Ingeniera Civil / Desde la era preindustrial se han observado aumentos en la concentración de gases de efecto invernadero, factor asociado directamente al cambio climático experimentado en las últimas décadas. A consecuencia de lo anterior, el Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP) se ha preocupado de promover el desarrollo de los modelos de circulación general, los cuales entregan las forzantes necesarias para calibrar un modelo hidrológico en el periodo en que existe información observada y proyectar caudales tanto hacia el futuro como el pasado. El objetivo principal de este trabajo es reconstruir el caudal medio anual durante el periodo histórico 1600 2000 en la cuenca del Maule, usando información del experimento 3.6 del CMIP5. Para ello se escogió el modelo de circulación general GISS-E2-R que incluye el experimento antes mencionado y se verificó que éste tuviese la capacidad de replicar la climatología termo-pluviométrica de la zona de estudio durante el periodo de línea base, obteniendo las series de precipitación y temperatura para el intervalo de tiempo 1600 - 2000. Se utilizaron dos modelos WEAP (MPUC y MERIDANUS), calibrados y validados en estudios anteriores a escala mensual en la cuenca del estero Las Garzas, estimándose caudales medios anuales de la temporada 1600 2000 en la subcuenca río Achibueno en La Recova, considerada representativa de la cuenca del Maule. Como resultado de este trabajo se determina la evolución de las forzantes meteorológicas (precipitación y temperatura) a nivel de cuenca en el período 1600 a 2000 y se genera la conexión con los caudales medios anuales obtenidos, determinando que estos se ven principalmente influenciados por las precipitaciones. Se estimó que el caudal máximo anual en río Achibueno en La Recova ocurrió el año 1760 con valores de 104,4 m³/s (MPUC) y 94,2 m³/s (MERIDANUS), siendo el mismo año en que se registra la precipitación máxima anual del periodo estudiado, igual a 4.228,2 mm. Por su parte, el caudal medio anual mínimo según estas simulaciones ocurrió en 1957, cuyas magnitudes son 9,4 m³/s (MPUC) y 8,3 m³/s (MERIDANUS), donde la precipitación para este año se encuentra dentro de las más bajas (280,2 mm). Del análisis cada 100 años se obtuvo que, el siglo XX presenta los valores más bajos de caudal medio anual, reflejado en su media y en los caudales medios anuales asociados a las probabilidades de excedencia de 95, 90 y 85%. El siglo con más periodos secos corresponde al XIX; sin embargo, es el que posee el mayor caudal medio de los 4 siglos analizados. Los caudales medios anuales máximos relacionados al 95 y 90% de probabilidad se habrían producido en el siglo XVII, mientras que el correspondiente al 85% varía de acuerdo al modelo utilizado, el modelo MPUC indica que éste pertenece al siglo XIX y el modelo MERIDANUS que corresponde al XVII. Asimismo se aprecia una concordancia con un estudio basado en anillos de árboles en el 2011, ya que ambas presentan una distribución similar de caudales, donde los valores altos del siglo XX se encuentran por sobre el resto del periodo y en el caso de los caudales más bajos ocurre lo opuesto. Finalmente, de 79 registros históricos asociados a sequías e inundaciones, con el modelo MPUC existen 45 coincidencias, mientras que MERIDANUS entrega mejores resultados al concordar con 53 hechos.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / En el contexto socio económico actual de Chile la mayoría de los sistemas tradicionales de control de crecidas son reactivos y resulta imprescindible, en respuesta a un nivel recurrente sin prevenciones claras, ofrecer soluciones a los problemas asociados a fenómenos de crecidas e inundaciones, cambiando el modelo de acción defensiva por un modelo de acción proactiva. En los últimos años se han realizado estudios de pronóstico de crecidas más adecuados a la realidad dentro del campo de las redes neuronales artificiales, mayormente prealimentadas. Continuando los estudios, en esta memoria se utilizan redes neuronales de tipo recurrente, redes dinámicas que liberan el supuesto de que los parámetros característicos de la cuenca sean estacionarios, capaces de modelar la alta NO linealidad del fenómeno y almacenar la historia relevante de la crecida. Se aplican específicamente para el pronóstico en la parte alta de la cuenca del río Mapocho, perteneciente a la hoya hidrográfica del río Maipo. Las variables relevantes son definidas