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    Análisis probabilístico y optimización de los recursos de agua subterránea: el caso del acuífero Maipo-Mapocho, Chile
    (2005) Steinbrügge, Gabriela; Muñoz Pardo, José Francisco; Fernández Larrañaga, Bonifacio
    La creciente demanda de agua subterránea en el acuífero Maipo-Mapocho en Santiago de Chile hace cada vez más necesario el desarrollo de mejores estrategias de gestión. En este estudio se busca diseñar una estructura de explotación de agua subterránea que permita optimizar los recursos y garantizar la sustentabilidad del sistema a través de un modelo de simulación hidrogeológica del acuífero. El problema de gestión es planteado y resuelto mediante el uso de las técnicas de simulación-optimización, la matriz de respuesta unitaria y el método simplex de optimización. Los niveles de agua subterránea se simularon con un modelo numérico bajo diferentes políticas de extracción, utilizando información de la recarga de los últimos años para representar la variabilidad del sistema hidrológico. Luego se ajustaron modelos probabilísticos a las series de niveles, los cuales facilitaron la estimación de la probabilidad de falla de los pozos de bombeo del sistema. Se definió el estado de falla como la instancia en que el nivel del agua subterránea en un pozo se ubica bajo la cota mínima para el bombeo. Con este análisis probabilístico se pudo comparar la eficiencia del diseño Óptimo frente a otras modalidades de operación. El análisis probabilístico evalúa la estabilidad del sistema (para la estrategia optimizada se obtuvo un 57%) y la eficiencia de caudales (se llegó a un 95%). Además, los resultados obtenidos demuestran que el método es adecuado para determinar mejores estrategias de extracción, ya que se logró definir una política de extracción de mayor caudal promedio mensual que el históricamente explotado durante el año 2002
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    Drenaje de aguas lluvias urbanas en zonas semiáridas.
    (2004) Fernández Larrañaga, Bonifacio; Rivera Izam, Pedro A.; Montt Monckeberg, José Pedro.
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    Estudio de dosificaciones en laboratorio para pavimentos porosos de hormigón
    (2009) Castro, Javier; Solminihac Tampier, Hernán E. de; Videla Cifuentes, Carlos; Fernández Larrañaga, Bonifacio
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    Modelación del estrés hídrico en un ecosistema semiárido integrando procesos hidrológicos y de dinámica vegetal a escala local
    (2019) Sepúlveda Manzor, Juan Marcelo; Fernández Larrañaga, Bonifacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En ecosistemas semiáridos con sequías estacionales, la temporada húmeda no coincide con la estación de crecimiento vegetativo. Allí la frecuencia de la lluvia es relevante para las plantas estacionales y anuales, impactando en la disponibilidad anual de agua en el suelo. La relación hidrología-vegetación ha sido escasamente estudiada en sus aspectos locales o de sitio. Del mismo modo, aún no hay un consenso respecto a qué variables son las más adecuadas para modelar la respuesta vegetal en este tipo de ecosistemas y cómo responden ante condiciones de umbral hídrico. En la primera parte de esta tesis se entrega el marco general del estudio. Se seleccionó un sitio representativo de la zona semiárida Mediterránea de Chile central sujeto a sequías recurrentes, donde la formación vegetal dominante es un matorral leñoso de la especie leguminosa Acacia caven (Mol.) Mol. El primer análisis considera la hipótesis de que existe una directa conexión entre la frecuencia de los eventos de precipitación y la productividad vegetal sub-anual. Esta conexión ha sido pobremente cuantificada para A. caven, y para ello se analiza la frecuencia (λ) y la intensidad (α) de los eventos de lluvia sobre dos descriptores vegetales: la productividad potencial total (mEVI) y la máxima actividad fotosintética (iEVI). Para evaluar la sincronía de esta relación, se utilizó un enfoque de análisis de series de tiempo para el período 2000-2014 (15 años). Los resultados indican que tanto