Given the high degree of development of hydraulic infrastructure in the developed countries, and with the increasing opposition to constructing new facilities in developing countries, the focus of water resource system analysis has turned into defining adequate operation strategies. Better management is necessary to cope with the challenge of supplying increasing demands and conflicts on water allocation while facing climate change impacts. To do so, a large set of mathematical simulation and optimization tools have been developed. However, the real application of these techniques is still limited. One of the main lines of research to fix this issue regards to the involvement of experts' knowledge in the definition of mathematical algorithms. To define operating rules in a way in which system operators could rely, their expert knowledge should be fully accounted and merged with the results from mathematical algorithms. This thesis develops a methodological framework and the required tools to improve the operation of large-scale water resource systems. In such systems, decision-making processes are complex and supported, at least partially, by the expert knowledge of decision-makers. This importance of expert judgment in the operation strategies requires mathematical tools able to embed and combine it with optimization algorithms. The methods and tools developed in this thesis rely on stochastic programming, fuzzy logic and the involvement of system operators during the whole rule-defining process. An extended stochastic programming algorithm, able to be used in large-scale water resource systems including stream-aquifer interactions, has been developed (the CSG-SDDP). The methodological framework proposed uses fuzzy logic to capture the expert knowledge in the definition of optimal operating rules. Once the current decision-making process is fairly reproduced using fuzzy logic and expert knowledge, stochastic programming results are introduced and thus the performance of the rules is improved. The framework proposed in this thesis has been applied to the Jucar river system (Eastern Spain), in which scarce resources are allocated following complex decision-making processes. We present two applications. In the first one, the CSG-SDDP algorithm has been used to define economically-optimal conjunctive use strategies for a joint operation of reservoirs andaquifers. In the second one, we implement a collaborative framework to couple historical records with expert knowledge and criteria to define a decision support system (DSS) for the seasonal operation of the reservoirs of the Jucar River system. The co-developed DSS tool explicitly reproduces the decision-making processes and criteria considered by the system operators. Two fuzzy logic systems have been developed and linked with this purpose, as well as with fuzzy regressions to preview future inflows. The DSS developed was validated against historical records. The developed framework offers managers a simple way to define a priori suitable decisions, as well as to explore the consequences of any of them. The resulting representation has been then combined with the CSG-SDDP algorithm in order to improve the rules following the current decision-making process. Results show that reducing pumping from the Mancha Oriental aquifer would lead to higher systemwide benefits due to increased flows by stream-aquifer interaction. The operating rules developed successfully combined fuzzy logic, expert judgment and stochastic programming, increasing water allocations to the demands by changing the way in which Alarcon, Contreras and Tous are balanced. These rules follow the same decision-making processes currently done in the system, so system operators would feel familiar with them. In addition, they can be contrasted with the current operating rules to determine what operation options can be coherent with the current management and, at the same time, achieve an optimal operation / Dado el alto número de infraestructuras construidas en los países desarrollados, y con una oposición creciente a la construcción de nuevas infraestructuras en los países en vías de desarrollo, la atención del análisis de sistemas de recursos hídricos ha pasado a la definición de reglas de operación adecuadas. Una gestión más eficiente del recurso hídrico es necesaria para poder afrontar los impactos del cambio climático y de la creciente demanda de agua. Para lograrlo, un amplio abanico de herramientas y modelos matemáticos de optimización se han desarrollado. Sin embargo, su aplicación práctica en la gestión hídrica sigue siendo limitada. Una de las más importantes líneas de investigación