anexo i. manual tunwaterflow v 1

Anexo I. Manual TunWaterFlow V 1.0

2 Anexo I. Manual TunWaterFlow V 1.0

MANUAL DE USUARIO TUNWATERFLOW V 1.0

Anexo I. Manual TunWaterFlow V 1.0 3

1. REQUISITOS DEL SISTEMAPor favor revise los siguientes requisitos antes de ejecutar el

software

Sistema operativo Windows (e.g, 7, 8 o 10) de 64 bits que soporte las configuraciones MATLAB R2013a (http://www.mathworks.com/downloads/)

Procesador corei7 o superiores. 4 GB RAM Java (https://www.java.com/es/download/) Paquete comercial o libre que emplee hojas de cálculo (e.g, Excel®

https://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=20601, Calc® https://es.libreoffice.org/descarga/libreoffice-nuevo/)

Procesador de texto, bloc de notas o software que permita visualizar la extensión *.txt (e.g., Notepad++ (https://notepad-plus-plus.org/download/v6.9.2.html))

Pantalla Resolución 1366 x 768

Mouse y teclado

Disco duro con espacio libre de 200 MB

2. STALACIÓN DEL SOFTWAREPara realizar la instalación de TunWaterFlow V 1.0 se requiere:

Ubique el archivo TunWaterFlow_pkg.exe en una carpeta del disco duro

Espere que se ejecute el código Bach (_install.bat) y comience con la rutina de instalación del compilador de Matlab MRC (Matlab Compiler Runtime 8.1). Si no se ejecuta automáticamente, abra el MCRInstaller.exe (Figura I - 1)

Detalles adicionales de la instalación se encuentran en el archivo read.txt

Figura I - 1 Instalación del MCR

Ejecute el archivo TunWaterFlow V 1.0.exe, acepte las condiciones de uso e ingrese la

clave de activación suministrada por el desarrollador. Dependiendo de la configuración del

http://www.mathworks.com/downloads/

https://www.java.com/es/download/

https://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=20601

https://es.libreoffice.org/descarga/libreoffice-nuevo/)

https://notepad-plus-plus.org/download/v6.9.2.html


Hardware de su ordenador este iniciara rápidamente o no. Si desea ver el proceso valla al

Administrador de tareas de Windows.

Revise la configuración regional del sistema para números debe estar definida de la

siguiente forma:

Símbolo decimal: (.) punto.

Separación de miles: (,) coma.

Esta configuración puede realizarse en:

Inicio → Panel de Control → Configuración Regional →Numero.

3. EJECUCIÓNDescripción menús principales

Ejecute el archivo TunWaterFlow V 1.0.exe y espere a que comience a cargar los módulos y

componentes del sistema para su ejecución (Figura I - 2).

Figura I - 2 Ejecución de TunWaterFlow V 1.0


Seguido a esto se abrirá una nueva ventana, en la que se encontrarán cuatro menús (e.g, Type of

Problem, Logs, About y Help) para su ejecución (Figura I - 3).

Figura I - 3 Ejecución TunWaterFlow V 1.0

a. El submenú Help, contiene el presente Manual del programa (Figura I - 4)

Figura I - 4 Menú Help


b. El submenú About, contiene la versión con la cual fue compilado el software, los

agradecimientos e información de contacto del desarrollador del programa (Figura I - 5).

Figura I - 5 Menú About

Al dar clic en el submenú Matlab… Encontrará la versión de Matlab que se empleó para compilar el

software (Figura I - 6).

Figura I - 6 Submenú Matlab… Versión de Matlab R2013a


Al dar clic en el submenú TunWaterFlow V 1.0… Encontrará detalles de contacto e información

importante a tener en cuenta (Figura I - 7).

Figura I - 7 Submenu TunWaterFlow V 1.0…

Al dar clic en el submenú Acknowledgment se abrirá una ventana mostrando los agradecimientos del

desarrollador (Figura I - 8).

