Doctorado en Ingeniería - Recursos Hidráulicos

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Estudios de sistemas kársticos en mármol – La Danta, Magdalena Medio Colombia, contribución a la geoconservación y el uso sostenible
(Universidad Nacional de Colombia, 2024) Uasapud Enríquez, Nathalia Vanessa; Weber, Marion; Calux, Allan; Uasapud, Nathalia [0000-0002-4854-4555]
El sistema kárstico de La Danta (SKLD) se encuentra desarrollando en mármol cuya geometría permite clasificarlo como un stripe karst. Esta morfología que corresponde a afloramientos alargados de mármol rodeados de esquisto causa que el comportamiento hidrológico del sistema sea principalmente alogénico produciendo un frente de kárstificación agresivo, que, aprovechando el contexto tectónico regional, da lugar a fenómenos fluviokársticos. Las cavernas son un fenómeno común en el SKLD, encontrándose hasta 9 cavidades de importancia de las cuales dos poseen cuerpos de agua en su interior, mientras que las otras corresponden a los remanentes fósiles del sistema cuya evolución se debe posiblemente a fenómenos erosión y de levantamiento. Este sistema se encuentra afectado por actividades antrópicas como la minería y el turismo, y aunque ya no se hace minería directamente sobre las cavidades, en el pasado llegó a destruir galerías completas de cavernas y abrigos rocosos. En cuanto al turismo, actualmente es la actividad más importante que se tiene el SKLD, pero que ha impactado negativamente a las tres cavidades principales del sistema, pues ha causado compactación de suelo, perdida de la belleza escénica y expolio de material arqueológico y espeleológico, además también se encontró que puede llegar afectar a muy corto plazo variables del microclima de las cavidades. Debido a esto, es necesario implementar planes de conservación y manejo desde el turismo, como de la minería para poder evitar, mitigar, corregir o compensar los impactos dejados por estas actividades y lograr así un manejo adecuado y conservación del sistema. (Tomado de la fuente)
Hydroclimatic complementarity between Colombia and Latin America. Application to the Energy Market
(Universidad Nacional de Colombia, 2024-06-18) Cantor Gomez, Diana Cristina; Ochoa Jaramillo, Andrés; Mesa Sánchez, Oscar; Cantor Gómez, Diana Cristina [0000-0003-1503-7642]
In this thesis, we delve into the analysis and quantification of hydroclimatic complementarity in Latin America, exploring how this complementarity can enhance the availability and reliability of renewable resources within individual countries and across those with existing or potential electrical integration. To achieve this objective, Chapter 1 introduces three novel metrics designed to quantify complementarity: the Total Variation Complementarity Index (ϕ), the Variance Complementarity Index (ϕ') and the Standard Deviation Complementarity Index (ϕs). The application of these indices is demonstrated through a theoretical framework and three practical case studies: a) examination of two first-order auto-regressive processes, b) analysis of wind and hydropower energy time series in Colombia at daily time resolution, c) evaluation of monthly water inflows to two hydropower reservoirs in Colombia exhibiting distinct hydrologic regimes, and d) assessment of monthly water inflows to the 15 largest hydropower reservoirs in Colombia. In Chapter 2, we employed the (ϕ) and (ϕ') indices to assess the complementarity of renewable energy resources in Colombia and to gauge the influence of the El Nino–Southern Oscillation phenomena (ENSO) on this complementarity. Furthermore, we quantified the potential complementarity among renewable resources and identified specific periods within the year exhibiting the highest degree of complementarity, introducing the term "short-term complementarity”. In Chapter 3, our focus shifts to quantifying the energy complementarity among renewable resources in Latin American countries. The goal is to identify countries where electricity integration could enhance market dynamics by leveraging hydroclimatic complementarities. Additionally, we examine the energy complementarity within each country. Understanding the complementarity among energy sources, relative to the installed capacity, provides valuable insights for optimizing energy dispatch strategies and refining the electricity expansion plans of each country. Finally in Chapter 4, leveraging the ϕ index, we conducted an assessment of energy complementarity across wind, solar, and hydro time series within zones of an electricity market similar to that of Colombia. The primary aim was to construct hypothetical generation scenarios that underscore the benefits of integrating complementarity among renewable resources into electricity markets. (Tomado de la fuente)
Degradation of pharmaceuticals from municipal wastewater effluents by ozone-based advanced oxidation processes
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-11-24) Prada Vásquez, María Angélica; Cardona Gallo, Santiago Alonso (Thesis advisor); Torres Palma, Ricardo Antonio; Prada Vásquez, María Angélica; 0000-0002-3814-3686; Prada Vásquez, María Angélica
Debido a la creciente preocupación sobre la liberación de contaminantes de preocupación emergente (CECs) en diferentes compartimentos de agua, la necesidad de métodos efectivos y sostenibles de tratamiento de agua se ha convertido en un tema significativo. Estos CECs, que incluyen varios compuestos activos farmacéuticos (PhACs), productos de cuidado personal y otros contaminantes, plantean desafíos a los procesos convencionales de tratamiento de agua. Como resultado, existe una creciente necesidad de implementar soluciones alternativas para abordar este problema apremiante y garantizar la protección de nuestros recursos hídricos. En este contexto, la aplicación de tecnologías avanzadas como los procesos de tratamiento de agua mediante ozonación ha surgido como un enfoque prometedor para abordar la eliminación de compuestos orgánicos recalcitrantes, especialmente PhACs y salvaguardar la calidad de nuestro fuentes de agua. La ozonación se destaca como una tecnología versátil y poderosa capaz de atacar directa y selectivamente compuestos orgánicos, especialmente bajo condiciones de pH ácido. Simultáneamente, bajo condiciones de pH alcalino, el ozono puede sufrir descomposición a través de un mecanismo de reacción en cadena y generar radicales hidroxilo (HO•) altamente reactivos y menos selectivos. A pesar de su alta efectividad como técnica de tratamiento de agua, la ozonación convencional enfrenta dos desventajas principales: la mineralización incompleta y, en consecuencia, acumulación de subproductos de reacción desconocidos, así como limitaciones en la transferencia de masa gas-líquido. Este trabajo de tesis de doctorado se enfoca en contribuir al conocimiento existente sobre los diferentes procesos avanzados de oxidación (AOPs) basados en ozono como estrategias para mejorar o intensificar el rendimiento químico del proceso de ozonación para la eliminación de PhACs. Además, tiene como objetivo ampliar el conocimiento sobre la evaluación del rendimiento de un contactor de membrana para la inyección de ozono como una estrategia potencial para intensificar la transferencia de masa ozono-líquido y su aplicación en la eliminación de PhACs en muestras de aguas residuales reales.
