Historia – AquaTool

Historia de AQUATOOL

El entorno de desarrollo de sistemas de soporte a la decisión (SSD) Aquatool aporta diversas herramientas para ayudar a resolver muchos de los problemas que pueden plantearse en el análisis de Sistemas de Recursos Hídricos (SRH) desde el punto de vista de la planificación y de la gestión de SRH.

El primer hito en el desarrollo de lo que acabaría siendo el entorno Aquatool se produjo en 1987, con el desarrollo del modelo Optired (Andreu, 1989), con el que se generaliza la resolución del problema de la asignación óptima de recursos para esquemas de SRH de configuración variable, definida por el usuario. Para ello, el modelo genera internamente una red de flujo conservativa y utiliza algoritmos de optimización específicos para redes de flujo. Así, este módulo realiza la optimización de la gestión para largos periodos de tiempo (generalmente decenas de años), con escala temporal básica mensual. Esto, junto con un análisis de los resultados, permite la deducción de reglas de operación óptimas para sistemas complejos de recursos hídricos. En esta fase, Optired es aplicado para el estudio de algunos subsistemas del río Ebro, los ríos Eugui, Estella y Guindano en Navarra (DOPTC, 1987), e Iregua en Logroño (CR, 1989) para el dimensionamiento de embalses y nuevas demandas.

Posteriormente, en 1989 comienzan los trabajos de análisis de la gestión de la cuenca del río Segura en que destaca la gran complejidad del sistema (Andreu y Capilla, 1993) con: 19 unidades de acuíferos (10 conectadas al sistema superficial); 3 subsistemas principales de transporte y distribución del agua superficial; 14 embalses; el trasvase desde el río Tajo; múltiples usos urbanos, industriales, agrícolas e hidroeléctricos; intensa reutilización indirecta de aguas; una compleja asignación de derechos de uso del agua; y una cuantía de las demandas que supera los recursos renovables.

En un caso tan complejo como el del río Segura, para alcanzar suficiente orden y claridad en el análisis de la gestión del sistema no es suficiente con el análisis de la optimización de la gestión, sino que es necesario recurrir al uso combinado de modelos matemáticos de optimización y simulación (Johnson et al., 1991). Es por ello que para este caso, y en base a la experiencia y al desarrollo de Optired, se desarrolló el módulo de simulación de la gestión de cuencas SGC (Andreu y otros, 1989). Aunque desarrollado para la simulación, este modelo incluye también la optimización de una red de flujo conservativa que, a diferencia del modelo de optimización, se formula para resolver la asignación de recursos en un solo mes. Otra diferencia fundamental entre el módulo de simulación y el de optimización es que el módulo de simulación requiere la definición de las reglas de operación del sistema. Las reglas de operación incluidas son de los siguientes tipos:

Curvas objetivo de volumen y zonas de embalses.
Relaciones interembalses.
Caudales mínimos objetivo por canales.
Suministros objetivos.
Caudales objetivo de turbinado para aprovechamientos hidroeléctricos.
Relaciones entre demandas.
Relaciones entre canales.
Relaciones entre elementos: bombeos, recargas artificiales.

El primer hito en el desarrollo de lo que acabaría siendo el entorno Aquatool se produjo en 1987, con el desarrollo del modelo Optired (Andreu, 1989), con el que se generaliza la resolución del problema de la asignación del agua mediante la generación de una red de flujo y el uso de algoritmos de optimización de redes de flujo para el cálculo de la asignación óptima de recursos para esquemas de SRH de configuración variable, definida por el usuario. Este módulo realiza la optimización de la gestión para largos periodos de tiempo (generalmente decenas de años), con escala temporal básica mensual. Esto, junto con un análisis de los resultados, permite la deducción de reglas de operación óptimas para sistemas complejos de recursos hídricos. En esta fase, Optired es aplicado para el estudio de algunos subsistemas del río Ebro, los ríos Eugui, Estella y Guindano en Navarra (DOPTC, 1987), e Iregua en Logroño (CR, 1989) para el dimensionamiento de embalses y nuevas demandas.

