UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERA CIVIL

EFECTOS DEL CAMBIO CLIMTICO EN LA DISPONIBILIDAD DE RECURSOS HDRICOS A NIVEL DE CUENCA IMPLEMENTACIN DE UN

MODELO INTEGRADO A NIVEL SUPERFICIAL Y SUBTERRNEO

TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGISTER EN CIENCIAS DE LA INGENIERA, MENCIN RECURSOS Y MEDIO AMBIENTE HDRICO

MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL

REN ANTONIO FIGUEROA LEIVA

PROFESOR GUA: XIMENA VARGAS MESA (INGENIERA Y MAGISTER)

MIEMBROS DE LA COMISIN: JULIO CORNEJO MORALES (INGENIERA)

CARLOS ESPINOZA CONTRERAS (INGENIERA Y MAGISTER) DAMARIS ORPHANPOULOS STEHR (MAGISTER)

SANTIAGO DE CHILE JUNIO 2008

RESUMEN

El cambio climtico es un tema que en las ltimas dcadas ha provocado permanente atencin a nivel mundial. Algunos planteamientos sugieren que dicho cambio es atribuible al aumento de CO2 generado por la actividad humana, y otros indican que se debe a un proceso de cambio natural del clima del planeta. De acuerdo al tercer informe del ao 2001 del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), en el transcurso del siglo XX se han experimentado aumentos de 0.6 0.2 [C] de la temperatura media mundial, e incrementos de la precipitacin promedio entre 7 a 12% para las zonas comprendidas entre 30N a 85N, y en un 2% entre 0 S a 55S; entre otros cambios.

El principal objetivo de este trabajo fue evaluar los efectos que el cambio climtico podra generar, en la disponibilidad de los recursos hdricos superficiales y subterrneos de una cuenca chilena, y cmo afectaran stos a actividades tales como la agricultura, la minera, la generacin hidroelctrica y el consumo de agua potable; que utilizan dicho recurso como insumo fundamental.

La cuenca estudiada fue la del ro Cachapoal, ubicada en la VI Regin del pas. Para dicha cuenca se construy y calibr un modelo (el perodo de calibracin fue 1999-2005) que permiti integrar la componente superficial y subterrnea de los recursos hdricos. Para simular la escorrenta superficial se utiliz el Modelo Sacramento + SNOW-17, para el Modelo de Aguas Subterrneas se actualiz y mejor un modelo previo de la DGA en Visual Modflow, y a base de los dos modelos anteriores se elabor un Modelo de Simulacin Operacional de la cuenca. Para evaluar los efectos del cambio climtico, se consideraron dos escenarios incluidos en el tercer informe del IPCC, SRES A2 y B2, para los cuales existe informacin disponible para la zona de estudio, del modelo de circulacin general de la atmsfera HadCM3. Para llevar a cabo el escalamiento de las variables meteorolgicas, se utiliz el programa SDSM 4.2, mediante el cual se generaron 6 escenarios de cambio climtico, con horizontes de 30 aos (2005-2035) que fueron evaluados en el Modelo Integrado de la cuenca.

En cuanto a los resultados obtenidos para los escenarios de cambio climtico, para la temperatura en la estacin Rengo se verificaron aumentos de los valores mensuales, estacionales y anuales promedio, mientras que para la estacin Convento Viejo se verificaron disminuciones con respecto al perodo observado (1980-2005); para la precipitacin, en las estaciones estudiadas se observ una tendencia al aumento en los valores mensuales, estacionales y anuales promedio con respecto al perodo observado (1971-2005). De acuerdo a esto, los caudales medios mensuales de salida de la cuenca del ro Cachapoal, se veran afectados por el cambio climtico, ya que con respecto al Perodo Base de calibracin (1999-2005), se obtuvieron aumentos de los valores promedio en el perodo de deshielo y disminuciones en el perodo invernal. Para los recursos hdricos subterrneos, no se pudo concluir que existiran efectos asociados al cambio climtico. Con respecto a las actividades asociadas, para los escenarios planteados, en el riego se observ una disminucin de la satisfaccin de la demanda con respecto al Perodo Base en toda la cuenca, excepto en la parte baja; para las extracciones superficiales de las plantas de agua potable y de las centrales hidroelctricas, se obtuvo una disminucin de los caudales asociados a las mayores seguridades de abastecimiento; la nica actividad que no se vera afectada sera la minera.

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TABLA DE CONTENIDOS

CAPTULO 1: INTRODUCCIN 1.1 MOTIVACIN ................................................................................................................. 5 1.2 OBJETIVOS ................................................................................................................... 6

1.2.1 Objetivos Generales.................................................................................................... 6 1.2.2 Objetivos Especficos .................................................................................................. 6

1.3 ORGANIZACIN DEL INFORME................................................................................... 6

CAPTULO 2: REVISIN BIBLIOGRFICA 2.1 ANTECEDENTES DEL CAMBIO CLIMTICO............................................................... 9

2.1.1 Clima........................................................................................................................... 9 2.1.2 Cambio Climtico ...................................................................................................... 10 2.1.3 Efectos del cambio climtico en los recursos hdricos ............................................... 20

2.2 MODELOS.................................................................................................................... 22 2.2.1 Modelos Climticos ................................................................................................... 22 2.2.2 Modelos Superficiales ............................................................................................... 27 2.2.3 Modelos de Aguas Subterrneas .............................................................................. 33

CAPTULO 3: DESCRIPCIN ZONA DE ESTUDIO 3.1 INTRODUCCIN .......................................................................................................... 35 3.2 UBICACIN ZONA DE ESTUDIO ................................................................................ 35 3.3 ANTECEDENTES GENERALES DEL SISTEMA ......................................................... 36

3.3.1 Relieve ...................................................................................................................... 36 3.3.2 Clima Regional.......................................................................................................... 38 3.3.3 Economa Regional ................................................................................................... 39 3.3.4 Uso de Suelo............................................................................................................. 39

3.4 ANTECEDENTES CUENCA DEL RO CACHAPOAL.................................................. 40 3.4.1 Hidrografa ................................................................................................................ 40 3.4.2 Divisin Administrativa ro Cachapoal ....................................................................... 41 3.4.3 Hidrogeologa............................................................................................................ 42 3.4.4 Informacin Disponible.............................................................................................. 47

CAPTULO 4: MODELO INTEGRADO SUPERFICIAL Y SUBTERRNEO 4.1 INTRODUCCIN .......................................................................................................... 57 4.2 MODELO INTEGRADO ................................................................................................ 57 4.3 MODELO ESCORRENTA SUPERFICIAL ................................................................... 60

4.3.1 Delimitacin de la cuenca del ro Cachapoal y sus sub-cuencas, a nivel superficial.. 60 4.3.2 Estaciones Fluviomtricas y Meteorolgicas a utilizar en la calibracin, validacin y generacin de escorrentas mediante el modelo Sacramento ............................................... 69

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4.3.3 Descripcin Terica Modelo Sacramento .................................................................. 71 4.3.4 Calibracin y Validacin del Modelo Sacramento en Cuencas en Rgimen Natural.. 74 4.3.5 Parmetros de Sacramento en Cuencas no calibradas............................................. 91

4.4 MODELO DE AGUAS SUBTERRNEAS .................................................................... 92 4.4.1 Descripcin Visual Modflow....................................................................................... 92 4.4.2 Construccin del Modelo ........................................................................................... 92 4.4.3 Calibracin del Modelo de Aguas Subterrneas...................................................... 110

4.5 MODELO SIMULACIN OPERACIONAL.................................................................. 131 4.5.1 Construccin del Modelo ......................................................................................... 131 4.5.2 Calibracin del MSO ............................................................................................... 141

CAPTULO 5: GENERACIN DE ESCENARIOS DE CAMBIO CLIMTICO 5.1 INTRODUCCIN ........................................................................................................ 153 5.2 TCNICA DE ESCALAMIENTO DE LAS VARIABLES METEOROLGICAS........... 153 5.3 PROCESO DE ESCALAMIENTO DE LAS VARIABLES METEOROLGICAS......... 156

5.3.1 Datos de entrada..................................................................................................... 156 5.3.2 Parmetros del modelo ........................................................................................... 158 5.3.3 Determinacin variables predictoras........................................................................ 159 5.3.4 Calibracin del modelo............................................................................................ 160 5.3.5 Validacin del modelo ............................................................................................. 162 5.3.6 Generacin de Escenarios de Cambio Climtico..................................................... 166

5.4 EVALUACIN DE ESCENARIOS EN EL MODELO INTEGRADO ............................ 185 5.4.1 Modificaciones al Modelo Sacramento .................................................................... 185 5.4.2 Modificaciones al Modelo de Simulacin Operacional ............................................. 185 5.4.3 Modificaciones al Modelo de Aguas Subterrneas .................................................. 186

CAPTULO 6: ANLISIS DE RESULTADOS 6.1 INTRODUCCIN ........................................................................................................ 187 6.2 EFECTOS DEL CAMBIO CLIMTICO EN CUENCAS EN RGIMEN NATURAL ..... 187

6.2.1 Cuenca Cortaderal Cachapoal (CA-CC1-1).......................................................... 187 6.2.2 Cuenca Pangal-Blanco (PAN-CC1-1)...................................................................... 201 6.2.3 Comparacin de los Efectos del Cambio Climtico en las dos cuencas en estudio . 202

6.3 EFECTOS DEL CAMBIO CLIMTICO EN LOS USOS SUPERFICIALES DEL RECURSO HDRICO.............................................................................................................. 210

6.3.1 Riego Agrcola......................................................................................................... 210 6.3.2 Agua Potable........................................................................................................... 216 6.3.3 Minera .................................................................................................................... 219 6.3.4 Centrales Hidroelctricas ........................................................................................ 224 6.3.5 Comparacin de los efectos del cambio climtico en los distintos usos................... 227

6.4 EFECTOS DEL CAMBIO CLIMTICO EN LOS RECURSOS HDRICOS SUBTERRNEOS.................................................................................................................. 229

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6.4.1 Descensos Nivel Piezomtrico ................................................................................ 229 6.4.2 Recargas al Acufero............................................................................................... 235 6.4.3 Interaccin ro acufero......................................................................................... 239 6.4.4 Satisfaccin de la Demanda.................................................................................... 245 6.4.5 Balance Hdrico Subterrneo .................................................................................. 248

