DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL CURSO CI 71-A UNIVERSIDAD DE CHILE DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL CURSO CI 71-A ANALISIS DE SISTEMAS DE RECURSOS HIDRAULICOS

INTRODUCCION Evolución histórica del uso del agua. Situación actual. Incorporación de la situación Medioambiental. Complejidad de la situación actual. Múltiples actores Intereses contrapuestos Incertidumbres inherentes Requerimientos del desarrollo Gran irreversibilidad de las decisiones

SISTEMA DE RECURSOS HIDRAULICOS Conjunto de elementos que se interrelacionan entre si; contenidos dentro de algún límite o frontera de interés. Frontera o límite mas o menos arbitraria, define el “volumen de control” del sistema. Se establecen interrelaciones explícitas entre los elementos componentes y relaciones de entrada y salida de éstas hacia fuera del volumen de control. Sistema clásico en hidrología cuenca hidrográfica.

EJEMPLOS DE HIDROSISTEMAS Sistema de abastecimiento de agua (superficiales; subterráneas; combinado; para diferentes uso, etc). Sistema de drenaje urbano. Sistemas de drenaje agrícola. Sistemas de generación hidroeléctrica. Sistemas de tratamiento de aguas servidas domésticas o industriales. Sistemas de recirculación y reuso del agua.

Para modelar las interrelaciones de flujos de agua entre los elementos componentes de un sistema, deberán usarse ecuaciones hidrológicas e hidráulicas apropiadas. Por ejemplo: ecuación de continuidad; ecuación de balance hidroquímico. La tarea principal de un Ingeniero de Recursos Hidráulicos es la de modificar las entradas y/o las interrelaciones entre los elementos de un hidrosistema, para “mejorar” las salidas “deseables” y “disminuir” las salidas “indeseables”.

S*=[Q* (x*, t*), c* (x*, t*)] Estado de un Sistema: (S) S=[Q (x, t), c (x, t)] Q: cantidad (caudal o volumen) c: calidad (distintos componentes) x: variable que define el lugar (espacio) t: variable que define la oportunidad (tiempo) El diseño o gestión en la ingeniería de los recursos hidráulicos busca transformar S en S*. S*=[Q* (x*, t*), c* (x*, t*)] En que el * significa “deseable”.

PRINCIPALES PROBLEMAS DE LA INGENIERIA DE RECURSOS HIDRICOS Determinar la óptima “escala de desarrollo” de un proyecto. Determinar los tamaños óptimos de los distintos elementos componentes del sistema. Determinar la operación óptima del sistema.

ANALISIS VERSUS DISEÑO Los problemas de Ingeniería de Recursos Hídricos tienen que ver tanto con ANALISIS como con DISEÑO. El ANALISIS tiene que ver con determinar el comportamiento de un sistema existente, o de un sistema tentativo en proyecto. En muchos casos la determinación del comportamiento del sistema consiste en definir las reglas (o políticas) de operación del sistema, frente a determinados valores de las variables de entrada.

El DISEÑO consiste en determinar los tamaños de los elementos componentes del sistema. Como un ejemplo, el diseño de un sistema de embalses de regulación, consiste en determinar el tamaño y ubicación de los embalses. El análisis de un sistema de embalses es el proceso de determinar las políticas de operación del sistema. En general se hace una estimación del diseño, cuyo comportamiento se analiza para apreciar si cumple o no con ciertos requerimientos pre-especificados.

CARÁCTER MULTIDISCIPLINARIO DE LOS PROBLEMAS EN INGENIERIA DE LOS RECURSOS HIDRICOS Componentes: Técnicos Económicos Sociales Políticos Legales Ecológicos o Medioambientales

CONCEPTO DE MANEJO O GESTION DE CUENCAS HIDROGRAFICAS Cuenca Hidrográfica: Unidad de gestión de los Recursos de Agua. ¿Incorporación del Manejo o Gestión de los Recursos Suelos y Vegetación?

