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A machine learning-based analysis of actual evaporation drivers across different land covers in the chilean andean plateau
(2024) Boada Campos, Javiera Ignacia; Suárez Poch, Francisco Ignacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La estimación precisa de la evaporación (E) es crucial para la gestión del agua en regiones áridas como el Altiplano chileno. Aquí, E es el principal flujo de salida de agua en cuencas endorreicas, predominando en salares, superficies vegetadas, suelos desnudos con aguas subterráneas poco profundas y lagunas salinas someras. Estimar E es desafiante debido a su naturaleza altamente dinámica, influenciada por procesos atmosféricos y por el tipo de cobertura terrestre. Aunque los algoritmos de aprendizaje automático (ML) han mostrado ser prometedores para entender E, aún no se ha profundizado en cómo la cobertura terrestre afecta las principales variables que predicen E. Este estudio emplea técnicas de ML para determinar los impulsores de E en distintas coberturas evaporíticas del Altiplano. Tres algoritmos de ML fueron evaluados utilizando flujos de E y datos ambientales de campañas de terreno. Random Forest (RF) emergió como el algoritmo más efectivo debido a su mejor rendimiento y menor tiempo de ejecución. Las variables ambientales clave fueron identificadas utilizando el método explicativo SHAP. Los resultados revelaron que E en salares y vegetación están principalmente limitadas por la disponibilidad de energía. El suelo desnudo se ve influenciado tanto por la energía como por la disponibilidad de agua, mientras que la turbulencia mecánica domina sobre las superficies de agua. Al definir umbrales de impacto para los principales impulsores, se demostró la interdependencia entre procesos físicos y estados ambientales en la promoción de E. Finalmente, la sensibilidad del modelo indicó que es posible predecir E con cuatro variables para salares, vegetación y suelo desnudo, y tres para superficies de agua, sin pérdida significativa de precisión. Este enfoque permite establecer una red de estaciones meteorológicas de bajo costo para estimar E en toda la región. Esta investigación mejora la comprensión de cómo las características de la superficie y las condiciones ambientales influyen en E, ofreciendo información valiosa para la gestión efectiva de los recursos hídricos en regiones áridas.
A water balance approach to estimate fog water contribution to a relict forest in the coastal semi-arid region in Central Chile
(2024) Pacheco Canales, Valentina J.; Vicuña Díaz, Sebastián; Suárez Poch, Francisco Ignacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La niebla marina a lo largo de la costa occidental de Chile, en la región semiárida y mediterránea, ejerce influencia en los patrones de vegetación costera y representa una fuente de agua significativa, aunque subestimada, para el balance hídrico de la cuenca. Aunque se ha sugerido que los vientos del sudoeste transportan la niebla marina tierra adentro, la comprensión de esta dinámica es limitada. Por ello, este estudio tiene como objetivo analizar la niebla costera en la costa de la región central de Chile, examinando su distribución temporal, contenido de agua y recolección, en relación con la presencia de bosques relicto. Se enfoca en un bosque relicto ubicado en la costa semiárida de Chile, a 3.5 km tierra adentro, con una altitud de 650 metros. Este bosque, dominado por Aextoxicon punctatum, sobrevive con menos de 200 mm de precipitación anual, lo que destaca la importancia crítica del agua de niebla. El enfoque metodológico implica un análisis del balance hídrico adaptado a las contribuciones de agua relacionadas con la niebla, considerando la precipitación, evapotranspiración, acumulación de suelo y entrada de niebla a diferentes escalas. Los hallazgos revelan que la niebla se presenta el 17% del tiempo y contribuye hasta el 75% a la evapotranspiración del bosque, con una capacidad de captura de niebla de hasta el 10.5%. Sin embargo, según los datos de sensores de humedad del suelo, la niebla capturada parece no penetrar profundamente en el suelo ni generar escorrentía. Se exploró la variabilidad de la eficiencia de captura de niebla del bosque con respecto a la elevación, el área de recolección y la evapotranspiración. Estos resultados resaltan la importancia del agua de niebla como fuente vital para la vegetación y enfatizan la necesidad de integrarla en evaluaciones más amplias para predecir mejor los recursos hídricos y conservar los ecosistemas.
