El Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH) de la cuenca hidrográfica del Tajo
Jueves, 25 Agosto, 2022En los años 80, en España, la Dirección General de Obras Hidráulicas comienza a plantearse un sistema de información en tiempo real de los elementos que componen las presas para la implantación de centros de controles modernos y apoyados en la tecnología. Así nace el Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH).
Analizamos las principales características de este método en el número 420 de Cimbra, la revista de Ingeniería Civil del Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas.
Introducción
En octubre de 1982, se produjo en la cuenca hidrográfica del Júcar la rotura de la presa de Tous, lo que significó grandes pérdidas 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.
- Gestión del embalse.
Estas circunstancias propiciaron que, desde la Dirección General de Obras Hidráulicas, se impulsara el diseño y la ejecución de un sistema que fuese capaz de informar en tiempo real a los explotadores de los embalses en las distintas confederaciones mediante la instalación de unos equipos electrónicos que capturasen la situación de los distintos elementos de la presa, lo transmitieran y, finalmente, se procesase en un centro de control. Dicha herramienta fue denominada Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH).
La implantación inicial realizada se limitaba a la vertiente mediterránea de la península, diseñando el sistema SAIH como una aplicación dedicada a la gestión de avenidas producidas fundamentalmente por fenómenos meteorológicos adversos como los de “gota fría” o “dana” con la terminología actual, que se suelen producir después del verano en la costa mediterránea.
Una vez implantado en la cuenca del Júcar, con ese objetivo inicial, se vio que no solo servía como sistema de prevención de avenidas, sino como una herramienta fundamental en la gestión de los recursos ordinarios de la cuenca. Dicho de otra manera, totalmente utilizable en el día a día del organismo de cuenca en cuestión.
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 daños de las inundaciones: los procedimientos preventivos y las actuaciones de emergencia. Un sistema de alarma y previsión es una pieza clave en la puesta en marcha de éstas últimas y, en casos como el de Japón, su funcionamiento se adapta a los procedimientos preestablecidos para este tipo de actuaciones. Los sistemas automáticos de información hidrológica aparecen en España 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 según los criterios específicos de la red y de la propia cuenca, y son tratados para obtener las magnitudes de interés y almacenados para su posterior tratamiento.
En ocasiones, se dota al SAIH de centros de explotación o zonales, con funciones y posibilidades análogas al del centro de proceso de cuenca, único para cada SAIH, con el objetivo de que se faciliten las labores de explotación en cuencas de gran tamaño.
Composición del sistema
La descomposición lógica y funcional del SAIH es la que aparece en la figura incluida en el artículo original de Cimbra, donde el primer nivel corresponde a los sensores instalados en los puntos de control y que son recolectados en las denominadas “remotas”, formando el sistema de adquisición de datos. Estas remotas son ordenadores industriales conectados a toda la red de sensores del punto de control en cuestión y se encargan de almacenar la información 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 explotación.
Adquisición de datos
Para adquirir los datos proporcionados por los numerosos sensores, se utilizan unos equipos denominados “remotas” que, fundamentalmente, son herramientas con la arquitectura de un PC industrial, es decir, dotados de un procesador, de una memoria y de diferentes tarjetas electrónicas, tanto de señales digitales como analógicas y tanto de entradas como de salidas. Todos los sensores están transmitiendo continuamente su estado y su valor a la “remota”, realizando ésta el tratamiento estadístico según los periodos de muestreo que tenga configurada.
En el caso del SAIH Tajo, el periodo de interrogación es de 15 minutos, lo que significa que la “remota” no transmite todos los valores recibidos, sino que se envían los siguientes estadísticos: máximo, mínimo, media, último 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 automáticamente datos de diferentes tipos de magnitudes. Cabe distinguir entre los siguientes tipos de sensores:
- Pluviómetros.
- Pluvionivómetros.
- Telenivómetros.
- Termómetros.
- Higrómetros.
- Radiación solar.
- Evaporación.
- Velocidad del viento.
- Dirección del viento.
- Niveles:
- En embalses.
- En ríos o en canales.
- Caudalímetros en conducciones cerradas.
- Posición de:
- Válvulas.
- Compuertas.
- Finales de Carrera (todo/nada).
- Piezometría.
- 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.
- Pluviómetros.
- Impulsiones.
- Marcos de control.
- Aforos en canal.
- Nivómetros.
SAIH de la cuenca del Tajo
El SAIH de la cuenca del Tajo tiene su origen en el proyecto de definición de su red topológica del año 1995, donde se contemplaba también la ejecución e implantación de todo el sistema.
Este proyecto se inició en septiembre de 1996, con una duración inicial de tres años, terminándose finalmente en enero de 2000, fecha en la que comenzó su explotación. 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 también todo tipo de medidas en las zonas regables, incluyendo los retornos finales, así como una duplicidad en la instrumentación de embalses de titularidad privada.
Asociado a este criterio, existía un coste económico que hizo que no fuese aprobado, por lo que se procedió a actualizar los números de puntos de control y se redujeron los controles en las áreas regables, midiendo únicamente en las cabeceras de las zonas. Así, la red finalmente implantada constó de los siguientes puntos de medida:
- 52 embalses.
- 59 aforos en río.
- 20 aforos en canal.
- 19 pluviómetros.
- 43 pluvionivómetros.
- 7 marcos de control.
- 10 impulsiones.
- 4 nivómetros.
