Una de las primeras y principales actividades de la ingeniería civil es la construcción de presas. Todas las grandes civilizaciones se han caracterizado por la construcción de embalses de almacenamiento para suplir las necesidades, desde un principio originadas pro la actividad agrícola organizada. El diseño de presas es un arte que exige un conocimiento de todas las disciplinas que tienen relación con el diseño de este tipo de estructuras: geología y Geotecnia, Hidráulica, Estructuras, Sismología, Planeamiento, Impacto Ambiental, Costos, etc. Una de las más importantes explotaciones aurimineras del departamento de Cajamarca es la considerada en los yacimientos auríferos Pampa Verde, San Pedro Sur y San Pedro Norte, ubicados en la localidad denominada La Zanja o La Redonda, zona donde se ubica el embalse presentado en esta tesis.

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Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniera Civil / La eutroficación y florecimiento de algas es un problema común en lagos y embalses que reciben elevadas cargas de nutrientes en sus afluentes. Como consecuencia, se pueden generar incompatibilidades con algunos de los propósitos de los embalses, tales como consumo humano, riego o generación hidroeléctrica; así como también con las actividades recreacionales o deportivas que se desarrollan en torno a estos cuerpos de agua. El embalse Rapel, ubicado en la zona costera de la Región de O'Higgins, es un ejemplo de esta situación. Si bien se han realizado estudios relativos al diagnóstico de la calidad del agua, no se ha investigado completamente cómo se ve afectada la calidad del agua del embalse como consecuencia del esquema de operación que mantiene la central. Esto motiva la realización de esta tesis, cuyo objetivo principal es estudiar esta relación mediante el análisis de escenarios de simulación. Para ello, se utiliza el modelo ELCOM-CAEDYM, capaz de representar la hidrodinámica y calidad del agua del embalse.Por otro lado, se utiliza el modelo MIPUC que permite reproducir la labor del operador del sistema eléctrico de Chile central de coordinar el funcionamiento de corto plazo de las plantas eléctricas pertenecientes al sistema. Un total de veinte escenarios de simulación son definidos de acuerdo a dos criterios: condición hidrológica para el caudal afluente al embalse (año seco, normal o húmedo) y restricción de caudal mínimo en la operación de la central hidroeléctrica. Los resultados de las simulaciones son comparados por el grado de alteración hidrológica que imponen en el caudal aguas abajo del embalse, la energía generada por la central Rapel, variaciones en el nivel del agua del embalse y la concentración de clorofila-a en un eje central que recorre el embalse, desde la llegada del río Cachapoal hasta la presa. Los resultados de las simulaciones mostraron que la inclusión de un caudal mínimo ecológico en la operación de la central reduce la alteración hidrológica en el río aguas abajo de la presa. Por otro lado, las condiciones hidrológicas asociadas a un menor caudal entrante al embalse, resultaron ser las más sensibles al efecto del caudal ecológico, tanto en la variación del nivel como en la concentración de cianobacterias. En particular, se observó que el caudal mínimo más restrictivo resultaba en una mejora de la calidad del agua de las cubetas Cachapoal y Muro. Este resultado es consecuencia de un bajo nivel del embalse y de la concentración de sólidos suspendidos del afluente que generan una mayor turbidez a la entrada del embalse. Esto a su vez, limita el crecimiento del fitoplancton se tiene por tanto una disminución de la concentración de clorofila-a. Estos resultados muestran que cambios del esquema de operación de la central pueden afectar la calidad del agua del embalse de manera significativa, y plantea la inclusión de esta opción como una alternativa en el estudio de embalses existentes o en los estudios previos de proyectos de recursos hídricos futuros.

Ingeniero Civil / El embalse Rapel, construido en el año 1968, presenta un reto primordial en la Región del Libertador General Bernardo O Higgins. En efecto, participa considerablemente en la producción de energía eléctrica de la región, con el funcionamiento de la central hidroeléctrica asociada al embalse. Además, varias actividades aprovecharon del embalse para desarrollarse, como por ejemplo el turismo y actividades recreativas acuáticas. Hoy día, la operación de la central esta definida por el Centro de Despacho Económico de Carga (CDEC-SIC) que privilegia un funcionamiento concentrado en las horas punta de consumo energético del día. Este funcionamiento llamado hydropeaking u operación de punta se caracteriza por la alta fluctuación de los caudales efluentes de la central, lo cual puede tener efectos negativos sobre las condiciones ambientales aguas abajo de la presa. Una de las amenazas más serias para el embalse Rapel es el fenómeno de eutrofización que consiste en la proliferación de fitoplancton y especialmente de cianobacterias a la superficie del agua, provocando efectos potencialmente desastrosos para el ecosistema del embalse y varias incomodidades para la población. La finalidad de este trabajo es analizar los efectos a largo plazo de la operación de la central sobre la calidad del agua del embalse considerando dos tipos de funcionamiento de la central (en hydropeaking y considerando la implementación de restricciones ambientales) y tres escenarios hidrológicos diferentes (seco, normal y húmedo). En particular, se estudian las consecuencias de las condiciones hidrológicas y del funcionamiento de la central en los episodios de eutrofización y de anoxia del embalse. Se obtiene que en condiciones hidrológicas normales y húmedas, las restricciones ambientales permiten disminuir la frecuencia y la amplitud de los episodios de eutrofización y de anoxia especialmente la anoxia en condiciones hidrológicas normales.

