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RESPUESTAS DE MODELOS DE SIMULACIÓN
HIDROLÓGICA AL CAMBIO CLIMÁTICO
Ximena Vargas M.
Profesor Asociado
Depto. Ingeniería Civil
Universidad de Chile
AGENDA
•CAMBIO CLIMÁTICO
•ESTUDIOS
•MODELOS DE SIMULACIÓN HIDROLÓGICA
•ZONA DE ESTUDIO
•RESULTADOS
•CONCLUSIONES
•TRABAJO EN CURSO
CAMBIO CLIMÁTICO
Para el diseño de obras hidráulicas y
la gestión del recurso hídrico, resulta
fundamental conocer la escorrentía
susceptible de ocurrir en una cuenca.
Tradicionalmente la información
pasada es usada para estos efectos, bajo la hipótesis
de un sistema invariante, en el que sus propiedades
medias se mantienen. Considerando el cambio
climático, esta hipótesis deja de ser válida y es
necesario estudiar los efectos que éste provoca
sobre cada sistema en particular.
• Proporción de Gases de efecto invernadero
condicionan temperatura media del Planeta
• Desde Revolución Industrial, CO2 ha
aumentado en ˜25% (deforestación y uso de
combustibles fósiles)
• De mantenerse tasas actuales, CO2
aumentaría en 35% en año 2100
• Aumentos de T=0,3°C cada 10 años
• De duplicarse el dióxido de carbono, los
Modelos de Circulación Atmosférica señalan
para Chile un aumento de temperatura media
anual de 1 a 3°C durante primera mitad del
siglo 21, junto con un aumento de la
pluviometría en las zonas australes y una
disminución de ésta en la zona central
• Distribución mensual de estas variaciones
origina variaciones importantes en la
disponibilidad de recursos hídricos y cambios
significativos en las demandas, especialmente
en sistemas de riego.
• Durante eventos de tormentas, en
cuencas mixtas (pluvio-nivales) las
variaciones de temperatura originan
modificaciones importantes del área
pluvial aportante
METODOLOGÍA
ESTUDIO 1: MODELO DE
SIMULACIÓN A ESCALA HORARIA
• DEFINIR MODELO PRECIPITACIÓNESCORRENTÍA:
CUENCA :
FLUJO SUPERFICIAL
Y EN CAUCE
APROX. ONDA
CINEMÁTICA
PRECIPITACIÓN EFECTIVA: METODOLOGÍA DE MOREL-SEYTOUX
(Tiempo de Empapamiento)
PRECIPITACION
• DETERMINACIÓN DE ÁREA APORTANTE DURANTE
LA TORMENTA: Función de la posición de la
línea de nieve:
HLN = HO - 550 msnm
(Garreaud, 1992)
• GENERACIÓN DE 30 SERIES ALEATORIAS DE
TEMPERATURAS MEDIAS ANUALES, DE 50 AÑOS
DE LONGITUD:
T  (T  T )

a
• ANÁLISIS DE FRECUENCIAS DE SERIES DE
TEMPERATURAS MEDIAS ANUALES OBSERVADA Y
GENERADAS
• SELECCIONAR TEMPORALES A
ESTUDIAR, OBTENER TEMPERATURA
MEDIA DEL EVENTO (Ti)Y MEDIA DEL
AÑO (T). DETERMINAR LA PROBABILIDAD ASOCIADA A
TEMPERATURA MEDIA DEL AÑO.
• DETERMINAR LA TEMPERATURA MEDIA ANUAL CON
IGUAL PROBABILIDAD EN CADA UNA DE LAS SERIES
GENERADAS.
• HIPÓTESIS: EN ESCENARIO FUTURO SE MANTIENE
RELACIÓN (Ti / T) OBSERVADA EN TORMENTAS. LA
PRECIPITACIÓN NO VARÍA.
• SE ANALIZAN MAYORES TORMENTAS QUE DEFINEN
CURVA DE FRECUENCIAS DE CAUDALES MÁXIMOS EN
PERÍODO PLUVIAL.
