anÁlisis de la erosiÓn hÍdrica mediante un modelo distribuido (calsite… · sources in rural...

INTRODUCCIÓN

La planificación científica para la conserva-ción del agua y del suelo requiere del conocimien-to de las relaciones entre aquellos factores que cau-san las pérdidas del suelo y aquellos que ayudan areducirlas. Estas pérdidas, además de la acción di-recta de la precipitación y su consecuente escorren-tía, pueden ser agravadas, por lo general, por la ac-ción antrópica, a través de las explotaciones fores-tales desordenadas, de las obras civiles, de la ex-plotación minera descontrolada y de las actividadesagrícolas sin criterio conservacionista.

Los límites de pérdida de suelo y producciónde sedimentos son algunas veces establecidos prin-cipalmente para el control de la calidad de lasaguas, ya que una excesiva cantidad de sedimentos

puede afectar sensiblemente el funcionamiento deobras de captación, presas de embalse y regulación,centrales hidroeléctricas, obras de arte en sistemasde riego, plantas de tratamiento de agua potable,etc.

Además, la degradación del medio ambiente,en términos de erosión, puede ser calificada y almismo tiempo cuantificada, conociéndose tempo-ralmente la evolución de las cantidades y las carac-terísticas de los sólidos finos (arcilla, limos y are-nas finas) transportados por la red de drenaje flu-vial hacia la salida de la cuenca.

Por ello, es necesario el establecimiento demedidas de control o la toma de decisiones. Parallevar a cabo esto, se necesita disponer de informa-ción de la situación actual, como así también de si-

25INGENIERÍA DEL AGUA · VOL. 8 · Nº 1 MARZO 2001

Resumen:El presente trabajo se refiere a la aplicación de los modelos de simulación de erosión laminar yproducción de sedimentos. Los modelos que se emplean son el SWRRB (Simulation of Water Re-sources in Rural Basins) y el CALSITE (Calibrated Simulation of Transported Erosion), que son losmodelos agregado y distribuido respectivamente, y los mismos se aplican a la cuenca del río Gran-de (Estado Miranda, Venezuela). Para la obtención de los distintos parámetros y variables que in-tervienen se aplican tecnologías nuevas, como los Sistemas de Información Geográfica y las técni-cas geoestadísticas. Los respectivos modelos se operan y calibran de acuerdo a las mediciones de campo, de manerade proceder al análisis y comparación de los resultados obtenidos. Esto permite establecer sus po-tencialidades y limitaciones, en lo concerniente a la utilización de los mismos, así como lo refe-rente al proceso de simulación propiamente dicho. Para finalizar, se enuncian una serie de conclusiones de acuerdo a los objetivos previstos y se danunas recomendaciones orientadas a las condiciones que se deben tener en cuenta para una apli-cación eficiente de los modelos agregados y distribuidos.

Palabras clave: Sedimentos, Calidad del agua, Modelos hidrológicos, Sistema de información geo-gráfica.

1. Ing. Hidráulico, Instituto de Recursos Hídricos, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologías, Universidad Nacional de Santiago del Estero, Belgrano(S) 1912 - Fax: 0054385-4222595, CP:4200 - Santiago del Estero - Argentina, e-mail: [email protected] - [email protected]. Dr. Ing. Hidráulico, Centro Interamericano de Desarrollo e Investigación Ambiental y Territorial, Universidad de los Andes - Pque. La Isla - EdificioCIDIAT, Fax: 005874-441461 - Apdo. 219 - Mérida, Venezuela., e-mail: [email protected]ículo recibido el 14 de junio de 1999, recibido en forma rebisada el 4 de octubre de 1999 y aceptado para su publicación el 19 de noviembre de1999. Pueden ser remitidas discusiones sobre el artículo hasta seis meses después de la publicación del mismo siguiendo lo indicado en las “Instruccio-nes para autores”, En el caso de ser aceptadas, éstas serán publicadas conjuntamente con la respuesta de los autores.

ANÁLISIS DE LA EROSIÓN HÍDRICA MEDIANTE UN MODELO

DISTRIBUIDO (CALSITE) Y UN MODELO AGREGADO (SWRRB)

Aplicación a la Cuenca del Río Grande (Venezuela)

Luis A. Olmos1 y Hervé Jégat2

tuaciones posibles generadas por las diferentes al-ternativas simuladas. Es así, que los modelos de si-mulación, con el avance de la informática, jueganhoy en día un papel muy importante en la planifica-ción y toma de decisiones. Dentro de los modelosmás difundidos universalmente y que pueden seraplicados a nivel de cuencas rurales, se pueden ci-tar aquellos basados en la ecuación universal depérdida de suelo (USLE) y su modificación MUS-LE, quienes permiten estimar la producción de se-dimentos anuales promedio y establecer medidasque limiten su cantidad.

