Pronóstico probabilístico de eventos de sequías y evaluación del riesgo en la gestión de sistemas de recursos hídricos. Caso de estudio en una cuenca andina regulada

Abstract

Hydroclimatic water shortage conditions can affect hydrological services offered by mountain basins causing severe impacts to the population benefiting from these resources. These conditions have become a real challenge for decision-makers in Andean basins with respect to the management of water resources systems in drought times. This thesis evaluates the risk of failure in the water supply by introducing probabilistic forecasts of drought events that serve as support for decision-making regarding the satisfaction of the consumptive demands, non-consumptive and environmental in scarcity times. Through a drought index (DI) created from the prioritization of available information about water-related variables, performance of two methods of probabilistic drought forecasting based on the conditional probability were compared. A first commonly used method based on Markov chains (MC) presented the best performance than a second method based on Bayesian networks (BN). The forecasts obtained the model with the best performance were incorporated into the methodology of assessing the risk of failure of water resources systems, which is based on Monte Carlo simulation of multiple stochastic scenarios designed from hydrological synthetic generation and modification of some features of water resources systems. Machángara river basin located south of Ecuador was chosen to apply methods and tools proposed in this thesis. This basin has increasingly periods of drought leading to reduce water availability for multiple demands producing negative effects on the population and the environment. 1728 stochastic scenarios were simulated using hydro-meteorological information and data of water consumption demands, which incorporate probabilistic forecasts of drought events to assess the risk of failure in water resources systems. The outcomes of the simulation process were consolidated into a integrated satisfaction system index (DSIG), which aided to obtain information to support decision-making by water managers so they can to propose several alternatives for prevention and / or mitigation when satisfaction is low. This thesis proposes a integrated approach to assessing the risk of failure of water resources systems analyzing multiple states of water availability shortages that could help to reduce uncertainty in decision-making and improve measures aimed to prevent or mitigate adverse effects of drought on water supply systems.

Las condiciones hidroclimáticas de escasez de agua pueden afectar a los servicios hidrológicos que ofrecen las cuencas de montaña causando severos impactos a la población que se beneficia de estos recursos. Estas condiciones se han convertido en un verdadero desafío para quienes toman las decisiones en cuencas de andinas con respecto a la gestión de sistemas de recursos hídricos en épocas de sequías. Esta tesis evalúa el riesgo de fallo en el suministro de agua mediante la introducción de pronósticos probabilísticos de eventos de sequía que sirvan de soporte para la toma de decisiones con respecto a la satisfacción de las demandas consuntivas, no consuntivas y ambientales en tiempos de escasez. Mediante un índice de sequía (DI) creado a partir de la priorización de información disponible de variables relacionadas con el agua se comparó el rendimiento de dos métodos de pronóstico probabilístico de sequías basados en la probabilidad condicional. Un primer método comúnmente utilizado basado en cadenas de Markov (MC) presentó el mejor desempeño que un segundo método poco utilizado basado en redes bayesianas (BN). Los pronósticos obtenidos del mejor modelo fueron incorporados en la metodología de evaluación del riesgo de fallo de sistemas de recursos hídricos, la cual esta basada en la simulación Montecarlo de múltiples escenarios estocásticos formados a partir de la generación sintética hidrológica y la modificación de algunas características de los sistemas de recursos hídricos. La cuenca del río Machángara ubicada al sur del Ecuador fue escogida para probar las herramientas y metodologías expuestas en esta tesis. Esta cuenca presenta cada vez periodos de sequías que conducen a la disminución de la disponibilidad del agua para los múltiples usos produciendo efectos negativos en la población y el ambiente. Mediante la utilización de información hidrometeorológica y datos de consumo de agua de las demandas se simularon 1728 escenarios estocásticos, los cuales incorporaron pronósticos probabilísticos de sequías para evaluar el riesgo de fallo en sistemas de recursos hídricos. Las salidas del proceso de simulación se consolidaron en un índice integral de satisfacción del sistema (DSIG), el cual sirvió para obtener un banco de información que podría ayudar como soporte para la toma de decisiones de los gestores del agua para que puedan proponer múltiples alternativas de prevención y/o mitigación cuando la satisfacción sea baja. Esta tesis propone un enfoque integral de evaluación del riesgo de fallo de sistemas de recursos hídricos analizando múltiples situaciones de escasez de disponibilidad de agua que podría servir para disminuir las incertidumbres en la toma de decisiones y perfeccionar las medidas orientadas para prevenir o mitigar las consecuencias adversas de las sequías en sistemas de abastecimiento de agua.

Les condicions hidroclimáticas d'escassetat d'aigua poden afectar als serveis hidrològics que ofereixen les conques de muntanya causant severs impactes a la població que es beneficia d'aquests recursos. Aquestes condicions s'han convertit en un vertader desafiament per als qui prenen les decisions en conques d'andines pel que fa a la gestió de sistemes de recursos hídrics en èpoques de sequeres. Aquesta tesi avalua el risc de fallada en el subministrament d'aigua mitjançant la introducció de pronòstics probabilístics d'esdeveniments de sequera que servisquen de suport per a la presa de decisions pel que fa a la satisfacció de les demandes consumptives, no consumptives i ambientals en temps d'escassetat. Mitjançant un índex de sequera (DI) creat a partir de la priorització d'informació disponible de variables relacionades amb l'aigua es va comparar el rendiment de dos mètodes de pronòstic probabilístic de sequeres basats en la probabilitat condicional. Un primer mètode comunament utilitzat basat en cadenes de Markov (MC) va presentar el millor acompliment que un segon mètode poc utilitzat basat en xarxes bayesianas (BN). Els pronòstics obtinguts del millor model de pronòstic van ser incorporats en la metodologia d'avaluació del risc de fallada de sistemes de recursos hídrics, la qual aquesta basada en la simulació Montecarlo de múltiples escenaris estocàstics formats a partir de la generació sintètica hidrològica i la modificació d'algunes característiques dels sistemes de recursos hídrics. La conca del riu Machángara situada al sud de l'Equador va ser escollida per a provar les eines i metodologies exposades en aquesta tesi. Aquesta conca presenta cada vegada períodes de sequeres que condueixen a la disminució de la disponibilitat de l'aigua per als múltiples usos produint efectes negatius en la població i l'ambient. Mitjançant la utilització d'informació hidrometeorológica i dades de consum d'aigua de les demandes es van simular 1728 escenaris estocàstics, els quals van incorporar pronòstics probabilístics de sequeres per a avaluar el risc de fallada en sistemes de recursos hídrics. Les eixides del procés de simulació es van consolidar en un índex integral de satisfacció del sistema (DSIG), el qual va servir per a obtenir un banc d'informació de suport per a la presa de decisions dels gestors de l'aigua perquè puguen proposar múltiples alternatives de prevenció i/o mitigació quan la satisfacció siga baixa. Aquesta tesi proposa un enfocament integral d'avaluació del risc de fallada de sistemes de recursos hídrics analitzant múltiples situacions d'escassetat de disponibilitat d'aigua que podria servir d'ajuda per a disminuir les incerteses en la presa de decisions i perfeccionar les mesures orientades per a previndre o mitigar les conseqüències adverses de les sequeres en sistemes de proveïment d'aigua.