a partir de registros de caudales, precipitaciones y temperaturas en tiempo horario. Posteriormente, se elige como red neuronal óptima aquella que entrega el menor error en el caudal pronosticado, cuya arquitectura, configuración y tipo de entrenamiento constituye un modelo de pronóstico. Se concluye la eficiencia y menor complejidad de considerar una crecida con amplias componentes de frecuencia como set de datos de entrenamiento, en comparación a un set de crecidas “pegadas”, independiente del tipo de red neuronal utilizada y marcadamente en el caso de una red neuronal recurrente. Los pronósticos de caudal obtenidos mediante redes neuronales recurrentes de Elman son de buena calidad tanto en valor como en el tiempo de ocurrencia. Se obtienen errores menores que para otros modelos de pronóstico como son las redes recurrentes de Hopfield, las redes prealimentadas y los modelos paramétricos. En el caso de crecidas pluviales, en la cuenca del Estero Arrayán en La Montosa se obtienen pronósticos certeros hasta con 12 horas de anticipación y en la cuenca del río Mapocho en Los Almendros se recomienda realizar pronósticos sólo hasta con 6 horas de anticipación. En el caso de crecidas de deshielo, en ambas cuencas es posible obtener pronósticos certeros con más de 24 horas de anticipación.

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Ingeniero Civil / El caudal de dilución corresponde al máximo flujo de un contaminante que puede ser descargado a un cuerpo receptor para no dañar su calidad ambiental. El procedimiento que existe hoy en día para determinar los caudales disponibles para dilución en el cuerpo receptor, en una cuenca sin control fluviométrico, considera como base una curva de duración regional determinada en la década de 1990 y exige la medición de caudales en el mes de mínimos caudales para verificar si el valor estimado es o no apropiado. El presente trabajo de título realizado consiste en la elaboración de una metodología para determinar los caudales disponibles para dilución en cuencas sin control fluviométrico en Chile, específicamente en la región Metropolitana y de Valparaíso, que mejore el método actual definido por la Dirección General de Aguas (DGA) del Ministerio de Obras Públicas en el año 2004. El objetivo general es proponer un procedimiento para definir estos caudales en cuencas sin control fluviométrico, a partir de los antecedentes disponibles en cuencas hidrológicamente similares. Para ello se definieron las cuencas de la zona de estudio, llevadas a régimen natural, para luego considerar dos cuencas de distinto régimen hidrológico sin control fluviométrico y, a partir de las características de éstas, se identificaron las cuencas homogéneas mediante parámetros como la precipitación media anual, pendiente, orientación, área de la cuenca, entre otras. Consecutivamente, utilizando las cuencas hidrológicamente similares y teniendo en consideración los años con datos completos en común, se estimaron los caudales medios anuales de las cuencas objetivo con transposición por área y precipitación, inverso a la distancia y regresión múltiple, cuyos resultados arrojaron estimaciones con menos de 20% de error, con la excepción del método transposición por área de la segunda cuenca más cercana a la cuenca objetivo que no debe ser considerado debido a la lejanía de éstas. Con los caudales obtenidos se adimensionalizaron las curvas de duración construidas con el método del período total de las cuencas homogéneas para luego ponderar las con mayor similitud entre las cuencas homogéneas y de esta manera tener una curva de duración única para las cuencas consideradas sin información fluviométrica multiplicando por los caudales medios anuales obtenidos con todos los métodos. En este punto se compara las curvas de duración estimadas con los métodos de estimación de caudales con las observadas y resultaron pequeñas diferencias entre éstas. A continuación, se calculó el caudal de dilución asociado al 95% de probabilidad de excedencia, donde los métodos de mayor precisión arrojaron un error entre 0 y 5%. Además, a partir de las cuencas homogéneas con mayor similitud a cada cuenca objetivo se definió un intervalo de confianza a partir del año más seco y húmedo de dicha cuenca seleccionada. Por último, a modo de ejemplo, se llevaron los caudales de dilución estimados de una de las cuencas objetivo a régimen intervenido proponiendo una metodología para realizarlo.