6.5 EFECTOS DEL CAMBIO CLIMTICO EN LA SALIDA DE CADA MDULO............ 255 6.5.1 Mdulo Cachapoal Alto (CA) ................................................................................... 256 6.5.2 Mdulo Estero La Cadena (ELC)............................................................................. 258 6.5.3 Mdulo Claro de Rengo (CR) .................................................................................. 259 6.5.4 Mdulo Estero Zamorano (EZ) ................................................................................ 260 6.5.5 Mdulo Cachapoal Bajo (CB) .................................................................................. 261

CAPTULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 INTRODUCCIN ........................................................................................................ 267 7.2 CONCLUSIONES GENERALES ................................................................................ 267 7.3 CONCLUSIONES ESPECFICAS............................................................................... 270

7.3.1 Modelo Superficial................................................................................................... 270 7.3.2 Modelo de Aguas Subterrneas .............................................................................. 271 7.3.3 Modelo Integrado .................................................................................................... 272 7.3.4 Escenarios de Cambio Climtico............................................................................. 273 7.3.5 Efectos del Cambio Climtico en los Recursos Hdricos ......................................... 276 7.3.6 Validez de los resultados obtenidos ........................................................................ 280

7.4 RECOMENDACIONES............................................................................................... 281 7.4.1 Modelo Sacramento ................................................................................................ 281 7.4.2 Modelo de Simulacin Operacional ......................................................................... 281 7.4.3 Modelo de Aguas Subterrneas .............................................................................. 282 7.4.4 Modelo Integrado .................................................................................................... 282 7.4.5 Generacin y Anlisis de Nuevos Resultados ......................................................... 282 7.4.6 Escenarios de Cambio Climtico............................................................................. 283 7.4.7 Efectos del Cambio Climtico en los Usos del Recurso Hdrico .............................. 283

REFERENCIAS ...................................................................................................................... 285

ANEXOS (DIGITALES)

ANEXO A: ANEXOS CAPTULO 2 ANEXO B: ANEXOS CAPTULO 3 ANEXO C: ANEXOS CAPTULO 4 ANEXO D: ANEXOS CAPTULO 5 ANEXO E: ANEXOS CAPTULO 6

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Captulo 1

Introduccin

1.1 MOTIVACIN

El cambio climtico global es un tema que ha experimentado un inters creciente en las ltimas dcadas, no slo a nivel de instituciones cientficas o gubernamentales, sino que tambin a nivel de la poblacin en general. En este sentido existen diversas corrientes de pensamientos relacionadas al tema, algunas indican que los cambios observados estn asociados a las variaciones propias (naturales) del sistema climtico, y otras afirman que la influencia del ser humano (a partir de la revolucin industrial del siglo XVIII) en las emisiones de gases de efecto invernadero (en particular de CO2), ha jugado un rol fundamental en los mencionados cambios.

De acuerdo al ltimo informe realizado por el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) el ao 2001, son claros los diversos efectos que podran causar, o ya causan, los cambios climticos en los ecosistemas naturales (bosques, tierras de pastoreo, humedales, etc.), los recursos hdricos, las zonas costeras, la agricultura y la salud humana. Las magnitudes de dichos cambios determinados por el IPCC, pueden resumirse en los siguientes datos:

Durante el transcurso del siglo XX, la temperatura media mundial en la superficie de la Tierra aument 0.6 0.2 [C].

Durante el siglo XX, la precipitacin promedio se increment entre 7 a 12% para las zonas comprendidas entre 30N a 85N y en un 2% entre 0S a 55S.

Datos satelitales muestran que ha habido aproximadamente un 10% de reduccin de la capa de nieve desde fines de los aos setenta.

El ritmo de aumento del nivel medio del mar durante el siglo XX vari entre 1 y 2 [mm/ao].

El fenmeno de El Nio se ha vuelto relativamente ms frecuente, persistente e intenso que el fenmeno de La Nia, lo cual incide en las precipitaciones y temperaturas de las zonas tropicales y subtropicales del planeta.

Por lo recin mencionado, resulta muy interesante estudiar el caso particular de los efectos, que se pueden producir en la disponibilidad de recursos hdricos a nivel superficial y subterrneo, debido a los cambios climticos que se registran en el planeta, y que se podran estar registrando en el pas.

Este estudio busca integrar tres componentes esenciales en la determinacin de los recursos de agua a nivel de una cuenca, las cuales son: el clima, los recursos hdricos a nivel superficial y a nivel subterrneo; los cuales usualmente no se trabajan de manera

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integrada, lo que obviamente no permite obtener modelos apropiados de lo que puede ser el comportamiento de una cuenca, en lo que respecta a las variaciones en su disponibilidad de recursos hdricos totales.

Como resultado principal de este trabajo, se espera obtener un Modelo Integrado que permita hacer un anlisis cuantitativo, de los efectos que puede tener el cambio climtico en los recursos hdricos de la cuenca seleccionada, para as evaluar las posibles repercusiones en las actividades que se desarrollen en dicha cuenca.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivos Generales

El objetivo general que se persigue consiste en evaluar los efectos del cambio climtico en la disponibilidad de recursos hdricos en una cuenca especfica, tanto a nivel superficial como subterrneo.

1.2.2 Objetivos Especficos

Los principales objetivos especficos del estudio son:

1. Calibrar modelos de simulacin hidrolgica a nivel superficial y subterrneo, que sean aplicables en la cuenca escogida.

2. Generar posibles escenarios futuros del cambio climtico, para la cuenca en estudio, que permitan evaluar a travs del Modelo Integrado, cmo se podra ver afectada la disponibilidad de recursos hdricos en sta.

3. Desarrollar y operar un Modelo Integrado de disponibilidad de recursos hdricos, que incorpore dichos recursos tanto a nivel superficial como subterrneo.

4. Evaluar cuales son los efectos secundarios (en actividades tales como agricultura, minera, asentamientos humanos, etc.), que se pueden tener en la cuenca en estudio, debido a variaciones en la disponibilidad de recursos hdricos.

1.3 ORGANIZACIN DEL INFORME

En el Captulo 2 se entregan algunos antecedentes recopilados en la literatura, relacionados con el cambio climtico y sus efectos en los recursos hdricos, y con los modelos estudiados durante el proceso de seleccin de aquellos que se utilizaran para cada componente del Modelo Integrado.

En el Captulo 3 se entrega una descripcin de la zona de estudio, junto con un anlisis de las curvas de variacin estacional, de los caudales medios mensuales en algunos puntos relevantes de la cuenca.

En el Captulo 4 se describen los procesos de implementacin de cada componente del Modelo Integrado, y cmo fueron stos relacionados, para lograr la integracin de la fase superficial y subterrnea de los recursos hdricos.

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En el Captulo 5 se describen los escenarios de cambio climtico derivados (mediante el programa SDSM) de los resultados del modelo HadCM3.

En el Captulo 6 se analizan los efectos en los recursos hdricos y los usos asociados a stos, resultantes de la evaluacin de los escenarios de cambio climtico en el Modelo Integrado.

Por ltimo en el Captulo 7 se entregan una serie de comentarios, conclusiones y recomendaciones relacionados con los resultados obtenidos del presente trabajo.

Es importante destacar que los grficos a nivel mensual, que se entregan en los Captulos 2 a 6, tienen los nombres de los meses en ingls, esto se debe a que la configuracin regional del computador tiene que ser usada en dicho idioma, para as poder ejecutar de buena manera los programas requeridos en el desarrollo de esta tesis; luego, al ir desarrollando los grficos, para los distintos resultados derivados en cada etapa del trabajo, resultaba demasiado engorroso modificar la configuracin a cada momento, y por lo tanto, se opt por dejar los grficos en el mencionado formato. En este mismo sentido, el formato numrico utilizado en esta tesis corresponde al ingls (punto para los decimales y comas para los miles).

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Captulo 2

Revisin Bibliogrfica

2.1 ANTECEDENTES DEL CAMBIO CLIMTICO

2.1.1 Clima

Usualmente, se tiende a pensar que el tiempo y el clima son trminos que definen el mismo concepto, y aunque estn fuertemente ligados, no son exactamente iguales.

El tiempo, es el estado fluctuante de la atmsfera que rodea al planeta, caracterizado por la temperatura, el viento, la precipitacin, las nubes y otros elementos. El tiempo tiene una predictibilidad limitada, que va desde algunas horas con alta seguridad hasta una semana con alta incerteza.

El clima se puede definir como un conjunto de condiciones atmosfricas que caracterizan una regin (RAE, 2008). Si se busca una definicin ms cientfica, se puede decir que el clima corresponde a un estado promedio del tiempo atmosfrico, o ms rigurosamente, a una descripcin estadstica en trminos del promedio y variabilidad de cantidades relevantes sobre un perodo de tiempo que puede ir desde meses a miles o millones de aos. El perodo clsico es de 30 aos, segn lo indica la Organizacin Meteorolgica Mundial (WMO). Estas cantidades son tpicamente variables superficiales tales como temperatura, precipitacin y viento. El clima en un amplio sentido es un estado, incluyendo una descripcin estadstica, del sistema climtico (Baede et al, 2001).

El clima vara de un lugar a otro, dependiendo de la latitud, distancia al mar, vegetacin, presencia o ausencia de montaas, las capas de hielo, los organismos vivientes y los suelos, sedimentos y rocas. Estos componentes que constituyen el sistema climtico, se esquematizan en la Figura 2.1.

El sistema climtico, se puede definir como un sistema interactivo consistente en cinco componentes principales: la atmsfera, la hidrosfera, la criosfera, la superficie terrestre y la biosfera, los cuales se ven influenciados por varios mecanismos de forzamiento externos, de los cuales el ms importante es el Sol. Tambin se considera que el efecto directo de las actividades humanas en el sistema es un forzamiento externo.

El clima vara tambin en el tiempo, de una estacin a otra, de un ao a otro, de una dcada a otra, o en escalas de tiempo mucho ms grandes, tales como las eras glaciares. Variaciones estadsticamente significativas de un estado promedio del clima, que persisten por dcadas o ms, se refieren a un cambio climtico.

Los cambios del clima tanto a nivel espacial como temporal se pueden deber a su variabilidad natural o la influencia de las actividades humanas en el sistema climtico.

