Ingeniera Civil / Actualmente se vive una situación de estrechez hídrica prolongada en la mayor parte del territorio nacional, donde se observa que desde la VI región hacia el norte, la demanda de agua dulce supera la oferta. Una de las principales fuentes de agua dulce la constituyen aquellas provenientes del derretimiento de nieves, por lo cual el modelar su derretimiento a escalas temporales finas, es decir, escalas temporales menores a la mensual, con el objeto de gestionar y utilizar el recurso hídrico de forma óptima, resulta de gran importancia. La presente memoria consiste en la elaboración de distintas redes neuronales artificiales con el objetivo de pronosticar caudales de deshielo a tres escalas temporales, las cuales son la escala diaria, semanal y quincenal, para la cuenca Mapocho en los Almendros. Adicionalmente, se evalúan y analizan los efectos de incluir datos hidrometeorológicos provenientes de la estación en Valle Nevado, tales como humedad del aire, temperatura y precipitación, en las redes neuronales. La metodología consta de cinco partes, en primera instancia se estudian las redes neuronales artificiales (RNA) mediante revisión bibliográfica, luego se realiza un análisis teórico del fenómeno en estudio con el objetivo de definir las variables significativas y poder formular las RNA para el pronóstico de caudales de deshielo a los distintos niveles temporales y seleccionar la RNA óptima para cada nivel. Finalmente se realiza la inclusión de los datos hidrometeorológicos de la estación Valle Nevado en los modelos RNA, concluyendo con un análisis de resultados, en el cual se simulan las RNA óptimas para la temporada de deshielo 2013 2014. Los resultados indican que se obtuvieron RNA con coeficientes de correlación de Pearson R2 mayores a 0.99 en el caso de las escalas temporales diaria y quincenal y mayores a 0.98 en el caso de la escala temporal semanal. Al simular las RNA óptimas para la temporada de deshielo 2013-2014, se obtuvieron caudales con errores absolutos promedio de 0.18 m3/s (5.6 %) para la escala temporal diaria, 0.39 m3/s (11.6%) para la escala temporal semanal y 0.38 m3/s (11.5%) para la escala temporal quincenal. Respecto a los parámetros de entrada, se concluye que aquellos más significativos, son los relacionados al caudal y la temperatura máxima, lo cual se observa tanto para las RNAs entrenadas con datos de la estación Mapocho en Los Almendros como de la estación Valle Nevado. Por último, debido a la escasa disponibilidad de datos y a la baja calidad de los mismos, los resultados obtenidos a partir de las RNAs entrenadas con datos de la estación Valle Nevado, no permiten decir con certeza si la inclusión de datos provenientes de una estación ubicada a 3.000 m.s.n.m. implican una mejora en los pronósticos de caudales de deshielo.

Ingeniero Civil / En la zona central de Chile, se ubica la mayor cantidad de la población del país, así como el desarrollo de las principales actividades económicas y productivas. Considerando que los ríos de las cuencas ubicadas en esta zona poseen un régimen marcadamente nivo-pluvial, reviste gran importancia cuantificar la nieve disponible previa al deshielo, para así conocer los volúmenes disponibles en dicha temporada. El objetivo de este estudio, es analizar de manera integral los datos históricamente medidos en rutas de nieve de la zona central del país, con énfasis en la identificación de tendencias y la relación con caudales de deshielo. Además, se evalúan los pronósticos de caudales que año a año realiza la DGA. Para evaluar los caudales pronosticados, se utilizó el indicador PBIAS (porcentaje de sesgo), considerando tanto las predicciones de la DGA como los datos medidos por las estaciones fluviométricas entre los años 1974 y 2011. En relación a la nieve, se cuentan con información de terreno de las rutas de nieve y snow pillows, así como con información satelital que entrega la posición de la línea de nieve. El estudio del pronóstico de caudales, da como resultado que en general las estaciones al norte de la latitud 30°S no han mostrado un buen desempeño en la predicción del caudal que registrarán, ocurriendo lo contrario en las ubicadas más al sur. Por lo general, estas últimas logran un desempeño histórico mejor al 20%. En relación a las rutas de nieve, se obtiene que sus registros coinciden de muy buena forma con los medidos mediante snow pillow. Así mismo para algunas rutas, los máximos anuales presentan una alta correlación con los volúmenes de deshielo en estaciones fluviométricas cercanas. Calcular el coeficiente de grado día resultó particularmente complicado, ya que el registro de los snow pillow presenta grandes vacíos, así como también lo hacen las temperaturas. Por las razones anteriores sólo se calculó en la estación Portillo, obteniéndose valores que oscilan entre los 3 y 8 [mm d¬^(-1)°C^(-1)], coincidiendo con información mostrada en la bibliografía relacionada. Finalmente, la línea de nieve ha mostrado una tendencia general a ubicarse año a año en cotas menores. El mínimo que alcanza se ve altamente afectado tanto por la precipitación como por la temperatura durante los meses de invierno (JJA). Como trabajo futuro, se sugiere aprovechar de mejor forma los snow pillows disponibles, así como aumentar la red de monitoreo nival, lo que conllevará a que los caudales pronosticados puedan ser de calidad superior a la actual.