Figura I - 8 Submenu Acknowledgment


c. El menú Log, lleva un registro de toda la ejecución del programa. Para visualizar los errores o

mensajes del software debe dar clic en el submenú Run Logs... e iniciarlo antes de cola ejecución

de los módulos de predicción o calibración de caudales (Figura I - 9).

Figura I - 9 Menu Logs y submenu Run Logs…

Para acceder al contenido debe ejecutar y abrir con el bloc de notas o Notepad++ el archivo log.txt

que genera el software. Este se puede encontrar en la carpeta donde está alojado TunWaterFlow.exe

(Figura I - 10).

Figura I - 10 Archivo log.txt


d. El menú Type of Problem, tiene cuatro submenús que permiten ejecutar la herramienta. El módulo

Prediction Model… (predicción de caudales), el módulo Calibration Model… (calibración de

caudales), Change Model (cambia la ejecución entre un modelo y otro) y el submenú Exit (finaliza

la ejecución y borra los archivos generados por la herramienta) (Figura I - 11).


3.2 Módulos de predicción y calibración

3.2.1 Configuración y ejecución módulo de predicción1

Al seleccionar el submenú Prediction Model…, TunWaterFlow automáticamente cambia el color de

los menús a rojo, indicándole al usuario del módulo que está en actual ejecución. Inmediatamente

aparece otro menú Load information, el cual permitirá cargar la información al modelo con el submenú

Open File… (Figura I - 12)


1 Para ver su funcionamiento puede realizarlo en https://www.youtube.com/watch?v=7vt1dKIlrfk

https://www.youtube.com/watch?v=7vt1dKIlrfk


a. Menú Load Information

Para resolver el problema directo, TunWaterFlow V 1.0, le solicita al usuario una tabla en una hoja de

cálculo (*.xlsx), la cual debe ser creada previamente especificando la distribución de capas verticales

(filas en la hoja de cálculo) y propiedades por cada capa (e.g., radio del túnel (R), longitud del tramo a

excavar (L), tiempo inicial cuando se inicia la excavación (ti), tiempo en que finaliza la excavación (ti+1),

velocidad de excavación (vi), parámetros hidrodinámicos (K, Ss), posibles descensos o abatimientos del

nivel piezométrico (s) y geología encontrada). Es importante mencionar que el programa solo acepta el

archivo por defecto TWF_Calculation.xlsx para evitar configuraciones erróneas por parte del usuario.

Esta plantilla se encuentra en los archivos de instalación (Figura I - 13 a Figura I - 15).

Figura I - 13 Configuración del archivo TWF_Calculation.xlsx

Figura I - 14 Apertura del archivo TWF_Calculation.xlsx


Figura I - 15 Progreso de validación y carga de información a TunWaterFlow

b. Menú Prediction

Una vez es cargada la información, es habilitado un nuevo menú Prediction, el cual permitirá correr el

modelo analítico con el submenú Run con la configuración dada por el usuario (Figura I - 16).

Figura I - 16 Ejecución del modelo de predicción en TunWaterFlow


Se abrirá una nueva ventana en la que se debe especificar el caudal de infiltración al momento de la

excavación, el cual está por defecto en Q= 0 L/s, se muestra en un tabla la información cargada y se

tienen cuatro botones para interactuar con la interfaz (e.g., Run, Clear, Stop, Close) y una caja de

selección para mostrar la gráfica cuando se realiza el cálculo por cada capa (Figura I - 17).

Figura I - 17 Ejecución del modelo de predicción en TunWaterFlow

Una vez configurado el caudal inicial se procede a dar clic en el botón Run para que ejecute y corra el

modelo analítico, calculando el aporte de caudal por cada sector y realizar la convolución hasta tener el

caudal acumulado durante el tiempo con la excavación total del túnel (Figura I - 18 a Figura I - 19). Un

resumen del proceso metodológico de este módulo se presenta en la Figura I - 20.