Análisis y modelación del efecto del fuego en la estabilidad de los agregados del suelo
(2023) García Ramos, Susan Alicia; Bonilla Meléndez, Carlos Alberto; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los incendios forestales están alterando muchos de los ecosistemas del mundo y poniendo en riesgo la salud del suelo. La cantidad de agregados estables en agua (WSA, water-stable aggregates) es una de las principales propiedades que define la estructura y las funciones del suelo. Sin embargo, el fuego altera la WSA de manera distinta y compleja. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación fue comprender y estimar el efecto del fuego sobre la WSA. Para ello se analizó y construyó una base de datos a partir de 16 estudios previos, que contenían datos de las propiedades básicas del suelo antes de la quema, la temperatura máxima alcanzada en el suelo y la WSA después de la quema. Utilizando dicha base de datos se desarrollaron tres modelos de aprendizaje automático: la red neuronal de una sola capa o modelo de perceptrón multicapa (MLP), el árbol de decisión (DT), y el bosque aleatorio (RF); para estimar la WSA después de la quema. Los resultados muestran que el cambio en la WSA después de la quema versus la temperatura alcanzada en el suelo, presentan correlaciones positivas en suelos arcillo limosos, suelos con contenido de materia orgánica (MO) < 4%, y suelos con pH ≥6. Correlaciones negativas en suelos areno francosos y franco arcillosos, y en otros casos no se encontraron tendencias. Además, el modelo RF presentó la mejor capacidad predictiva de la WSA después de la quema, clasificándose como un buen modelo con un R2 de 0,83, RMSE de 14,9, y MAE de 12,1 para el conjunto de validación. DT obtuvo un buen rendimiento con un R2 de 0,80, RMSE de 15,1, y MAE de 10,5, y MLP mostró una capacidad de predicción aceptable con un R2 de 0,66. Adicionalmente, a partir de la interpretación de los modelos se pudo determinar que la WSA inicial (pre- quema), el pH, la MO, y la temperatura que alcanzó el suelo son los factores más influyentes en la estimación de la WSA después de la quema. Los modelos generados son los primeros modelos para estimar la WSA después de un incendio, y pueden acoplarse a modelos existentes de hidrología de suelo o erosión de suelos, ayudar a determinar el impacto de los incendios sobre el suelo y a partir de ello, plantear estrategias de recuperación y manejo de suelos.
Cierre del balance hídrico por medio de teledetección y estimación de la evolución del almacenamiento de agua subterránea en el norte de Chile
(2023) Muñoz Peña, María Cecilia; Suárez Poch, Francisco Ignacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En el norte de Chile existe una escasa oferta de agua superficial, sumado a la sequía que enfrenta el país desde el año 2010 (Garreaud et al., 2017), esto ha llevado a estados críticos de explotación del agua subterránea (Suárez et al., 2020). Los métodos convencionales de monitoreo de niveles presentan limitaciones en la densidad y cobertura de las redes de monitoreo. La misión Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), permite estimar anomalías de almacenamiento de agua terrestre (TWS), que en conjunto con Global Land Data Assimilation System (GLDAS) entregan estimaciones de anomalías de almacenamiento de agua subterránea. Montecino et al. (2016) evaluaron por primera vez estos productos satelitales en el norte de Chile. Donde observaron diferencias significativas en términos de magnitud entre las estimaciones obtenidas con datos in-situ y con datos de teledetección. En esta investigación se busca utilizar los datos de GRACE y GLDAS para estimar la anomalía de almacenamiento subterráneo en el norte grande de Chile, mediante la metodología de cierre del balance hídrico probabilístico propuesta por Schoups & Nasseri (2021), y así analizar si productos GRACE entregan resultados mejores que los obtenidos por Montecino et al. (2016). La metodología aplicada permitió obtener un mejor resultado de la raíz del error cuadrático medio (RMSE) de 13,6 mm máximo y 13,1 mm mínimo con mascons JPL con factor de ganancia. A pesar de mejorar el resultado, las correlaciones calculadas entre los datos modelados e in-situ son bajas. Estos resultados están asociados a limitaciones en los datos de precipitación y la escasez de datos de pozo que representen la estacionalidad de la zona. Por lo que se presenta como oportunidad de mejora a este estudio abordar el problema con enfoque de representación de acuífero para evaluar si los productos satelitales permiten reducir la escala de la zona de estudio. Además, como mejora al modelo se puede incorporar las extracciones asociadas a la cuenca, con el objetivo de reducir la incertidumbre de la representación. Respecto a la incertidumbre asociada a la precipitación, se debe evaluar la implementación de otros productos satelitales en sustitución del CR2MET. Finalmente, respecto a los datos obtenidos por la metodología de Schoups & Nasseri (2021) en la zona de estudio, se debe considerar evaluar sus resultados comparándolos con el balance hídrico nacional desarrollado por la DGA durante el 2017.