Ingeniero Civil / Diversos estudios que hacen referencia al conocido efecto de cambio climático, indican que el aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero producto de actividades humanas, implicará aumentos en las temperaturas y disminuciones de las precipitaciones, impactando negativamente la disponibilidad del preciado recurso hídrico. El presente trabajo de título consiste en desarrollar un análisis de tendencias de mediano plazo de las precipitaciones, caudales de escorrentía y volúmenes de escorrentía de deshielo de la zona central de Chile, comprendida entre los Valles del Huasco y del Biobío, que permita estimar la oferta del recurso hídrico y sirva como antecedente para la toma de decisiones de mediano plazo en proyectos de ingeniería civil (20 a 30 años). Este análisis busca determinar la existencia (o no) de tendencias persistentes o ciclos en las series históricas de las variables de estudio, en aquellas cuencas nivo-pluviales que presenten control fluviométrico por parte de la Dirección General de Aguas. Se han excluido las cuencas costeras, ya que éstas poseen pocas estaciones de medición y no presentan suficientes registros. Los estadísticos utilizados en el análisis corresponden a curvas dobles acumuladas y medias móviles de períodos de 7 años. Los resultados de los análisis de tendencias realizados, evidenciaron, para la zona comprendida entre los valles del Huasco y del Choapa, una disminución en la magnitud de las precipitaciones totales anuales, la cual varía entre un 11% para el valle del Limarí y hasta un 55% en el Valle del Huasco. Además, los caudales medios han disminuido entre un 30% y un 40% para todo el sector, junto a una manifestación más temprana del período de deshielo. Por su parte, los valles del Aconcagua, Maipo y Rapel han sufrido una disminución de precipitaciones que bordea el 25%, mientras que los caudales han disminuido entre un 5% y un 20%. No se observan tendencias persistentes a un adelantamiento de los caudales en el período de deshielo. Finalmente, los valles del Maule y Biobío no presentan variaciones significativas en cuanto a los regímenes de precipitaciones y de escorrentía, y no se observan tendencias de adelantamiento de caudales en el período de deshielo.

