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.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / La región Tumbes, ubicada en la costa norte peruana, se ve frecuentemente afectada por inundaciones que provocan pérdidas sociales y económicas a la ciudad del mismo nombre. Muchas de estas crecidas que escurren por la cuenca pluvial transfronteriza del río Puyango-Tumbes, entre Perú y Ecuador, ocurren durante eventos El Niño extremo (calentamiento muy anómalo en el Pacífico Este). Bajo esta premisa, el análisis de frecuencias de caudales máximos instantáneos constituye una herramienta importante en la gestión de desastres ante inundaciones y en el diseño de obras hidráulicas. Este es un componente clave que caracteriza la amenaza climática en el análisis de riesgo. En este trabajo, se ha realizado la modelación hidrológica basada en eventos de la cuenca Puyango-Tumbes en El Tigre (4710 km2), de forma semi-distribuida mediante HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center Hydrologic Modeling System) y en un paso de tiempo de 30 minutos. La modelación permite generar información fluviométrica en el periodo en que no se cuenta con registro a escala sub-diaria. Para ello, la precipitación diaria fue desagregada a partir de patrones encontrados en su ciclo diurno. El modelo fue calibrado y validado para simular los caudales peaks de los 45 eventos más extremos en la estación El Tigre para el período 1970/71 - 2014/15. Finalmente, se realizó el análisis de frecuencias de los caudales máximos instantáneos, se identificaron zonas inundables a partir de imágenes satelitales y se propone la metodología para generar mapas de riesgo ante inundaciones incorporando la vulnerabilidad de la zona. Los resultados muestran un ajuste regular entre los hidrogramas simulados y observados en El Tigre (mediana del índice de eficiencia de Nash-Sutcliffe de 0,54), donde el caudal peak se subestima un 20% en promedio durante la etapa de calibración y validación. En la etapa de verificación, el ajuste mejora a nivel diario en otros puntos de control fluviométrico gracias a un mayor número de estaciones operativas. Para los puntos J1 (508 km2), J6 (2110 km2) y J8 (2722 km2), ordenados de menor a mayor orden de cauce, el coeficiente de correlación entre caudal simulado y observado mejora de 0,04 a 0,68, de 0,39 a 0,65 y de 0,25 a 0,64, respectivamente. La metodología propuesta para la desagregación de precipitación diaria resultó adecuada a nivel temporal para simular hidrogramas de crecidas en esta zona, evidenciado por una mediana del error en el tiempo al peak de -1,8 horas (peak simulado ocurre después del observado). Sin embargo, se necesitan más datos de precipitación a nivel espacio-temporal para mejorar la estimación de la forzante. La modelación hidrológica permitió generar una serie caudales máximos instantáneos y, a partir del análisis de frecuencias, estimar el periodo de retorno, siendo éste igual a 61 años para el evento más extremo que ocurrió en febrero de 1997-98. Durante los eventos más extremos que ocurrieron en los años El Niño 1982-83 y 1997-98, se observó que el principal aporte a la escorrentía ocurre en la cuenca media baja. Además, en este último evento, se produjo una variación considerable del cauce del río en la zona cercana a la ciudad de Tumbes evidenciada a través del análisis de imágenes satelitales.

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.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico. Ingeniera Civil / El Lago Llanquihue se encuentra en la región de Los Lagos y es el segundo lago más grande de Chile (851 km2), con una longitud máxima de 42 km y una profundidad máxima de 317 m. El lago es monomíctico y la estratificación máxima se produce en los primeros días de febrero. Además, en verano la termoclina se encuentra a una profundidad de aproximadamente 40 metros. El tamaño de la cuenca es pequeña y sus principales afluentes son de pequeña magnitud, siendo el principal riesgo para la calidad de las aguas, el potencial impacto de las actividades generadas en el lago o sus alrededores, como lo son las pisciculturas y el vertimiento de residuos. Se estudió las ondas internas en el lago, ya que la importancia de estas ondas radica en energizar la dispersión horizontal y mezcla vertical, además de producir una variedad de procesos químicos, físicos y biológicos. Para esto, se simuló la hidrodinámica del lago Llanquihue con el modelo en tres dimensiones Delft3D-FLOW, entre agosto de 2014 y marzo del 2016, con el fin de estudiar las ondas internas afectadas por la rotación terrestre y conocer cómo afecta en ellas la variación de la estratificación térmica. El bajo número de Burger en el lago, igual a 0,1, indica que la rotación terrestre es importante y hace posible la generación de ondas internas Kelvin y Poincaré. Los datos de salida de la simulación fueron procesados mediante espectros de potencia rotacional, espectro wavelet y filtros pasa banda, con el fin de observar la variación estacional de las ondas. Los resultados mostraron que las ondas internas Poincaré, que dominan en la mayor parte del año, tienen un periodo cercano al inercial, siendo esta onda más intensa en el periodo de máxima estratificación en la zona del epilimnion, mientras que en tiempos previos a la estratificación máxima, la onda domina en el metalimnion. Por otro lado, luego de eventos de gran intensidad de viento, se presentan las ondas internas Kelvin, que se propagan en sentido horario por los bordes del lago, y su periodo varía de acuerdo al grado de estratificación. Además, luego de realizó una simulación con vertimiento de contaminantes, se obtuvo que su dispersión en el lago depende fuertemente de la estratificación.

