Amenazas climáticas y el diseño de ingeniería

Jorge Gironás, PhD Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Centro Interdisciplinario de Cambio Global, P. Universidad Católica de Chile

Seminario “Cambio Climático e Infraestructura” Miércoles 21 de Noviembre

Amenaza climática

Special IPCC Report on Extreme Events (SREX)

Amenaza climática

• Fenómenos climáticos presentan alta variablidad espacial y temporal. • La escala espacial y temporal es relevante y se vincula fuertemente con el problema de diseño e infraestructura. • Ejemplos: Terremotos, tsunamies, crecidas, remoción en masa y deslizamientos, erupciones volcánicas, etc.

Diseño en Ingeniería “Proceso en el cual se aplican diversas técnicas, metodologías y principios científicos con objeto de definir una obra, dispositivo, proceso o sistema, encaminado a cubrir una cierta necesidad, con el suficiente detalle para permitir su realización”. 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 físicas, económicas, sociales

y funcionales. e) Actividad creativa y flexible.

Planificación

Prefactibilidad/ Factibilidad

Diseño

Construcción/ Ejecución/

Implementación

Operación y conservación

Etapas del ciclo de vida de proyectos de infraestructura

Diseño en Ingeniería • Infraestructura: Soporte material/físico

para el desarrollo y correcto funcionamiento de actividades sectoriales y/o productivas y su funcionamiento (i.e. proveedoras de un servicio).

• Ejemplos: Transporte, telecomunicaciones, eléctrica, hidráulica.

• Generalmente asociadas a grandes inversiones, y significativos impactos sociales y ambientales.

• Ciclos de vida de proyectos implican una ganancia de experiencia que es formalizada en herramientas perdurables en el tiempo (Manual de Diseño).

Planificación

Prefactibilidad/Factibilidad

Diseño

Construcción/ Ejecución

Operación y conservación

Diseño y amenaza climática • La ingeniería constantemente enfrenta problemas de diseño en el

contexto de incertidumbre. • Cambio climático: El clima del futuro no es igual al clima del

pasado. • Clima futuro pareciera ser más variable, con ocurrencia de

eventos extremos, y distintas condiciones promedios. • Impacto sobre la efectividad de infraestructura e instalaciones

influenciadas directa o indirectamente por condiciones meteorológicas.

• Ejemplos de infraestructura sensible: Abastecimiento y tratamiento de aguas, energía hidroeléctrica, estructuras, puentes, etc.

• Se deben buscar diseños robustos frente a un rango de condiciones futuras, pero que a la vez se tenga la capacidad de adaptarlos a condiciones no anticipadas a medida que aparecen en el tiempo (flexibilidad).

Caracterización de la amenaza climática en el diseño

• Variabilidad de la amenaza climática y sus características. Enfoque actual: • Variabilidad futura estimable a partir de condiciones históricas

(fenómenos estacionarios). • Caracterización estadística que permite estimar periodos de retornos,

magnitudes con ciertas probabilidad de ocurrencia, etc.

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Event total duration (hr)

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Event total rainfall (in)

Ex

ceed

an

ce fre

qu

en

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Total rainfall

Duration

Ajuste Log-normal

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R(mm)

F(R

) =

P(R

<r)

.

m/(n+1)

Log-norma, método 1

Log-normal, método 2

• Variabilidad de la amenaza climática y sus características. Enfoque actual: • Generación de eventos sintéticos usados en el diseño. • Simulación continua y caracterización estadística de los resultados

TORMENTA DE DISEÑO DE 1 HORA DE DURACIÓN

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Tiempo (min)

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Time (hh:mm)

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ft)

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Rain

inten

sity (in/

h)

Rainfall

Water depth

Event 1

Event 2

Daily Peak Depth (ft)3.532.521.510.5

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Caracterización de la amenaza climática en el diseño

Caracterización de la amenaza climática en el diseño

• Metodologías para la incorporación del cambio climático en el diseño • Amplio rango de alternativas de diversa complejidad. Relevancia de:

• Datos disponibles • Precisión requerida • Capacidad técnica y humana

• Dos grandes grupos: Métodos de screening y métodos avanzados • Métodos de screening: métodos simples de carácter inicial para

determinar la posibilidad de existencia de riesgo (orden de magnitud). Ejemplos: factores de amplificación

• Métodos avanzados: métodos más complejos que describen más en detalle los riesgos potenciales. Ejemplos: ajustes empíricos y estadísticos, simulación numérica del clima futuro y downscaling.

Caracterización de la amenaza climática en el diseño

• Metodologías para la incorporación del cambio climático en el diseño • Tres etapas que pueden ser abordada con los enfoques descritos:

• (1) Generación de series de tiempo y distribuciones espaciales con temperaturas y precipitaciones.

• (2) Transformación de esta precipitación en escorrentía caracterizada por hidrogramas.