OPCIONES TECNICAS PARA MEJORAR LA DISPONIBILIDAD DE AGUA Métodos Convencionales: embalses superficiales de regulación captaciones y aducciones desde cauces superficiales (gravitacionales o no) captaciones y conducciones de agua subterránea con o sin trasvase desde otras cuencas Mejorar eficiencia (disminuir pérdidas) en sistemas de uso, distribución y transporte del agua. Recirculación y Reuso del agua: puede implicar o no necesidades de tratamiento

Desalinización (desalación) de aguas Gestión de Acuíferos: recarga artificial; almacenamiento subterráneo Desalinización (desalación) de aguas aguas salobres aguas de mar Otros métodos especiales

USOS DEL AGUA Uso consuntivo Uso No-consuntivo Razón de recirculación= Uso total/Agua captada Otra clasificación de usos: extractivos o “in situ”

TIPOS DE USOS Municipal y doméstico Riego Industrias (incluye minería, termoelectricidad) Hidroelectricidad Navegación (transporte fluvial) Recreación Preservación Medioambiental (Caudales Ecológicos) Otros usos “in situ” (belleza escénica y otros) Dilución Control de crecidas

OBJETIVOS EN PROYECTOS DE DESARROLLO Y GESTION DE RECURSOS HIDRICOS Recurso Agua: recurso natural renovable. Bien económico en muchos de sus usos Bien final: uso doméstico recreación

OBJETIVOS EN PROYECTOS DE DESARROLLO Y GESTION DE RECURSOS HIDRICOS Bien intermedio o factor de producción: riego industria minería generación hidroeléctrica generación termoeléctrica transporte (navegación)

OBJETIVOS EN PROYECTOS DE DESARROLLO Y GESTION DE RECURSOS HIDRICOS Bien público: paisajismo conservación y protección de cauces preservación de biodiversidad preservación de la calidad

Objetivos económicos en el aprovechamiento del agua fundamentales Ley de Aguas en Chile: Recurso Agua es un Bien Nacional de uso Público Eficiencia Económica: Beneficios Actualizados Netos Evaluación privada Evaluación social

Desde el punto del Estado surgen otros objetivos económicos: Ingreso Nacional vs Ingreso Regional Redistribución del Ingreso Mejoramiento de balanza de pagos (exportación - importación) Preservación Medioambiental Otros servicios sociales (necesidades meritorias) salud y saneamiento soberanía aumentos del empleo Necesidades meritorias: aquellas cuya importancia o beneficio es mayor que la que los consumidores aprecian en el mercado.

Surgen planteamientos de objetivos múltiples, muchas veces conflictivos entre si, y además a veces no conmensurables entre si. Objetivos Múltiples vs Usos Múltiples

Planteamiento del problema de objetivos múltiples: min { f1 (x), f2 (x), ... fn (x)} Sujeto a gk (x)  0 k=1, 2, ..... m x vector N-dimensional de variables de decisión fi (x) i =1, 2,....n n funciones objetivo gk (x) k=1, 2,...m m restricciones En general en problemas reales N >> n Definición de óptimo: Una solución óptima es aquella que corresponde al valor mínimo de todos los objetivos simultáneamente:

x* es un óptimo del problema min f (x) sujeto a x є T, si y sólo si x* єT y f (x*) < f (x) para todo x єT Si existen, las soluciones al problema planteado se denominan “soluciones superiores”. Pero en general estas soluciones superiores no existen en problemas reales de objetivos múltiples.

Definición de “Solución No-inferior” (pareto-óptima) Una solución factible para un problema de objetivos es no-inferior, si no existe otra solución factible, que mejore al menos un objetivo, sin causar simultáneamente un empeoramiento en a lo menos uno de los otros objetivos. Definición de solución “preferida” Es una solución no-inferior que se elige como decisión final, a través de algún criterio adicional.

Curvas de indiferencia Existen algunas técnicas que, adicionalmente, pretenden introducir las preferencias subjetivas del ente encargado de la toma de decisión, para alcanzar y obtener la o las soluciones preferidas Funciones utilidad Curvas de indiferencia Teóricamente la mejor solución de compromiso para un problema de objetivos múltiples, es aquella que proporciona la máxima utilidad para el tomador de decisiones, y pertenece tanto al conjunto de soluciones no inferiores como a una curva de indiferencia de éste.

Aspectos Económicos del Recurso Agua: Agua: bien económico Características de los Proyectos 1. Costos se concentran fuertemente al inicio. Costos de mantención y operación continuada del proyecto << Costos de construcción iniciales. 2. Beneficios crecientes gradualmente en un período mas o menos largo.

