Tesis Doctorado

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Comportamiento espacial y temporal de los eventos externos de precipitación, en monto e intensidad para suraciones desde los 15 minutos hasta las 24 horas en la Región del Maule, Chile
(Universidad de Concepción., 2019) Sangüesa Pool, Claudia B.; Rivera Salazar, Diego; Pizarro Tapia, Roberto; Arumi Ribera, José Luis
La intensidad máxima de precipitación es un factor importante a la hora de determinar si se han producido cambios temporales y espaciales. Este estudio se basó en los registros obtenidos desde bandas pluviográficas para determinar las intensidades máximas anuales de precipitación para la Región del Maule, Chile, en 11 estaciones de medición y para duraciones de 15 minutos a 24 horas, entre los años 1974 y 2009. Se aplicaron pruebas estadísticas de posición y dispersión a estos datos, junto con la prueba no paramétrica de Mann-Kendall. De los resultados se desprende que las intensidades más altas se dan en las estaciones de mayor influencia orográfica y en zonas próximas a masas de agua. Adicionalmente, el análisis de las tendencias de las intensidades máximas de lluvia no mostró tendencias de comportamiento espacial o temporal a través del tiempo. En cambio, los resultados indicaron que las intensidades se han mantenido dentro de los límites conocidos y no han manifestado cambios importantes que puedan atribuirse a la variabilidad del clima o al cambio climático. Se realizó un estudio para determinar el comportamiento de las concentraciones de precipitación entre las regiones de Coquimbo y la Araucanía de Chile. Se analizaron los registros diarios y mensuales de 89 estaciones pluviométricas en el período 1970-2016 y distribuidas entre 29°12’S y 39°30’S. Esta área se dividió en dos zonas: árido-semiárida y húmedo-subhúmeda. Para cada estación se calcularon el coeficiente de Gini o Índice de Gini (GI), el Índice de Concentración de Precipitación (PCI) y la intensidad máxima anual de precipitación en un período de 24 horas. Estas series de valores anuales se analizaron con la prueba de Mann-Kendall al 5%. En general, se observó que las tendencias positivas de la GI están presentes en ambas áreas, aunque en la mayoría de los casos no se encontraron x significativas. En el caso de la PCI, la presencia de tendencias positivas sólo está presente en la zona árido-semiárida; en la zona húmedo-subhúmeda, se observaron en su mayoría tendencias negativas, aunque ninguna fue significativa. Aunque no se observan cambios significativos en ambos índices, destaca el caso particular del GI en la zona húmeda-subhúmeda, donde se encontraron tendencias mayormente positivas (91,1%), de las cuales el 35,6% fueron significativas. Esto indicaría que es más probable que las precipitaciones se concentren en una escala diaria. Se realizó una caracterización de los eventos de lluvia registrados en la estación Potrero Grande (Región del Maule) para el periodo 1982 – 2009, a partir de los registros de precipitación extraídos de las bandas pluviográficas. En este periodo se registraron 539 eventos, con un promedio anual de 19 eventos/año. En términos anuales se verifica una disminución en el número de eventos por año y una disminución en el monto de lluvia caído por evento en el periodo estudiado. En el mes de febrero ocurren los eventos de mayor intensidad lo que genera una situación de riesgo para la actividad agrícola. Al analizar las tendencias de las intensidades de precipitación se observa un cambio en la estructuración intra anual de la precipitación, ya que algunos meses (febrero, marzo, junio y septiembre) presentan un aumento de las intensidades de lluvia mientras que en los demás meses han disminuido. Al agrupar las series de datos por estación del año se observan claras tendencias significativas al aumento de las intensidades media del evento y de las máximas por evento para las duraciones desde 15 min hasta 12 horas y ello para las 4 estaciones. Para 24 horas si bien la tendencia es al aumento de la intensidad de precipitación, esta solo es significativa para el verano. Finalmente, al considerar los eventos extremos, estos no muestran tendencias significativas para ningunas de las estaciones, excepto en primavera que tiene una tendencia a aumentar la intensidad media del evento.