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Figura 2.1 El Sistema Climtico y sus interrelaciones

Fuente: DMC (2006 c).

Algunos otros conceptos relevantes del clima se entregan en el Anexo A1, mientras en el Anexo A2 se entrega una breve descripcin del clima de Chile.

2.1.2 Cambio Climtico

El cambio climtico se refiere a una variacin estadstica significativa, ya sea de las condiciones climticas medias o de su variabilidad, que persiste por un perodo extenso de tiempo (usualmente dcadas o perodos ms largos). Puede ser causado por procesos naturales internos, por forzamientos externos, o por cambios antropognicos persistentes en la composicin de la atmsfera o en el uso de la tierra (Baede et al, 2001).

Resulta muy importante poder diferenciar cules son los cambios climticos producidos naturalmente y cules se producen por actividades humanas, ya que ello permite determinar de manera efectiva los efectos que produce el ser humano al afectar al sistema climtico en sus distintas componentes.

En el Anexo A3 se detallan las variaciones del clima por efectos naturales y por efectos de la actividad humana.

2.1.2.1 Cambio Climtico observado a nivel mundial

Los cambios observados en el sistema climtico se resumen en los siguientes puntos (Houghton et al, 2001).

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a) Cambios en la temperatura

Durante el transcurso del siglo XX, la temperatura media mundial en la superficie de la Tierra aument 0.6 0.2 [C]. En este sentido la dcada de los noventa ha sido la ms clida desde 1861.

Entre 1910 y 1945 el calentamiento estuvo concentrado en el Atlntico Norte. Entre 1946 y 1975 el calentamiento estuvo concentrado en gran parte del hemisferio sur, y en el hemisferio norte se produjo un importante enfriamiento. El perodo ms reciente de calentamiento ha sido casi mundial, pero los mayores aumentos se han producido en las latitudes medias y altas del hemisferio norte.

Estudios realizados entre 1950 y 1993 muestran que en promedio, las temperaturas mnimas de la superficie terrestre han aumentado en 0.2 [C/decenio], lo cual es el doble del incremento observado en la temperatura mxima (0.1 [C/decenio]).

El contenido de calor de los ocanos a escala mundial, ha aumentado considerablemente desde fines de los aos cincuenta. Ms del 50% de dicho aumento se ha producido en los 300 [m] superiores de los ocanos, lo que equivale a un aumento de 0.04 [C/decenio].

b) Cambios en las precipitaciones

La precipitacin a nivel global se ha incrementado en aproximadamente 2% desde comienzos del siglo XX.

Durante el siglo XX, la precipitacin promedio se increment entre 7 a 12% para las zonas comprendidas entre 30N a 85N y en un 2% entre 0S a 55S.

Diversos estudios a nivel mundial muestran tendencias variadas entre las distintas zonas del planeta, por lo que los aumentos considerables que se observan en algunas latitudes, son contrarrestados por las disminuciones que se observan en otras. Por ejemplo, en las reas de la costa este de Sudamrica se han observado aumentos de precipitacin desde 1900, con incrementos menos intensos desde 1976, por el contrario, durante los ltimos 50 aos se ha observado una ligera disminucin de la precipitacin anual en China, lo cual est asociado principalmente a la disminucin de los das de lluvia.

c) Cambios en la capa de nieve y hielo

La reduccin de la capas de nieve y hielo que se forman en la superficie de algunas zonas del planeta, est directamente relacionada con el aumento de las temperaturas. Datos satelitales muestran que ha habido aproximadamente un 10% de reduccin de la capa de nieve desde fines de los aos setenta.

En cuanto a los hielos, en el rtico se ha observado una reduccin de 10 a 15% en su extensin durante la primavera y el verano, no hay mayores indicios de reducciones durante el invierno. En la Antrtica, despus de una reduccin a principios de los setenta, la capa de hielo se ha mantenido estable.

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De todas maneras, la corta extensin de los datos con los que se cuenta, no permite una interpretacin muy concluyente.

d) Cambios en el nivel del mar

El ritmo de aumento del nivel medio del mar durante el siglo XX vari entre 1 y 2 [mm/ao]. Segn estudios geolgicos, el nivel del mar puede haber subido a un ritmo de 0.5 [mm/ao] en los ltimos 6,000 aos, lo que claramente es un ritmo inferior al registrado durante el siglo XX.

e) Cambios en la circulacin atmosfrica y ocenica

El fenmeno de El Nio se ha vuelto relativamente ms frecuente, persistente e intenso que el fenmeno de La Nia, lo cual incide en las precipitaciones y temperaturas de las zonas tropicales y subtropicales del planeta.

Otro factor de circulacin importante, que afecta el clima en grandes regiones del planeta, es la Oscilacin Atlntico Norte (OAN), que se vincula con la intensidad de los vientos del oeste sobre el Atlntico y en Eurasia extratropical. Este fenmeno ha experimentado algunas variaciones, que se piensa han influido en los cambios en el hielo marino en el rtico.

2.1.2.2 Cambio Climtico en Chile

Si bien los estudios a nivel mundial muestran que existe un cambio climtico a nivel global, es importante conocer de manera ms precisa que es lo que sucede al respecto en Chile. Para ello, a continuacin se describen los resultados de dos estudios que profundizan los cambios que han experimentado en el pas, las variables ms importantes en lo que se refiere a la caracterizacin del sistema climtico.

El primero de dichos trabajos fue realizado por Harry King en el ao 1970 (King, 1970), en l se analiz a travs de promedios mviles, la existencia de alguna tendencia en el tiempo, de una serie de estadsticas de precipitaciones, temperaturas y presin atmosfrica, registradas hasta 1968 en 17 estaciones meteorolgicas a lo largo de Chile, comprendidas entre Copiap y Punta Arenas. Adems se analizaron estadsticas de temperaturas medias, mximas medias y mnimas medias y presin atmosfrica de 4 estaciones ubicadas en Valparaso, Santiago, Valdivia y Punta Arenas.

El segundo trabajo fue realizado por DArcangeli en el ao 1997 (DArcangeli, 1997) y en l se tuvo como principal objetivo actualizar y complementar el estudio realizado en 1970 por Harry King, en base a la nueva informacin recopilada, hasta 1992, en las mismas estaciones utilizadas en el estudio anterior.

Dentro de las principales conclusiones de dichos estudios se pueden mencionar:

a) Precipitacin

En el estudio de King, para el anlisis de promedios mviles de 10, 30 y 40 aos, se observ que desde la zona norte de Chile (sin considerar Copiap, que se mantuvo

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bastante estable) hasta Concepcin, exista una disminucin de las precipitaciones, la cual decreca (la disminucin) a medida que se avanzaba hacia el sur, hasta prcticamente desaparecer en la zona de Puerto Montt.

En el mismo estudio, en lo que respecta a las precipitaciones a nivel mensual, en las estaciones ubicadas entre la Serena y Puerto Montt, se observ una disminucin de las precipitaciones en Junio y un aumento en Agosto. Desde Padre Las Casas a Isla Huafo se ve un incremento de las precipitaciones en Mayo, el que se convierte en el mes ms lluvioso.

En el estudio de DArcangeli, en 15 de las 17 estaciones analizadas se observ una tendencia, ya sea significativa, levemente significativa o no significativa, a la disminucin de las precipitaciones.

A modo de ejemplo, en la Figura 2.2, del estudio de DArcangeli se muestra la serie de precipitaciones anuales para Santiago. La serie de promedios mviles indica que stos se mantienen relativamente constantes hasta el ao 1925, para despus disminuir hasta aproximadamente el ao 1960. En el perodo siguiente los valores nuevamente se mantienen constantes e inferiores a la media. Esta secuencia produce el efecto de disminucin global de las precipitaciones.

Figura 2.2 Precipitacin Anual Estacin Santiago

Intervalo de

confianza

Intervalo de

confianza

Fuente: DArcangeli (1997).

En el mencionado estudio, a partir de la dcada del 60, desde la IX Regin al sur, se observ una marcada disminucin de la precipitacin, lo que constituye una continuidad con respecto a las tendencias obtenidas en el estudio de King, pero cabe destacar que en dicho estudio la tendencia a la disminucin se haca menos fuerte para latitudes

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mayores, al contrario del estudio de DArcangeli, en el que se tena un aumento de la tendencia a la disminucin de la precipitacin hacia el sur de Chile.

En el estudio de DArcangeli, tambin se observ una tendencia, aunque no significativa, al aumento de las precipitaciones para la estacin de Rancagua.

En trminos generales, en los resultados del estudio de DArcangeli se observa una mantencin de las tendencias obtenidas en el estudio de King (ms o menos pronunciadas), en cuanto a la disminucin de las precipitaciones a lo largo del pas, durante gran parte del siglo XX.

b) Temperatura

En el estudio de King, en Valparaso se observ desde principios del siglo XX, que los promedios estacionales y anuales de las temperaturas mximas diarias aumentaban y que las temperaturas mnimas diarias disminuan, ambas variaciones del orden de 0.5 [C]. En cuanto a las temperaturas medias, stas permanecen prcticamente constantes.

En cambio, en el estudio de DArcangeli, en Valparaso se observ que los promedios estacionales y anuales de las temperaturas mximas diarias disminuan y de las temperaturas mnimas diarias aumentaban. Claramente los resultados muestran que no existe mantencin de una tendencia con respecto a lo obtenido por King, lo que indica una cierta ciclicidad de la variable a lo largo del tiempo.

En el estudio de King, en Santiago se observ entre 1908 y 1968, un aumento de las temperaturas, lo mismo que en Valdivia; pero en Punta Arenas se observ una tendencia a la disminucin de esta variable.

En el estudio de DArcangeli, en Santiago se observ que las temperaturas han aumentado, pero en el sur, tanto en Valdivia como en Punta Arenas, han disminuido. Por lo tanto, desde Valdivia hacia el sur, los resultados de ambos estudios muestran una mantencin de la tendencia a la disminucin de la temperatura.

A modo de ejemplo, en la Figura 2.3, del estudio de DArcangeli se muestra la serie de temperaturas medias anuales para Santiago. Al revisar el comportamiento de las series de promedios mviles, se observa que stas tienen dos largos perodos en los cuales los valores se mantienen prcticamente constantes, existiendo un perodo de crecimiento rpido, entre los aos 1915 y 1945 aproximadamente, que une los dos perodos estacionarios; esto es lo que produce el efecto de crecimiento continuo de las temperaturas medias anuales en el tiempo.

