Magister en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniero Civil / El río Maule, ubicado entre las latitudes 35° 10 y 36° 30 Sur, tiene una hoya hidrográfica que abarca una superficie de 20.295 km^2 (DGA, 2004). El estuario propiamente tal se encuentra al norte de la ciudad de Constitución, en la desembocadura del río Maule, Provincia de Talca, Región del Maule, en donde el Instituto Nacional de Hidráulica (INH) efectuó una serie de mediciones de campo durante el periodo del 25 de Mayo al 24 de Junio del año 2011. Estas mediciones muestran marcadas corrientes inducidas por marea al interior del estuario, con generación de pulsos de alta frecuencia (mayores a 2 ciclos por día o cpd). En particular, el aumento del caudal medio en aproximadamente 2.6 veces durante las mediciones impacta de forma notoria la velocidad media de todo el sistema como también cambios en los pulsos de corrientes cercanos al lecho, donde se pone especial atención a esta interacción entre el aumento del caudal del río y la marea. Luego, el objetivo principal de este estudio es determinar los factores que condicionan las corrientes en profundidad del sistema estuarino del río Maule, las cuales permitan caracterizar de manera adecuada la hidrodinámica y evaluar su importancia en los procesos asociados a la dispersión de sal en este cuerpo de agua. Para cumplir con el objetivo de este trabajo se pretende analizar el estuario bajo tres puntos. Primero se observa la influencia geométrica del estuario sobre las corrientes por medio de ecuaciones de escala provenientes de las propiedades conservativas del flujo. Segundo, se efectúa un detenido análisis armónico de la superficie libre y amplitud de las corrientes internas del estuario utilizando tres métodos: análisis clásico, transformada de Fourier y transformada Wavelet. Y Tercero, se estima el coeficiente de dispersión a lo largo del estuario, que permita caracterizar de forma adecuada el avance de sal hacia aguas arriba de este. Adicional a los tres puntos anteriores, se desarrollan simulaciones numéricas para confirmar algunas hipótesis que surgen durante el análisis de los dos últimos puntos. Los resultados muestran que el estuario tiene una geomorfología sectorizada, donde aguas abajo (primeros 7.6\ km ) posee una forma cónica e hipersincrónica, mientras que en el segundo su anchura es aproximadamente constante, tendiendo al equilibrio morfodinámico. El análisis de los componentes de marea muestra modulaciones de alta frecuencia M3 y M4 al interior del estuario, las cuales sufren una variación de 0.9 y 1.6 veces en su magnitud cercano al fondo producto de un aumento en 2.6 veces el caudal medio del río, ocurrido el día 09 de Junio de 2011 en adelante. Estas observaciones son respaldadas con simulaciones numéricas, mostrando un comportamiento de similares características. Estos resultados en conjunto fortalecen la teoría no lineal de estas modulaciones someras ante variaciones del flujo producto del río. Del análisis del coeficiente de dispersión se logró estimar de forma efectiva este valor mediante simulaciones numéricas, el cual se encontraría dentro del rango de 100 a 200 m^2/s.

