MODELO DE OPERACIÓN DE EMBALSE ADAPTATIVO INCORPORANDO PREDICCIÓN DE FLUJO NO ESTACIONARIO

MODELO DE OPERACIÓN DE EMBALSE ADAPTATIVO INCORPORANDO PREDICCIÓN DE FLUJO NO ESTACIONARIO

RESUMEN

Los cambios a largo plazo en el flujo de entrada del embalse debido al cambio climático y las interferencias humanas han causado dudas en el supuesto de estacionariedad hidrológica en el diseño y operación de embalses. La incorporación de predicciones inciertas que consideran la no estacionariedad en una operación de embalse adaptativo  es una estrategia prometedora para el manejo de los retos que se derivan de la no estacionariedad. Este estudio propone reglas o principios para operaciones multi-etapa  óptimas que incorporen predicciones de flujo de entrada inciertas para los grandes embalses con capacidad de regulación de caudal de varios años.

Tres reglas específicas para determinar la solución numérica óptima son establecidas. Un algoritmo de solución es entonces desarrollado en base a las condiciones de optimalidad  y las tres reglas. Estos son aplicados en el caso particular del embalse Miyun en China, que mostraron una disminución estadísticamente significativa en la tendencia del flujo de entrada del reservorio entre 1957-2009, para determinar un calendario anual de operación de 1996 a 2009.

INTRODUCCION

Estacionariedad Hidrológica es una suposición fundamental en el diseño y operación de embalse. La validez de esta hipótesis es cuestionada por alteraciones debido al cambio climático y las interferencias humanas. Estadísticamente hablando, estacionariedad implica que las los flujos de entrada de los embalses tienen una función de densidad de probabilidad invariante en el tiempo cuyas propiedades se pueden estimar a partir de registros históricos. Sin embargo, procesos hidrológicos no siempre son estacionarias, el desarrollo agrícola y urbano, la deforestación, la variabilidad climática y cambios en el  manejo de recursos locales o regionales, todos estos pueden alterar factores hidrológicos en el tiempo. Para la mayoría de los modelos convencionales de operación de embales, incluyendo tanto la simulación y optimización, el supuesto de estacionariedad es hecho ya sea tomando directamente flujos históricos como entrada o utilizando flujos sintetizados basados en registros estadísticos de caudales o escorrentía.

La no estacionariedad está desafiando estos modelos convencionales y las políticas operacionales generados a partir de estos modelos; Así, los nuevos métodos se están desarrollando para manejar este desafío. En particular, la operación de embalse interanual puede estar influenciada significativamente por la no estacionariedad del flujo medio anual.

El Embalse de Miyun, a unos 100 km de la zona urbana en la parte norte de la ciudad de Beijing, es un ejemplo de estos problemas. Fue construido 1957-1961 y diseñado principalmente para el control de inundaciones. Sin embargo, el uso de este embalse ha sido modificado varias veces debido a los cambios, tanto en la demanda de agua y la disponibilidad de agua. Inicialmente, las operaciones cambiaron de control de inundaciones a riego para impulsar la producción agrícola y luego cambió de nuevo de riego a abastecimiento urbano de agua para satisfacer la creciente demanda de agua. Hoy en día, el embalse de Miyun es una fuente de agua de reserva para Beijing, que recibe  agua del proyecto South-to-North Water Transfer que comenzó ya en el 2015.

El volumen de flujo anual total del embalse Miyun tiene una clara tendencia a la baja desde 1957 hasta 2009, debido al impacto climático y las actividades humanas.

Sin embargo, desde 2003, el embalse Miyun ha estado recibiendo agua extra trasferida de otros embalses para mantener su flujo de entrada, revirtiendo así la tendencia decreciente del flujo. El embalse Miyun fue elegido como caso de estudio para demostrar la optimización de  operación de embalse con flujos no estacionarios.

Aunque el manejo adaptable (adaptive management) se ha utilizado en múltiples contextos de gestión de recursos naturales, el estudio actual considera el manejo adaptable basado en la definición proporcionada por Brekke. Esta definición establece que las decisiones se toman secuencialmente en el tiempo, y los ajustes se hacen de acuerdo a nuevos pronósticos o a la información de predicción. Para el manejo adaptable, incorporar predicción de incertidumbre en la operación de un sistema adaptable sigue siendo un reto de investigación, y refleja parte de la brecha entre la hidrología y operaciones de sistemas de recursos hídricos. Una de las cuestiones clave en la manejo adaptable es la manera de acercarse a la predicción de incertidumbre en modelos de optimización.

