Actualidad

El Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH) de la cuenca hidrográfica del Tajo

Jueves, 25 Agosto, 2022

En los a√Īos 80, en Espa√Īa, la Direcci√≥n General de Obras Hidr√°ulicas comienza a plantearse un sistema de informaci√≥n en tiempo real de los elementos que componen las presas para la implantaci√≥n de centros de controles modernos y apoyados en la tecnolog√≠a. As√≠ nace el Sistema Autom√°tico de Informaci√≥n Hidrol√≥gica (SAIH).¬†

Analizamos las principales caracter√≠sticas de este m√©todo en el n√ļmero 420 de Cimbra, la revista de Ingenier√≠a Civil del Colegio de Ingenieros T√©cnicos de Obras P√ļblicas.¬†

Introducción

En octubre de 1982, se produjo en la cuenca hidrogr√°fica del J√ļcar la rotura de la presa de Tous, lo que signific√≥ grandes p√©rdidas humanas y materiales valoradas en millones de euros. La causa principal fue la coincidencia de varias situaciones adversas:

  • Precipitaciones muy intensas en un corto espacio de tiempo.
  • Estado inicial de la presa al comienzo del episodio.
  • Gesti√≥n del embalse.

Estas circunstancias propiciaron que, desde la Direcci√≥n General de Obras Hidr√°ulicas, se impulsara el dise√Īo y la ejecuci√≥n de un sistema que fuese capaz de informar en tiempo real a los explotadores de los embalses en las distintas confederaciones mediante la instalaci√≥n de unos equipos electr√≥nicos que capturasen la situaci√≥n de los distintos elementos de la presa, lo transmitieran y, finalmente, se procesase en un centro de control. Dicha herramienta fue denominada Sistema Autom√°tico de Informaci√≥n Hidrol√≥gica (SAIH).

La implantaci√≥n inicial realizada se limitaba a la vertiente mediterr√°nea de la pen√≠nsula, dise√Īando el sistema SAIH como una aplicaci√≥n dedicada a la gesti√≥n de avenidas producidas fundamentalmente por fen√≥menos meteorol√≥gicos adversos como los de ‚Äúgota fr√≠a‚ÄĚ o ‚Äúdana‚ÄĚ con la terminolog√≠a actual, que se suelen producir despu√©s del verano en la costa mediterr√°nea.

Una vez implantado en la cuenca del J√ļcar, con ese objetivo inicial, se vio que no solo serv√≠a como sistema de prevenci√≥n de avenidas, sino como una herramienta fundamental en la gesti√≥n de los recursos ordinarios de la cuenca. Dicho de otra manera, totalmente utilizable en el d√≠a a d√≠a del organismo de cuenca en cuesti√≥n.

Por esta razón, se implantó en las cuencas mediterráneas y, posteriormente, se acometieron las obras para extenderlo a las cuencas atlánticas. 

Descripción de un SAIH

Cabe distinguir dos grandes grupos de actuaciones encaminadas a eliminar o, al menos, reducir los da√Īos de las inundaciones: los procedimientos preventivos y las actuaciones de emergencia. Un sistema de alarma y previsi√≥n es una pieza clave en la puesta en marcha de √©stas √ļltimas y, en casos como el de Jap√≥n, su funcionamiento se adapta a los procedimientos preestablecidos para este tipo de actuaciones. Los sistemas autom√°ticos de informaci√≥n hidrol√≥gica aparecen en Espa√Īa inicialmente concebidos como sistemas de este tipo.

Un sistema automático de información hidrológica es, básicamente, un conjunto de estaciones de medida de variables hidrológico-hidráulicas de funcionamiento automático, repartidas por el ámbito geográfico de cada cuenca, conocidas como puntos de control, conectadas a través de un sistema de comunicaciones con un centro de control, normalmente denominado Centro de Proceso de Cuenca.

A estas estaciones, se les dota de distintos tipos de sensores que miden fundamentalmente precipitaciones, niveles de agua en ríos y embalses o caudales en conducciones, aunque también se han incluido en algunos SAIH’s sensores de medida de magnitudes tales como las temperaturas o las evaporaciones.

En el centro de control, se recopilan todos los datos de las medidas procedentes de los sensores, a intervalos de tiempo cuya longitud puede variar seg√ļn los criterios espec√≠ficos de la red y de la propia cuenca, y son tratados para obtener las magnitudes de inter√©s y almacenados para su posterior tratamiento.

