Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Determinar de forma confiable y anticipada la cantidad de agua que puede generar una cuenca como respuesta a las forzantes meteorológicas a las que es sometida, es fundamental para la planificación y optimización del uso de este recurso. Un requisito fundamental para determinar esta relación, es contar con caudales correspondientes al estado natural de la cuenca (Cuencas inalteradas) para realizar la calibración, sin embargo, muchas veces, no se cuenta con mediciones en las zonas que desean estudiarse (cuencas no controladas) o las mediciones registradas, no corresponden al caudal natural de la cuenca, debido a extracciones, tomas no contabilizadas, desvíos, etc. El objetivo de este estudio es proponer y analizar una metodología que permita obtener simulaciones con coeficientes de eficiencia aceptables, de los valores registrados en sistemas que tienen un registro de caudal acotado (alterado) registrando sólo parcialmente los caudales generados por la cuenca. Para alcanzar el objetivo, como primer paso, se modela la zona estudiada, aplicando los programas HEC-HMS y MIKE-NAM en modo continuo, para evaluar su capacidad y limitantes para representar el fenómeno, siguiendo las bases teóricas que se sustentan las buenas prácticas del uso de estos modelos. Posteriormente, al verificar la incapacidad de los modelos utilizados de representar de forma adecuada los hidrogramas registrados, se utiliza una herramienta basada en la teoría de Modelos mecanísticos basados en datos (DBM) denominada Conceptual developer Model (CMD), para que la misma en base a los datos obtenidos utilizando los modelos hidrológicos y los datos registrados, simule la operación de la obra de toma que es la que gobierna la cantidad de agua que se capta de la cuenca y es posible de ser registrada. Como resultado de este trabajo se obtiene que una vez aplicado el CMD, pueden generarse hidrogramas comparables a los observados, con coeficientes de eficiencia de Nash Sutcliffe de hasta 0.89. Los resultados obtenidos, reflejan que a través de este procedimiento se puede obtener un pronóstico confiable de los caudales captados, lo cual contribuye en el caso estudiado a la implementación de un sistema de pronóstico a corto plazo (escala semanal como máximo) de caudales aportantes al sistema para la generación hidroeléctrica.

Ingeniero Civil / Durante los últimos años en el mundo se ha observado un aumento de la frecuencia de inundaciones, las que pueden ser muy destructivas, siendo necesario proveer de sistemas de alerta que permitan estar preparados ante estos eventos extremos. Los sistemas de alerta de crecidas han demostrado ser rentables ya que sus costos son bajos en comparación a los impactos que éstas generan. Actualmente en Chile existe un sistema de monitoreo realizado por la Dirección General de Aguas (DGA), en el que si un caudal umbral se sobrepasa se declara una alerta. Además, existen relaciones de pronóstico de caudales en algunas estaciones mediante el uso de modelos autorregresivos con variable exógena (ARX), generados en el año 1987 por BF Ingenieros. Sin embargo, muchas de estas relaciones no se encuentran operativas, por diversas razones. Este trabajo propone actualizar el sistema de alerta de crecidas utilizando modelos de redes neuronales, que han demostrado obtener mejores resultados en la predicción de caudales en tiempo real que los modelos utilizados en el Sistema Nacional de Alerta de Crecidas (SNAC), para lo cual se utilizan las cuencas piloto Curanilahue en Curanilahue y Cautín en Cajón. Además, para cuencas pequeñas de rápida respuesta hidrológica se propone aplicar el Sistema Guía para Crecidas Repentinas (SGCR) junto con la aplicación del hidrograma unitario con pulsos horarios de precipitación, para lo cual se utiliza la cuenca piloto Curanilahue en Curanilahue. La aplicación de la metodología permitió encontrar redes neuronales óptimas para cada cuenca, una para la cuenca del río Curanilahue con predicciones aceptables hasta las 3 horas de antelación, con eficiencias NSE y R2 superiores a 0,81 y otra para la cuenca del río Cautín en Cajón con predicciones aceptables hasta las 12 horas de antelación, con eficiencias NSE y R2 superiores a 0,95. Además, para la cuenca del río Curanilahue en Curanilahue los resultados del SGCR son aceptables cuando se utiliza un pronóstico perfecto de precipitación (con porcentajes de acierto entre 67 y 100% dependiendo del tipo de alerta y sin falsas alarmas), sin embargo, es altamente dependiente de que estos pronósticos sean precisos. Algo parecido ocurre con la metodología del hidrograma unitario, la cual es más conservadora (con porcentajes de acierto similares y porcentajes de falsa alarma entre 0 y 50% dependiendo del tipo de alerta). Se concluye que los modelos de redes neuronales presentan mejores resultados en comparación a la situación actual, por lo que se podrían utilizar como sistemas de alerta con mayores tiempos de antelación. Para crecidas repentinas es útil la implementación de metodologías como el SGCR y el hidrograma unitario, cuando se tengan pronósticos precisos de precipitación.

