Expo Simulacion Hidrolog. y Cambio Climatico

RESPUESTAS DE MODELOS DE RESPUESTAS DE MODELOS DE

SIMULACIÓN HIDROLÓGICA AL CAMBIO SIMULACIÓN HIDROLÓGICA AL CAMBIO

CLIMÁTICOCLIMÁTICO Ximena Vargas M.Profesor AsociadoDepto. Ingeniería CivilUniversidad de Chile

AGENDAAGENDA

•CAMBIO CLIMÁTICO

•ESTUDIOS

•MODELOS DE SIMULACIÓN HIDROLÓGICA

•ZONA DE ESTUDIO

•RESULTADOS

•CONCLUSIONES

•TRABAJO EN CURSO

CAMBIO CLIMÁTICOCAMBIO CLIMÁTICO

Para el diseño de obras hidráulicas y la gestión del recurso hídrico, resultafundamental 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

• DEFINIR MODELO PRECIPITACIÓN-ESCORRENTÍA:

CUENCA : FLUJO SUPERFICIAL Y EN CAUCE APROX. ONDA CINEMÁTICA

PRECIPITACION

PRECIPITACIÓN EFECTIVA: METODOLOGÍA DE MOREL-SEYTOUX (Tiempo de Empapamiento)

METODOLOGÍAMETODOLOGÍAESTUDIO 1: MODELO DE SIMULACIÓN A ESCALA HORARIA

• 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:

aTTT

)(

• ANÁLISIS DE FRECUENCIAS DE SERIES DE TEMPERATURAS MEDIAS ANUALES OBSERVADA Y GENERADAS

• SELECCIONAR TEMPORALES A ESTUDIAR, OBTENER TEMPERATURAMEDIA 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 Tgen(+1ºC) Tgen(+2ºC)

ºC ºC 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 TgenY 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% CUANDOLAS TEMPERATURAS MEDIAS ANUALES AUMENTAN EN 1 Y 2ºC,RESPECTIVAMENTE.

• 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.

CONCLUSIONES CONCLUSIONES ESTUDIO 1ESTUDIO 1

• 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

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

vppslatssrolroct QQQQQQAlbedoQQ 1

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.

Nota: 5 valor negativo

A M J J A S O N D E F MVariación

Precipitación (%) 18 17 5 13 3 31 15 19 3 14 8 1

Variación Temperatura

(oC) 4,5 4,2 3,8 3,4 4,5 3,2 4,2 4,0 5,4 5,6 6,2 4,8

Mes

Tabla: Escenario Climático Medio Modelos GISS y GFDL para latitud 33oS

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)

Figura 1: Caudales Medios Diarios Simulados y Observados enEstación Mapocho en Lo Almendros. Año 1989-1990. Engeneral se observa una sobre estimación de los caudalesmedios anuales.

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

0 1 -0 4 -8 9 0 1 -0 6 -8 9 0 1 -0 8 -8 9 0 1 -1 0 -8 9 0 1 -1 2 -8 9 0 1 -0 2 -9 0

Q (m

3 /s)

S im

O b s

CALIBRACIÓN

S im u la c ió n 1 9 8 9 -1 9 9 0

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

A J A O D F

M e s

Q (m

3/s)

Q s /c cQ G IS SQ G F D L

Figura 2: Caudales Medios Diarios Simulados en EstaciónMapocho en Lo Almendros. Año 1989-1990. Se observa similarcomportamiento con las variaciones climáticas de modelosGISS y GFDL y cambios significativos en la distribución de laescorrentía superficial.

Figura 3: Caudales Medios Diarios Simulados en Mapochoen Los Almendros con y sin cambio climático. Añohúmedo 1991-1992. Se observan mayores aumentos enperiodo pluvial que en periodo de deshielo

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

A J A O D F

M e s

Q (

m3/

s)

Q s /c c

Q G IS S

Q G F D L

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%).

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%).