Desinfección de aguas de uso agrícola, mediante la utilización de un fotocatalizador inmovilizado en mortero de cemento y activado por luz solar.
(Universidad de Concepción., 2009) De la Hoz Mardones, Felipe Alexis; Arumi Ribera, José Luis
El cumplimiento de los estándares de calidad del agua de riego impuestos por los mercados internacionales puede convertirse en una restricción para la exportación de productos agropecuarios, debido a los problemas asociados a la inocuidad y compatibilidad ambiental exigidos. Utilizar agua de buena calidad y en cantidades apropiadas, permite a la actividad agrícola competir con otros sectores productivos más eficientes económica y ambientalmente. Sin embargo, se ha encontrado que la contaminación de las aguas a usar en riego, en general, no cumplen las normativas y guías nacionales e internacionales, por lo que es necesario desarrollar tecnologías que permitan remediar y recuperar el recurso hídrico. El manejo dentro del marco de las Buenas Prácticas Agrícolas (BPA's) permite prevenir la contaminación, pero no aseguran la calidad del agua que se utiliza en la actualidad.
Efecto de la agricultura intensiva de riego sobre el régimen hidrológico superficial en cuencas del Valle Central de la VII región, Chile.
(Universidad de Concepción., 2008) Uribe Cifuentes, Hamil Leonardo; Arumi Ribera, José Luis
Existe plena conciencia de que el agua constituye uno de los recursos naturales más críticos del presente siglo y de la necesidad de un mejor manejo de ella, debido a su creciente escasez (Droogers et al., 1999) y la fuerte competencia por su uso por parte de distintos sectores de la economía. Indudablemente es necesario realizar una buena administración y planificación de los recursos hídricos, lo que sólo es posible si se provee de información fiable y segura a los usuarios del agua, tanto a nivel de campo, como a escalas que integren las cuencas de los ríos. La generación de información de estas características es una tarea no trivial (Bastiaanssen et al., 2000) y obliga extremar esfuerzos para ayudar en la toma de decisiones informadas, tanto al sector público como privado.
Estudio de la respuesta hidrológica de cubiertas verdes para la zona central de Chile.
(Universidad de Concepción., 2019) Camaño Espinoza, Javier Andrés; Arumi Ribera, José Luis
El crecimiento urbano conlleva consigo cambios morfológicos, topográficos y de recambio de superficies permeables por impermeables, esto conlleva una alteración de los procesos hidrológicos de infiltración, evapotranspiración y escorrentía en las cuencas urbanizadas, provocando un disminución de la recarga de agua subterránea, aumentando tanto las tasas de evapotranspiración como la escorrentía superficial en las ciudades, volviendo las cuencas urbanas más vulnerables a anegamientos y provocando problemas de contaminación de los cauces naturales. La presente investigación tiene tres objetivos de investigación. Primero, a través de una revisión bibliográfica de normas chilenas, leyes, instructivos técnicos y literatura científica, recomendar algunos tópicos de investigación que debieran ser promovidos en Chile en materia de drenaje urbano sustentable. Segundo, estudiar la influencia de las propiedades físicas de granulometría, conductividad eléctrica, retención de agua al igual que el contenido de nutrientes, sobre el estado fotosintético de una cobertura vegetal de sedum spurium vodoo para tres sustratos de cubierta verde comercializados en el país. Tercero, cuantificar el aporte real de las cubiertas verdes reteniendo y deteniendo la escorrentía para dos localidades de la zona central de Chile, a través de modelación hidrológica, con datos de alta resolución temporal, a partir de datos de escorrentía obtenidos experimentalmente mediante la construcción de siete módulos de cubierta verde y un simulador de precipitaciones. A raíz de los hallazgos encontrados en el estudio, se observa que Chile ha efectuado investigación científica en el área del drenaje urbano sustentable, pero la investigación se ha orientado principalmente a algunas medidas de control del agua en la fuente, los proyectos de construcción que incluyen los conceptos SUDS dentro de su planificación corresponden a algunos parque públicos y algunos condominios privados, se recomienda potenciar los tópicos de calidad del agua lluvia, implementación de medidas no estructurales y estudios de dispositivos SUDS tales como cubiertas verdes, pavimentos permeables, etc., que estén basados en modelación hidrológica e hidráulica, igualmente se recomiendan estudios para cuya finalidad permita rehabilitar los cauces urbanos. De las propiedades de los sustratos de cubierta verde que más