para solucionarlo busca la involucración de los expertos en la definición de dichos modelos matemáticos. Para definir reglas de operación en las cuales los gestores confíen, es necesario tener en cuenta su criterio experto y combinarlo con algoritmos de optimización. La presente tesis desarrolla una metodología, y las herramientas necesarias para aplicarla, con el fin de mejorar la operación de sistemas complejos de recursos hídricos. En éstos, los procesos de toma de decisiones son complicados y se sustentan, al menos en parte, en el juicio experto de los gestores. Esta importancia del criterio de experto en las reglas de operación requiere herramientas matemáticas capaces de incorporarlo en su estructura y de unirlo con algoritmos de optimización. Las herramientas y métodos desarrollados se basan en la optimización estocástica, en la lógica difusa y en la involucración de los expertos durante todo el proceso. Un algoritmo estocástico extendido, capaz de ser usado en sistemas complejos con interacciones río-acuífero se ha desarrollado (el CSG-SDDP). La metodología definida usa lógica difusa para capturar el criterio de experto en la definición de reglas óptimas. En primer lugar se reproducen los procesos de toma de decisiones actuales y, tras ello, el algoritmo de optimización estocástica se emplea para mejorar las reglas previamente obtenidas. La metodología propuesta en esta tesis se ha aplicado al sistema Júcar (Este de España), en el que los recursos hídricos son gestionados de acuerdo a complejos procesos de toma de decisiones. La aplicación se ha realizado de dos formas. En la primera, el algoritmo CSG-SDDP se ha utilizado para definir una estrategia óptima para el uso conjunto de embalses y acuíferos. En la segunda, la metodología se ha usado para reproducir las reglas de operación actuales en base a criterio de expertos. La herramienta desarrollada reproduce de forma explícita los procesos de toma de decisiones seguidos por los operadores del sistema. Dos sistemas lógicos difusos se han empleado e interconectado con este fin, así como regresiones difusas para predecir aportaciones. El Sistema de Ayuda a la Decisión (SAD) creado se ha validado comparándolo con los datos históricos. La metodología desarrollada ofrece a los gestores una forma sencilla de definir decisiones a priori adecuadas, así como explorar las consecuencias de una decisión concreta. La representación matemática resultante se ha combinado entonces con el CSG-SDDP para definir reglas óptimas que respetan los procesos actuales. Los resultados obtenidos indican que reducir el bombeo del acuífero de la Mancha Oriental conlleva una mejora en los beneficios del sistema debido al incremento de caudal por relación río-acuífero. Las reglas de operación han sido adecuadamente desarrolladas combinando lógica difusa, juicio experto y optimización estocástica, aumentando los suministros a las demandas mediante modificaciones el balance de Alarcón, Contreras y Tous. Estas reglas siguen los procesos de toma de decisiones actuales en el Júcar, por lo que pueden resultar familiares a los gestores. Además, pueden compararse con las reglas de operación actuales para establecer qué decisiones entre / Donat l'alt nombre d'infraestructures construïdes en els països desenrotllats, i amb una oposició creixent a la construcció de noves infraestructures en els països en vies de desenrotllament, l'atenció de l'anàlisi de sistemes de recursos hídrics ha passat a la definició de regles d'operació adequades. Una gestió més eficient del recurs hídric és necessària per a poder afrontar els impactes del canvi climàtic i de la creixent demanda d'aigua. Per a aconseguir-ho, una amplia selecció de ferramentes i models matemàtics d'optimització s'han desenrotllat. No obstant això, la seua aplicació pràctica en la gestió hídrica continua sent limitada. Una de les més importants línies d'investigació per a solucionar-ho busca la col·laboració activa dels experts en la definició dels models matemàtics. Per a definir regles d'operació en les quals els gestors confien, és necessari tindre en compte el seu criteri expert i combinar-ho amb algoritmes d'optimització. La present tesi desenrotlla una metodologia, i les ferramentes necessàries per a aplicar-la, amb la finalitat de millorar l'operació de sistemes complexos de recursos hídrics. En estos, els processos de presa de decisions són complicats i se sustenten, almenys en part, en el juí expert dels gestors. Esta importància del criteri d'expert en les regles d'operació requereix ferramentes matemàtiques capaces d'incorporar-lo en la seua estructura i d'unir-lo amb algoritmes d'optimització. Les ferramentes i