Este estudio comprende investigaciones ecológicas y taxonó-micas del fitoplancton del embalse Paso de las Piedras (38-39 S y 61-62 O) única fuente de provisión de agua para las ciudades de Bahía Blanca y Punta Alta, durante el período enero de 2004junio de 2005 y tuvo como objetivo general valorar las características limnológicas y las condiciones bioe-cológicas del fitoplancton del embalse Paso de las Piedras, evaluar el estado trófico actual e identificar a las poblaciones de algas causantes de proliferaciones masivas. El trabajo se fundamenta en la vital importancia de este recurso de agua y trata de aportar elementos de juicio fundados para la imple-mentación de estrategias de manejo, tanto del lago como de su cuenca de drenaje, tendientes a mejorar la calidad del mis-mo y/o prevenir situaciones que en un futuro podrían dificultar la utilización de dicho recurso para consumo humano. Se reali-zaron muestreos con una frecuencia semanal y/o quincenal, intensificados a dos veces por semana entre enero y abril de 2004. Las variaciones en la estructura de la comunidad fueron analizadas sobre la base de datos de densidad, biovolumen, riqueza específica, diversidad, dominancia, equitatividad, es-tructura de tamaños y estructura funcional, en relación con las principales variables climáticas y fisicoquímicas. El estado trófico del embalse se determinó mediante el empleo de los esquemas de clasificación de la Organización para la Coopera-ción y el Desarrollo Económico, el índice de Carlson y los coefi-cientes de Nygaard. Se observaron diferencias espaciales en algunos parámetros fisicoquímicos que influyeron sobre ciertos atributos biológicos y que estarían relacionados con diferen-cias en la calidad de agua aportada por los dos afluentes prin-cipales al embalse: Río Sauce Grande y arroyo El Divisorio. Las variaciones estacionales en los parámetros fisicoquímicos y biológicos por su parte estuvieron relacionadas con cambios en las condiciones ambientales e hidrológicas. Si se conside-ran los datos de fósforo total el reservorio puede ser conside-rado dentro de la categoría hipertrófico, mientras que si se tie-nen en cuenta las restantes variables así como la composición del fitoplancton el embalse puede ser clasificado dentro de la categoría de eutrófico. Se registraron un total de 162 taxones pertenecientes a 9 grupos taxonómicos; las clases Chlorophy-ceae (43%), Cyanoprocariota (22%) y Bacillariophyceae(21%) presentaron el mayor número de especies. Microcystis natans, Synechocystis aquatilis y Microcystis flos-aquae dominaron en términos de densidad; Staurastrum gracile, Aulacoseira granu-lata y Cryptomonas ovata en términos de biovolumen y Cyclo-tella meneghiniana, Microcystis aeruginosa, Anabaena circina-lis y Stephanodiscus sp. dominaron tanto en términos de den-sidad como de biovolumen. La estructura de la comunidad fito-planctónica estuvo altamente correlacionada con las variables ambientales; durante el año 2004 se identificaron seis estados sucesionales que coincidieron con el modelo del Plankton Eco-logy Group. Se registraron 19 grupos funcionales y el análisis temporal de la clasificación funcional resultó ser una herra-mienta útil para reconstruir la estructura del fitoplancton. La temperatura del agua y la concentración de fósforo, junto con el nivel del lago y el pH explicaron una proporción altamente significativa de la variación en los grupos funcionales tanto en términos de densidad como en términos de biovolumen. Du-rante el período de estudio ocurrieron dos proliferaciones su-perficiales de cianobacterias, los organismos que dominaron correspondieron a los órdenes Chroococcales (Microcystis spp.) y Nostocales (Anabaena circinalis). Cuando se estudió la sucesión del fitoplancton y la diversidad de la comunidad en términos de densidad se observaron diferencias importantes con respecto a cuando se lo hizo en términos de biovolumen. Diferentes especies de algas fitoplanctónicas se observaron parasitadas por hongos, siendo las más frecuentes la infec-ción de Closterium aciculare por Rhizophydium couchii y la de Oocystella parva y Oocystella lacustris por un organismo con características morfológicas similares a Chytridium deltanum. / This study includes taxonomic and ecological investigations of the phytoplankton from Paso de las Piedras Reservoir (38-39 S y 61-62 O), the unique source of drinking water for the cities of Bahía Blanca and Punta Alta, from January 2004 to June 2005. The general aims were to analyze the limnological characteristics and the bioecological conditions of the phyto-plankton of Paso de las Piedras Reservoir, to evaluate the pre-sent trophic status and to identify algal populations that may cause water blooms. The study is based on the vital importan-ce of this water resource and it is an attempt to give judgment elements for the implementation of management strategies, both in the lake as in the catchment area, to improve the water quality and/or to prevent consequences