Jornadas Internacionales sobre Gestión del Riesgo de Inundaciones y Deslizamientos de Laderas. Universidad de San Carlos (San Carlos, Brasil). Mayo de 2007

UTILIZACIÓN DE DE LOS SISTEMAS DE PREVISIÓN HIDROLÓGICA Y LA IMPORTANCIA DEL PRONÓSTICO HIDROMETEORÓLOGICO

EN

LOS

SISTEMAS

DE

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA HIDROELÉCTRICA Jorge Granados Calderón 1 1

Instituto Costarricense de Electricidad (ICE )- Centro de Servicios Estudios Básicos de Ingeniería – Área de

Hidrología.

Apdo.

10032-1000,

San

José,

Costa

Rica.

e-mail:

[email protected]

web:

http://www.grupoice.com/

Resumen La necesidad de optimizar la utilización del agua en la producción hidroeléctrica, la de prevenir con una mayor antelación situaciones de emergencia ante las avenidas y así como la de controlar la magnitud y evolución de las mismas, ha propiciado el uso de los Sistemas de Previsión Hidrológica (SPH). El objetivo de los sistemas de previsión hidrológica es poder predecir en forma rápida y oportuna los caudales de crecientes en los sitios de construcción de las obras hidráulicas, en los sitios de presa y en las estaciones de control. La necesidad de conocer en todo momento la disponibilidad del recurso hídrico así como su distribución espacial y temporal justifica la implantación de de estos sistemas de previsión. Los objetivos principales en relación con el control y pronóstico de caudales son los de informar suministrando automáticamente datos en tiempo real sobre las variables hidrometeorológicas de cada cuenca, ampliando así la red de información permanente. Prevenir sobre la evolución de niveles y caudales en los ríos y embalses, alertando de forma automática en casos de crecientes y mejorar la operación y manejo de los embalses y los sistemas hidroeléctricos así como de los otros aprovechamientos hidráulicos de la cuenca. Para alcanzar estos objetivos, es necesario diseñar, instalar y operar tres clases distintas de elementos, los cuales son complementarios y constituyen un sistema integrado. Estos corresponden a una red de sensores, capaces de adquirir los datos, una red de transmisión de alta confiabilidad, que pueda garantizar el flujo de datos y un sistema de recepción, almacenamiento y manejo de datos que permita y explique la situación hidráulica e hidrológica, identificando las mejores soluciones y generando el procedimiento de operación.

Palabras clave Sistema de previsión hidrológica, sistemas en tiempo real, alertas, pronóstico hidrológico.

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1.INTRODUCCIÓN En Costa Rica la dependencia encargada de planear, construir, generar, transmitir y distribuir la energía eléctrica desde abril de 1949 es el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE). Con el desarrollo de los proyectos hidroeléctricos y las plantas de operación del ICE, se ha visto la necesidad de utilizar el recurso agua de manera que rinda el óptimo beneficio. Para esto es necesario implementar sistemas integrados para el manejo del mismo, de tal

forma que se pueda mejorar el

planeamiento y operación de sistemas de utilización de los recursos hídricos. El área de Hidrología del ICE tiene a su cargo la recolección, procesamiento y análisis de la información hidrometeorológica.

Para tal fin, se tienen instaladas

estaciones meteorológicas e hidrológicas en diferentes sitios del país de acuerdo con los proyectos de la Institución. Actualmente la red a su cargo consta de 104 estaciones hidrológicas (100% de las estaciones del país) y 235 estaciones meteorológicas (50% de la red del país). Esta información es fundamental para el planeamiento, diseño y funcionamiento de los proyectos hidroeléctricos.

Ilustración 1: Mapa de Costa Rica mostrando la totalidad de las estaciones hidrometeorológicas

La necesidad de obtener una óptima utilización del agua en la producción hidroeléctrica, la de prevenir situaciones de emergencia (avenidas) con la mayor antelación y previsión posible, así como controlar su magnitud y evolución ha propiciado el uso de los Sistemas de Previsión Hidrológica (SPH). El objetivo de los sistemas de previsión hidrológica o SPH es poder predecir en forma rápida y

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oportuna los caudales de crecientes en los sitios de construcción de las obras hidráulicas, en los sitios de presa y en las estaciones de control. La necesidad de conocer en todo momento la disponibilidad del recurso hídrico así como su distribución espacial y temporal justifica la implantación de un sistema de previsión hidrológica. 2.SISTEMA DE PREVISION HIDROLOGICA (SPH) El objetivo de los sistemas de previsión hidrológica o SPH es poder predecir en forma rápida y oportuna los caudales de crecientes en los sitios de construcción de las obras hidráulicas, en los sitios de presa, sitios de toma y en las estaciones de control. Los objetivos principales en relación con el control y pronóstico de caudales son los siguientes: 

