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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.
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.
Climate and land use change effect over hydrologic signatures
(2023) Henríquez Dole, Lenín Esaú; Gironás León, Jorge Alfredo; Meza, Francisco Javier; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Agua y territorio están íntimamente vinculados. Algunos fenómenos relacionados con el uso del suelo, como la expansión urbana o de la agricultura, pueden causar cambios en el régimen hídrico. Claramente, la gestión integrada de los recursos hídricos y la planificación territorial están conectadas. Sin embargo, sus vínculos no siempre son directos. En esta investigación, proponemos la modelación como técnica para conectar el territorio y el agua, históricamente y en el futuro, especialmente si se hace de manera espacialmente explícita, integrada (multidisciplinaria) y a diferentes escalas. Los escenarios de uso del suelo, junto con los escenarios de cambio climático, han demostrado proporcionar conocimientos valiosos para la evaluación de impactos de la planificación del territorio bajo condiciones climáticas futuras. Además, las condiciones políticas obtenidas de la planificación estratégica del uso del suelo se integraron en la modelación, y se compararon con las tendencias. Las métricas del paisaje, derivadas de estos escenarios de uso del suelo, se han utilizado para la evaluación de dichas configuraciones del paisaje (por ejemplo, fragmentación urbana) y se han validado por la comunidad. Adicionalmente, estas métricas del paisaje se han relacionado con las huellas hidrológicas, lo que demuestra que existe una relación y que puede medirse; en otras palabras, a partir de un mapa del paisaje se pueden estimar los efectos en el régimen hidrológico. Finalmente, dado que la mayoría del agua disponible se usa en agricultura, los escenarios de uso del suelo se introdujeron en un modelo de gestión del agua agrícola para la evaluación de los escenarios de cambio climático en áreas de riego. Aunque la protección de la conversión de las áreas de riego en áreas urbanas puede parecer beneficiosa, bajo estos escenarios futuros la demanda no satisfecha aumenta y la fiabilidad del sistema disminuye debido al aumento de la superficie regada, la temperatura y la disminución de la precipitación o agua disponible. Esto abre un nuevo campo de investigación en el que los gestores del agua pueden trabajar juntos con los planificadores territoriales para evaluar los efectos de la configuración del territorio sobre la hidrología.
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.
Estudios avanzados del uso de Polimetilhidrosiloxano, Polietileno Tereftalato y factores de agitación y temperatura de secado en el desempeño de placas de yeso
(2024) Romano Matos, Victoria Enriqueta; Videla Leiva, Álvaro Rodrigo; Tundidor Camba, Alain; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las placas de yeso son materiales de construcción ampliamente usadas en las edificaciones por su fácil instalación y por las propiedades que aportan en las diferentes zonas donde se instalan. Las placas son fabricadas en base a la reacción de hidratación de sulfato de calcio hemihidrato (HH) a sulfato de calcio dihidrato (DH) que es el corazón endurecido de las placas de yeso. Estudios previos muestran que la incorporación de cualquier aditivo o material a la reacción de hidratación afecta en la morfología de los cristales del dihidrato formado, así como en su porosidad final. Además, la variación del tiempo de agitación durante la reacción, así como el efecto de la temperatura sobre el dihidrato formado tienen efecto sobre las propiedades del material obtenido. Esta investigación tiene dos partes, en la primera se analizó el comportamiento de un aditivo sobre la reacción de hidratación en condiciones similares a las aplicadas durante su fabricación. Un tipo de placa de yeso con propiedades de mayor resistencia a la humedad se obtiene al incorporar un aditivo con repelencia al agua, en este estudio se usa polimetilhidrosiloxano (PMHS). El estudio muestra que la porosidad y los cambios morfológicos que se presentan en los cristales de sulfato de calcio dihidrato con diferentes dosis de polimetilhidrosiloxano, las temperaturas de secado después del fragüe y los diferentes grados de homogeneidad de la mezcla, influyen significativamente en el desempeño de las placas de yeso. En la segunda parte de la investigación se estudia el desempeño de placas de yeso con polimetilhidrosiloxano incorporando residuos de microplásticos de polietileno tereftalato reciclado (PET) de manera de mejorar la resistencia al agua de las placas mediante el reúso de un residuo. Se estudia la variación de tres factores: dosis de polimetilhidrosiloxano (D), tiempo de agitación (H) y temperatura de secado después de fraguado (T). En el proceso experimental, se fabricaron y ensayaron placas de yeso para determinar la absorción de agua, la resistencia a la flexión y la conductividad térmica siguiendo una matriz de diseño experimental. Los resultados obtenidos muestran que incorporando hasta un 10% de microplásticos de polietileno tereftalato reciclado se logran cambios positivos en la absorción de agua y en la conductividad térmica. Además, se estima una disminución de 10% de emisiones de CO2 y un 5% menos de consumo de materias primas (HH, agua y PMHS) al incorporar el PET y principalmente se consume el microplástico lo que disminuye su presencia en el medioambiente. Los cambios morfológicos en los cristales fueron estudiados con las técnicas de microscopia electrónica de barrido (SEM), microanálisis por dispersión de energías de rayos-X (EDX), el programa IMAGEJ y los efectos en la porosidad con la microtomografía computarizada de rayos X (MICRO-CT).
