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5/24/2018 Caso Puente Rio Mataquito
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Diseo hidrolgico frente a eventos extremos
debidos al Cambio Climtico: Diseo hidrolgico
de puentes en la cuenca del Ro Mataquito
Jorge Girons1,2, Eleonora Demara21Departamento de Ingeniera Hidrulica y Ambiental2Centro Interdisciplinario de Cambio Global
Anlisis de la Capacidad Nacional de Infraestructura Pblica paraResponder a los Eventos Extremos y las Medidas de Adaptacin
en el Contexto del Cambio Climtico. 9 de enero, 2013
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Manual de Carreteras (Direccin de Vialidad) y eldiseo hidrolgico de infraestructuras
El riesgo r o probabilidad de falla es definido enfuncin de la vida til y del periodo de retorno del
evento T
r1 11
T
n
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Manual de Carreteras (Direccin de Vialidad) y eldiseo hidrolgico de infraestructuras
Es necesario incorporar la adaptacin al cambioclimtico en la evaluacin de infraestructura vial
(puentes)?
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Adaptacin de la infraestructura al cambio climtico
EstudioEnfoque metodologico para evaluarla adaptacin al cambio climatico en lainfraestructura pblica del MOP
En qu etapa de
desarrollo de la obra se
encuentra?
Planificacin/Estrategia:
Definicin de la
necesidad de
infraestructura
Factibilidad/Diseo:
Materializacin de la
necesidad en una obra
concreta
Es la necesidad
sensible a las
condiciones
climticas?
Evaluacin
tradicional
Si
Tiene la obra
un horizonte de
vida largo?
Monitoreo y
actualizacin
Informacin base
Si
Monitoreo y
actualizacin
informacin base ycostos
No No
Cmo se comparan los
costos de generacin de
informacin especfica
con costos de inversin?
Continuar con
metodologa especifica
que incluya anlisis decambio climtico
Cinf CinvCinf
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Amenaza climtica
Special IPCC Report on Extreme Events (SREX)
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Amenaza climtica
Fenmenos climticos presentan alta variablidad espacial y temporal.La escala espacial y temporal es relevante y se vincula fuertemente con el problema dediseo e infraestructura.
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Diseo en IngenieraProceso en el cual se aplican diversas
tcnicas, metodologas y principios cientficoscon objeto de definir una obra, dispositivo,proceso o sistema, encaminado a cubrir unacierta necesidad, con el suficiente detalle parapermitir su realizacin.a) Se satisface una necesidad.b) Existe un entorno e interacciones entre los
componentes (i.e. un sistema).c) Existe un ciclo de vida.
d) Hay restricciones fsicas, econmicas, socialesy funcionales.e) Actividad creativa y flexible.
Planificacin
Prefactibilidad/Factibilidad
Diseo
Construccin/
Ejecucin/Implementacin
Operacin y
conservacinEtapas del ciclo de vida de proyectos de infraestructura
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Diseo en Ingeniera Infraestructura: Soporte material/fsico
para el desarrollo y correctofuncionamiento de actividades sectorialesy/o productivas y su funcionamiento (i.e.proveedoras de un servicio).
Ejemplos: Transporte, telecomunicaciones,
elctrica, hidrulica. Generalmente asociadas a grandes
inversiones, y significativos impactossociales y ambientales.
Ciclos de vida de proyectos implican unaganancia de experiencia que es formalizadaen herramientas perdurables en el tiempo(Manual de Diseo).
Planificacin
Prefactibilidad/Factibilidad
Diseo
Construccin/
Ejecucin
Operacin yconservacin
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Diseo y amenaza climtica La ingeniera constantemente enfrenta problemas de diseo en el
contexto de incertidumbre. Cambio climtico: El clima del futuro no es igual al clima delpasado. Clima futuro pareciera ser ms variable, con ocurrencia de
eventos extremos, y distintas condiciones promedios.
Impacto sobre la efectividad de infraestructura e instalacionesinfluenciadas directa o indirectamente por condicionesmeteorolgicas.
Ejemplos de infraestructura sensible: Puentes, etc. Robustez y flexibilidad como alternativas de enfoque en el
diseo.
