EFFORTS

El Sistema de apoyo a la decisión Efforts (European Flood Forecastig Operational

Real Time System) ha sido desarrollado en el ámbito del proyecto Europeo de

Investigación y Desarrollo “Real-Time Monitoring System for Optimal Computer Control

of the Fuchn River Hydropower Station Reservoir” para la prevision y la gestión optima

de un embalse en el río Fuchun en la provincia de lo Zhejiang de la Republica de China. Actualmente se encuentra operativo en los Ríos RENO y PO en Italia.

El Efforts está pensado como un sistema de visualización de datos ambientales en tiempo real y como un sistema automático de predicción de avenidas en tiempo real, con posibilidad de integración con un sistema de soporte a la decisión, que consiente de evaluar los efectos de un fenómeno de inundación causado por la crecida prevista. El paquete está pensado para proporcionar:

• Una vista georeferenciada de los datos recopilados sea en formato sin refinar, validados, reconstruidos (en el caso de falta de datos) o muestreados a paso constante;

• Una previsión de avenida y su incertidumbre por medio de una cascada de modelos matemáticos (de lluvia-escorrentía y de propagación), y además una predicción de la evolución a corto plazo del sistema físico bajo examen, por medio de la actualización automática de los datos;

• Una visualización fácilmente comprensible de los resultados de las elaboraciones matemáticas bajo forma de mapas, graficas de series temporales y animaciones correspondientes a las variaciones de cantidades en el tiempo.

• Una gestión de datos de tipo:

- Hidrológicos (dato y predicciones): caudales, niveles, temperaturas, precipitación etc.;

- De calidad de agua: DBO, DO, nitratos, fosfatos, clorofila α etc.; - De calidad atmosférica: temperaturas, CO2 etc.

El sistema es completamente automático, es decir la actualización de los datos, la averiguación de validez, su muestreo, la reconstrucción de los datos que faltan y las elaboraciones de los modelos se procesan en automático sin la intervención del usuario, el cual puede solo proceder a la visualización de las diferentes operaciones proporcionadas.

Características peculiares:

En la siguiente Figura se muestra un esquema del funcionamiento del software integrado EFFORTS, con cada uno de sus módulos y sus dinámicas internas:

Meteo System Real Time Acquisition System Ground station Raw data Radar Rainfall fields Meteosat Rainfall fields Data validation and sampling PROGRID (gridding on RR models grid) RT Data Base

MUSICRAIN (Rainfall gridding and combination )

Combined Rainfall fields RR Hydrological models Flood forecast mountain area Structural data Gauges sampled data Ground station gauges Meteosat Images Radar Images

In case of Real Time Forecast simulation: Geo referenced data visualisation LOKAL MODEL (LAM) Rainfall prediction fields Rainfall prediction on Lokal Grid Hydraulic forecast model 1 Stochastic model 1 on hydrometric data Flood forecast in plain area temperature data hydrometric data Hydraulic forecast model 2 Stochastic model 2 on hydrometric data Radar Data R T L

(Rain) (Temperature) (Level) EFFORTS(N)

BlockKriging Byesian

interpolation combination

VISUALIZATION

RT GIS

Validation Digital Terrain Model

RC Level Flow Rate HydrologicNetwork (Rating Sampling Sub-catchment curves) Reconstruction Stations

Comparison Rain Isolines

Meteorological Temperature Isolines

models RF Rain forecast input Other geo referenced maps

NOWCASTING Forecasted) INPFOR Alarms

LAM Rainfall TEMPORAL SERIES

RR model (TOPKAPI) Observed

Flood W ave forecast Sampled and reconstructed

Forecasted level and flow

stochastic correction Forecasted overtopping

of forecast (MISP) ANIMATIONS

W ater level in Cross sections

S Flood wave propagation W ater level in Longitudinal View (cross sections) (PAB)

Remote measuring Satellite or other DB DB-GIS

Esquema del EFFORTS

A continuación se especifican los detalles más importantes del Sistema:

Alarmas: el sistema está dotado de la posibilidad de proporcionar alarmas cuando, establecido un nivel límite para cada sensor real o no, se excede dicho valor límite.

Esta alarma puede ser visualizada por medio del cambio de color en la estación en su visualización GIS y puede ser enviada a un modulo externo para una gestión operativa de las alarmas en tiempo real.

GIS: el sistema se apoya interamente en una plataforma GIS que permite una visualización georeferenciada de todos los mapas y las informaciones correspondientes a la cuenca examinada:

Ejemplos de visualización en plataforma GIS en el EFFORTS.

El GIS utilizado por el Efforts es el GRASS, de publico dominio, realizado por “US army Coprs of Engineers”. Aunque puede ser utilizada otras plataformas como los productos de ESRI.