Co-optimization of electric networks and integrated water supply systems: joint planning as a cost-effective solution for water-scarce areas
(2023) Andrade Hernández, Sebastián Alejandro; Sauma Santis, Enzo Enrique; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Dado el creciente uso de la desalinización para satisfacer las demandas de agua, especialmente en regiones áridas, una solución costo-efectiva es la adopción de un sistema integrado de suministro de agua compartido por varios usuarios. Reconociendo las similitudes entre agua y energía, y la naturaleza intensiva en energía de la desalinización, este estudio explora el nexo agua-energía, aplicando técnicas de planificación energética a la planificación de redes de agua desalinizada, optimizando ambos recursos de manera conjunta. Aborda factores complejos, como restricciones de transmisión, generación descentralizada, estacionalidad, factores de capacidad horarios, perdidas por fricción en tubería de agua, y diversas tecnologías de generación y desalinización, dentro de un modelo lineal co-optimizado. Se realiza un caso de estudio en la región de Antofagasta para validar el modelo, caracterizada por su escasez de agua, un abundante potencial renovable y puntos de demanda en altitudes elevadas, proyectados hasta 2050. El análisis también evalúa la preparación de una red de desalinización integrada para satisfacer las demandas de agua. Los principales hallazgos destacan la importancia de considerar las leyes de Kirchhoff al planificar redes integradas de agua y energía, especialmente cuando los costos de transporte de agua son sustanciales, ya que esto lleva a resultados económicos superiores comparándolos con enfoques no cooperativos. Si bien las perdidas por fricción representan una fracción relativamente menor del consumo de energía, influyen significativamente en el tiempo de las inversiones. Notablemente, la región de Antofagasta no está preparada para satisfacer toda su demanda de agua y su demanda de energía asociada. Al año 2050, la desalinización podría contribuir hasta un 17% del total de la demanda energética en la región, resaltando la necesidad de políticas efectivas para abordar este desafío.
Complexity, lower bounds, and algorithms for searching infected nodes in uncertain trees
(2023) Baboun Larach, José; Verschae, José; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Abordamos el desafío de identificar nuevos brotes de COVID-19 a través de la red de aguas residuales de una ciudad. Es posible que tengamos información parcial de la red. En particular, una serie de tuberías no identificables que aparecen en los datos no transportan flujo en la realidad. Resolvemos el problema de encontrar nuevos brotes realizando una secuencia de consultas adaptativas en los nodos de un grafo acíclico dirigido, el cual modela la red. Una consulta determina si el nodo infectado envía agua contaminada a través del nodo consultado, asumiendo que el agua fluye a través de un árbol dirigido desconocido. Nuestro modelo es robusto ante cualquier realización del árbol. Mostramos que el problema es NP-difícil cuando se intenta minimizar el número de consultas en el peor caso. Luego presentamos algunas características de la solución óptima, incluyendo propiedades y cotas inferiores para los escenarios promedio y peor caso. Demostramos que el treewidth del grafo no es una cota inferior de la altura de la estrategia de búsqueda óptima. Para resolver el problema computacionalmente, presentamos tres algoritmos heurísticos. El Algoritmo de Entropía proporciona soluciones efectivas cercanas a la solución óptima para el caso sin incertidumbre. Sin embargo, su tiempo de ejecución puede ser exponencial en el número de diferentes caminos del grafo. El Algoritmo de Separación de Caminos retorna resultados ligeramente peores, pero se puede implementar en tiempo polinomial. Finalmente, conectamos con el marco de Group Testing. Damos un algoritmo óptimo para el caso sin restricciones en el tamaño del conjunto a testear, así como una 5-aproximación para cuando este tamaño está acotado por el número separador del grafo multiplicado por el grado de entrada. Nuestros hallazgos tienen impacto en las áreas de Group Testing, investigación de operaciones, diseño de algoritmos y epidemiología en aguas residuales.
Cuantificación del progreso del Objetivo de Desarrollo Sostenible 6 en Chile: un enfoque holístico y local
(2023) Madrazo Ortega, Daniela Ivannova; Molinos Senante, María; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La implementación de la Agenda 2030 en Chile no ha sido medida de forma integral principalmente por la falta de la información necesaria para cuantificar los indicadores de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). En particular, para el ODS 6, que es de especial importancia en un país que enfrenta una crisis hídrica, solo se ha medido parcialmente el cumplimiento de este con énfasis en las metas asociadas al suministro de agua potable, servicios de saneamiento y estrés hídrico. Por esto, el objetivo de este estudio es evaluar de forma cuantitativa y holística el cumplimiento del ODS 6 en Chile, incorporando todas las metas que considera este objetivo. Para ello, se propone un acercamiento al problema de tres etapas: análisis crítico de los indicadores del ODS 6 usando los criterios SMART (specific, measurable, achievable, realistic, time-bound), propuesta de indicadores locales o de metodologías para la medición de los originales, y por último cálculo de un índice compuesto como una medida sintética que refleje el progreso del ODS 6. Los resultados arrojan que en Chile no se ha alcanzado ninguna de las metas del ODS 6 y que su principal debilidad es la falta de implementación de la gestión integrada de recursos hídricos, la falta de acuerdos transfronterizos en materia hídrica y la falta de participación comunitaria en las decisiones asociadas a la gestión hídrica. Por el contrario, el país ha alcanzado niveles cercanos a las metas asociadas al suministro de agua potable y saneamiento. Esta investigación provee de un grupo de indicadores locales específicos para Chile, siguiendo los lineamientos de la ONU y de estudios previos, que pueden ser medidos de forma pragmática y económica.