En trminos generales se puede decir que la temperatura en la parte norte del pas ha experimentado cambios cclicos, aumentando el rango entre las temperaturas mximas y mnimas para la primera mitad del siglo XX y disminuyndolo para la segunda mitad. Por otro lado, para la zona central y la zona sur, la tendencia se ha mantenido a travs del siglo XX, con aumentos de temperatura en el centro y disminuciones en el sur.

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Figura 2.3 Temperatura Media Anual Estacin Santiago

Intervalo de

confianza

Intervalo de

confianza

Fuente: DArcangeli (1997).

c) Presin Atmosfrica

En el estudio de King, en Valparaso se registr una disminucin con respecto a los valores medidos a principios del siglo XX, la cual en los ltimos perodos medidos (dcada de 1960) se comienza a revertir lentamente.

Por otro lado, en el estudio de DArcangeli, se obtiene una tendencia al aumento de la presin atmosfrica. Claramente los resultados muestran que no existe mantencin de una tendencia con respecto a lo obtenido por King, lo que indica una cierta ciclicidad de la variable a lo largo del tiempo.

En el estudio de King, en Santiago se registr una tendencia al aumento con respecto a los valores medidos a fines del siglo XIX, en cambio, en el estudio de DArcangeli no se puede obtener una tendencia clara para dicho parmetro.

En el estudio de King, en Valdivia se registr una disminucin con respecto a los valores medidos a principios del siglo XX. En Punta Arenas se registr un aumento con respecto a los valores medidos a principios del siglo XX.

En el estudio de DArcangeli, en el sur se obtienen tendencias a la disminucin de la presin atmosfrica, por lo tanto, en Valdivia los resultados muestran una mantencin de tendencias con respecto a lo obtenido por King, en cambio, en Punta Arenas no.

A modo de ejemplo, en la Figura 2.4, del estudio de DArcangeli se muestra la serie de presiones atmosfricas medias anuales para Valdivia. Al observar la serie anual, es

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posible distinguir una tendencia a la disminucin de esta variable, encontrndose ms frecuentemente valores menores a la media a partir de la dcada del 70.

Figura 2.4 Presin Atmosfrica Media Anual Estacin Valdivia

Fuente: DArcangeli (1997).

Para este parmetro, en trminos generales, se observa una mayor ciclicidad en comparacin con la precipitacin y la temperatura, ya que de los resultados de los perodos estudiados en ambos casos (King y DArcangeli), se obtienen tendencias distintas para la zona norte y la zona sur del pas.

d) Radiacin Solar

En el estudio de King no se estudi esta variable, y en el estudio de DArcangeli, para las estaciones analizadas, no se observ un patrn comn que permitiera determinar una tendencia en los datos estadsticos.

Como se aprecia de los resultados de los dos estudios mencionados, en trminos generales en el pas, se han experimentado cambios en las tendencias de las variables climticas ms representativas. Si bien estos cambios no son homogneos, ya que en algunos puntos se tienen aumentos y en otros disminuciones, de todas maneras permiten establecer que las variaciones que se observan a nivel global tambin se hacen presentes en Chile (aunque no necesariamente en el mismo sentido, por ejemplo, la precipitacin a nivel mundial se dice que en trminos generales ha aumentado, pero los estudios recin mencionados muestran, para Chile, una disminucin), lo cual confirma la importancia de evaluar cuales son los posibles efectos de un eventual cambio climtico ms pronunciado, y en particular determinar cmo se

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vera afectada la disponibilidad de los recursos hdricos en algn sistema especfico como puede ser una cuenca.

2.1.2.3 Estudios de posibles efectos del cambio climtico en Chile

A continuacin se entregan las principales ideas y conclusiones de algunos trabajos relacionados con los efectos del cambio climtico en los recursos hdricos en Chile.

Resulta de inters el estudio realizado por Fuenzalida et al (1989), pues se dan algunas proyecciones de cambios en la temperatura y precipitacin para Chile, y se proponen posibles efectos de dichos cambios en los recursos hdricos y su utilizacin.

Dentro de las principales conclusiones de este estudio, se destacan las siguientes:

Para el ao 2050 se sugiere que la temperatura aumentar en 2 a 3 [C] para el norte del pas, en 3 [C] para el centro del pas, en 4 [C] en el sur y en 5 [C] en el extremo austral. Se dice que el calentamiento mximo ocurrir a los 70 de latitud sur para luego disminuir hacia el sur.

En cuanto a las precipitaciones se dice que sus eventuales variaciones son muy discrepantes a lo largo del pas. En la zona norte, el aumento esperado de temperatura incrementara el contenido atmosfrico de vapor de agua, y por lo tanto, se intensificara y expandira hacia el sur el rgimen de lluvias estivales del Altiplano. Para la zona centro sur del pas se espera que las precipitaciones disminuyan debido a la disminucin del gradiente trmico entre las zonas sub tropicales y las regiones fras antrticas.

Con respecto al impacto en los recursos hdricos, se dice que el aumento esperado de temperatura elevar la lnea de nieves con el consiguiente incremento en las cuencas aportantes en las hoyas pluvionivales. Adems, se dice que el aumento de la temperatura intensificar la evapotranspiracin, aumentando la demanda de riego. A todo esto se le debe agregar los posibles cambios en el rgimen pluviomtrico, los cuales de tender a la disminucin, harn que la disponibilidad del recurso obviamente disminuya.

Otra consecuencia importante de la variacin climtica, sera el aumento del nivel del mar por la fusin de hielo continental y dilatacin volumtrica del agua. Se dice que las estimaciones para el ao 2050 indican aumentos entre 20 y 80 [cm], lo cual implicara una mayor penetracin de salinidad en el sub suelo costero y anegamiento de las localidades bajas.

Por otra parte, Pea (1989) analiz, en base a un modelo de simulacin matemtico, la sensibilidad del rgimen hidrolgico del ro Maipo superior a un cambio climtico caracterizado por un aumento de temperatura de 3 [C].

Con respecto a las dems variables, se supuso que: la evaporacin tendra un aumento de 10% (en relacin al aumento de temperatura), se tendra una reduccin del rea total

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de glaciares de un 17% y la precipitacin y radiacin solar se consideraron sin alteraciones.

De los resultados obtenidos en este estudio, se destacan los siguientes:

La lnea de nieves ascendera, lo que provocara que en aos de alta pluviosidad, durante los meses de invierno, los caudales mensuales puedan aumentar en forma significativa, alcanzando en aos extremos a duplicar los valores observados en las condiciones actuales (las consideradas en el trabajo).

Debido a la intensificacin del deshielo durante el perodo primaveral, se puede esperar una reduccin de los caudales de verano. Esta reduccin en aos secos se estima del orden de 10 20 %, y en ausencia de precipitaciones ella puede prolongarse a los meses de otoo.

Tambin Lpez (2001) intenta determinar posibles impactos sobre los recursos hdricos de Chile Central producto de cambios climticos susceptibles de ocurrir debido a aumentos de temperatura. En particular se analiza la cuenca alta del Ro Mapocho (cuenca definida a partir de la Estacin Mapocho en los Almendros) a travs del Snowmelt Runoff Model, el cual calcula a nivel diario los caudales provenientes de cuencas de montaas.

Con el fin de determinar la variacin de los caudales, producto de cambios climticos probables de ocurrir en el futuro, de acuerdo a los pronsticos de los modelos de circulacin general de la atmsfera GISS y GFDL, Lpez (2001) considera variaciones mensuales de temperatura, precipitacin y cobertura nival en las temporadas 1988-1989, 1989-1990, 1991-1992 y 1993-1994. Los escenarios climticos hipotticos se generaron en base a la informacin proveniente del Centro de Agricultura y Medio Ambiente de la Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales de la Universidad de Chile (1998), para un horizonte de 50 aos. Estos modelos entregan resultados bastante distintos con respecto a las variaciones de temperatura y precipitacin, pero ambos concuerdan en que la radiacin solar prcticamente no sufrir modificaciones ante el aumento de CO2 atmosfrico.

Los resultados obtenidos al considerar un aumento de la temperatura media de 4.5 [C], una redistribucin mensual de las precipitaciones y variaciones de la lnea de nieve de acuerdo al aumento de temperatura pronosticado, indican una disminucin de la escorrenta media de primavera (34%) y de verano (10%), as como un aumento de los caudales de otoo (15%) e invierno (24%).

De todos los resultados obtenidos, Lpez (2001) concluy que al aumentar la temperatura, los caudales medios de la temporada de acumulacin aumentarn, mientras que en la temporada de deshielo la escorrenta superficial disminuir. Sin embargo, la magnitud de estos cambios depender de la variacin de las condiciones climticas y de las caractersticas propias de la zona en estudio.

En el trabajo realizado por Ledermann (2001), se analizaron los efectos de la variabilidad climtica en el diseo de embalses de riego en Chile. El anlisis fue realizado en dos embalses de riego en proyecto (Tabn y Minillas), ubicados en la

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cuenca del ro Aconcagua. Se plantearon escenarios futuros para un horizonte de 30 aos (a partir del ao 2000), en los que se utilizaron los resultados de modelos de circulacin general de la atmsfera para los cambios de temperatura, precipitacin y radiacin solar.

Para evaluar el efecto sobre la escorrenta superficial, se obtuvieron series de caudal medio mensual, para la situacin actual y futura, utilizando un modelo de simulacin hidrolgica, a partir de los cuales se pudieron determinar los volmenes de regulacin necesarios para satisfacer la demanda de riego, imponiendo un 85% de seguridad de riego. De esta manera se compar la situacin actual con los posibles escenarios futuros.

Los resultados obtenidos por Ledermann (2001), muestran una disminucin en los niveles medios mensuales de precipitacin, lo que implicara una escorrenta superficial menor. Adems, se tendra un aumento en los niveles de evaporacin debido al aumento de temperatura. Con todo esto, los embalses diseados en base a las estadsticas disponibles, no seran capaces de otorgar una seguridad de riego del 85%, por lo que el cambio climtico afectara fuertemente en la agricultura.

