Modelos probabilísticos y estimación de la incertidumbre en procesos hidrológicos
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http://hdl.handle.net/2183/15452Coleccións
- Teses de doutoramento [2089]
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Modelos probabilísticos y estimación de la incertidumbre en procesos hidrológicosAutor(es)
Director(es)
Paz González, AntonioDíaz-Fierros Viqueira, Francisco, 1941-
Data
2015Centro/Dpto/Entidade
Universidade da Coruña. Departamento de Ciencias da Navegación e da TerraResumo
[Resumen]Esta Tesis tiene como objetivos estudiar los posibles efectos de la variabilidad climática
natural y el cambio climático global sobre los caudales máximos y medios. Estos caudales
son estimados para resolver problemas de planificación y diseño en sistemas hídricos
complejos de cuencas de gran extensión. Por esta razón, fueron seleccionadas la cuenca
del río Neuquén y la cuenca del río Paraná.
Las obras de ingeniería hidráulica se construyen para controlar los excesos y déficit
hídricos y lograr una mejor distribución espacial y temporal del escurrimiento superficial,
especialmente en un país, como la Argentina, que presenta dos tercios de su superficie
con climas áridos y semiáridos.
El núcleo de este estudio se relaciona con la aplicación de modelos probabilísticos
para la detección de puntos de cambio múltiples, asociados con la variabilidad climática
natural. Se definió la presencia de distintos periodos con caudales que presentan
diferentes propiedades estadísticas y se evaluó su influencia sobre los parámetros de
diseño hidrológico.
La identificación de puntos de cambio en las series de caudales máxímos se realizó
aplicando pruebas estadísticas de dos tipos: paramétricas y no paramétricas. Las
primeras implican conocer el o los punto de cambios y por lo tanto se utilizó la prueba de
razón de verosimilitud (modelo Gamma) y el modelo de regresión. Entre las segundas se
aplicaron, las pruebas de Mann-Kendal y Pettitt.
La posibilidad de detectar puntos de cambio múltiples fue realizada con un método
basado en un nuevo estadístico y permitió validar la asociación entre variabilidad climática natural con los cambios observados en los caudales máximos de los sistemas
seleccionados a partir de la década de los años 70. Esta identificación de los periodos de
caudales con distintas propiedades estadísticas permite orientar una segunda mirada
sobre la infraestructura para evaluar la vulnerabilidad asociada con la variabilidad
climática natural y cambio climático antropogénico.
El cambio climático antropogénico y sus efectos sobre el ciclo hidrológico es un tema
de investigación científica que implicó el desarrollo de nuevos modelos matemáticos de
circulación general de la atmósfera para la estimación de los efectos sobre variables
hidrológicas, en valores medios aplicables en la planificación de sistemas hidrológicos en
grandes cuencas. Se aplicó un modelo de regresión para evaluar los efectos de dos
escenarios precipitaciones medias sobre los caudales medios en cuencas de la
Patagonía. El análisis de la persistencia de largo plazo en series hidrológicas es un tema que se
conecta con la identificación de relaciones entre el clima y los caudales en distintas
escalas. Se estudió la multifractalidad de series hidrológicas y se estimó el parámetro de
Hurst dada su influencia en pruebas de detección y los análisis de valores extremos. Se
presentan resultados de experimentos numéricos para estudiar los orígenes de la
multifractalidad, la asimetría del espectro multifractal y la variación en un indicador de la
predictibilidad para distintos periodos de tiempo para series extensas. [Resumo]Esta Tese ten como obxectivos estudar os posibles efectos da variabilidade climática
natural e mais do cambio climático global sobre los caudais máximos y medios. Estes
caudais son estimados para resolver problemas de planificación y deseño en sistemas
hídricos complexos de concas hidrográfica de moita extensión. Por esta razón, foron
seleccionadas as concas do río Neuquén e do río Paraná.
As obras de enxeñaría hidráulica constrúense para controlar os excesos e os déficits
hídricos, e tamén para lograr unha mellor distribución espacial e temporal do desaugue
superficial ou enxurrada, especialmente nun país, como a Arxentina, que presenta dous
terzos da su superficie con climas áridos e semiáridos.
O núcleo do estudio levado a cabo relacionase ca aplicación de modelos
probabilísticos para detectar puntos de cambio múltiples, asociados a variabilidade
climática natural. Definiuse a presenza de distintos períodos con caudais que presentan
diferentes propiedades estatísticas y avaliouse a su influencia sobre os parámetros do
deseño hidrolóxico.
