Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/44232
Type: Tese
Title: Developing a seamless medium- to-long-range flow forecast to improve the prediction of hydropower generation in Brazil
Other Titles: Desenvolvendo uma previsão de vazões de médio a longo prazo, para melhorar previsibilidade da geração hidroelétrica no Brasil
Authors: Alberto Assis dos Reis
First Advisor: Wilson dos Santos Fernandes
First Co-advisor: Maria Helena Ramos
First Referee: Fernando Mainardi Fan
Second Referee: Carlos Henrique Ribeiro Lima
Third Referee: Letícia Santos de Lima
Abstract: A gestão dos recursos hídricos é de grande importância para muitas atividades humanas, especialmente no contexto operacional no setor elétrico brasileiro, com predominância da geração hidrelétrica. Assim, a previsão de vazões é uma das principais informações para otimização do sistema. Este manuscrito descreve uma série de etapas para lidar com as incertezas nos dados, buscando-se obter uma previsão de vazão confiável. Os trabalhos desta pesquisa têm como objetivo desenvolver e avaliar uma cadeia de dados e modelos para a previsão hidrometeorológica de curto (vários dias) à longo (vários meses) prazo, que possa ser utilizada para a previsão da produção hidroelétrica no Brasil. O estudo é baseado em 41 bacias hidrográficas, que representam 30 hidrelétricas na América do Sul, com alto interesse para produção de energia. Para a incerteza na precipitação estimada a partir de dados observados, foram investigadas as diferenças entre TRMM_MERGE e CPC para diversas resoluções de tempo (precipitação diária, mensal e anual). Foram encontradas diferenças substanciais entre as duas fontes de dados, que parecem ser amplificadas no período 2008-2017. Foi encontrada uma tendência espacial, com valores de precipitação do TRMM-MERGE mais elevados que os do CPC ao se deslocar para norte e oeste na área de estudo. Baseado nessas incertezas observadas e buscando uma melhor estimativa da precipitação, foi avaliada também a combinação destas duas fontes. Assim, inspirado na equação do balanço hídrico modificada, foi identificada e quantificada a incerteza envolvendo o conjunto de dados de precipitação e utilizada a modelagem hidrológica para escolher e validar melhores dados de precipitação. Os resultados indicaram que a combinação da precipitação em tempo real (TRMM-MERGE e CPC), ponderada pela incerteza das fontes originais, tem um desempenho superior ao uso isolado de uma das fontes de dados. Outra fonte de incerteza analisada foi a previsão de precipitação. Nesta etapa, foi comparado o desempenho de dois métodos diferentes de correção de viés, o QM - Quantile Mapping e o LS - Linear Scaling. Em termos de previsão de precipitação sazonal (até 7 meses de horizonte de previsão), os resultados indicaram que os erros observados na previsão bruta são mais dependentes do mês do ano do que do horizonte de previsão, com uma superestimação sistemática durante a estação chuvosa e uma subestimação observada durante a estação seca, para a maioria das bacias estudadas. Os métodos de correção de viés foram eficazes, especialmente durante a estação chuvosa, com o método QM apresentando melhor desempenho. Baseado no bom desempenho obtido com este método, a correção de viés foi aplicada nas previsões de médio (até 45 dias) e curto (até 15 dias) prazo do centro europeu de previsão ECMWF, mas com uma diferente forma de aplicação. O modelo de médio prazo, à cada rodada (lançamento de uma previsão), gera também o hindcast dos últimos 20 anos, para os mesmos 46 dias do calendário. Assim, os parâmetros para a correção QM são recalculados à cada rodada, gerando uma correção on-the-fly, apenas dependente do horizonte de previsão. Esses mesmos parâmetros são utilizados para corrigir o modelo de curto prazo, apresentando resultados iguais ou melhores que os resultados obtidos com os parâmetros calculados apenas com o histórico de previsões do modelo de curto prazo. Esse método apresenta uma vantagem, pois não precisa de um longo histórico de previsões para calibração dos parâmetros de correção de viés, podendo acompanhar melhor as evoluções dos modelos meteorológicos (no caso desta tese, os modelos do ECMWF). Para construir a previsão de precipitação de maneira continua (“seamless”), baseada no acoplamento dos três horizontes de previsão dos modelos do ECMWF (15 dias, modelo EPS; 45 dias, modelo “extended” e 7 meses, modelo sazonal), foram testados vários métodos de acoplamento, sendo escolhido o método membro-a-membro. Este apresentou o mesmo desempenho quando comparado aos métodos mais sofisticados também investigados nesta tese, mas com a vantagem de não necessitar de grande esforço matemático ou manipulação dos dados. O principal resultado obtido indicou que o maior número de inicializações dos modelos de curto e médio prazo (inicializados diariamente e a cada segunda e quita feiras, respectivamente) melhora o desempenho das previsões de precipitação, principalmente para o mês seguinte à data de inicialização da previsão. Esta previsão contínua de precipitação foi aplicada à modelagem hidrológica. Foram testadas duas técnicas de pós-processamento para tratar a incerteza da previsão hidrológica, sendo estas a assimilação dos dados de vazão em tempo real e a aplicação de uma correção autorregressiva (AR output-error correction) para ajustar a saída do modelo (previsões finais de vazão). A aplicação destas técnicas melhorou o desempenho das previsões, produzindo resultados mais confiáveis e com menor erro médio, principalmente nos dois primeiros meses do horizonte de previsão. A previsão de vazão proposta à partir das diferentes etapas de construção de previsões hidrometeorológicas de curto à longo prazo foi aplicada para prever a produção de energia hidrelétrica do sistema interligado baseada nas 30 usinas associadas às 41 bacias hidrográficas deste trabalho de tese. Os resultados mostraram um bom desempenho do sistema de previsão, sendo este capaz de prever quando a produção estaria acima ou abaixo da produção média para os horizontes de previsão mais distantes (previsão sazonal). O trabalho desenvolvido nesta tese propõe assim uma ferramenta que apresenta um grande potencial para ser aplicada no planejamento da operação hidrelétrica no Brasil, podendo auxiliar na otimização da operação do sistema elétrico e na gestão do uso da água de reservatórios.