CONCLUSIONES ESTUDIO CONCLUSIONES ESTUDIO 33

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

• 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

qtqttptptt aaazzz ...~...~~1111

MODELO DE SIMULACIÓN DE CAUDALES MEDIOS MENSUALES

PRECIPITACIÓN

ESCORRENTÍA INMEDIATA EVAPOTRANSPIRACIÓN TOTAL PRECIPITACIÓN EN EXCESO

NIVEL DE TERRENO

INFILTRACIÓN

EMBALSE SUPERFICIAL PERCOLACIÓN PROFUNDA

Hmáx CAPACIDAD DE RETENCIÓN H 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

• SR = 85%

tQQEPpVV ientregaafluenteiiii )(1

ZONA DE APLICACIÓN:

Modelo TemperaturaT(2CO2)-T(1CO2)

[ºC]

PrecipitaciónP(2CO2)/P(1CO2)

RadiaciónR(2CO2)/R(1CO2)

GISS 4,63 1,00 1,04GFDL 4,33 0,99 1,01UKMO 6,13 0,95 1,14

• ESCENARIOS CLIMÁTICOS FUTUROS (MODELOS DE CIRCULACIÓN GENERAL) LATITUD 33°S, LONGITUD 71°O

Promedios Anuales

ESCENARIOS CLIMÁTICOS FUTUROS. PROMEDIOS MENSUALES A 30 AÑOS.

Variación E F M A M J J A S O N D

T(2CO2)-T(CO2) ºC 4,6 5,7 4,4 3,5 4,3 3,5 3,6 4,2 3,3 4,1 4,7 6,1Pp(2CO2)/Pp(CO2) 1,0 1,0 0,8 1,3 0,7 1,1 0,8 0,7 1,7 1,3 0,6 0,8Rs(2CO2)/Rs(CO2) 1,1 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 MENORVARIACIONES DE PRECIPITACIÓN ENTRE -38% Y +30%

Temperatura

9

11

13

15

17

19

21

23

E F M A M J J A S O N D

Sit. actual

Sit. futura

SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO

PRECIPITACION

0

10

20

30

40

50

60

ENE MAR MAY JUL SEP NOV

Mes

ET

(m

m)

Actual

Futura

SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO (TABÓN)

P

EVAPOTRANSPIRACION

0

20

40

60

80

100

120

ENE MAR MAY JUL SEP NOV

Mes

ET

(m

m)

Actual

Futura

SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO (TABÓN)

CAUDAL

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

ENE MAR MAY JUL SEP NOV

Mes

ET

(m

m)

Actual

Futura

SERIES CON EFECTO CAMBIO CLIMÁTICO (TABÓN)

Q(m

3/s

)

ANÁLISIS EMBALSE TABÓN.

ANÁLISIS EMBALSE MINILLAS.

0,015

0,017

0,012

1,462

1,462

0,894

45,3

45,3

32,3

87,1

77,4

87,1

-MEDIAS ANUALES VARIACIONES PORCENTUALES DE 1,6% (MINILLAS) Y 2,3% (TABÓN)-VARIACIONES MENSUALES EXTREMAS

POSITIVAS JUNIO (4,3% TABÓN) Y JULIO (2,5% MINILLAS) -NEGATIVAS ENERO (-0,9% TABÓN) Y EN EL MES DE ABRIL (-0,6% MINILLAS)

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

EVAPOTRANSPIRACIONES POTENCIALES

•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)

PRECIPITACIONES

•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)

CAUDALES

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.

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

TRABAJO EN CURSOTRABAJO EN CURSO

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)

-0,8000

-0,6000

-0,4000

-0,2000

0,0000

0,2000

0,4000

0,6000

0,8000

1,0000

1955 1975 1995 2015 2035 2055 2075 2095

Año

Tem

per

atu

ra

h3a2temp

h3b2temp

ncep

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

-0,70

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

1980 1985 1990 1995 2000

AÑO

T º

C ncep

EL YESO

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

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

29-feb-80 13-jul-81 25-nov-82 08-abr-84 21-ago-85

Mes-Año

Cau

dal

(m

3/s)

Qsim

Qobs

CAUDALES MEDIOS MENSUALES EL YESOCALIBRACIÓN (PERÍODO 1980-1986)

SERIE 1

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

29/02/1980 13/07/1981 25/11/1982 08/04/1984 21/08/1985

Mes-Año

Ca

ud

al

(m3

/s)

Qsim

Qobs

SE SELECCIONA CONJUNTO ÓPTIMO DE PARÁMETROSSE GENERAN ESCENARIOS FUTUROS DE P, T Y EVAPORACIÓNSE OBTIENEN CAUDALES AFLUENTES AL EMBALSESE ANALIZA OPERACIÓN DEL EMBALSE

TRABAJO PENDIENTE

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.

CONCLUSIÓN CONCLUSIÓN GENERALGENERAL