Determining advective fog variability and stratocumulus cloud vertical structure combining a thermodynamic characterization of the marine boundary layer with a ground optical fog observation system
(2022) Huamán Sevilla, Zeidy Lisseth; Suárez Poch, Francisco Ignacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La nube estratocúmulo (Sc), responsable de la formación de niebla advectiva en la costa del Desierto de Atacama, es una valiosa fuente de agua dulce sin explotar con potencial para enfrentar la escasez de agua en esta región. Sin embargo, se sabe poco acerca de características como la variabilidad estacional de la niebla y la estructura vertical de la nube que son esenciales para evaluar el potencial hídrico de recolección de niebla. Para investigar estas características, se combinó una caracterización termodinámica de la temperatura potencial (θ) y la humedad específica (q) en la capa límite marina (MBL) con un sistema de observación óptico de niebla (GOFOS) que mide directamente la variabilidad espaciotemporal de la niebla. Los gradientes verticales θ y q se emplean para encontrar umbrales estacionales que definen los regímenes de MBL relacionados con la formación (MBL bien mezclada) y disipación de niebla (MBL estratificada); la elevación del nivel de condensación (LCL) y redes neuronales artificiales (ANN) se utilizaron para estimar la elevación de la base de la nube Sc (CB). Además, se utilizaron modelos de regresión lineal múltiple (MLRM) y ANNs para encontrar la elevación del techo de la nube Sc (CT). A pesar de que se observó una variabilidad estacional de los gradientes verticales de θ y q, los umbrales que definen los regímenes de MBL relacionados con la formación de niebla son casi constantes a lo largo del año. La detección de niebla usando los gradientes verticales de θ coincidió el 95% del tiempo durante el invierno y la primavera, mientras que la detección de niebla usando los gradientes q coincidió en ~69% en las mismas estaciones. Un análisis de regresión logística demostró que los eventos de niebla se pueden clasificar con una buena precisión (0,82), utilizando solamente θ como variable predictiva. Los CB’s estimados con ANNs muestran una mejor concordancia (r2 = 0.67) con las observaciones de GOFOS a lo largo del año, en comparación con el método LCL; con errores menores al 4%. Finalmente, tanto MLRM como ANN muestran una buena concordancia con las observaciones de GOFOS para estimar CT (r2 = 0.84 y r2 = 0.92, respectivamente; con errores menores al 4%). Los resultados de este estudio revelan que las características esenciales de la formación de niebla y su variabilidad estacional se pueden aproximar a través de observaciones meteorológicas estándar.
Estudio de la auto-consolidación de depósitos de relave filtrado en condición no saturada
(2025) Cabañas Cañas, Miguela Andrea; Sáez Robert, Esteban; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Chile se sitúa como el primer productor de cobre a nivel mundial con más de 5 Mton de cobre fino al año, aun cuando el efecto de envejecimiento de las minas ha conllevado a una disminución en la ley de cobre promedio y a la profundización de los cuerpos mineralizados que son explotados. Debido a lo anterior y al método de procesamiento de mineral sulfurado, la generación de desechos mineros ha ido en aumento, por lo que existe una creciente necesidad de espacio donde depositar relaves. De esta manera, el Programa Alta Ley (Fundación Chile, 2016) ha establecido el desafío de enfrentar la creciente escasez de agua y superficie, donde los relaves filtrados, cuyo contenido de humedad no supera el 20%, se presentan como una de las soluciones que permite disponer relaves con un menor contenido de agua y, por tanto, haciendo uso de una menor superficie, controlando las eventuales infiltraciones en la base hacia el terreno natural. Existen escasas investigaciones relacionadas al estudio del flujo en relave filtrado por efectos de auto-consolidación en condición no saturada, que permitan predecir el comportamiento de estos grandes de depósitos, dispuestos tanto en forma apilada (acopios), como aterrazados en laderas de cerros. Se estudió un modelo físico (permeámetro) de gran tamaño, para monitorear la saturación y consolidación del relave, complementado con un modelo computacional para predecir su comportamiento a largo plazo. Como resultado de los análisis, se tiene que se produce una disminución en la saturación, efecto fuertemente controlado por el fenómeno de evaporación, lo que es consistente con las pruebas realizadas en el experimento físico, por lo tanto, es posible afirmar que el permeámetro de gran tamaño entregaría una estimación próxima y representativa de la condición de depositación del relave filtrado.