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

El sur de Chile, en particular la X región, cuenta con importantes actividades de salmonicultura y mitilicultura. Estas dos actividades, principalmente orientadas hacia la exportación, representan una parte importante de la economía de esta región, y de Chile entero. Por ser muy ligadas estas actividades al mar, es importante para los productores conocer la circulación oceanográfica en el área de los centros de cultivo. En efecto, esto permite conocer la circulación de los nutrientes necesarios al crecimiento de los salmones o mejillones, de las floraciones algales y de los viruses nefastos a los peces y mariscos (mareas rojas y virus ISA por ejemplo). También permite conocer con anticipación las floraciones a venir, con el fin de tomar medidas de precaución para desplazar salmones y mejillones a aguas sanas. La primera etapa necesaria a este pronóstico de floraciones es la modelación de la circulación oceanográfica. En este trabajo se busca primero realizar una modelación suficientemente precisa de la marea y de las corrientes de marea en la región del mar interior de Chiloé con el fin de proveer la modelación necesaria a los propósitos de explotación mencionados anteriormente. En segundo lugar, con el objetivo de afinar aún más la calidad de la modelación, se pretende asimilar datos de radares HF en esa modelación.\nPara la modelación, se ocupa el modelo hidrodinámico Télémac, que discretiza les ecuaciones de aguas someras (o de Saint-Venant) por elementos finitos. Se ocupa como condiciones de borde los armónicos de marea del atlas global TPXO7, y un tiempo de spin-up para que el modelo llegue al regimen estacionario. El dominio que cubre la modelación es la zona ubicada en latitud entre Puerto Montt y Puerto Chacabuco, y en longitud, entre la costa y el océano profundo afuera de Chiloé. La malla tiene resolución variable, que va de 10km mar afuera a 250m en el canal de Chacao. Se escogió estudiar solamente el proceso dominante que es la marea, así que el modelo no está forzado con datos meteorológicos o con los caudales de los ríos que desembocan en la zona.\nEn cuanto a asimilación, se utilizan datos de corriente radial superficial en el Canal de Chacao. Se usa una metodología de filtro de Kalman de conjuntos (EnKF) para asimilarlos. Para ello, se creó un conjunto haciendo variar el coeficiente de roce (también conocido como coeficiente de Chézy) sobre el fondo, y se buscó crear estructuras coherentes con las escalas de la batimetría. En el etapa de análisis, se ocupa el error (conocido) sobre las mediciones para generar un conjunto de mediciones. Esta etapa permite reducir la varianza del conjunto inicial. Se compararon los resultados entregados por la modelación en ausencia de asimilación con las observaciones de dos mareógrafos en Ancud y Puerto Montt, y se constató que se acercaban bien a las mediciones. Sin embargo, incertitudes sobre la batimetría entre otros impiden mejorar estos resultados aún más, sin recurrir a la asimilación de datos de corriente. Se pudo constatar que efectivemente, el EnKF permite al modelo acercarse más a las mediciones, lo cual es su objetivo principal. Pero otra conclusión interesante destaca. El coeficiente de roce medio después del análisis presenta una estructura coherente con la batimetría local: donde más irregular el fondo, y mayores los gradientes de batimetría, más roce, es decir, menor el coeficiente de roce. Sin embargo, quedan puntos en cuales la asimilación realizada se aleja de la teoría. En efecto, la teoría del EnKF prevé que la varianza de ensemble debe modelar el error entre el modelo y las observaciones, lo cual no es cierto en este trabajo. Además, una de las limitaciones principales de este método es el tiempo de cálculo que requiere: como hay que integrar cada miembro del ensemble, y que la malla que se ocupó tiene bastante puntos, esta etapa es muy larga. Esa limitación impidió hacer muchas pruebas con condiciones de marea distintas. Implementar exitósamente un modelo hidrodinámico y validarlo, como se hizo en este trabajo, es el primer paso para integrar después un modelo biológico, que es la etapa siguiente y crucial en el monitoreo y control de la producción de salmones y mejillones.

Determina la hidrodinámica de la Bahía de Paracas mediante simulaciones numéricas con datos de mediciones en campo: perfiles de temperatura, salinidad y velocidad de corrientes, complementados con datos meteorológicos y de nivel del mar. Realiza las simulaciones numéricas con el modelo computacional – ELCOM 3D – (Estuary and Lake Computer Model). El modelo ELCOM utiliza principios hidrodinámicos y termodinámicos para simular el comportamiento espacial y temporal de cuerpos de agua semicerrados y estratificados sometidos a forzamientos físicos externos. EL modelo resuelve numéricamente las ecuaciones de Navier – Stokes y el transporte de escalares para un flujo no permanente, no viscoso e incompresible utilizando la aproximación hidrostática y de Boussineq. Aplica dicho modelo sobre una malla cartesiana rectangular con dx = dy = 150m, dz = 2m, con un paso de tiempo dt = 10s, el cual será forzado con series de tiempo de marea, velocidad y dirección del tiempo. Utiliza diferentes condiciones iniciales y de frontera en el modelo para analizar la capacidad de reproducir la dinámica física del sistema. / Tesis

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.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / El documento digital no refiere asesor / Muestra los cálculos realizados con el fin de realizar el correcto diseño hidráulico de la tubería de presión de la Central Hidroeléctrica La Koya, que operará con un caudal de diseño de 3.5 m 3 /s, con una caída bruta de 272.21m. y con una potencia instalada total de 7,662 KW. Como parte de los estudios básicos, se realizaron los levantamientos topográficos, el estudio hidrológico en los puntos de captación; y el estudio geológico-geotécnico del área del proyecto. El cálculo de la tubería se ha realizado según el código ASME sección VIII, divisiones 1 y 2; y en base a acero ASTM A-36, sin embargo, se recomienda que de acuerdo a las normas existentes, se deba hacer el replanteo en obra revisando el diseño y la topografía del terreno. / Trabajo de suficiencia profesional