ZONA DE ESTUDIO
Santiago
CUENCA DEL ESTERO ARRAYÁN EN LA MONTOSA
TORMENTA
Tobs
ºC
Tgen(+1ºC)
ºC
Tgen(+2ºC)
ºC
13.07.78
10,5
11,2
11,9
23.06.82
11,1
11,9
12,6
15.06.86
12,7
13,7
14,5
10.07.87
10,6
11,3
12,0
AUMENTO DE 1ºC SIGNIFICA, EN PROMEDIO, 7% DE AUMENTO DE Tgen
Y ENTRE 13 A 20% DE AUMENTO DEL AREA PLUVIAL APORTANTE.
AUMENTO DE 2ºC SIGNIFICA, EN PROMEDIO, 14% DE AUMENTO DE Tgen
Y ENTRE 32 A 40% DE AUMENTO DEL AREA PLUVIAL APORTANTE.
TORMENTA
Qmáx (obs)
Qmáx (+1ºC)
Qmáx (+2ºC)
(m3/s)
(m3/s)
(m3/s)
13.07.78
30,0
32,0
36,0
23.06.82
19,8
25,1
30,9
15.06.86
45,9
57,7
66,4
10.07.87
62,9
75,4
82,9
LOS CAUDALES MAXIMOS AUMENTAN HASTA 26% Y 56% CUANDO
LAS TEMPERATURAS MEDIAS ANUALES AUMENTAN EN 1 Y 2ºC,
RESPECTIVAMENTE.
CONCLUSIONES ESTUDIO 1
• EL MODELO PRECIPITACIÓN-ESCORRENTÍA PERMITE SIMULAR
LOS CAUDALES MÁXIMOS CON ERRORES INFERIORES A 5%.
• SI LAS TEMPERATURAS MEDIAS DURANTE TORMENTAS
AUMENTAN EN PROMEDIO EN 7% (LO QUE ESTARÍA ASOCIADO
A AUMENTOS DE 1ºC EN LA T MEDIA ANUAL) PUEDEN
ESPERARSE AUMENTOS DE CAUDAL MÁXIMO DE HASTA 27%
EN LA CUENCA DEL ARRAYÁN.
• CUANDO EN PROMEDIO DURANTE LAS TORMENTAS, LAS
TEMPERATURAS AUMENTAN EN 13,5%, LOS MÁXIMOS
CAUDALES PUEDEN AUMENTAR HASTA 56%.
• SI SE CONSIDERAN AUMENTOS DE TEMPERATURAS T+, SE
OBTIENEN AUMENTOS DE CAUDAL MÁXIMO DE HASTA 68%.
ESTUDIO 2: MODELO DE ACUMULACIÓN Y
DERRETIMIENTO DE NIEVES, A ESCALA HORARIA
CALOR NETO RECIBIDO POR EL MANTO
Qt  Qroc  1  Albedo   Qrol  Qss  Qlat  Qs  Q pp  Qv
RADIACIÓN DE ONDA CORTA – LARGA,
POR CONVECCIÓN Y POR LA LLUVIA
CALOR POR RAD DE ONDA LARGA, CALOR
POR EVAPORACIÓN Y/O SUBLIMACIÓN
Conducción hacia y desde el suelo
ZONA DE ESTUDIO
Santiago
CUENCA ANDINA DEL RÍO MAPOCHO
EL BALANCE DE ENERGÍA
EFECTUADO A UNA COTA
DADA PERMITE REPRODUCIR
LA EVOLUCIÓN DEL MANTO
EN UN ELEMENTO
PERMITE REPRODUCIR LAS
CONDICIONES MEDIAS DE LA
CUENCA.
FRENTE A
VARIACIONES DE
TEMPERATURA, SE
PRODUCEN
VARIACIONES
SIGNIFICATIVAS
DEL ESPESOR DEL
MANTO NIVAL EN
UN PUNTO DADO.
EL AUMENTO DE TEMPERATURA EN 2ºC PUEDE REDUCIR EN
17% EL ESPESOR MÁXIMO MEDIO DIARIO DEL MANTO MIENTRAS
QUE SIMILARES DISMINUCIONES DE ÉSTA SIGNIFICAN SÓLO 7%
DE AUMENTO EN EL ESPESOR MÁXIMO.