Evaluación de las preferencias de las personas y factibilidad económica del reúso de aguas grises: un caso de estudio de la Región Metropolitana de Chile
(2023) Cepeda Moya, Fernanda Pascal; Molinos Senante, María; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La sequía junto a otros factores como el creciente aumento de la población y los impactos del cambio climático han generado incertidumbre en la disponibilidad de agua. De esta manera, el objetivo general de la investigación fue identificar las preferencias de las personas en relación con la reutilización de aguas grises y evaluar la factibilidad económica de su operación en diferentes escalas residenciales (condominio de casas, edificio entre 2 a 7 pisos, y edificio entre 8 a 25 pisos), en la Región Metropolitana de Chile. Para lograr esto, se realizó un experimento de elección y los atributos estudiados fueron: organismo responsable de la gestión del reúso, disminución de consumo de agua potable y aumento en gastos comunes. Así mismo, se evaluaron dos escenarios: i) situación actual sin racionamiento de agua potable; y ii) situación con racionamiento de agua potable. Los resultados fueron utilizados para determinar la disposición a pagar (DAP) y el incentivo requerido para promover la reutilización (IPR). Por último, se calcularon los costos de operación y mantención (OPEX) de proyectos de reutilización, para evaluar su viabilidad económica. La DAP sin racionamiento de agua fue de 63.750, 50.968 y 40.783 CLP/mes/vivienda para las escalas de condominio de casas, edificio de 2 a 7 pisos y edificio de 8 a 25 pisos, respectivamente. Para las tres escalas, bajo el escenario de racionamiento, la DAP incrementó entre un 73% y 120%, lo que muestra que las personas valoran esta actividad como una opción para mejorar su seguridad hídrica. El análisis de viabilidad económico basado únicamente en los elementos tangibles resultó negativo en todas las alternativas. Sin embargo, al incorporar la DAP, la reutilización de aguas grises se evidencia como una alternativa económicamente viable para todas las escalas, excepto en condominios de casas bajo el escenario sin racionamiento de agua.
Exploring the capability of SARIMA models for meteorological and hydrological drought forecasting in Chile
(2023) Núñez Grahmann, Marialina I.; Gironás León, Jorge Alfredo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La sequía puede ocurrir en cualquier región del mundo, generando efectos negativos en los sectores afectados y sus habitantes. La sequía puede verse exacerbada por el cambio climático y el aumento de la demanda de agua por parte de diversos sectores sociales y económicos, ambos problemas bastante evidentes en Chile, Sudamérica. Para el desarrollo de esquemas eficientes de mitigación de la sequía, es importante desarrollar pronósticos de sequía para los sistemas de alerta temprana, apoyando la planificación y gestión de los recursos hídricos. Este trabajo evalúa las habilidades de los modelos SARIMA (Modelo estacional autorregresivo integrado de media móvil) para predecir el comportamiento futuro de los índices de sequía (es decir, el índice de precipitación estandarizado, IPE, y el índice de caudal estandarizado, ICE) en Chile, un país con una variedad de condiciones climáticas y geográficas. Para ello, ajustamos modelos SARIMA utilizando registros históricos de IPE e ICE desde enero de 1990 hasta diciembre de 2016, los que luego son evaluados durante el período comprendido entre enero de 2017 y diciembre de 2020 utilizando métricas de desempeño de Porcentaje Correcto y Error Medio Cuadrático, así como las métricas de Peirce Skill Score y Ranked Probability Skill Score. Los resultados muestran que, considerando el valor más conservador según las puntuaciones de habilidad, el 26% y el 6% de los modelos pronosticados logran un pronóstico significativo de hasta 6 meses de adelanto para ICE e IPE respectivamente. Utilizando la regulación chilena, la declaración de sequía resultó ser mejor pronosticada hacia el sur.
Groundwater/surface water exchange from temperature time series: a comparative study of heat tracer methods
(2023) Saphores Zaldívar, Erik; Suárez Poch, Francisco Ignacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
En las últimas décadas se han desarrollado varios métodos para estimar intercambios entre aguas superficiales y subterráneas en base a series temporales de temperatura medidas bajo el lecho de cuerpos de agua. Sin embargo, el desempeño de estos métodos no se ha estudiado comparativamente. Aplicamos seis métodos para derivar flujos de intercambio a una serie temporal de temperatura de dos años de duración: tres métodos analíticos, que calculan el flujo utilizando la amplitud o la fase de las señales de temperatura (o ambas); y tres métodos numéricos, que utilizan diferentes esquemas para resolver inversamente la ecuación de transporte de calor en 1D bajo el lecho. Las mediciones de temperatura se realizaron en el contexto de una disputa internacional entre Chile y Bolivia sobre el estatus y uso de las aguas del río Silala. Los flujos estimados oscilaron entre -0,5 y 3,5 m d-1, mientras que los flujos estimados mediante la ley de Darcy oscilaron entre 0,5 y 6 m d-1. Los resultados muestran que el método de mejor desempeño corresponde al método de amplitud. El método de amplitud fue el más apto para estimar el sentido de los flujos, el método combinado de amplitud y fase fue el más apto para capturar la tendencia mensual de los flujos y el método LPMLEn fue el más apto para estimar flujos en condiciones transientes. El uso del calor como trazador demostró ser una herramienta eficaz para monitorear los intercambios entre aguas superficiales y subterráneas en un tramo de río durante dos años y proporcionó estimaciones del flujo de intercambio con menor variabilidad que la ley de Darcy.