mètodes desenrotllats es basen en l'optimització estocàstica, en la lògica difusa i en la col·laboració activa dels experts durant tot el procés. Un algoritme estocàstic avançat, capaç de ser usat en sistemes complexos amb interaccions riu-aqüífer, s'ha desenrotllat (el CSG-SDDP) . La metodologia definida utilitza lògica difusa per a capturar el criteri d'expert en la definició de regles òptimes. En primer lloc es reprodueixen els processos de presa de decisions actuals i, després d'això, l'algoritme d'optimització estocàstica s'empra per a millorar les regles prèviament obtingudes. La metodologia proposada en esta tesi s'ha aplicat al sistema Xúquer (Est d'Espanya), en el que els recursos hídrics són gestionats d'acord amb complexos processos de presa de decisions. L'aplicació s'ha realitzat de dos formes. En la primera, l'algoritme CSG-SDDP s'ha utilitzat per a definir una estratègia òptima per a l'ús conjunt d'embassaments i aqüífers. En la segona, la metodologia s'ha usat per a reproduir les regles d'operació actuals basant-se en criteri d'experts. La ferramenta desenvolupada reprodueix de forma explícita els processos de presa de decisions seguits pels operadors del sistema. Dos sistemes lògics difusos s'han empleat i interconnectat amb este fi, al igual què regressions difuses per preveure cabdals. El Sistema d'Ajuda a la Decisió (SAD) creat s'ha validat comparant-lo amb les dades històriques. La metodologia desenvolupada ofereix als gestors una manera senzilla de definir decisions a priori adequades, així com per explorar les conseqüències d'una decisió concreta. La representació matemàtica resultant s'ha combinat amb el CSG-SDDP per a definir regles òptimes que respecten els processos actuals. Els resultats obtinguts indiquen que reduir el bombament de l'aqüífer de la Mancha Oriental comporta una millora en els beneficis del sistema a causa de l'increment de l'aigua per relació riu-aqüífer. Les regles d'operació han sigut adequadament desenrotllades combinant lògica difusa, juí expert i optimització estocàstica, augmentant els subministres a les demandes per mitjà de modificacions del balanç d'Alarcón, Contreras i Tous. Estes regles segueixen els processos de presa de decisions actuals en el Xúquer, per la qual cosa poden resultar familiars als gestors. A més, poden comparar-se amb les regles d'operació actuals per a establir quines decisions entre les possibles serien coherents / Macián Sorribes, H. (2017). Design of optimal reservoir operating rules in large water resources systems combining stochastic programming, fuzzy logic and expert criteria [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/82554

[ES] La escasez de agua es un problema cada vez más recurrente para la agricultura de regadío en las regiones mediterráneas, siendo la sequía hidrológica uno de los problemas que afecta la disponibilidad de agua. Por lo tanto, es necesario establecer alternativas técnicas y económico-financieras que permitan a los regantes enfrentar este problema desde una visión amplia de la gestión del agua para uso agrícola a nivel de cuenca. Estas alternativas deben incluir instrumentos de planificación hidrológica, que permitan analizar el impacto de la sequía y determinar las medidas a implementar cuando el recurso hídrico disponible no sea suficiente para satisfacer las demandas de agua. Uno de los instrumentos económicos y financieros para la gestión del riesgo agroclimático que se ha implementado con éxito y que cada día cobra más fuerza es el de los seguros agrícolas, más específicamente, el seguro indexado. Esta investigación pretende contribuir a mitigar el impacto de la escasez de agua en comunidades de regantes situadas en cuencas altamente reguladas, como el sistema de explotación del río Júcar, mediante el diseño de un nuevo esquema de seguro indexado por sequía hidrológica, basado en índices totalmente alineados con los procedimientos de gestión de la sequía a nivel de cuenca. El proceso de diseño del seguro comprende 3 etapas. En la primera se evalúa económicamente el impacto de la sequía para establecer una indemnización unitaria, elemento base para el diseño del seguro. La segunda etapa consiste en establecer un índice por sequía hidrológica que tenga un alto grado de correlación con las pérdidas productivas y económicas en las comunidades de regantes y reduzca los problemas de riesgo moral, selección adversa y riesgo base que se presentan en este tipo de seguros indexados. En este caso, se diseñaron y evaluaron tres índices de sequía hidrológica (IEECHJ, ISH1, ISH2), siendo el indicador principal el índice de estado de escasez IEECHJ de la Unidad Territorial UTE del Júcar, establecido