Thesis (Ph. D. - Geosciences)--University of Arizona, 1996. / Includes bibliographical references (leaves 205-217).

Ingeniero Civil / La evaporación es uno de los procesos determinantes en el balance hidrológico de una cuenca, especialmente en zonas del Altiplano de la cordillera de los Andes donde toda el agua que precipita dentro de la cuenca es evaporada al interior de ella, tanto desde suelos saturados como no saturados. Las variaciones en la tasa de evaporación dependen tanto de las condiciones atmosféricas (humedad, temperatura, viento, etc.) como de las características del suelo (conductividad hidráulica, porosidad, conductividad termal, etc.). En este trabajo se estudió experimentalmente el efecto que tiene el nivel freático en la evaporación de un suelo arenoso no saturado. Para esto, se construyó una instalación experimental que permite medir la evaporación en dos estanques que contienen un suelo arenoso idéntico, pero que difieren en su grado de saturación. Esto es, uno de estos estanques se encuentra constantemente saturado, mientras que el otro sólo está saturado al inicio de las experiencias, pero luego baja su grado de saturación (acompañado de un descenso del nivel freático) a medida que el agua contenida se evapora. También, se dispone de una estación meteorológica y de sensores que permiten medir viento, temperatura del aire, temperatura del suelo, humedad relativa y humedad de la superficie. El montaje experimental y la estación se instalaron en la terraza del tercer piso del edificio de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, expuestos a variaciones naturales de radiación solar, viento, temperatura y humedad del aire. Adicionalmente, se cuenta con mediciones de laboratorio de las propiedades del suelo como conductividad hidráulica del suelo saturado, porosidad del suelo y ancho de la franja capilar del suelo. Para el análisis de las mediciones, se presenta un marco teórico que permite postular la existencia de un número adimensional que se desprende de la razón entre la evaporación y la evaporación máxima del agua contenida en un suelo. Este número adimensional está dado por Kad/D, donde Ka es la velocidad de transferencia del vapor de agua hacia la atmósfera, d es la profundidad del suelo a la cual se encuentran condiciones saturadas, y D es el coeficiente de difusión de vapor de agua en el suelo. A partir de los resultado experimentales se validó satisfactoriamente el marco teórico para el cálculo de la evaporación desde suelos no saturados, que contempla tanto procesos de transferencia de vapor de agua en la atmósfera, como en el suelo. De igual forma, se analizó la variabilidad de la tasa evaporativa respecto a las variaciones de temperatura del aire, de temperatura de los suelos, y de la profundidad del nivel freático. Se analizó la relación del número adimensional con la evaporación y la evaporación máxima, se concluyó acerca de su validez y de los parámetros que componen dicho número. Finalmente, se formulan supuestos y se mencionan algunas consideraciones a tomar para estudios de futuros experimentos. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por proyecto FONDECYT N° 1170850

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.

