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.

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

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.

Ingeniero Civil / El embalse Rapel fue construido en el año 1968 con la finalidad de generación eléctrica. Actualmente existen otras actividades en el embalse, como la recreación y el turismo, que se ven afectadas por las condiciones ambientales del embalse. La operación de la central tiene una influencia sobre las condiciones ambientales del embalse, la que hoy en día está definida por el Centro de Despacho Económico de Carga (CDEC-SIC). Este ente dictamina una operación que se concentra en las horas punta de consumo energético del día (operación hydropeaking), la cual puede tener un efecto negativo sobre las condiciones ambientales del embalse. La finalidad de este trabajo de título es estudiar los efectos de la operación hydropeaking de la central hidroeléctrica Rapel en el largo plazo, considerando distintos escenarios hidrológicos y de restricciones ambientales que lo eliminan. Para llevar a cabo este estudio se utiliza el modelo MIPUC, para generar los escenarios de operación de la central, y el modelo CWR-ELCOM, para simular el comportamiento de las variables ambientales en el embalse a largo plazo.\\ Las series de operación de la central hidroeléctrica se generan a partir de tres escenarios hidrológicos (hidrología seca, normal y húmeda) y dos restricciones ambientales (rampa máxima de caudal y caudal ecológico), que son incluidas en el modelo MIPUC, generando seis escenarios de operación: un escenario con restricciones ambientales y otro sin, para cada uno de los tres escenarios hidrológicos. Los datos para la modelación se obtienen en base a los trabajos realizados por \cite{olivares2015} y \cite{quintero2014}. Por otro lado, para modelar la hidrodinámica del embalse sujeta a distintas forzantes ambientales se utiliza el modelo tridimensional CWR-ELCOM. En este modelo se incorporan las variables meteorológicas obtenidas de los reanálisis NCEP-NCAR y las series de operación de la central obtenidas con el modelo MIPUC. Se obtienen resultados para un periodo de dos años y medio.\\ Se obtiene que la operación hydropeaking tiene efectos positivos, en contra de lo que podría creerse, como la desestratificación temprana del embalse, el aumento de temperatura en el periodo estival y un aumento en la capacidad de transporte de calor. Existen también aspectos negativos como la disminución de la capacidad de mezcla cuando no se está operando, la alteración del régimen natural de variación de la energía potencial interna y los cambios bruscos de los perfiles de temperatura y la capacidad de mezcla.

Ingeniero Civil / El presente trabajo consiste en la modificación del modelo numérico MOSSEM desarrollado en la tesis de Magíster de González (2006) y su utilización para estudiar los procesos de sedimentación en el embalse Rapel, VI Región, Chile. El objetivo general es el estudio y aplicación del modelo de sedimentación en el embalse Rapel, considerando el delta de sedimento grueso del comienzo del embalse y la eventual corriente de turbidez que se desarrollaría a lo largo del embalse. Para esto se analizan las ecuaciones asociadas a la corriente de turbidez y se realizan modificaciones en la ecuación de conservación de sedimentos para ajustarla de mejor forma a la geometría utilizada por el modelo. Además, en la ecuación de momentum integrada en una sección transversal, se estudia su aplicabilidad y el efecto producido por cada término de ésta, diferenciándola de la ecuación integrada en la vertical. Se describen las actividades asociadas a la salida a terreno en los principales cauces afluentes al embalse Rapel: los ríos Cachapoal y Tinguiririca. El objetivo es determinar las características de los sedimentos que transportan ambos cauces y realizar una estimación del coeficiente de rugosidad de Manning a utilizar en la modelación. La granulometría del sedimento grueso se obtiene a través de un software que utiliza imágenes de alta resolución tomadas en la salida. Luego se deben extraer los sedimentos finos de las muestras obtenidas en cada cauce, lo cual se realiza utilizando dos metodologías: filtración y evaporización del agua de las muestras. Finalmente se obtiene la granulometría de los sedimentos finos utilizando un granulómetro láser y la densidad mediante ensayos de gravedad específica de sólidos. La modelación de la sedimentación del embalse Rapel se realiza desde el año 1971, cuando finaliza el llenado de éste, hasta el fin del año 2009. Existen antecedentes de batimetrías medidas en el verano del año 2010, por lo que éstas fueron de gran utilidad para analizar el comportamiento del modelo. Finalmente se discuten los resultados obtenidos en la simulación, donde se observa una sobreestimación del volumen de sedimento grueso depositado en el embalse, al ser comparado con el volumen estimado con mediciones en terreno. En el caso de los sedimentos finos, el modelo predice una sedimentación menor a la medida en terreno, por lo cual, se propone una conceptualización alternativa que pueda utilizarse en estudios futuros.