Modelos: son el corazón computacional del sistema, en un principio dispone de los siguientes modelos, aunque el sistema está diseñado para incluir cualquier modelo hidrológico y/o hidráulico según las necesidades:

• ARNO: modelo aplicado a las sub-cuencas para simular el balance hídrico y proporcionar el hidrograma de crecida en la sección de desagüe de las mismas. Está estructurado en diferentes módulos: el módulo de acumulo-fusión de nieve, el módulo de evapotraspiración, el módulo de balance hídrico en el suelo y el módulo de transferencia parabólica, este ultimo que permite transferir el flujo desde el terreno a as secciones de interés.

• TOPKAPI: este modelo simula los procesos de transferencia lluvia- escorrentía, basándose en la descripción topográfica de la cuenca proporcionada por el Modelo Digital del Terreno (DEM), en la topología de los recorridos de drenaje al interior de la cuenca y en las propiedades físicas de los suelos y de la cobertura vegetal, asignadas en la misma malla del DEM y traducidas en parámetros para una

interpretación física directa. La ventaja está en que se pueda calibrarlo a escala distribuida y luego aplicarlo a escala agregada, teniendo la ultima unos tiempos de cálculo que encajan más con las exigencias operativas comunes, incluso la simulación en tiempo real.

• PAB: este método (Parabolic and Backwater) permite calcular los perfiles hidráulicos de moto variado (o moto permanente) en cada instante de simulación y de predicción en un tramo fluvial marcado por dos secciones.

• MISP: (Mutually Interactive State Parameter, estimación recíprocamente interactiva del estado de los parámetros) es un proceso de tipo estocástico que permite en tiempo real la corrección de los caudales de predicción, evaluadas con el modelo determinístico en cada sección, basándose en los correspondientes valores de flujo registrados hasta el último instante de medida haciendo uso del filtro de Kalman.

• NEAREST NEIGHBOUR: permite generar un conjunto de n escenarios futuros de precipitación, condicionadamente a las últimas observaciones, por medio de una regresión lineal de la precipitación de las últimas 12 horas sobre los valores horarios de precipitación registrados en un periodo de mínimo 5 años. Estas series de precipitaciones se utilizan como entrada a los modelos lluvia- escorrentía, generando así previsiones de caudal en las secciones de interés.

• RAINMUSIC: Es un paquete operacional para el desarrollo del Block Kriging de los datos suministrados por los pluviómetros además de la combinación algorítmica Bayesiana con los campos de precipitación controlados por los Radares y Satélites. Está implementado en el sistema un algoritmo original proveniente del proyecto de la Unión Europea MUSIC.

En el módulo de Block Kriging los parámetros semi-variables son estimados en cada período de tiempo bajo una estima de máxima verosimilitud.

En primer lugar, es llevada a cabo una combinación bayesiana entre el campo RADAR y los datos interpolados. Cuando los campos Satélites están disponibles, la combinación de Block Kriging y algoritmo bayesiano proporciona un desarrollo analítico del algoritmo “upscaling- downscaling” para interrelacionar la información del satélite con la combinación bayesiana de niveles de precipitación y el RADAR.

Datos en entrada: los datos en input al sistema pueden ser de dos orígenes: observados o predichos, generando respectivamente resultados hidrológicos de observación en tiempo real o de predicción. En cuanto a los primeros, el sistema está alimentado en continuo y en tiempo real por registros de precipitación, temperatura y nivel.

La fuente de datos puede ser de diferente origen: sea desde sensores remotos, sea desde tecnologías como radar o bien satélites.

Los datos meteorológicos predichos, que sirven a los modelos hidrológicos para generar predicciones hidrológicas, pueden ser proporcionados en diferentes maneras:

- Series de precipitación generada por el modelo MISP en modalidad autoregresiva;

- Series de precipitación predicha por modelos meteorológicos de tipo LAM (Limited Area Model);

- Series de precipitación generadas por el modelo NEAREST NEIGHBOUR, de más compleja realización.

En este contexto el EFFORTS puede ser visto como un sistema integrado de adquisición datos de los diferentes sensores, elaboración de dichos datos y emisión de hidrogramas de crecida, trasmisión del alerta a un posible sistema de soporte de la decisión en grado de asociar al riesgo una eventual política de protección o de gestión de la alarma:

Esquema de funcionamiento global en el cual el EFFORTS puede ser incorporado.

A Addqquuiissiicciióónnddee l loossddaattoossddeessddee l loosssseennssoorreess r reemmoottooss I Inntteerrffaazzddee v viissuuaalliizzaacciióónn y y S SiisstteemmaaddeeSSooppoorrttee a a llaa DDeecciissiióónn G1 G2 Gn R1 R2 Rn RADAR Meteorológicos Data Base DB-Gis Grass EFFORTS METEOSAT S1 Sn S2 Pluviómetros