impactaron en el estado general de la cobertura de sedum spurium vodoo fueron la retención de agua, sin embargo, se recomienda la garantía de un alto PH y la utilización de arcilla en el medio de crecimiento, se recomienda igualmente la utilización de medidores de clorofila portátiles. En cuanto al desempeño hidrológico, al separar las tormentas en eventos independientes con resolución de 1 minuto, se compararon los hidrogramas de los siete tratamientos de cubierta verde versus los hidrogramas de una cubierta de material impermeable y se obtuvieron reducciones de la escorrentía máxima entre 20-60%, la duración de la escorrentía fue de al menos tres horas más que la de una cubierta convencional, el centroide de escorrentía se retardó al menos 10 minutos, la retención resultó escasa debido a que se trabajó con cubiertas verdes x de 10 cm de profundidad. Al estudiar estos estadísticos para las tormentas de diseño de duración.
Evaluación de la vulnerabilidad hídrica de una Cuenca del Río el Ángel y demanda de agua de la población en escenarios de cambio de uso de suelo.
(Universidad de Concepción., 2016) Espinosa Marín, Jorge Andrés; Rivera Salazar, Diego; Arumi Ribera, José Luis; Uribe Cifuentes, Hamil
La disponibilidad y libre acceso al recurso hídrico para el normal desarrollo de las diferentes antrópicas mediante el uso sostenible y sustentable de la misma, es el reto que se ha planteado la humanidad, más aun considerando que durante los últimos años la población mundial se ha duplicado, lo cual ha mostrado un alto nivel de vulnerabilidad de la población ante los cambios del clima y cambio del uso de suelo debido a que este tipo de alteraciones tienen influencia directa sobre la disponibilidad de agua, por ende en la producción de alimentos y la actividad productiva en general. El área en estudio es la cuenca del Río Ángel que representa una de las zonas agrícolas más productivas de la Provincia del Carchi en Ecuador, la productividad se encuentra fuertemente limitada por una inadecuada gestión de agua con fines de riego lo que afecta en la cantidad, calidad, distribución, acceso y gestión de los recursos hídricos. Esta área se encuentra sobre los 3000 metros por lo cual se la considera como un zona de altura lo cual hace difícil el acceso al recurso hídrico, por lo cual las actividades agrícolas dependen directamente del agua proveniente de las lluvias que se presentan en las épocas de precipitación, la presencia de paramo en la parte alta sobre los 3600 metros regula la disponibilidad de agua a lo largo del año por ende la sostenilidad productiva se encuentra relacionada directamente con la cantidad de agua que puede producir la cuenca. Por lo anterior se generaron herramientas capaces de analizar el comportamiento de la cuenca bajo diferentes escenarios de cambio de uso de suelo que cuenten con un adecuado soporte científico, para así poder identificar áreas vulnerables en las cuales se evaluará la disponibilidad del recurso hídrico que puede existir bajo supuestos de cambio de la cobertura vegetal, el propósito de esta investigación es sentar las bases sobre las cuales emprender el desarrollo agrícola y pecuario del adecuado uso de los recursos hídricos disponibles y la generación de acciones dirigidas al incremento de la productividad agrícola y ganadera. Para llevar a cabo lo anterior se utilizará un modelo físicamente basado y semidistribuido, el cual será configurado y calibrado para la zona de estudio basándose en las investigaciones ya existentes, como resultado se espera conseguir un balance hídrico que sea preciso, que reproduzca de manera adecuada los procesos hidrológicos predominantes, capaz de modificar la respuesta hidrológica según las forzantes climáticas y de superficie de uso de suelo en diferentes escenarios. Los resultados obtenidos respecto a los impactos hidrológicos producidos en el escenario formulado de acuerdo al constante aumento en la superficie de cultivo entre los años 2000 y 2014, en la cuenca del Rio el Ángel con la aplicación del modelo semidistribuido SWAT calibrado y validado para las diferentes subcuencas, indican que existe vulnerabilidad ante la presión de incremento del área de cultivo y se puede evidenciar en términos de reducción de los caudales para satisfacer las demandas del recurso hídrico que puede estar asociada al incremento de la evapotranspiración, pérdida de capacidad de retención de agua por parte del suelo lo cual incide en la producción de los diferentes cultivos que se desarrolla en esta cuenca. Palabras Claves: Vulnerabilidad, Modelación Hidrológica, Permeabilidad, Páramo
Herramientas de gestión ambiental para la utilización de purines como bio-fertilizantes.