De los estudios ms recientes sobre efectos del cambio climtico en recursos hdricos, en Chile, destaca el realizado por Osses (2006), donde se analizan los efectos del cambio climtico, en la disponibilidad de recursos hdricos a nivel mensual en el embalse El Yeso, ubicado en la cordillera de los Andes, cercano a Santiago.

Para llevar a cabo este estudio se realiz un escalamiento de variables meteorolgicas afectadas por el cambio climtico, cuyos valores se obtuvieron del modelo de circulacin general de la atmsfera (GCM, general circulation model), HadCM3; el escalamiento se llev a cabo mediante el programa SDSM versin 3. La aplicacin de estas variables en un modelo hidrolgico permiti simular la variacin de las entradas de caudales al embalse y as estudiar los cambios en el balance hdrico de ste.

Como ya se mencion anteriormente, el GCM seleccionado por Osses (2006), para el anlisis con los escenarios de cambio climtico del IPCC (A2 y B2), fue HadCM3. El modelo hidrolgico seleccionado fue Sacramento, con un modelo nival acoplado (basado en SNOW-17).

Para determinar la existencia de efectos del cambio climtico, se compararon los flujos actuales y modificados de entrada al embalse, se estudiaron las variaciones en el volumen del embalse y la acumulacin nival.

Con respecto a los resultados obtenidos por Osses (2006), se puede destacar que se detect un aumento en los caudales ms bajos y un incremento de las probabilidades de excedencia de dichos caudales; en relacin a la disponibilidad de agua, se concluy que sta no estara en riesgo, incluso si se considerara un aumento de 40% de la demanda.

Finalmente, el Departamento de Geofsica de la Universidad de Chile (CONAMA, 2006) desarroll un estudio en el que se llevaron a cabo dos tareas principales: el anlisis del

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clima observado durante la parte final del siglo XX y su proyeccin hacia fines del presente siglo.

En este estudio se analizaron dos escenarios de emisiones incluidos en el ltimo informe del IPCC, uno severo (SRES A2) y otro moderado (SRES B2). Para hacer el escalamiento a nivel regional, se utiliz el modelo regional PRECIS (Providing Regional Climates for Impact Studies).

Con respecto a los resultados obtenidos por CONAMA (2006) para el anlisis de la parte final del siglo XX, se destacan los siguientes:

En la regin entre 30S y 39S se aprecia el predominio de una tendencia a la disminucin de la precipitacin hasta aproximadamente 1970. Posteriormente en esta regin se observ un cambio en la tendencia, registrndose aumento de la precipitacin.

En la dcada de 1940 a 1950, en la zona centro-sur del pas, se observ un marcado descenso de la temperatura media; lo cual fue interrumpido por un aumento relativamente abrupto a mediados de la dcada de 1970.

Con respecto a los resultados obtenidos por CONAMA (2006) para la proyeccin de los cambios climticos hacia fines del siglo XXI, se destacan los siguientes:

Para la temperatura en superficie, se observan mayoritariamente aumentos de sta en todas las regiones del pas, siendo estos mayores para el escenario A2. El cambio de temperatura media del escenario A2, con respecto a la temperatura actual, es de 2 a 4 [C]. Estacionalmente el calentamiento es mayor en verano, excediendo los 5 [C] en algunos sectores altos de la Cordillera de los Andes.

Con respecto a la precipitacin, en la regin de Chile Central hay una prdida generalizada de precipitacin bajo el escenario A2, condicin que se mantiene en el escenario B2, con la excepcin de la estacin de otoo para latitudes inferiores a 33S. La prdida es del orden del 40% en las tierras bajas, ganando en magnitud hacia la ladera andina durante el verano, pero reducindose durante el otoo y el invierno bajo el escenario B2.

2.1.3 Efectos del cambio climtico en los recursos hdricos

Los recursos hdricos del planeta que estn disponibles para que los seres humanos satisfagan sus necesidades, provienen (en trminos generales) de un desbalance entre el agua que precipita y la que se evapora o evapotranspira. En el caso de los continentes la precipitacin tiende a ser mayor que los otros procesos, por lo tanto existe un excedente que puede ser utilizado. En los ocanos el fenmeno es inverso, la evaporacin es aproximadamente un 10% superior a la precipitacin (Iglesias et al, 2005), pero este dficit es cubierto por el excedente continental que escurre hacia el mar a travs de los ros.

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Si se considera el principio de conservacin de la masa, el agua presente en el ciclo hidrolgico se mantiene constante, transformndose continuamente al estado lquido, slido o gaseoso. El sistema climtico es el que regula este ciclo de transformacin del agua, por lo tanto, cualquier cambio en dicho sistema puede modificar de manera importante la distribucin espacial y temporal del recurso hdrico.

La influencia de los cambios climticos en los recursos hdricos superficiales, pueden resultar un poco ms evidentes que en el caso de los recursos subterrneos.

La precipitacin afecta de manera directa a la escorrenta superficial, y tambin determina la cantidad de agua presente en el suelo, y por lo tanto, cuanta de sta infiltra hacia los estratos ms profundos y se transforma en escorrenta subterrnea. Por ello, variaciones tanto en la distribucin temporal como en el rgimen de precipitaciones, pueden influir fuertemente en la disponibilidad del recurso hdrico a nivel superficial, ya sea provocando grandes crecidas o perodos de sequas.

La temperatura puede influir en varias partes del ciclo hidrolgico a nivel superficial, ya que altos valores de este parmetro inciden, por ejemplo, en la tasa de evaporacin desde la superficie de un cuerpo de agua, as como tambin pueden influir en el derretimiento de nieves, y por lo tanto, en los volmenes de escorrenta superficial.

Para el caso de los recursos hdricos subterrneos, puede ser que la influencia directa de los cambios en el sistema climtico no sea tan simple de observar. Por esto, a continuacin se explica de manera ms detallada la influencia de algunas variables meteorolgicas, que pueden afectar a las napas subterrneas, tales como: la presin atmosfrica, la precipitacin y la temperatura.

Cambios en la presin atmosfrica producen fluctuaciones considerables en los niveles de agua observados en pozos que penetran acuferos confinados. Por ejemplo, un aumento de la presin atmosfrica produce, en un acufero confinado, los siguientes efectos (Espinoza, 2005):

- Se transmite en forma total y directamente sobre los espejos de agua que puedan existir en pozos y sondajes.

- Se transmite, a travs de la capa impermeable que limita superiormente al acufero, a los materiales permeables que constituyen el sistema y el agua contenida en l. Parte del aumento de presin es tomado por los materiales permeables y parte por el agua.

La superposicin de estos dos efectos, hace bajar el nivel de agua que se observa en un pozo en una cantidad menor que el correspondiente aumento de presin, debido a que si bien el agua contenida en el acufero tambin aumenta de presin, lo hace en una cantidad menor (Espinoza, 2005).

Para acuferos no confinados, los cambios de presin atmosfrica no se hacen sentir en los niveles de agua, ya que estos estn sometidos a dicha presin en todo punto, por lo tanto, no se producen movimientos diferenciales entre el agua contenida en el acufero y la que se encuentra en pozos y sondajes.

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En cuanto a la precipitacin, sta no es un buen indicador de recarga subterrnea debido a las prdidas a nivel superficial y sub superficial, y a los tiempos de viaje de la percolacin vertical. El tiempo de viaje puede variar desde algunos minutos, hasta varios meses o aos, dependiendo de la permeabilidad del sistema (Todd et al, 2005). Por lo tanto, la dependencia de los acuferos a la cantidad de precipitacin, est ligada a las caractersticas propias de cada sistema, aunque de todas maneras los niveles de aguas subterrneas, en varios casos, deberan mostrar una cierta variacin estacional asociada a las precipitaciones.

Con respecto a la temperatura, sta puede tener influencia en acuferos no confinados, a travs de la variacin en el contenido de agua del suelo no saturado, inmediatamente por encima de su nivel fretico. Dado que las variaciones de la temperatura exterior se propagan muy lentamente al interior de los terrenos, este efecto prcticamente carece de importancia, salvo en caso de estudios de muy larga duracin. Es importante sealar que las oscilaciones de temperatura a lo largo del da, en general no se detectan ms all de 1 [m] de profundidad bajo la superficie del terreno (Espinoza, 2005).

Tambin es importante considerar fenmenos asociados a la temperatura, como lo son la evaporacin y la transpiracin. En acuferos no confinados con niveles de agua muy cercanos a la superficie, usualmente se tienen fluctuaciones diarias asociadas a los fenmenos mencionados. Ambos procesos producen salidas de agua subterrnea hacia la atmsfera, con variaciones diarias similares, debido a su alta correlacin con la temperatura (Todd et al, 2005).

2.2 MODELOS

2.2.1 Modelos Climticos

El comportamiento del sistema climtico, sus componentes, y sus interacciones, pueden ser estudiados y simulados utilizando herramientas conocidas como modelos climticos. Estos son diseados principalmente para estudiar procesos climticos y variabilidad climtica natural, y para proyectar la respuesta del sistema climtico al forzamiento producido por las actividades humanas (Baede et al, 2001).

El ncleo de los modelos atmosfricos y ocenicos ms complejos, llamados Modelos de Circulacin General (GCM, General Circulation Model), est basado en leyes fsicas que describen la dinmica de la atmsfera y el ocano, expresada por ecuaciones matemticas (Baede et al, 2001).

Los modelos atmosfricos actuales se resuelven espacialmente en una grilla tridimensional, con una resolucin horizontal tpica de 250 [km] y 10 a 30 niveles en la vertical. La resolucin temporal tpica es de 30 [min].

Para efectos de esta tesis, se utilizaron exclusivamente los resultados del modelo HadCM3, ya que ste es el nico que posee datos de libre disposicin para Sudamrica.

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2.2.1.1 Modelo HadCM3

El modelo HadCM3 es un Modelo de Circulacin General en el que la atmsfera y el ocano estn acoplados (AOGCM, atmosphere ocean general circulation model), desarrollado por el Hadley Centre for Climate Prediction and Research (UK). Este modelo no necesita ajuste de flujos (calor artificial adicional y flujos de agua fresca en la superficie ocenica) para producir buenas simulaciones, a diferencia de modelos anteriores como el HadCM2. La mayor resolucin del HadCM3 es un factor importante en este aspecto (Osses, 2006).