Physical processes influence on the dynamics of the main greenhouse gases in mountain tropical reservoirs
(Universidad Nacional de Colombia, 2023-07-13) Bohórquez Bedoya, Eliana; Lorke, Andreas; Gómez Giraldo, Andrés; León Hernández, Juan Gabriel; BOHÓRQUEZ BEDOYA, ELIANA; Bohórquez, Eliana [Eliana Bohórquez]; Bohórquez Bedoya, Eliana [0000000153189570]; Lorke, Andreas [0000-0001-5533-1817]; Gómez Giraldo, Andrés [0000-0001-7103-9429]; https://www.researchgate.net/profile/Eliana-Bohorquez; Bohórquez, Eliana [https://www.researchgate.net/profile/Eliana-Bohorquez]; Bohórquez, Eliana [56957160300]
Tropical reservoirs are recognized as globally important sources of greenhouse gases (GHG). Tropical mountainous areas of high hydroelectric development have been poorly studied. The objective of this study is to understand GHG dynamics in tropical mountain reservoirs. Data on seasonal and diurnal GHG dynamics were collected during six field campaigns in the Porce III reservoir in the Colombian Andes, where the importance of oxic CH4 production in the variability of dissolved gas at the surface, as well as the variation of water levels as an incident factor in GHG fluxes on a seasonal scale, was evidenced. CO2 flux at the reservoir water-atmosphere interface were monitored with a high-resolution technique over periods of several weeks, where the importance of primary productivity in the diurnal cycling of CO2 flux was inferred, showing alternation as sink-source, and pulses of synoptic-scale CO2 flux were observed as a consequence of the simultaneous occurrence of increases in surface concentrations and high wind speed. In laboratory experiments, a relationship was found between rain rate, turbulent kinetic energy dissipation rate and gas transfer rate, contributing to the modeling of this phenomenon with applicability in inland waters. In general, the results obtained contribute to the understanding of GHG dynamics in eutrophic tropical reservoirs.
Influencia de las propiedades hidrogeológicas y químicas del acuífero que subyace el relleno sanitario Navarro de la ciudad de Santiago de Cali, en la movilidad de los metales pesados
(Universidad Nacional de Colombia, 2022-11-09) Zapata Hoyos, Martin Andrés; Cardona Gallo, Santiago Alonso; Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos
Los lixiviados que se generan como subproducto de los procesos de descomposición y estabilización de los residuos sólidos urbanos confinados a la intemperie funcionan como medio de transporte de contaminantes hacia el suelo y las aguas subterráneas, impactándolos de manera significativa. Los metales pesados, hacen parte de los cuatro principales grupos de contaminantes que contienen los lixiviados, presentan como mayor característica que generan un alto riesgo de afectación a la salud humana, los ecosistemas hacia los cuales son naturalmente transportados y los receptores finales, debido a su alta toxicidad. Generalmente las concentraciones de metales pesados en los lixiviados de sistemas de disposición final de residuos sólidos urbanos son relativamente bajas, van desde microgramos por litro (µg/L) hasta algunos miligramos por litro (mg/L), considerando que las condiciones ambientales naturales de estos sistemas no favorecen la solubilización de cantidades mayores, sin embargo, son contaminantes de gran impacto. La presente investigación parte de la hipótesis que, en medios acuosos, como una pluma de lixiviados en un acuífero, estos contaminantes especian de diferentes formas, cada una con patrones diferentes de transporte, biodisponibilidad y toxicidad, además, sujetas a experimentar diferentes mecanismos de inmovilización o retardo, tanto en la zona vadosa como en la saturada, evitando que sus formas más tóxicas migren y alcancen receptores finales. Estos mecanismos son de tipo físico, químico y biológico, su eficiencia como proceso depende de las condiciones hidrogeológicas, mineralógicas e hidrogeoquímicas del sistema acuífero. El presente trabajo de investigación se enfoca en corroborar la anterior hipótesis en el estudio de caso del sistema acuífero contaminado que subyace el antiguo relleno sanitario Navarro de la ciudad de Santiago de Cali, Colombia, el cual en adelante se denominará DSFR Navarro. Para alcanzar el objetivo de la investigación, se evaluaron las condiciones hidrogeológicas e hidrogeoquímicas del acuífero, además de la clasificación y características físicas y mineralógicas de su fase sólida y de la capa que lo suprayace. Se levantó y procesó información primaria y secundaria; se realizaron análisis de laboratorio de los parámetros más significativos para la evaluación y caracterización de la fase líquida del acuífero y del lixiviado; se realizaron isotermas de adsorción para evaluar el potencial de la fase sólida del acuífero y la capa de suelo que lo suprayace para adsorber cadmio (Cd) y plomo (Pb) que fueron los metales pesados seleccionados para acometer la fase experimental de la investigación. Se corrió la solución analítica en una y tres dimensiones de la ecuación que representa el transporte de especies metálicas disueltas para evaluar la variación espaciotemporal de los metales en la pluma contaminante. La hipótesis se corrobora a partir de los resultados obtenidos en la fase experimental y la solución analítica de la ecuación de transporte. Se elaboró el modelo conceptual del sistema contaminado y la descripción y análisis del desarrollo del sitio como sistema de disposición final de residuos sólidos urbanos y fuente de contaminación. Se encontró que las características físicas y mineralógicas del material granular del acuífero y la capa que suprayace, favorecen el fenómeno de inmovilización de los contaminantes en estudio. (Texto tomado de la fuente)