En ocasiones, se dota al SAIH de centros de explotaci√≥n o zonales, con funciones y posibilidades an√°logas al del centro de proceso de cuenca, √ļnico para cada SAIH, con el objetivo de que se faciliten las labores de explotaci√≥n en cuencas de gran tama√Īo.

Composición del sistema

La descomposici√≥n l√≥gica y funcional del SAIH es la que aparece en la figura incluida en el art√≠culo original de Cimbra, donde el primer nivel corresponde a los sensores instalados en los puntos de control y que son recolectados en las denominadas ‚Äúremotas‚ÄĚ, formando el sistema de adquisici√≥n de datos. Estas remotas son ordenadores industriales conectados a toda la red de sensores del punto de control en cuesti√≥n y se encargan de almacenar la informaci√≥n que estos proporcionan. Todos estos datos son tratados y transmitidos gracias a una red de comunicaciones que conforma el segundo nivel. Finalmente, llegan al centro de proceso de cuenca donde son tratados y puestos en explotaci√≥n.

Adquisición de datos

Para adquirir los datos proporcionados por los numerosos sensores, se utilizan unos equipos denominados ‚Äúremotas‚ÄĚ que, fundamentalmente, son herramientas con la arquitectura de un PC industrial, es decir, dotados de un procesador, de una memoria y de diferentes tarjetas electr√≥nicas, tanto de se√Īales digitales como anal√≥gicas y tanto de entradas como de salidas. Todos los sensores est√°n transmitiendo continuamente su estado y su valor a la ‚Äúremota‚ÄĚ, realizando √©sta el tratamiento estad√≠stico seg√ļn los periodos de muestreo que tenga configurada.

En el caso del SAIH Tajo, el periodo de interrogaci√≥n es de 15 minutos, lo que significa que la ‚Äúremota‚ÄĚ no transmite todos los valores recibidos, sino que se env√≠an los siguientes estad√≠sticos: m√°ximo, m√≠nimo, media, √ļltimo e integral (cuando este es posible), junto con su fecha y hora en que se han producido.

Medidas y punto de control

Cada punto de control puede contar con varios sensores, los cuales captan autom√°ticamente datos de diferentes tipos de magnitudes. Cabe distinguir entre los siguientes tipos de sensores:

  • Pluvi√≥metros.
  • Pluvioniv√≥metros.
  • Teleniv√≥metros.
  • Term√≥metros.
  • Higr√≥metros.
  • Radiaci√≥n solar.
  • Evaporaci√≥n.
  • Velocidad del viento.
  • Direcci√≥n del viento.
  • Niveles:

                - En embalses.

                - En ríos o en canales.

  • Caudal√≠metros en conducciones cerradas.
  • Posici√≥n de:

                - Válvulas.

                - Compuertas.

  • Finales de Carrera (todo/nada).
  • Piezometr√≠a.
  • Control de la calidad del agua:

                - PH.

                - Turbidez.

                - Temperatura.

                - Conductividad.

                - Oxígeno disuelto.

                - Nitratos.

                - Amonio.

                - Fosfatos.

Estos sensores se suelen agrupar en los denominados puntos de control:

  • Embalses.
  • Estaciones de aforo.
  • Pluvi√≥metros.
  • Impulsiones.
  • Marcos de control.
  • Aforos en canal.
  • Niv√≥metros.

SAIH de la cuenca del Tajo

El SAIH de la cuenca del Tajo tiene su origen en el proyecto de definici√≥n de su red topol√≥gica del a√Īo 1995, donde se contemplaba tambi√©n la ejecuci√≥n e implantaci√≥n de todo el sistema.¬†

Este proyecto se inici√≥ en septiembre de 1996, con una duraci√≥n inicial de tres a√Īos, termin√°ndose finalmente en enero de 2000, fecha en la que comenz√≥ su explotaci√≥n. El proyecto inicial (no el finalmente contratado) fue todo lo ambicioso que se pudo, es decir, no solo contemplaba el control de la red primaria (grandes conducciones e infraestructuras), sino que se incluyeron tambi√©n todo tipo de medidas en las zonas regables, incluyendo los retornos finales, as√≠ como una duplicidad en la instrumentaci√≥n de embalses de titularidad privada.¬†

Asociado a este criterio, exist√≠a un coste econ√≥mico que hizo que no fuese aprobado, por lo que se procedi√≥ a actualizar los n√ļmeros de puntos de control y se redujeron los controles en las √°reas regables, midiendo √ļnicamente en las cabeceras de las zonas. As√≠, la red finalmente implantada const√≥ de los siguientes puntos de medida:

  • 52 embalses.
  • 59 aforos en r√≠o.
  • 20 aforos en canal.
  • 19 pluvi√≥metros.
  • 43 pluvioniv√≥metros.
  • 7 marcos de control.
  • 10 impulsiones.
  • 4 niv√≥metros.