Determina la hidrodinámica de la Bahía de Paracas mediante mediciones de campo y simulaciones numéricas. Analiza perfiles datos de temperatura, salinidad y velocidad de las corrientes obtenidos durante la campaña de mediciones oceanográficas, son complementados con datos meteorológicos y de nivel del mar. Realiza las simulaciones con el modelo computacional Estuary and Lake Computer Model (ELCOM 3D). Este modelo utiliza principios hidrodinámicos y termodinámicos para simular el comportamiento espacial y temporal de cuerpos de agua semicerrados y estratificados sometidos a forzamientos físicos externos. Obtiene una batimetría detallada de la Bahía (mayo 2005 y abril 2006) y datos hidrográficos para preparar el pre y postprocesamiento del modelo numérico mediante campañas de mediciones. El modelo resuelve numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes y el transporte de escalares para un flujo no permanente, no viscoso e incompresible utilizando la aproximación hidrostática y de Boussinesq. El modelo fue aplicado sobre una malla cartesiana rectangular con dx=dy=100 m, dz=2m, con un paso de tiempo dt=10 s. y fue forzado con series de tiempo de marea, radiación solar, velocidad y dirección del viento, temperatura del aire y humedad relativa. Se utilizó diferentes condiciones iniciales y de frontera en el modelo para analizar la capacidad de reproducir la dinámica física del sistema. Las simulaciones realizadas incluyen respuestas a flujos inducidos por cambios en la pendiente (respuestas barotrópicas), flujos inducidos por cambios en la densidad no homogéneos (respuestas baroclínicas), efectos rotacionales, esfuerzos del viento, forzamiento de marea, intercambio térmico superficial, y por transporte de sal y calor. El modelo simuló sólo la distribución de temperatura y corrientes en la Bahía, y se validó con datos de campo. Los resultados de las simulaciones muestran que la circulación superficial y la mezcla vertical responden al esfuerzo del viento para velocidades del viento superior a 4 m/s; durante la bajamar la dirección de la corriente de fondo fue hacia adentro de la Bahía por la boca de conexión y viceversa durante la pleamar; las corrientes superficiales siguieron la dirección del viento para velocidades mayores a 4 m/s. La estructura vertical de temperatura presentó gradientes pronunciados por lo que la estratificación observada se debe a la temperatura; esto se debe a que debido a la advección del sistema las temperaturas bajas entran por el fondo y parte Este, e inundan la Bahía modificando la mezcla y estratificación. La marea influye durante las pleamares y bajamares en la estratificación del fondo a la superficie. Las corrientes son del orden de 2 a 5 cm/s en la superficie y son influenciados por el viento, mientras que en el fondo son de 2 a 3 cm/s y responden al flujo y reflujo de la marea. / Tesis