La componente atmosfrica del modelo tiene 19 niveles en la vertical, con una resolucin horizontal de 2.5 de latitud y 3.75 de longitud, que produce una grilla global de 96 x 73 celdas. Esto es equivalente a una resolucin superficial de aproximadamente 417 [km] x 278 [km] en el Ecuador, y de 295 [km] x 278 [km] a 45 de latitud (CONAMA, 2006).

La componente ocenica del modelo tiene 20 niveles en la vertical, con una resolucin horizontal de 1.25 x 1.25. Con este nivel de resolucin es posible representar detalles importantes en las estructuras de corrientes ocenicas (CONAMA, 2006).

La discretizacin temporal del modelo es de 30 minutos, sin embargo, la informacin no es almacenada a esta resolucin temporal (Osses, 2006).

2.2.1.2 Tcnicas de Escalamiento (Downscaling)

Los modelos de circulacin general de la atmsfera (GCM), en general indican que los aumentos en la concentracin de los gases de invernadero, tendrn importantes implicancias para el clima global y regional. El problema es que los GCM tienen una escala demasiado grande (tpicamente del orden de 50,000 [km2]), por lo que sus resultados no son tiles en estudios a una escala ms pequea, como en el caso de una cuenca hidrogrfica.

Para solucionar este problema de escala, existen distintas tcnicas que permiten derivar variables meteorolgicas a escala local, a partir de variables asociadas a un modelo atmosfrico a nivel regional. Un esquema de las distintas escalas asociadas al problema de derivar variables a nivel local (escala menor), se muestra en la Figura 2.5.

Es importante tener presente que, debido a las diferencias que existen entre las tcnicas de escalamiento, los resultados que stas entregan para cada variable meteorolgica estudiada, pueden diferir de manera considerable, afectando los resultados en estudios de impacto en recursos hdricos, como el que se realiza en el presente trabajo.

Las tcnicas de escalamiento (downscaling), tpicamente se agrupan en 4 categoras, las cuales se describen a continuacin (Wilby et al, 2007).

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Figura 2.5 Ilustracin de las Escalas de los GCM y el Escalamiento

Escala de la GrillaModelo Climtico

Escala

miento

Tierra

Agre

gaci

n

Precipitacin

TopografaVegetacin

Suelos

Escala de la GrillaModelo Climtico

Escala

miento

Tierra

Agre

gaci

n

Precipitacin

TopografaVegetacin

Suelos

Fuente: Wilby et al (2007).

a) Modelacin Climtica Dinmica

El escalamiento dinmico implica anidar un Modelo Climtico Regional (RCM, Regional Climate Model) de resolucin mayor dentro un GCM de resolucin menor. Los RCM usan la informacin de los GCM, para definir condiciones de borde atmosfricas, que varan en el tiempo, dentro de un dominio finito, dentro del cual la dinmica fsica de la atmsfera es modelada, usando una grilla horizontal de celdas de 20 a 50 [km].

La principal limitacin de los RCM es que son computacionalmente tan demandantes como los GCM, pero presentan como principal ventaja, que permiten realizar anlisis a escalas mucho ms acotadas que en los casos de los GCM.

b) Generacin Climtica en base a datos observados

Esta tcnica implica el agrupamiento, a nivel local, de datos meteorolgicos, en relacin con patrones prevalecientes de circulacin atmosfrica. Los escenarios de cambio climtico son construidos por un re-muestreo de la distribucin de datos observados (condicionados por los patrones de circulacin generados por un GCM), o mediante la generacin de secuencias sintticas de patrones climticos, para luego realizar un re-muestreo de los datos observados.

Esta tcnica se basa principalmente en la sensible relacin entre el clima a grandes escalas y el clima a nivel local.

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La principal limitacin de esta tcnica es que los cambios de precipitacin, producidos por cambios en la frecuencia de patrones climticos, son rara vez consistentes con los cambios producidos por el GCM utilizado.

c) Generacin Climtica Estocstica

La aproximacin de escalamiento estocstico tpicamente implica modificar los parmetros de generadores climticos convencionales como WGEN, LARS-WG o EARWIG.

Los escenarios de cambio climtico son generados estocsticamente usando parmetros escalonados de acuerdo a las salidas del GCM utilizado.

La principal ventaja de esta tcnica, es que puede reproducir exactamente varias estadsticas meteorolgicas observadas, y ha sido utilizada ampliamente, especialmente en la determinacin de impactos climticos en la agricultura. An ms, los generadores climticos estocsticos permiten la generacin de escenarios para el anlisis de riesgos. Las principales desventajas se relacionan con la baja capacidad para reproducir variabilidades climticas a nivel anual o de dcadas, y a los efectos que pueden producir los cambios en la precipitacin en variables secundarias como la temperatura.

d) Funciones de Transferencia

El escalamiento basado en funciones de transferencia, se basa en las relaciones empricas entre los predictandos (variables a predecir) a nivel local y los predictores (variables utilizadas para predecir) a nivel regional (mayor explicacin de predictandos y predictores en el Captulo 5).

La principal virtud del escalamiento basado en funciones de transferencia, es su relativamente fcil aplicacin. Su principal debilidad es que, los modelos usualmente son capaces de reproducir slo una parte de la variabilidad climtica (especialmente en series de precipitacin).

Al igual que los generadores climticos basados en datos observados, en este mtodo tambin se considera la validez de los parmetros bajo condiciones climticas futuras, y el escalamiento es altamente sensible a la eleccin de las variables predictoras.

2.2.1.3 Escenarios de cambio climtico del IPCC

El desarrollo de escenarios comenz previo a la creacin del Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Sin el marco creado por el IPCC, exista una gran heterogeneidad de escenarios y realizar comparaciones de los diferentes estudios generados a partir de dichos escenarios, resultaba tambin difcil. En el perodo 1999 2001, durante el proceso del IPCC Third Assessment Report (TAR), se lograron varios avances en este sentido, logrando determinar escenarios nicos de cambio climtico. Con los modelos de circulacin general acoplados (atmsfera ocano) funcionando en un rgimen transiente, se desarrollaron los escenarios SRES (Osses, 2006).

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Los escenarios SRES (Special Report on Emissions Scenarios) fueron construidos para explorar los futuros desarrollos en el medioambiente global, con especial nfasis en la produccin de gases de efecto invernadero y emisiones de aerosoles precursores (Carter et al, 1999).

Se definieron cuatro grupo de escenarios, cada uno de ellos fue determinado en base a caractersticas demogrficas, poltico econmicas, sociales y tecnologas futuras. Dentro de cada grupo, uno o ms escenarios exploran los desarrollos en los usos de energas, en la industria y otros aspectos, para determinar sus implicancias en las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes (Carter et al, 1999).

A continuacin se entregan las definiciones generales de cada grupo de escenarios determinados por el SRES.

A1: un mundo futuro de rpido crecimiento econmico, bajo crecimiento poblacional y una rpida introduccin de nuevas y ms eficientes tecnologas. Los temas base ms importantes son la convergencia econmica y cultural y la capacidad de construccin, con una sustancial reduccin en las diferencias regionales de los ingresos per capita. En este mundo, la gente persigue el bienestar personal antes que la calidad ambiental.

A2: un mundo diferenciado. El tema subyacente es el de fortalecimiento de las identidades culturales regionales, con un nfasis en valores familiares y tradiciones locales, gran crecimiento poblacional, y menos preocupacin por el rpido crecimiento econmico.

B1: un mundo convergente con un rpido cambio de las estructuras econmicas, des-materializacin e introduccin de tecnologas limpias. El nfasis est en las soluciones globales de sustentabilidad medioambiental y social, incluyendo esfuerzos para un rpido desarrollo econmico, des-materializacin de la economa, y mejoramiento de la equidad.

B2: un mundo en el cual el nfasis est sobre las soluciones locales para la sustentabilidad econmica, social, y ambiental. Este es un mundo heterogneo con un cambio tecnolgico menos rpido y ms diverso, pero con un fuerte nfasis en la iniciativa comunitaria y en la innovacin social, para encontrar soluciones locales ms que globales.

Las principales caractersticas de cada grupo de escenarios, se muestran en la Tabla 2.1.

Se observa claramente que el grupo de escenarios ms severo es el A2, y el menos es el B1.

Para este trabajo de tesis se utilizaron slo los escenarios A2a y B2a (para los escenarios A2 y B2, existen sub escenarios entre los que se encuentran el A2a y el B2a), que son los nicos disponibles para el modelo HadCM3 en Sudamrica. Dentro de estos dos escenarios disponibles, el ms severo es el A2a y el menos severo el B2a.

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Tabla 2.1 Principales caractersticas de cada grupo de escenarios SRES

SRES Escenarios para 2100 Tema 1990 A1 A2 B1 B2 Poblacin (billones) 5.252 7.1 15.1 7.2 10.4

Concentracin de CO2 [ppmv] 354 680 834 547 601

Cambio de temperatura media anual global [C] --- 2.52 3.09 2.04 2.16

Rango [C] --- 1.70 3.66 2.12 4.41 1.37 2.99 1.45 3.14 Elevacin del nivel del

mar promedio global [cm] --- 58 62 50 52 Rango [cm] --- 23 101 27 107 19 90 20 93

Fuente: Carter et al (1999).

2.2.2 Modelos Superficiales

2.2.2.1 Modelos de Simulacin Hidrolgica

La mayora de los sistemas hidrolgicos son extremadamente complejos, y por lo tanto no es posible entenderlos en todos sus detalles. Por lo tanto, para comprender o controlar algunos aspectos de su comportamiento, es necesaria la abstraccin. Los modelos de simulacin hidrolgica han sido desarrollados principalmente con dos objetivos (Xu, 2002):

Adquirir un mejor entendimiento de los fenmenos hidrolgicos que ocurren en un sistema, y como los cambios en dicho sistema pueden afectar a los fenmenos.

Generar secuencias sintticas de datos hidrolgicos para el diseo de obras o para pronsticos, y proveer informacin para el estudio de impactos potenciales de cambios en los usos del suelo o cambios en el clima.

Los modelos de simulacin hidrolgica son de distintos tipos y fueron desarrollados con distintos propsitos (la clasificacin de los modelos se observa en la Figura 2.6). Sin embargo, muchos de los modelos son estructuralmente similares, ya que los supuestos en los que se basan son los mismos (Singh, 1995). Dichos modelos pueden ser clasificados de acuerdo a diferentes mtodos, uno de ellos es el de Singh (1988), el cual diferencia a los modelos como (1) materiales y (2) simblicos o formales.