Ingeniero Civil / Hoy en día la mayor incertidumbre en la estimación de caudales en cuencas de montaña en Chile corresponde a la escasez de información de las variables meteorológicas en altura. El procedimiento tradicional para estimar las forzantes meteorológicas se basa en la determinación de gradientes definidos a base de estaciones que se ubican a cotas que en general no superan los 1500 m.s.n.m. Actualmente, se dispone de antecedentes satelitales y modelos de reanálisis atmosférico que han permitido extrapolar los datos observados de precipitación diaria y temperatura máxima y mínima diaria para todo Chile, como datos grillados en celdas de 0.05° por 0.05°. De esta manera, se estima que es posible cuantificar con menor incertidumbre la serie temporal diaria de las variables señaladas. Este trabajo de título busca la actualización de un modelo hidrológico (WEAP) en la cuenca alta del río Cachapoal, utilizando un set de datos de forzantes meteorológicas distribuidas. La metodología consideró el análisis de las URH ya definidas y la modificación de las series de tiempo utilizadas para la calibración del modelo WEAP previamente implementado en la parte alta de la cuenca. De esta forma se comparan los valores simulados de las variables de salida del modelo, tanto con las observaciones disponibles como con las previamente simuladas. También se estudia la representatividad de los valores de la grilla usando el inverso de la distancia como método de escalamiento. La implementación del modelo supuso re-calibrar los parámetros según las diferencias de las series de precipitación y temperatura con las previamente estimadas, dándose los contrastes más marcados en los meses de invierno. Al evaluar la eficiencia de la calibración a nivel diario se obtuvieron índices de Nash-Sutcliffe y Nash-Sutcliffe logarítmico mayores a 0.71 y 0.73, respectivamente, para todos los sistemas modelados (Las Leñas, Cortaderal, Cachapoal en 5 km bajo Cortaderal). Al comparar la simulación con la calibración antigua se constata de una mejor representación de los caudales altos y bajos de la cuenca, al menos en Las Leñas y el sistema completo. La calibración del modelo en Cortaderal supuso mayores dificultades al presentar en promedio las temperaturas más bajas y precipitaciones más altas. Analizando los valores distribuidos se percató de un aumento de la incertidumbre al representar escalas espaciales muy pequeñas, lo cual sugiere una redefinición de las bandas de elevación acorde a la resolución del producto. Se concluye que el modelo WEAP, a pesar de ser un modelo poderoso y eficaz, presenta limitaciones al modelar cuencas altas en donde predomina la influencia nival al no tener incorporado en su balance salidas por sublimación, variable que según lo investigado puede alcanzar a nivel anual alrededor de un 30 % de la precipitación caída en la cuenca.

Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniera Forestal / El estudio se llevó a cabo en la cabecera de la microcuenca de Jabonería, Comuna de Canela, Región de Coquimbo, con el propósito de elaborar una propuesta agroforestal que contribuya al mejoramiento del funcionamiento del sistema hidrológico en la perspectiva de un desarrollo más sostenible para su población. Los objetivos específicos fueron: la caracterización del funcionamiento hidrológico del área de estudio, la caracterización de los sistemas agroforestales tradicionales de Jabonería y sus efectos en el medio ambiente y la elaboración de una propuesta agroforestal orientada a incrementar los rendimientos de las tierras bajas dedicadas a cultivos.

Ingeniero Civil / En la I Región, uno de los acuíferos más importantes es el de la Pampa del Tamarugal, y de él dependen el agua potable de la ciudad de Iquique, la minería no metálica, la agricultura y los recursos naturales protegidos. La recarga de este acuífero es alóctona (Viguier, 2013), pues viene dada por la circulación de agua desde la zona altiplánica y precordillerana y uno de los mayores aportes hídricos viene dado por la cuenca de la Quebrada de Tarapacá. El presente trabajo consiste en el estudio de esos aportes hídricos mediante la implementación del modelo hidrológico GSSHA, el cual permite realizar simulaciones hidrológicas tanto de procesos superficiales como subterráneos y corresponde a un modelo de carácter distribuido y base física. Para cumplir con el objetivo principal del trabajo, se construyó y adecuó el set de forzantes hidrometeorológicas a escala horaria requerido por el modelo para el periodo 2004-2015. Ahora bien, debido a la inexistencia de una estación fluviométrica a la salida de la cuenca Quebrada de Tarapacá se procedió a calibrar y validar la modelación en la estación Quebrada de Tarapacá en Sibaya, obteniendo métricas de eficiencia NSE=0,66 y NSElog=0,63 para la calibración y NSE=0,62 y NSElog= 0,61 para la validación a nivel mensual. Analizando los resultados de la modelación se estima un aporte de escurrimiento superficial promedio a la salida de la cuenca Quebrada de Tarapacá del orden de 586 (l/s) en que la mayoría de éste sucede durante eventos lluviosos del invierno Altiplánico, específicamente durante los meses de enero a marzo, mientras que el resto del año se aprecia una clara disminución de este flujo promediando el resto de los meses un monto de 127 (l/s). Por otro lado, también se estima la circulación profunda del sistema o bien flujo subterráneo permanente promedio de 99 (l/s), valor cercano a lo entregado por DGA (2014) cuyo valor es de 90 (l/s). Ambos aportes representarían los mecanismos mediante el cual se recarga la Pampa, el primero por la infiltración que ocurriría en el abanico aluvial de la cuenca y el otro por una circulación profunda.