En Chile la mayoría de las centrales hidroeléctricas en operación, que abastecen al Sistema Interconectado Central (SIC), se ubican al norte de la cuenca del Bío Bío, alimentadas por ríos de régimen predominantemente nival. Inclusive las centrales que se ubican en la desembocadura de los ríos en el Océano Pacífico, los que presentan un régimen pluvial, dependen igualmente del escurrimiento proveniente del deshielo. Es incuestionable que en la medida que se tenga un conocimiento más completo de la magnitud de los recursos hídricos se podrá tener mayor control sobre ellos. Es en este contexto que en Chile se realizan desde mediados de los años 50 pronósticos del escurrimiento de deshielo, los que permiten elaborar programas de generación y de planificación de las actividades desarrolladas. El presente Trabajo de Título tiene como principal objetivo la elaboración de modelos de pronóstico de caudales medios mensuales de deshielo para las cuencas de los ríos Baker y Pascua, pertenecientes a la XI región de Aysén del General Carlos Ibáñez del Campo. La memoria se realiza para la Empresa de Ingeniería Ingendesa, apoyando los estudios del Proyecto Hidroeléctrico Aysén (PHA), responsabilidad del conglomerado HidroAysén formado por Endesa S.A. y Colbún S.A., que considera la construcción de cinco centrales de embalse, dos en el río Baker y tres en el Pascua. Los objetivos planteados se enfrentaron a través de modelos de pronóstico en que se incluyeron las variables relevantes del fenómeno en estudio relacionadas mediante la aplicación de métodos estadísticos. Para esto se utilizó tres tipos de modelos; basados en el planteamiento de regresiones múltiples; fundados en el análisis de las componentes principales y los modelos de redes neuronales. Los modelos de regresiones múltiples y los de componentes principales son de tipo lineal, es decir, relacionan la variable dependiente, en este caso el volumen de deshielo, con las variables independientes a través de una función lineal. Por otra parte los modelos de redes neuronales relacionan la variable dependiente con las variables independientes a través de una red formada de neuronas que se conectan y transmiten información utilizando una función que puede ser del tipo no lineal. En el presente trabajo de título se utiliza la función sigmoide por ser representativa de la generación de escorrentía. La región de Aysén presenta un patrón de precipitaciones distribuidas en mayor medida en el invierno, pero con un porcentaje no menor en el período estival, lo que se afrontó a través del desarrollo de dos tipos de modelos; primero incluyendo solo variables conocidas al día de realización del pronóstico; y los segundos incorporando las precipitaciones de deshielo. Solo los primeros modelos serán útiles para el pronóstico, los del segundo tipo son únicamente de uso referencial. Otra de las finalidades del presente trabajo consiste en concluir en base a los resultados de los modelos de pronóstico para cada punto de control acerca de la necesidad de complementar la red hidrometeorológica actual en caso que sea necesario. Para ello se presenta una recomendación de los tipos de datos que se requieren y la ubicación tentativa de las estaciones en que se medirían. Finalmente se concluye que los modelos que mejor representan el fenómeno en estudio son los basados en las redes neuronales, con los cuales se obtuvo un coeficiente de correlación del orden de 0.9 para todos los puntos de pronóstico y se minimizaron los errores en comparación a los modelos lineales, por lo que se recomienda dicha metodología para el pronóstico en la zona. Por lo demás se sugiere mejorar y complementar los modelos con la inclusión de otras variables o de datos de otras estaciones de la zona.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / La variabilidad hidrológica es un factor importante en varios ámbitos del desarrollo de países, la falta de manejo y planificación futura de este recurso puede tener repercusiones graves como escasez, déficit de energía, etc. Dicho esto, es importante conocer el comportamiento de la disponibilidad del recurso hídrico en el período de deshielo con el fin de evitar impactos negativos en su gestión, más aún si se sabe que este ya no es totalmente estacionario debido al cambio climático. En este contexto, surge la idea de analizar si un modelo estocástico de pronóstico de variables hidrológicas calibrado a base de ejemplos pasados es posible de ser usada en el futuro. Utilizando Redes Neuronales Artificiales (desde ahora RNA) se realiza un pronóstico de caudales para la temporada de deshielo que se calibra en base a información histórica para validar su uso en el periodo 2020-2050 en la cuenca definida por la estación fluviométrica Maipo en el Manzano. Se trabaja a escala semanal, mensual y semestral para obtener los caudales medios y volumen total del período de deshielo (octubre a marzo). Para la calibración y validación de la RNA se utiliza información hidrometeorológica generada en el proyecto Actualización del Balance Hídrico Nacional que desde el año 2017 se lleva a cabo en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. En particular, se utilizaron las forzantes climáticas de los modelos climáticos MIROC-ESM, CSSM4, CSIRO e IPSL y los resultados de caudales obtenidos para el período futuro que se simulan en dicho estudio usando el modelo hidrológico VIC. La calibración de las RNA resultó en valores de NSE y KGE mayores a 0,9 y NMSE menores a 0,1, además se eligieron las estructuras más parsimoniosas según el criterio de AKAIKE para cada paso temporal donde las variables más relevantes fueron el caudal (Q) y equivalente de agua en nieve (SWE). El pronóstico mostró un 90% de las temporadas con error bajo el 20% (DGA, 2018) si el tiempo de adelanto es una temporada completa (modelo 1) y 100% de las temporadas con error bajo el 20% si el tiempo de adelanto es menor (modelo 2), lo que es considerado aceptable por la DGA. Además, se encuentra una disminución importante de la incertidumbre al analizar los resultados del modelo 2. Lo anterior indica que si es factible el uso de RNA calibradas en el periodo histórico para futuros no estacionarios en la cuenca de estudio.