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Caracterizacin de la amenazaclimtica en el diseo
Variabilidad de la amenaza climtica y sus caractersticas. Enfoque actual: Variabilidad futura estimable a partir de condiciones histricas
(fenmenos estacionarios). Caracterizacin estadstica que permite estimar periodos de retornos,
magnitudes con ciertas probabilidad de ocurrencia, etc.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80
Event total duration (hr)
Exceedancefr
equency
0
10
20
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40
50
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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Event total rainfall (in)
Exceedancefrequency
Total rainfall
Duration
Ajuste Log-normal
0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0.9000
1.0000
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850
R(mm)
F(R)=
P(R
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Variabilidad de la amenaza climtica y sus caractersticas. Enfoque actual: Generacin de eventos sintticos usados en el diseo. Simulacin continua y caracterizacin estadstica de los resultados
TORMENTA DE DISEO DE 1 HORA DE DURACIN
0
5
10
15
20
25
30
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25
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35
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Tiempo (min)
%d
elaprecipitaci
ntotal
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
0:00
Time hh:mm
Dep
th(ft)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Rainintensity(in/h)
Rainfall
Water depth
Event 1
Event 2
Daily Peak Depth (ft)3.532.521.510.5
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Caracterizacin de la amenaza
climtica en el diseo
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Caracterizacin de la amenazaclimtica en el diseo
Metodologas para la incorporacin del cambio climtico en el diseo Amplio rango de alternativas de diversa complejidad. Relevancia de:
Datos disponibles Precisin requerida
Capacidad tcnica y humana Dos grandes grupos: Mtodos de screening y mtodos avanzados
Mtodos de screening: mtodos simples de carcter inicial paradeterminar la posibilidad de existencia de riesgo (orden demagnitud). Ejemplos: factores de amplificacin
Mtodos avanzados: mtodos ms complejos que describen msen detalle los riesgos potenciales. Ejemplos: ajustes empricos yestadsticos, simulacin numrica del clima futuro y downscaling.
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Caracterizacin de la amenazaclimtica en el diseo
Metodologas para la incorporacin del cambio climtico en el diseo Tres etapas que pueden ser abordada con los enfoques descritos:
(1) Generacin de series de tiempo y distribuciones espacialescon temperaturas y precipitaciones.
(2) Transformacin de esta precipitacin en escorrentacaracterizada por hidrogramas.
(3) Propagacin hidrulica de hidrogramas a los puntos de inters
Informacin del pasado es crucial para la calibracin y para detectar
posibles condiciones de cambio climtico previas, y sus efectos. No slo los mximos son importantes . Todo el rgimen hidrolgico
puede ser relevante.
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rea de estudio: Cuenca del ro Mataquito
rea: 6332 km2 Clima Mediterrneo: 80% prec. en
Mayo-Agosto Precipitacin anual: 1000 mm/ao
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Ejemplos. a) Temperatura media anual en Curic, b) Precipitacin anual en Curic, c)Caudales instantneos mximos anuales en Colorado en junta con Palos, y d) caudales
mnimos de 7 das en Palos junta con Colorado.
Tendencias hidroclimticas
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Tendencias hidroclimticas
Ocurrencia conjunta de altas precipitaciones y altas temperaturas mnimas.
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Ejemplo: comparacin dedos eventos extremos
2002 2008
P 2 das previos (mm) 103.6 83.9
Caudal Mximo (m3/s) 931 2690
Tmaxpromedio (C) 13,0 17,4
Cota estimada lnea denieve (m)
1700 2200
Mataquito cuenca con nieve a 1700m Mataquito cuenca con nieve a 2200m
* A partir de Ps y Tsen Curic, adoptandouna tasa de lapso de 9C/Km
Comparacin entre 23 /mayo/2008 y27/mayo/2002*
rea extra de lluvia vs. nieve: 615 km2
Equivale a un da con 597 m3/s de caudal extra
Nieve de eventos anteriores probablemente derretida (19-20 mayo, 2008 : 49.5mm, Tmax14,6 C (cota lnea de nieve ~ 1800 m) . Equivalente a un da con 284m3/s de caudal extra.
El evento del 2008 es de menor magnitud (19,7 mm), pero produce un caudal
mayor equivalente al menos a 881 m3
/s de caudal extra.
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Tendencias hidroclimticas
Tendencias positivas en Tmed
, sobretodo en primavera
Primavera y verano cada vez ms calurosos y secos
Eventos extremos de T cada vez ms extremos(Tmax ms altas yTminms bajas)
Tendencias negativas en la magnitud y frecuencia de Ps,sobretodo en primavera. Disminucin de eventos extremos msfuerte en otoo que en invierno.
Lluvias primaverales, cada vez menores en volumen, son mspluviales.
Tendencia no significativa al adelantamiento de la primavera(Aprox. 3 das/dec)
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Tendencias hidroclimticasGrandes crecidas asociadas a altas Ps,Tmindiarias (pluviales) y
ms noches clidas.Menor acumulacin nival (sobretodo otoo). Menores Qsen
poca nival a pesar de mayores Ts
Mayores 10 crecidas anuales (pluviales) principalmente a partir
del 2000 en otooMayores 10 crecidas nivales al inicio y fin del registro. Crecidas
iniciales por derretimiento de manto nival almacenado en losmeses de lluvia. Crecidas mayores recientes relacionadas al
parecer con la precipitacin pluvial que escurre producto delaumento de Ts.