Coupling sediment supply from hillslope hydrology and fluvial morphodynamics at tropical mountain basins
(Universidad Nacional de Colombia, 2022) Cataño Álvarez, Santiago; Vélez Upegui, Jaime Ignacio
Mountain basins are open dynamic systems which organize at multiple scales to transform hillslope sediment supply to fluvial sediment transport. In a given river reach, its form and sediment regime depend on basin processes and are contingent to geomorphic history. Lack of such information makes modelling the way to estimate this spatiotemporal context. However, there is a gap of combining spatiotemporal variability of hydrology and landslides sediment supply with its effect: the feedback between channel form and sediment transport. Hillslope and fluvial modules of a new model called Fluvial Hydro- Geomorphology Model (FHGM) are produced which, in hollows and river reaches that are deformable, encapsulates complexity via parameterization or random forcing. FHGM solves responses to every major rain event, and accumulate them in decadal timescale, to include occurrence of channel forming floods as well as landslides with varied sizes and source zones. FHGM landslides module reproduces power law spatial distribution of landslide volumes, as well as magnitud and frecuency of sediment supply. FHGM fluvial module, calibrated with a new gravel flume experiment, reproduces a broad range of morphologic conditions, from incised to clogged, and produces mean bankfull capacity consistent to mean maximum annual flood and with empirical dimensionless hydraulic geometry patterns for channel depth and width. This work shows how mountain basins organize to minimize the duration of formative events, by editing channels capacity and deforming sediment storages to recover stability and structure; a resilience akin to living beings.
Spatio-temporal variability of the Atmospheric Boundary Layer in the Aburrá Valley: characterization, processes, multiscale interactions and impacts
(Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín, 2021-08-23) Herrera Mejía, Laura; Hoyos Ortiz, Carlos David; Rotach, Mathias
Boundary-Layer Meteorology refers to the theoretical, numerical, and experimental framework that focuses on studying the interactions between the earth's surface and the lower troposphere. These interactions are crucial for several applications in various temporal and spatial scales. A better understanding of these interactions implies studying the structure and variability of the Atmospheric Boundary-Layer as a result of processes that are better described in the realm of a combination of fluid dynamics and thermodynamics. By definition, the ABL is turbulent, which means that the processes of mixing and exchange of energy, momentum, and scalars from the Surface Layer to the rest of the atmosphere depend on turbulence, both thermal and mechanic. In this sense, the small-scale physical processes depicted by the different terms in Turbulent Kinetic Energy budget equation modulate the characteristics of large-scale phenomena. One of the main challenges in studying the ABL dynamics is the high heterogeneity of the underlying forcing imposed by the earth's surface. Ranging from abrupt changes in orography to a wide variety of land uses and roughness elements, complex terrain is the rule rather than the exception, especially when dealing with processes involving anthropogenic modified environments. Nevertheless, most of our understanding of turbulence in the ABL is based on an idealized picture of real-life scenarios, e.g., horizontally homogeneous and flat terrains, implying that most of the exchange is vertical, and horizontal contributions are small and negligible. The main goal of this work is to identify and gain insight into the main processes between the synoptic- and micro-scale ends of the spectrum of atmospheric motions (including their cross-scale interactions) that modulate the ABL structure and dynamics over a complex and highly urbanized low-latitude valley. The Aburrá Valley is located in the Colombian Andes. The work follows an experimental approach, using multiple data sources, in order to evaluate the potential contribution of these phenomena on the boundary-layer variability in the study area. The intention is to shed some light on open questions regarding boundary-layer characteristics and some of their environmental implications over such complex terrain. The structure of this document was decided considering that, once in final form, Chapters 3, 4 and 5 will be submitted to be considered for publication in peer reviewed journals (Chapter 2 is already published). For this reason, this thesis includes four main self-contained chapters (Chapters 2 to 5) with the results of the evaluation of the boundary-layer dynamics in a highly complex terrain at different spatio-temporal scales and some of the interactions between them.