Informar, suministrando automáticamente datos en tiempo real sobre las variables hidrometeorológicas de cada cuenca, ampliando así la red de información permanente



Prevenir sobre la evolución de niveles y caudales en los ríos y embalses, alertando de forma automática en casos de crecientes



Mejorar la operación y manejo de sistemas hidroeléctricos y de los otros aprovechamientos hidráulicos de la cuenca



Controlar y optimizar la operación de los embalses y minimizar los efectos de las crecientes

Para alcanzar estos objetivos, es necesario diseñar, instalar y operar tres clases distintas de elementos, los cuales son complementarios; ellos constituyen un sistema integrado y tienen las siguientes características: 

Una red de sensores, instalados en puntos de control (estaciones medidoras de lluvia, de nivel del río, nivel de embalses, etc.) capaces de adquirir los datos necesariosn informar, suministrando automáticamente datos en tiempo real sobre las variables hidrometeorológicas de cada cuenca, ampliando así la red de información.

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

Una red de transmisión de alta confiabilidad, que pueda garantizar el flujo de datos desde y hacia los puntos de control al centro de procesamiento del SPH.



Un sistema de recepción, almacenamiento y manejo de datos que permita y explique la situación hidráulica e hidrológica, identificando las mejores soluciones y generando el procedimiento de operación.

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Las redes de telecomunicación usadas en las aplicaciones de los SPH han sido la transmisión vía satélite pero principalmente las vía radio terrestre en conjunto con la Red de Área Ancha institucional con cobertura prácticamente en todo el país. En resumen, el SPH es un sistema de información que se compone de elementos electromecánicos, equipos de comunicaciones, elementos eléctricos, computadores y la infraestructura física necesaria para proporcionar al ICE una serie de datos útiles durante la construcción y operación de sus plantas hidroeléctricas. Adicional a esto, se podría señalar otros fines o aplicaciones que los sistemas de previsión hidrológica podrían brindar tales como el archivo de datos hidrológicos fiables y continuos, la elaboración automática de informes y estadísticas, el conocimiento de la estructura espacio temporal de las precipitaciones y el conocimiento de la propagación de las ondas de avenida. Sin dejar de lado también la posibilidad que los SPH ayuden en la

previsión de inundaciones al minimizar el riesgo de daños a la propiedad,

pérdidas de vidas humanas y la degradación del entorno del río. 2.1. SPH durante la construcción de una planta hidroeléctrica. 2.1.1. Sistema de previsión hidrológico Durante la construcción de un proyecto hidroeléctrico el sistema de previsión hidrológica debe estar en capacidad de brindar información en tiempo real sobre las variables hidrometeorológicas de la cuenca. Esto con la finalidad de prevenir sobre la evolución de la lluvia, los niveles y el caudal en los ríos y así alertar en forma automática en caso de crecientes en el sitio de construcción de las obras. En la mayoría de los aprovechamientos hidroeléctricos las obras hidráulicas se llevan a cabo en ríos de montaña con fuertes pendientes y son características las crecientes repentinas y con gran poder destructor. De ahí la importancia de contar con un sistema para proteger los equipos, maquinarias así como al personal de construcción. 2.1.2. Red instalada Los criterios para ubicar los sitios de la red de estaciones hidrometeorológicas instaladas en las cuenca de aprovechamiento son varios, el primero

es el de

representatividad, esto es que la estación de lluvia represente fielmente la distribución espacial y temporal de la lluvia en la zona, que el tiempo de respuesta

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de la estación de caudal sea suficiente para tomar las revisiones del caso y generalmente debido a lo agreste del terreno hasta donde los accesos lo permitan. 2.1.3. Definición de alertas El sistema de alerta de crecientes para ser utilizado durante la construcción de una toma o de una presa, tiene que estar enfocado en el monitoreo de la lluvia y de los niveles y caudales de los ríos que aportan agua hasta ese sitio. Preliminarmente la definición de las alertas se hace en función de los registros de lluvia y de nivel de las estaciones ubicadas aguas arriba del sitio de interés. En la primera definición de las alertas en función de la precitación, se analiza la lluvia registrada para los principales eventos y su efecto en los niveles y caudales en la estación cerca o en el sitio de presa. A partir de este análisis se definen varias condiciones de alerta en función de la lluvia registrada por las estaciones, esto es alerta verde, amarilla y roja. Siendo esta última una condición crítica en la que la cantidad de lluvia que se registra posiblemente va a causar una creciente significativa (mayor o igual al “mínimo” de los caudales máximos instantáneo diario en el sitio de la presa). Esta definición de alertas en función de la lluvia se considera como una condición preliminar y de inicio del funcionamiento del sistema de previsión hidrológica. La información de la lluvia de las estaciones telemétricas ubicadas aguas arriba del sitio de presa se analiza constantemente y se compara con la variación del nivel y del caudal en la estación en el sitio de presa. De esta forma las alertas se verificaran y se hacen los ajustes necesarios para mejorar el sistema. De igual forma para la definición de las alertas en función del caudal, se analiza el registro de caudal de los principales crecientes registradas en la estación ubicada en el sitio de presa. A partir de este análisis se definen varias condiciones de alerta en función del caudal, esto es alerta verde, amarilla, roja y evacuación. Siendo la alerta roja una condición crítica, donde muy probablemente el nivel del río continuará creciendo y la