Estos modelos matemáticos están presentesen los modelos de simulación que se emplean. Porun lado se tiene el modelo de simulación distribui-do CALSITE que hace uso de la USLE. Este se ca-racteriza porque los valores de las variables se dis-tribuyen espacialmente de forma puntual por uni-dad de área que es el pixel. Por otro lado, el mode-lo de simulación agregado SWRRB que emplea laMUSLE , el cual se caracteriza porque los datos dela variables son de tipo uniforme o se asume un va-lor promedio, dentro de zonas o áreas de la cuenca,que se discretizan de acuerdo a criterios de cálculo.

Tomando como base el enfoque anterior, sur-ge la necesidad de investigar las capacidades de losmodelos de simulación. En este trabajo se usan elSWRRB (Simulation of Water Resources in RuralBasins) que es de los clásicos o agregados y elCALSITE (Calibrated Simulator of TransportedErosion) que es el distribuido, que se aplican a unacuenca particular. De allí, surge el objetivo funda-mental que es evaluar el funcionamiento de un mo-delo de simulación de erosión laminar y produc-ción de sedimentos distribuido (CALSITE) y com-pararlo con un agregado (SWRRB). Para llevar ca-bo esto se evalúa el fenómeno en la cuenca del ríoGrande (estado Miranda, Venezuela), el cual es unafluente del sistema hídrico del río Tuy que desem-boca en el mar Caribe.

Modelo de Simulación y CalibraciónCALSITE

CALSITE 3.10 es un software creado por HRWallingford Ltd. y está basado en operaciones deSistemas de Información Geográfica para ser usadoen la simulación y calibración de la erosión y trans-porte de sedimentos, desarrollado por Bolton, Brad-bury, Lawrence y Atkinson (1995). Es creado comouna herramienta de planificación de cuencas paraser usado en países en vías de desarrollo, en donde

es probable que los datos sean escasos o falten, porlo que el paquete ha sido desarrollado usando rela-ciones semiempíricas. El programa hace uso de unsoftware de gestión de Sistemas de Información Ge-ográfica (SIG) de bajo costo, IDRISI, para la prepa-ración y el procesamiento de las imágenes de entra-da, así como también para la visualización de los re-sultados. CALSITE requiere el uso de datos espa-ciales en un formato raster o grilla y los procesos decálculo son tres : 1) Determinación de la erosión desuelos. 2) Cálculo del índice de entrega, calibracióny determinación del factor de entrega. 3) Determi-nación de la producción de sedimentos.

Determinación de la Erosión de los Suelos

El programa hace uso de la USLE de Wis-chmeier y Smith (1978) para el cálculo sobre cadacelda o pixel y cuya expresión es:

Los mapas digitales de cada uno de los cuatrofactores, así como todos los parámetros y variablesque intervienen en las etapas de cálculo, son produ-cidos a partir de mapas digitalizados o por procesa-miento de datos existentes, ya sea usando IDRISI uotro paquete para SIG, ya que la mayoría de lasimágenes de entrada son producidas independien-temente, respetando los formatos requeridos porCALSITE.

Cálculo de LS

Es importante acotar que este parámetro secalcula usando las ecuaciones de Mc Cool et al(1993), citado por Bolton et al (1995), en funciónde L, longitud de la pendiente, y θ, pendiente engrados.

para θ < 5,143º o 9%

para θ >= 5,143º

Antes de calcular LS, el programa tiene la po-sibilidad de usar una L constante o variable. El ca-so de utilizar una L variable es una de las potencia-lidades más notables. El método se basa en el ta-maño del área contribuyente que está definida por

26

Luis A. Olmos y Hervé Jégat

INGENIERÍA DEL AGUA · VOL. 8 · Nº 1 MARZO 2001

(1)

(2)

(3)

F. Así, un valor de 50 indica que el tamaño del áreacontribuyente es de 50 pixeles. Al asumir una for-ma uniforme del área contribuyente, se puede esti-mar la longitud del área contribuyente como la lon-gitud del pixel contribuyente más lejano al pixelbajo estudio. La fórmula para el cálculo de la longi-tud de pendiente es :

Cálculo del Indice de Entrega, Calibración yDeterminación del Factor de Entrega

Aunque los procesos físicos durante el tránsi-to del flujo superficial son complejos, en CALSITEson tratados de una manera simple. El término índi-ce de entrega es usado para referirse a un valor ar-bitrario desde 0 a 255. Es un estimado de la capaci-dad de transporte límite desde el punto en cuestiónaguas abajo siguiendo el camino de flujo y está re-lacionado con el factor de entrega (DR). Se lo de-termina para cada pixel como una parte del proce-dimiento de calibración.