3.Vida física de los principales componentes es muy prolongada. Bien económico necesidad de evaluación económica. Evaluación Económica: Busca comparar el valor económico de la producción del proyecto (Beneficios) con el nivel económico de los insumos para construirlos, mantenerlo y operarlo (costos). Proyecto Económicamente justificado Beneficios > Costos necesariamente

Evaluación Económica Privada vs Evaluación Social: Evaluación social se diferencia de la privada en: a) beneficios y costos se calculan en términos sociales: se trata de medir el “cambio que experimenta el bienestar de toda la comunidad debido al uso de los factores productivos, o a la mayor disponibilidad de bienes que genera el proyecto”. Conceptualmente: beneficios y costos sociales  beneficios y costos privados

si el mercado es perfectamente competitivo, con perfecta información y plena movilidad de recursos. b) No todo costo o beneficio privado, es un costo o beneficio social, y no todo costo o beneficio social refleja uno privado. EXTERNALIDADES Y TRANSFERENCIAS Son las principales fuentes de discrepancias

Precios Sociales (Precios Sombra o Precios de Cuenta): Teóricamente el precio social es una medida monetaria del cambio en el bienestar de la sociedad debido a un cambio marginal en el disponibilidad de bienes finales-factores de producción. El precio social de un bien final equivale a la disposición a pagar (demanda agregada) de los consumidores. En el caso de costos sociales de insumos, estos se miden por el beneficio mas alto asociado a los diferentes usos alternativos del insumo.

En Chile, principales precios sociales (Mideplan) Precio social del trabajo (mano de obra no calificada principalmente) Tasa de actualización social Tasa de cambio social Externalidades: Beneficios o costos que perciben o en que incurren agentes económicos diferentes a aquellos involucrados en el proyecto. Por lo tanto no son percibidos en la evaluación privada.

Transferencias: Recursos que se traspasan de un agente a otro, del tal forma que lo que gana uno es exactamente igual a lo que pierde el otro. Ejemplos: impuestos o subsidios En evaluación privada se incluyen; En evaluación social no se incluyen

ANALISIS DE BENEFICIO-COSTO (en general hablaremos de evaluación social; necesaria para decidir inversiones del sector público). Dos etapas: Identificar y valorizar todos los beneficios y costos (preferentemente en términos monetarios) Calcular índices de rentabilidad económica del proyecto Premisas Básicas: 1. Bienes y servicios producidos sólo tienen valor en la medida que exista una necesidad o demanda para los mismos.

2. El proyecto o cualquier porción o incremento separable del mismo, debe ser mas económico que cualquier otro medio potencial de lograr el mismo objetivo. 3. Beneficios > Costos Para el proyecto en su conjunto y para cualquier porción o incremento separable de éste. Tipos de Beneficios a) Directos Aumentos de producción Reducción de costos Aumentos de seguridad

Tienen que ser muy específicas atingentes al proyecto b) Indirectos o externalidades positivas Deben considerarse sólo aquellas que no ocurrirían en ausencia del proyecto. Tienen que ser muy específicas atingentes al proyecto Además, deben ser descontados aquellos beneficios que quedan impedidos por causa del proyecto. c) Públicos Tipos de costos Costos Directos: capital, operación, mantención y reemplazo.

Costos asociados Externalidades

Porciones o incrementos separables del proyecto deben ser mas económicos que cualquier medio alternativo de proveer el mismo objetivo: Se aplica estrictamente para alternativas que son sustitutivas; no necesariamente en alternativas que podrían convertirse en complementarias en el futuro. Definición de costo separable en proyectos de uso múltiple Costo separable  Costo específico

Medición de beneficios y costos: Deberían estimarse los valores monetarios de productos e insumos del proyecto, bajo condiciones futuras, sin y con el proyecto. Beneficios brutos atribuibles al proyecto = = Beneficios brutos con proyecto - Beneficios brutos sin proyecto Costos atribuibles al proyecto = = costos con proyecto - costos sin proyecto

Estimación de Beneficios: Proyección de producción y venta (rendimientos) y proyección de precios de venta Si a causa del proyecto, se estima habrá un cambio significativo en el precio de equilibrio:  considerar excedente del consumidor. Otras formas: precios hedónicos: estimar beneficios a través de los precios de bienes relacionados. Valuación contingente. encuestas orientadas a detectar la “disposición a pagar”.