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 instalación de equipos, una captación de datos, una transmisión y un proceso de la información. De las “remotas” y de los sensores ya se ha comentado, pero sería bueno indicar el orden de magnitud de los mismos.
Existen, aproximadamente, más de 3.000 sensores físicos instalados, más de 140.000 Km. de cableado (tanto de señalización como de alimentación eléctrica) y más 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 supervisión de la información, SCADA (Sistema de Control y de Adquisición 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.
Según evolucionaba la tecnología de comunicaciones, aparecían nuevas posibilidades en cuanto a la transmisión de información se refiere. Estos sistemas innovadores fueron la transmisión vía satélite y el aumento de la cobertura móvil en el territorio español. Así, se empezaron a implantar SAIHs con un sistema de comunicaciones vía satélite en las cuencas del Guadalquivir y del Tajo y en alguna más posteriormente.
Para construir la red de comunicaciones, se utilizó uno de los satélites españoles HISPASAT 1ª. Normalmente, se contrataban los servicios de gestión a un operador de telecomunicaciones. En el caso de la cuenca del Tajo, se está trabajando en la actualidad con Telefónica y el esquema de las comunicaciones.
El procedimiento de captura funciona siguiendo el procedimiento que se detalla a continuación. 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 través del sistema de comunicaciones vía satélite. La respuesta de todos los puntos de control, a su vez, se recibe en el propio centro de control, realizándose todo el proceso desde que salen las preguntas y hasta que contestan todas aproximadamente en 2 minutos (se denomina tiempo de “polling”). En nuestro caso, el sistema está diseñado 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, éstos sean enviados directamente, sin esperar a la próxima 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 información de forma automática, se dispone de la red SAIH. Anteriormente, cuando se precisaba algún dato de una estación de aforos o del canal de la cuenca, se tenía que desplazar algún operario para conseguirlo, bien midiendo directamente o bien comprobando la hoja de la estación donde se registraba el limnigrama. Hoy, todo esto está superado con los sistemas automáticos. Estos facilitan la información captada por los sensores y, automáticamente, se ponen a disposición 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 gestión de las avenidas, ni qué decir tiene que no se plantea actualmente una gestión de inundaciones sin el sistema SAIH. Fundamentalmente, por la importancia que tiene el conocer la evolución de los niveles de los ríos para la explotación de las presas, así como el disponer de una información pluviométrica específica para uso hidrológico, que permite anticipar la respuesta de las subcuencas en cuanto a producción de escorrentía según el grado de saturación del terreno.
Si a esto le añadimos un buen sistema de predicciones meteorológicas, como el que dispone la CHT en la actualidad, así como todos los modelos hidrológico-hidráulicos que se disponen en el SAIH, la herramienta garantiza la explotación. Cada vez que se producen avenidas en la cuenca, se constituye el Comité Permanente de la Comisión 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 daños 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 gestión del organismo, tanto ordinaria (gestión de recursos) como extraordinaria (gestión de avenidas). Todas las aplicaciones desarrolladas tienden a proporcionar la información obtenida por el SAIH para facilitar la toma de decisiones, ya sea durante una campaña de riegos, para suministrar los caudales ecológicos establecidos en el Plan Hidrológico de la cuenca o para laminación de avenidas en las presas explotadas por el Estado en el ámbito geográfico de la CHTajo.
Asimismo, constituye una herramienta fundamental para la estadística hidrológica debido a la cantidad de información que proporciona y con periodos de adquisición muy pequeños (15 minutos), pero también para poder intercambiar la información con entidades como la Agencia Estatal de Meteorología, la Dirección 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 gestión de los ríos transfronterizos entre España 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 información topográfica y cartográfica actual, se plantean trabajos como el de desarrollar un sistema informático que mejore la gestión de las avenidas y facilite el trabajo al explotador de las infraestructuras. Es lo que denominamos SAD “Sistema de Ayuda a la Decisión” 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, según figura en las recomendaciones dadas por la Dirección General del Agua. El SAD, principalmente, realiza la visualización de la información procedente de la red SAIH y de la procedente de AEMET, tanto de los productos de observación del radar meteorológico como de los pronósticos de sus modelos numéricos (HARMONIE-AROME, EPS,…). Esto permite que, con esta aplicación FEWS, se puedan combinar los datos de la red SAIH con los de AEMET, con la finalidad de obtener unos campos de precipitación mucho más realistas y que nos permita introducirlos en los modelos hidrológico-hidráulicos 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 explotación, más de 20 años, desde su finalización en el año 2000. Como ocurre en proyectos donde se actúa en diversos campos, como aquí ocurre con trabajos de telecomunicaciones, obra civil, software, instalaciones eléctricas e industriales, presas, canales y dominio público hidráulico, la duración de este proyecto fue de aproximadamente cuatro años.
El coste de implantación alcanzó 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/año, incluyendo todo el personal necesario, así como la sustitución 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 información que proporcionan en tiempo real supone una ayuda importantísima en la gestión de los episodios de avenidas e inundaciones, que con tanta frecuencia y severidad se están produciendo últimamente. El tener la información disponible, no solo nos permite mejorar la gestión, sino también hacerla pública para la sociedad a través de la publicación en la página 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 Martín, José Antonio. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos del Estado, e Ingeniero Técnico de Obras Públicas. Jefe de Área de Hidrología y responsable del SAIH. Confederación Hidrográfica del Tajo, Madrid.
Artículo publicado en el número 420 de la revista Cimbra, disponible aquí.