Los modelos materiales (tambin llamados modelos fsicos) son una representacin de los sistemas reales, que tienen propiedades similares, pero son mucho ms simples para trabajar. Los modelos de laboratorio son aquellos que representan el sistema en una escala ms pequea, reproduciendo sus caractersticas principales. Los modelos anlogos no son fsicamente similares al sistema original, pero igual buscan reproducir sus caractersticas principales.

Los modelos simblicos o formales (tambin llamados modelos abstractos) son una expresin simblica en trminos lgicos de una situacin idealizada, que comparte las

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propiedades estructurales del sistema original. Los modelos simblicos pueden ser expresados de distintas maneras, una de ellas es la naturaleza matemtica (Xu, 2002).

Figura 2.6 Clasificacin de Modelos Hidrolgicos

Fuente: Xu (2002).

Los modelos tericos (tambin llamados modelos de caja blanca) resumen las leyes ms importantes que gobiernan al fenmeno. Un modelo terico tiene una estructura similar al sistema del mundo real y puede ser muy til para analizar posibles cambios en dicho sistema. Ejemplos de estos modelos son aquellos basados en las ecuaciones de Saint Venant, modelos de evaporacin basados en turbulencia y difusin, etc. (Xu, 2002).

Los modelos empricos (tambin llamados modelos de caja negra) no se relacionan directamente con el mundo real, ellos contienen parmetros que prcticamente no tienen sentido fsico. Los modelos ARMA (autoregressive moving average model) son ejemplos de esta clasificacin (Xu, 2002).

Los modelos conceptuales (tambin llamados modelos de caja gris) son el punto medio entre los modelos tericos y los empricos. Generalmente estos modelos consideran leyes fsicas, pero de manera muy simplificada (Xu, 2002).

Modelos Hidrolgicos

Matemticos

Simblicos

No Matemticos

Materiales

Laboratorio Anlogos

Empricos Tericos Conceptuales

No Lineales Lineales

Variables en el Tiempo No Variables en el Tiempo

Distribuidos Concentrados

Estocsticos Determinsticos

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Los modelos tericos, empricos y conceptuales pueden ser lineales o no lineales. Y se dice que un modelo no vara en el tiempo si las relaciones entre las entradas y las salidas no varan con l (Xu, 2002).

Los modelos concentrados son generalmente expresados mediante ecuaciones diferenciales ordinarias, que no consideran la variabilidad espacial de los procesos, entradas, condiciones de borde y de las caractersticas geomtricas del sistema. Los modelos distribuidos toman en cuenta de manera explcita la variabilidad espacial de los procesos, entradas, condiciones de borde y/o caractersticas fsicas del sistema. En algunos casos, se tiene una mezcla entre ambos modelos, stos se conocen como semi-distribuidos (Singh, 1995).

Los modelos estocsticos son aquellos en que alguna de sus variables (en una ecuacin) es aleatoria con distribucin de probabilidad. Los modelos determinsticos son aquellos en que ninguna de sus variables (en una ecuacin) es aleatoria o tiene una distribucin de probabilidad.

2.2.2.2 Modelos de Generacin de Escorrenta Superficial

Existen diversos modelos de generacin de escorrenta superficial, algunos de los estudiados durante la realizacin de esta tesis se describen a continuacin.

a) TOPMODEL

El desarrollo de este modelo comenz con Mike Kirkby en 1974, en la Escuela de Geografa de la Universidad de Leeds. Desde la primera versin se han desarrollado muchas versiones de este modelo, en Leeds, Lancaster y en muchas otras partes del mundo, por eso se dice que no existe una versin definitiva del modelo. Es un modelo gratuito para fines acadmicos, y una versin de ste puede ser descargada desde http://www.es.lancs.ac.uk/hfdg/freeware/hfdg_freeware_top.htm (Departamento de Ciencia Medioambiental de la Universidad de Lancaster).

TOPMODEL es un modelo distribuido que simula los flujos hidrolgicos del agua (flujos de los excesos de infiltracin, las infiltraciones, los afloramientos, el flujo sub-superficial, evapotranspiracin, prdidas en canales, etc.) en una cuenca. El modelo simula interacciones explcitas entre la componente superficial y subterrnea mediante la prediccin del movimiento de la napa fretica.

b) MIKE 11

MIKE 11 es un modelo comercial, desarrollado por el Danish Hydraulic Institute (http://www.dhigroup.com), que permite resolver diversos problemas relacionados con los recursos hdricos, tales como la simulacin de flujos superficiales y niveles piezomtricos, calidad de agua y transporte de sedimentos en ros, prediccin de crecidas, canales de irrigacin, etc.

El mdulo de precipitacin escorrenta (RR, rainfall runoff) contiene un grupo de diversas aplicaciones, las que pueden ser utilizadas para estimar la escorrenta de las cuencas. Dentro de estas aplicaciones, existe un modelo hidrolgico conceptual (NAM)

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cuasi distribuido, en el que se tiene en cuenta la nieve, el almacenamiento superficial y radicular, la evapotranspiracin, la infiltracin, la escorrenta superficial y subterrnea.

c) MPL

El MPL es un modelo desarrollado conceptualmente por Pablo Isensee (basado en el trabajo Simulacin Matemtica del Rgimen de Escorrenta en una Cuenca Pluvial, realizado por Ernesto Brown en 1968, en el Departamento de Ingeniera Civil de la Universidad de Chile) a fines de la dcada de los 80, corresponde a un modelo hidrolgico de generacin de caudales que simula el ciclo de escorrenta de una cuenca pluvial aplicando la ecuacin de continuidad sobre un elemento de rea y/o volumen de control en la cuenca. Este modelo, considera que existen dos elementos de embalse de agua (DGA, 2004 a):

- Un volumen de almacenamiento cercano a la superficie del suelo, cuya magnitud representa la capacidad media de retencin de agua en la cuenca y desde el cual se extrae agua para satisfacer la demanda evapotranspirativa.

- Un volumen subterrneo que retiene el agua que percola y que al vaciarse en forma lenta, contribuye al escurrimiento sub-superficial y subterrneo. Este almacenamiento es el que produce la escorrenta en los perodos de estiaje.

En comparacin con otros modelos, como el Sacramento, el MPL tiene pocos parmetros de calibracin, stos se muestran en la Tabla 2.2.

Los datos de entrada que requiere el modelo corresponden bsicamente a las estadsticas de precipitacin y de evaporacin de alguna estacin base, adems del rea de la cuenca y los factores de precipitacin y evaporacin que multiplican a las estadsticas base para obtener los valores asociados a la cuenca en anlisis (DGA, 2004 a).

Este modelo ha sido utilizado en el pas, en diversos proyectos en los que se ha requerido modelar cuencas pluviales, tales como los realizados por DGA (2004 a y b).

Tabla 2.2 Parmetros de Calibracin del MPL

Parmetro Descripcin FC Tasa de infiltracin correspondiente a suelo saturado (s=1) [mm/da]

ALFA Variacin de la tasa de infiltracin por unidad de variacin del grado de humedad Smin Grado de humedad correspondiente al punto de marchitez permanente Scrit Grado de humedad crtico bajo el cual se restringe la evapotranspiracin Scc Grado de humedad correspondiente a la capacidad de campo

Hmx Mxima lmina de agua contenida en el suelo saturado [mm] K Constante de tiempo del embalse subterrneo [das]

Pmn Porcentaje de la lluvia que se manifiesta como escorrenta superficial inmediata Fuente: DGA (2004 a).

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d) SACRAMENTO

El modelo Sacramento se denomina Sacramento Soil Moisture Accouting, es decir es un balance de humedad del suelo y forma parte de un sistema global denominado National Weather Service River Forescast System (NWSRFS), el cual corresponde al servicio meteorolgico de USA, cuyas funciones son pronosticar tormentas. El modelo permite calcular la escorrenta, para lo cual utiliza informacin meteorolgica, adems puede ser aplicado tanto a cuencas pluviales como cuencas nivales (Muoz, 2006).

El Sacramento consiste en un modelo conceptual que genera el caudal como escorrenta superficial a partir de las reas porosas e impermeables de la cuenca, en conjunto con el flujo sub-superficial y dos niveles de flujo base. El modelo representa la cuenca como un conjunto de almacenamientos de determinada capacidad, los cuales retienen agua temporalmente y luego la ceden gradualmente, conforme su contenido disminuye por la percolacin, evapotranspiracin y drenaje lateral (Robles, 1985).

Una descripcin detallada de este modelo, que corresponde al seleccionado para este estudio, se entrega en el Captulo 4.

2.2.2.3 Modelos de Simulacin Operacional

Existen dos categoras bsicas de modelos operacionales: simulacin y optimizacin. Un modelo de simulacin es una conceptualizacin del sistema hdrico, utilizada para predecir su respuesta hidrolgica, y en algunos casos su desempeo econmico, bajo condiciones operacionales predefinidas. Tales modelos estn basados en procedimientos, que realizan un balance de agua a travs de los distintos elementos que componen la red hdrica simulada. Los modelos de simulacin, normalmente son diseados especficamente, para responder a las particularidades de la cuenca que se desea estudiar, lo cual impide su reutilizacin en otra cuenca (DGA, 2005 a).

Los modelos de optimizacin, en cambio, buscan una solucin ptima al problema de asignacin y distribucin del recurso hdrico. La optimizacin se refiere a una formulacin matemtica, en la cual un algoritmo formal busca los valores ptimos de un conjunto de variables de control, los cuales minimizan o maximizan una funcin objetivo, sujeta a un conjunto de restricciones operacionales preestablecidas. Tanto la funcin objetivo como las restricciones estn representadas por expresiones matemticas que son funcin de las variables de control ya definidas por el modelador (DGA, 2005 a).