Figura I - 18 Cálculo de caudales por cada capa en el módulo de predicción en TunWaterFlow


Figura I - 19 Resultados del módulo de predicción

Figura I - 20 Diagrama de flujo del funcionamiento del módulo de predicción - TunWaterFlow V 1.0

Fin

Ejecución del modelo analítico

[Perrochet y Dematteis, 2007]

Post-procesamiento de la información

Pre-procesamiento de la información

Inicio Módulo de Predicción (Problema inverso)

• Sectorización por capas verticales • Longitud del sector a excavar (L) • Registros de avances (m) y duración (t) de la excavación • Registros del flujo infiltrado durante la

excavación • Geología del Túnel

Revisión de la información ingresada, corrección automática de las secuencias de tiempo, longitudes entre capas, rangos de

los parámetros (K, Ss, y s).

Toma de decisiones

dx

ittiv

0

v

xttrSs

K1ln

xLHsKttH 2tQ

ii

2ii

i

iiiN

1i

i


c. Menú Results -> **OK**

Una vez finalizado el cálculo, el usuario puede exportar los resultados. En la interfaz que realiza el cálculo

con la formulación analítica, se procede a dar clic en el botón Close. Seguido en la ventana principal se

ha habilitado un nuevo menú Results -> **OK**. Denote que el módulo Predicction también cambio

a color verde, lo que significa que hay una simulación en curso y que ha finalizado, y tiene resultados

disponibles para exportar. Para acceder a los resultados se debe acceder al nuevo menú de Results ->

**OK* y al submenú ExportAll el cual le pedirá al usuario un lugar donde guardar la carpeta con los

archivos exportados en formato (.xlsx, .txt y .jpg) ( Figura I - 21 a Figura I - 24).

Figura I - 21 Menú exportar resultados del módulo de predicción de TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 22 Ventana para guardar la carpeta de resultados del módulo de predicción de TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 23 Barras de progreso para exportar los resultados

Figura I - 24 Consulta de resultados del módulo de predicción de caudales de infiltración – TunWaterFlow V 1.0


Finalmente y antes de cerrar el software o cambiar el tipo de problema que resuelve TunWaterFlow,

en la misma carpeta donde esta hospedado el programa, se presentan dos archivos (Figura I - 26)

con extensión .mat y que el usuario puede guardar puede consultar con una versión de Matlab.

Figura I - 25 Archivos de respaldo en la simulación para ser consultados en una versión licenciada de Matlab

3.2.2 Configuración y ejecución módulo de calibración2

Para el módulo Calibration Model…, el usuario puede acceder directamente a través del menú Type

of Problem si se ejecuta por primera vez el software (Figura I - 26) o a través del submenú Change

Model… (Figura I - 27). El módulo Calibration Model… (calibración de caudales) resuelve el

problema inverso para cada sector, empleando valores semillas e intervalos de búsqueda (mínimos y

máximos) para los parámetros (K, Ss y opcionalmente s3) de la formulación de Perrochet y Dematteis [2007]

y técnicas de calibración automática (evolutivas o Monte-Carlo) con alguno de los dos algoritmos de

búsqueda disponibles en la herramienta (GLUE – Generalized Likelihood Uncertainty Estimation [Beven

y Binley, 1992] y SCE-UA – Shuffled Complex Evolution – University of Arizona [Duan et al., 1994])

2 Para ver su funcionamiento puede realizarlo en https://www.youtube.com/watch?v=IjMGeRgXYvY 3 Como la solución analítica considera carga hidráulica constante [Perrochet y Dematteis, 2007], este valor debe ser conocido e invariable durante la calibración. Sin embargo, si no se tienen valores de referencia para todas las capas, se deja habilitado para su calibración y decisión de uso por el modelador.

https://www.youtube.com/watch?v=IjMGeRgXYvY


Figura I - 26 Forma de acceder al módulo Calibration Model - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 27 Forma de acceder al módulo Calibration Model - TunWaterFlow V 1.0

a. Menú Load Information

Una vez se accede al modelo, los menús cambian a color azul y se activa un nuevo menú (Load

Information) para cargar la información para su ejecución (Open file…) (Figura I - 28).