En un caso tan complejo como el del río Segura, para alcanzar suficiente orden y claridad en el análisis de la gestión del sistema no es suficiente con el análisis de la optimización de la gestión, sino que es necesario recurrir al uso combinado de modelos matemáticos de optimización y simulación (Johnson et al., 1991). Es por ello que para este caso se desarrolló el módulo de simulación de la gestión de cuencas SGC (Andreu y otros, 1989). Aunque desarrollado para la simulación, este modelo incluye también la optimización de una red de flujo conservativa que, a diferencia del modelo de optimización, se formula para resolver la asignación de recursos en un solo mes. Otra diferencia fundamental entre el módulo de simulación y el de optimización es que el módulo de simulación requiere la definición de las reglas de operación del sistema. Las reglas de operación incluidas son de los siguientes tipos:

Curvas objetivo de volumen y zonas de embalses.
Relaciones interembalses.
Caudales mínimos objetivo por canales.
Suministros objetivos.
Caudales objetivo de turbinado para aprovechamientos hidroeléctricos.
Relaciones entre demandas.
Relaciones entre canales.
Relaciones entre elementos: bombeos, recargas artificiales.

En 1989 se utilizan los módulos SGC y Optired en el análisis de la gestión del río Mijares incluyendo la gestión conjunta de las aguas subterráneas (CHJ, 1990). A partir de 1990 se comienza a desarrollar nuevas aplicaciones para aumentar las posibilidades de análisis y para facilitar el uso de los modelos, lo que conforma un SSD más amplio orientado al análisis de la gestión integral de SRH. A este conjunto se le denomina Aquatool (Andreu et al., 1991). En este desarrollo se incluye diversas interfaces gráficas de usuario basadas en el sistema operativo Windows de Microsoft.

El primer desarrollo en el entorno Aquatool consiste en unidades de control para la edición interactiva de datos y resultados de los módulos Simges (basado en el módulo SGC) y Optiges (basado en el módulo Optired). Este sistema permite al usuario:

Introducir y modificar si es necesario, en una forma gráfica la configuración de un sistema de recursos hidráulicos ya sea para optimización (módulo Optiwin) o para simulación (módulo Simwin). Esto incluye la posibilidad de obtener una copia en papel del diseño efectuado.
Introducir y gestionar bases de datos que contienen las características físicas de los componentes de los esquemas, así como las características de gestión.
Llevar a cabo una optimización de la gestión para una alternativa dada y un tiempo horizonte dado utilizando diferentes datos hidrológicos.
Llevar a cabo una simulación de la gestión para una alternativa dada y un tiempo horizonte dado, usando diferentes datos hidrológicos y también diferentes reglas de gestión.
Obtener los resultados de la optimización y de la simulación en forma de informe escrito, ya sea detallado para todo el tiempo horizonte o resumido como valores medios e indicadores de garantías.
Obtener los resultados de la optimización y de la simulación en la forma de gráficos de series temporales, gráficos de valores medios y de valores para un año determinado.
Obtener los resultados de la optimización y de la simulación almacenados en archivos que puedan ser utilizados como datos de entrada para cualquier tipo de postprocesador específico que no esté incluido en Aquatool.

Estas capacidades pueden ser utilizadas en un sistema de recursos hidráulicos para:

Filtrar alternativas de diseño mediante el módulo de optimización.
Filtrar alternativas de gestión mediante el uso del módulo de optimización obteniendo criterios de operación a partir del análisis de los resultados óptimos.
Comprobar y refinar las alternativas filtradas mediante el uso del modelo de simulación.
Llevar a cabo análisis de sensibilidad comparando los resultados después de cambios en el diseño o en las reglas de operación.
Llevar a cabo análisis de riesgo simulando y/u optimizando con diferentes series sintéticas hidrológicas.
Ganar conocimiento del sistema en los aspectos físicos y de gestión. Y también ganar en el aspecto de organización de datos.
Utilizar el modelo una vez que se implanta una alternativa como una ayuda en la operación del sistema de recursos hidráulicos (off-line), principalmente para reparto de recursos entre demandas conflictivas, y para estudiar impactos de cambios en el sistema.