Esto representa una red de 214 puntos de control, repartidos por los 56.000 km2 de extensión de la cuenca.

Como se indicaba anteriormente, todo un SAIH radica en una instalaci√≥n de equipos, una captaci√≥n de datos, una transmisi√≥n y un proceso de la informaci√≥n. De las ‚Äúremotas‚ÄĚ y de los sensores ya se ha comentado, pero ser√≠a bueno indicar el orden de magnitud de los mismos.¬†

Existen, aproximadamente, m√°s de 3.000 sensores f√≠sicos instalados, m√°s de 140.000 Km. de cableado (tanto de se√Īalizaci√≥n como de alimentaci√≥n el√©ctrica) y m√°s de 9.000 variables, tanto directas como calculadas, que cada quince minutos se reciben en el Centro de Control y que hay que almacenar en las correspondientes BBDD y traspasar al sistema de supervisi√≥n de la informaci√≥n, SCADA (Sistema de Control y de Adquisici√≥n de Datos).

Queda explicar el sistema de comunicaciones. Inicialmente, los primeros SAIHs, utilizaron como sistema de transmisión de los datos los sistemas vía radio, construyendo la red de repetidores necesaria para dar cobertura a todo el territorio. Esta red era uno de los puntos clave en la implantación, ya que no siempre era fácil y posible encontrar puntos elevados que garantizaran la cobertura total, por lo que se tenía que definir una red troncal, una red primaria y una red secundaria. Solía ocurrir que, cuando se terminaban las infraestructuras de medición, todavía no se disponía de la red de comunicaciones, por lo que la información de las estaciones de control no estaba disponible.

Seg√ļn evolucionaba la tecnolog√≠a de comunicaciones, aparec√≠an nuevas posibilidades en cuanto a la transmisi√≥n de informaci√≥n se refiere. Estos sistemas innovadores fueron la transmisi√≥n v√≠a sat√©lite y el aumento de la cobertura m√≥vil en el territorio espa√Īol. As√≠, se empezaron a implantar SAIHs con un sistema de comunicaciones v√≠a sat√©lite en las cuencas del Guadalquivir y del Tajo y en alguna m√°s posteriormente.

Para construir la red de comunicaciones, se utiliz√≥ uno de los sat√©lites espa√Īoles HISPASAT 1¬™. Normalmente, se contrataban los servicios de gesti√≥n a un operador de telecomunicaciones. En el caso de la cuenca del Tajo, se est√° trabajando en la actualidad con Telef√≥nica y el esquema de las comunicaciones.

El procedimiento de captura funciona siguiendo el procedimiento que se detalla a continuaci√≥n. Desde el centro de control de la cuenca, se generan las preguntas a las 214 estaciones remotas sobre su estado y sobre sus datos recolectados en el periodo de muestreo, siendo enviadas a trav√©s del sistema de comunicaciones v√≠a sat√©lite. La respuesta de todos los puntos de control, a su vez, se recibe en el propio centro de control, realiz√°ndose todo el proceso desde que salen las preguntas y hasta que contestan todas aproximadamente en 2 minutos (se denomina tiempo de ‚Äúpolling‚ÄĚ). En nuestro caso, el sistema est√° dise√Īado para consultar cada 15 minutos, pero ante situaciones de avenida este periodo de captura de datos puede acortarse y establecerse en continuo, de tal forma que cuando se produzcan cambios de estado en las variables, √©stos sean enviados directamente, sin esperar a la pr√≥xima consulta.

Uso del SAIH en la CHT

Actualmente, las confederaciones tienen en su estructura administrativa un servicio encargado de la estadística hidrológica y, por lo tanto, responsable de la captura de datos, del almacenamiento y del proceso. Estas funciones residen en el servicio de Hidrología de la Comisaría de Aguas, el cual publica periódicamente la información hidrológica pero no en tiempo real.