Figura I - 28 Menú para cargar información al módulo Calibration Model - TunWaterFlow V 1.0

Para resolver el problema inverso, TunWaterFlow V 1.0, le solicita al usuario una tabla en una hoja de

cálculo (*.xlsx), la cual debe ser creada y guardada previamente con el registro de caudales a nivel diario,

los caudales observados (L/s), avances de excavación (m), fechas (dd/mm/yy), días (d)y geología

reportada durante la excavación. Es importante mencionar que el programa solo acepta el archivo por

defecto TWF_Calibration.xlsx para evitar configuraciones erróneas por parte del usuario. Esta plantilla

se encuentra en los archivos de instalación (Figura I - 29 a Figura I - 31).

Figura I - 29 Configuración del archivo TWF_Calibration.xlsx


Figura I - 30 Apertura del archivo TWF_Calculation.xlsx

Figura I - 31 Progreso de validación y carga de información a TunWaterFlow

Si TunWaterFlow interpreta al momento de cargar la información que el archivo presenta vacíos de en

su estructura para las columnas de caudales o avances de excavación, se mostrará un mensaje en el que

se indica si el usuario desea interpolar la información (Figura I - 32).


Figura I - 32 Mensaje informativo para interpolar datos faltantes en TunWaterFlow

Si el usuario decide seleccionar la opción No, el software le preguntará nuevamente si quiere

completarlos manualmente (Figura I - 33) y abrirá el archivo al presionar OK. De lo contrario no

continuará con la ejecución del programa y se inhabilitará.

Figura I - 33 Solicitud al usuario para que complete los datos faltantes directamente en la hoja de cálculo


Si por el contrario el usuario selecciona la opción SI, que interpole. TunWaterFlow abrirá una nueva

ventana en la que a través de diferentes menús seleccionables el modelador puede asignar el mejor

método de interpolación para sus datos observados (Figura I - 34). TunWaterFlow tiene 6 métodos de

interpolación disponibles para los caudales y avances de excavación que ingrese el usuario (e.g.,

interpolación lineal, vecino más cercano, interpolación que preserva la forma a trozos de la interpolación

cubica, cúbica, convolución cubica y spline) (Figura I - 35 a Figura I - 40). Se recomienda que se emplee

la interpolación lineal y cubica cuando los datos faltantes son muy pocos y cercanos.

Figura I - 34 Métodos de interpolación disponibles en TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 35 Resultados método I. Método Linear Interpolation - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 36 Resultados método II. Método Nearest Neighbor Interpolation - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 37 Resultados método III. Método Shape-preserving piecewise cubic interpolation - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 38 Resultados método IV. Método Cubic Interpolation - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 39 Resultados método V. Método Cubic Convolution - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 40 Resultados método VI. Método Spline Interpolation - TunWaterFlow V 1.0

b. Menú Geological Properties

Una vez asignado el método, se presiona OK. Si desea nuevamente escoger otro método en la misma

ventana, seleccione el botón Back y después Next para confirmar su selección. Seguido a esto se activa

un nuevo menú denominado Geological Properties, el cual permite realizar una distribución de capas

verticales acordes a los flujos observados y sectorización geológica, al dar clic en el submenú Definition

of layers… (Figura I - 41).

Figura I - 41 Modulo para delimitación de capas verticales acordes a los flujos observados e información geológica disponible - TunWaterFlow V 1.0

Una vez acceda al submenú, se abrirá una nueva ventana y se le preguntara al usuario si quiere realizar

la delimitación de capas verticales de forma manual o automática (Figura I - 42).