Además, este sistema no es específico para una cuenca determinada sino que está previsto para uso general puesto que permite la representación de diferentes configuraciones de sistemas de recursos hidráulicos mediante el diseño gráfico y la entrada gráfica de datos.

En 1993-94 se aplica este entorno de desarrollo de SSD al sistema del río Guadalquivir, como el objetivo de evaluar las garantías de suministro para usos agrícolas (CAPJA, 1984).

Poco más tarde se comienza el diseño y desarrollo del módulo Aquival (Andreu y Capilla, 1996) para el preproceso y simulación de acuíferos por el método de los autovalores (Andreu y Sahuquillo, 1987). Este módulo permite la formulación de un modelo distribuido de simulación del flujo en un acuífero para su integración dentro de un modelo de simulación del uso conjunto desarrollado con Simges. Esto supone que en el módulo Simges se incluye también la formulación del modelo de simulación de acuíferos por el método de los autovalores. Más adelante también se desarrollan los módulos de control y edición gráfica de datos y resultados de la modelación de acuíferos.

En 1994 y 95, la Oficina de Planificación de la Confederación Hidrográfica del Tajo desarrolla un SSD para la simulación y optimización de la gestión del sistema del río Tajo utilizando el entorno Aquatool. Los resultados de estos trabajos fueron utilizados en la definición del Plan Hidrológico de la cuenca. El análisis de la gestión de la cuenca del río Tajo también hizo necesario el desarrollo de nuevos elementos en los módulos previos y de nuevas herramientas de análisis que se incorporaron al Entorno Aquatool:

Canales con limitaciones hidráulicas a la gestión. Consiste en la representación de túneles o tuberías conectadas a embalses cuyo caudal máximo está condicionado por el nivel de agua relativo entre la entrada y la salida. Se puede asimilar a túneles o tuberías gobernados mediante compuertas o válvulas.
Conducciones sin posibilidad de gestión gobernadas únicamente por condiciones hidráulicas. Sería el caso de un túnel entre 2 embalses sin compuertas, de manera que el flujo solo depende de la diferencia de cota entre un extremo y otro, con lo que además puede ser en ambos sentidos.
Módulo de cálculo económico de la producción en aprovechamientos hidroeléctricos.
Módulos para la transferencia de datos desde la base de datos de la simulación a la de optimización y viceversa.

En 1995 se comienza a utilizar el Entorno Aquatool en la Oficina de planificación de la Confederación Hidrográfica del Júcar (CHJ), donde se modelan los subsistemas de los ríos Júcar, Turia (Pérez, 2000), Marina baja (Gandia, 2001) y Mijares (Sopeña, 2002), (estas referencias consisten en trabajos de investigación desarrollados como trabajos final de carrera para la titulación de Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos). Durante estos trabajos se diseñan y desarrollan el módulo de cálculo de curvas de reservas en embalses «Solver&Simges» (Lladosa, 2001) y las utilidades para la definición de tales curvas de reservas en el módulo de simulación.

En esta época se desarrolla el primer prototipo del módulo de simulación múltiple con estimación del riesgo «Simrisk» y para optimización optirisk (inicialmente llamados simmul y optimul). Sus primeras aplicaciones se enfocaron al análisis de la gestión del Trasvase Tajo-Segura (Andreu, 1994 y Solera, 1997) y el SRH del río Segura (CHS, 1996) A diferencia de los módulos anteriores que se aplican en la fase de planificación, este módulo está orientado a su uso en la fase de gestión. El estado de desarrollo de Aquatool en esta fase se describe en Andreu et al. (1996).

A partir de 1996 el Entorno Aquatool es utilizado por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX para el análisis de la gestión del sistema unificado nacional, cuyos resultados son utilizados en la redacción del Libro Blanco del Agua en España (MMA, 1999) en los anejos sobre análisis de sistemas hidrológicos (MMA, 2001a) del Plan Hidrológico Nacional.

