones en los reservorios dependiendo de las estaciones, pero la dependencia estacional es una solución parcial. Cuando se dispone de frecuencias de inundaciones de corto período, los operadores pueden planificar el rango de los flujos pico o los volúmenes de escorrentía que ocurrirán. Las operaciones de control de inundaciones que anticipan un rango más alto de flujos pico o un rango más bajo de flujos pico que los que ocurrirán privan de oportunidades de reducir daños de inundación. [7]

Diseño de Reservorios

"Aunque la razón se resista, el universo continúa sin fallar" [8]

La probabilidad de déficit futuro (Figura 1) informa de las operaciones del reservorio. Los beneficios del diseño del reservorio son igualmente penetrantes, pero son más sutiles. Si un reservorio es operado conservadoramente, para proveer menos que su rendimiento histórico seguro [9] , los déficits no son considerados. El agua es siempre dejada que alcance su demanda común. Si un reservorio provee agua en exceso sobre su rendimiento seguro, debe considerarse un riesgo en las operaciones.

Una operación de reservorio de alto riesgo ignora los déficits. Una operación de bajo riesgo usa las probabilidades de déficits futuros para limitar descargas del reservorio en algunas (no todas) estaciones con bajo nivel (Figura 8). En una operación de alto riesgo los déficits son infrecuentes pero muy severos - las descargas de agua pueden caer a solamente un poco porcentaje de lo normal. En una operación de bajo riesgo los déficits son mas frecuentes pero son manejables - las descargas de agua pueden ser 80 a 90% de lo normal. Una relación tópica entre la frecuencia del déficit y la severidad del déficit está esquematizada en la Figura 9.

La Figura 10 es una extensión de la Figura 9. Puede no ser intuitiva, así las definiciones de "riesgo" y "medios de distribución de agua" son necesarias. Con las capacidades del SEAFM podemos operar un reservorio de manera de alcanzar una normal distribución de agua cuando el riesgo de un déficit futuro permanece bajo un criterio seleccionado de riesgo, pero reduciremos la distribución de agua cuando el riesgo de un futuro déficit exceda este criterio. La reducción de las distribuciones de agua en una estación de bajo nivel reduce el promedio de la distribución de agua para todas las estaciones históricas de bajo nivel. Si el criterio que causa el racionamiento es el "bajo riesgo", entonces el agua podría ser racionada en casi todas las estaciones de bajo nivel. Si el criterio que causa el racionamiento es el "alto riesgo", entonces el agua puede ser racionada solamente una o dos veces históricamente [10] . El promedio histórico de distribuciones de agua de "alto riesgo" excede el promedio histórico de distribuciones de agua de "bajo riesgo".

Cuando se amplía la capacidad del reservorio o cuando se construye un nuevo reservorio dentro de un sistema de reservorios, la nueva capacidad debe ser justificada por su efecto en la Figura 10 (más distribución de agua promedio al mismo nivel de riesgo, o la misma distribución promedio de agua para un nivel de riesgo menor).

Las consecuencias económicas y medio ambientales de las distribución de agua y decisiones de racionamiento de agua se convierten en tema de discusión y el entendimiento público del riesgo en la operación del reservorio se hace importante. Para algunos usuarios de agua, una estrategia de bajo riesgo es esencial: Ninguna ciudad puede permitirse una repentina baja de las distribuciones de agua mas allá del 5% de la demanda normal. Para otros usuarios de agua la relación riesgo/déficit es económica: La generación hidroeléctrica se beneficia de una estrategia de alto riesgo (Figura 10). Sin embargo la capacidad dependiente de una hidro-planta se reduciría por una estrategia de alto riesgo.