ESTUDIO 3: MODELO SRM (Snowmelt Runoff
Model) PARA SIMULAR CAUDALES MEDIOS
DIARIOS EN CUENCAS NIVALES
ES UN MODELO GRADO-DÍA SIMPLE
QUE REQUIERE COMO ENTRADA LA
COBERTURA NIVAL
LAS VARIABLES DEL MODELO SE
DERIVAN DE DATOS REALES DE TEMPERATURA, PRECIPITACIÓN, Y
ÁREA CUBIERTA POR NIEVE. LOS PARÁMETROS DEL MODELO SE
PUEDEN OBTENER DE REGISTROS O SER ESTIMADOS POR EL
HIDRÓLOGO CONSIDERANDO LAS CARACTERÍSTICAS DE LA
CUENCA, LEYES FÍSICAS, Y RELACIONES TEÓRICAS O EMPÍRICAS.
ZONA DE APLICACIÓN: CUENCA ANDINA DEL RÍO MAPOCHO
DEFINIDA POR ESTACIÓN MAPOCHO EN LOS ALMENDROS
(LATITUD: 33º22`S Y LONGITUD: 70º28´O, ÁREA 651 Km2)
Tabla: Escenario Climático Medio Modelos GISS y GFDL para
o
latitud 33 S
Mes
A M J J A S O N D E F M
Variación
Precipitación
(%)
18 17 5 13 3 31 15 19 3 14 8 1
Variación
Temperatura
o
( C)
4,5 4,2 3,8 3,4 4,5 3,2 4,2 4,0 5,4 5,6 6,2 4,8
Nota: 5 valor negativo
CALIBRACIÓN
25
Sim
Q (m 3/s)
20
Obs
15
10
5
0
01-04-89 01-06-89 01-08-89 01-10-89 01-12-89
01-02-90
Figura 1: Caudales Medios Diarios Simulados y Observados en
Estación Mapocho en Lo Almendros. Año 1989-1990. En
general se observa una sobre estimación de los caudales
medios anuales.
Simulación 1989-1990
30
Q (m3/s)
25
Q s/cc
Q GISS
Q GFDL
20
15
10
5
0
A
J
A
O
D
F
Mes
Figura 2: Caudales Medios Diarios Simulados en Estación
Mapocho en Lo Almendros. Año 1989-1990. Se observa similar
comportamiento con las variaciones climáticas de modelos
GISS y GFDL y cambios significativos en la distribución de la
escorrentía superficial.
40
35
Q s /c c
Q G IS S
Q GFDL
Q (m 3 /s )
30
25
20
15
10
5
0
A
J
A
O
D
F
M es
Figura 3: Caudales Medios Diarios Simulados en Mapocho
en Los Almendros con y sin cambio climático. Año
húmedo 1991-1992. Se observan mayores aumentos en
periodo pluvial que en periodo de deshielo
EN AÑOS SECOS A PESAR DE LA
REDUCCIÓN DE LAS PRECIPITACIONES, EL CAUDAL MEDIO
AUMENTA DURANTE EL OTOÑO (15%) E INVIERNO (24%),
DEBIDO AL AUMENTO DEL ÁREA PLUVIAL APORTANTE Y SE
REDUCE EN PRIMAVERA (-34%) Y VERANO (-10%).
CONCLUSIONES ESTUDIO 3
EN UN AÑO NORMAL LOS CAUDALES
MEDIOS DIARIOS AUMENTARÍAN DEL
ORDEN DEL 30% EN EL PERÍODO
OTOÑO-INVIERNO Y DEL ORDEN DEL
13% EN EL VERANO, MIENTRAS QUE
EN PRIMAVERA SE REDUCIRÍAN EN 11%.
LOS CAUDALES MEDIOS DIARIOS MÍNIMOS SE MANTENDRÍAN SIN
VARIACIÓN EN LOS PERÍODOS DE OTOÑO Y PRIMAVERA Y
AUMENTARÍAN EN FORMA IMPORTANTE EN LOS PERÍODOS DE
INVIERNO (19%) Y VERANO (39%).