Figura I - 42 Modulo para delimitación de capas verticales acordes a los flujos observados e información geológica disponible - TunWaterFlow V 1.0

Si selecciona la opción manual (botón No), el usuario debe realizar una delimitación de capas verticales

con ayuda de la barra de desplazamiento, las gráficas y el botón Next layer (Figura I - 43). Si ha realizado

una delimitación por erro el botón Clear layer puede ser de ayuda para volver a la capa anterior. Si ha

terminado la delimitación, el botón Save guardará la delimitación y le preguntará al usuario si desea

guardar la carpeta con la delimitación geológica realizada. Si acepta guardar, este exportará un gráfico y

una hoja de cálculo con la información requerida para el cargue automático en una posterior etapa

(Figura I - 44 a Figura I - 45).

Figura I - 43 Delimitación de capas verticales acordes a los flujos observados e información geológica disponible de forma manual - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 44 Delimitación de capas verticales acordes a los flujos observados e información geológica disponible de forma manual - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 45 Delimitación realizada de forma manual y sus archivos exportados - TunWaterFlow V 1.0

Si por el contrario, el usuario desea cargar una geología delimitada por capas y oprime la opción Si

(Figura I - 42). TunWaterFlow V 1.0 le solicitará, una tabla en una hoja de cálculo (*.xlsx), la cual debe

ser creada y guardada previamente con la distribución por sectores de capas verticales (xmin – xmax),

longitud del tramo a excavar (L), tiempo inicial cuando se inicia la excavación (ti), tiempo en que finaliza

la excavación (ti+1), velocidad de excavación (vi) y geología encontrada. Es importante mencionar que el

programa solo acepta el archivo por defecto TWF_Geology.xlsx para evitar configuraciones erróneas

por parte del usuario. Esta plantilla se encuentra en los archivos de instalación (Figura I - 46 a Figura I

- 49).


Figura I - 46 Configuración del archivo TWF_Calibration.xlsx

Figura I - 47 Apertura del archivo TWF_Geology.xlsx - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 48 Procesamiento de información geológica de forma automática - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 49 Pos procesamiento información geológica de forma automática - TunWaterFlow V 1.0

c. Menú Parameter Definition

Una vez cargada la sectorización por capas verticales, se presiona el botón Close. Seguido a esto se

activa un nuevo menú denominado Parameter Definition, el cual permite realizar una asignación de

las propiedades hidráulicas de cada capa con su valor semilla e intervalos máximos y mínimos para los

parámetros hidrodinámicos (K, Ss) y los descensos (s), al dar clic en el submenú Hydraulic properties

of the layers… (Figura I - 50).


Figura I - 50 Módulo para asignación de valor semilla e intervalos mínimos y máximos para los parámetros hidrodinámicos (K y Ss) y los descensos (s) - TunWaterFlow V 1.0

Una vez acceda al submenú, se abrirá una nueva ventana y a través de los check box el usuario asignará

los valores semilla, mínimos y máximos por cada capa para los parámetros hidrodinámicos (K, Ss) y los

descensos (s) (Figura I - 51).

Figura I - 51 Asignación de valor semilla e intervalos mínimos y máximos para los parámetros hidrodinámicos (K y Ss) y los descensos (s) - TunWaterFlow V 1.0


Se recomienda que para una delimitación de capas superior a 10, se debe crear un archivo en una hoja

de cálculo (TWF_Parameters.xlsx). Después copiar sin encabezados (solo datos, los decimales deben

ir con punto “.”) y pegar con clic derecho, la matriz resultante en la interfaz con clic derecho (Figura I -

53) o generar automáticamente una asignación con el botón Default (Figura I - 52). Para continuar con

la asignación se oprime el botón Next y guarda la asignación con Save. Si el usuario no desea calibrar

un parámetro, debe especificar para el valor semilla, máximo y mínimo el mismo valor (Figura I - 54).

Figura I - 52 Asignación del parámetro conductividad hidráulica (K) con el botón Default - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 53 Asignación del parámetro coeficiente de almacenamiento específico (Ss) copiando y pegando desde una hoja de cálculo - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 54 Asignación del parámetro descensos (s) con el mismo valor para que no sea calibrado durante el proceso de modelación - TunWaterFlow V 1.0

d. Menú Parameter Definition

Una vez guardado los intervalos de búsqueda para los tres. Se activa un nuevo menú denominado

Calibration, el cual le permitirá al usuario calibrar los flujos observados a partir de dos algoritmos de

búsqueda SCE-UA… y GLUE… (Figura I - 55).