El cálculo del índice se basa en consideracio-nes teóricas de la capacidad de transporte del flujo,apoyado en los resultados empíricos de Govers(1990), citado por Bolton et al (1995).

El índice de entrega (DI) está definido como larelación entre la concentración límite y la concen-tración en la fuente. Si en un cierto pixel la concen-tración limitante excede la concentración de la fuen-te, entonces todo el material erosionado será trans-portado al cauce y el DR para el pixel será la unidad.El valor de DI para este caso será alto. Por otro lado,cuando DI es bajo, la concentración de la fuente ex-cede la concentración límite, por lo que ésta deter-mina la cantidad de material que pasa al cauce. Eneste ultimo caso el DR es proporcional a DI.

La ecuación usada para determinar el índicede entrega está definida por :

Este factor representa la proporción de sueloerosionado que alcanza una salida. Así, un valor delíndice de 0,5 significa que solamente el 50 % delsuelo erosionado desde el pixel alcanza un embal-se, reservorio u otro destino o salida. El resto es re-depositado a lo largo del camino del flujo.

La calibración de la producción de sedimen-tos está basada en la ecuación :

La rutina de calibración manipula los valoresde DR sobre el área de estudio hasta obtener unbuen ajuste entre los valores de producción de sedi-mentos observados y predecidos. El índice de en-trega es calculado y convertido a valores de DR porel proceso de calibración.

Secuencia de las Operaciones

El proceso de calibración involucra un núme-ro de ecuaciones de manera de aplicar la curva bá-sica y tomar en cuenta la escala logarítmica de DI.El valor de DR para DI en 100 es repetidamente fi-jado en valores variando de 0 a 1 en etapas de 0,01.El valor de DR en DI=100, conocido como el críti-co (DRc), que da la mejor correspondencia entreproducción de sedimentos observados y predeci-dos, se usa para determinar la función de entrega fi-nal que convierte los DI en DR. Las etapas de la ca-libración son :

1) Elige un valor de DR para un valor deDI(byte) de 100, llamado DRc.

2) Encuentra el valor de X de referencia, Xc,desde DRc usando la ecuación

3) Encuentra el valor de DI real para el DIbyte de 100 usando la ecuación :

4) Para valores de DI byte variables de 0 a 255calcula X y luego el DR:

27

ANALISIS DE LA EROSION HIDRICA MEDIANTE UN MODELO DISTRIBUIDO (CALSITE) Y UN MODELO AGREGADO (SWRRB)


(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

5) Mide la varianza entre los valores observa-dos y los predecidos de prod. de sedimentos

6) Repite las etapas 1 a 5 para diferentes valo-res de DRc, y graba el que dá mejor ajuste.

7) Graba la función de entrega que da el mejorajuste en un archivo de salida .lut.

Determinación de la Producción deSedimentos

En esta etapa simplemente aplica la ecuación(6) para obtener la producción de sedimentos pro-medio para la cuenca en Tn/ha.año. Lo que hace esmultiplicar las imágenes obtenidas de erosión delos suelos y la del factor de entrega. La imagen re-sultante se puede procesar mediante el softwareIDRISI de manera de obtener el valor promedio yla carga total de sedimentos.

MODELO DE SIMULACIÓN SWRRB

Los conceptos desarrollados sobre el modelose extraen del manual del usuario desarrollado porArnold y Williams (1994). SWRRB ( Simulation ofWater Resources in Rural Basins) incluye cincocomponentes fundamentales : hidrología, clima,sedimentación, nutrientes y pesticidas. La produc-ción de sedimentos está basada en la ecuación uni-versal de pérdida de suelo modificada (MUSLE).

