Este documento describe la operación de presas y embalses durante situaciones de crecida. Explica conceptos como las normas de operación, los datos de entrada disponibles como mediciones en tiempo real y predicciones meteorológicas. También analiza herramientas como SIPROP que ayudan a simular y optimizar la operación mediante el establecimiento de funciones objetivo y restricciones para minimizar los impactos de las crecidas.
Plan de Desarrollo y Ordenamiento Territorial de Imbabura.pptx
Operación de presas y embalses
1. 1
Operación de presas y embalses
en situaciones de crecida
Angel Luis Aldana Valverde
Consultor OMM
Coordinador de PROHIMET (http://www.prohimet.org)
angel.l.aldana@prohimet.org
2. 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. 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?)
4. 4
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. 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
6. 6
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.
7. 7
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
8. 8
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
9. 9
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
10. 10
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
11. 11
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 +++++=
12. 12
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
ni
iiVarSVarS QSQSCF
1
1*
∑
+
+=
−−=
pn
ni
iiVarNVarN NNCF
1
1*
13. 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
{ }
{ }{ }
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
++=−
−
=
∑
+
+
pnniQSQSC
ó
QSQSC
F
objiQS
obji
pn
n
QS
QS
,...,1;max,0max*
,0max*
1=i
14. 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
{ }
{ }{ }
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
++=−
−
=
∑
+
+
pnniNNC
ó
NNC
F
objiN
obji
pn
n
N
N
,...,1;max,0max*
,0max*
1=i
∑
+
=
=
pn
ni
iVSVS QSCF *
15. 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
17. 17
Análisis de operación con maniobras
triangulares
Tiempo
Apertura(%)
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
18. 18
Equivalencia de maniobras
o Condición: iguales volúmenes entre tiempos
característicos (con valores puntas simulares)
n Las puntas resultantes pueden tener pequeñas
diferencias
Tiempo
Apertura(%)
Inicio Cambio Cierre
19. 19
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
Entradaconpunta=2000m
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)
Salida(m3/s)
25 12 50 12 75 12 100 12
100 18 100 24 100 54 100 90
75 90 50 90 25 90 Entrada
Máximos 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)
Nivel(m)
0 12 25 12 50 12 75 12
100 12 100 18 100 24 100 54
100 90 75 90 50 90 25 90
Máximos Nivel todo abierto
23. 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. 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. 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. 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 80 100 120
Horas
198.0
200.0
202.0
204.0
206.0
208.0
210.0
212.0
214.0
216.0
218.0
220.0
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. 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/SobQS0(%)
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)
QSMax/QEMax(%)
300 600 1200 2000
28. 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/SobQS0(%)
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)
TNMax(h)
300 600 1200 2000
29. 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)
QSMax/QEMax(%)
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/SobQS0(%)
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/SobQS0(%)
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 96
T QSMax (h)
TNMax(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. 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.
40. 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