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LA OBSERVACIÓN DE LA TIERRA DESDE EL ESPACIO EN LA SEGURIDAD Y EXPLOTACIÓN DE PRESAS. EL PROGRAMA COPERNICUS

NOTA: Este artículo ha sido publicado en el Boletín de SPANCOLD (SPANCOLD Newsletter) de junio de 2017 (Boletín nº 12, Volumen 5, nº 2), al que puede accederse mediante el siguiente enlace: http://www.spancold.es/Newsletter/SPANCOLD_Newsletter_N12_20170613.pdf

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La observación de la Tierra desde el espacio está experimentando grandes avances y una continua mejora de la información obtenida, tanto en lo referente a la componente espacial (nuevos satélites y nuevos y mejores sensores de observación, lo que redunda en una mejor resolución espacial, temporal y espectral), como también en las aplicaciones que dan valor añadido a la información captada por los satélites.

La disponibilidad de conjuntos de datos de observación de la Tierra, sistemáticos y de alta calidad, con acceso a los mismos de forma abierta (sin restricciones de uso) y gratuita para todo aquél interesado en hacer uso de los mismos, abre un gran abanico de posibilidades de desarrollo de aplicaciones de valor añadido para muchos sectores, incluyendo a la ingeniería de presas en el ámbito de la seguridad y explotación de presas.

EL PROGRAMA COPERNICUS

Copernicus (http://copernicus.eu/) es un programa civil de la Unión Europea para la observación de la Tierra (EO, por sus siglas en inglés, Earth Observation), enfocado a satisfacer los requerimientos de los usuarios. Surge este programa en 2014, como continuación de las actividades iniciadas en 2001 para la monitorización global para el medio ambiente y la seguridad, (GMES, por sus siglas en inglés, Global Monitoring for Environment and Security). El programa, liderado por la Comisión Europea en colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA, European Space Agency) ha supuesto una inversión de más de 7 mil millones de euros desde el año 2002.

Copernicus combina una componente espacial (con una serie de satélites propios, los Sentinel, más la información de EO de otras misiones colaboradoras, como Landsat y otras varias, con las que se dispone de acuerdos para compartir datos, o cuyos datos se adquieren por el programa), una componente local (datos de redes de observación terrestres y de sensores embarcados en aviones o buques), y una componente de servicios (gestión de datos y acceso a la información de los distintos servicios o áreas temáticas que ofrece el programa).

Acceso a datos de Copernicus (http://copernicus.eu/data-access)

La información de EO que ofrece el programa Copernicus se organiza en seis servicios o áreas temáticas:

  • Monitorización de la atmósfera: información sobre calidad del aire, capa de ozono, emisiones y flujos en superficie, radiación solar, forzamiento climático. Este servicio se presta por medio del Centro Europeo de Pronóstico Meteorológico a Plazo Medio (ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Web: http://atmosphere.copernicus.eu/
  • Monitorización del medio ambiente marino: información para la seguridad marítima, medio ambiente costero, recursos marinos, meteorología y clima. Este servicio se presta por medio de la entidad francesa Mercator Ocean. Web: http://marine.copernicus.eu/
  • Monitorización terrestre: cubierta del suelo, cambios en la cubierta y usos del suelo, estado de la vegetación, ciclo hidrológico. Este servicio se presta por medio de la Agencia Europea de Medio Ambiente (EEA, European Environment Agency) y el Centro Común de Investigación (JRC, Joint Research Centre). Web: http://land.copernicus.eu/
  • Cambio climático: información sobre variables climáticas, reanálisis y proyecciones climáticas, pronósticos estacionales multi-modelo. Este servicio se presta por medio del ECMWF. Web: http://climate.copernicus.eu/
  • Gestión de emergencias: información para evaluación del riesgo de avenidas y de incendios forestales, evaluación de impactos de desastres naturales u ocasionados por el hombre. Este servicio se presta por medio del JRC. Web: http://emergency.copernicus.eu/
  • Seguridad: vigilancia de fronteras, vigilancia marítima, apoyo para la acción exterior de la Unión Europea. Este servicio se presta por medio de las agencias europeas FRONTEX (cooperación y control de fronteras exteriores de la UE), EMSA (European Maritime Safety Agency) y EU SatCen (European Union Satellite Centre). Uso restringido.