Evaluation of machine learning algorithms for estimating soil water characteristics obtained by basic soil data in Central Chile
(2023) Acevedo Godoy, Sara Ester; Bonilla Meléndez, Carlos Alberto; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Las curvas de retención de agua en el suelo (SWRC) son mediciones hidrofísicas de alto costo y que requieren mucho tiempo, y que a menudo no son incluidas en los estudios de suelos ni en los análisis de rutina. Esta falta de mediciones hidrofísicas del suelo hace necesario el desarrollo de funciones de pedotransferencia (PTF), para determinados valores de succión (PTF puntuales) o para parámetros de forma de la curva (PTF paramétricas). Por lo tanto, la construcción de PTFs específicas de una región requiere conjuntos de datos detallados ricos en variabilidad, que son escasos. El objetivo de este estudio fue desarrollar un conjunto de datos hidrofísicos de suelos para los suelos chilenos, con el fin de complementar la falta de mediciones regionales de capacidad de campo (FC) y los parámetros de van Genuchten. La medición de la capacidad de campo (FC) es importante para comprender con precisión la dinámica hídrica del suelo. Por lo tanto, la FC debe obtenerse a partir de muestras de suelo inalteradas, para representar la condición natural del suelo. La reducida disponibilidad de datos de FC inalterada y la llegada de mediciones alternativas (métodos simplificados de evaporación y punto de rocío) han abierto muchas oportunidades para el desarrollo de funciones de pedotransferencia (PTFs) y la exploración de variables predictoras. Además, en este estudio se desarrolló un conjunto de datos hidrofísicos del suelo para comparar el ajuste VG unimodal con el bimodal en una amplia gama de propiedades del suelo. Basándose en este conjunto de datos, se evaluaron algoritmos de aprendizaje automático (redes neuronales artificiales, bosque aleatorio y Cubist) para la estimación de parámetros individuales de θs, θr, α1, n1, α2, n2 y w2 y FC en diferentes condiciones (disturbadas y no disturbadas). Nuestros resultados mostraron que los datos SWRC obtenidos utilizando el método de evaporación simplificada (SEM) junto con el método del punto de rocío (DP) conducían a un mejor ajuste cuando se utilizaba la parametrización VG bimodal, en la que la bimodal proporcionaba valores de θr más realistas que los obtenidos utilizando la parametrización VG unimodal. Se propuso y probó un conjunto de PTF para FC y parámetros bimodales. Con respecto al rango de succión SWRC, los conjuntos propuestos de PTF paramétricas tuvieron menos sesgo en el rango seco. Los resultados indican que el conjunto de datos hidrofísicos del suelo desarrollado y las PTF bimodales paramétricas derivadas pueden incluir la bimodalidad en la predicción de SWRC. Los resultados demostraron que si se tienen en cuenta las variables estructurales, se pueden desarrollar con éxito PTFs adecuadas para predecir la FC (tanto en muestras perturbadas como no perturbadas). Las PTFs desarrolladas en este estudio tienen métricas de precisión similares a las de estudios previos, pero utilizando menos predictores y siendo adecuados para predecir la FC en diferentes tipos de muestras de suelo. Por último, se evaluaron las propiedades físicas del suelo cerca de la superficie afectadas por la temperatura provocada por los incendios forestales. Los parámetros que describen el SWRC pueden obtenerse midiéndolos o derivándolos mediante funciones de pedotransferencia (PTF). Sin embargo, las PTF se han desarrollado utilizando datos de suelos agrícolas sin grandes eventos de calentamiento; por lo tanto, no es seguro que la estimación de los parámetros en suelos afectados por incendios sea fiable. El ampliamente utilizado PTF Rosetta se comparó con mediciones reales en dos condiciones: no afectado y afectado por el fuego. Las implicaciones para la modelización hidrológica se tradujeron en un menor contenido anual de agua y una mayor infiltración cuando se utilizaron las entradas de Rosetta en comparación con las entradas basadas en el SWRC medido.