Evaluación del efecto o relación entre algunas coberturas vegetales y usos de la tierra del contexto rural andino colombiano y el régimen de caudales mínimos y medios a escala de microcuenca
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-09-16) Garzón Sánchez, Henry; Vélez Upegui, Jaime Ignacio; Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos
El comportamiento espacio temporal de la precipitación, evapotranspiración, humedad del suelo y caudal que explican la respuesta hidrológica, objetivo central de esta investigación, se conoce poco a nivel de microcuencas. Se establecieron 6 microcuencas experimentales: Santa Lucia1-SL1 en bosque, Santa Lucia2-SL2 en pasto, Mojarra-MOJ en mixtocafé, en Cay, cuenca río Combeima, Tolima, y Faro-FO en bosque, Cristo ReyCR en pasto y Farito-FTO en mixtocafé en Cabuyal, cuenca río Cali, Valle del Cauca. Valores ligeramente mayores de Humedad Volumétrica del Suelo-HVS, se presentaron en SL2 - 64%, seguido por SL1 - 62.5% y MOJ- 60.5%; valores mayores en FO – 58.5%, CR – 54.5% y similares en FTO – 54.3%. El Indice de Humedad Topográfico-IWT en FO, CR y FTO fluctuó entre 2.0 y 4.0 con pocos valores cercanos a 5.0 y entre 4.0 y 7.0 en SL1, SL2 y MOJ. El caudal medio diario observado fue mayor en SL1, seguido por SL2 y menor en MOJ. Los caudales mínimos fueron mayores en SL1, seguidos en SL2 y menores en MOJ; mientras en FO fueron mayores comparados con CR y menores en FTO. Por permancer el suelo con un contenido alto de humedad la mayor parte del año, siempre se tiene suficiente volumen de humedad que alimenta flujos subsuperficilaes y mínimos que garantizan la permanencia de estos como lo indicaron valores mas altos tanto de los Indices de Retención y Regulación Hidrica-IRH y Flujo Base-IFB en bosque y mixtocafé. (Tomado de la fuente)
Dinámica de sistemas socio-ecológicos en cuencas hidrográficas de media montaña, Colombia
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-07-30) Berrio Giraldo, Linda Ivette; Villegas Palacio, Clara Inés; Arango Aramburo, Santiago
El mundo tiene la urgencia de implementar estrategias que permitan la gestión integrada y sostenible de los ecosistemas terrestres, considerando la transformación acelerada y el deterioro de los sistemas ecológicos por la acción antropogénica, además de la variabilidad de los procesos naturales y los efectos del cambio climático. Los cambios de cobertura y uso del suelo siguen siendo uno de los motores de cambio más importantes de los sistemas socio-ecológicos (SSE) en todo el mundo. Una gestión inadecuada del suelo puede socavar la prestación futura de los servicios ecosistémicos, por lo tanto, es importante un apropiado diseño de políticas de gestión del territorio. Para lograr buenas políticas se requiere un entendimiento de los SSE a través de la comprensión de los sistemas naturales y sociales y sus interacciones. El uso de modelos de simulación proporciona una metodología para una comprensión profunda de los procesos ambientales. Los modelos además la generación de alertas tempranas, el análisis de escenarios y la evaluación de políticas sobre posibles desafíos futuros. La modelación de sistemas complejos, en particular los SSE, es motivada por una amplia gama de preguntas, y así los modelos de simulación de sistemas socio-ecológicos existentes difieren en alcance, propósito y estructura. En el área de investigación de simulación de SSE existen retos que pueden ser abordados para obtener herramientas confiables que permitan comprender el funcionamiento de los mismos, analizar cómo ha sido su trayectoria, diagnosticar el estado actual y desarrollar una evaluación exante de diferentes políticas y estrategias a ser implementadas. Uno de los retos significativos reportados por la literatura es la consideración de las interacciones en doble vía entre los sistemas sociales y naturales para su modelación, conformando ciclos de realimentación. Esta tesis desarrolla un modelo en dinámica de sistemas para comprender la dinámica de transición de cobertura y uso del suelo de la cuenca de Río Grande, ubicado en los Andes colombianos, y su incidencia en la provisión de los servicios ecosistémicos de cantidad de agua superficial y control de la erosión. Este modelo incluye las interacciones humano-naturaleza de forma integrada y las relaciones en doble vía que resultan de las interacciones entre el sistema social y natural para un caso particular. Para desarrollar el modelo, se consideraron los pasos para la modelación de sistemas complejos, los enfoques de modelación que se han usado en la literatura y los criterios que son importantes en el momento de la selección del enfoque de modelación. Este modelo incluye un indicador de sostenibilidad como contribución a la evaluación de sostenibilidad de SSE. Las pruebas de verificación y validación del modelo mostraron resultados satisfactorios y robustos que apoyan la utilidad del modelo para analizar la sostenibilidad de este SSE. El modelo permite la integración de los sistemas natural, económico y socio-cultural ya que involucra variables claves de cada uno de éstos. Se hace uso del modelo para analizar el efecto que tienen diferentes políticas ante diferentes escenarios de cambio climático y del contexto. Los escenarios analizados están estrechamente relacionados con la situación actual de la región. La validación del modelo incluyó tanto su estructura como su capacidad de replicar el comportamiento histórico para el periodo comprendido entre 1986-2015, para luego analizar escenarios hacia el 2040. En este trabajo se encontró que la sostenibilidad de la cuenca es susceptible a todos los escenarios que se evaluaron, algunos generando mayor efecto que otros. De igual forma se encontró que, una combinación de política de restricciones con cualquier tipo de política que otorgue algún incentivo de conservación permite mejorar la sostenibilidad del SSE ya que se garantizan la provisión de servicios ecosistémicos (regulación hídrica y control de la erosión), pero a su vez los ingresos económicos que se generan por los incentivos influyen positivamente en las contribuciones del capital económico para la región. Además, se evalúan las diferencias en la modelación de SSE cuando se consideran y cuando no las interacciones en doble vía. Para esto, se generaron dos modelos adicionales a partir del modelo propuesto inicialmente. En uno de los modelos, el sistema social se encuentra restringido por una salida del sistema natural y, en el otro modelo, el sistema natural está sujeto a perturbaciones del sistema social. Los resultados fueron comparados de acuerdo con diferentes variables de salidas como coberturas, erosión, disponibilidad de agua y beneficios netos de actividades económicas. Se encontraron diferencias cuando se comparan los resultados de los tres modelos. Los resultados indican que las trayectorias de las variables de salida del modelo cambian de acuerdo a la conceptualización del SSE y de la consideración de mecanismos de realimentación o las interacciones en doble vía entre el subsistema social y natural. (Tomado de la fuente)
Land atmosphere interactions in Tropical South America and Colombia at multiple timescales
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-09-15) Bedoya Soto, Juan Mauricio; Poveda Jaramillo, Germán; Trenberth, Kevin; Vélez, Jorge Julián; Sauchyn, David; Aristizabal, Edier; Carmona, Alejandra; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín
In this thesis, we have studied diverse land-atmosphere interactions (LAI) in Tropical South America (TropSA) and Colombia at several timescales. First, we evaluated the specific role of LAI during the 2009-2011 extreme ENSO phases at continental scale. In particular, we developed a simplified model of LAI on TropSA using graph theory based on linear and non-linear metrics at interannual timescales. Over a specific region of the Central Andes of Colombia (CAC), we explored the seasonal variability of the diurnal cycle of rainfall. A moisture recycling model was implemented to provide evidence supporting the key role of LAI in this variability. The results of the thesis indicate that the strength of land-atmosphere processes in TropSA is influenced by ENSO and depends on the availability of water and energy in soil layers. Soil moisture plays a relevant role at the interannual scale in the coupling between temperature and rainfall through ENSO in this region. The structural model of links developed under the influence of ENSO establishes that surface temperature is a key variable in diagnosing the dynamics of the LAI in TropSA. On shorter space scales, moisture recycling contributes to the understanding of the seasonal dynamics of moisture sources explaining the shifting phase of the diurnal cycle of rainfall through the year over the CAC. The thesis highlights the active role of LAI in the hydroclimatic dynamics of the explored spatiotemporal contexts and the importance to continue improving our understanding of these mechanisms. (Tomado de la fuente)
New insights from satellite gravimetry and thermal modelling on the oceanic lithospheric structure: the Caribbean plate as a case study
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-04-27) Gómez García, Ángela María; Monsalve Mejía, Gaspar; Bernal Franco, Gladys Rocío; OCEANICOS Grupo de Oceanografía e Ingeniería Costera de la Universidad Nacional
A refined understanding of the lithospheric configuration may greatly improve the accuracy of geohazard assessments. However, it is challenging to reach such comprehension where data coverage is limited, such as the oceanic lithosphere, one of the least well-known features on the outer solid Earth. In the ocean, classic techniques for direct data acquisition provide the most accurate results, but they require expensive and time-consuming campaigns, which can only typically cover relatively small areas. Nowadays, satellite missions have greatly improved the measurements of potential fields with global coverage, including the Vertical Gravity Gradients and the more commonly used gravity anomalies. Combined datasets of satellite gravimetry, altimetry and terrestrial measurements can be used to develop and test 3D lithospheric-scale models, with high spatial resolution and homogeneous coverage. In this thesis, 3D data-integrative and gravity-validated models of the Caribbean oceanic domain and northwestern South American plate are used to demonstrate that, despite scarce direct data, new insights regarding the lithospheric density and thermal configuration are possible. These models may contribute to more reliable geohazard studies. First, a new methodology is proposed for identifying tectonic boundaries, based on global-coverage Vertical Gravity Gradients. It can be applied in other tectonic settings worldwide because it relies on publicly available datasets. With this method, previously debated tectonic or terrain boundaries in the Caribbean oceanic realm are confirmed, and new ones are proposed. The most remarkable boundaries include: the limit between the North and South American plates, in the Lesser Antilles subduction; the most feasible boundary between the Colombian and Venezuelan basins, in the Beata Ridge area; the boundary between two crustal domains in the Grenada Basin; as well as the continent-ocean transition along the continental margins of the Caribbean plate. Additionally, widespread high and low density bodies in the Lesser and Leeward Antilles forearcs, and an anomalous low density body in the North Lesser Antilles subduction are recognised for the first time. Next, a 3D lithospheric-scale density model validated with gravity anomalies is presented for the South Caribbean and the northwestern South American plate. In this region, the Nazca and Caribbean flat-slabs interact beneath the South American continent. A slab geometry was integrated in the model after carrying out a sensitivity analysis to different mantle density configurations. In the calculated density distribution, fossil plume material is recognised, currently preserved within the Caribbean oceanic upper mantle. This preserved plume had never been identified before. Using this gravity-validated model, the 3D steady-state lithospheric thermal field is calculated, for the first time, for the study area, and its implications for lithospheric strength and geohazards are discussed. Given the prescribed model configuration, the lithosphere in the Andean orogen results to be weaker than the surroundings, and is therefore, prone to further deformation. The temperatures at which earthquakes nucleate are analysed, although limitations due to the steady-state assumption used for a flat-slab subduction system are recognised. The results suggest that a seismic gap is present between ∼35 and ∼39 km depth, with modelled temperatures ranging between ∼520° and 600°C, that can be associated with the transition in lithologies within the lithosphere (from continental crust to upper mantle), but additionally, it can also be related with the beginning of the seismogenic window of olivine, at 600°C. Additionally, potential gas hydrate stability zones in the marine sediments are delineated, thus highlighting areas where hydrates destabilisation may potentially trigger submarine landslides and tsunamis.
Synchronization and interdependence between the cycles of Colombia's hydroclimatology and El Niño-Southern Oscillation
(Universidad Nacional de Colombia, 2020-08-28) Salas Parra, Hernán Darío; Poveda Jaramillo, Germán; Mesa Sánchez, Óscar José; Posgrado en Aprovechamiento de recursos hidráulicos
Hydroclimatology of Colombia is highly inﬂuenced by El Niño - Southern Oscillation (ENSO), which conditions the hydrological response over Colombia, increasing (decreasing) rainfall and streamﬂows during La Niña (El Niño) depending on the location in the country. This dissertation presents an approach based on synchronization techniques to study the interdependence between ENSO and hydrological variables in Colombia. To that end, we use synchronization techniques such as Phase synchronization (PS) that is based on the physical properties of weakly coupled periodic oscillators, and Generalized Synchronization (GS) that is based on properties of recurrence of non-linear dynamical systems. Furthermore, we quantify interannual hydroclimatic anomalies (HyAns) using diverse methods to evaluate the sensitivity of linear and non-linear interdependence quantiﬁers. Our main ﬁndings reveal that: (1) we need of quantifying the uncertainty of HyAns in terms of magnitude, sign, timing, and phases of ENSO, because HyAns methods induce an important error source and bias on the interdependence analysis and modeling of climate time series; (2) We ﬁnd that the positive (negative) HyAns experienced in the Paciﬁc, the Caribbean and the Andean regions of Colombia, during La Niña (El Niño), are phase-locked with the ENSO. Moreover, we provide evidence that the ENSO signal is phase-locked with the annual cycle of rainfall in some regions of Colombia. Furthermore, other macro-climatic processes also show significant PS such as the Paciﬁc Decadal Oscillation (PDO) and the North Atlantic Oscillation (NAO); (3) The Caribbean, the CHOCO, and the Orinoco Low-Level Jets (LLJs), and the Cross-Equatorial Flow (CEF) constitute an interdependence mechanism and contribute to explaining hydrological anomalies in Colombia during the phases of ENSO. During La Niña (El Niño), GS is strong (weak) for the Caribbean and the CHOCO LLJs whereas GS is moderate (strong) for the Orinoco LLJ. Moreover, moisture advection by the Caribbean and CHOCO LLJs exhibit synchrony with HyAns at 0 to 2 (2 to 4) month-lags over north-western Colombia and the Orinoco LLJ moisture advection synchronizes with HyAns at similar month-lags over the Amazon region of Colombia. This work provides new evidence on the non-linear interactions between hydro-climatic processes in Colombia and ENSO, and constitute an unexplored approach to the understanding of climatic anomalies in tropical South America.
