INTRODUCCION

Los estudios en cuencaB hidrográfica con propóBito

múltiple han Bido preocupación de innumerables

inveBtigadores, aunando eBfuerzoB para reBolver grandeB

interroganteB Bobre laB diferenteB relacioneB que se

preBentan dentro de eBtoB ecoBiBtemaB naturaleB.

LOB hidrólogoB h a n venido inveBtigando la relación entre

la vegetación y 10B diferentes fenómenoB hidrológicos

superficiales y subsuperficiales ligados al balance

hídrico.

Muchos de 10B estudioB Be han realizado en cuencas

experimentaleB con diferentes coberturas simultáneas,

otros en parcelaB con una sola cobertura; también Be han

propagado laB investigacioneB en cuencas pareadaB en las

cuales se han Beleccionado diferenteB períodos de

calibración y utilizado diBtintos sistemas de

intervención o grados de alteración de la cobertura

vegetal.

2

Todos estos estudios han tenido como objetivo central,

evaluar los beneficios de las coberturas en términos de

rendimiento de agua producida através del tiempo y además

en términos económicos. Otros estudios han pretendido

evaluar las sustituciones de usos de la tierra en sus

diferentes etapas de establecimiento, desde el punto de

vista de los impactos causados y las relaciones costo­

beneficio para las comunidades ubicadas en las cuencas.

En nuestro medio se han realizado pocos estudios sobre

cuencas hidrográfi s, puntuales en el tiempo, tratando

de cuantificar por diferentes metodologias el consumo de

agua por las coberturas vegetales.

Ante esta deficiencia, Empresas Públicas de Medellín

através del Departamento de Conservación y Manejo

Forestal aceptó implementar con esta investigación un

laboratorio natural de hidro logia en la cuenca de Piedras

Blancas.

Para iniciar se propuso la presente investigación cuyos

alcances iniciales son los siguientes: un estudio

detallado del efecto de las coberturas de ciprés, pino y

rastrojo sobre la humedad del suelo; el montaje de los

equipos y estructuras necesarios para medir las variables

3

que intervienen e n el balance hídrico; la cuantificac ión

del balance hídrico en el primer año de estudio.

Se seleccionaron dos microcuencas características de la

cuenca de Piedras Blancas para utilizar la metodología de

las cuencas pareadas" se propone un periodo de

calibración de dos años. El objetivo final consiste en el

establecimiento de un proyecto que evalúe el efecto de la

alteración de la vegetación existente, a través de la

implementación de un plan de manejo forestal con

diferentes porcentajes de entresacas y asi conocer la

variación del rendimiento hidrico a mediano y largo

plazo. Además establecer los estudios básicos en

hidrología y definir unos criterios que permitan obtener

parámetros que faciliten la evaluación del manejo

adecuado de las áreas con cobertura vegetal.

4

~ _ RKVISION DE LI7*.KElA'TURA

1.1 GENERALIDADES SOBRE EL CONSUHO DE AGUA POR

COBERTURAS VEGETALES.

Se puede establecer el concepto de consumo de agua por

una cobertura vegetal, equivalente al término

evapotranspiración, considerado como la cantidad de agua

que retorna a la atmósfera en forma de vapor. Medir esta

cantidad de vapor con la precisión frecuentemente

requerida por los hidr610gos es muy difícil y a veces

imposible. Para ello se han ideado diferentes métodos

con el fin de cumplir con muy variados objetivos y por

ello no son estrictamente comparables. Stewart,1982,

los clasifica, agrupados por escala de tiempo y espacio,

como se puede observar en la Tabla 1.

Un conjunto de métodos se han desarrollado para entender

los procesos que gobiernan las transferencias de energia

y de materia entre la superficie y la atmósfera.

Otro conjunto de métodos se han utilizado b&sicamente

para el estudio de las relaciones hídricas de plantas

1 Uo E~..

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5

individuales o partes de una planta. Estos métodos

también son frecuentemente utilizados para medir la

evaporación de diferentes partes de un ecosistema, por

ejemplo de árboles y el estrato herbáceo separadamente.

Finalmente, un conjunto de métodos intentan cuantificar

la evapotranspiraci6n para periodos largos de tiempo,

meses o años, mientras que los grupos previos de métodos

se refieren primordialmente a escalas de tiempo de

minutos odias.

