Introducción

La energía hidroeléctrica está siendo fomentada a nivel mundial por tratarse de una energía renovable y limpia. Sin embargo, su producción conlleva impactos al ecosistema fluvial, destacando las consecuencias ecológicas de la alteración de los regímenes naturales de caudales. Concretamente, las centrales a pie de presa operan de forma intermitente de acuerdo a los precios y a la demanda de energía, que varían de forma instantánea, provocando el fenómeno del hydropeaking. El hydropeaking consiste en la variación frecuente y rápida del caudal en un breve período de tiempo, generalmente a lo largo del día (variaciones intradía o instantáneas), y que resulta en alteraciones de parámetros hidráulicos como el nivel del agua, la velocidad del flujo, o la
tensión de arrastre, de la morfología fluvial y la calidad del agua. La consideración de los efectos físico/ecológicos del hydropeaking es reciente, y la mayoría de los estudios se centran en comunidades piscícolas, de macroinvertebrados, y vegetación riparia, entre otros. Estudios y herramientas que i) ayuden a comprender la estructura y funcionamiento de los ríos sometidos al hydropeaking, ii) definan métricas que cuantifiquen la alteración hidrológica y ecológica derivada de éste, iii) establezcan relaciones alteración hidrológica – hidráulica- ecológica – económica, y iv) identifiquen las más efectivas estrategias de restauración del ecosistema fluvial, son esenciales para garantizar una producción hidroeléctrica sostenible, entendida como el balance óptimo entre producción e impacto. Actualmente la Directiva Marco del Agua está impulsando y exigiendo estudios en la temática y los ingenieros civiles deberían liderar este tipo de estudios. La idea es poder transferir concimientos/técnicas y experiencias a los alumnos de la ETSI Caminos, Canales y Puertos a través del uso conjunto de líneas de aprendizaje, fundamentalmente: Gamificación, Aula Invertida y en un entorno colaborativo multidisciplinar.

En el pasado cercano, ante la creciente importancia que está tomando la temática planteada, profesores del grupo HIDEN han ido desarrollado aplicaciones informáticas (generalmente en Matlab) que ayudan, de forma parcial, a realizar cálculos complejos para poder caracterizar estadísticamente tanto el regimen natural como alterado de los ríos, para luego estimar alteraciones hidrológicas y sus implicaciones ecológicas y económicas. No obstante, La compleja naturaleza del problema, los conceptos teóricos necesarios para su abordaje así como las numerosas alternativas potencialmente aplicables, hace que en el aula no se tenga el tiempo suficiente para su correcto desarrollo y fundamentalmente para aplicaciones prácticas completas (desde la recopilación de información hasta el planteamiento y validación de estrategias de restauración. La finalidad de la experiencia propuesta es complementar y reforzar la enseñanza de la temática tal que a partir de casos de estudio reales, diferentes grupos de alumnos sean capaces de realizar todas las fases de aprendizaje, se analicen resultados y alternativas, evalúen la eficiencia/eficacia de sus propuestas y compitan entre ellos para lograr los resultados óptimos y objetivos planteados por el profesor. Para ello, la finalidad específica de esta propuesta es realizar un aplicación informática integrada (en Matlab) "user friendly", que permita la realización de los procesos matemáticos complejos, cálculos estadísticos, síntesis de información de series hidrológicas extensas, identificación de patrones contenidos en las series, entre otras. De esta forma, al no tener que invertir tiempos de cálculo execivo y repetitivo, los alumnos podrán aplicar los conocimientos adquiridos en el aula, analizar resultados de forma ágil, experimentar con numerosas alternativas y configuraciones, focalizando así en el análisis y trabajo colaborativo, discusión y argumentación de alternativas, aplicación de conceptos, y competición entre grupos con el objetivo último de encontrar la mejor recomendación de operación de la central hidroeléctrica y propuesta de regimen de caudales ecológicos. Asimismo, los grupos tendrán el tiempo y prácticas suficientes para su asimilación. La actividad será semi presencial.

