Lina Castro 1,2

Bonifacio Fernández 2

Francisco Suarez 2

Tamara Maass 2

Desarrollo de un sistema integrado

para el pronóstico de caudales en

cuencas de montaña para la operación

de centrales hidroeléctricas

1

(1) Pontificia Universidad Católica de Valparíso

(2) Pontificia Universidad Católica de Chile

XXVII Congreso Latinoamericano de Hidráulica, Lima 2016

Índice

Problema y oportunidad

Objetivo

Metodología y resultados

Conclusiones

2

Problema y

oportunidad

3

Sistema usado en Chile

4

Sistema Interconectado

Central

Operación de las centrales

hidroeléctricas (CDEC-SIC)

Modelos estadísticas

Q = f (P, RN)

Estaciones meteorológicas

Cuencas pequeñas, montañosas

Sistema usado actualmente

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Str

eam

flo

w (

m3/s

)

Week

Forec_Aug Forec_Sep

Forec_Oct Forec_Nov

Forec_Dec Forec_Jan

Forec_Feb Obs.

Octuber November December January February March

5

Objetivo

Desarrollar un sistema integrado para el pronóstico de caudales a corto y

mediano plazo con fines operativos en cuencas de montaña que sea

usado en tiempo real para optimizar el uso de recursos hídricos

6

EG1: Modelo hidrológico EG2: Red de monitoreo

en RT EG3: incorporar imagenes y

pronósticos meteorológicos

Componentes y objetivos específicos

Plataforma web para operar el sistema en tiempo real

7

Sistema Propuesto

Configurar las cuencas

Datos en tiempo

real

Imágenes satelitales

SIMULACIÓN & CALIBRACIÓN

Validad y calibrar las

cuencas

Pronósticos

meteorológicos

Asimilación

S.DE PRONOSTICO

OPERACIONAL

Pronóstico

hidrológico

Caudal

observado

Chile – Zona de aplicación

8

Sistema de energía

P3. Afluente Laguna

Invernada (INV)

Area: 868 km2 P2. Captación alto

polcura (CAP)

Area: 239km2

Metodología y

resultados

9

OE1. Implementar un Modelo de base física

Cuencas: Lag.Invernada y

Alto Polcura

OE2. Captura y trasmisión de datos en TR de forma remota

Selección y compra de

equipos

Instalación de

sensores

Selección sitios de

interés

Variables

Prec. Temp.

DEM Usos del suelo LAI Albedo SCA

Recolección datos

meteorológicos

Actualización, simulación y

calibración

Pronóstico con asimilación

y calibración

Desarrollo sistemas de

trasmisión

Adquisición

datos en TR

SWE Rad. Viento Prof.Nieve

OE3. Recopilar información satelital y pronóstico meteorológico

Modelo de pronóstico

meteorológico

CFSv2

Sensores remotos

HR

Datos históricos

OE4. Plataforma web para la operación

EG1. To implement a hydrological model

Basin Settings

EG2. Capture and transmission of data remotely in real time

Selection and purchase

of sensors

Installation of

sensors

Selecting

monitoring sites

Variables

Rainfall Temp.

DEM Land cover LAI Albedo SCA

Collection of

meteorological data

Update, simulation and

calibration

Forecast with assimilation

and calibration

Development

transmission system

Data acquisition

in RT

SWE Rad. Wind Snow Depth

EG3. Embedding images and weather forecasts

Weather forecast

model

CFSv2

Remote Sensing

RH

Historical data

EG4. Web page for operation in real time

Del Modelo Digital de Elevación de terreno(USGS):

EG1: Modelo hidrológico

Grilla Elevación Orientación Pendiente Dir.Flujo Ac. Flujo

INV

CAP

Source: vandmodel

Modelo

hidrológico

distribuido

SFM-PUC

Cobertura

Imagen Landsat

Imágenes Satelitales

Leaf area index (LAI)

MOD15A2 - MYD15A2

Snow Cover Area (SCA)

MOD10A2 y MYD10A2

Inf.

dinámica 2 2

sf1 1 SCAOF NSC NSC

Función Objetivo

Caudal

observado SCA observada

con imágenes

11

Modelo (Q + SCA)

0

50

100

150

200

250

3000

10

20

30

40

50

60

70

80

mar-12

jun-12

sep-12

dic-12

mar-13

jun-13

sep-13

dic-13

mar-14

jun-14

sep-14

dic-14

mar-15

Pre

cip

. (m

m)

Ca

ud

al

(m3

/s)

Prec.(mm)

Qobs

Qsim

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0mar-12

jun-12

sep-12

dic-12

mar-13

jun-13

sep-13

dic-13

mar-14

jun-14

sep-14

dic-14

mar-15

SC

A

Calibración CAP

12

Modelo (Q + SCA)

Calibration INV

0

50

100

150

200

250

3000

20

40

60

80

100

120

140

ago-11 nov-11 feb-12 may-12 ago-12 nov-12 feb-13 may-13 ago-13 nov-13 feb-14 may-14 ago-14 nov-14 feb-15

Pre

cip

. (m

m)

Ca

ud

al

(m3

/s)

Prec.(mm)

Qobs

Qsim

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

ago-11

sep-11

oct-11

nov-11

dic-11

ene-12

feb-12

mar-12

abr-12

may-12

jun-12

jul-12

ago-12

sep-12

oct-12

nov-12

dic-12

ene-13

feb-13

mar-13

abr-13

may-13

jun-13

jul-13

ago-13

sep-13

oct-13

nov-13

dic-13

ene-14

feb-14

mar-14

abr-14

may-14

jun-14

jul-14

ago-14

sep-14

oct-14

nov-14

dic-14

ene-15

feb-15

mar-15

SC

A

13

EG2: Monitoreo en tiempo real

CAP INV

Quemazones Cipreses

INV

CAP

15

Abanico

Bocatoma Invernada Cipreses Latina

Alto Polcura Abanico

Latina

Quemazones

Pronósticos precip.