CONSISTENTEMENTE, LOS VALORES MÁXIMOS AUMENTARÍAN
SIGNIFICATIVAMENTE EN OTOÑO (42%) E INVIERNO (55%) Y SE
REDUCIRÍAN EN PRIMAVERA (-14%) Y VERANO (-7%).
ESTUDIO 4: ANALIZAR LOS EFECTOS DE LA VARIABILIDAD
CLIMÁTICA EN EL DISEÑO DE LA CAPACIDAD DE EMBALSES
DE RIEGO EN CHILE.
CUENCA PLUVIAL
SERIES DE P Y T SE GENERAN EN
FORMA ESTOCÁSTICA.
SERIES DE CAUDALES SE OBTIENEN USANDO
MODELO DE SIMULACIÓN DE CAUDALES
MEDIOS MENSUALES
DEMANDAS
MÉTODO DE RADIACIÓN
CULTIVOS
ET EN ESCENARIO CLIMÁTICO ACTUAL
ET EN ESCENARIO CLIMÁTICO FUTURO
SERIE SE DEFINE CONSIDERANDO
VARIACIÓN MENSUAL LINEAL
SERIES ALTERNATIVAS DE TEMPERATURA Y
PRECIPITACIÓN
• IDENTIFICACIÓN MODELOS TIPO ARMA
~
zt  1  ~
zt 1  ...   p  ~
zt  p  at  1  at 1  ...   q  at q
• SE GENERAN 10 SERIES DE 30 AÑOS ALTERNATIVAS A
LA HISTÓRICA
• SE GENERAN 10 VARIACIONES CON FDP NORMAL
(MEDIA, S=10%MEDIA)
• 100 SERIES CON EFECTO CLIMÁTICO
MODELO DE SIMULACIÓN DE CAUDALES
MEDIOS MENSUALES
PRECIPITACIÓN
ESCORRENTÍA INMEDIATA
EVAPOTRANSPIRACIÓN
TOTAL
PRECIPITACIÓN EN EXCESO
NIVEL DE TERRENO
INFILTRACIÓN
EMBALSE SUPERFICIAL
Hmáx
H
PERCOLACIÓN PROFUNDA
CAPACIDAD DE RETENCIÓN
DE AGUA EN EL SUELO = Scc
ESCORRENTÍA
SUBTERRÁNEA
EMBALSE SUBTERRÁNEO
ESCORRENTÍA
TOTAL
SERIES DE CAUDAL
• SELECCIÓN DE SERIES P,T
– ESCENARIOS CLIMÁTICOS FACTIBLES
• 100 SERIES DE 30 AÑOS
VOLUMEN DE REGULACIÓN
• MODELO SIMPLE DE EMBALSE
Vi 1  Vi  Ppi  E i  (Qafluente  Qentrega ) i  t
• SR = 85%
ZONA DE APLICACIÓN:
• ESCENARIOS CLIMÁTICOS FUTUROS (MODELOS
DE CIRCULACIÓN GENERAL) LATITUD 33°S,
LONGITUD 71°O
Modelo
GISS
GFDL
UKMO
Temperatura
Precipitación
T(2CO2)-T(1CO2) P(2CO2)/P(1CO2)
[ºC]
4,63
1,00
4,33
0,99
6,13
0,95
Radiación
R(2CO2)/R(1CO2)
1,04
1,01
1,14
Promedios Anuales
ESCENARIOS CLIMÁTICOS FUTUROS.
PROMEDIOS MENSUALES A 30 AÑOS.