Programación dinámica estocástica (SDP) es un enfoque común para hacer frente a tal incertidumbre. Otro método eficaz es la política de reglas de cobertura (hedging rule policy  HRP), que se introdujo por primera vez a la operación de embalse por Masse. (1962) y Bower (1962), quienes señalaron que el HRP se puede utilizar para integrar principios económicos e incertidumbre hidrológica. “You y Cai” , desarrollaron un modelo conceptual de dos etapas  que incluye explícitamente el flujo futuro y su incertidumbre. Los principios del HRP se describen como "cuando los dos períodos tienen la misma utilidad marginal, la utilidad total de los dos períodos alcanzan el valor óptimo”

Zhao fusiono explícitamente Previsión y/o predicción hidrológica y su incertidumbre en un modelo estocástico de dos etapas. El concepto de beneficio marginal de riesgo ajustado(RAMB) fue desarrollado por Zhao (2011) para interpretar las implicaciones económicas de la HRP en un modelo estocástico y para representar el valor económico de las predicciones para la operación del embalse. Aunque el modelo de HRP de dos etapas es teóricamente importante, en la práctica, un modelo de optimización de múltiples etapas que puede incorporar la  predicción de incertidumbre es requerido para la operación de embalse adaptable debido a que las decisiones de la etapa actual se deben ser hechas considerando ciertas etapas futuras.

1. TERMINOLOGIA

1. ESTACIONARIEDAD Y NO ESTACIONARIEDAD

El cambio climático se convierte en un tema cada vez más importante, tanto en asuntos públicos y científicos, en las últimas dos décadas, los términos técnicos como "estacionariedad" y "no estacionariedad " también se hizo más notorio. Históricamente, estos términos fueron comúnmente usados en la ingeniería y disciplinas afines. De hecho, la estacionalidad y la no estacionariedad tradicionalmente han tenido implicaciones importantes para la ingeniería y el manejo de los recursos hídricos. Como tal, tendían a ser utilizado en términos precisos y rigurosos.

Recientemente, sin embargo, el término no estacionariedad se ha utilizado para implicar un comportamiento de proceso que es sinónimo, de forma única, con el cambio y, por inferencia, con cambio climático. El comentario más citado por Milly (2008) con el título "Stationarity is Dead: Whither Water Management?" es un ejemplo de ello. Este uso ha dado lugar a una considerable malentendido porque, en realidad, la estacionalidad y la no estacionariedad son esencialmente indistinguibles salvo cuando los cambios en un proceso subyacente son tan dramáticos que ninguna evaluación estadística es necesario .Teniendo en cuenta que los conceptos de estacionalidad y no estacionariedad son fundamentales para el campo práctico de la planificación y el diseño de los recursos hídricos, es esencial que la comunidad hidrológica tenga un conocimiento profundo de lo que estos términos .

Antes de continuar, es necesario reconocer una verdad fundamental: todo sistema natural son no estacionarias, de manera inequívoca e incondicional. El tema, por lo tanto, no es si los sistemas hidroclimáticos son estacionarias o no estacionarias, sino más bien en como respondemos la siguiente pregunta: ¿Es la no estacionariedad lo suficientemente sustancial como para requerir una compleja caracterización determinista del proceso, o puede un simple modelo estocástico estacionario representar con precisión el proceso? Responder a esta pregunta no es un ejercicio puramente académico; tiene importantes implicaciones para la práctica de la planificación y diseño de los recursos hídricos.

DEFINICION

Estacionariedad es una propiedad de un proceso estocástico subyacente, y no de los datos observados lo describen como:

Sea ut, t =. . ., -1, 0, 1,. . ., Sean las variables aleatorias que describen los términos sucesivos de una serie de tiempo. Además, permitirá que la distribución de cualquier conjunto de consecutivos de u, es decir   sea:[pic 1]

[pic 2]

Entonces, si F es independiente de t para todo n> 0, la serie de tiempo es estrictamente estacionario. Es decir, la distribución conjunta de cualquier conjunto de n variables consecutivos es la misma, independientemente del lugar en la serie que se elige.

Es importante destacar, sin embargo, esta descripción también implica que la distribución conjunta de cualquier conjunto de u de (no necesariamente consecutivos) depende sólo de sus posiciones relativas en la serie.

En contraste, la no estacionariedad simplemente puede definirse como procesos que no son estacionarios y que tienen propiedades estadísticas que son funciones deterministas de tiempo. La demostración de no estacionariedad es más compleja que la estacionariedad.

Con respecto a los procesos hidrológicos, no estacionariedad climática parece ser una fuente relativamente insignificante de variabilidad en comparación con otras fuentes conocidas de no estacionariedad como la construcción de presas y uso de la tierra.

...