3.01 Tesis doctorado
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Browsing 3.01 Tesis doctorado by Subject "06 Clean water and sanitation"
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- ItemClimate 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 IngenieríaAgua 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.
- ItemEstudios 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 IngenieríaLas 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).
- ItemEvaluation 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 IngenieríaLas 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.
- ItemOptimization under uncertainty for the management of hydroelectric resources(2023) Favereau Monti, Marcel Joseph; Lorca Gálvez, Álvaro Hugo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de IngenieríaHydroelectric 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.
- ItemRemoval 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 IngenieríaLa 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.
- ItemTopographical, climatic, and geological controls of groundwater flow in mountainous systems - impact on mountain block recharge and groundwater-surface water interaction(2024) Marti, Etienne; Leray, Sarah; Yáñez, Gonzalo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de IngenieríaMountains, often referred to as the world's water towers, play a vital role in global water distribution. They receive significant precipitations and redistribute these waters to lower regions, thereby sustaining a major portion of our planet's water needs. Moreover, in the face of climate change and increasing human water consumption, lowland aquifers are experiencing unprecedented depletion. Thus, there is a crucial need to characterize all recharge sources arriving at the lowland aquifers, including both surface and groundwater contribution. Nevertheless, the complexity of mountain systems and their remoteness impede full comprehension of their functioning. In this context, this thesis aims to deepen our understanding of mountainous groundwater systems and their crucial connection to lowland basins. The methodology is two-fold, using parsimonious numerical models to grasp the broader hydrogeological dynamics, and secondly, implementing an innovative, interdisciplinary field study to examine local peculiarities. This study reveals that the topography highly influences aquifer desaturation patterns and hence groundwater-surface water interactions, further determining biogeochemical and ecological processes and impacting groundwater dependent systems. The slope contrast between flat and steep areas exerts the principal control, while landscape shape exerts a secondary control. Regarding geological heterogeneities, at the local scale, using a novel methodology, geological structures were identified and satisfactorily linked them to an increase in streamflow. Finally, in studying regional geological heterogeneities, the study unveils the role of such structures and their hydrodynamic properties on groundwater flows pattern and interbasins exchanges. The studied catchment consistently exchanges between 0 and 20% with surrounding catchments. while characterizing the contribution of mountain systems to lowland areas. This research by questioning existing groundwater paradigms and their applicability on mountain systems thoroughly study the groundwater flow controls improving paradigms definition in mountain systems. By establishing a robust framework for future research, it underscores the need for multidisciplinary approaches to develop a comprehensive understanding of mountainous regions as vital contributors to global water resources.
- ItemUnderstanding groundwater dynamics in a chanching climate: numerical modeling and remote sensing insights from the Salar del Huasco Basin(2023) Blin Lizasoain, Nicole; Suárez Poch, Francisco Ignacio; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de IngenieríaEl agua subterránea es la mayor fuente de agua dulce a nivel global. En regiones áridas, donde el agua superficial es limitada, el agua subterránea es la principal fuente de agua. El continuo avance del cambio climático y el crecimiento acelerado de la población generarán un aumento en la demanda de dicho recurso. Por lo tanto, es esencial comprender cómo podrían verse afectados los sistemas de agua subterránea y así gestionar sustentablemente los recursos hídricos y preservar ecosistemas. Motivada por dichas proyecciones, esta investigación se enfoca en el estudio de la cuenca del Salar del Huasco en el árido Altiplano chileno, mediante la simulación del agua subterránea bajo diferentes escenarios de cambio climático. La primera parte de la investigación examina la respuesta del acuífero del Salar del Huasco ante escenarios extremos de cambio climático. Los resultados indican que el acuífero se adapta a diversas condiciones externas mediante la regulación de sus descargas, con la evaporación como el principal mecanismo de descarga que mantiene estable el nivel freático alrededor de los humedales. La segunda parte evalúa la aplicabilidad de productos satelitales en la modelación del agua subterránea en áreas con monitoreo limitado. La integración de EEFlux en el modelo mejoró la representación espaciotemporal del nivel freático y la calibración de parámetros específicos, confirmando el potencial de estos productos en la modelación del agua subterránea. Finalmente, se explora el papel del agua subterránea en la mitigación de los efectos del cambio climático en ecosistemas dependientes, con enfoque en los humedales del Salar del Huasco. A pesar de los cambios climáticos proyectados, los humedales se mostraron resistentes a cambios debido a la influencia del agua subterránea. Esto sugiere que el agua subterránea podría amortiguar parte de los impactos del cambio climático en ecosistemas dependientes en regiones áridas.