El modelo SWRRB opera sobre un intervalode tiempo diario y el clima diario puede ser ingre-sado o generado. SWRRB no está limitado por elárea de drenaje, aunque sus autores validaron elmodelo en cuencas de hasta 500 km2. Las sub-cuencas pueden estar divididas para tener en cuen-ta las diferencias en los suelos, uso de la tierra, cul-tivos, topografía, lluvia y temperatura. SWRRBpuede manejar un máximo de 10 subcuencas.

Hidrología

El modelo hidrológico se basa en la ecuaciónde balance de agua.

En el cálculo de P (percolación) se utiliza unatécnica de tránsito en embalses, combinado con unmodelo que predice el flujo a través de diferenteshorizontes de la zona radicular y el QR (flujo sub-superficial lateral) se define simultáneamente conla percolación.

Como el modelo mantiene un balance de aguacontinuo, las cuencas complejas se dividen en sub-cuencas o subáreas para así reflejar las diferenciasen la evapotranspiración en varios tipos de cultivosy terrenos. Por eso, para cada subárea se predice laescorrentía y luego se transita aguas abajo para ob-tener la escorrentía total de la cuenca. Esto incre-menta la precisión y da una mejor descripción físi-ca del balance del agua.

Producción de Sedimentos

La producción de sedimentos se calcula paracada subcuenca con la ecuación universal modifi-cada de pérdida de suelo (MUSLE) de Williams yBerndt (1977), citado por Barrios A. ,1995.

El factor LS se calcula con la ecuación deWischmeier y Smith (1978):

El exponente es calculado en el modelo me-diante la expresión :

El factor manejo y cultivo C, se evalúa todoslos días que se produce escorrentía por:

Tránsito de sedimentos en cauce

El modelo de tránsito de sedimentos, en el ca-nal del cauce, consiste de dos componentes queoperan simultáneamente: deposición y degrada-ción. El primero basado en la velocidad de deposi-ción de una partícula y el segundo en el concepto dela potencia de un cauce, Bagnold (1977), citado porBarrios A., (1995).

El modelo estima una distribución del tamañode las partículas de sedimento, una vez desprendi-das del suelo, a partir de valores típicos de las frac-ciones primarias de suelo. A través de una técnicade coeficiente de tránsito, se determina la distribu-ción de partículas para el sedimento que sale de lasubcuenca.

La deposición en el tramo del cauce, DEP,desde la salida de la subcuenca hasta la salida de lacuenca total, se calcula en base a la velocidad con

28



(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

que sedimenta cada partícula, según la Ley de Sto-kes, y el tiempo de viaje que debe recorrer el flujo.

Para el cálculo de DEP, usa otro parámetro ba-sado en Yf y en la profundidad del flujo dq que es elfactor de entrega DR :

La potencia del cauce, es el concepto usadopara calcular el poder degradante del flujo, DEGR.

Toda la potencia del cauce se usa para la re-captura de material depositado, hasta que todo sehaya agotado. Cuando esto ocurre, comienza la de-gradación del material del lecho, DEGB, que se cal-cula por la siguiente expresión:

La cantidad de sedimento que pasa por la sali-da de la cuenca total, SEDs, es:

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ZONA DEESTUDIO

La cuenca del río Grande se halla ubicada ín-tegramente dentro del estado Miranda, el cual estásituado en la zona Centro-Norte de Venezuela y es-tá comprendido entre los meridianos 65º26’ y67º13’ de longitud Oeste y entre los paralelos9º56’y 10º39’de latitud Norte.

La superficie cubierta por la cuenca es deaproximadamente 785 Km2 y constituye uno de losafluentes más importantes del sistema hidrográficodel río Tuy, el cual pertenece a las hoyas de las ver-tientes del mar Caribe. En la Figura 1 se aprecia uncroquis de ubicación de la cuenca.

La cuenca presenta un escalonamiento en sus

tierras, definido por los semiplanos del valle de Ca-racas (zona oriental) y de los valles del Tuy y lamagnifica planicie o llanada de Barlovento, a loque se le agregan los sectores montañosos de losTeques y el de Guarenas-Guatire. La vertiente inte-rior se caracteriza por lo empinado de sus laderas.Hay numerosos picos con altitudes por encima delos 2.000 metros. La serranía del Interior es más ba-ja que la de la Costa (límite norte) y se presenta li-mitando la zona sur del estado Miranda.