that in the future could make difficult the use of this resource for human consumption. Samplings were made weekly and/or bi-weekly, and the frequency was increased to two times per week from January to April 2004. Community variations were analyzed in relation to density, biovolume, specific richness, diversity, equitability, dominance, size structure and func-tional grouping, in relation to the main physical, chemical and climatic variables. The trophic status was determined applying the classification system from the Organisation for Economic Co-operation and Development, the Carlsons index and the Nygaards coefficients. Spatial differences in some physicoche-mical parameters were observed and they had influences on some biological attributes. Such differences would be related to differences in the quality of the water provided by the two main tributaries to the reservoir: Sauce Grande River and El Divisorio Stream. On the other hand, physicochemical sea-sonal variations of biological parameters were related to chan-ges in climatic and hydrological conditions. Taking into consi-deration the total phosphorus data the reservoir is classified within the hypertrophic category, whereas considering the remaining variables as well as the phytoplankton composition, the reservoir would be classified within the eutrophic catego-ry. A total of 162 taxa were registered belonging to 9 taxono-mic groups. Chlorophyceae (43%), Cyanoprocariota (22%) and Bacillariophyceae (21%) were the classes that presented the highest number of species. Microcystis natans, Synecho-cystis aquatilis and Microcystis flos-aquae were dominant species in terms of density; Staurastrum gracile, Aulacoseira granulata and Cryptomonas ovata were dominant species in terms of biovolume and Cyclotella meneghiniana, Microcystis aeruginosa, Anabaena circinalis and Stephanodiscus sp. were dominant both in terms of density as biovolume. The commu-nity structure had high correlation with environmental varia-bles. During 2004 there were identified six succesional stages that agreed with the Plankton Ecology Group model. A total of 19 functional groups were registered. The temporal analysis of the functional classification was a useful tool to the recons-truction of the phytoplankton structure. Water temperature and phosphorus concentration, along with the level of the lake and the pH, explained a highly significant proportion of the variation in functional groups, both in terms of density as in terms of biovolume. During the period of study, two cyano-bacterial proliferations happened; the dominant species belon-ged to the orders Chroococcales (Microcystis spp.) and Nosto-cales (Anabaena circinalis). When phytoplankton succession and diversity were studied in terms of density , differences with respect to the same studies in terms of biovolume were observed. Some phytoplankton microalgae were observed to be parasitized by fungi, being the most ubiquitous Rhizophy-dium couchii on Closterium aciculare and Chytridium deltanum on Oocystella parva and Oocystella lacustris.

Ingeniero Civil / El embalse Rapel fue construido en 1968 con el propósito de generación eléctrica, en la Región del Libertador General Bernardo O Higgins. Originalmente poseía una profundidad máxima de 85 m, pero actualmente la depositación de sedimentos ha elevado el fondo hasta los 55 m de profundidad. El embalse se forma por la unión de los ríos Cachapoal y Tinguiririca, que aportan el 86% de los caudales afluentes, con el estero Alhue. El embalse inunda una superficie máxima de 95 km2 y tiene una morfología dendrítica similar a una Y . La operación de la central hidroeléctrica está definida económicamente por el Centro de Descarga Económico de Carga (CDEC-SIC). Esto induce una operación que concentra las extracciones en los horarios puntas (operación hydropeaking) cuando la demanda energética es máxima. La central hidroeléctrica tiene una potencia instalada de 360 MW a través de la operación de 5 turbinas con una capacidad máxima de 110 m3s-1 cada una. El objetivo de esta tesis es estudiar los efectos de la operación hydropeaking de la central hidroeléctrica Rapel sobre la hidrodinámica de su embalse, mediante la combinación de mediciones en terreno y simulaciones numéricas llevadas a cabo por el modelo tridimensional Estuary, Lake and Coastal Ocean Model (CWR-ELCOM). La metodología llevada a cabo considera la toma de información en terreno a partir de una cadena de termistores ubicada en las cercanías del muro y el registro de información de velocidad y dirección del viento, temperatura ambiental y humedad relativa, entre otros, partir de una estación meteorológica. La serie asociada a las extracción de caudales para la generación eléctrica se obtiene con una discretización horaria a partir de los registros de energía producida registrados por el CDEC-SIC. Estos datos medidos en terreno se usan en la construcción de un modelo tridimensional del embalse utilizando CWR-ELCOM. El