Características de la aplicación propuesta

i) Cuantificación del impacto hidrológico

La aplicación propuesta propone métricas hidrológicas que permiten caracterizar la magnitud, frecuencia, duración, momento y tasa de cambio de los eventos hidrológicos producidos a una escala temporal menor a la diaria y que constituyen el régimen de caudales instantáneo de un río. Para ríos sometidos a hydropeaking, además se propone el cálculo del impacto hidrológico mediante la comparación, métrica a métrica, con un régimen de caudales instantáneo de referencia. El cálculo de métricas hidrológicas de caracterización e impacto requiere de series de caudal instantáneos (p.ej.: horarios) procedentes de ríos con hydropeaking y de su correspondiente referencia. La aplicación propuesta HIDROGAME se desarrollará para facilitar el manejo de largas series de caudal instantáneo, la caracterización de las mismas, y la evaluación de su grado de alteración (p.ej.; por hydropeaking). 

ii) Cuantificación del impacto ecológico. La aplicación propuesta propondrá métricas ecológicas que permiten evaluar el impacto del hydropeaking sobre cualquier especie riparia de forma  cuantitativa. Las métricas se centran en determinadas fases de desarrollo y características de las plantas que son especialmente sensibles a alteraciones del régimen da caudales instantáneo.

iii)Identificación del óptimo escenario de operación. Las métricas hidrológicas y ecológicas anteriormente propuestas permiten desarrollar modelos cuantitativos que relacionan la alteración hidrológica (i.e., del régimen de caudales instanténeo) con su correspondiente alteración ecológica (i.e.,
del ecosistema ripario) que resultan de diferentes escenarios de operación de la central hidroeléctrica (i.e., diferentes regímenes de hydropeaking). En base a estos modelos, es posible identificar escenarios de operación que garantizan el compromiso entre costos ambientales y económicos.

Objetivo general:

Crear una actividad de aprendizaje basada en la gamig¡ficación y aula invertida en un entorno colaborativo, tal que contribuya de una manera original, a un mejor aprendizaje por parte de los alumnos sobre los impactos hidrológicos/ecológicos/económicos debido a la generación de energía hidroeléctrica, y proponer las mejores medidas de operación y restauración/adaptación.

Objetivos específicos:

i) Diseño de la metodología docente incluyendo la aplicación informática propuesta

ii) Desarrollo y puesta en marcha de la aplicación informática 

iii) Validación y puesta a punto con experiencias piloto en aula

La propuesta contribuirá de forma relevante a la mejor comprensión de la problemática, dedicará mayor tiempo a los temas fundamentales y gracias a la reducción de tiempos de cálculos (aspecto acadadémicamente no relevante en este caso) se podrá profundizar en la realización de más ejemplos prácticos, promoviendo la competición entre grupos y por tanto la motivación de los alumnos y el trabajo colaborativo entre ellos, y fomentando el análisis crítico de las diferentes situaciones planteadas y el debate y el acuerdo sobre la alternativa de manejo más adecuada. Lo anterior permitirá la mejora de los conocimientos de los alumnos y por tanto sus resultados académicos, así como contribuirá a resolver la falta de tiempo para abordar correctamente el tema si se utilizaran técnicas tradicionales de enseñanza.

 Fase 1 - Incorporación de becarios y recopilación de trabajos antecedentes

Acción 1.1 - Se realizará el proceso de contratación de dos becarios de acuerdo a la normativa vigenete en esta convocatoria. Preferentemente serán estudiantes con conocimientos previos de de programación (Matlab, C++, Visual Básic, R, o similar). Mes 1 del proyecto

Acción 1.2 - Los estudiantes tendrán una etapa de entrenamiento y adaptación a la temática objeto del trabajo y a las herramientas a ser utilizadas. Mes 1 y 2 del proyecto.

Acción 1.3 - Como se mencionó anteriormente, se recopilará todos los trabajos antecedentes e iniciativas en la temática que ya han desarrollado los miembros de GIE.

Fase 2 - Planificación de actividades de la propuesta de aprendizaje y aplicación informática.

Acción 2.1 - Diseño de la propuesta de enseñanza. Mes 2 y 3 del proyecto

Acción 2.2 - Diseño conceptual de la aplicación informática integrada. Definición de la metodología de trabajo para la integración de trabajos antecedentes y formulación de nuevos elementos a ser incorporados a una aplicación integral y "user friendly". Mes 2 y 3 del proyecto

Fase 3 - Desarrollo de las herramientas informáticas para la obtención de una aplicación integral. 