Modelo hidrológico Pronósticos

hidrológicos Operación en TR

Pronósticos temp.

Corrección de sesgo y

desagregación espacial

Método

Quantile Mapping (QM)

EG3: Incorporación de imágenes

y pronósticos meteorológicos

16

Corrección de sesgo y

desagregación espacial

Recolección de inf.

Histórica

Estaciones

meteorológicas

Modelo climático

CFS

Modelo estadístico para la

corrección del sesgo y

desagregación

Evaluación del

pronóstico

Modelo para corrección del

sesgo y desagregación

espacial

Validación

-150

-100

-50

0

50

100

150

2011 2012 2013 2014

Pronósticos Ajuste APo Ajuste APb

Aplicación Evaluación

estadística

17

Grilla de pronóstico modelo GFSv2 Estaciones de meteorológicas

Armerillo - Maule

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01-06-2015 01-07-2015 31-07-2015 30-08-2015

Prob

abili

dad

Prec

ipita

ción (

mm

)

Obs

Pron_aleatorio

Prob de lluvia

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01-06-2015 01-07-2015 31-07-2015 30-08-2015 29-09-2015

Prob

abili

dad

Prec

ipita

ción (

mm

)

Obs

Pron Julio

Pron Pasado

Prob de lluvia

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

01-06-2015 02-07-2015 02-08-2015 02-09-2015 03-10-2015

Prob

abili

dad

Prec

ipita

ción (

mm

)

Obs

Pron Ago

Pron Pasado

Prob de lluvia

0

100

200

300

400

500

600

700

800

5días 10días Junio Julio Agosto

Prec

ipita

ción

Acu

m p

or p

erio

do (m

m) Pronostico Junio

Obs

0

100

200

300

400

500

600

700

800

5días 10días Julio Agosto Septiembre

Prec

ipita

ción

Acu

m p

or p

erio

do (m

m) Pronostico Julio

Obs

0

100

200

300

400

500

600

700

800

5días 10días Agosto Septiembre Octubre

Prec

ipita

ción

Acu

m p

or p

erio

do (m

m) Pronostico

Agosto

Obs

Análisis de pronósticos en una estación meteorológica

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Días

de

prec

ipita

ción

en

3 m

eses

Mes de pronóstico

Pronostico

Obs

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

5días 10días 1er Mes 2do Mes 3er Mes

Dife

renc

ia p

orce

ntua

l (%

)

Periodo pronosticado

Jun

Jul

Ago

Armerillo - Maule

Análisis de pronósticos en una estación meteorológica

Cipreses

968 m

Precipitación Temperatura

HITO 3: Esquema de pronóstico meteorológico.

Abanico

811 m

Pronósticos Estaciones Fondef Correlación con Estaciones Endesa

𝑦𝑡 = 𝑎 + 𝑏 ∗ 𝑥𝑡 + 1 − 𝜌2 0.5 ∗ 𝑆𝑦 ∗∈𝑡

Bocatoma Invernada

Precipitación

Temperatura Máxima

Temperatura Mínima

Cipreses

Latina

Pronósticos Estaciones Fondef Correlación con Estaciones Endesa

𝑦𝑡 = 𝑎 + 𝑏 ∗ 𝑥𝑡 + 1 − 𝜌2 0.5 ∗ 𝑆𝑦 ∗∈𝑡

Alto Polcura Abanico

Latina

Precipitación

Temperatura Máxima

Temperatura Mínima

Pronóstico

Temporada

Sep2015- Mar2016

27

Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo

Pronósticos INV Ver2016

19

Pronósticos CAP Ver 2016

20

Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo

0

10

20

30

40

50

60

OCT NOV DIC ENE FEB MAR

Caud

al M

edio

Men

sual

(m3/

s)

Afluente Laguna Invernada

0

10

20

30

40

50

60

OCT NOV DIC ENE FEB MAR

Caud

al M

edio

Men

sual

(m3/

s)

Canal Alto Polcura Pron CDEC-SIC

Pron Pasado

Obs

Canal Alto Polcura

Afluente Laguna La Invernada

0

50

100

150

200

250

Vol.

Prom

edio

(Oct

-Feb

) (m

3 /s)

Canal Alto Polcura

Pron CDEC-SIC

Pron Pasado

Obs

Afluente Laguna Invernada

0

100

200

300

400

500

600

Vol.

Prom

edio

(Oct

-Feb

) (m

3 x106 s)

Canal Alto Polcura

Series1

Pron Pasado

Obs

Afluente Laguna Invernada

m3/s - mes m3 x 10^6Porcentaje de

cambio

Pron CDEC-SIC 47,4 123,8 -3,6

Pron 54,7 142,7 11,1

Observado 49,2 128,4

VOLUMEN PROMEDIO (OCT-FEB)

m3/s - mes m3 x 10^6Porcentaje de

cambio

Pron CDEC-SIC 217,7 567,9 0,4

Pron 204,2 532,9 -5,8

Observado 216,8 565,6

VOLUMEN PROMEDIO (OCT-FEB)

Plataforma web

32

http://www.hidrocuencasuc.cl/test

HITO 4: Sistema de pronóstico en plataforma web

Lina Castro 1

Bonifacio Fernández 2

Francisco Suarez 2

Tamara Maass 2

Desarrollo de un sistema integrado

para el pronóstico de caudales en

cuencas de montaña para la operación

de centrales hidroeléctricas

34

(1) Pontificia Universidad Católica de Valparíso

(2) Pontificia Universidad Católica de Chile

XXVII Congreso Latinoamericano de Hidráulica, Lima 2016