en el plan especial de sequía de la Demarcación Hidrográfica del Júcar PES (2018). Finalmente, en la tercera etapa se busca establecer los principales parámetros económicos del seguro: la indemnización recibida, el máximo valor indemnizable y el valor de la prima pura a pagar que se incluirán en los diferentes tipos de contrato. El seguro es evaluado simulando su operación como si estuviera en funcionamiento. Se utilizan indicadores económicos-financieros para comparar los beneficios para la comunidad de regantes con o sin contrato. Los indicadores utilizados son la desviación estándar, el error cuadrático medio, el índice de siniestralidad y el riesgo base, los cuales están en función del margen bruto del cultivo. Para analizar la gestión del recurso hídrico en la cuenca y determinar escenarios de escasez que pueden declarar un siniestro o pago de indemnización del seguro, se utilizó un modelo de gestión de cuencas que tiene en cuenta las reglas de gestión del sistema. Al incluir los indicadores financieros en la evaluación del seguro, se determina que la mejor opción en el diseño es tomar el IEECHJ=0.20 sin franquicia deducible como disparador. Esto minimiza la semivarianza y la desviación estándar del margen bruto y permite obtener valores más altos del margen bruto mínimo en comparación con la opción de no implementar el seguro. El seguro por sequía hidrológica contribuye a llenar el vacío existente en los planes de seguro tradicionales para cultivos bajo riego y ofrece cobertura adicional a los agricultores en condiciones de sequía y escasez de agua. Además, este diseño logra comprender la complejidad de la interacción de los subsistemas de aportaciones, demandas y reglas de operación del recurso hídrico a nivel de cuenca, siendo esta la contribución principal de esta investigación. / [CA] L'escassetat d'aigua és un problema cada vegada més recurrent per a l'agricultura de regadiu a les regions mediterrànies, sent la sequera hidrològica un dels problemes que afecta la disponibilitat d'aigua. Per tant, és necessari establir alternatives tècniques i economicofinanceres que permeten als regants enfrontar aquest problema des d'una visió àmplia de la gestió de l'aigua per a ús agrícola a nivell de conca. Aquestes alternatives han d'incloure instruments de planificació hidrològica, que permeten analitzar l'impacte de la sequera i determinar les mesures a implementar quan el recurs hídric disponible no siga suficient per a satisfer les demandes d'aigua. Un dels instruments econòmics i financers per a la gestió del risc agroclimàtic que s'ha implementat amb èxit i que cada dia cobra més força és el de les assegurances agrícoles, més específicament, el segur indexat. Així, aquesta investigació pretén contribuir a mitigar l'impacte de l'escassetat d'aigua en comunitats de regants situades en conques altament regulades, com el sistema d'explotació del va riure Xúquer, mitjançant el disseny d'un nou esquema de segur indexat per sequera hidrològica, basat en índexs totalment alineats amb els procediments de gestió de la sequera a nivell de conca. El procés de disseny del segur comprén 3 etapes. En la primera, s'avalua econòmicament l'impacte de la sequera per a establir una indemnització unitària, element base per al disseny de l'assegurança. Posteriorment, la segona etapa consisteix a establir un índex per sequera hidrològica que tinga un alt grau de correlació amb les pèrdues productives i econòmiques en les comunitats de regants i reduïsca els problemes de risc moral, selecció adversa i risc base que es presenten en aquesta mena d'assegurances indexades. En aquest cas, es van dissenyar i van avaluar tres índexs d'estat d'escassetat (IEECHJ, ISH1, ISH2), sent l'indicador principal l'índex IEECHJ de la Unitat Territorial del Xúquer UTE, establit en el pla especial de sequera de la Demarcació Hidrogràfica del Xúquer PES (2018). Finalment, en la tercera etapa es busca establir els principals paràmetres econòmics de l'assegurança: la indemnització rebuda, el màxim valor indemnitzable i el valor de la prima a pagar que s'inclouran en els diferents tipus de contracte. El segur és avaluat simulant la seua operació com si estiguera en funcionament. S'utilitzen indicadors econòmics-financers per a comparar els beneficis per a la comunitat de regants amb o sense contracte. Els indicadors utilitzats són la desviació estàndard, l'error quadràtic mitjà, l'índex de sinistralitat i el risc base, els quals estan en funció del marge brut del cultiu. Per a analitzar la gestió del recurs hídric en la conca i determinar escenaris d'escassetat que poden declarar un sinistre o pagament d'indemnització del segur, es va