6

Tabla 1. Métodos para medir la evapotranspiración,

clasificados por grupos en el tiempo y en el

espacio. Fuente: Stewart, 1982.

Espacio Minuto Hora Día Mes Año Década

Región Balance'" hídrico~

S =0 * Penman-Monteith,Ra = O ~

Balance hídrico S =0 ~

Cuenca Difusión Turbulenta ~~~~

Balance hídrico S t O

Area Uniforme (parcela) Penman-Monteith, Ra ** = O cuando el

dosel está húmedo ~~~~~ Balance de Energía~ Método aerodinámico~

(Penman ) Penman-Monteith,Ra = O ~~

Transporte turbulento~

Grupo de Plantas Lisímetro de drenaje ~~

Rayos gamma Humedad del suelo

Planta individual Cámara ventilada~

Corte de árbol~ Flujo de savia~ Cubeta o cámara

Excisión de renuevos

Hoja Porómetro

* S variación del almacenamiento de humedad del suelo** Ra: resistencia estomática.

7

De acuerdo a esta clasificación, si se trata de medir los

efectos de los cambios de vegetación a largo plazo, se

utilizan los métodos que aparecen en el extremo superior

derecho de la Tabla 1. Pero si el objetivo es medir la

evapotranspiración a corto plazo o predecir el incremento

en la evapotranspiraci6n causado por el camb io de

cultivos anuales por una vegetación perenne que consume

más agua, o en particular escoger entre diferentes tipos

de cobertura vegetal se requiere seleccionar un método

que mida la evapotranspiraci6n de los componentes

individuales del ecosistema durante períodos cortos y

escalas de tiempo pequeñas.

La importancia y la precisión de un método particular

depende críticamente de las circunstancias bajo las

cuales se utilicen. Por ejemplo, un lisímetro no es

apropiado para medir la evapotranspiraci6n de un bosque.

Comparativamente la medición del balance hídrico en una

cuenca puede suministrar una adecuada determinación de la

evapotranspiraci6n promedia del área para un periodo de

un afio o más; sinembargo este método no proporciona

informaci6n a cerca de los componentes responsables del

proceso de evapotranspiración.

8

1.2 BALANCE HIDRICO EN CUENCAS PEQUERAS y CUENCAS

PAREADAS.

1.2.1 El año hidrológico.

La aproximación de cuencas pareadas, método utilizado

para hacer una comparación de valores de

evapotranspiración en un intervalo de t.iempo corto es

suficient.e para arrojar una precisión razonable, de tal

manera que se pueden detectar tendencias y diferencias.

La selección de la duración de un intervalo de tiempo

depende de cada estudio en particular y se deben

considerar innumerables factores; estos incluyen la

duración del experimento, el tiempo requerido para el

establecimiento de un nuevo uso de la tierra, el número

de variables componentes del balance hidrico que se va a

medir , la precisión de las mediciones y la variabilidad

de esta precisión en los intervalos de tiempo.

Blackie, Edwards y Clarke,1981, afirman que cuando la

medición de los cuatro término- del balance hídrico se

hace en intervalos de tiempo relativamente largos,

comenzando y finalizando en condiciones secas,

proporcionan estimaciones preGisas de la

evapotranspiración.

9

De aquí surge el concepto de "año hidro l ógico", un

intervalo de tiempo de aproximadamente un afio, que

transcurre desde el periodo seco al siguiente período

seco equivalente, como un periodo sobre el cual se pueden

hacer estimaciones consecutivas y precisas del consumo de

agua para propósitos de comparación.

Windsor, 1990, afirma que quizá el método más directo

para estimar la evapotranapiración requiere de la

medición de la precipitación, el caudal y los cambios en

la humedad del suelo. Los cambios en la humedad se

pueden minimizar reconciliando el balance para el "año

hidrológico" de tal manera que la humedad almacenada al

principio del mes es cercana a la humedad al final del

mes.

Para lazona tropical el año hidrológico se puede

diferenciar a mediados de la estación seca cuando tanto

la escorrentia como la humedad del suelo disponible para

las plantas están en su minimo nivel. Si estas

condiciones se encuentran entonces la evapotranspiración

para el afio está muy cerca a la "precipitación menos la

escorrentia".

