Desarrollo y optimización del modelo hidráulico iber+aplicación a eventos de riesgo

Resumo

La gestión de recursos hídricos es una actividad fundamental en la sociedad humana que reporta múltiples beneficios. Desde la irrigación, mitigación de sequías e inundaciones, generación de energía eléctrica o garantizar la calidad del agua. Son de especial interés las inundaciones al suponer uno de los desastres naturales más peligrosos y cuya frecuencia y gravedad se han ido incrementando en los últimos tiempos. Es por ello que se ha vuelto fundamental el desarrollo de herramientas adecuadas que permitan mejorar la planificación de los recursos hídricos y reducir posibles riesgos. En este contexto, el modelado numérico es una herramienta fundamental que permite la simulación de múltiples escenarios virtuales con el consiguiente ahorro de recursos en el desarrollo de modelos reales a escala. Además, también permite la medición de multitud de magnitudes físicas que pueden resultar difíciles o imposibles de medir con precisión en el mundo real. Sin embargo, uno de los mayores inconvenientes del modelado numérico es su elevado coste computacional, lo cual puede limitar su aplicación práctica. No obstante, la utilización de modelos numéricos se ha incrementado considerablemente en las últimas décadas gracias al incremento de la potencia de cálculo de los sistemas informáticos. Desafortunadamente, la utilización efectiva de estos recursos no siempre es trivial, sobre todo en los últimos años en los que las ganancias de rendimiento de los procesadores son debidas principalmente al aumento de la capacidad de cálculo paralelo, ofreciendo un elevado número de núcleos de procesamiento. Por ello es necesario adoptar algoritmos concurrentes y aplicar técnicas de computación de altas prestaciones para sacar partido de estos recursos computacionales. Iber es un modelo numérico que resuelve las ecuaciones de aguas someras en dos dimensiones utilizando el método de los volúmenes finitos y mallas no estructuradas. Está orientado principalmente a la simulación de flujos de lámina libre en cuencas de ríos y estuarios no estratificados. Además de resolver la hidrodinámica, Iber también incorpora una serie de módulos que amplían su funcionalidad como el módulo de calidad de aguas, el módulo de hidrología o el módulo de transporte de sedimentos. Este modelo se ha empleado con éxito en multitud de aplicaciones y estudios. Sin embargo, una de sus limitaciones principales es su elevado tiempo de ejecución. Al ser diseñado para utilizar un único procesador, Iber no puede usar eficientemente la capacidad de cálculo de las arquitecturas de hardware actuales que presentan un alto nivel de paralelismo. Esta desventaja limita su aplicación efectiva en diversas aplicaciones como pueden ser los sistemas de alerta temprana, calibración y análisis de incertidumbre o la simulación de grandes dominios espacio-temporales. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de herramientas de simulación numérica adecuadas para abordar problemas relacionados con la gestión de recursos hídricos y más concretamente el análisis y gestión de eventos de riesgo. Este objetivo se descompone en los siguientes objetivos específicos: aumentar la eficiencia computacional del módulo hidrodinámico de Iber junto con el módulo de calidad de aguas y su aplicación en el desarrollo de un sistema de alerta temprana de inundaciones. Para alcanzar dichos objetivos se ha desarrollado una nueva implementación del modelo Iber que mediante técnicas de computación de altas prestaciones es capaz de utilizar de forma efectiva la máxima potencia de cálculo tanto de las CPU multi-núcleo como de las GPU o tarjetas gráficas. Esta nueva implementación denominada Iber+ ha demostrado ser capaz de acelerar la velocidad de ejecución de las simulaciones en dos órdenes de magnitud manteniendo la precisión de los resultados, lo que permite abordar simulaciones más grandes en menos tiempo. Además del módulo principal que implementa la hidrodinámica, también se ha realizado una paralelización completa para los módulos de turbulencia, hidrología y calidad de aguas. El desarrollo de Iber+ ha sido fundamental en la creación de MIDAS, un sistema de alerta temprana de inundaciones para el río Miño. Este sistema es capaz predecir de forma precisa eventos de inundación en zonas urbanas a partir de datos de precipitación (modelos de predicción y/o pluviómetros) y caudal antecedente de estaciones de control. El sistema es capaz de proporcionar a las correspondientes autoridades mapas de riesgo detallados en un margen de tiempo reducido. Además, este sistema puede ser adaptado de forma sencilla a otras regiones. Todos los componentes del sistema de alerta temprana desarrollado en esta tesis están disponibles de forma gratuita y puede ser adaptado fácilmente a los datos disponibles. Por último, la novedosa metodología presentada para la modelización hidrológica, permite simular de forma efectiva eventos de duración arbitraria con un número reducido de parámetros, lo cual es especialmente conveniente en zonas poco estudiadas. Por último, estos desarrollos se han mostrado eficaces a la hora de estudiar fenómenos extremos de inundación, siendo aplicados con éxito en la reproducción de eventos de inundación históricos. En estos estudios son necesarias un elevado número de simulaciones para la calibración de parámetros debido a la limitada disponibilidad de datos en muchos de estos casos. La utilización de un modelo hidráulico eficiente permite realizar estas simulaciones en un tiempo razonable.