Ingeniero Civil / El caudal disponible para dilución es aquel que limita la cantidad de caudal vertido en un cuerpo de agua con la finalidad de no dañar el ecosistema aguas abajo. En el DS 90/2000 del Ministerio Secretaría General de la Presidencia, este caudal se obtiene utilizando el concepto de caudal ecológico; para ello se realiza un balance hídrico a nivel mensual considerando los derechos permanentes aguas arriba y el caudal medio mensual de 85% de probabilidad de excedencia, de tal manera que, si después del balance, se verifica el cumplimiento del caudal ecológico, entonces el caudal disponible para dilución es el caudal ecológico; en caso contrario, el caudal disponible para dilución es el menor valor del balance mensual. Por otra parte, para cuencas que tienen un área nival importante, se utiliza la metodología del 2004 de la Dirección General de Aguas que considera factores que transforman el caudal promedio en 30 días consecutivos asociado a un 50% de probabilidad, Q30d(50%), en el asociado a la probabilidad de excedencia 95%, Q30d(95%) mínimo, el cual es el caudal disponible para dilución. En este trabajo, se proponen dos metodologías, una para cuencas de régimen hidrológico mixto y otra para cuencas de régimen pluvial. En ambos casos, la base fundamental es considerar cuencas hidrológicamente similares y transferir información fluviométrica desde cuencas con información (donadoras) a una cuenca sin información (piloto). El supuesto principal de este trabajo es que cuencas que son similares en cuanto a sus parámetros geomorfológicos y meteorológicos, presentan un comportamiento hidrológico similar. Para el caso de las zonas con cuencas de régimen mixto, la metodología considera la curva de duración en 30 días consecutivos de los años hidrológicos en común de las cuencas donadoras, para así obtener el mínimo valor de Q30d(95%) adimensionalizado por el caudal medio anual promedio, Qmap. A través de metodologías indirectas (transposición de caudales e inverso a la distancia) se estima, con errores inferiores al 25% utilizando el método de validación cruzada, el Qmap de la cuenca piloto y utilizando estos valores, se transfiere la información de las cuencas donadoras a la piloto. En el caso de las cuencas pluviales, se transfieren los caudales medios mensuales asociados a probabilidades de excedencia 85% y 95% en el punto de interés para la obtención del caudal ecológico y del balance hídrico, respectivamente. Los resultados obtenidos en cuencas de régimen mixto indican que la metodología vigente subestima el caudal disponible para dilución, mientras que la metodología propuesta entrega un valor más cercano al real. En cuanto a las cuencas de régimen pluvial, se aprecia que la metodología propuesta representa de mejor manera la variabilidad anual del caudal disponible para dilución y entrega un criterio más objetivo de selección de cuencas donadoras que el método DGA. En los caudales disponibles para dilución otorgados, la estimación se acerca a los valores otorgados (22% en promedio) durante el período de caudales máximos y medios, pero subestima los valores de caudal disponible para dilución en el período de estiaje debido a que siempre se utiliza el valor del promedio de las estimaciones.

