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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.