La topografía es muy variada, ya que cuentacon cadenas montañosas que nacen en la cordillerade la costa, las cuales se extienden sobre un granporcentaje de la cuenca (65 %). Por ende, la mismapresenta una gran cantidad de quebradas y ríos queaportan su aguas al río Grande y luego al principalrío Tuy. Por otro lado, se encuentran dos grandesplanicies que son la confluencia del río Guarenas yGuatire y la más extensa que se integra desde Cau-cagua a los valles de Tuy en la salida de la cuenca.Ésta presenta una pendiente promedio del 30%, locual está indicando el predominio de pendientesfuertes. El uso de la tierra se muestra en la Figura 2.

La temperatura diaria promedio de la cuencano presenta una gran amplitud térmica, estimándosela máxima en 9ºC. Las temperaturas máximas sonde aproximadamente 32Cº y las mínimas de 18 ºC.

29



(21a)

(21b)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

Figura 1 - Ubicación geográfica de la cuenca

si Yf < dq

(27)

La radiación solar anualmente varía entre los400 cal/cm2.dia en el mes de Noviembre a unos 480cal/cm2.día en el mes de Julio.

El régimen de lluvia es húmedo con una va-riación desde los 800 en la zona noroeste hasta los2300 en los valles de Tuy. El promedio estimado delluvia para la cuenca es de 1245 mm al año.

La cuenca del río Grande se caracteriza poruna predominancia de zonas boscosas, forestales ymatorrales. Las zonas destinadas a la actividadagrícola no son considerables, debido a que la granmayoría de la tierras son de categoría VI a VIII, locual hace que su uso sea de limitado a prohibidodesde el punto de vista agropecuario. A esto hayque sumarle lo accidentado de la topografía, lo cualimplicaría prácticas costosas, de manera de evitarla erosión y lavado de los suelos.

La distribución porcentual de cada uno de losusos de la tierra se detalla a continuación: Bosque(330,27 km2- 42,08 %), Matorral (270,74 km2 -34,50 %), Sabana (24,28 km2 - 3,10 %), Herbazal(16,52 km2 - 2,10 %), Urbano (42,58 km2 - 5,42 %),Agrícola (100,50 km2 - 12,80 %).

Los suelos, desde el punto de vista agrícola,son moderadamente fértiles, de ahí que su clasifica-ción según su capacidad para este uso, en su mayo-ría, sea entre las categorías VI a VIII. Por lo tanto,esta actividad, tal cual lo demuestra los datos deuso de la tierra, es reducida en la cuenca. En cuan-to a su textura, la mayoría de los suelos son de tex-tura franco arcillosa, poco profundos y con presen-cia de gravas.

Esta información básica que fue utilizada pa-ra la definición de los distintos parámetros y varia-bles de los modelos, fue extraída de: “Sistema deInformación Ambiental del Río Tuy” (1996) “Pro-yectos de Sistemas Ambientales Venezolanos”

(1983), “Capacidad de Uso de las Tierras del Esta-do Miranda” (1980) y “Procesos de Producción deSedimentos e Inventario de Problemas de Erosiónen Cauce en la Cuenca de Río Tuy” (1987).

PARÁMETROS Y VARIABLES DE LOSMODELOS

Modelo CALSITE

El modelo de simulación distribuido CALSI-TE requiere del ingreso de las siguientes imágenespara llevar a cabo las distintas fases de la determi-nación de la erosión y calibración de la producciónde sedimentos: lluvia anual Pa (usado en el procesode calibración)-Figura 3-, indice de erosividad R-Figura 4-, factor de erosionabilidad del suelo K- Fi-gura 5-, modelo de elevación digital (usado para elcalculo del factor topográfico LS-Figura 6), factorde cobertura y manejo CP, división de subcuencascon mediciones de sedimentos para la calibración.

El factor de cobertura se obtiene con el mapade vegetación y uso actual de la tierra presentado

30



Figura 2 - Uso actual de la tierra

Figura 3 - Precipitación Anual [mm]

igura 4 - Erosividad de la lluvia R [MJ.mm/ha.h.año]

anteriormente y usando las tablas del factor C ela-boradas por diferentes autores como Wischmeier ySmith (1978), Velázquez (1988) y Delgado y Vas-quez (1997), (citados por Barrios, 1995), cuyo re-sultado se muestra en la Tabla 1.