La necesidad de tener conocimiento de la respuesta de una cuenca durante el paso de un evento meteorológico de gran magnitud está directamente relacionada con los proyectos de ingeniería hidráulica. La distribución, espacial y temporal, de la precipitación generada sobre la cuenca se refleja en la forma que adopta el hidrograma y la magnitud de los caudales máximos en las secciones de salida de ésta, lo que condiciona los diseños de obras hidráulicas. El objetivo principal de este trabajo es el análisis de hietogramas, los períodos de retorno asociados a la magnitud de precipitación en distintos puntos, y la estimación de caudales de diseño para una cuenca pluvial usando como información básica la distribución espacial y temporal de la precipitación estimada a través de un modelo meteorológico y corregida a base de la información medida en estaciones pluviográficas. Este proceso se realizó mediante la aplicación del software computacional de modelación de cuencas WMS y el modelo de generación de caudales HEC-1. Como información de entrada se utilizaron los resultados del modelo de predicción meteorológica MM5 para el año 2002 y los datos de estaciones meteorológicas consideradas representativas de la zona en estudio. La cuenca seleccionada para realizar el estudio corresponde a la la definida por la estación Angostura en Valdivia de Paine, en la que se dispone de los antecedentes necesarios (distribución de precipitación con el modelo MM5, precipitación observada, caudales registrados y características fisiográficas) aunque no todos ellos con la resolución considerada como la más conveniente para los fines del estudio. Las precipitaciones entregadas por el modelo MM5, corregidas a base de información observada, permitieron establecer un patrón de distribución espacial que puede ser usado con fines de diseño para generar hidrogramas a través de modelos como HEC-1 en la cuenca en estudio. Sin embargo, no fue posible establecer con precisión la confiabilidad de la relación que establece el período de retorno del caudal obtenido, recomendándose que, en el futuro, se aborde el análisis de eventos de precipitación de período de retorno intermedio (5 a 50 años). Los resultados obtenidos para las 8 tormentas disponibles, indicaron que la modelación agregada con distribución temporal de la precipitación variable en cada nodo es más precisa que aquella con duración y distribución temporal única para todos los nodos. Los caudales máximos se obtuvieron en el 87,5% de los casos (7/8), sin embargo los volúmenes generados sólo se alcanzaron en el 62,5% (5/8). Como resultado del estudio se obtuvo una metodología para obtener la distribución espacial de hietogramas de diseño y su relación con el período de retorno del caudal máximo de salida, teniendo en cuenta que éste es solo el punto de partida para análisis más profundos y con nuevas herramientas.

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El agua en la actualidad es un recurso calificable como escaso, lo que motiva el desarrollo de áreas de estudio destinadas a modelar el comportamiento de diferentes cuencas, con el fin de cuantificar la disponibilidad actual y futura de los recursos hídricos. Siguiendo la línea anteriormente expuesta, este trabajo consistió en modelar a escala diaria la cuenca del río Juncal, el cual es uno de los principales afluentes al río Aconcagua. La motivación nace por la importancia que tiene el agua para todas las actividades productivas que se desarrollan en esta cuenca, y además por la naturaleza nival y de alta montaña que tiene la cuenca del río Juncal. El modelo elegido para este trabajo es el modelo Topnet, de base física e hidrológicamente distribuido, el cual usa como elemento básico de modelación un conjunto de subcuencas generadas. La naturaleza distribuida de Topnet permite analizar con más detalle los procesos hidrológicos que se llevan a cabo en la cuenca, pero a su vez requiere gran cantidad de información y una distribución espacial de ésta, lo que no siempre está disponible y que se traduce en efectuar suposiciones para poder llevar adelante el trabajo. La información de entrada necesaria para Topnet se divide en información topográfica, climatológica y forzantes meteorológicas. La recopilación de todos estos antecedentes lleva a la creación de archivos en formato NetCDF, que contienen toda la información de forzantes externas y guardan una red fluvial digital que resume