A identificación de puntos de cambio nas series de caudais máximos realizouse
aplicando probas estatísticas de dous tipos: paramétricas e non paramétricas. As
primeiras implican coñecer o ou os punto de cambio y polo tanto utilizouse a proba de
razón de verosimilitude (modelo Gamma) e o modelo de regresión. Entre as segundas
aplicáronse, as probas de Mann-Kendal e de Pettitt.
A posibilidade de detectar puntos de cambio múltiples foi avaliada cun método baseado
nun novo estatístico e permitiu validar a asociación entre variabilidade climática natural
cos cambios observados nos caudais máximos dos sistemas seleccionados a partir da
década dos anos 70. Esta identificación dos períodos de caudais con distintas
propiedades estatísticas permite orientar unha segunda mirada sobre a infraestrutura para
avaliar a vulnerabilidade hidrolóxica que vai asociada ca variabilidade climática natural e
co cambio climático antropoxénico.
O cambio climático antropoxénico e os seus efectos sobre o ciclo hidrolóxico e un tema
de investigación científica que implicou o desenvolvemento de novos modelos
matemáticos de circulación xeral da atmosfera para a estimación dos efectos sobre as
variables hidrolóxicas; estes modelos aplícanse de cotío os valores medios na
planificación de sistemas hidrolóxicos en grandes concas. Por iso, neste traballo, aplicase un modelo de regresión para avaliar os efectos de dous escenarios de precipitacións
medias sobre os caudais medios en concas da Patagonia.
O análises da persistencia de largo prazo en series hidrolóxicas e un tema que se
conecta ca identificación de relacións entre o clima e os caudais a distintas escalas.
Estudouse a multifractalidade de series hidrolóxicas e estimouse o parámetro de Hurst,
debido a súa influencia en probas de detección e nos análises de valores extremos. En
consecuencia, preséntanse resultados de experimentos numéricos para estudar os
orixines da multifractalidade, da asimetría do espectro multifractal e da variación nun
indicador de la predictibilidade para distintos períodos de tempo cando están dispoñibles
series hidrolóxicas extensas. [Abstract]The aim of this thesis is to study the possible effects of natural climatic variation and
global climatic change on maximum and average flows. These flows are estimated in order
to solve problems related to the planning and design of complex hydric systems large
basins in large extensions of land. For this reason, the Neuquén river basin, with a total
area of 30,843 km2 (Paso de los Indios, Neuquén province) and the Paraná river basin,
with a total area of 1,950,000 km2 (Corrientes, Corrientes province) have been selected.
Works of hydraulic energy are carried out so as to control both hydric excess and
deficit, and to achieve a better distribution in time and space of the surface runoff,
especially in a country like Argentina, which has arid and semiarid climates in two thirds of
its total surface.
The nucleus of the present study is connected to the application of probabilistic
methods for the detection of multiple points of change associated with a natural climatic
variability. The presence of different periods with flows showing diverse statistic properties
has been defined and their influence over hydrological design parameters has been
evaluated.
The identification of points of change in the series of maximum flows has been
performed through the application of two types of statistical tests: parametric and nonparametric.
The former imply knowing the point or points of change and therefore both the
likelihood ratio test (Gamma model) and the regression model have been used. The Mann-Kendal and Pettitt tests have been used for the latter.
The possibility of detecting multiple points of change was conducted with a method
based on U-statistics, and it allowed for a validation of the association between natural
climatic change and the changes observed in the maximum flows of the selected systems
as from the 1970s. This identification of the flow periods with different statistical properties
enable us to direct a second look over the infrastructure so as to evaluate the vulnerability
associated with natural climatic variability and anthropogenic climatic change. Anthropogenic climatic change and its effects on the hydrological system is a subject of
scientific research which implies the development of new mathematical models of general
atmospheric circulation for an estimation of its diverse effects on hydrological variables, in
average values applicable to planning hydrological systems in large basins. A regression
model has been applied to evaluate the effects of two scenarios of average rainfall over
medium-sized basins in Patagonia.
The analysis of long-term persistence in hydrological series is an issue that connects to
the identification of relationships between the climate and the flows in different scales. The
multifractality of hydrological series has been studied and the Hurst parameter has been
estimated given its influence in detection tests and the parameters of extreme value
models. Results of numeric experiments are presented in order to study the origins of
multifractality, the asymmetry of the spectrum, and the variation in an indicator of
predictability for different periods of time for extended series.
Palabras chave
Hidrología-Aspecto del medio ambiente
Probabilidades
Clima-Cambios-Aspecto del medio ambiente
Probabilidades
Clima-Cambios-Aspecto del medio ambiente
Dereitos
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