Ingeniero Civil / La zona no saturada está implicada en una serie de procesos hidrológicos relevante en el transporte de contaminantes: infiltración, recarga de aguas subterráneas, etc. Por ello, es de suma importancia analizar los flujos subsuperficiales de esta zona, en lugares donde la minería es una actividad relevante, pues dicha actividad está asociada a problemas de contaminación, como lo es el drenaje ácido. En el presente trabajo, se evalúa el movimiento y generación de estos flujos en la base de una columna de material homogéneo, bajo distintos escenarios hidrológicos, mediante el modelo computacional HYDRUS-1D. Más específicamente, se simulan tres materiales distintos: muy grueso (GRV), grueso (SBL) y fino (SLT); sobre ellos se aplican cuatro condiciones hidrológicas distintas. En la cuenca del río Mapocho en los Almendros se tienen a escala de sitio: Manto de nieve estacional (condición A) y solo precipitación líquida (condición B). De la cuenca alta del río Copiapó se tiene, también a escala de sitio: un manto de nieve efímero (condición C) y solo precipitación líquida (condición D). Cada condición cuenta con la información de un año completo (detalle horario), para la simulación y obtención de resultados se reitera el registro durante un periodo de 40 años. Sumado a lo anterior, se realiza un análisis de sensibilidad al variar la profundidad del material (H=30, 60 y 90 m) y se evalúa el efecto del cambio climático en los sitios de estudio. En consecuencia, se tiene un total de 60 simulaciones. Como principales resultados se obtiene que la condición que más percolación en la base genera, es A, seguida por B, D y luego C. En cuanto a los materiales, SBL resulta ser el que más rápido transporta el fluido, seguido por GRV, mientras que SLT tiende a acumular mayor volumen de agua en su interior. En general, el cambio climático implica una disminución en las tasas de percolación en la base del sustrato. El efecto del aumento en la profundidad del sustrato, es la tendencia disminuir las variaciones extremas a lo largo del año, logrando un caudal más estable. Otro efecto al variar H, es el impacto sobre los tiempos de inicio de percolación en la base, donde un aumento de H al doble o triple, significa poco más del doble o triple de tiempo con respecto al caso H=30 m. Las numerosas simulaciones llevadas a cabo son de gran utilidad como un primer paso para comprender el complejo comportamiento de los flujos subsuperficiales en la zona no saturada de botaderos o suelos naturales. La investigación elaborada puede ser aprovechada para evaluar en una primera instancia y sin información detallada del terreno, el posible rango de valores alcanzados por los caudales generados, los valores mínimos o bases, los máximos, su duración y las variaciones durante el año.

Geóloga / Este trabajo presenta las bases para determinar la factibilidad de llevar a cabo un proyecto de recarga gestionada de aguas en la cuenca del río Tinguiririca, con el objetivo de determinar el sector óptimo y su respectiva evaluación económica. Primero, se presenta un pequeño resumen de las características de una recarga gestionada. Luego se detalla la geología e hidrogeología de la VI región. Posteriormente, se realiza una caracterización de la cuenca del río Tinguiririca, donde se describen: las cotas de terreno, espesor del acuífero, dirección de flujo subterráneo, constantes elásticas, flujos superficiales, la recarga y descarga en la cuenca, balance de masas, la vulnerabilidad y calidad del acuífero. Una vez recopiladas las características mencionadas en el párrafo anterior, se determina un sector óptimo para llevar a cabo un proyecto de recarga gestionada de aguas y luego un subsector dentro de este. Dicho subsector se denominó subsector 3.1, y se ubica al este de la comuna de San Fernando. Este sector fue elegido por presentar las mayores profundidades de nivel estático. No obstante, el nivel estático más profundo es de solo 25 metros, lo cual no permite un gran volumen de almacenamiento. Pese a que el nivel estático es somero y las constantes elásticas no son óptimas, debido al gran caudal del río Tinguiririca, es posible llevar a cabo un proyecto de recarga gestionada de aguas en el acuífero. Se determina que los dispositivos de recarga de aguas para este sector son los pozos de inyección y zanjas de infiltración. Luego se realiza una evaluación económica para 5 propuestas con variaciones en la cantidad de ambos dispositivos, lo que genera diferencias en área y por ende en la inversión, costos e ingresos anuales. Posteriormente, se calcula el valor actual neto (VAN) a 5 años para estas 5 opciones y se comparan los proyectos. Finalmente, se consideran las consecuencias de la implementación de un proyecto de recarga gestionada como son la subida del nivel estático y el tiempo que tarda el agua infiltrada en desplazarse a lo largo del acuífero.