Si no hay forma razonable de estimar beneficios, y existe una decisión tomada de llevar a cabo el proyecto (para satisfacer una necesidad indiscutible), es posible asumir que beneficios = menor costo alternativo de producir lo mismo.

Estimación de beneficios en proyectos de fines específicos Riego Aumentos de producción agropecuario por: riego de terrenos de secano (nuevo riego) mejorar la “seguridad de riego” para terrenos insuficientemente regados. Método tradicional de evaluación de beneficios: formular un plan de desarrollo agropecuario; proyectar rendimientos de los cultivos para ese plan y proyectar precios de los cultivos (método del presupuesto).

Dificultad en Chile: los proyectos de riego no se conciben para tener una seguridad de riego 100%. Se admite que el área de riego no recibe “dotación completa” todos los años.  La serie de beneficios anuales no son iguales año a año. Además el pleno desarrollo se alcanza luego de un período prolongado de años (5-15 años).

Otro método de evaluación (precios hedónicos) Diferencial de valor de la tierra “con riego” menos “sin riego”. Drenaje agrícola Aumentos de producción por el lecho de proporcionar adecuado drenaje a terrenos agrícolas. Evaluación de beneficios: análoga al caso del riego. Hay muchos proyectos de riego que al mismo tiempo necesitan drenaje. Proyectos combinados de riego y drenaje

Agua Potable: Proyecciones de demanda: se pueden hacer sobre la base de valores de la elasticidad del precio el agua demanda. Supongamos que en un rango de precios que interesa, puede asumirse E=cte. E>1 bien elástico E<1 bien inelástico E=0 bien perfectamente inelástico (recio no influye)

En agua potable el riego de jardines es la parte que da mas elasticidad al precio. Esta parte .... Con E=cte Si el uso actual del agua es Q1 el precio actual pb, entonces se tendrá la siguiente situación:

Control de Crecidas Efectos: Previene o disminuye las pérdidas de bienes y servicios a causa de desbordes de ríos o inundaciones. Posibilita aumentar la producción de bienes y servicios usando mas intensivamente las áreas (terrenos) protegidos. Eventualmente permite evitar pérdidas de vidas humanas.

Medidas Estructurales Defensas ribereñas de distintos tipos. Embalses de regulación (o control) de crecidas. Medidas No Estructurales Sistemas de alerta temprana. Zonificación del uso del suelo.

Figura muestra beneficio atribuible al proyecto (para cada probabilidad de excedencia de diseño) por concepto de daños económicos evitados. Proyecto diseñado podría considerar medidas estructurales y no estructurales. Hay que agregar beneficios por mayor producción de los terrenos protegidos (podría corresponder al mayor valor de venta de estos terrenos).

(efectos de las aguas lluvias que precipitan sobre el área urbana) Drenaje Urbano (efectos de las aguas lluvias que precipitan sobre el área urbana) Beneficios: reducción de daños generados por la acumulación y flujo de las aguas lluvias en i por las vías urbanas. Aumentos de costos del transporte urbano (mayor consumo de combustible; reparación de desperfectos causados por el agua acumulada; mayor costo por accidentes de tránsito, etc). Aumentos de costos par los peatones, causados por la acumulación y flujo del agua. Valoración del costo laboral por el tiempo perdido (atrasos y ausencias).

Daños a propiedades urbanas sometidas a inundaciones. Daños a la propiedad pública. En general los daños que se pueden evaluar son pequeños frente a los costos de los niveles de protección que en la práctica se adoptan. Lo anterior implica que implícitamente se le otorga un valor alto a incomodidades mas bien subjetivas que la población urbana experimenta. Normalmente los países se dan normas o estándares de producción para la solución de este tipo de problemas.

Estos estándares incluyen combinar sistemas de mitigación “in situ” de los caudales máximos de aguas lluvias en nuevas zonas urbanas, con sistemas de evacuación generales por: canaletas superficiales; colectores subterráneos; e incluso, evacuación control de las propias vías urbanas.

Drenaje de Carreteras Drenaje superficial (evita que el agua superficial se acumule sobre la carpeta de rodado) incluye sumideros; canaletas superficiales de evacuación; etc. Drenaje transversal: cruces de ríos y quebradas por alcantarillados y puentes. Drenaje subsuperficial: para eliminar la acumulación de agua en el suelo, sub-base y base de la carpeta de rodado. Al respecto existen normas o estándares según el tipo de carretera.