la interacción entre las subcuencas del modelo. Se utilizaron archivos DEM de 30m x 30m de resolución como información topográfica, base de datos de CIREN y de CONAF para el tipo cobertura de suelos, y la información correspondiente a las estaciones meteorológicas más cercanas a la cuenca para las forzantes externas. Con la red fluvial creada y el procesamiento de la información disponible, se procedió al proceso de calibración y validación del modelo. Topnet funciona a base de multiplicadores que afectan por igual a los parámetros establecidos en cada subcuenca, por lo que se mantiene la distribución espacial en caso de existir. La calibración es precedida por un análisis de sensibilidad de los parámetros que determina la influencia de cada uno. El proceso en sí es complementado con el uso de imágenes MODIS para ajustar de manera correcta el manto nival. El proceso de calibración ocupó funciones objetivo estadísticas como el coeficiente de Nash-Suttcliffe (NS) y el error cuadrático medio (ECM) para ajustar la serie de caudales modelados a la salida de la cuenca. Paralelamente se analizó el comportamiento del manto nival y se estudió la evolución de la humedad del suelo. Luego de la calibración, se ejecuta la etapa de validación del modelo usando los ajustes paramétricos obtenidos en la etapa previa. Finalmente se analizan diversos escenarios que consideran el fenómeno del cambio climático con variaciones de precipitación y temperatura. Los resultados de la calibración son satisfactorios, alcanzado valores de NS de 0.7 y ECM de 8.88 [m3/s]2, logrando finalmente conjugar valores aceptables de las funciones objetivo junto con un adecuado comportamiento del manto nival. No se logró lo mismo con la validación, donde diversos factores inciden en la obtención de estadísticos más pobres. Las conclusiones finales apuntan a que Topnet es un modelo potencialmente capaz de simular adecuadamente los procesos de acumulación y derretimiento de nieve. Sin embargo hay aspectos que deben ser analizadas en orden para mejorar los resultados. Esto incluye una mejor estimación o toma de datos de forzantes meteorológicas, cuya leve variación incide de gran forma en los resultados, hasta la inclusión de nuevos módulos de cálculo que incluyan procesos que actualmente no están considerados, como por ejemplo la dinámica de los glaciares que se encuentran en la cuenca.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniería Civil / La demanda por recursos hídricos en Chile es cada vez mayor, debido al incremento de la actividad industrial, minera, agrícola y al aumento demográfico de la población. Paralelamente los estudios sobre el cambio climático pronostican una reducción de los caudales en los ríos, por lo que el tema hídrico es una prioridad dentro de las discusiones que se deberán afrontar en el futuro. El estudio que se presenta a continuación aborda el tema de la disponibilidad de recursos hídricos en la alta cordillera de los Andes, sector en que se tiene escasa información. Mediante el uso de trazadores, tales como iones e isótopos, se busca conocer mejor el ciclo hidrológico que se presenta en la cordillera y cuál es la contribución de los distintos reservorios que almacenan el agua desde el invierno hasta el verano, muchas veces de forma interanual. En particular, la importancia de los glaciares, cobertura nival, lluvia y del agua subterránea sobre el caudal de los ríos ha sido estudiada en diversas investigaciones las que han mostrado distintos resultados. El mayor conocimiento sobre el comportamiento de los reservorios de agua permite llevar a cabo mejores políticas de regulación de los recursos hídricos, así como identificar variaciones en las reservas de agua debida a la variabilidad climática, cuyos efectos adversos para la población pueden menguarse mediante obras civiles que ayuden al control del agua. Se realizaron mediciones en dos cuencas de la zona alta del río Aconcagua cuyos nombres son Ojos de Agua (lat. -32,86º, long. -70,17º) y Juncal (lat. -32,86º, long. -70,14º). Con el objetivo de estudiar el comportamiento de las reservas en dos cuencas de alta montaña en los Andes de Chile Central se plantean tres metodologías para poder procesar los datos, el primero construido en base a un análisis de componente principales utilizando el muestreo isotópico efectuado en la zona de estudio, el segundo basado en un modelo de mezcla simple (EMMA) y el último sustentado en