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Proyecciones de cambio climticoindican una disminucin deprecipitacin generalizada en laregin central de Chile
Al mismo tiempo, una atmosfera mascalida puede absorber mas vapor deagua aumentando la probabilidad deeventos de precipitacin masintensos.
IPCC AR4 (Christensen et al., 2007)
Como los caudales de diseo se vern afectados durante elSiglo XXI debido al cambio climtico?
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Recordar
Metodologas para la incorporacin del cambio climtico en el diseo Tres etapas que pueden ser abordada con los enfoques descritos:
(1) Generacin de series de tiempo y distribuciones espacialescon temperaturas y precipitaciones.
(2) Transformacin de esta precipitacin en escorrentacaracterizada por hidrogramas.
(3) Propagacin hidrulica de hidrogramas a los puntos de inters
Informacin del pasado es crucial para la calibracin y para detectar
posibles condiciones de cambio climtico previas, y sus efectos. No slo los mximos son importantes . Todo el rgimen hidrolgicopuede ser relevante.
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Modelo Hidrolgico: Variable Infiltration Capacity (VIC)
Baseflow Curve
d3
d1 W+d2(W-d3)d4
Baseflow
Deep layer soil moisture, W
Implementable en grandes
cuencas
Variabilidad en Subgrilla de:Vegetacin, humedad delsuelo, topografa y
precipitacin
Balance de energa y de masa
Resolucin deg , diario
Desarrollado Universidad de Washington, EEUU
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Variables del modelo hidrolgico VIC
Entradas (observada y GCM corregida):Precipitacin diaria
Temperatura mxima y minima diaria
Salidas:
Caudales diarios
SWE (snow water equivalent)
evapotranspiracin
contenido de humedad del suelo
Precipitacin observadadisponible en grilla regular ypor periodos extendidos detiempo (40-50 aos) es uninconveniente en la cuencadel Mataquito
Necesidad de utilizarproductos combinados de
satlites (TRMM) y modelosatmosfricos (NCEP-NCARReanalysis) validados conobservaciones (CRU)
l l d b
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1. Dependemos deGeneral CirculationModels (GCMs) paraestimar el clima futuro(resolucion 2.5 grados)
2. Estas proyeccionesson escaladas(downscaled)espacialmente conmtodos estadsticos o
dinmicos (resolucin25 km)
3. Camposatmosfricosescalados alimentan elmodelo hidrolgico VIC
4. Las simulaciones son usadas para planeamiento desequas, modelos agrcolas, hidrolgicos, etc.
Como se utilizan las proyecciones de CambioClimtico para predicciones hidrolgicas?
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Pobre representacin de caudalesbajos y no derretimiento de nieve
Sin embargo, los datos en grilla de precipitacin nocapturan los efectos orogrficos en la cercana de los Andes
Grilla DGA
Sheffield, J., et. al, (2006), Development of a 50-yr high-resolution global dataset of meteorological forcings for land surface modeling,J. Climate, 19(13), 3088-3111.
Repercusiones hidrolgicas
Precipitacindisminuye con
altura
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Precipitacin anual en la cuenca disminuye (6-14%)acompaado con un 2-3.5C calentamiento a finales delsiglo XXI.
Precipitacin Temperatura media
mas seco mas calido
Low emission scenario
High emission scenario
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El aumento de temperatura va a repercutir en la coberturade nieve (Snow water equivalent) durante los meses deinvierno
Low emission scenario High emission scenario
SWE[mm/m
es]
Si bi l t d i
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Si bien la tendenciageneral en caudales esnegativa, la
intensificacin deeventos de lluvia va aafectar los caudales
picosAnalisis de frequencia de caudales
Seleccionar 3-dias maximos anuales usando mediasdeslizantes
Ajustar una Generalized Extreme Value (GEV). Alternativa en estudio: Distribucin con prametros
variables para incorporar tendencias monotnicas (Vogelet al., 2011)
Crecida Mataquito 2009. Fuente internet
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Caudales mximos anuales con un periodo de retornode 100 aos aumentan en promedio 15-50* % para el
periodo 2070-2099
* Para el low/high emission scenarios respectivamente
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Como se traducen estos caudales aniveles de inundacin en el ro?
El umbral de inundacin de la ciudad de Licantn ha sido definido en 7metros (alerta roja)*. Un segundo estudio define un caudal de 3850m3/s (7.62 m) para la alerta roja.
Alerta Azul AlertaAmarilla
AlertaRoja
Q (m3/s) 1516 2355 3038
H (m) 5.5 6.4 7
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
h(m)
Q (m3/s)
* DGA (2010), Determinacin de los umbrales de alerta de caudales, lluvias y
temperaturas del sistema de transmisin de datos de la DGA
C d l i i i d
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Caudales mximos instantneos con un periodode retorno de 100 aos superan ampliamente elumbral de Alerta Rojo en Licantn
Alerta Rojo = 7 metros
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