El perfeccionamiento del módulo Simrisk da pie al diseño de la metodología de operación de sistemas basada en la estimación del riesgo (OSBER), que constituye la tesis doctoral de Sonia T. Sánchez (1999). Esta metodología requiere del desarrollo de nuevos módulos de análisis como los módulos «Msimrisk» (Capilla et al., 1998) y «Aprendizaje».

Dentro del desarrollo de la metodología OSBER se incluye también módulos para el análisis estocástico de múltiples series sintéticas de aportaciones «Blue» y para la generación de múltiples series sintéticas condicionadas «Genera» junto con sus correspondientes módulos gráficos de control. Estos módulos facilitan la calibración y el uso de modelos ARMA multivariados en el análisis de la gestión de SRH. Posteriormente estos módulos se han perfeccionado con el desarrollo de nuevos modelos basados en la teoría de redes neuronales artificiales (Ochoa-Ribera et al., 2002). También se desarrolló un entorno de ventanas para facilitar y orientar al usuario en el proceso. Al módulo general que incluye todos los procesos mencionados se denomina MASHWIN Módulo de Análisis de Series Hidrológicas en entorno Windows.

En el año 2000 se crea el Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente (IIAMA) en la UPV, y los investigadores del DIHMA pasan a formar parte del nuevo IIAMA como Grupo de Ingeniería de Recursos Hídricos (GIRH) por lo que Aquatool pasa a ser responsabilidad del IIAMA.

En 2000 en la oficina del SAIH de la Confederación Hidrográfica del Tajo (CHT) y en 2001 en la oficina de explotación de la CHJ se comenzaron sendos proyectos de instalación del Entorno Aquatool orientado a la gestión sistemática basada en el método OSBER. Esta versión del SSD incluye numerosas herramientas adicionales que han sido desarrolladas en el marco de esta tesis, como son:

Módulo de actualización y validación de series de aportaciones a régimen natural «ActVal» (Andreu et al., 2002).
Módulos para el análisis de la gestión basada en el método OSBER «Msimrisk» y «Aprendizaje».
Módulos para el análisis gráfico de la situación de riesgo del sistema.

Con consecuencia de la publicación de la directiva marco europea en materia de aguas (DMA) se inicia varios proyectos de desarrollo de software que ampliando la línea de I+D en herramientas de ayuda a la decisión para la planificación hidrológica permitan analizar aspectos importantes como la calidad de aguas y el coste-eficacia del programa de medidas.

En 2004 Se termina la primera versión del módulo GESCAL para la simulación de la calidad de aguas asociada a la gestión de una cuenca. Este módulo permite simular opcionalmente procesos de degradación, oxidación, ciclo del nitrógeno y ciclo del fósforo, sobre todos los elementos previamente modelados con SIMGES. Por tanto incluye la simulación de mezcla en nudos y variación de la calidad en tramos de río y en embalses. Repitiendo el proceso para todo el periodo de tiempo simulado. Este módulo fue utilizado para analizar el impacto de las alternativas de mejora de la calidad del agua en el curso bajo del río Júcar sirviendo también como ayuda para facilitar el diálogo en el proceso de decisión para definir los caudales ecológicos en la zona.

En la misma época también se desarrolla con una filosofía similar el módulo ECOGES para la evaluación económica del programa de medidas a proponer en el marco de la DMA.

Desde 2002 el GIRH se implica con la CHJ en la negociación con usuarios e interesados en decisiones socialmente conflictivas como la implantación de caudales ecológicos y la asignación de excedentes a otros usos no titulares de derechos. En este proceso, Aquatool es debatido y utilizado por los participantes en la negociación, quienes le adjudican la credibilidad necesaria para ser utilizado como herramienta de mediación para comprobar la viabilidad y consecuencias a nivel de cuenca de las propuestas formuladas por cualquier interesado.

También, durante la sequía de 2004-7 Aquatool-simrisk es utilizado de igual manera como herramienta para plantear y analizar las alternativas de previsión para paliar los efectos de la sequía a medio plazo. Comprobándose su gran utilidad como herramienta de mediación en el tratamiento de conflictos por el uso del agua.