Existen diversos modelos de simulacin operacional que fueron analizados durante la realizacin de esta tesis, algunos de ellos se describen a continuacin.

a) MAGIC

A mediados del ao 2002, la Direccin General de Aguas (DGA) comenz un proyecto destinado a fusionar las mejores caractersticas de los modelos MOS Aconcagua (DOH, 1998) y SsuRH (DGA, 2000), en un nico modelo genrico, flexible e integrado, que permitiera realizar una simulacin hidrolgica superficial y subterrnea, de cualquier cuenca en la cual se dispusiera de toda la informacin necesaria, sin la necesidad de

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destinar recursos econmicos a la elaboracin de un nuevo modelo, cada vez que se requiere simular el comportamiento de una nueva cuenca, sino que destinar dichos recursos, slo a la recopilacin de la informacin necesaria para alimentar el modelo. Este proyecto se denomin MAGIC, Modelacin Analtica, Genrica e Integrada de Cuencas (DGA, 2005 b).

Para escribir el cdigo fuente del modelo, se utiliz el lenguaje de programacin Delphi 7.0, hasta obtener la versin 1.0 del modelo MAGIC.

Las ventajas de este modelo son que es analtico por la naturaleza de todas las relaciones matemticas y computacionales involucradas en l, es genrico, porque puede ser aplicado a cualquier cuenca (siempre que exista informacin) y es integrado porque abarca tanto la parte superficial como subterrnea de la cuenca bajo estudio (DGA, 2005 b).

Las principales desventajas del modelo son que requiere ingresar demasiada informacin (la base de datos utilizada por este modelo, est compuesta de 43 tablas con distinta informacin requerida) y la modelacin de la componente subterrnea es bastante simplificada.

b) OASIS

OASIS es un modelo de simulacin y optimizacin, desarrollado por la empresa Hydrologics (http://www.hydrologics.net), que permite modelar la gestin del recurso agua en un sistema tipo cuenca hidrogrfica, en la que existen obras de almacenamiento, de captacin y de conduccin artificiales; y adems necesidades de uso del agua para diferentes fines, en distintos puntos. El modelo simula los flujos de agua en un sistema representado por nodos y arcos.

Una de las caractersticas ms poderosas de este modelo, es que simula los flujos del agua utilizando programacin lineal entera. Esto significa para el usuario, que todas las reglas de operacin son expresadas como Funcin Objetivo, Variables y Restricciones (Basaure, 2005).

Algunos de los defectos de este modelo son que en algunos casos resulta complicado la programacin de algunas rutinas (como las salidas del modelo) y que no incorpora la interaccin con la componente subterrnea de los recursos hdricos.

Segn el trabajo realizado por Basaure (2005), OASIS es una herramienta muy poderosa para modelar los recursos hdricos, ya que posee muchas alternativas de modelacin, es decir, adems de las herramientas que posee, permite programar externamente lo que no es capaz de realizar. Adems en dicho trabajo, el modelo entreg resultados bastante aceptables, para las calibraciones de caudales en la cuenca del ro Maule, en la VII Regin del pas.

c) MODSIM

MODSIM es un modelo de simulacin operacional de sistemas hidrulicos tales como ros y embalses; fue desarrollado en la dcada de 1970 por John Labadie de la

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Universidad Colorado State. Se puede descargar de manera gratuita desde la pgina web http://modsim.engr.colostate.edu/.

El modelo tiene la capacidad de incorporar simultneamente la complejidad fsica, hidrolgica y los aspectos institucionales y administrativos del manejo de una cuenca, incluyendo los derechos de agua (Basaure, 2005).

Dentro de las principales ventajas de este modelo, se pueden mencionar las siguientes: permite el uso de sistemas de informacin geogrfica (SIG) y as caracterizar de manera ms fcil al sistema modelado; en su versin 8.1, permite la interaccin con modelos de aguas subterrneas, como Visual Modflow; se pueden incorporar derechos de agua, restricciones legales y administrativas; se pueden simular posibles impactos ambientales y ecolgicos.

Dentro de los defectos, el principal de ellos es que requiere incorporar demasiada informacin de la cuenca, la cual no siempre est disponible para todas las cuencas que se quieren modelar.

d) AQUATOOL

Este modelo fue desarrollado a partir de 1990 en la Universidad Politcnica de Valencia, e incluye un mdulo de optimizacin de cuencas, un mdulo de simulacin de acuferos y un mdulo de utilidades. El sistema no es especfico para una cuenca determinada, sino que est previsto para un uso general puesto que permite la representacin de diferentes configuraciones de sistemas hidrulicos.

El modelo est formado por una serie de mdulos: SimWin, OptiWin, MashWin y Aquival, que permiten llevar a cabo las distintas aplicaciones del programa.

Desde la pgina web del programa (http://www.upv.es/aquatool/) se puede descargar un demo de ste, que tiene una capacidad de trabajo limitada con respecto a las versiones completas, pero permite hacerse una idea de cmo funciona este modelo; adems se pueden obtener los manuales del programa.

2.2.3 Modelos de Aguas Subterrneas

La variedad de modelos de aguas subterrneas existentes, no es tan amplia como en los casos de los modelos superficiales, dentro de los ms destacados se pueden mencionar: MODFLOW, FEFLOW, ASMWIN y FEMWATER.

En Chile el modelo de aguas subterrneas utilizado en gran parte de las modelaciones de sistemas acuferos es MODFLOW, por lo que los otros modelos no fueron mayormente estudiados. Ms informacin de MODFLOW se entrega en el Captulo 4.

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Captulo 3

Descripcin Zona de Estudio

3.1 INTRODUCCIN

En el presente captulo se hace una breve descripcin de la zona de estudio, la cuenca del ro Cachapoal, la cual fue escogida debido a que:

Se cuenta con informacin suficiente (meteorolgica, fluviomtrica, etc.) para llevar a cabo de manera satisfactoria el presente trabajo.

En dicha cuenca se tienen diversos usos del recurso hdrico, ya que existe una intensa actividad agrcola (en la parte baja de la cuenca), una importante actividad minera del cobre (El Teniente), usos para agua potable y generacin hidroelctrica; todo lo cual permite analizar los efectos del cambio climtico en distintas actividades relacionadas con el uso del agua.

Existe un modelo de aguas subterrneas previo, que se puede usar como base para generar uno nuevo que forme parte del Modelo Integrado.

En cuanto a la caracterizacin de la cuenca, se entregan antecedentes de su ubicacin, clima, uso de suelo, geologa, etc. Adems, se detalla la informacin disponible de precipitacin, temperatura, evaporacin, caudales superficiales y pozos de bombeo.

Por ltimo, con respecto a la informacin disponible, se generan curvas de variacin estacional, que permiten caracterizar los tipos de rgimen en distintos puntos de la cuenca del ro Cachapoal.

3.2 UBICACIN ZONA DE ESTUDIO

La VI Regin del Libertador General Bernardo OHiggins est ubicada en la zona central de Chile, limitando al norte con la V Regin, de Valparaso, al sur con la VII Regin, del Maule, al oeste con el ocano Pacfico y al este con Argentina. Se encuentra entre los 33 51 y 35 01 de Latitud Sur y entre los 72 02 y 70 02 de Longitud Oeste.

Esta regin (ver Figura 3.1) abarca una superficie aproximada de 16,338 [km2] (que corresponde aproximadamente al 2.3% del territorio Chileno continental) y se encuentra dividida en tres provincias: Cachapoal, Colchagua y Cardenal Caro.

La zona de estudio, la cuenca del ro Cachapoal, se encuentra ubicada dentro de esta regin, abarca 18 comunas y tiene 584,000 habitantes. Cuenta con una superficie aproximada de 6,250 [km2], correspondiente al 38% de la regin (CNR, 2005).

Su ubicacin ms especfica dentro de la VI Regin, se observa en la Figura 3.2.

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Figura 3.1 Mapa Fsico de la VI Regin del Libertador General Bernardo OHiggins

Fuente: .

3.3 ANTECEDENTES GENERALES DEL SISTEMA

3.3.1 Relieve

En esta regin se tienen cuatro fajas longitudinales: Cordillera de Los Andes, Depresin Intermedia, Cordillera de la Costa y Planicies Costeras.

Cordillera de Los Andes

Su altitud vara entre los 3,000 y 4,000 [m.s.n.m] y tiene un ancho aproximado de 50 [km]. En esta regin, con un marcado volcanismo, se destacan los conos volcnicos como El Tinguiririca, de 4,620 [m.s.n.m], y El Palomo, de 4,860 [m.s.n.m]. La mxima cima corresponde al cerro Alto de los Arrieros, que tiene una altura de 4,990 [m.s.n.m].

Depresin Intermedia

Se caracteriza por las planicies generadas por el acarreo de materiales, principalmente de origen glacio-fluvio-volcnico.

Est cortada por dos angosturas, la de Paine (por el norte) y la de Regolemu (al norte de San Fernando), las que se forman debido a que ambas cordilleras tienden a juntarse en el centro del valle longitudinal, conformando una llanura de relleno, principalmente aluvial, donde se alojan los mejores suelos de la regin. Al sur de la angostura de Regolemu, la depresin se ensancha.

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Figura 3.2 Cuenca del Ro Cachapoal

Fuente: CNR (2005).

Cordillera de la Costa

En esta regin la Cordillera de la Costa se presenta baja y redondeada, no sobrepasando los 800 [m.s.n.m]. Adems, se desva hacia el interior, lo que le da mayor amplitud a las planicies litorales.

Planicies Litorales

Las Planicies Litorales presentan una gran extensin en el litoral al sur del estero Yali, en las cercanas del ro Rapel. Lo mismo sucede en Bucalemu y Pichilemu donde se presentan hasta tres niveles de terrazas, el contacto con la Cordillera de la Costa se hace por medio de diferentes cursos de agua que penetran hasta 25 [km] hacia el interior.

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3.3.2 Clima Regional

En la VI Regin se pueden distinguir 3 tipos de climas, cuyas caractersticas principales son las siguientes (DMC, 2006 b):

a) Clima templado clido con estacin seca prolongada y gran nubosidad.

Este clima se encuentra en el sector costero de la parte norte de la regin, abarcando las planicies litorales y la ladera occidental de la Cordillera de la Costa. Est determinado por la cercana al mar, que modera las temperaturas y produce una gran humedad que se manifiesta en una gran cantidad de das nublados.

Las precipitaciones son de origen frontal y se concentran en invierno. Las sumas anuales varan entre 500 [mm] en la parte norte hasta 800 [mm] en el sector sur. Entre los meses de Mayo y Agosto cae entre el 76% y el 80% de la precipitacin total anual. Los meses de Octubre a Abril presentan menos de 40 [m