creciente generada ocasionará problemas significativos, en esta

condición se debe monitorear constantemente el comportamiento del río. Para la alerta de evacuación y tal como lo dice el nombre se debe llevar a cabo una evacuación inmediata de todo el personal en el sitio de presa, ya que con una alta probabilidad la creciente generada ocasionará serios problemas en dicho sitio o en sus alrededores.

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El sistema de información hidrológica esta estructurado para que cada estación de lluvia o de caudal, presente su condición (normal, verde, amarillo, etc.) de acuerdo a su propia situación según lo señalado y explicado con anterioridad. Pero existe una condición o alerta respectiva en el sitio de presa. A esta condición se le denomina alerta por emitir y estará en función de la comparación y la interrelación entre las alertas de lluvia y de caudal. 3.PRONÓSTICO HIDROMETEOROLÓGICO En Costa Rica es el Instituto Meteorológico Nacional (IMN) el encargado de mantener informado al país sobre las condiciones del tiempo en los sectores continental, marítimo y aéreo así como la de prever las condiciones del tiempo adversas causados por fenómenos atmosféricos. El IMN es el responsable de llevar a cabo el pronóstico del tiempo tanto el territorio continental como las aguas territoriales de Costa Rica. El pronóstico del tiempo que cubre la parte continental se emite dos veces diarias, uno en la mañana con validez para el resto del día y noche y otro, con validez para el día siguiente. Además, diariamente se hacen un pronóstico marino el cual cubre las aguas territoriales del país y, otro, extendido, que tiene validez para los 5 días posteriores a partir de la fecha de emisión. 3.1. Importancia del pronóstico hidrometeorológico en los sistemas de producción de energía hidroeléctrica La región del Istmo Centroamericano y por ende Costa Rica se caracteriza por poseer un relativamente elevado potencial de generación hidroeléctrica, gracias a la coincidencia de zonas de alta precipitación con áreas con diferencias de elevación, especialmente en la vertiente del Caribe. De dicho potencial, sin embargo, solamente una fracción se encuentra bajo aprovechamiento en la actualidad. Ello no obstante, la generación de energía en plantas hidroeléctricas representa el porcentaje más significativo de la generación total. Se dispone también de plantas generadoras de energía geotérmica y sistemas de generación eólica, lo que permite un mayor grado de aprovechamiento y diversificación de los recursos energéticos propios, ya que no se tiene que depender tanto de los combustibles fósiles usados por las plantas térmicas.

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Ilustración 2: Generación de energía por tipo de planta

En el caso de Costa Rica el sistema eléctrico está estructurado en un Sistema Nacional Interconectado donde el aporte principal es dado por las plantas hidroléctricas ubicadas tanto en la Vertiente del Caribe como del Pacífico. Por este motivo

es

sumamente

importante

el

monitoreo

de

las

condiciones

hidrometeorológicas presente en las cuencas de aprovechamiento hidroeléctrico y muy especialmente el la cuenca del embalse Arenal, el cual actúa como la reserva del sistema y se encarga de dar el respaldo y aportar el faltante de energía cuando las necesidades así lo requieran. Es por este motivo, que los pronósticos hidrometeorológicos, son muy importantes para planificar y operar óptimamente los recursos de generación eléctrica del país. 3.2. El pronóstico hidrometeorológico en el ICE El área de Hidrología del Centro de Servicios Estudios Básicos de Ingeniería del Instituto Costarricense de Electricidad cuenta con diferentes herramientas de diagnóstico, para el análisis de la información y llevar a cabo el pronóstico hidrometeorológico. Estas herramientas se pueden clasificar en herramientas para el diagnóstico y las utilizadas para el pronóstico. 3.3. Pronóstico hidrometeorológico para la cuenca del embalse Arenal 3.3.1. Descripción general En diciembre de 1979 se inauguró la Planta Hidroeléctrica Arenal, la primera fase del desarrollo Hidroeléctrico de Arenal. La Planta Arenal aprovecha las aguas del embalse Arenal (2400 Hm3), el cual capta los caudales de los ríos Arenal, Aguas Gata, Caño Negro, Chiquito y otros. La segunda fase, o Proyecto Hidroeléctrico Corobicí, entró en operación en marzo de 1982. Aprovecha las mismas aguas empleadas en Arenal más un pequeño aporte del río Santa Rosa. Por último en noviembre de 1992, y como el tercer aprovechamiento en cascada del embalse de