un modelo bayesiano que no considera información precedente en el área de investigación. Por otra parte, se aplica análisis de componentes principales a todos los datos, para permitir una manera sencilla de visualizarlos y conseguir una mejor interpretación de la información. Los resultados muestran que en una cuenca dominada por glaciares como Juncal al menos el 30% del caudal de la Estación fluviométrica Juncal en Juncal proviene de glaciares de forma directa, un 20% de la nieve y el restante 50% proviene del suelo, que es una combinación de las dos primeras. Mayores estudios son necesarios para definir la proporción real de cada fuente. Por otra parte, se muestra que en un año seco, como el 2011, una gran cantidad del caudal provino de glaciares, probablemente esto refleja una reducción de su extensión. Por su parte, los resultados en Ojos de Agua muestran una alta influencia de la nieve en el caudal y una mínima influencia de glaciares. Su química difiere en gran manera a Juncal debido a la geología. La información meteorológica se compara y se aprecia la importancia de la radiación incidente y el aumento de temperatura sobre la fracción de caudal de glaciar, expresado sobre la estación fluviométrica Juncal en Juncal, así como de la nieve presente en una cuenca de características netamente nival. Por último, la variación entre años húmedos y secos da origen a distintas señales químicas que reflejan un comportamiento distinto dentro de la cuenca, que es importante en la acumulación de recursos en la cordillera.

Ingeniera Civil / El concepto de caudal ecológico se desarrolló como una herramienta de conservación para los ríos, mediante la determinación del caudal mínimo requerido para mantener condiciones de hábitat aceptables. Por lo general, las metodologías propuestas para ríos no consideran la parte estuarina de la desembocadura del río al mar, en donde no sólo se deben considerar las restricciones asociadas a la altura y velocidad de escurrimiento, sino que además, se deben considerar las restricciones en la intrusión salina. En este trabajo se presenta una alternativa metodológica para calcular el caudal ecológico en estuarios, la cual se basa en dos aspectos hidrodinámicos de los ríos en la desembocadura al mar: i) la altura de escurrimiento queda determinada por el nivel del mar; y ii) reducciones del caudal del río producen una mayor intrusión de agua marina con el consiguiente aumento de la salinidad del agua. El objetivo general de este trabajo fue el de plantear una metodología para el cálculo del caudal ecológico en estuarios. Para esto, primero se revisó la literatura técnica y científica relacionada con los conceptos de hidrodinámica de estuarios y caudal ecológico. En base a esta revisión de antecedentes se identificaron 5 pasos o etapas clave que se deben abordar a la hora de definir una metodología para el cálculo del caudal ecológico de estuarios. El primer paso es identificar el límite del estuario, para lo cual se aplica un criterio basado en la influencia de la marea. Luego, en el segundo paso, se caracteriza el ecosistema estuarino, identificando los elementos biológicos sensibles, los cuales se sintetizan en un mapa de sensibilidad ambiental. Una vez identificada la sensibilidad ambiental del estuario, entonces se pasa a la siguiente etapa, relacionada con la caracterización hidrodinámica del estuario, identificando el alcance y el tiempo de permanencia normal de la cuña salina. Para este análisis se propone modelar numéricamente la hidrodinámica y salinidad del agua del estuario con el software HEC-RAS. Conociendo el comportamiento normal de la cuña salina, se pasa a la siguiente etapa 4, en donde se determinan las restricciones que permiten conservar los componentes biológicos sensibles, considerando para esto sus umbrales de resistencia a la salinidad. Finalmente, en el paso 5 se determina el caudal mínimo que cumple con las restricciones de concentración de sal y tiempo de permanencia de la cuña salina, a través de una modelación con HEC-RAS. La metodología propuesta se ejemplifica mediante una aplicación en el estuario del río Aysén, en donde a partir de información secundaria y siguiendo cada uno de los pasos detallados anteriormente, se determinó de forma preliminar el caudal de agua dulce que debe llegar al estuario para mantener las concentraciones de sal bajo los umbrales de los elementos biológicos identificados como sensibles.