iEVI como mEVI muestran una dependencia temporal de corto plazo, correlacionadas significativamente con un desfase de hasta 4 meses respecto a λ. Asimismo, los descriptores de lluvia podrían explicar un alto porcentaje de la variación anual de la respuesta vegetal, y un cambio marginal en λ podría generar un cambio sustancial en mEVI. Por el contrario, el efecto de α sobre la respuesta vegetal fue biológica y estadísticamente poco significativo, especialmente cuando los eventos de lluvia ocurrieron fuera de la estación húmeda. En la segunda parte se estudió la respuesta vegetal a la variabilidad hidrológica a escala de sitio. Para ello, se consideró como variable respuesta a la conductancia estomática de la hoja (gs). La hipótesis planteada fue que la disponibilidad estacional del agua en el suelo impacta la productividad vegetal, y la planta respondería haciendo un uso verticalmente diferenciado del agua disponible en la zona de raíces. Se registraron entonces las condiciones atmosféricas a nivel de copas y el contenido volumétrico de agua en el suelo (VWC) a diferentes profundidades a escala horaria durante tres años (jun 2011-jun 2014). Los resultados muestran que variables atmosféricas tales como radiación PAR, déficit de presión de vapor (VPD) y temperatura de la hoja (Tleaf), logran representar entre un 5% y un 20% de la variabilidad de la respuesta de A. caven. Al incorporar VWC a diferentes profundidades, la representación de la variabilidad llega hasta un 47%, siendo relevante bajo un esquema de ajuste estacional. Una vez caracterizadas las principales variables de sitio, en la tercera parte de esta tesis se procedió a ajustar un modelo de balance hídrico local multicapa de suelo para identificar los procesos hidrológicos dominantes a escala de sitio que influyen sobre el contenido umbral de agua en el suelo que determinan el incipiente cierre estomático. Se identificó temporalmente su ocurrencia a 10 y 50 cm de profundidad en la zona de raíces y luego se integró este umbral en el proceso de simulación de gs usando el modelo hidropasivo de Jarvis-Stewart, ajustado a las condiciones del sitio. Los resultados mostraron que incorporando el umbral de VWC identificado a 10 cm, la respuesta modelada se ajusta a la observada. A 50 cm, el umbral no tiene incidencia significativa porque la fracción de agua disponible para la planta sería suficiente para sostener su actividad biológica durante períodos de estrés hídrico. Los umbrales que inciden en el cierre estomático fueron diferentes según la profundidad del suelo: 14,5 mm a 10 cm, y 36,9 mm a 50 cm, que representan el 62% y el 44% de la fracción de agua total disponible para la planta a dichas profundidades, y que tienen directa relación con la actividad vegetal estacionalmente diferenciad, pero no del sistema radicular, el cual actuaría como un todo hasta los 100 cm de profundidad. Fuera de la condición umbral, la serie gs modelada fue significativamente diferente a los valores observados, lo que indicaría que la vegetación estaría adaptada a funcionar regularmente bajo tal condición, haciendo un uso eficiente del agua en el suelo. Las conclusiones de esta investigación indican que la vegetación responde directa y significativamente a un amplio rango de λ, aun cuando los totales anuales varíen significativamente. Asimismo, la vegetación estaría haciendo un uso directo de los eventos de lluvia anuales, no habiendo evidencia del uso de agua almacenada más allá de los 100 cm. Con ello la vegetación bajo estudio es capaz de mantener sus niveles de gs incluso a bajos contenidos de agua en las primeras capas de suelo, que son las que reciben los eventos anuales de lluvia y en conjunto, usar aquella almacenada a profundidades cercanas a 50 cm, que no están sujetas a forzantes atmosféricas. Los resultados aquí presentados pueden ser usados en el contexto del análisis de ecosistemas vegetales sometidos a cambios estacionales e inter-anuales de la lluvia y de sus flujos hidrológicos. Asimismo, la respuesta vegetal modelada en función de la escasez de agua puede aproximarse como un indicador de eficiencia hídrica en este tipo de ecosistemas.