10

1.2.2 EfectoB de la alteración de la vegetación

Edwards y Blackie,1981, afirmaron que la investigación en

las cuencas hidrográficas es el medio más eficaz para

determinar los efectos causados por los cambios del uso

de la tierra; los experimentos en cuencas son la única

alternativa para obtener datos cuantitativos con base en

mediciones precisas y de buena calidad para evaluar los

efectos de las coberturas vegetales sobre el rendimiento

hidrico.

En la mayoria de las cuencas los efectos principales son

causados por las modificaciones del uso de la tierra,

produciendo cambios en el agua de las cuencas, es decir,

pérdidas combinadas de transpiración, evaporación,

cambios en el volumen total de escorrentia y su

distribución estacional, cambios en las crecidas y sus

patrones asociados de producción de sedimentos.

Cuando el uso de la tierra se cambia de bosques naturales

a cualquier otro tipo de vegetación con sistema radicular

profundo se podrían esperar efectos pequefios sobre el

ciclo hidrológico; sinembargo la verificación de tales

resultados esperados es tan importante como la medición

de los efectos de cambios de uso de la tierra que causan

gran detrimento. En ambas situaciones la precisión en las

mediciones básicas hidrológicas debe ser alta.

11

Las invest igaciones más completas sobre el comportamiento

hidrológico de microcuencas relacionado con las

coberturas vegetales comenzaron a aparecer en la década

de 1910-1920, con el clásico experimento de "Wagon Wheel

Gap Experiment in Colorado" llevado a cabo por el

Servicio Forestal de los Estados Unidos, descrito

detalladamente por Bates y Henry, 1918,y Hewlet, 1982 .

La mayoría de las investigaciones se han fundamentado en

estudios básicos hidrológicos hechos en una cuenca

pequeña o microcuenca con un tamaño entre 25 y 100 has,

en la cual puede haber un sólo uso de la tierra

específico (ejemplo, una plantación de coníferas ) o

también pueden existir simultaneamente varios usos de la

tierra. En este caso se evalúa el consumo de agua

resolviendo la ecuación del balance hídrico en función de

variables como la escorrentía, precipitación sobre el

área y variación del almacenamiento del agua en el suelo.

Otras investigaciones hidrológicas se han fundamentado en

el método de las cuencas pareadas", o sea la

utilización de dos cuencas pequeñas simultaneamente, las

cuales se someten a un período de calibración y

posteriormente una de ellas recibe un .. tratamiento o

intervención de su coberturas vegetal ( entresaca ),

mientras que la otra permanece inalterada, en lo que

12

respecta a cobertura, como cuenca testigo. Se hace la

determinación del balance hídrico en ambas cuencas,

mínimo para un período de un año.

Por medio del modelo obtenido en el periodo de

calibración es posible determinar la diferencia de

evapotranspiración entre las condiciones de cobertura

original y aquella después del tratamiento. Mas detalles

sobre el método se pueden consultar en Giraldo, 1979.

El Servicio Forestal de los Estados Unidos en 1934 puso

en funcionamiento el primer Laboratorio Natural

Hidrológico de .. Coweeta .. en zona montafiosa y húmeda del

sur de Carolina. La gran parte de las investigaciones se

realizaron en cuencas pareadas.

Swank, Swift y Douglass,1988, resumieron todas las

investigaciones llevadas a cabo en .. Coweeta" en el libro

"Forest Hydrology and Ecology at Coweeta". Una de ella8

consistió en la sustitución de bosques mixtos naturales

por plantaciones de pino. Después de 6 afios de haberse

plantado pino los incrementos en la cantidad de caudal

permanecían constantes y cercanos a los esperados p a ra

los cortes de vegetación natural. De ahí en adelante,

cuando las plantaciones de pino se desarrollaron y la

competencia de especies naturales se redujo, el caudal

incrementó su tasa de declinación de 2 a 5 cm por año.

13

Después de 10 años de la plantación de pino el caudal

estaba en niveles inferiores de los esperados para los

bosques naturales a la edad de 15 afios, la reducción

en la producción de agua era de 20 cm. (20%) menos que

el esperado para el bosque natural. Para los nueve años

siguientes las reducciones anuales del caudal en

plantaciones de pino fluctuaron entre 10 Y 20 cm

dependiendo de la precipitación anual.