Para poder disponer de esta informaci√≥n de forma autom√°tica, se dispone de la red SAIH. Anteriormente, cuando se precisaba alg√ļn dato de una estaci√≥n de aforos o del canal de la cuenca, se ten√≠a que desplazar alg√ļn operario para conseguirlo, bien midiendo directamente o bien comprobando la hoja de la estaci√≥n donde se registraba el limnigrama. Hoy, todo esto est√° superado con los sistemas autom√°ticos. Estos facilitan la informaci√≥n captada por los sensores y, autom√°ticamente, se ponen a disposici√≥n del usuario.

Las nuevas tecnologías permiten estar informado de inmediato y prácticamente en cualquier parte, sobre todo con las redes inalámbricas y redes WiFi y, especialmente, por los smartphones. Esta circunstancia facilita que el personal de un organismo de cuenca empiece, en primer lugar, a conocer las herramientas y opciones que permite un SAIH y, en segundo lugar, que use y explote la información que se recibe y las aplicaciones que se desarrollan con ella. Todo esto, junto con otra serie de productos y aplicaciones que nos permite mejorar la información presentada, hace que el sistema sea considerado como algo fundamental para la gestión del organismo, independientemente del uso (gestión de avenidas o gestión de recursos).

En cuanto a la gesti√≥n de las avenidas, ni qu√© decir tiene que no se plantea actualmente una gesti√≥n de inundaciones sin el sistema SAIH. Fundamentalmente, por la importancia que tiene el conocer la evoluci√≥n de los niveles de los r√≠os para la explotaci√≥n de las presas, as√≠ como el disponer de una informaci√≥n pluviom√©trica espec√≠fica para uso hidrol√≥gico, que permite anticipar la respuesta de las subcuencas en cuanto a producci√≥n de escorrent√≠a seg√ļn el grado de saturaci√≥n del terreno.

Si a esto le a√Īadimos un buen sistema de predicciones meteorol√≥gicas, como el que dispone la CHT en la actualidad, as√≠ como todos los modelos hidrol√≥gico-hidr√°ulicos que se disponen en el SAIH, la herramienta garantiza la explotaci√≥n. Cada vez que se producen avenidas en la cuenca, se constituye el Comit√© Permanente de la Comisi√≥n de Desembalse, que se encarga fundamentalmente del control y del seguimiento de las avenidas y adopta las decisiones de desembalses necesarios para garantizar la seguridad de las instalaciones y minimizar los da√Īos producidos.

Dicho comité, para analizar la situación, recurre al sistema SAIH como información hidrológica en tiempo real y al responsable del SAIH para contrastar la información facilitada por el mismo, de cara a justificar la calidad de los datos proporcionados y poder decidir lo más acertadamente posible la gestión correspondiente.

La herramienta SAIH se ha convertido en un referente para la gesti√≥n del organismo, tanto ordinaria (gesti√≥n de recursos) como extraordinaria (gesti√≥n de avenidas). Todas las aplicaciones desarrolladas tienden a proporcionar la informaci√≥n obtenida por el SAIH para facilitar la toma de decisiones, ya sea durante una campa√Īa de riegos, para suministrar los caudales ecol√≥gicos establecidos en el Plan Hidrol√≥gico de la cuenca o para laminaci√≥n de avenidas en las presas explotadas por el Estado en el √°mbito geogr√°fico de la CHTajo.

Asimismo, constituye una herramienta fundamental para la estad√≠stica hidrol√≥gica debido a la cantidad de informaci√≥n que proporciona y con periodos de adquisici√≥n muy peque√Īos (15 minutos), pero tambi√©n para poder intercambiar la informaci√≥n con entidades como la Agencia Estatal de Meteorolog√≠a, la Direcci√≥n General del Agua, el Canal de Isabel II y sobre, todo, con nuestros vecinos de Portugal y su Agencia Portuguesa do Ambiente (en cumplimiento del Convenio de Albufeira para la gesti√≥n de los r√≠os transfronterizos entre Espa√Īa y Portugal).

La posibilidad que ofrece tener tanta información en tiempo real está permitiendo el desarrollo del SAD (Sistema de Ayuda a la Decisión).

Sistemas de ayuda a la decisión

Con antelación a tener implantados los SAIHs, existía el problema de no poder aplicar ciertos modelos o herramientas al no tener los datos necesarios en tiempo y en forma. Ahora, hemos pasado de esa situación a tener demasiados datos de forma automática y poder aplicar cualquier modelo comercial.