Instrumentos flexibles para abordar la seguridad hídrica en un contexto de incertidumbre climática un estudio de caso de contratos de opción en la cuenca del río Aconcagua
(2024) Ávila Troya, Antonia Ignacia; Vicuña Díaz, Sebastián; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El cambio climático afecta a una gran variedad de fenómenos meteorológicos y climáticos extremos en todo el mundo, provocando diversas consecuencias adversas en la seguridad alimentaria e hídrica. Esto ha afectado especialmente a algunos países, como Chile, que sufre actualmente la sequía más larga de su historia. El posible agravamiento futuro de esta situación ha motivado diversos estudios que evalúan distintas medidas de adaptación para evitar problemas de seguridad hídrica. Un ejemplo de estas medidas es la implementación de contratos de opción. Este instrumento corresponde a una transferencia temporal de agua de un usuario (normalmente un usuario agrícola) a otro (normalmente un proveedor de agua potable). Un contrato de opción es probable que se ejecute cuando exista una condición climática que lo amerite y se considera una compensación monetaria para los usuarios que entregan el agua. Los contratos de opción permiten al titular posponer las decisiones de compra de agua hasta disponer de más información. Esta tesis presenta un estudio de caso sobre la aplicación de este instrumento como herramienta para reducir el impacto de la sequía en el consumo humano en un contexto de incertidumbre climática, en la cuenca del río Aconcagua durante el periodo 2019-2060. Los resultados muestran que, dependiendo del escenario climático, el contrato se activa de 0 a 49 veces durante el período de estudio. En caso de activación, aumenta el volumen de agua recibido por la empresa de saneamiento. De este estudio se concluye que los contratos de opción reducen los niveles de demanda insatisfecha que presentará la empresa de saneamiento debido a las condiciones futuras, mejorando la seguridad hídrica de los habitantes de la zona donde se aplica la medida.
Integración de la operación de embalses multipropósito en sistemas hídricos a escala de cuenca y sistemas eléctricos de gran escala
(2023) Durán Flores, Antonia Ignacia Paz; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Vicuña Díaz, Sebastián; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los fenómenos climáticos, particularmente las sequias hidrológicas, han impulsado un cambio de paradigma en las estrategias de planificación de embalses. La operación de embalses multipropósito juega un papel fundamental en la gestión de los recursos hídricos almacenados, apoyando diversas actividades como la generación de electricidad y el riego agrícola. Con el objetivo de analizar la planificación y simulación de los sistemas de energía y agrícolas, se propone un enfoque integrado que combina un modelo de coordinación hidrotérmica y un modelo de gestión de recursos hídricos. La metodología permite evaluar en diferentes escenarios hidrológicos las políticas que definen la operación de un embalse multipropósito y su desempeño. Además, se realiza una modificación a esta política, mejorando la prioridad al sector agrícola y se evalúa su efecto frente a variaciones hidrológicas en lo afluentes. Esta metodología se desarrolla en lago Laja, un embalse multipropósito relevante en capacidad de generación hidroeléctrica y con grandes extensiones de predios para riego. Con perspectiva hacia el año 2025, los resultados demuestran que los cambios hidrológicos impactan directamente en el desempeño eléctrico y agrícola, ya que las condiciones de sequía conducen a un aumento en la generación térmica, los costos, la intensidad de emisiones y los déficits. Además, la modificación de la política revela trade-offs entre la intensidad de emisiones del sector eléctrico y los déficits agrícolas, donde los escenarios secos indican que mejorar la confiabilidad agrícola resulta en un bajo costo de emisiones, incentivando a promoción de políticas que estén alineada con los objetivos de carbono neutralidad.