Figura I - 55 Módulo Calibration - TunWaterFlow V 1.0


a. SCE-UA

Al dar clic en el submenú SCE-UA… se abrirá una nueva ventana en la que se debe asignar el radio del

túnel (r), el caudal de inicio (Qo) y los criterios de parada y búsqueda para el algoritmo evolutivo (Figura

I - 56). El algoritmo SCE-UA combina las fortalezas de los algoritmos de búsqueda aleatoria controlada

con las de las metodologías de evolución competitiva y el concepto de nuevo desarrollo. Al tratar la

búsqueda global como un proceso de evolución natural, de tal manera que los puntos muestreados

constituyen una población que es dividida en varias comunidades (complejos), cada una de las cuales

tiene permitido evolucionar de forma independiente (es decir, buscar en el espacio de la función objetivo

en diferentes direcciones), hasta un cierto número de generaciones, donde las comunidades se ven

obligadas a mezclarse, formando nuevas comunidades que intercambian su proceso evolutivo [Duan et

al., 1994].

Este procedimiento mejora la supervivencia (parámetros óptimos) y hace que el modelo converja

rápidamente. Los criterios para el algoritmo son: Ngs el número de miembros en un complejo (sub-

populaciones), Maxn el número máximo de evaluaciones de la función permitido durante la

optimización, Kstop el máximo número de evoluciones (bucles) antes de converger, Pcento la variación en

el porcentaje permitido en los bucles (Kstop) antes de converger y Peps el porcentaje de cambio con la

media geométrica normalizada del rango de los parámetros.

Para poder ejecutar el algoritmo, se asigna una configuración por defecto con el botón Default y se

corre al presionar el botón Run. Se recomienda dejar la configuración de algoritmo para que converja

rápidamente dependiendo de las características del ordenador un orden de magnitud por encima o por

debajo del valor para Maxn, Pcento y Peps, podría condicionar el cálculo de minutos a días. Detalles

adicionales de la configuración y funcionamiento del algoritmo son tratados en Duan et al. [1994]. Si el

usuario desea terminar la simulación debe presionar el botón Stop.

Figura I - 56 Configuración del submódulo SCE-UA- TunWaterFlow V 1.0


Durante el periodo de cálculo de las capas y ajuste automático de la solución el usuario puede observar

la evolución de la calibración al controlar los check box y el encendido y apagado de la gráfica. SE

recomienda que para que la solución converja rápidamente, los check box deben estar en blanco para

evitar un gasto computacional adicional al graficar los resultados por cada simulación. De lo contrario

el tiempo de simulación sería de minutos a días (Figura I - 57 a Figura I - 59).

Figura I - 57 Inicio de la simulación con el submódulo SCE-UA- TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 58 Resultados durante la simulación con el submódulo SCE-UA- TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 59 Resultados simulación SCE-UA- TunWaterFlow V 1.0

b. GLUE

Al dar clic en el submenú GLUE… se abrirá una nueva ventana en la que se debe asignar el radio del

túnel (r), el caudal de inicio (Qo) y los criterios de parada y búsqueda para el algoritmo evolutivo (Figura

I - 56). La metodología GLUE parte de la información cuantitativa o cualitativa del modelo y del

principio de equifinalidad de los parámetros generados de forma aleatoria y uniforme. Posteriormente,

son clasificados en grupos o conjuntos que reproducen de manera aceptable el comportamiento

observado del sistema [Beven y Binley, 1992]. El algoritmo emplea un fuerte desgaste computacional, ya

que realiza un rastreo aleatorio de todo el espacio parametral y una calibración forzosa (simulaciones de

Montecarlo) que está guiada a partir de la función objetivo empleada. Los criterios para el algoritmo son:

ns el número de simulaciones, valor semilla e intervalos máximos y mínimos de los parámetros.