Ingeniero Civil / La adecuada consideración de los efectos del cambio climático sobre los modelos hidrológicos a nivel de cuenca posee una gran relevancia para la planificación y el desarrollo a futuro de las actividades humanas y su impacto sobre el medioambiente. En este contexto, es de interés mostrar que el proceso de escalamiento estadístico de las forzantes meteorológicas entregadas por los modelos de circulación general (MCG) (predictores de cambio climático) con datos observados en terreno es imprescindible. El objetivo general de este trabajo de título consiste en validar la necesidad de efectuar el proceso de escalamiento estadístico de las Forzantes Meteorológicas (FM) resultantes de un MCG, previo a su utilización como variables de entrada en un modelo hidrológico. Con este fin se realiza el ejercicio de calibrar un modelo hidrológico asociado a la cuenca de Andalién, en la Región del Bío-bio, Chile. El modelo hidrológico conceptual utilizado fue GR4J (escala diaria). En primera instancia se utilizan como valores de entrada al modelo hidrológico las FM entregadas por las proyecciones Nasa Earth Exchange Global Daily Downscaled Projections (NEX-GDDP) escaladas estadísticamente con valores medidos en terreno. Esto se hace para los 3 MCG que mejor se ajustan a la climatología representativa de la cuenca de Andalién (Calibración Tipo 1). En segunda instancia se hace la misma calibración del modelo hidrológico asociado a la cuenca de Andalién, pero en este caso las FM no pasan por un proceso de escalamiento (Calibración Tipo 2). Se hacen simulaciones futuras para los periodos de Línea Base (LB, 1986 2016), Ventana 1 (V1, 2018 2048), y Ventana 2 (V2, 2048 2078). Posteriormente se hace un análisis de los resultados obtenidos, para sopesar el efecto del escalamiento sobre los recursos hídricos futuros. La Calibración Tipo 2 presentan mayores diferencias entre caudales simulados y observados que las Calibración Tipo 1. Ambas logran representar la estacionalidad observada en Andalién. Se observa una disminución más rápida de la escorrentía anual a través de LB, V1 y V2 cuando no se considera el escalamiento. Los valores de caudal medio diario simulados alcanzan diferencias de hasta un 10% a través de LB, V1 y V2 entre CT1 y CT2. Los valores de precipitación y evapotranspiración anual simulados son mayores cuando están asociados a la CT1. Estas diferencias observadas entre valores asociados y no asociados a un proceso de escalamiento, permiten justificar la necesidad de este proceso sobre las FM de los MCG cuando son usadas como variables de entrada de un modelo hidrológico.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / Este trabajo busca responder una interrogante natural que surge al momento modelar hidrológicamente una cuenca, ¿En qué escala temporal es pertinente resolver las ecuaciones del modelo? Si se busca modelar periodos extensos, la escala temporal define el nivel de detalle (resolución temporal) que requieren las forzantes meteorológicas, así como el costo computacional que conlleva la modelación, por tanto, la elección no es arbitraria. Para responder lo anterior se modelan seis cuencas en la Región de Coquimbo con el modelo hidrológico VIC, a pasos temporales de 3, 6, 12 y 24 horas, calibrando siempre a nivel diario mediante los caudales observados. Se buscar analizar si existen diferencias sistemáticas en la representación de los procesos hidrológicos de cada paso temporal, así como en el ajuste que alcanzan sus caudales simulados respecto los observados. Los resultados muestran que, la representación de los procesos hidrológicos en cuanto a escorrentía, evaporación, sublimación y estacionalidad de los caudales tiende a ser similar entre los pasos de 3, 6 y 12 horas, alcanzando un KGE del caudal medio diario casi idéntico durante calibración. Por lo mismo, la variación de sus parámetros calibrados en esta etapa corresponde a un reajuste por efecto del cambio de resolución temporal. Aún así, existen leves diferencias en los procesos nivales de estos pasos temporales, que en validación se traducen en ajustes disimiles. Es así como según la cuenca, puede existir una mejora al pasar desde las 3 a 12 horas, un empeoramiento o una variación nula. En promedio, en términos de KGE, las modelaciones de 3 y 6 horas son equivalentes durante validación y la modelación de 12 horas levemente inferior. Por otro lado, el paso de 24 horas, tiene una representación de los procesos hidrológicos diferente a los demás pasos, que se caracteriza por una sublimación muy menor (casi nula). Su ajuste de caudales medios diarios tiende a ser igual o incluso mejor que los otros pasos, tanto en calibración como validación, y lo mismo ocurre con el ajuste la curva de variación estacional de caudales y los sesgos de las curvas de duración. Por lo tanto, respecto si existe un paso temporal más conveniente para modelar se aconseja, en esta zona geográfica, modelar a 3, 6 o 24 horas teniendo en cuenta que para las 24 horas la representación de los procesos hidrológicos es diferente pero con un ajuste que, en ciertas cuencas, es muy superior. / Powered@NLHPC: Esta investigación/tesis fue parcialmente apoyada por la infraestructura de supercómputo del NLHPC (ECM-02)

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.

Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Memoria para optar al título de Ingeniero Civil / El presente trabajo incorpora el efecto no estacionario en el análisis de series hidrometeorológicas de precipitación mensual y extrema diaria, además de temperatura media mensual. Este efecto se considera para el desarrollo de una metodología estadística de corrección de sesgo para Modelos de Circulación General, como también en un análisis de frecuencia dinámico, basado en distribuciones de probabilidad condicionada. En un comienzo, se realiza un análisis de tendencias en las series hidrometeorológicas, incluyendo diferentes métodos para cuantificarla. Para la metodología propuesta de corrección de sesgo, se elige un GCM apropiado para el análisis, incorporando indicadores que logren cuantificar el efecto no estacionario. Luego, se propone un método basado en curvas adimensionales y tendencias observadas para corregir los datos desde los modelos y realizar una proyección en un futuro cercano (2020-2049), bajo el escenario RCP 8.5. La metodología se aplica para series de precipitaciones semestrales y temperaturas medias mensuales. Por otro lado, para las series de precipitaciones extremas, la no estacionareidad se incorpora en un análisis de frecuencia basado en distribuciones GEV, donde se incluyen dos tipos de covariables: (i) adoptadas en base a variables dinámicas, explorando teleconexiones entre los extremos y fenómenos de circulación general atmosférica, y (ii) modeladas como tendencias determinísticas lineales, dependientes del tiempo. Los resultados muestran, en líneas generales, tendencias a la baja para las series de precipitación semestral (-0,4 a -2,7 mm/año) y al alza para series de temperatura media mensual (0,01 a 0,1 °C/dec). Para el caso de las precipitaciones extremas, se distinguen tendencias levemente a la baja (-0,1 mm/año) en las medias, con una marcada tendencia al alza en la varianza de las series (hasta 0,2 mm/año). Con respecto a la metodología de corrección de sesgo, se obtienen proyecciones futuras con diferencias en medias de hasta 1,5 °C y 20% con respecto a la metodología de función de transferencia estacionaria, para series de temperatura y precipitación, respectivamente. La metodología propuesta logra cuantificar bien los diferentes cambios estacionales de invierno y verano. Para el análisis de extremos, se identifican dos zonas homogéneas en Chile Central: una zona norte, bien correlacionada con el fenómeno de El Niño (ρ=0.49) y una zona sur, relacionada con otros fenómenos de circulación atmosférica (vientos y presiones). Con respecto al análisis de frecuencia con tendencia lineal como covariable, se observa un incremento futuro de hasta 43% en los valores de precipitación asociados a periodos de retorno de 100 años. La conclusión sugiere que los resultados cambian al incorporar el enfoque no estacionario en el análisis de las series. Este enfoque resulta ser necesario para el trabajo con este tipo de datos, al menos para tener una discusión robusta de la incertidumbre.

Memoria para optar al título de Geólogo / Chile centro-sur ha sufrido un déficit en los balances hídricos regionales y los recursos hídricos han empezado a impactar el suministro de agua potable en algunos sectores. El presente estudio abarca la variación de los recursos hidrogeológicos de la cuenca semiárida de Nilahue (1390 km2), ubicada en la cordillera de la costa de la región de O´Higgins donde, las precipitaciones promedian 647mm/año con un potencial de evapotranspiración de 1310 mm/año durante el periodo 1986-2016. Usando los datos hidrológicos mensuales disponibles provistos por la DGA (Dirección General de Aguas) y CR2 (Centro del Clima y la Resiliencia) de precipitaciones, caudales de escorrentía superficial y potencial de evapotranspiración este estudio calcula las recargas difusas en el acuífero tanto a escalas mensuales como anuales a través de un balance hidrológico de la cuenca en el periodo 1986-2016. A una escala anual, las recargas son muy variables y van desde los 0 mm/año (1990 y 1998) a 705 mm/año en 2002, promediando 277±224 mm/año durante el periodo de estudio ocurriendo para años con precipitaciones mayores a 360 mm/año acorde la siguiente relación Recarga=0.96*Pp-343,5(R2:0,9). Para ambas escalas temporales se observa una clara relación temporal entre las recargas y la escorrentía superficial, validando el modelo hidrogeológico. Durante la megasequía de 2010-2016 en Chile sur y central las precipitaciones experimentaron una disminución de un 28% en la cuenca de Nilahue, llevando a una drástica baja en (i) la frecuencia de eventos de recarga en el acuífero y (ii) en las recargas anuales (141±57 mm/año). Pronósticos climáticos indican eventos de megasequías más frecuentes en Chile centro y sur para el periodo 2010-2050. Así, el presente estudio destaca una alarmante baja en las tasas de recarga difusa futura, que, junto con un incremento de la demanda de agua, llevarán a un agotamiento de los recursos hídricos.