Soil moisture dynamics in water- and energy-limited ecosystems. Application to slope stability
(2019-09-04) Muñoz Hoyos, Estefanía; Ochoa Jaramillo, Andrés (Thesis advisor)
I investigate the daily dynamics of the soil-water-climate system in water- and energy-limited environments. I analyze the stochastic component of radiation at the Earth's surface in the photosynthetically active spectral band in 28 sites located around the world and propose a clear-sky based methodology to model it. In order to study the e_ect of stochastic radiation on soil moisture and evapotranspiration, we use the proposed radiation model and the ecohydrological model of Rodr__guez-Iturbe et al. I introduce a semi-analytical equation to analyze the dynamics of evapotranspiration as a function of stochastic rainfall and radiation. With climatic and physiological measurements from the FLUXNET dataset, and taking into account the coupling of water and CO2 uxes through the leaf plant, I parameterize the link of transpiration and available energy, which is used to extend the ecohydrological model to energy-limited ecosystems. Finally, I carry out an application to landslides triggered by rainfall, relating the factor of safety of a slope to soil moisture, and examine the widely used threshold rainfall approach to estimate the landslides occurrence.
Modelo cinético para la degradación de contaminantes emergentes (antibióticos) presentes en un agua residual, bajo un sistema de tratamiento secuencial vermifiltración –tecnologías de oxidación avanzada
(2019-09-04) Agudelo, Edison Alexander
En este estudio, se construyó un modelo cinético que permite modelar y/o simular el nivel de remoción de un contaminante emergente, el antibiótico beta lactámico (Meropenem). El sistema utilizado fue una combinación de un sistema biológico (Vermifiltración) y un sistema de oxidación avanzada basado en ozono-carbón activado. Dicho modelo, se validó en un sistema a escala piloto, con agua residual hospitalaria sintética, de características similares a las de un agua residual de hospital de alto nivel de complejidad de la ciudad de Medellín. Se obtuvo la eliminación total del antibiótico y una reducción del 90% de la DQO inicial en el sistema. La toxicidad aguda del agua disminuyó el 100%, hasta hacerse inocua para los microorganismos prueba (E. coli y StapHylococcus aureus). Se presentó la propuesta de un índice de oxidación, que permitió encontrar una relación funcional entre las variables de proceso y la eficiencia de remoción del antibiótico Meropenem. Los resultados de esta investigación, mostraron una interrelación y sinergia con la combinación de ambas tecnologías, y su utilización conjunta con un seudocatalizador (cemento Portland), que mejoró la eficiencia en la producción de radicales hidroxilo con respecto a otras tecnologías basadas en ozono. Esto se demostró con la oxidación de un compuesto prueba como lo es el ácido paraclorobenzoico. La combinación de cemento Portland (en pasta), más carbón activado en polvo y ozono (ozonación catalítica alcalina) permite una mayor generación de radicales hidroxilos y una mayor degradación de la materia orgánica e inorgánica oxidable representada como DQO, de un agua residual sintética
Procesos de interacción océano-atmósfera en la zona de surgencias de la Guajira a diferentes escalas temporales
(2018) Montoya Sánchez, Raúl Andrés
La dinámica de la surgencia en la costa de La Guajira, Caribe colombiano ha sido analizada a partir de bases de datos atmosféricas y oceánicas de alta resolución espacial y temporal. De manera inicial se realizó la caracterización de la celda de circulación atmosférica identificada en el mar Caribe y su variación dentro del ciclo anual. El viento de bajo nivel del Caribe (CLLJ), que es parte de la celda 3D varía estacionalmente en su intensidad y ubicación media, siendo más intenso en la época seca principal (diciembre a marzo) y durante el Veranillo (julio) y se debilita en la época de lluvias (septiembre a noviembre). También se analizaron las anomalías interanuales del CLLJ las cuales se relacionaron con los eventos El Niño Oscilación Sur (ENOS) y las perturbaciones atmosféricas de corta duración asociadas con frentes fríos (Nortes), tormentas tropicales y frentes cálidos provenientes del Pacífico ecuatorial oriental, las cuales pueden ocasionar un cambio en la dirección del viento zonal por los días que dura el evento sinóptico. La respuesta oceánica al forzamiento del viento en la región costera de La Guajira fue evaluada mediante la estimación de índices tradicionales (Bakun) que se basan en el transporte de Ekman hacia mar afuera impulsado por el viento CLLJ que es favorable a la surgencia, así como índices oceánicos tales como las diferencias de temperatura superficial del mar (TSM) entre la costa y mar abierto y la profundidad de la isoterma de 25°C. Se evidenció que en la época seca de fuertes vientos la surgencia es intensa, se forma un marcado frente termal y la isoterma de 25°C se ubica en la capa de mezcla. En la época de lluvias el viento es favorable a la surgencia pero la capa superior del océano no responde al forzamiento del viento, el cual no tiene la suficiente intensidad y duración (impulso insuficiente) para elevar las isotermas más profundas a la superficie. En este periodo la dinámica de Ekman se debilita y flujos geostróficos favorecen el ingreso de flujos de menor densidad desde la cuenca Panamá-Colombia hacia la costa de La Guajira, inhibiendo aún más el ascenso de aguas frías y la cesación de la surgencia. A escalas intraestacionales se evidenció que los vientos anómalos dan lugar la interrupción de las surgencia por los días que dura la perturbación atmosférica y en algunas ocasiones estos vientos favorecen el hundimiento de la capa superficial por convergencia del agua superficial hacia la costa. Interanualmente, la surgencia presentó anomalías durante la época las cuales fueron relacionadas con los eventos ENOS. El balance de calor en esta región responde principalmente a los flujos radiativos dados en esta zona y al efecto de las corrientes oceánicas. El balance de sal está dado por los flujos advectivos con menor influencia por los flujos atmosféricos (evaporación y precipitación). Estos flujos están siendo modulados interanualmente por la ocurrencia de eventos ENOS. Finalmente, se evaluó la tendencia de largo plazo de la actividad de la surgencia en La Guajira, a partir de numerosas bases de datos de viento y TSM. Con respecto a la tendencia de los vientos favorables a la surgencia, los resultados son variables y dependen de la base de datos analizada. Algunas fuentes de información indican que se están intensificando, lo cual causa un incremento del transporte de Ekman (tendencia positiva del índice de Bakun) y del bombeo de Ekman en la costa. Sin embargo, el índice de surgencias a partir de la TSM es negativo, indicando que el gradiente de TSM costa vs. océano ha cambiado las últimas décadas, y las aguas costeras cada vez son menos frías que las aguas oceánicas, debido al calentamiento desigual observado. La tendencia de la profundidad de la isoterma de 25°C, así como la tendencia de la profundidad de la capa de mezcla y el contenido de calor oceánico superficial indican que el calentamiento no solo es superficial, sino que afecta la capa superior del océano. Se concluye que el sistema de surgencias de La Guajira está presentando un calentamiento de toda la capa superficial