(Universidad de Concepción., 2012) Flores Moraga, Héctor Rodrigo; Arumi Ribera, José Luis
Fruto de las actividades agropecuarias se generan altas cantidades de desechos, los cuales habitualmente son aplicados al suelo, considerado uno de los métodos más efectivos y económicos para afrontar la problemática de la acumulación de los desechos de tipo orgánico procedentes de la ganader a intensiva. Sin embargo, estas practicas son de alto riesgo en lo concerniente a la pérdida de nutrientes sobre los cursos de agua. Los factores claves para reducir estas pérdidas son una correcta aplicación del purin y un buen manejo del riego; el efecto de estas estrategias depender an específicamente de las caracter sticas ambientales, y las prácticas previamente utilizadas en el lugar. Una buena alternativa, para evaluar el impacto de la aplicación de purines de cerdo, es la utilizaci on de modelos matem aticos, debido a que medir directamente los efectos, resulta de alto valor, lento y difícil. El objetivo de este estudio es desarrollar herramientas que permitan la aplicación de purines de cerdo, maximizando su efectividad como fertilizante y minimizando sus efectos contaminantes, bajo condiciones climáticas, geográficas y de producción propias del Valle Central de Chile.
Influencia de la interacción entre agua superficial, subterránea y de riego en el transporte de contaminantes de origen agrícola.
(Universidad de Concepción., 2006) Rivera Salazar, Diego Andrés; Arumi Ribera, José Luis
La evaluación de los impactos ambientales asociados a la actividad agrícola deben tener, al menos, dos componentes: sistemas de monitoreo de variables ambientales y modelos. Los modelos, ya sean matemáticos, físicos, conceptuales o combinaciones de estos, corresponden a una herramienta funcional, producto de un proceso de modelación, donde un sistema es representado de manera simplificada. Estos modelos requieren de una serie de parámetros que son operados dentro de un esquema determinado, permitiendo estudiar el sistema modelado sin intervenir directamente en él. Los sistemas de monitoreo permiten controlar variables de importancia dentro del agro-ecosistema. El conjunto de variables a controlar debe ser tal, tanto en tiempo y en espacio, que exista un compromiso entre las variables monitoreadas y los parámetros requeridos por los modelos.
Mejorando la comprensión y representación del proceso de almacenamiento y liberación de aguas subterráneas de un modelo hidrológico de acuerdo a la geología dominante de una cuenca.