RESUMEN

"Frecuentemente se dice que una desproporcionada obsesión con temas puramente académicos o abstractos indica un retraimiento de los problemas de la vida real" [11]

Los operadores de los reservorios toman decisiones día a día a pesar de la incertidumbre, de manera que ellos están bien familiarizados con los problemas de la vida real. Los operadores dejan "demasiada" o "muy poca" agua, y las selecciones correctas, en retrospectiva, son siempre claras. Las nuevas herramientas delineadas aquí hacen la incertidumbre cuantitativa usando el estado actual de las cuencas y muestras alternativas futuras de clima para encontrar frecuencias de inundación actuales y probabilidades de exceso para influjos al reservorios, aliviaderos, etc. La información cuantitativa es necesaria para el análisis formal o heurístico de las operaciones y permite a los operadores hacer mas efectivo el uso de los reservorios.

Cuando se hacen los estudios de regulación de reservorio para el diseño de nuevos reservorios, los riesgos operacionales necesitan ser tomados en cuenta. El riesgo puede ser ignorado en el diseño sólo si las descargas de agua son menores que el rendimiento seguro, y las probabilidades de déficits son tan bajas que pueden ser ignoradas de forma segura. Un estudio de regulación de reservorio que simplemente cuenta déficits históricos para diferentes niveles de demanda de agua implícitamente asume altos riesgos de operación del reservorio.

Las herramientas discutidas aquí no son difíciles de instalar y usar (pensamos que todos los operadores/dueños de reservorios deberían tenerlas!) y gustosamente discutiremos sobre las aplicaciones.

Hay una cinta disponible para el SEAFM (Sistema de Agua de Seattle) que corre en Sun Sparcstations. Para conseguir un préstamo de esta cinta, llamar a Laura Mariño al 650-561-9030 o contáctenos, info@ hydrocomp.com.

 


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Hydrocomp, Inc.


[1] ) Deep Thought, The Original Hitchhiker Radio Scripts, Douglas Adams, Harmony Books, New York , 1985. (Pensamiento Profundo, una computadora articulada, trabaja en la pregunta última del Universo.)

[2] Un déficit ocurre cuando las entregas de agua del resorvorio no cubren las demandas normales.

[3] ) Tech. Report No. 39, Stanford Watershed Model IV, Norman H. Crawford and Ray K. Linsley, Dept. of Civil Engineering, Stanford University , 1962. Users Manual for Hydrologic Simulation - Fortran (HSPF), Robert Johanson et. al., U. S. EPA, Env. Research Laboratory, Athens , Ga. EPA-600/9-80-015, 1980.

[4] Una exploración de la sensitividad de la atmósfera a las condiciones iniciales por Edward Lorenz de MIT (Deterministic Nonperiodic Flow, Journal of Atmospheric Sciences, 20 [1963], pp. 130-141) ayudó en el desarrollo de la teoría de caos.

[5] El Lago Chester Morse es el principal reservorio de abastecimiento para la Ciudad de Seattle.

[6] Para las dos simulaciones de frequencia de crecientes se supuso que el reservorio Chester Morse, aguas arriba de Renton, Wa., estaba lleno.

[7] A corto plazo, la creciente para in período de retorno dado puede ser mayor o menor que la creciente para el mismo período de retorno a mediano o bajo plazo. En otras palabras, la curva de frecuencia de crecientes a largo plazo estaría localizada entre las dos curvas en la Figura 7.

[8] El narrador, "The Original Hitchhiker Radio Scripts", Douglas Adams, Harmony Books, New York , 1985.

[9] El rendimiento seguro se define, para el propósito de esta discusión, como el suministro mínimo del agua que podría proveer en cualquier estación histórica.

[10] Un criterio de bajo riesgo quizá reduciría los suministros de agua si se previera un déficit de 5000 acre-pie con una probabilidad de 2 por ciento. Un criterio de alto riesgo quizá no reduciría el suministro de agua sino hasta cuando la probabilidad de un déficit de 5,000 acres-pies alcanza 50%.

[11] El narrador, The Original Hitchhiker Radio Scripts, Douglas Adams, Harmony Books, New York , 1985.