Los servicios de Copernicus están actualmente operativos en gran parte, a excepción de los servicios de Cambio Climático y Seguridad, que están en desarrollo. El servicio de Seguridad y algunos componentes del de Gestión de Emergencias son de uso y acceso restringido a usuarios autorizados, siendo el resto de servicios de acceso libre y gratuito, sin restricciones de uso.

                              

Satélites Sentinel 1, 2 y 3 (https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/missions)

La componente espacial del programa (https://sentinels.copernicus.eu/web/sentinel/home) consiste en una constelación de satélites denominados Sentinel, con seis grupos de satélites, de los cuales los tres primeros están ya operativos:

  • Sentinel 1: imágenes radar (SAR, Synthetic Aperture Radar), banda C, para servicios de monitorización de tierra y océanos. Al disponer de un sensor radar puede obtener imágenes tanto de día como de noche, sin que tampoco le afecte la presencia de nubes sobre la zona escaneada. Dos satélites (Sentinel 1A y Sentinel 1B).
  • Sentinel 2: imágenes multiespectrales de alta resolución (13 bandas espectrales) para servicios de monitorización del terreno. Resoluciones de 10, 20 y 60 m para diferentes subgrupos de bandas espectrales. Dos satélites (Sentinel 2A y Sentinel 2B).
  • Sentinel 3: dispone de cuatro instrumentos principales: un sensor óptico de color de tierra y océano, OLCI (Ocean and Land Colour Instrument); un sensor de temperatura de la superficie del mar y del terreno, SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer); un altímetro radar, SRAL (SAR Radar Altimeter); y un radiómetro de microondas, MWR (Micro Wave Radiometer). Los principales objetivos de este satélite son la medida de la topografía de la superficie del mar, la medida de la temperatura de la superficie del mar y del terreno, y la detección del color de la superficie de océanos y de suelos, con alta precisión y fiabilidad, para la monitorización y pronósticos de medio ambiente y clima. Dos satélites (Sentinel 3A y Sentinel 3B). Actualmente operativo el Sentinel 3A y previsto el lanzamiento del 3B en 2017.

APLICACIONES PARA LA SEGURIDAD Y EXPLOTACIÓN DE PRESAS

De los diferentes servicios que ofrece Copernicus, y de la ingente información de EO asociada a los mismos, algunos datos y aplicaciones pueden resultar de interés de cara a la seguridad y explotación de presas. Aquí se esbozan algunas de ellas, si bien cabe esperar que surjan más aplicaciones a medida que se preste más atención a las posibilidades de la información de EO, junto con la mejora continua de la misma.

  • Monitorización de la cubierta y usos del suelo en la cuenca vertiente al embalse, para la evaluación de la capacidad de generación de escorrentía en episodios de precipitación (tanto a efectos de recursos hidráulicos como de avenidas). De especial importancia pueden ser los cambios en la cubierta vegetal debidos a incendios forestales, que implican una brusca modificación de dicha cubierta pudiendo afectar a grandes superficies de terreno.

 

Imagen de densidad de cubierta forestal (http://land.copernicus.eu)

  • Monitorización del estado de humedad del suelo, que tiene una incidencia directa en la capacidad de generación de escorrentía en la cuenca vertiente al embalse, con especial atención a la posibilidad de ocurrencia de eventos de avenidas, teniendo en consideración el pronóstico meteorológico a corto plazo.
  • Monitorización de la capa de nieve en la cuenca vertiente al embalse, con objeto de evaluar los recursos hídricos asociados y la posibilidad de un evento de avenida favorecido por una rápida fusión del manto de nieve.

 

Imagen de cobertura de nieve en los Pirineos, Sentinel 2A (http://www.cesbio.ups-tlse.fr)

  • En el caso de embalses para uso agrario, otra posible aplicación es la monitorización de las necesidades de riego de las parcelas de la zona regable del embalse, a efectos de programar los volúmenes de agua a suministrar a corto plazo.
  • Monitorización de movimientos en grandes presas de materiales sueltos y en laderas de embalses susceptibles al deslizamiento, mediante la aplicación de técnicas InSAR (interferometría radar de apertura sintética), con la que es posible llegar a precisiones milimétricas en la detección de movimientos.
  • Observación y vigilancia del embalse, laderas, cerrada, presa, caminos de acceso e instalaciones anejas (evidentemente, nunca debe sustituir a la necesaria vigilancia e inspección in situ, pero puede ser una eficaz ayuda, especialmente en presas de difícil acceso).