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    Modelo analítico para el comportamiento hidrológico de cuencas urbanas
    (2008) Zegpi Sepúlveda, Macarena de los Angeles; Fernández Larrañaga, Bonifacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Se propone un modelo analítico para estimar las funciones de distribución de probabilidad del volumen y caudal máximo de crecidas urbanas a partir de la función de probabilidad conjunta del volumen y duración de tormentas e información física de la cuenca. La función de probabilidad conjunta del volumen, v, y la duración de tormentas, t, es derivada utilizando teoría de cópulas, examinando y evaluando cuatro familias de cópulas arquimedeanas con la finalidad de encontrar la más apropiada para reproducir la estructura de dependencia de las variables. Las curvas de frecuencia del volumen y caudal máximo de escorrentía se obtienen integrando la función de densidad de probabilidad conjunta en regiones apropiadas del plano v-t delimitadas por condiciones derivadas del proceso lluvia-escorrentía. El modelo es probado en dos cuencas urbanas ubicadas en las ciudades de Chillán y Santiago, Chile. Los resultados se comparan con los provenientes de simulación continua en SWMM EPA 5.0, obteniendo un buen ajuste, y con los de un modelo analítico que asume la duración y volumen de tormentas como variables estadísticamente independientes distribuidas exponencialmente.
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    Modelo estocástico de lluvia-escorrentía utilizando teoría de colas
    (2012) Jaén Sarmiento, Daniel; Fernández Larrañaga, Bonifacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Se plantea un modelo estocástico de aplicación del proceso de lluvia escorrentía mediante la teoría de colas como una alternativa a los modelos existentes actualmente. A partir de datos de información meteorológica de lluvias medidas en distintas estaciones, como Santiago en Quinta Normal y Chillán en la Facultad de Ingeniería Agrícola de la Universidad de Concepción, se caracteriza la lluvia en unidades equivalentes de precipitación. Estas constituyen la variable de excitación del modelo. Se desarrolla el modelo estocástico utilizando la teoría de colas, mediante la cual se emula el comportamiento del proceso de lluvia-escorrentía como la atención de clientes (en este caso, las unidades equivalentes de precipitación), para lo cual se interpreta la cuenca como una serie de servidores de atención que representan cada uno de los procesos involucrados en el proceso hidrológico, es decir, la infiltración, la evapotranspiración, la percolación y el escurrimiento superficial. Simultáneamente, el mismo registro de lluvias es analizado mediante el modelo de simulación HEC-HMS (U.S. Army Corps of Engineers, EE.UU.). Después de un análisis de sensibilidad, se comparan ambos resultados, obteniéndose un buen ajuste. Además se calculan parámetros propios de la teoría de colas como la probabilidad y rendimiento de procesos como la evaporación, infiltración y percolación.
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    Modelo hidrológico distribuido para cuencas de montaña en la operación de sistemas hidroeléctricos.
    (2010) Maldonado Pesce, Paolo Cristián; Fernández Larrañaga, Bonifacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En este trabajo se desarrolla un sistema de pronósticos hidrológicos en tiempo real, que involucra el uso de un modelo hidrológico distribuido, desarrollo e implementación de técnicas de asimilación de datos y una metodología de pronóstico del comportamiento hidrológico de una cuenca. El modelo hidrológico establece una malla cuadriculada sobre la zona de estudio y en cada celda realiza un balance hídrico considerando los procesos de intercepción, acumulación y derretimiento de nieve, infiltración, percolación, evapotranspiración, escurrimiento superficial y subterráneo. El excedente superficial y subterráneo es propagado hasta la salida de la cuenca. La generación de pronósticos hidrológicos requiere de una correcta estimación de las condiciones iniciales del sistema, lo que es posible de abordar con los algoritmos de asimilación de datos desarrollados en esta tesis. Éstos realizan una cuantificación de los errores en los pronósticos del modelo y los complementan de forma eficiente con los registros observados, corrigiendo las condiciones iniciales propuestas por el modelo. El pronóstico se hace considerando condiciones meteorológicas, ponderando los caudales obtenidos de acuerdo a la distribución de probabilidades resultante. El modelo y metodologías desarrolladas en esta investigación fueron aplicados en las cuencas Intermedia Laja y Afluentes Laja, ubicadas en la zona cordillerana de la Octava Región de Chile, formando parte de la cuenca alta del río Laja. Los pronósticos en tiempo real se generaron para el año hidrológico 2009-2010, utilizando como escenarios meteorológicos futuros la meteorología de los años 1992 a 2008. El sistema propuesto es capaz de representar de manera razonable el comportamiento hidrológico de las cuencas, registrando errores normales para modelos hidrológicos distribuidos. La metodología de asimilación permitió reducir los errores de simulación y de pronóstico hidrológico, por lo que es una herramienta altamente recomendable que debe perfeccionarse para el uso de modelos de simulación y pronóstico.