(Universidad de Concepción., 2019) Parra Ramírez, Víctor Manuel; Arumi Ribera, José Luis
El agua dulce es fundamental para el desarrollo de la vida humana. En ese sentido, cuencas de montaña juegan un papel importante, puesto que aportan agua a cuencas más bajas (acuífero aluvial). A pesar de ello, en estos sistemas, procesos de almacenamiento y liberación de aguas subterráneas y su relación con las características geológicas y topográficas predominantes, aún no son completamente entendidos. Mejorar muestro conocimiento de los procesos de almacenamiento y liberación de aguas subterráneas es fundamental para tener mejores estimaciones de caudales mínimos, lo que contribuirá a mejorar las practicas gestión en periodos de escases hídrica. Esta investigación abarca 5 capítulos con el objetivo de mejorar la comprensión y simulación de caudales bajos, relacionando la influencia del tipo de geología con la modelación del proceso de almacenamiento-liberación de aguas subterráneas. En el CAPITULO 1 se realiza una revisión de literatura que consiste en describir el estado del arte y metodologías para el desarrollo de la tesis. En el CAPITULO 2 se evalúa una metodología de medición de caudales (aforos) y modelación de aguas subterráneas en una cuenca de montaña para evaluar la influencia geológica en la interacción de aguas superficiales y subterráneas (almacenamiento y liberación de aguas subterráneas). En el CAPITULO 3 se evalúa el análisis de caudales de recesión en cuencas con diferentes características geológicas con el objetivo de identificar comportamientos de almacenamiento-liberación de aguas subterráneas. En el CAPITULO 4 se evalúan diferentes estructuras conceptuales de almacenamiento-liberación en un modelo hidrológico conceptual para perfeccionar el diseño de este y mejorar la conceptualización de este proceso de acuerdo a la geología predominante de la cuenca. Por último, en el CAPITULO 5 se realizan conclusiones generales del estudio y futuras líneas de investigación. De acuerdo a los resultados obtenidos, se identifica que la combinación de geología (volcánica) y topografía con pendientes fuertes lleva a un río de montaña a ganar y perder aguas superficiales a lo largo del cauce por lo que se recomienda analizar la interacción agua superficial y subterránea para una mejor gestión del agua en sistemas volcánicos. Por otro lado, los resultados sugieren que con el análisis de caudales de recesión es posible identificar diferentes comportamientos de almacenamiento subterráneo asociados a diferentes características geológicas, y por lo tanto, es una herramienta valiosa para mejorar la representación y conceptualización de este proceso con el fin de avanzar en mejores predicciones de caudales mínimos. Finalmente, la evaluación de las estructuras conceptuales sugieren existe una estructura adecuada (mejor) para simular caudales bajos en cuencas independiente de las características geológicas (volcánica, sedimentaria) y topografía (abrupta o empinada). Los resultados también sugieren que una estructura más simple puede ser suficiente para predecir caudales bajos en cuencas con influencia sedimentaria o topografía llana. Esta investigación muestra una metodología simple para estudiar y mejorar la simulación de caudales bajos en cuencas con diferentes características geológicas, como es el análisis de caudales de recesión junto con la evaluación de estructuras de almacenamiento subterráneos.
Perfeccionamiento de un modelo hidrológico: Aplicación de análisis de identificabilidad dinámico y uso de datos grillados.
(Universidad de Concepción., 2011) Muñoz Ortiz, Enrique Alejandro; Arumi Ribera, José Luis
En la presente tesis doctoral se abordan dos temáticas relacionadas con modelación hidrológica, tendientes a mejorar la construcción y entendimiento de un modelo. En primer lugar se evalúa la calidad y propiedades de series de datos hidro-climáticos grillados e interpolados a escala global. Estos datos se evaluaron como fuente alternativa a la falta de mediciones de campo que se tiene principalmente en zonas de montaña, y para determinar sus características, y ventajas y desventajas comparativas para llevar a cabo estudios y modelos hidrológicos. En segundo lugar se aborda la identificabilidad general y dinámica de un modelo hidrológico conceptual con el objetivo de identificar diferentes modos de respuesta de una cuenca, de mejorar la comprensión de los procesos y sub-procesos hidrológicos predominantes en una cuenca, y de mejorar la conceptualización de dicho modelo. Además, se evalúan los alcances de dicho análisis como herramienta para perfeccionar un modelo hidrológico.
Síntesis del sistema hidrológico del río Chagres República de Panamá.