Abstract: The management of water resources is of great importance for many human activities, especially in the operational context of the Brazilian electricity sector, where we have a predominance of hydroelectric generation. In this context, streamflow forecasts are the main source of information for the optimization of the electric system. This PhD thesis describes a series of steps developed to deal with uncertainties in the forecasts, in order to obtain reliable flow predictions. This research work aims to develop and evaluate a chain of data and models for short (several days) to long (several months) term hydrometeorological forecasting, which can be used for forecasting the hydroelectric production in Brazil. The study is based on 41 river basins, which represent 30 hydroelectric plants in South America, with high interest for energy production. For the uncertainty in the observed precipitation data, we investigated the differences between the TRMM_MERGE and CPC datasets, considering different resolutions (daily, monthly and annual precipitation). Substantial differences were found between the two data sources, which seem to be amplified in the period 2008-2017. A spatial trend was found, with TRMM-MERGE precipitation values higher than those of the CPC dataset when moving towards north and west in the study area. Based on these observed uncertainties, and seeking a better estimate of precipitation, the combination of these two sources was evaluated. Inspired by the modified water balance equation, uncertainties involving the precipitation datasets were identified and quantified. Hydrological modeling was also used to choose and validate the precipitation datasets. The results indicated that the combination of real-time precipitation (TRMM-MERGE and CPC), weighted by the uncertainty of the original sources, outperforms the isolated use of only one of the data sources. Another source of uncertainty analyzed was the precipitation forecast. In this step, the performance of two different bias correction methods, QM - Quantile Mapping and LS - Linear Scaling, was compared. In terms of seasonal precipitation forecast (up to 7 months of forecast horizon), the results indicated that the errors observed in the raw forecasts are more dependent on the month of the year than on the forecast horizon, with systematic overestimation during the rainy season and underestimation observed during the dry season for most of the basins studied. The bias correction methods were effective, especially during the rainy season, with the QM method showing better performance. Based on the good performance obtained with this method, the bias correction was applied to the medium (up to 45 days) and short (up to 15 days) term forecasts of the European center ECMWF, but with a different application. At each initialization (time when a forecast is issued), the medium-term model also generates the reforecast of the last 20 years, for the same 46 calendar days. Thus, the parameters for the QM correction were recalculated at each initialization, generating an on-the-fly correction, which depends only on the forecast horizon. These same parameters were used to correct the short-term model, and the results obtained were equal to or better than the results obtained with the parameters calculated only with the historic time series of short-term reforecasts. This method is advantageous as it does not need a long time series of reforecasts to calibrate the bias correction parameters, which allows to better follow the evolution of meteorological models (in the case of this thesis, the ECMWF models). To build the precipitation forecast in a continuous (seamless) way, based on the coupling of the three forecast horizons of the ECMWF models (15 days, EPS model; 45 days, extended model and 7 months, seasonal model), several coupling methods were tested. The member-by-member method was chosen as it presented equal performance when compared to the more sophisticated methods, but with the advantage of not requiring great mathematical efforts or data manipulation. The main result obtained indicated that the greater number of initializations of the short- and medium-term models (initialized every day and every 15 days, respectively) improves the performance of the precipitation forecasts, especially for the month following the start date of the forecast. The seamless precipitation forecast was applied to a hydrological modelling framework. Two post-processing techniques were tested to deal with the uncertainty of the hydrological forecasts, these being the assimilation of streamflow data in real time, and the application of an autoregressive correction (AR output-error correction) to adjust the model output (final streamflow predictions). The application of these techniques improved the performance of the forecasts, producing more reliable results and with lower average error, especially in the first two months of the forecast horizon. The streamflow forecasts obtained from the different stages of construction of the short to long-term hydrometeorological forecasting system were applied to predict the production of hydroelectric energy in the Brazilian electric system, based on the 30 plants associated with the 41 river basins of this thesis. The results showed a good performance of the forecasting system, which was able to predict when the production would be above or below the average production for the most distant forecast horizons (seasonal forecast). The work developed in this thesis proposes a tool that has great potential to be applied in the planning of the hydroelectric operation in Brazil, which can contribute to the optimization of the operation of the electrical system and the management of the use of the water stored in the reservoirs.
Subject: Engenharia sanitária
Recursos hídricos - Desenvolvimento
Precipitação (Meteorologia)
Vazão, Medidores de - Modelos matemáticos
language: eng
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos
Rights: Acesso Restrito
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/44232
Issue Date: 10-Dec-2021
metadata.dc.description.embargo: 10-Dec-2023
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