Acción 3.1 - Homogenización del lenguaje y formatos de las herramientas existentes. Mes 4 y 5 del proyecto

Acción 3.2 - Desarrollo de nuevos módulos de la aplicación. Mes 4, 5 y 6 del proyecto

Acción 3.3 - Integración en un aplicación única en entorno windows. Mes 6, 7 y 8 del proyecto

Fase 4 - Aplicación y difusión de la propuesta 

Acción 4.1 - Aplicación piloto y puesta a punto de la propuesta en la Asignatura de Hidrología y Recursos Hídricos, Grado de Ingeniería Civil y Territorial . Mes 9 y 10

Acción 4.2 - Actividades de difusión - Mes 8, 9 y 10.

Se utilizarán los programas de las asignaturas involucradas en el proyecto para proponer las prácticas que se consideran más relevantes para el aprendizaje experiencial de los alumnos, así como el cronograma de los cursos para proponer las fechas más adecuadas para el desarrollo de las prácticas. El material
docente resultante se detalla con profundidad en los apartados de productos resultantes y material divulgativo. Asimismo se utilizará hardware y software existente en el GIE.

El seguimiento del cumplimiento de las diferentes fases del proyecto estará a cargo del coordinador y co-coordinador del mismo. Se realizarán reuniones quincenales con los miembros del GIE que en cada etapa estén participando de forma de evaluar el grado de avance, detectar problemas y proponer soluciones. Los becarios serán asistidos a demanda de forma que en todo momento tengan el apoyo necesario para asegurar su progreso.

El resultado se medirá en función del porcentaje de cumplimiento de la propuesta, fundamentalmente el logro de una aplicación informática operativa y funcional. 

Como resultado principal, se espera poder realizar el Registro de la Propiedad Intelectual de la aplicación que se genere. Dado los plazos del proyecto y el plazo que generalmente lleva un registro de estas caracaterísticas, se entenderá como logro el tener aceptado a trámite de Registro la aplicación. Cabe señalar, que la aplicación informática desarrollada en el PIE denominado PLUGEN , coordinado por Alvaro Sordo Ward, dio lugar al su Registro de la Propiedad Intelectual (Número de asiento Registral: 16 / 2018 / 5073). Por tanto, el GIE tiene demostrada capacidad y experiencia para poder tener éxito en esta propuesta. 

A nivel interno del grupo GIE, se utilizará la plataforma Moodle para la distribución de la propuesta educativa con la aplicación informática a los alumnos, se realizará la experiecnia piloto en el aula y se realizará un informe sobre el resultado de la experiencia, identificando debilidades y fortalezas para futuras actualizaciones.

A nivel de UPM, el resultado se medirá en función del número de profesores que demuestren interés de otras asignaturas y centros donde la temática también es abordada.

A nivel externo de la UPM, el resultado se medirá en función del número de instituciones, profesionales, empresas que se interesen en la aplicación.

1) Aplicación informática operativa

2) Registro de la aplicación en el Registro de la Propiedad Intelectual 

3) Guía metodológica de la propuesta

4) Manual de instalación y uso de la aplicación

Potencial de transferencia:

Varios grupos son objetivo de este proyecto y software asociado: (i) academia (es decir, estudiantes universitarios, investigadores y profesores); (ii) industria (es decir, gerentes de plantas hidroeléctricas; consultores ambientales); (iii) administración pública (es decir, autoridades ambientales e industriales); y (iv) la sociedad en general (grupos comunitarios como grupos de pesca deportiva, grupos de conservación, vecinos de las poblaciones cercanas a los ríos, usuarios de energía hidroeléctrica, etc.). Las definiciones de caudales ambientales, en particular, la gestión sostenible de las centrales hidroeléctricas son ejemplos esclarecedores de las necesidades del mundo real para las cuales la herramienta sería extremadamente útil y los futuros ingenieros egresados de la Escuela estarían mejor preparados para satisfacer dichas demandas del mercado y la sociedad.

1) Artículo científico

2) Jornada divulgativa presencial (lanzamiento de la propuesta educativa incluyendo la aplicación informática). Para su difusión se contará con el apoyo de: Comité Español de Grandes Presas, IAHR y el Colegio de Caminos de Mardid.

3) Divulgación en la página web del Grupo de Investigación de Hidroinformática y la Gestión del Agua.

ETS de Ingeniería Civil

ETSI AGRONÓMOS 

ETSI MONTES, Forestal y Medio Natural

IAHR

COMITÉ ESPAÑOL DE GRANDES PRESAS

COLEGIO DE CAMINOS DE MADRID

Centro de Estudios Hidrográficos CEDEX