Boch y Hewlett,1982, presentaron una revisión de los

experimentos en microcuencas, un total de 94

experimentos, en los cuales se demuestra que la

información acumulada del efecto de cambios de la

vegetación sobre el rendimiento del agua se pueden

utilizar para múltiples propósitos. En general se afirma

que plantaciones de pino y eucalipto causan un promedio

de disminución del rendimiento del agua de 40 mm por cada

10 % de cambio en la cobertura vegetal y los bosques

mixtos naturales y rastrojo 25 mm y 10 mm

respectivamente.

Cheng,1989, utilizó la técnica de cuencas pareadas,

tomando como control la cuenca .. Camp Creek" en el

sudeste de Columbia Británica, Canadá. La tala se

efectuó en 30 % del área de la cuenca. El incremento

promedio anual después del aprovechamiento del bosque fué

de 29 mm.

14

Edward y Blackie,1981,y Pereira,1979, realizaron los

resúmenes de los experimentos llevados a cabo en el este

del Africa, Kenia, comprendidos en el periodo de 1958 a

1974, basados en el método de cuencas pareadas y la

utilización del balance hídrico para evaluar las

componentes conocidas. Las conclusiones generales de

estas investigaciones, consignadas en el documento

"Investigaciones hidrológicas en el este del Africa",

compilado por Blackie, Edwards y Clarke ,1981, son las

siguientes:

En la cuenca de Kericho, Kenia, se encontró que el

reemplazamiento del bosque natural por plantaciones de té

no produjo reducción en el rendimiento del agua de la

cuenca a largo plazo. El escurrimiento superficial en

plantaciones de té no excedió al del bosque natural,

aunque algunos incrementos se presentaron durante la fase

de aclareo y establecimiento del cultivo de té.

En cuanto al consumo de agua se concluyó que éste es más

bajo en cultivos de té que en bosque natural, bajo

condiciones húmedas y comparables o más alto bajo

condiciones secas.

15

- En la cuenca de Kimakia, Kenia, se determinaron los

efectos del cambio de uso de la t ierra, de bosques

naturales de bambú a plantaciones de pino pátula . Se

concluyó que para ambos tipos de vegetación la tasa de

evaporación de agua interceptada fué considerablemente

mayor que la tasa de transpiración. La eontribuci6n al

consumo de agua total por ambos procesos fué similar en

los dos tipos de cobertura vegetal.

Los estudios de escurrimiento superficial no mostraron

diferencias en su respuesta sobre los suelos, indicando

que ni el rendimiento total anual del agua ni su

distribución estacional fueron afectados

significativamente por los cambios en el uso de la tierra

después del período de establecimiento.

1.3 EFECTO DE LAS COBERTURAS VEGETALES SOBRE EL REaIHEN

DE AGUA DEL SUELO.

El conocimiento de la infl1lencia de los bosques sobre los

diferentes aspectos del agua del suelo ha sido de

importancia significativa en la evaluación del papel del

bosque sobre el ciclo hidrológico; tema que al mismo

tiempo se ha prestado para diversos comentarios y

apreciaciones i n fundadas sobre la bondad o no de las

16

sustituciones de coberturas de bosques naturales por

plantac iones de conífe r as o cultivos.

Las más r emotas investigaciones de esta índole fueron

desarrolladas por Ototskii citado por Rakhmanov,1966, a

principios del siglo relacionadas con el comportamiento

del agua del suelo bajo diferentes coberturas vegetales,

concluyendo que el nivel freático es más bajo en áreas

con bosques que en áreas sin cobertura vegetal.

Posteriormente aparecieron otros investigadores que

revaluaron las conclusiones anteriores al no encontrar

diferencia significativa en la profundidad del nivel

freático, bajo las condiciones anteriores. Los bosques r---­

producen intensiva evapotranspiraci6n, pero ésto no

determina la relación entre los niveles freáticos del

agua del suelo en áreas forestadas y áreas sin cobertura

vegetal. Por tanto existen otros factores más poderosos,

de los cuales depende dicha r e lación, como lo es la

dinámica del agua en el suelo, determinada por la gran

permeabilidad de los suelos forestales comparados con

aquellos de áreas descubiertas. Esto proporciona

condiciones favorables para que se presente una

infiltración considerable hacia las capas más profundas

del suelo, abasteciendo así el suministro de agua del

suelo.