Modelo SWRRB

La versión utilizada del modelo funciona en elentorno MS windows, y la simulación se realizó di-vidiendo la cuenca en diez subcuencas, que es lo

31



Figura 5 - Erosionabilidad del suelo K Figura 6 - Factor LS calculado por CALSITE

Tipo de usoVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. PerenneVeg. Perenne

AgrícolaAgrícolaAgrícolaAgrícolaAgrícolaAgrícolaAgrícola

Veg. PerenneVeg. PerenneVeg. Perenne

Urbano

Formación vegetalBosqueBosqueBosqueBosqueBosqueBosqueBosqueBosque

Sabana Abta. c/BosqueSabana Abta. c/Chaparro

MatorralMatorralMatorralMatorralMatorralMatorralMatorral

CaféConuco Ladera

CacaoFruto comercial

Ganadería extensivaSistema agrícolaConuco mejorado

HerbazalHerbazalHerbazal

Altura dosel<15 m<15 m<15 m<15 m<15 m

15 a 25 m15 a 25 m15 a 25 m

Densidad25 a 50%25 a 50%50 a 75%50 a 75%

>75%25 a 50%50 a 75%50 a 75%

25 a 50%25 a 50%25 a 50%50 a 75%50 a 75%

>75%>75%

Intervención10 a 30%

>30%10 a 30%

>30%10 a 30%

>30%10 a 30%

>30%Sin intervenciónSin intervenciónSin intervención

10 a 30%>30%

10 a 30%>30%

10 a 30%>30%

Sin intervención10 a 30%

>30%

Factor C0,02300,05500,02250,05360,02200,05610,02340,05560,01000,00800,00700,02800,06500,02600,06000,02100,05700,09000,54000,15000,30000,08000,25000,45000,01100,03800,06800,0050

Tabla 1. Factor C adoptado para las coberturas

máximo permisible. Los datos climáticos comoprecipitación, temperatura y radiación solar, fueronpromediados para la cuenca, en base los datos deestaciones y publicaciones. La división de sub-cuencas usada se muestra en la Figura 7.

En cuanto a los demás datos, topografía, pará-metros hidrólogicos e hidráulicos que intervienenen el proceso lluvia-escorrentía, características físi-

cas y químicas del suelo y datos de la vegetacióny/o cultivos, se estiman para cada una de las sub-cuencas consideradas, en base a la información bá-sica disponible. En la Tabla 2, 3 y 4 se presentan unresumen de los datos de entrada necesarios para elmodelo por tópico.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

CALSITE

El valor de la longitud de la pendiente que sepresenta con mayor frecuencia está en el rango de40 a 50 m. Cuando se hace un cálculo estadísticopara la cuenca y subcuencas, el resultado que se ob-tiene es de una longitud de la pendiente promediode 105 m.

Por el lado de la erosión total de suelos, losvalores encontrados muestran que la erosión poten-cial no es elevada, siendo su valor de 29,334tn/ha.año, lo que significa una erosión moderada

32



Figura 7 - Subcuencas aplicadas en SWRRB

mes

EneroFebreroMarzoAbrilMayoJunioJulio

AgostoSept.Oct.Nov.Dic.

TMX[ºC]

27,827,927,930,831,530,831,032,232,732,830,429,6

TMN[ºC]

19,019,020,620,622,522,522,522,122,021,621,319,8

CTV[ºC]

0,050,050,040,050,040,040,040,050,050,050,050,05

R.S.[cal/cm.d]

410465475450440460480465475440400415

Precip.max. 0,5h

[mm]21,323,615,630,228,932,637,739,540,040,726,931,9

P(H/S)

0,300,240,150,150,250,500,560,480,500,350,450,31

P(H/H)

0,680,620,560,480,580,780,800,760,680,610,720,72

Precip.media[mm]3,73,33,64,88,18,79,69,07,98,49,38,1

Precip.des. std.

[mm]9,65,56,511,715,212,317,313,113,112,612,917,2

Precip.asimetría

[mm]7,03,13,24,63,42,74,03,03,32,92,35,2

Tabla 2, Datos climáticos

Subcuenca

12345678910

Cuenca

Área[Km2]

56,1360,3867,4043,0285,29118,06122,7681,2078,3270,78785,00

PendientePromedio

[m/m]0,38260,32360,26080,41920,20320,29940,28200,19440,25100,14890,2684

Longitud de lapendiente media

[m]98,4796,9895,0899,5399,24104,8298,8499,8097,90101,0999,57

Longitud delcauce principal

[Km]5,0526,39710,1157,50011,40010,75012,97011,90011,60010,65073,53

Pendiente delcauce principal

[m/m]0,16130,14240,11320,22470,09770,13400,06330,07460,08060,07330,1065

Tabla 3. Características Topográficas

según la clasificación de la FAO (CIDIAT, 1987).Esto puede ser debido a las zonas agrícolas que es-tán dispersas, sólo abarcan un 12 % de la cuenca yson las que tienen un valor más alto del factor C. Elresto lo conforman zonas boscosas, urbanas, mato-rrales, sabanas y herbazales cuyos valores de C sonmenores, lo cual se muestra en la Tabla 5.