Variación
T(2CO2)-T(CO2) ºC
Pp(2CO2)/Pp(CO2)
Rs(2CO2)/Rs(CO2)
E
4,6
1,0
1,1
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
5,7 4,4 3,5 4,3 3,5 3,6 4,2 3,3 4,1 4,7 6,1
1,0 0,8 1,3 0,7 1,1 0,8 0,7 1,7 1,3 0,6 0,8
1,0 1,0 0,9 1,0 0,9 1,0 1,1 1,0 1,0 1,0 1,0
EN PERIODO ABRIL-SEPTIEMBRE EL AUMENTO
DE TEMPERATURA ES MENOR
VARIACIONES DE PRECIPITACIÓN ENTRE -38% Y +30%
SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO
SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO (TABÓN)
PRECIPITACION
60
PET (mm)
50
40
Actual
30
Futura
20
10
0
ENE
MAR
MAY
JUL
Mes
SEP
NOV
SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO (TABÓN)
EVAPOTRANSPIRACION
120
ET (mm)
100
80
Actual
60
Futura
40
20
0
ENE
MAR
MAY
JUL
Mes
SEP
NOV
SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO (TABÓN)
CAUDAL
0,1
ET (mm)
0,08
0,06
Actual
0,04
Futura
0,02
0
ENE
MAR
MAY
JUL
Mes
SEP
NOV
ANÁLISIS EMBALSE TABÓN.
ANÁLISIS EMBALSE MINILLAS.
1,462
0,015
45,3
87,1
1,462
0,017
45,3
77,4
0,894
0,012
32,3
87,1
CONCLUSIONES
EVAPOTRANSPIRACIONES POTENCIALES
-MEDIAS ANUALES  VARIACIONES PORCENTUALES
DE 1,6% (MINILLAS) Y 2,3% (TABÓN)
-VARIACIONES MENSUALES EXTREMAS
POSITIVAS
MINILLAS)

JUNIO (4,3% TABÓN) Y JULIO (2,5%
-NEGATIVAS  ENERO (-0,9% TABÓN) Y EN EL MES DE
ABRIL (-0,6% MINILLAS)
PRECIPITACIONES
•MEDIAS ANUALES  VARIACIONES PORCENTUALES DE
-2,4% (TABÓN) Y -1,1% (MINILLAS)
•VARIACIONES MENSUALES EXTREMAS
MAYORES AUMENTOS  SEPTIEMBRE EN AMBAS
CUENCAS (22,0 % TABÓN; 24,4% MINILLAS)
DÉFICIT MAYORES  AGOSTO EN AMBAS
CUENCAS (-12,8% TABÓN; -12,9% MINILLAS)
CAUDALES
•MEDIAS ANUALES  VARIACIONES PORCENTUALES DE
-37,2% (TABÓN) Y -23,1% (MINILLAS)
•VARIACIONES MENSUALES EXTREMAS
MAYORES AUMENTOS  SOLO AUMENTAN
EN ABRIL (2,3 % TABÓN; 9,8% MINILLAS)
DÉFICIT MAYORES  OCTUBRE (-54,5 %
TABÓN) Y NOVIEMBRE (-34,7% MINILLAS)
LO
ANTERIOR
DA
COMO
RESULTADO
VOLÚMENES DE REGULACIÓN MENORES Y
REDUCCIONES
IMPORTANTES
DE
LAS
SUPERFICIES DE RIEGO, LO QUE PODRÍA TENER
EFECTOS NEGATIVOS EN LA FACTIBILIDAD DE
EJECUCIÓN DE CIERTOS PROYECTOS.
TRABAJO EN CURSO
MÉTODO DE DESAGREGACIÓN DE DATOS
LOS MÉTODOS DE DESAGREGACIÓN SON USADOS
EN ESTUDIOS DE CAMBIO CLIMÁTICO PARA LIGAR
LOS RESULTADOS DE LOS MODELOS GENERALES
DE CIRCULACIÓN ATMOSFÉRICA (MGCA) CON UN
ÁREA SOBRE LA SUPERFICIE DE LA TIERRA, CUYA
ÁREA Y ESCALA TEMPORAL SON MUCHO MENORES
A LAS USADAS POR EL MGCA. DE ESTA FORMA ES
POSIBLE PROYECTAR LOS CAMBIOS GENERALES A
NIVEL LOCAL Y EVALUAR SUS EFECTOS
Tipos de Desagregación
• Dinámica (MRCA)
• Generación estocástica
• Generación estadística (regresión)
Método utilizado
Generación estadística con incorporación de un
término estocástico
Ejemplo: Embalse El Yeso (33,7º lat
sur, 70,1º long oeste)
Ejemplo: Embalse El Yeso (33,7º lat
sur, 70,1º long oeste)
1,0000
0,8000
0,6000
Temperatura
0,4000
0,2000
0,0000
1955
h3a2temp
h3b2temp
ncep
1975
1995
2015
2035
2055
2075
2095
-0,2000
-0,4000
-0,6000
-0,8000
Año
PRONÓSTICOS Y OBSERVACIONES EN NODO 32,5º LAT SUR Y
71,25º LONG OESTE (GRILLA DE 2,5º (latitud) x 3,75º (longitud) DEL
HADLEY CENTRE)
A2. La familia de escenarios y línea evolutiva A2
describe un mundo muy heterogéneo. La cuestión
subyacente es la autosuficiencia y preservación de las
identidades locales. Los perfiles de fertilidad en las
distintas regiones tienden a converger muy
lentamente, lo cual acarrea un aumento continuo
constante de la población. El desarrollo económico
tiene una orientación principalmente regional y el
crecimiento económico per cápita y el cambio
tecnológico están más fragmentados y son más lentos
que en otras líneas evolutivas.