modelo es capaz de recrear la hidrodinámica interna de lagos y embalse, sujeto a los distintos forzantes ambientales y antropogénicas. Dos escenarios de operación fueron analizados: La operación real de la central con hydropeaking y un escenario ficticio en que se suprimen los peaks de descarga. Dos periodos de tiempo distintos fueron analizados, primavera/verano y otoño, lo que permite incluir en el análisis distintas condiciones estacionales y de operación. Se muestra que la ubicación de la termoclina esta determinado tanto por la profundidad de la toma de salida y de la magnitud de las descargas. Un análisis espectral muestra una fuerte correlación entre las extracciones y la excitación de las ondas internas, con un periodo preponderante de 24 h. Más aún, los efectos de la operación hydropeaking están restringidos a una región que se extiende hasta 5 km del muro, donde es posible observar una mayor capacidad de mezcla alrededor de la extracción y una dispersión horizontal menor. Se concluye que la operación hydropeaking tiene un impacto significativo en la hidrodinámica del embalse, lo que indica que la variabilidad de las extracciones durante el día debe ser considerada en los estudios de estos sistemas

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Ingeniera Civil / Las centrales hidroeléctricas cubren aproximadamente un 44% de la potencia instalada del Sistema Interconectado Central (SIC), constituyendo una de las principales fuentes de generación eléctrica del país. La construcción y operación de centrales hidroeléctricas de embalse genera diversos impactos en los sistemas acuáticos. Dada la capacidad de regulación, el bajo costo de operación y la rápida respuesta que tienen frente a variaciones en la demanda energética, algunas de estas centrales presentan una operación concentrada en los horarios punta, o hydropeaking. Este tipo de operación genera alteraciones tanto en el régimen hidrológico como térmico aguas abajo. Este último efecto está relacionado con la operación sobre la estructura térmica del embalse. El objetivo principal de este trabajo es estudiar la alteración hidrológica y térmica de corto plazo en el embalse Rapel asociada a operaciones de hydropeaking. Se consideran tanto el esquema actual de operación como escenarios de restricciones de caudales mínimos turbinados (Qmín) y fluctuaciones máximas horarias de caudal turbinado (ΔQmáx). Los escenarios simulados se incorporaron a un modelo de pre despacho económico de carga, que resuelve el problema de coordinación hidrotérmica de corto plazo. A partir de este modelo se obtienen series temporales de caudales horarios que permiten calcular los Indicadores de Alteración Hidrológica Intradiaria (IAHI) y que a su vez son datos de entrada para el modelo numérico tridimensional que simula la hidrodinámica del embalse (CWR-ELCOM) y que permite determinar la estructura térmica del mismo. Los resultados del modelo CWR-ELCOM incluyen series de tiempo de las temperaturas del agua de salida del embalse, con las que se calculan Indicadores de Alteración Térmica Intradiaria (IATI). A partir de las series de tiempo horarias de caudales y temperaturas de salida se obtienen series diarias de IAHI e IATI, que luego dan lugar a curvas de duración. Los resultados muestran que las restricciones a la operación, tanto al aplicarse cada una por sí sola como en forma combinada, inducen un desplazamiento en las curvas de duración hacia valores menores de los indicadores en comparación con la operación sin restricción. Para analizar el efecto de cada restricción por si sola, se considera un periodo húmedo y uno seco, y en ambos se observa que mientras más limitada la operación, esto es mayores valores de Qmín o menores de ΔQmáx, las curvas de duración se desplazan más hacia el eje de las ordenadas. Para el periodo seco es más efectivo aplicar restricciones de Qmín, mientras que para el periodo húmedo resulta más efectivo limitar las fluctuaciones de caudales máximos horarios turbinados. Al combinar las restricciones se obtienen en todos los casos menores alteraciones que en el caso de aplicar restricciones por separado. Adicionalmente, se observa que en términos generales la restricción ΔQmáx es más efectiva que la de Qmín en términos de las curvas de duración de los IAHI. Los IATI siguen la misma tendencia que los IAHI, en donde los escenarios más restrictivos generan valores menores para los indicadores, con la diferencia que para los IATI las curvas de duración de los casos con restricciones, tanto por sí solas como combinadas, son similares a la obtenida del escenario sin restricciones. Adicionalmente, se observa que la restricción Qmín es la más efectiva en términos de desplazar las curvas de duración con respecto a operación sin restricciones, llegando incluso para valores altos de caudal mínimo a no ser relevante considerar además restricciones de fluctuaciones máximas horarias de caudales.

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