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.
Optimization under uncertainty for the management of hydroelectric resources
(2023) Favereau Monti, Marcel Joseph; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
Hydroelectric generation management is considered a fundamental problem in the operation of power systems, where operations research has contributed significantly to decision making. One of the most relevant difficulties is that the decisions of storage and use of water resources in the present affect future decisions. Additionally, this problem presents another important challenge associated with the uncertain nature of hydro inflows, which is becoming even more complex today due to the consequences of climate change. Thus, this thesis proposes the development of optimization under uncertainty models to support medium- and long-term planning of hydrothermal system operations. First, this thesis proposes to develop a statistical model that represents the random behavior of hydro inflows in multinodal and multireservoir hydrothermal systems. The purpose is to capture statistical aspects such as trend, seasonality, spatio-temporal correlation, asymmetry and multiple modes present in historical hydrological data through the use of autoregressive models and variational inference algorithms. In a second part, it is proposed the development of a risk-averse optimization under uncertainty model that incorporates the previously proposed statistical methodologies for the medium-term operation of hydrothermal systems. The main objective is to determine an optimal generation policy capable of operating efficiently under the least favorable realizations of future hydrological trajectories. Finally, the third stage consists of the development of optimization under uncertainty models that support long-term energy planning and operation processes. The idea is to analyze the role of water in the interaction with other productive sectors such as agriculture, thus improving the efficiency of the use of their resources. This tool will also make it possible to anticipate future phenomena such as the penetration of new technologies, regulatory changes in the use of water resources or their low availability, and what would be the impacts on the resource management for different users.
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.
Removal of volatile organic silicon compounds (D4, D5) from biogas using microaerophilic/anaerobic microbial strategies
(2022) Ortiz Ardila, Andrés Eduardo; Labatut, Rodrigo; Pizarro Puccio, Gonzalo E.; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
La digestión anaeróbica (DA) se considera una tecnología rentable y sostenible para el tratamiento de lodos de depuradora (EDAR). Permite estabilizar la materia orgánica al tiempo que produce energía renovable, que puede utilizarse in situ. Los compuestos orgánicos volátiles de silicio (VOSiC) son omnipresentes en los elementos industriales, de cuidado personal y domésticos, por lo que están presentes en los lodos activados residuales. Estos VOSiC se consideran contaminantes emergentes debido a su afinidad con la materia orgánica. Además, disminuyen la eficiencia de generación de energía de los equipos de conversión de biogás por la precipitación de óxidos de silicato en los elementos de calentamiento y la consiguiente reducción de la transferencia de calor. Este trabajo evaluó los cambios en la estructura de la ecología microbiana y la biodegradación de los siloxanos, centrándose en la eliminación biológica de los principales siloxanos presentes en los lodos de DA. El enfoque utilizado promovió la evolución dirigida de la microbiota nativa de la DA para aumentar los organismos capaces de resistir las concentraciones de oxígeno y biodegradar eficazmente los siloxanos asignados en la materia orgánica. Se logró la aclimatación del sustrato utilizando el polímero de siloxano polidimetilsiloxano (PDMS) para seguir utilizando estos organismos en la estabilización microbiana de los oligómeros de siloxano -VOSiC- Octametilciclotetrasiloxano (D4) y Decametilciclopentasiloxano (D5). Nuestros resultados muestran que el PDMS es una fuente de VOSiCs en los digestores anaeróbicos; este es un descubrimiento crucial ya que esta fuente no se había tenido en cuenta anteriormente. Por último, proponemos una vía de biodegradación para los siloxanos D4 en condiciones de microaireación que muestra cómo el oxígeno y los organismos dentro de los lodos de DA superan la naturaleza recalcitrante del impedimento estérico del siloxano para transformarlo en silanoles que no poseen una amenaza para el medio ambiente o las energías basadas en el biogás.
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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