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    Modelo hidrológico distribuido para la simulación de recursos hídricos
    (2008) Poblete López, David Nicolás; Fernández Larrañaga, Bonifacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En la presente tesis se desarrolla un Modelo Hidrológico Distribuido para la Simulación de Recursos Hídricos, programado completamente en el SIG ArcGIS 9.2. El modelo integra los distintos procesos del ciclo hidrológico para generar variables útiles para el análisis de los recursos hídricos como la evaporación, infiltración, caudales superficiales y subterráneos, entre otros. Para eso, el modelo divide la cuenca en estudio en varias celdas independientes, en las cuales se aplican las ecuaciones para cada proceso. Además, cada celda está dividida a su vez en tres capas de suelo, que representan la zona de raíces, zona de transición y acuífero. Se trabaja con un tiempo de simulación diario. El Modelo de Recursos Hídricos desarrollado se aplicó en una subcuenca de la cuenca altiplánica del Salar del Huasco, en la Primera Región de Chile. Esta subcuenca, de 201 km2, drena al río Piga, el cual desemboca en el río Collacahua, afluente principal del Salar del Huasco. Los datos necesarios para el modelo fueron obtenidos de la estación meteorológica Collacahua y de la estación fluviométrica Piga en Collacahua. La simulación se hizo desde el 1 de enero de 1979 hasta el 9 de noviembre de 1986. Se presentan los resultados de la simulación, tanto en gráficos de caudales y humedades del suelo como en tablas de resúmenes diarios y mensuales. Con los resultados obtenidos inicialmente se aprecia que el uso del Modelo Distribuido de Recursos Hídricos puede ser una herramienta útil para la modelación de cuencas sin información, en la generación de antecedentes para la gestión de los recursos hídricos en las cuencas de Chile, aunque la etapa de validación y calibración se muestra compleja.
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    Simulación continua de lluvias para el diseño de sistemas de drenaje urbano
    (2009) Aranda Monsalve, Romina Laura; Fernández Larrañaga, Bonifacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En esta tesis se presenta, compara y analiza un método basado en la simulación continua para el diseño de Sistemas de Drenaje Urbano de aguas lluvia, los cuales están evolucionando gracias a la disponibilidad de modelos de cálculo cada vez más poderosos y de mayor información detallada del comportamiento de las precipitaciones. Tradicionalmente estos sistemas se dimensionan considerando tormentas de diseño de periodo de retorno determinado para enfrentar un riesgo de falla aceptable. Las tormentas de diseño representan eventos aislados que reproducen algunas de las características de las lluvias observadas, se obtienen con diferentes procedimientos basados en un resumen de las propiedades de las lluvias en el lugar que habitualmente se presentan como relaciones entre la Intensidad, Duración y Frecuencia, conocidas como IDF. La simulación continua utiliza un registro completo y amplio de precipitaciones detalladas para estimar la respuesta de la cuenca y generar a su vez un registro continuo de variables de diseño de interés. Esta metodología se aplica en cuencas urbanas de las ciudades de Chillán y Santiago, para obtener funciones de distribución de los parámetros asociados a la escorrentía (volúmenes de escorrentía, pérdidas y caudales máximos). Se han comparado estas funciones con las estimadas a partir del uso tormentas de diseño, verificando que estas últimas reproducen de manera confiable condiciones de caudales máximos de eventos menos frecuentes. La mayor diferencia se presenta en el hecho que la simulación de eventos aislados no reproduce en buena forma la distribución de volúmenes, concluyendo que no son representativas para dimensionar elementos que favorezcan la retención o la infiltración. Finalmente se ha analizado la curva de frecuencia obtenida por la simulación continua para evaluar los efectos sobre los caudales máximos y volúmenes de escorrentía promedio anual, reteniendo y/o controlando la totalidad de estos eventos.
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    Spatial estimation of daily precipitation in regions with complex relief and scarce data using terrain orientation
    (2014) Castro, L.; Gironás León, Jorge Alfredo; Fernández Larrañaga, Bonifacio
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    Stomatal conductance responses of Acacia caven to seasonal patterns of water availability at different soil depths in a mediterranean savanna
    (2018) Sepúlveda M., Marcelo; Bown Intveen, Horacio Eduardo; Fernández Larrañaga, Bonifacio