Caso Puente Rio Mataquito

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

30

40

50

60

70

80

90

100

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

510

15

20

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35

40

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50

55

60

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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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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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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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 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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