Integration of near surface complementary geophysical techniques for the study of ancient archaeological areas in the Atacama Desert case study : Iluga Archaeological site, Northern Chile
(2022) Gallegos Poch, Fernanda Andrea; Yáñez Carrizo, Gonzalo Alejandro; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La geofísica somera ha demostrado ser una herramienta de gran utilidad para la caracterización de sitios arqueológicos debido a su capacidad de cubrir grandes superficies en cortos períodos de tiempo obteniendo datos de alta resolución para mapear objetos y estructuras en profundidad. Esto permite caracterizar diversas propiedades del subsuelo y definir zonas anómalas claves para las excavaciones, limitando así la destrucción del sitio. En ambientes hiper áridos, las técnicas utilizadas para la caracterización de sitios arqueológicos se ven afectadas por el bajo contenido de humedad del subsuelo complejizando el estudio de estos. El presente estudio propone la integración de 3 equipos geofísicos: ‘Ground Penetrating Radar’ (GPR), un equipo electromagnético de inducción (EMI) y un equipo de tomografía sísmica de alta resolución (HRST), para la caracterización de estructuras circulares alineadas en dirección EW que atraviesan al sitio arqueológico de Pampa Iluga, ubicado en la Pampa del Tamarugal (Desierto de atacama). El GPR fue capaz de reconocer depósitos aluviales y el relleno eólico de las estructuras circulares, alrededor de las cuales se encontraron raíces reconocidas como hipérbolas en la señal. Por otro lado, para el caso del equipo EMI, la componente de in-phase, normalmente desestimada, pudo identificar la presencia de cenizas y zonas quemadas asociadas a un alto local de susceptibilidad magnética. Finalmente, la HRST reconoció el relleno eólico como un bajo de velocidad de la onda sísmica y anomalías puntuales de alta velocidad que se asocian a las raíces en profundidad. De acuerdo a lo anterior y corroborado por la excavación realizada en el sitio, las estructuras circulares son el resultado de un extenso proceso de deforestación ocurrido en la Pampa del Tamarugal, donde se extrajo tanto del tronco como de las raíces de algarrobos (Prosopis chilensis) o tamarugos (Prosopis tamarugo) probablemente para la producción de carbón. La metodología geofísica propuesta, entrega resultados prometedores para estudios de sitios arqueológicos en ambientes hiper áridos. Finalmente, una vez reconocida la presencia de árboles en el sitio, se estimaron sus tasas de evapotranspiración mensuales y anuales para determinar la necesidad aproximada de agua de los árboles que habitaron el sitio. Eventos pluviométricos ocurridos en los últimos 18,000 años, habrían generado las condiciones climáticas e hidrológicas que permitieron el desarrollo de los árboles en el sitio, lugar que hoy es hostil y no permitiría su desarrollo debido a la ausencia de agua en superficie y la profundidad de la napa subterránea. física, GPR, EM38, Desierto de Atacama, Zona hiper árida, deforestación.
Modeling wave-induced bedload transport and morphodynamics in a bar-built estuary
(2025) Gutiérrez Leyton, Karol; Escauriaza Mesa, Cristián Rodrigo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Los estuarios de tipo barrera, en climas mediterráneos, presentan interacciones complejas entre el oleaje, el transporte de sedimentos y la evolución morfológica costera. Su tendencia a cerrarse periódicamente influye en los gradientes de salinidad, la circulación estuarina y los ecosistemas, y está fuertemente modulada por la variabilidad del oleaje y el nivel del mar. En esta investigación se estudia la dinámica sedimentaria mediante simulaciones con resolución de fase, utilizando un modelo de tipo Boussinesq, con el fin de cuántificar el transporte inducido por las olas y los cambios morfológicos en un estuario de barrera. El modelo incorpora una formulación de transporte de fondo que considera efectos inerciales y gravitacionales bajo condiciones no estacionarias. Se analizan dos niveles del mar constantes para evaluar la influencia del nivel medio durante un evento de tormenta. Los resultados muestran que las olas de infragravedad dominan el transporte de sedimentos a través de la barra y hacia el canal del estero. Un nivel del mar más alto produce una mayor retención de sedimentos y relleno del canal, debido a velocidades reducidas y un depósito más acentuado. Las simulaciones revelan fuertes retroalimentaciones entre la rompiente de olas, el transporte sedimentario en la zona de la barra y los cambios morfológicos, lo que resalta la importancia de representar los efectos de infragravedad y los procesos transitorios de oleaje en modelos de estuarios. Estos hallazgos tienen implicancias directas para predecir la respuesta estuarina frente al aumento del nivel del mar y a climas de oleaje alterados, y contribuyen al desarrollo de estrategias de manejo sostenible en este tipo de sistemas.
Optimization-based simulation framework for large-scale hydrothermal power systems through interconnected models
(2024) Riquelme Gajardo, Tomás Eduardo; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
El marco propuesto en esta tesis evalúa modelos operacionales que gestionan agua en la generación eléctrica. Este trabajo está motivado por dos consideraciones principales. En primer lugar, la escasez global hídrica requiere gestión inteligente del agua para conservarla en el futuro. En segundo lugar, la necesaria descarbonización de la industria eléctrica posee desafíos por la integración de nuevas tecnologías, nuevas dinámicas operacionales y la mantención de resiliencia de la red. El marco comprende tres modelos interconectados: un modelo de largo plazo, generando condiciones de término para el modelo de mediano plazo; un modelo de mediano plazo, determinando el valor del agua al considerar el impacto de su uso en los costos actuales y futuros, y sirviendo como dato de entrada esencial para el modelo de corto plazo, donde el valor del agua es utilizado como factor de costo por utilizar agua de embalses; y un modelo de corto plazo, representando en mayor detalle el desempeño de la red en comparación con los otros modelos. En nuestra simulación, adoptamos un enfoque de horizonte en ejecución, ejecutando los modelos de manera semanal y utilizando los resultados del modelo de corto plazo de una semana como condiciones iniciales para los modelos de la siguiente semana. Este trabajo considera cuatro experimentos para analizar cómo el cambio en detalles del modelo de mediano plazo afecta en el desempeño. Los hallazgos destacan al marco propuesto como una valiosa herramienta para evaluar el impacto de cambiar características de modelos en el tiempo. Nuestros experimentas muestran que refinar el detalle de corto plazo en el modelo de mediano plazo eleva el valor del agua, resultando en incrementos del nivel de los embalses y los costos operacionales al hacerse más atractivo guardar agua, requiriendo otras tecnologías para compensar los déficits de generación.
