Generación de hidrogramas de crecida mediante simulación estocástica multivariada de lluvia y modelación hidrológica distribuida : aplicación a seguridad de presas

Flores Montoya, Isabel (2018). Generación de hidrogramas de crecida mediante simulación estocástica multivariada de lluvia y modelación hidrológica distribuida : aplicación a seguridad de presas. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.52508.

Description

Title: Generación de hidrogramas de crecida mediante simulación estocástica multivariada de lluvia y modelación hidrológica distribuida : aplicación a seguridad de presas
Author/s:
  • Flores Montoya, Isabel
Contributor/s:
  • Garrote de Marcos, Luis
  • Sordo Ward, Álvaro
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería Civil: Hidráulica, Energía y Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La presente tesis realiza una propuesta metodológica para la evaluación de la seguridad hidrológica de las presas con un enfoque probabilístico. Para ello se construye un entorno de simulación de Monte Carlo integrando diferentes modelos que simulan todos los procesos que intervienen en la generación y gestión de avenidas. Además, se han desarrollado una serie de procedimientos intermedios que permiten enlazar estos modelos creando una cadena de simulación completa. Por último, se han desarrollado diversos procedimientos de análisis de los resultados y la incertidumbre asociados a ellos. En la generación de las avenidas intervienen principalmente dos procesos, la generación de eventos de tormenta y su transformación en escorrentía. Para simular estos procesos se han combinado un modelo estocástico de lluvia (RainSim V3) y un modelo lluvia-escorrentía distribuido, físicamente basado, de evento (RIBS). El modelo RainSim V3 permite la simulación espacio-temporal de series continuas de lluvia arbitrariamente largas con un paso de tiempo arbitrario que reproducen el comportamiento meteorológico extremal de la cuenca. Por su parte, la aplicación del modelo RIBS, permite obtener la respuesta hidrológica de la cuenca a eventos de tormenta considerando, mediante la aplicación de un proceso de calibración probabilística, la variabilidad de los procesos que intervienen en la generación y flujo de la escorrentía en la cuenca. Ambos modelos se enlazan a través de un procedimiento de identificación de eventos de lluvia en las series de lluvia continuas y de selección de las peores tormentas para la seguridad hidrológica. El resultado de aplicar ambos modelos es la obtención de series arbitrariamente largas de hidrogramas de entrada al embalse. La gestión de avenidas tiene como objetivo mantener el nivel del embalse (y los caudales pico de salida) dentro de un rango seguro. Los hidrogramas de salida se han simulado aplicando el método Puls modificado (también conocido como Storage Indication Method, Chow, V.T. et al., 1988) y las normas de operación derivadas de aplicar el método de Girón (Método de Evaluación Volumétrica, Girón, F. 1988). Este método define el grado de apertura de las compuertas con el objetivo de salvaguardar la integridad física de la presa. La aplicación del modelo de gestión de avenidas a las series sintéticas de hidrogramas de entrada al embalse da como resultado la evolución del volumen y el nivel alcanzado por la lámina de agua en el embalse y los hidrogramas de salida del embalse. Esta metodología se ha aplicado a la cuenca del Manzanares, situada en el centro de la península ibérica, y a dos subcuencas del río Gardons, Corbès y Générargues, situadas en el sureste de Francia. En la cuenca del Manzanares se han generado 8000 años de lluvia continua con un paso de tiempo horario, de los que se han extraído 40000 eventos de tormenta para su transformación en avenidas y su laminación. Se han obtenido las leyes de frecuencia de los caudales pico de entrada, los caudales pico de salida y los máximos niveles alcanzados en el embalse y se ha caracterizado el comportamiento extremal del sistema cuenca-presa hasta periodos de retorno de prácticamente 15000 años. Por su parte, para las cuencas de Corbès y Générargues se han simulado 6000 años de lluvia continua con un paso de tiempo horario, de los que se han extraído 35000 eventos de tormenta posteriormente transformados en avenidas, permitiendo caracterizar el comportamiento extremal de las cuencas hasta periodos de retorno entorno a los 10000 años. Los resultados obtenidos en ambos casos ponen de manifiesto que la metodología propuesta constituye una herramienta útil para la caracterización del comportamiento extremal de las cuencas. Así mismo, la metodología propuesta es adecuada para analizar riesgo hidrológico de las presas a partir de la distribución de frecuencia de los máximos niveles de agua en el embalse y los máximos caudales de salida y su relación con las características de los hidrogramas mediante un análisis multivariado. ----------ABSTRACT---------- This thesis develops a methodology for the analysis of hydrological dam safety under a probabilistic approach. For this aim, a Monte Carlo environment was built by integrating different models which simulate all the processes involved from rainfall generation to dam operation. Moreover, some intermediate procedures were developed to engage the models and to create a unique simulation network. Finally, uncertainty analyses were implemented and results were analyzed. Two processes are involved in the flood generation, the rainfall events generation and the rainfall-runoff transformation. To simulate the flood generation a spatialtemporal synthetic rainfall generator (RainSimV3) was coupled with a distributed physically-based rainfall-runoff event-based model (RIBS). The RainSimV3 model allowed the spatial-temporal simulation of continuous and arbitrarily long series of rainfall for a set of rain gauges with an arbitrary time step. Then, the extremal rainfall behavior of the basin was estimated. By applying the RIBS model the response of the basin to the most significant events was calculated. Model uncertainties were accounted by developing a probabilistic calibration procedure. By applying a rainfall events identification process the biggest annual storms were selected. The results from applying both models was a set of reservoir inflow hydrographs. The flood management aims to maintain the reservoir level (and peak outflow) within a safe range. The outflow hydrographs were simulated applying the Storage Indication Method. The dam operation rules were defined by applying the Volumetric Evaluation Method. This method defines the degree of opening of the gates to ensure the structural safety of the dam. By applying the proposed flood management procedure, the reservoir water level evolution and the reservoir outflow hydrographs were determined. The proposed methodology has been applied to the Manzanares basin, located in the centre region of the Iberian Peninsula and two sub-basins belonging to the Gardons River (Corbès and Générargues) located in the south-east of France. In the Manzanares basin, a 8000-year rainfall series was generated and 40000 storm events were selected and the corresponding inflow and outflow hydrographs were calculated. The inflow, outflow and maximum reservoir level frequency distributions were obtained and the extremal hydrological behavior of the basin-dam system (up to 15000 return years) was characterized. In Corbès and Générargues basins, a 6000 years rainfall series was generated and 35000 storm events were selected. Following the same procedure as in Manzanares, the extremal hydrological behavior of the basin-dam system for return periods up to 10000 years was characterized. The results obtained for both cases showed that the proposed methodology is an useful tool to characterize the extremal hydrological behavior of the basin. Moreover, the proposed methodology is appropriate to analyze the hydrological safety of dams by means of the frequency distribution of the maximum reservoir water level and the maximum spillway discharge, and by relating them with the hydrograph characteristics through a multivariate analysis.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainCGL2011-22868MODEXUnspecifiedModelación físicamente basada para la caracterización extremal de la respuesta hidrológica de una cuenca bajo enfoque probabilístico. Aplicación a la seguridad de presas
FP7283568DRIHMAntonio ParodiDistributed Research Infrastructure for Hydro-Meteorology

More information

Item ID: 52508
DC Identifier: http://oa.upm.es/52508/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:52508
DOI: 10.20868/UPM.thesis.52508
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 05 Oct 2018 06:37
Last Modified: 05 Apr 2019 22:30
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