Fuente:Cambio Climático 2001: Las Bases Científicas. Informe de Síntesis
(IPCC)
B2. La familia de escenarios y línea evolutiva B2
describe un mundo en el que se hace hincapié en las
soluciones locales a la sostenibilidad económica,
social y ambiental. Se trata de un mundo cuya
población mundial crece continuamente, a un ritmo
menor al de la línea evolutiva A2, con niveles medios
de desarrollo económico y cambios tecnológicos
menos rápidos y más variados que en las líneas
evolutivas B1 y A1. Aunque el escenario también está
orientado hacia la protección ambiental y la equidad
social, se centra en los niveles local y regional.
Fuente:Cambio Climático 2001: Las Bases Científicas. Informe de Síntesis
(IPCC)
TEMPERATURA MEDIA ANUAL NORMALIZADA
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
-0,10
T ºC
ncep
EL YESO
-0,20
-0,30
-0,40
-0,50
-0,60
-0,70
1980
1985
1995
1990
AÑO
2000
MODELO SACRAMENTO CON SUBRUTINA DE NIEVES
SNOW17: CUENCA DISCRETIZADA EN BANDAS SEGÚN
COTA
SE GENERAN GRADIENTES ALEATORIOS DE P Y T
BASADOS EN DATOS OBSERVADOS PARA EL PERÍODO DE
CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN  N ESCENARIOS: SERIES
POSIBLES EN CADA BANDA
SE CALIBRA CON CADA ESCENARIO
CAUDALES MEDIOS DIARIOS EL YESO
CALIBRACIÓN (PERÍODO 1980-1986)
SERIE 1
60,00
50,00
Caudal (m3/s)
40,00
Qsim
30,00
Qobs
20,00
10,00
0,00
29-feb-80
13-jul-81
25-nov-82
Mes-Año
08-abr-84
21-ago-85
CAUDALES MEDIOS MENSUALES EL YESO
CALIBRACIÓN (PERÍODO 1980-1986)
SERIE 1
45,00
40,00
Qsim
35,00
Qobs
Caudal (m3/s)
30,00
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
29/02/1980
13/07/1981
25/11/1982
Mes-Año
08/04/1984
21/08/1985
TRABAJO PENDIENTE
SE SELECCIONA CONJUNTO ÓPTIMO DE
PARÁMETROS
SE GENERAN ESCENARIOS FUTUROS DE P, T Y
EVAPORACIÓN
SE OBTIENEN CAUDALES AFLUENTES AL EMBALSE
SE ANALIZA OPERACIÓN DEL EMBALSE
CONCLUSIÓN GENERAL
LOS RESULTADOS OBTENIDOS MUESTRAN LA GRAN
SENSIBILIDAD DE LOS SISTEMAS HIDROLÓGICOS A
LAS VARIACIONES CLIMÁTICAS Y PONEN DE
MANIFIESTO LA NECESIDAD DE INCORPORAR ESTA
VARIABILIDAD EN LA PLANIFICACIÓN, GESTIÓN Y
DISEÑO DE OBRAS DE APROVECHAMIENTO Y
CONTROL DEL RECURSO HÍDRICO.