utilitzar un model de gestió de conques que té en compte les regles de gestió del sistema. En incloure els indicadors financers en l'avaluació del segur, es determina que la millor opció en el disseny és prendre el IEECHJ=0.20 sense franquícia deduïble com disparador. Això minimitza la semivariància i la desviació estàndard del marge brut i permet obtindre valors més alts del marge brut mínim en comparació amb l'opció de no implementar l'assegurança. L'assegurança per sequera hidrològica contribueix a omplir el buit existent en els plans de segur tradicionals per a cultius sota reg i ofereix cobertura addicional als agricultors en condicions de sequera i escassetat d'aigua. A més, aquest disseny aconsegueix comprendre la complexitat de la interacció dels subsistemes d'aportacions, demandes i regles d'operació del recurs hídric a nivell de conca, sent aquesta la contribució principal d'aquesta investigació. / [EN] Water scarcity is an increasingly recurring problem for irrigated agriculture in the Mediterranean region, with hydrological droughts affecting water availability. Therefore, it is necessary to establish technical and economic-financial alternatives that allow irrigators to face this problem from a broad vision of water management for agricultural use at the basin level. These alternatives should include hydrological planning tools that allow the analysis of the effects of drought and the determination of the measures to be implemented when the available water resources cannot meet the water demand. One of the economic and financial instruments for managing agro-climatic risks that has been successfully implemented and is gaining more strength every day is agricultural insurance, specifically indexed insurance. This research aims to contribute to the mitigation of the effects of water scarcity in irrigation communities located in highly regulated basins, such as the Júcar river exploitation system, through the design of a new insurance scheme indexed by hydrological drought, based on indices fully aligned with drought management procedures at the basin level. The insurance design process consists of three stages. First, the impact of drought is economically evaluated to determine a unit compensation, which is the basis for the insurance design. The second stage is to establish a hydrological drought index that is highly correlated with productive and economic losses in irrigation communities and reduces moral hazard problems, adverse selection, and baseline risks problems inherent in this type of indexed insurance. In this case, three indices of scarcity status (IEECHJ, ISH1, ISH2) were designed and evaluated, the main indicator being the IEECHJ index of the Júcar UTE Territorial Unit, established in the Special Drought Plan of the Júcar River Basin PES (2018). Finally, the third stage aims to establish the main economic parameters of the insurance: the compensation received, the maximum compensable value, and the value of the premium rate to be included in the different types of contracts. The insurance is evaluated by simulating of its operation as if it were in process. Economic-financial indicators are used to compare the benefits to the community of irrigators with and without a contract. The indicators used are standard deviation, mean root-square loss, loss ratio, and base risk, which are based on the gross margin of the crop. The water resources simulation model that considers system management rules was used to analyze water resource management in the basin and to determine scarcity scenarios that could trigger a claim or insurance indemnity payment. By including financial indicators in the insurance assessment, it is determined that the best option in the design is to consider as a trigger the IEECHJ=0.20 without a deductible franchise, since the semi-variance and standard deviation of the gross margin are minimized, and higher values of the minimum gross margin are obtained compared to the option of not implementing insurance. Hydrological drought insurance contributes to fill the gap in traditional insurance schemes for irrigated crops and provides additional coverage to farmers in times of drought and water scarcity. In addition, this design manages to understand the complexity of the interaction of the subsystems of contributions, demands and operating rules of the water resource at the basin level, which is the main contribution of this research. / Valenzuela Mahecha, MA. (2023). Diseño de esquema de seguros agrícolas para mitigación del riesgo de sequías hidrológicas mediante modelos hidroeconómicos a escala de cuenca [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/198184