Incorporation of Operational Variables in Stochastic Hydrological Dam Safety Analysis

A lo largo de la historia, se han dado situaciones en las que, presas diseñadas y construidas acordes a la buena práctica ingenieril han sufrido accidentes con consecuencias catastróficas. En consecuencia, las nuevas regulaciones y normativas tienden a aumentar las exigencias de seguridad hidrológica de las Grandes Presas, influyendo tanto en el diseño como en la adaptación de las presas existentes a los nuevos criterios exigidos. Es necesario por tanto definir metodologías de evaluación que puedan aplicarse al conjunto de presas existentes con la finalidad de identificar aquéllas que tengan un margen de seguridad menos holgado y requieran actuación. En España, se adopta el criterio de establecer la seguridad hidrológica en función de un periodo de retorno asociado a las Avenidas de Proyecto. Sin embargo, no existe un criterio riguroso en la definición de este periodo de retorno, dado que la misma avenida puede ser caracterizada a través de su caudal punta, volumen o duración; o por una combinación de estos factores. En la definición de la Avenida de Proyecto, a excepción de la obtención de la Tormenta de Proyecto, la mayoría de variables involucradas se toman como determinísticas, cuando en realidad tienen un carácter estocástico. Variables como el reparto temporal de la lluvia o las condiciones de humedad antecedentes a la avenida son, entre otras, fijadas de manera determinista por el proyectista a pesar del grado de incertidumbre existente sobre la determinación de éstas. Gracias a los avances en informática, la modelación distribuida presenta una alternativa para abordar estas cuestiones. Modelos distribuidos físicamente basados acoplados con generadores estocásticos de clima permiten simular los procesos hidrológicos de manera detallada; tanto temporalmente, como espacialmente. Además de las variables expuestas, existen otros factores extrínsecos no contemplados en la definición del periodo de retorno de las avenidas asociados a la seguridad hidrológica de la presa, como son el nivel inicial en el embalse, o la operación y disponibilidad de los distintos órganos de desagüe de la presa. Por ello, se considera que las leyes de frecuencia de niveles máximos en el embalse y de caudales máximos desaguados son las variables más representativas de la seguridad hidrológica; tanto de la presa como aguas abajo de ésta. Avenidas de caudales de elevados periodos de retorno pueden resultar menos comprometedoras que otras de menor periodo de retorno si los órganos de desagüe no pueden ser operados correctamente. Por lo que se refiere al nivel inicial en el embalse, no sólo afecta desde el punto de vista del diseño frente a solicitaciones extremales, sino que mantiene una relación directa con la capacidad de regulación del embalse. En muchos de los embalses existentes se adoptan resguardos para paliar las consecuencias de las avenidas extremas, que conllevan una reducción de los recursos disponibles para el suministro de las demandas y, por consiguiente, pérdidas económicas derivadas. Sin embargo, en la literatura y en la práctica profesional, ambos aspectos son generalmente estudiados de forma independiente. La temática expuesta es de importancia en la actualidad, dado el gran número de presas existentes que han de ser evaluadas para garantizar la seguridad de la población, así como el suministro de recursos hídricos. La presente tesis doctoral busca proporcionar una metodología que, dentro de un entorno de modelación estocástica, mejore: a) la generación estocástica de avenidas, b) la operación de los órganos de desagüe en situación de avenida, c) el análisis de la influencia de variables operacionales (nivel inicial en el embalse y probabilidad de fallo de los órganos de desagüe) y d) la definición de resguardos estacionales en presas teniendo en cuenta la operación ordinaria de la mismas. ----------ABSTRACT---------- Throughout history, there have been situations in which dams designed and built in accordance with good engineering practice have suffered accidents with catastrophic consequences. Consequently, new regulations and standards tend to increase the hydrological safety requirements of Large Dams, influencing both the design and the adaptation of existing dams to the new criteria required. It is, therefore, necessary to define assessment methodologies that can be applied to all the existing dams in order to identify those that have a smaller safety margin and require action. In Spain, the criterion for hydrological safety is adopted according to a return period associated with the Design Flood. However, there is no rigorous criterion in the definition of this return period, given that the same flood can be characterized by its peak flow, volume or duration; or by a combination of these factors. In the definition of the Design Flood, with the exception of the Design Storm, most of the variables involved are taken as deterministic, when in fact they have a stochastic nature. Variables such as the temporal distribution of rainfall or the humidity conditions in the basin prior to the flood are, among others, determined in a deterministic manner by the designer despite the degree of uncertainty that exists regarding their calculation. Thanks to the advances in computer science, distributed modeling presents an alternative for addressing these issues. Distributed physically-based models coupled with stochastic climate generators provide a framework to simulate hydrological processes in a detailed manner; both temporally and spatially. In addition to the aforementioned variables, there are other extrinsic factors not contemplated in the definition of the return period of the floods associated with the hydrological safety of the dam, such as the initial reservoir level, or the operation and availability of the different spillway outlets of the dam. For this reason, the frequency curves of maximum reservoir levels and of maximum released outflows are considered to be the most representative variables of the hydrological safety; both of the dam and the downstream riverbed. Floods with high return periods may be less compromising than others with a smaller return period if the spillways cannot be properly operated. With regard to the initial level in the reservoir, not only does it affect the design regarding dam safety, but it also maintains a direct relationship with the reservoir's regulation capacity. In many of the existing reservoirs, the flood control volume is increased to alleviate the consequences of extreme floods, which lead to a reduction in the water resources available for the supply of the demands and, consequently, derive in economic losses. However, in the literature and in professional practice, both aspects are generally studied independently. The subject matter presented is of current importance, given the large number of existing dams that must be evaluated to guarantee the safety of the population, as well as the supply of water resources. This doctoral thesis seeks to provide a methodology which, within a stochastic modeling environment, will improve: a) the stochastic generation of floods, b) the operation of the spillway and dam outlets in a flood situation, c) the analysis of the influence of operational variables (initial level in the reservoir and probability of failure of the spillway outlets) and d) the definition of seasonal conservation levels in dams taking into account the regular operation in the reservoir