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.
0
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0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80
Event total duration (hr)
Ex
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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Event total rainfall (in)
Ex
ceed
an
ce fre
qu
en
cy
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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recip
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Time (hh:mm)
Dep
th (
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
16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
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3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
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
0.0
0.2
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0.6
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1.6
1.8
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2.4
2.6
2.8
3.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Q/Qmax
h/D
Cerrado (Qc)
Abierto (Qa)
Qc <<< Qa
Diseño
Sobrecarga
Principios para la planificación y toma de decisiones
18
SIN USO
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
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
0.0
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1.5
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0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
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