Figura I - 60 Configuración del submódulo GLUE - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 61 Inicio de la simulación con el submódulo GLUE - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 62 Resultados durante la simulación con el submódulo GLUE - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 63 Resultados simulación GLUE - TunWaterFlow V 1.0


Durante el proceso de cálculo de cada uno de los algoritmos (SCE-UA o GLUE) que tiene

TunWaterFlow V 1.0, se compara el mejor modelo simulado con los flujos observados en cada sector,

y con ayuda de criterios de minimización con el cálculo de tres tipos de funciones objetivo (Tabla I - 1)

se ajusta el mejor modelo para el cálculo siguiente de la otra capa. Si el modelo no satisface el flujo

observado en el sector, el usuario tiene la posibilidad de ajustar nuevamente los parámetros de forma

manual o automática, con ayuda de MCAT v.5 (Monte-Carlo Analysis Toolbox), herramienta

desarrollada por Wagener et al. [2004] y la cual se encuentra acoplada con la interfaz gráfica.

MCAT le permite al usuario: i) analizar los resultados de búsqueda o muestreo de parámetros por cada

sector, ya sea empleando técnicas de Monte-Carlo o modelos de optimización basados en técnicas

evolutivas de poblaciones (SCE-UA), ii) investigar la estructura del modelo, iii) realizar un análisis

regional de sensibilidad e incertidumbre del modelo matemático por cada sector y iv) elaborar graficas

que muestran las mejores predicciones a partir de la función objetivo seleccionada y análisis de

probabilidad que expresan los óptimos de los parámetros [Wagener et al., 2004].

Tabla I - 1 Funciones objetivo disponibles en TunWaterFlow V 1.0. Tomado de Cheng [2014]; Gupta et

al. [1998]; Wagener et al. [2001]

Función Objetivo

Notación Ecuación No. Ecuación

Coeficiente de eficiencia

(Nash-Sutcliffe Efficiency)

NSE

Ns

1i

Ns

1i

obs

1NSE2

i

2 ii

obs

obssim

(0.1)

Suma de errores cuadráticos

SSE

Ns

1i

bsSSE 2 ii simo (0.2)

Sesgo absoluto ABIAS

Ns

1i

ii simobsN

1ABIAS

(0.3)

Error medio absoluto

MAE

Ns

1i

ii simobsN

1BIAS (0.4)

Coeficiente de determinación

R2

N

1i

2

i

Ns

1i

2

i

2Ns

1i2

obsobssimsim

obssim

R

ii obssim

(0.5)

donde Ns el número de simulaciones, isim los simulados, iobs los observados, obs la media de los observados,

sim la media de los simulados y el operador de sumatoria

Para acceder al análisis de sensibilidad o calibración manual, las dos ventanas que ejecutan

cada algoritmo tienen un botón denominado Sensibility (Figura I - 64). Al oprimirlo se

despliega una barra de desplazamiento con el nombre de cada uno de los sectores. El usuario

tiene la opción de observar la sensibilidad regional del parámetro, diagramas de Pareto, etc.,

al seleccionarlo y oprimir el botón MCAT (Figura I - 65 a Figura I - 70). Detalles adicionales

para analizar estos resultados se describen en Wagener et al. [2004] y el capítulo II.


Figura I - 64 Análisis de sensibilidad regional para el sector No. 4 - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 65 Ejecución de MCAT v.5 - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 66 Diagramas de dispersión para los parámetros K, Ss y s - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 67 Diagramas de sensibilidad paramétrica para los parámetros K, Ss y s - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 68 Gráficos de distribución a posteriori para los parámetros K, Ss y s - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 69 Diagramas de contorno de los parámetros K y s respecto a su función objetivo - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 70 Franja de confianza del 95% y datos observados del sector No. 4 - TunWaterFlow V 1.0

Si la calibración de alguno de los dos algoritmos no es satisfactoria, el usuario tiene la posibilidad

de realizar una calibración manual o automática. Manual puede modificar los valores por cada

sector y automática redefinir los intervalos de búsqueda o cambiar de método de calibración

(Figura I - 71).