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La escorrentía generada por el derretimiento de nieves constituye una de las principales fuentes de agua para sus diferentes usos. Es por eso que en Chile, la hidrología de nieves constituye un área de investigación que se encuentra en constante crecimiento. El principal objetivo de esta investigación es reconstruir el equivalente en agua en la cuenca alta del río Aconcagua para dos ciclos de deshielo (septiembre 2007-febrero 2008 y septiembre 2008-febrero 2009). Para ello, se implementó un modelo distribuido de base física en la cuenca de estudio. Dicho modelo, con el apoyo de la información adicional del tipo meteorológica, permitió reconstruir el equivalente en agua a escala temporal diaria y a una resolución espacial de 500 m. Como objetivos secundarios, se aplicó el modelo en una cuenca vecina para así establecer comparaciones en las variables predominantes del modelo, además de determinar la respuesta de escorrentía de deshielo asociada a la reconstrucción del equivalente en agua. Los resultados indican que la metodología utilizada es apropiada para la reconstrucción espacial y temporal del equivalente en agua. Por otra parte, se obtuvo una adecuada modelación en una cuenca vecina; determinándose de que existe una importante influencia de la orientación de la cuenca (norte-sur o este-oeste) en el balance radiativo del manto nival. De los resultados obtenidos, se lograron establecer 3 principales conclusiones: (i) se estimó que el 32% del volumen de agua potencialmente disponible para el derretimiento no se refleja necesariamente como escorrentía superficial de deshielo; (ii) la pérdida de información debido a la cobertura nubosa sobre la cuenca puede alcanzar el 12%, por lo que se debe idear una metodología adecuada que sea capaz de reemplazar tal información; y (iii) el balance radiativo es una de las variables más importantes en la modelación por lo que debe existir una estimación adecuada para la modelación. Finalmente, la dinámica de la serie de procesos que ocurren continuamente sobre el manto nival generalmente se caracteriza por ser de difícil parametrización por lo que la modelación obtenida se considera una adecuada aproximación, y se cuentan con grandes expectativas para cuando efectivamente sea validado.

Ingeniero Civil / La mayor parte de los cursos superficiales de agua disponibles en los valles de Chile Central se originan a partir de los procesos físicos que tienen lugar en la cordillera. La acumulación en nieve promueve el almacenamiento en la cuenca, permitiendo así contar con un suministro de agua persistente y estable en el tiempo de deshielo, atenuando el volumen de las crecidas pluviales. En este trabajo se estudian las condiciones del manto y de precipitación que tienen lugar en la cuenca Mapocho en Los Almendros. Mediante las observaciones de la estación meteorológica UChile - Valle Nevado, se analiza la acumulación y la evolución de la nieve depositada, gracias a la instalación de equipamiento que permite medir la nieve equivalente en agua (en inglés SWE) y la densidad de la nieve en forma instantánea y automatizada. Luego de ello se emplea la plataforma Cold Regions Hydrological Model (CRHM), para realizar un balance de transferencia de masa-energía, con el objetivo de evaluar el comportamiento del SWE y contrastar sus resultados con las mediciones de la estación. Posteriormente, ello da pie a extender el modelo de nieve a toda la cuenca, para finalmente desarrollar un modelo hidrológico que simule la respuesta en escorrentía superficial de la cuenca. Las observaciones recopiladas permiten contar con información detallada del manto, permitiendo da sí escribir procesos a pequeña escala. Por último, se logra elaborar un modelo de derretimiento de nieve, en base un balance de energía-masa donde se cuantifican flujos de entrada y salida, obteniendo una correlación satisfactoria con los datos observados.

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