Hacia 2006, cumpliendo con las necesidades planteadas por la DMA y en previsión de las necesidades que van a surgir para el desarrollo de los nuevos Planes Hidrológicos, se comienza a utilizar un nuevo interfaz de usuario que sustituye a las versiones anteriores (SIMWIN y OPTIWIN). Este nuevo interfaz AQUATOOLDMA es diseñado en forma modular, separando las diferentes funciones en módulos independientes, con el fin de facilitar su crecimiento, e incluso, permitir a otros desarrolladores crear nuevas aplicaciones que mejoren las posibilidades de análisis y de trabajo del producto final. Aquatooldma traslada todos los datos y resultados de los modelos a bases de datos (en formato de Access) editables desde otras aplicaciones; incluye un visualizador SIG que permite enlazar los elementos de aquatool con sus equivalentes en el SIG de la agencia de cuenca; integra el manejo de todos los módulos de cálculo en un solo interfaz de diseño y edición de esquemas; integra el trabajo con varios escenarios del mismo proyecto; y permite establecer links con cualquier otra aplicación que el usuario utilice en el manejo habitual del su SSD.

En 2006, iniciándose los trabajos de desarrollo de los nuevos planes hidrológicos, el GIRH comienza a colaborar con la OPH de la Confederación Hidrográfica del Duero (CHD). La CHD establece un nuevo criterio en el diseño del SSD para la planificación que consiste en la definición pormenorizada y detallada de todos los elementos de la cuenca (usos, infraestructuras, subcuencas, etc). Esto da lugar a SSD muy detallados que dificultan la comprensión a mayor escala de los resultados de los modelos de cálculo, a la vez que requiere una gran cantidad de horas de trabajo para la edición y revisión de datos. Estas condiciones estimula el diseño de nuevas herramientas para facilitar el trabajo con sistemas con un gran número de elementos que son imposible de comprender mediante observación individual. Se desarrollan diversas herramientas para propósitos como: la obtención automática de resúmenes de resultados y balances agregados a cualquier escala; el lanzamiento automático de múltiples escenarios con solo introducir las diferencias entre ellos junto con la obtención de resúmenes de resultados que son automáticamente integrados en una hoja de cálculo; y el diseño de informes resumen que se completan automáticamente.

También con el inicio de los trabajos de desarrollo de los planes hidrológicos, el Ministerio de Medio Ambiente a través de TRAGSATEC contrata con el GIRH el servicio de dar formación científica y soporte técnico a todas las OPHs y empresas implicadas en el desarrollo de los planes hidrológicos de las cuencas intercomunitarias. Esto facilita que los nuevos módulos y métodos de trabajo desarrollados puedan transferirse a la planificación de otras cuencas.

En 2008, con los primeros resultados de los estudios para la determinación de caudales ecológicos en los ríos españoles se hace necesario un análisis del efecto que la implantación de estos caudales pueda tener sobre la garantía del sistema de gestión o viceversa. Para mejorar estos trabajos se diseña y desarrolla el módulo Caudeco que permite utilizar las funciones de hábitat calculadas en los diferentes tramos y contrastarlas con los resultados de caudales derivados de la simulación de escenarios para mejorar la información en el análisis de la eficacia de alternativas. En el caso del sistema del Duero este módulo fue utilizado en el módulo de simulación automática de múltiples escenarios para obtener funciones de eficacia de las diferentes opciones en la definición de caudales mínimos y otros parámetros de diseño de la gestión.

Aquatool también se ha utilizado en ocasiones para el tratamiento de cuestiones singulares que han requerido la simulación a escala diaria. Aunque su uso a esta escala ha sido eficaz, no ha sido fácil. Por esto se ha iniciado el proyecto de desarrollar un nuevo simulador que permita estudiar la gestión con cualquier escala de tiempo. Lo que permitirá el estudio de otros problemas que la escala mensual no permite considerar, como la optimización de la producción hidroeléctrica o el análisis de la gestión de sistemas con regulación inferior a la escala mensual.