Por este motivo y, junto con la mejora de la informaci√≥n topogr√°fica y cartogr√°fica actual, se plantean trabajos como el de desarrollar un sistema inform√°tico que mejore la gesti√≥n de las avenidas y facilite el trabajo al explotador de las infraestructuras. Es lo que denominamos SAD ‚ÄúSistema de Ayuda a la Decisi√≥n‚ÄĚ y que se encuentra en fase de desarrollo.¬†

En la cuenca del Tajo, se ha decidido implantar el sistema FEWS (Flood Early Warning System), al ser un sistema abierto y bastante amigable, seg√ļn figura en las recomendaciones dadas por la Direcci√≥n General del Agua. El SAD, principalmente, realiza la visualizaci√≥n de la informaci√≥n procedente de la red SAIH y de la procedente de AEMET, tanto de los productos de observaci√≥n del radar meteorol√≥gico como de los pron√≥sticos de sus modelos num√©ricos (HARMONIE-AROME, EPS,‚Ķ). Esto permite que, con esta aplicaci√≥n FEWS, se puedan combinar los datos de la red SAIH con los de AEMET, con la finalidad de obtener unos campos de precipitaci√≥n mucho m√°s realistas y que nos permita introducirlos en los modelos hidrol√≥gico-hidr√°ulicos para realizar simulaciones y obtener resultados de caudales o niveles futuros en determinados tramos o secciones de cauce.

Toda esta información, obtenida gracias al SAD, permite prever la respuesta del comportamiento de los cauces de la cuenca, donde tenemos puntos de control y referencia, ante la presencia de determinados fenómenos meteorológicos adversos.

Las gráficas anteriores muestran, en primer lugar, la previsión de lluvia para un punto concreto de la red, lo cual permite rodar los distintos modelos hidrológicos e hidráulicos que se han desarrollado, para así obtener las gráficas de los distintos hidrogramas previstos, tanto deterministas como probabilistas.

Otro ejemplo de uso del SAD es el que se muestra en la figura recogida en el artículo completo, donde se ha desarrollado un modelo de traslación de onda en el cauce que nos permite estimar la respuesta del mismo en los próximos cinco días desde su fecha de análisis, teniendo en cuenta todas las demandas existentes en el tramo de estudio, para así poder garantizar el caudal establecido en un punto de control concreto.

Costes de implantación y mantenimiento del sistema

Como ya se ha indicado, el SAIH del Tajo lleva en explotaci√≥n, m√°s de 20 a√Īos, desde su finalizaci√≥n en el a√Īo 2000. Como ocurre en proyectos donde se act√ļa en diversos campos, como aqu√≠ ocurre con trabajos de telecomunicaciones, obra civil, software, instalaciones el√©ctricas e industriales, presas, canales y dominio p√ļblico hidr√°ulico, la duraci√≥n de este proyecto fue de aproximadamente cuatro a√Īos.

El coste de implantaci√≥n alcanz√≥ los 42 millones de euros y, actualmente, el sistema cuenta con contratos de servicios para garantizar el mantenimiento del mismo, con un importe medio de 2,3 millones de euros/a√Īo, incluyendo todo el personal necesario, as√≠ como la sustituci√≥n de repuestos y costes de comunicaciones.

Como resumen, se puede decir que el contar con sistemas como el SAIH en los organismos de cuenca ha supuesto un gran avance en los procedimientos de gestión, tanto de episodios de avenida como de la propia gestión de los recursos existentes.

Toda la informaci√≥n que proporcionan en tiempo real supone una ayuda important√≠sima en la gesti√≥n de los episodios de avenidas e inundaciones, que con tanta frecuencia y severidad se est√°n produciendo √ļltimamente. El tener la informaci√≥n disponible, no solo nos permite mejorar la gesti√≥n, sino tambi√©n hacerla p√ļblica para la sociedad a trav√©s de la publicaci√≥n en la p√°gina web del SAIH de la cuenca del Tajo, accesible desde las direcciones url siguiente.¬†

Todo esto junto, con los datos metereológicos que recibimos de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET), nos permite avanzar en los pronósticos que gracias al sistema de ayuda a la decisión se están empezando a utilizar en la gestión.

Autor. Hinojal Mart√≠n, Jos√© Antonio. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos del Estado, e Ingeniero T√©cnico de Obras P√ļblicas. Jefe de √Ārea de Hidrolog√≠a y responsable del SAIH. Confederaci√≥n Hidrogr√°fica del Tajo, Madrid.

Art√≠culo publicado en el n√ļmero 420 de la revista Cimbra, disponible aqu√≠.