Evaluation of existing relations between convective systems and extreme events in tropical catchments of the Andean region
(2017-03-10) Velásquez Girón, Nicolás; Hoyos Ortíz, Carlos David; Vélez Upegui, Jaime Ignacio; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín; Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos
In hydrology, there are several sources of uncertainty, one of them is associated with the rainfall. And, understand it may help in aspects such as risk management. Despite this, there is a lack of efforts to understand it. The current work explores the link between rainfall features and hydrological processes in a tropical environment. For this, we use radar, point data, and hydrological modeling. First, we explore the influence of rainfall variations on hydrological simulations. Then its impact on the basin behavior regarding subsurface flow. Also, we examine the link with convective systems. And under the scoop of the rainfall, we present a flash flood case that resumes ours work. Results suggest that watersheds and models are sensitive to the rainfall structure. Involving changes in the subsurface flow behavior and model performance. However, we need further work to clarify the role in the hydrology of the rainfall and its structure.
Looking for a physical basis of rainfall multifractality
(2019-12-18) Peñanaranda Vélez, Victor Manuel; Mesa Sánchez, Óscar José; Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín; Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos
The study of rainfall arises from the necessity for knowing large and short-term climatic dynamics, as well as their affectations in the context of engineering practices. This research focus on the study of tropical rainfall and it was guided toward the conceptual exploration of the physical mechanism that explains how the multifractal scaling properties emerges in the rainfall field. On the basis of space-time rainfall records and model outputs analysis, it was possible to collect evidence that confirm rainfall multifractality exists and such a statistical property can be also identified in physically-based model outputs. The conceptual exploration that was developed in this research based on either classic--physics conservation principles or modern theories related to the study of the well-known critical phenomena. Among the findings, multifractality is understood as an essential reflection of the atmospheric instability by convection processes. Either instabilities or their resulting multifractality are sub-products of a diffusive mechanism which takes effect in the atmosphere. Under particular conditions of the dynamical system representing the convection processes, diffusion-driven instabilities give rise to the concentration of spatial structures in the rainfall field, and the organization of such structures is described by multifractality. Although open questions remain about the physics of rainfall multifractality, this work sets up a path for building a general theory and to promote innovative engineering design tools.
Adoption of deep ocean water technologies and their contribution to sustainable development in the Caribbean
(2018-12-10) Arias Gaviria, Jessica; Osorio Arias, Andres Fernando (Thesis advisor)
The world has today the urge of mitigating climate change and reducing fossil fuels dependence. This urge has led to an accelerated –yet insufficient– increase in the global renewable energy capacity, with a large deployment of solar and wind energy in recent years. The ocean has the potential to provide energy for the entire planet; still, marine technologies such as tidal, wave, thermal gradient, and salinity gradient energy have a minor share in the energy mix, given that most of these are in preliminary stages of development. Of particular interest, ocean thermal energy conversion (OTEC) and other deep ocean water (DOW) uses and technologies are arising as a suitable option for tropical islands. There are gaps that should be filled in order to make DOW technologies competitive with both conventional and other renewable alternatives, such as evaluation of practical potential, identification of main barriers, and design of policy incentives for supporting technology development. While solar and wind energy have the lead on cost, DOW technologies have the potential to compete with the added value that can provide, especially for insular areas and Small Island Developing States. This thesis contributes to such gaps by evaluating the potential of deep ocean water technologies (DOW) in the Caribbean, and the benefits that these can provide to achieve sustainable development goals. DOW is a renewable resource that, under the right extraction conditions, could contribute to sustainable development in the Caribbean. DOW could provide electricity through an OTEC plant, cooling services through a seawater air conditioning (SWAC) district, fresh water by integrating desalination and OTEC, and nutrients for seawater greenhouses, aquaculture, and nutrient-based business such as pharmaceutical and cosmetic industries. As a first contribution, this thesis presents a detailed revision of DOW technologies status and proposes their integration in an ocean science and technology Ecopark, as an integral solution to some of the Caribbean’s challenges. Second, this thesis contributes to ocean energy gaps by proposing and applying a methodology for estimating the practical potential of DOW, as the maximum water flows that can be extracted from –and returned to– the ocean considering geographical, technical, and environmental constraints (in ocean currents, temperature, and salinity based in historic behavior). The application of the methodology five cities in the Caribbean allowed estimating a resource availability index that contributes to the understanding of reliability of ocean energy. Additionally, results suggest that DOW can supply 100% of today’s air conditioning demand and 60% of the electricity demand in each evaluated city. Finally, in this thesis, I developed a system dynamics simulation model to understanding the adoption process of SWAC in the Caribbean, identifying the main barriers, and testing different policy incentives for promoting its adoption. The main barriers identified were the lack of knowledge and low acceptance of the technology, the uncertainty about environmental impacts, and the lack of regulation regarding renewable energy and energy efficiency in the Caribbean. Simulation results show that the most effective policy incentive is to support the construction of pilot projects and adopt regional policies through cooperation between different islands.