Propiedades ópticas del aerosol urbano y reparto de fuentes para carbono negro en la ciudad de Santiago, Chile
(2022) Adasme Brisso, Carla Marion; Jorquera, Héctor; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La ciudad de Santiago presenta concentraciones de material particulado fino por sobre los líımites saludables establecidos por organismos internacionales y las normas locales. El carbono negro es parte de este MP2.5 y cobra especial importancia en los sectores cordilleranos. El BC, es transportado naturalmente por las condiciones meteorológicas desde la ciudad hasta las altas cumbres de la cordillera de los Andes, donde se encuentran los glaciares. Estos son los principales encargados del suministro de agua para gran parte de la ciudad. Recientemente, se han desarrollado técnicas de medición de BC rápidas y fáciles de implementar como el etalómetro. Sin embargo, el modelo derivado de usar el etalómetro no es lo suficientemente específico para discriminar fuentes locales de las que no. Una manera de obtener esta información es a través de algoritmos de conglomerados difusos para encontrar patrones espaciales y temporales. Para comprobar esta hipótesis, se tomó los resultados obtenidos de las mediciones echas con el microAeth MA200, en el año 2020, y se realizó el reparto de fuentes a través de conglomerados difusos. Entre los resultados se logró identificar y cuantificar fuentes locales, como quema de leña (promedio de 0,68 µg/m3 y maximo de 1 µg/m3) y combustible fósil derivado del tráfico (prom.=1,03 µg/m3 , max.=10,78 µg/m3), y el contaminante transportado desde el centro de la ciudad (prom.=1,05 µg/m3, max.=19,46 µg/m3). A diferencia del modelo del etalómetro, este análisis en conjunto permitió agregar más información a los resultados, complementar las fuentes identificadas y mostrar el aumento que ha tenido este contaminante en comparación con estudios hechos previamente en la zona. No obstante, los datos meteorológicos, medidos en simultáneo en el lugar donde se mide el BC, son necesarios para realizar este tipo de análisis. Esto, limita el lugar y situaciones de monitoreo para replicar este método.
Single porosity model: exploring the spatial resolution limits in complex urban patterns
(2023) Nash Constenla, Sebastián Andrés; Jahn von Arnswaldt, Wolfram Michael; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Al modelar inundaciones urbanas a gran escala, el uso de ecuaciones no lineales de porosidad para aguas someras resulta un enfoque interesante para reducir el tiempo de cálculo preservando la estructura de la solución. En estos modelos, la información topográfica a escala fina se representa a escala gruesa mediante la porosidad, lo que permite acelerar los cálculos comprometiendo la precisión de la solución numérica. La porosidad considera el cambio en la sección de almacenamiento e intercambio debido a la presencia de obstáculos (p. ej. viviendas) en la llanura de inundación e introduce un nuevo término fuente de momentum asociado a su gradiente. En este trabajo se utiliza el modelo Single Porosity en coordenadas Cartesianas, calculando la porosidad al nivel de la celda computacional, para la simulación de flujos en una zona urbana idealizada y en un caso de estudio, aumentando gradualmente la resolución espacial. En este proceso se pasa de una escala fina a la macroescala, donde la distribución de porosidad dentro de la zona urbana se va haciendo más uniforme. En una escala intermedia, denominada mesoescala, donde el tamaño de celda es del orden del ancho de la calle y la reducción del tiempo de cálculo es aún significativa, las principales vías preferentes de flujo pueden captarse mediante el gradiente de porosidad. A tal escala, se encuentra una buena concordancia con las soluciones del modelo clásico para la profundidad de agua, área inundada y variables compuestas (por profundidad y velocidad) que indican el peligro de inundación, tanto en magnitud como en distribución espacial. Los resultados numéricos resaltan la importancia de modelos de porosidad para evaluar rápidamente la amenaza, mejorando la previsión en tiempo real y proporcionando información crucial para una toma de decisiones informada durante estos eventos.

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