17

Lima, 1986, hace la anotación de que existen resultados

contrastantes en la literatura cuando se revisa el tema

sobre bosques y régimen del agua del suelo.

Troendle,1970, en el oeste de Virginia,Estados Unidos,

concluyó en un estudio de bosques mixtos, que las

pérdidas de agua del suelo fueron significativamente

mayores bajo bosques que bajo suelo descubierto y que la

mayor parte del agua consumida por el bosque es retenida

en los 60 cms. superficiales del suelo.

Hill, 1972, reafirmó con los estudios del agua del suelo

hechos en diferentes tipos de suelo y bajo diferentes

coberturas, que el contenido de agua del suelo baj o

bosque natural fué mayor que bajo otros tipos de

vegetación.

Otras investigaciones que comparan el régimen de agua del

suelo entre diferentes tipos de bosques han mostrado

similitud en las diversas condiciones del suelo y de

clima.

, Metz y Douglas,1959, citados por Lima, 1986, verificaron

que el régimen del agua del suelo en plantaciones mixtas

de coníferas y frondosas y en plantaciones homogéneas de

coníferas fué similar.

18

En el este de Africa, Kenia, Blackie, Edwarda y Cl a rke,

1981, reseñaron 108 estudios realizados por Eeles del

Instituto de Hidrología en Wallingford, en varias

microcuencas para evaluar los posibles cambios en el

régimen de humedad del suelo con los cambios en el tipo

de cobertura vegetal, durante el período de 1958 a 1972,

utilizando inicialmente la técnica de humedad

gravimétrica y posteriormente el método del medidor de

neutrones a una profundidad de 2.7 m.

En la microcuenca Kericho los análisis mostraron que no

existia diferencia significativa entre plantaciones

maduras de té y los sitios aledafios cubiertos con bosques

húmedos y con bambú en la f ase anual de fluctuación del

déficit de humedad, excepto en los periodos secos.

En la microcuenca Kimakia tampoco se presentó diferencia

significativa entre bosques naturales de bambú y

plantaciones de pino, en la fase anual de fluctuación del

déficit de humedad de los suelos. \

Lima, 1975, en Piracicaba, Brasil, midió el agua del suelo

por medio de la técnica de contador de neutrones, durante

dos años en plantaciones de Eucalyptus sallana, Plnus

caribaea, ambos con 6 afios de edad y en una parcela que

contenía vegetación herbácea natural. El anál i s is del

régimen anual del agua del suelo bajo las tres coberturas

19

mostró que no había diferencia significativa marcada en

el comportamiento del agua del suelo entre las tras

coberturas durante el período de estudio.

El mismo investigador midió el agua del suelo hasta dos

metros de profundidad y durante dos aBos en tres

coberturas forestales, en bosque de zona seca:

vegetación de "cerrado" o sabana arbustiva ,plantación

de Pinus OOCBrpB, con 13 años de edad, plantación de

Pinus caribaeB varo hondurensis, con 13 años de edad.

Los resultados mostraron diferencia significativa entre

la vegetación de "cerrado" y Pinus cBribBeB, en la capa

superficial del suelo o sea que el suelo bajo bosques se

mostró más húmedo en la capa superficial que e l de

plantación de pino. En todas las demás profundidades los

valores mensuales de contenido de humedad delagua en el

suelo fueron similares en los tres tipos de coberturas

Lima, 1983 ).

Moreno,1987, comparó las propiedades fisicas de andisole s

del Departamento del Cauca y del Oriente de Antioquia

bajo coberturas de bosque natural, plantación de Pinus

pátula ,mayor de 10 años de edad y potreros mayores de 20

aBos de edad. Los resultados obtenidos en una sola época

de muestreo fueron 108 siguientes: el suelo bajo pasto

presentó mayor contenido de humedad que el suelo bajo

bosque natural, con un nivel de siglficancia del 0 . 01 %.