(Universidad de Concepción., 2014) Osorio Ugarte, Haydée Isabel; Arumi Ribera, José Luis; Rivera Salazar, Diego
El río Chagres, ubicado en el canal de Panamá, República de Panamá, es la fuente más importante de abastecimiento de agua para el funcionamiento del canal. Entender la relación precipitación escorrentía en esta cuenca, así como las conexiones de sus flujos subsuperficiales es vital para el manejo del canal. En la presente tesis doctoral se ha apoyado en el entendimiento de los procesos hidrológicos de la relación precipitación escorrentía. Se mejoró un modelo hidrológico que permitió identificar variables dominantes dentro de la dinámica del agua. Se realizaron modificaciones, primeramente basadas en un modelo perceptual y posteriormente un modelo conceptual en la cuenca del río Chagres. La modificación en la fase perceptual de la cuenca se hizo a través de imágenes fotográficas e información meteorológica y característica físicas de la cuenca del río Chagres, así como de sus cuencas aledañas. La modificación al modelo conceptual se basó el modelo Hidrológico Chileno, Brown Ayala y Ferrer (1973), codificado de lenguaje de programación FORTRAN® A MATLAB® por Rivano, con adaptaciones de Correa y Rivera (2006), adaptado con la herramienta mcat de Matlab® por Vega (2009), y modificado por Muñoz (2010) quien agregó un módulo nival. La modificación en esta Tesis Doctoral incluyó adicionalmente el cambio del paso de datos mensuales a paso diario Las modificaciones en el modelo dieron como resultado la identificación de la percolación y la infiltración como variables importantes en obtener una mejor aproximación en la curva de recesión del río Chagres. Coadyuvando con este resultado, un mejor entendimiento en los procesos hidrológicos de la cuenca del río Chagres. Finalmente, las modificaciones probaron la importancia de adaptar el modelo hidrológico de precipitación escorrentía a la cuenca bajo estudio, antes de utilizarlo como una herramienta replicable a cualquier realidad mundial.
Uso de datos de precipitación grillada para mejorar la modelación hidrológica
(Universidad de Concepción, 2023) Portuguez Maurtua, Domingo Marcelo; Arumi Ribera, José Luis
Uno de los fenómenos naturales más devastadores, capaces de causar una gran destrucción en muy poco tiempo son las inundaciones, producidas por las fuertes lluvias estacionales, que se caracterizan por su alta velocidad y poder destructivo. La precipitación es el principal aporte de recurso hídrico en una cuenca; pero al mismo tiempo es responsable de los eventos climático meteorológicos extremos, como sequías o inundaciones. Además, la cantidad limitada de estaciones terrestres, la dificultad en su obtención, ausencia de registros continuos de longitud considerable, son factores limitantes que asocian la incertidumbre a la variación temporal y espacial de la precipitación. Por lo tanto, para abordar la estimación de precipitaciones en lugares donde no se dispone de series de datos confiables, se considera como alternativa la interpolación espacial. La interpolación espacial es una técnica eficiente que permite generar precipitaciones grilladas, insumo de datos de entrada en los modelos hidrológicos distribuidos basados físicamente. El objetivo del estudio fue evaluar la mejora de la modelación hidrológica con datos grillados mediante la aplicación del modelo hidrológico HEC-HMS en cuenca interandina. Se plantearon tres objetivos específicos. Primero (Capitulo II), analizar la calidad y relleno de serie de precipitación diaria, esto se realizó mediante gráfica de serie de tiempo, diagrama de caja y prueba de homogeneidad; y para la completación de precipitaciones faltante se utilizaron técnica de regresión y machine learning. Segundo (Capitulo III), analizar el uso de parámetros morfométricos para el mapeo de áreas vulnerables a inundaciones, mediante la caracterización de los parámetros morfométricos se identificaron zonas vulnerables a inundaciones. Tercero(Capitulo IV), evaluar el desempeño de un modelo hidrológico utilizando datos grillados, se utilizaron como insumos de entrada información grillada de precipitación, topografía y numero de curva al modelo hidrológico. Capítulo V, se presentan las conclusiones generales, hipótesis y futuras investigaciones. Además, siguiendo la metodología desarrollada en la investigación, se menciona de gran importancia la evaluación la calidad de los datos, antes de ser usada como insumo en la generación de precipitación grillada extremas. Finalmente, esta investigación desarrolló una metodología que permitió mejorar la modelación hidrológica a partir de datos grillados.

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