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Arenal, entró en operación la planta hidroeléctrica Sandillal. En total la potencia de del complejo es de 366 MW. Las aguas una vez generadas en Sandillal, se utilizan en un sistema de riego que ha dado un gran auge agropecuario algunos cantones de la provincia de Guanacaste, disminuyendo al mínimo los efectos de las sequías que periódicamente afectan en esta zona del país. 3.3.2. Sistema de previsión hidrológica Como ya se ha explicado anteriormente, una óptima operación del embalse permite tener un dominio y flexibilidad en la generación eléctrica del país. Con el objetivo de brindar información oportuna para la operación de la planta Arenal y por ende al resto del sistema, se ha implementado un sistema de previsión hidrológica cuya finalidad es conocer en tiempo real

sobre la magnitud de las

lluvias, los caudales afluentes al embalse y los niveles correspondientes. 3.3.3. Red instalada Los criterios para ubicar los sitios de la red de estaciones en la cuenca del embalse de Arenal fueron su representatividad, esto es que la estación de lluvia representara fielmente la distribución espacial y temporal de la lluvia en la zona. La red quedó conformada por 12 estaciones de caudal y 1 estación de nivel.

Ilustración 3: Ubicación de las estaciones telemétricas en la cuenca del embalse Arenal

3.3.4. Pronóstico hidrológico De acuerdo a la información emanada por el Instituto Meteorológico Nacional sobre las condiciones del tiempo y la perspectivas climáticas para Costa Rica, al análisis de las imágenes de satélite, al análisis de la información hidrometeorológica recolectada y

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almacenada por las redes telemétricas y a la utilización de un modelo del tipo lluviaescorrentía es que se realiza el pronóstico de los caudales afluentes al embalse de Arenal. El pronóstico del caudal afluente al embalse Arenal podría ser a corto plazo para unos pocos días (hasta 20 días) o a largo plazo (hasta 6 meses).

Ilustración 4: Pronóstico a largo plazo de los caudales afluentes al embalse de Arenal

4.CONCLUSIONES La experiencia del ICE en el uso de los sistemas de previsión hidrológica, aplicados en la prevención de las avenidas y en el control y optimización de los caudales para la producción de energía hidroeléctrica data desde el año 1990. En todo este tiempo transcurrido, ha sido fundamental poder conocer en tiempo real cual ha sido la evolución de las variables hidrológicas de las cuencas, esto tanto en la fase de construcción de los proyectos como durante la operación de los mismos. En cuanto a los pronósticos hidrometorológicos es de sobra conocido su importancia en la planificación y optimización de la operación del sistema nacional interconectado. En este campo, el de los pronósticos hidrometeorológicos, apenas se esta empezando a enlazar los campos de la meteorología y la hidrología. Los esfuerzos que se están haciendo, consisten en reforzar y dotar el área de meteorología del ICE con las herramientas y la capacidad de realizar mejores estimaciones de algunas variables meteorológicas que sirvan como insumo a los modelos de previsión hidrológica.

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La experiencia y el esfuerzo realizado en los sistemas de previsión hidrológica y en el pronóstico hidrológico ha sido exclusivo del ICE, el resto de las instituciones o entes directamente involucrados con la previsión hidrológica se han mantenido al margen, ha habido algunos intentos por revertir esta situación, pero han sido esporádicos y aislados. Mientras tanto el país sigue esperando una definición al respecto. 5.REFERENCIAS –

Jorge Granados Calderón; 2000: “Sistema de información hidrológica en tiempo real P.H. Arenal”. ICE. Documento interno.

–

Instituto Costarricense de Electricidad; 2002-4: “Estudio de Factibilidad Planta Hidroeléctrica Cariblanco”. ICE. Documento interno.

–

Jorge Granados Calderón; 2004-12: “Sistema de información hidrológica en tiempo real P.H. Cariblanco”. ICE. Documento interno.