Modelo de sorción para la remoción de cobre y plomo de lixiviados de rellenos sanitarios
(2019-01) Carvajal -Flórez, Elizabeth; Cardona Gallo, Santiago
El siguiente documento presenta un modelo semifísico de base fenomenológica (MSBF) para la sorción de cobre y plomo de lixiviados de rellenos sanitarios con pulpa de café como material adsorbente. Del mismo modo, coma se muestran los resultados del componente experimental en el que se desarrollaron ensayos en lotes y en columna con los metales en solución individual y en mezcla, determinando las capacidades de adsorción y las eficiencias de remoción, con el fin de establecer comparaciones del comportamiento real con las predicciones del modelo. Inicialmente la pulpa de café fue modificada química y térmicamente para mejorar sus condiciones físicas y químicas. Fue caracterizada antes y después de su modificación en cuanto a su punto de carga cero, área superficial, identificación y cuantificación de grupos funcionales, análisis elemental y morfológico, así como en su contenido de lignina, celulosa y hemicelulosa. Los lixiviados fueron tomados del relleno sanitario Neil Road, de la ciudad de Chico, Norte de California, USA. Posterior a su caracterización fisicoquímica, fue necesario adicionarles estándares de plomo y cobre hasta alcanzar las concentraciones previstas en el estudio, debido a que en condiciones normales sus concentraciones fueron muy bajas. Se desarrolló un diseño experimental a través del método de superficies de respuesta, encontrando que los valores óptimos de las variables para soluciones individuales fueron pH de 4 para el cobre y de 3,3 para el plomo, concentración inicial de 2ppm y 1,5ppm para el cobre y plomo, respectivamente. Para soluciones en mezcla el valor del pH fue de 6,5 y concentración inicial para cada uno de los metales de 1ppm. El tiempo de contacto no fue una variable estadísticamente significativa, no obstante, con el fin de fijar un valor para la realización de ensayos en lotes y en columnas, se tomó como valor óptimo 12 horas para la solución con mezcla de metales, 9 horas para el plomo y 15 horas para el cobre. En cuanto al componente experimental, las cinéticas de adsorción para ambos metales evidenciaron que no es posible tipificar un orden de reacción para cada ensayo propuesto, motivo por el cual se analizaron por tramos o etapas. La mayoría de cinéticas corresponden a una reacción de segundo orden en cada uno de los tramos estudiados, lo que indica que los metales desaparecieron a una tasa proporcional al cuadrado de sus concentraciones. En los ensayos en lotes de manera individual, el modelo de Freundlich presenta el mejor ajuste a los datos experimentales del Cu y Pb para las mayoría de las dosis usadas. Para ensayos con mezcla de metales, el mejor ajuste corresponde al modelo de Freundlich multicomponente. Las capacidades de adsorción en continuo en soluciones individuales son mayores que cuando se encuentran en mezcla, lo cual podría obedecer a que, en el último caso al contar con presencia simultánea de metales, se presenta competencia de ambos por ser retenidos en los sitios activos del lecho. Finalmente, se encontró que el MSBF reproduce de manera aceptable los datos experimentales de las soluciones individuales y en menor proporción las soluciones en mezcla. Se presenta un mejor ajuste respecto de propuestas teóricas de coeficientes en el caso del cobre, debido a que el coeficiente de transferencia de masa no requirió un factor de corrección, contrario a lo sucedido con el plomo. Pese a lo anterior, se puede mencionar que el modelo presenta incertidumbre debido a que en su formulación matemática sólo se incluyó el mecanismo de transferencia de masa relacionado con el gradiente de concentración, y no se consideraron factores de interacción entre los metales, efectos internos o externos del proceso, así como otras características físicas o químicas de los metales, puesto que no se cuentan con expresiones matemáticas para poder incluirlas y mejorar la predicción del modelo.
Spatial and temporal characterization of Colombia's hydroclimatology
(2018-11) Rojo Hernández, Julián David
Abstract: En la presente tesis se estudia la variabilidad espacio-temporal de la hidroclimatologia de Colombia. Utilizando los preceptos de la circulación inducida por una fuente de Calor diabática propuesta por Matsuno – Webster- Gill. Se demuestra que la circulación general de la atmósfera al norte de América del sur es inducida por una fuerte fuente de calor diabático ubicada al occidente de Colombia por lo que en bajos niveles de la atmósfera existen dos ciclones al oeste de la fuente de calor asociado a media onda planetaria localizada al oeste de la fuente de calor diabática responsable de los fuertes vientos del oeste. Al este de la fuente de calor existe una celda de Walker responsable de los vientos del este en respuesta a una onda Kelvin. El marco físico propuesto explica las principales características de la distribución espacio-temporal de la precipitación en Colombia, incluyendo las épocas secas y húmedas además de la condición de veranillo desde la escala diaria hasta la escala inter- anual. Utilizando los modelos ocultos de Markov se evidencian los cambios en la distribución espacial y la frecuencia de la precipitación sobre Colombia y su relación con la Oscilación de Madden Julian, El Niño- Oscilación del Sur (ENSO) y el cambio Climático.

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