El presente trabajo tiene por objetivo determinar la hidrodinámica de la Bahía de Paracas mediante mediciones de campo y simulaciones numéricas. Se analizó una serie de datos medidos durante la campaña de mediciones oceanográficas; los datos consistieron en perfiles de temperatura, salinidad y velocidad de las corrientes, y fueron complementados con datos meteorológicos y de nivel del mar. Las simulaciones se realizaron con el modelo computacional (ELCOM 3D) (Estuary and Lake Computer Model). El Modelo ELCOM utiliza principios hidrodinámicos y termodinámicos para simular el comportamiento espacial y temporal de cuerpos de agua semicerrados y estratificados sometidos a forzamientos físicos externos. Se realizaron campañas de mediciones para obtener una batimetría detallada de la Bahía (mayo 2005 y abril 2006) y datos hidrográficos para preparar el pre y postprocesamiento del modelo numérico. El modelo resuelve numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes y el transporte de escalares para un flujo no permanente, no viscoso e incompresible utilizando la aproximación hidrostática y de Boussinesq. El modelo se aplicó sobre una malla cartesiana rectangular con dx=dy=100 m, dz=2m, con un paso de tiempo dt=10 s. y fue forzado con series de tiempo de marea, radiación solar, velocidad y dirección del viento, temperatura del aire y humedad relativa. Se utilizó diferentes condiciones iniciales y de frontera en el modelo para analizar la capacidad de reproducir la dinámica física del sistema. Las simulaciones realizadas incluyen respuestas a flujos inducidos por cambios en la pendiente (respuestas barotrópicas), flujos inducidos por cambios en la densidad no homogéneos (respuestas baroclínicas), efectos rotacionales, esfuerzos del viento, forzamiento de marea, intercambio térmico superficial, y por transporte de sal y calor. El modelo simuló sólo la distribución de temperatura y corrientes en la Bahía, y se validó con datos de campo. Los resultados de las simulaciones muestran que la circulación superficial y la mezcla vertical responden al esfuerzo del viento para velocidades del viento superior a 4 m/s; durante la bajamar la dirección de la corriente de fondo fue hacia adentro de la Bahía por la boca de conexión y viceversa durante la pleamar; las corrientes superficiales siguieron la dirección del viento para velocidades mayores a 4 m/s. La estructura vertical de temperatura presentó gradientes pronunciados por lo que la estratificación observada se debe a la temperatura; esto se debe a que debido a la advección del sistema las temperaturas bajas entran por el fondo y parte Este, e inundan la Bahía modificando la mezcla y estratificación. La marea influye durante las pleamares y bajamares en la estratificación del fondo a la superficie. Las corrientes son del orden de 2 a 5 cm/s en la superficie y son influenciados por el viento, mientras que en el fondo son de 2 a 3 cm/s y responden al flujo y reflujo de la marea.

Un mayor conocimiento de la hidrodinámica del lago Titicaca en el Perú, es la discusión del presente trabajo. El estudio se realiza para una escala de tiempo de ciclo diario. Usamos ELCOM (Estuary, Lake and Coastal Ocean Model), un modelo numérico en tres dimensiones para realizar simulaciones en un periodo comprendido entre el primero y quinto día del mes de enero del 2005. Para iniciar las simulaciones se obtuvo la batimetría del lago Titicaca a partir de una carta de sondajes. Se presentaron cuatro escenarios diferentes, cambiando las condiciones iniciales de temperatura y considerando el efecto coriolis. El modelo resuelve las ecuaciones hidrodinámicas de Navier-Stokes con aproximaciones mediante el método semi-implícito de diferencias finitas, para un flujo incompresible, barotrópico, rotacional y estratificado por temperatura. Las condiciones meteorológicas, entre ellas, el viento tiene un efecto en la circulación y la estratificación en capas superficiales del lago. Las corrientes en el lago Grande que ocupa el mayor volumen de agua, se debe principalmente al forzamiento del fluido debido a la temperatura. Los afluentes y efluentes no se consideraron en las simulaciones realizadas en el presente trabajo. La fuerza de coriolis es importante en la dinámica del lago Grande por que ayuda a mezclar las capas estratificadas térmicamente.

Un mayor conocimiento de la hidrodinámica del lago Titicaca en el Perú, es la discusión del presente trabajo. El estudio se realiza para una escala de tiempo de ciclo diario. Usamos ELCOM (Estuary, Lake and Coastal Ocean Model), un modelo numérico en tres dimensiones para realizar simulaciones en un periodo comprendido entre el primero y quinto día del mes de enero del 2005. Para iniciar las simulaciones se obtuvo la batimetría del lago Titicaca a partir de una carta de sondajes. Se presentaron cuatro escenarios diferentes, cambiando las condiciones iniciales de temperatura y considerando el efecto coriolis. El modelo resuelve las ecuaciones hidrodinámicas de Navier-Stokes con aproximaciones mediante el método semi-implícito de diferencias finitas, para un flujo incompresible, barotrópico, rotacional y estratificado por temperatura. Las condiciones meteorológicas, entre ellas, el viento tiene un efecto en la circulación y la estratificación en capas superficiales del lago. Las corrientes en el lago Grande que ocupa el mayor volumen de agua, se debe principalmente al forzamiento del fluido debido a la temperatura. Los afluentes y efluentes no se consideraron en las simulaciones realizadas en el presente trabajo. La fuerza de coriolis es importante en la dinámica del lago Grande por que ayuda a mezclar las capas estratificadas térmicamente.