• (3) Propagación hidráulica de hidrogramas a los puntos de interés

• Información del pasado es crucial para la calibración y para detectar posibles condiciones de cambio climático previas, y sus efectos.

• No sólo los máximos son importantes . Todo el régimen hidrológico puede ser relevante.

Caracterización de la amenaza climática en el diseño

• Actividades relevantes y desafíos • Selección de periodos de tiempo involucrados: Parece razonable

identificar periodos (corto, mediano y largo plazo) para la caracterización estadística de variables de interés. Paralelamente considerar la vida útil de obras.

• Identificar las escalas temporales apropiadas según la obra a diseñar, y definir la relevancia del cambio climático.

Caracterización de la amenaza climática en el diseño

• Actividades relevantes y desafíos • Generar información relevante: Instrumentar áreas piloto, recuperar

información existente, difusión, etc. • Identificar supuestos, simplificaciones y procedimientos relevantes

en las estimaciones de comportamiento futuro de variables relevantes.

• Caracterizar y reducir la incertidumbre y el error de las predicciones. • Formar capital humano. El juicio profesional y la experiencia son

relevantes para caracterizar y manejar fuentes de incertidumbre. • Establecer escenarios tipos para el diseño y análisis. • Fortalecer la investigación en distintos tópicos relevantes:

• Cambios en eventos extremos de P, T , etc. • Caracterización espacial y temporal de tormentas y de cambios

en intensidades en periodos cortos.

Principios para la planificación y toma de decisiones

• Acciones en etapas tempranas del ciclo de vida son más económicas pero pueden tener elevado impacto.

• Algunos principios a considerar son: • Adoptar enfoque de precaución, de carácter integrado y sustentable. • Tener en cuenta que la manera más efectiva de gestionar el riesgo

futuro es mediante la reducción de los niveles de exposición. • Asegurar una gestión adaptativa. • Adoptar un enfoque de bajo o nulo costo frente a adaptaciones

futuras . • Apuntar hacia reducciones progresivas del riesgo.

Principios para la planificación y toma de decisiones

Estructurales No estructurales

Implica infrastructura: embalses, colectores, tajamares, etc.

No son infraestructura: normas, reglamentos, estrategias,

disposiciones, etc.

Modifican las causas de los daños (crecidas y sus propiedades)

Modifican las consecuencias (daños y sus costos)

Rápidas de adoptar si se dispone de recursos

Requieren de una implementación en etapas

Efectos inmediatos una vez adoptadas

Acción lenta hacia el futuro

Requieren grandes inversiones Requieren coordinación y voluntad política

Efecto reparador Efecto de anticipación

Medidas Estructurales v/s No Estructurales

Principios para la planificación y toma de decisiones

Prohibición Advertencia Restricción

Nivel para desarrollo de proyectos

Infraestructura

prohibida, salvo

obras totalmente

justificadas (obras

para navegación,

bocatomas, etc.)

Desarrollo restringido

a construcciones a

prueba de agua,

agricultura,

almacenamiento y

recreación

Desarrollo

permitido. Se debe

considerar la

existencia de riesgo

y la eventual

necesidad de

evacuación.

T = 100 años

T = 10 años

Zonificación en planicies de inundación

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Q/Qmax

h/D

Qa<Qc

Condición de diseño

Cerrado (Qc)

Abierto (Qa)

Principios para la planificación y toma de decisiones

Minimización del costo de adaptación frente a futuro incierto

Las consecuencias de mayor necesidad de conducción son de 4 a 1,2

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Q/Qmax

h/D

Cerrado (Qc)

Abierto (Qa)

Qc <<< Qa

Diseño

Sobrecarga

Principios para la planificación y toma de decisiones

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SIN USO

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

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0.8

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0 10 20 30 40 50Uso esperado anual (días)

h/D T=2 T=10 T=100

Principios para la planificación y toma de decisiones

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USO AREA

VERDE

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Uso Esperado Anual (días)

h/D

Principios para la planificación y toma de decisiones

Conclusiones

• Supuesto de estacionaridad pierde sustento (Milly et al., 2008.

Stationarity Is Dead: Whither Water Management?)

• Desafíos en:

• Definir el rol de la variabilidad climática a lo largo del ciclo de vida de proyectos, en particular en la planificación y diseño

• Adoptar enfoques robustos para la incorporación de la amenaza climática en el diseño cuando se requiera.

• Lograr diseños robustos y flexibles. • Fomentar y formalizar el uso de las medidas no

estructurales en ciclos de vida de proyectos

Amenazas climáticas y el diseño de ingeniería

Jorge Gironás, PhD Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Centro Interdisciplinario de Cambio Global, P. Universidad Católica de Chile

Seminario “Cambio Climático e Infraestructura” Miércoles 21 de Noviembre