Figura I - 71 Recalibración de la simulación - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 72 Calibración Manual - TunWaterFlow V 1.0

Figura I - 73 Ajuste manual para el parámetro s - TunWaterFlow V 1.0


Una vez la solución este acorde al criterio del modelador, se procede a exportar los resultados.

Dependiendo del método de calibración seleccionado, el color del menú cambiará con el algoritmo

empleado. Para SCE-UA el color será magenta y para GLUE será aguamarina. Una vez se accede al

menú, el usuario se encontrará con la opción de exportar todos los resultados al mismo tiempo o

exportar uno o varios resultados del modelo calibrado. Se destaca los parámetros calibrados en una tabla,

la gráfica del modelo calibrado junto con sus datos en *.xlsx y *.txt, los pasos de la calibración de cada

algoritmo en *.txt, los resultados de las simulaciones por cada capa en *.xlsx, los resultados de las tres

funciones objetivo por cada capa en *.xlsx y la combinación de parámetros empleados distribuidos

uniformemente por cada capa en *.xlsx (Figura I - 74). Un resumen del proceso metodológico de este

módulo se presenta en la Figura I - 75.

Figura I - 74 Submenús para exportar todo o de forma particular los resultados para el algoritmo de calibración - TunWaterFlow V 1.0


Figura I - 75 Diagrama de flujo del funcionamiento del módulo de calibración - TunWaterFlow V 1.0

Resultados e interpretación

Fin

Ejecución del modelo analítico

[Perrochet y Dematteis, 2007]

Post-procesamiento de la información

Pre-procesamiento de la información

Inicio Módulo de Calibración (Problema inverso)

• Sectorización por capas verticales • Longitud del sector a excavar (L) • Registros de avances (m) y duración (t) de la excavación

• Registros del flujo infiltrado durante la excavación

• Intervalos de búsqueda de los parámetros del modelo (K, Ss y s)

• Geología del Túnel

Revisión de la información ingresada, interpolación de información faltante y corrección automática de las

secuencias de tiempo, longitudes entre capas, rangos de los parámetros (K, Ss y s) y generación de números

aleatorios (random).

Toma de decisiones

Metodología de calibración

GLUE “Generalized Likelihood Uncertainty Estimation”

SCE-UA “Shuffled Complex Evolution

method developed at the University of Arizona”

Análisis de sensibilidad e incertidumbre

paramétrica [Wagener et al., 2004]

MCAT V 5.1 “Monte-Carlo Analysis Toolbox”

¿Solución óptima?

1

1 No

Si


Bibliografía

[1] Beven, K., y A. Binley (1992), The future of distributed models: Model calibration and uncertainty prediction, Hydrological Processes, 6(3), 279-298.

[2] Cheng, V. (2014), Evaluating the Effect of Objective Functions on Model Calibration, PhD thesis, Freie Universität Berlin

[3] Duan, Q., S. Sorooshian, y V. K. Gupta (1994), Optimal use of the SCE-UA global optimization method for calibrating watershed models, Journal of Hydrology, 158(3–4), 265-284.

[4] Gupta, H. V., S. Sorooshian, y P. O. Yapo (1998), Toward improved calibration of hydrologic models: Multiple and noncommensurable measures of information, Water Resources Research, 34(4), 751-763.

[5] Perrochet, P., y A. Dematteis (2007), Modeling Transient Discharge into a Tunnel Drilled in a Heterogeneous Formation, Ground Water, 43(6), 786-790.

[6] Wagener, T., M. J. Lees, y H. S. Wheater (2001), A toolkit for the development and application of parsimonious hydrological models, Mathematical models of small watershed hydrology 2

[7] Wagener, T., M. J. Lees, y H. S. Wheater (2004), Monte-Carlo Analysis Yoolbox User Manual version 5.

anexo i. manual tunwaterflow v 1

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