 

Aliviadero de la presa de Oroville, California. Google Earth.

  • Monitorización y estudio de inundaciones reales, sus efectos, daños y zonas inundables, de cara a la definición de estrategias de gestión de avenidas y objetivos de limitación de caudales vertidos.

 

Mapa de inundación en el río Ebro (2/2/2015) (Copernicus Emergency Management Service)

  • Adaptación al cambio climático, tanto en lo referente a la explotación ordinaria del embalse (garantía de suministro, probabilidad de ocurrencia de períodos secos, estrategias de explotación, etc.), como en relación con la gestión de avenidas (cambios en la distribución de frecuencias de avenidas, volúmenes y caudales máximos asociados, resguardos estacionales, riesgo e incertidumbre, etc.). Uso de las predicciones climáticas estacionales en la estrategia de explotación de embalses.

Como conclusión final, con la EO y programas como Copernicus se abren nuevas posibilidades tecnológicas de obtención de información relevante para la seguridad y explotación de presas y embalses, posibilidades a las que debe estar atenta la ingeniería de presas, con objeto de sacar el máximo provecho de las mismas y fomentar la innovación tecnológica en el sector.

José Luis Lorenzo Riera

Consultor en Seguridad de Presas e Hidrometeorología

Ejercicio libre. http://meteowater.com

Predicción estacional para la gestión de embalses

La Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) ha publicado un trabajo de I+D+i denominado “Sistema estadístico de predicción estacional para la gestión de los embalses en España” (Nota técnica 21 de AEMET, 2016). El trabajo se ha desarrollado en el marco del programa EUPORIAS (EUropean Provision Of Regional Impacts Assessments on Seasonal and decadal timescales), proyecto europeo del FP7, como caso de estudio denominado S-ClimWaRe (Seasonal Climate predictions in support of Water Reservoirs management in Spain).

El trabajo se centra en la predicción estadística de las aportaciones a embalses y de la precipitación en los meses de diciembre, enero y febrero (DEF), o bien en los meses desde noviembre hasta marzo (NDEFM), empleando como predictor de las aportaciones y precipitaciones el índice de la NAO (North Atlantic Oscillation), que a su vez es pronosticado haciendo uso, como predictor, de diferentes índices de cobertura de nieve en otoño en el hemisferio norte.

El método planteado combina técnicas de ensemble con el método de k-vecinos para tratar la incertidumbre del pronóstico. Los resultados se ofrecen tanto en modo “determinista” (como media del conjunto de miembros de los ensembles generados para las aportaciones o para las precipitaciones), o bien en modo “probabilista”. Para este último, los resultados se presentan por “terciles”: por encima de lo normal, valores normales, o por debajo de lo normal. Los terciles se generan de forma que la probabilidad climatológica de cada uno de ellos (aportaciones o precipitaciones) sea del 33%. Clasificando los miembros de cada ensemble en los intervalos que corresponden a los terciles climatológicos, se obtiene la probabilidad pronosticada de cada tercil, que será directamente proporcional al número de miembros que contiene.

terciles(Fuente: AEMET, 2016)

La metodología planteada es relativamente sencilla, y está muy bien explicada en el documento. Los resultados son esperanzadores, aunque no ha funcionado de igual manera en todos los casos estudiados (la correlación entre el índice de la NAO y las precipitaciones/aportaciones en invierno no es homogénea en todo el territorio español).

Pero, sobre todo, destacaría que el documento es ilustrativo y didáctico sobre técnicas sencillas de modelización estadística, también sobre el tratamiento de la incertidumbre y su presentación y representación en un contexto de Ayuda a la Decisión.

Además, la metodología propuesta, quizá por su sencillez, es sugerente para ensayar procedimientos similares, quizá con otros predictores y predictandos, o con otros alcances (¿cabría una metodología similar para predicciones de caudal/precipitación a corto-medio plazo, del orden desde horas hasta unos pocos días?). Creo que existen precedentes en ese sentido, aunque quizá de concepción más compleja (p.e. el sistema “Prometeo”, desarrollado en la Universidad de Cantabria, o el downscaling estadístico que, hasta no hace mucho, empleaba la propia AEMET para pronósticos probabilistas).

En resumen, una lectura recomendable. En este enlace puedes acceder al documento PDF.