En cuanto al factor de entrega, cuyo promediopara la cuenca es de 0,101, se observa que la mayorparte de la cuenca tiene un valor menor a 0,20 y quezonas con coeficiente de entrega de 0,60 a 1,0 seencuentran cercanos los cauces, lo que implica quelas medidas de protección contra la producción desedimentos debe centrarse en esas zonas, de mane-ra de proteger los recursos agua y suelo. Dentro delas medidas, se pueden citar :

Restringir la actividad agrícola cerca de loscauces.

Si las zonas agrícolas están establecidas, im-plementar prácticas conservacionistas, tales comomínima labranza, siembra directa, rotaciones etc.

Hacer un estudio de ordenamiento territorial,tomando en cuenta el proceso erosivo y de produc-ción de sedimentos.

Por último, la producción de sedimentos a lasalida de la cuenca corresponde a la suma de la pro-ducción de sedimentos de cada pixel, ya que sutransporte total o parcial es evaluado en el índice deentrega DI. La cantidad es del orden de 233.657tn/año, que suponiendo una densidad del sedimen-to no consolidado de 1,5 tn/m3, se traduce en volu-men de aproximadamente 156.000 m3/año, lo que

equivale a una lámina de suelo erosionable del or-den de 0,2 mm, que demuestra una degradación delos suelos insignificante. Las zonas con un valormenor a 10 tn/ha.año abarcan un 95%, lo que esconveniente que se mantenga, sobre todo por la ba-ja calidad de los suelos desde el punto de vista agrí-cola. Una posible intervención o explotación irra-cional de los bosques implicaría una pérdida totalde la capacidad de los suelos y estructuras de cap-tación de agua superficial más costosas.

En la Figura 8 se muestran la distribución es-pacial de la erosión, con su clasificación de acuer-do a la FAO y en la Figura 9 la producción de sedi-mentos respectiva, basada en los resultados de laquinta corrida que fue considerada como la de me-jor ajuste según se demuestra en la Tabla 6.

33



Subcuenca

12345678910

Cuenca

Númerode curvas

67656565706767666165

Anchocauce[m]

1,002,003,002,503,503,004,505,004,506,00

Conduct.hidráulica[mm/h]40,040,038,535,030,834,032,030,035,025,0

N de Manning

cauce0,050,050,050,050,050,050,0550,0550,0550,0600,055

N de Manningvertiente

0,300,350,330,360,320,330,340,350,360,350,33

Factorde correc.precipit.

0,850,800,680,870,640,830,841,021,011,37

Factor Kdel suelo

0,24440,24600,24290,24220,24140,24140,24370,24600,24220,2999

Tabla 4. Variables estimadas para el proceso lluvia-escorrentía

Uso de la tierraErosión media

Agrícola132,35

Bosque17,22

Herbazal15,48

Matorral13,30

Sabanas6,07

Urbano0,72

Tabla 5. Valores promedios de erosión [Tn/ha.año]

Figura 8 - Erosión de los suelos según FAO (1980)

SWRRB

En el caso particular de este trabajo, se utiliza-ron datos de precipitación y de caudal medio máxi-mo anual a la salida de la cuenca, como elementosde ajuste del modelo. Estos fueron obtenidos de laimagen de lluvias anuales del modelo CALSITE,mediante el uso del comando Extract, de IDRISI,usando como referencia la imagen de subcuencas ylos datos de caudales del SIA-TUY respectivamen-te. La cantidad de años simulada fue de 20 y comolas tierras forestales o matorrales son las predomi-nantes por subcuenca, no se utilizaron datos de pes-ticidas, fertilizantes, etc. es decir todo lo que estérelacionado con cultivos y calidad de agua deriva-da por la aplicación de los mismos. Los valoresusados en el ajuste son los que se presentan en laTabla 7.

La decisión de usar estas variables está basadaen el hecho de que ambas tenían un período de me-diciones de por lo menos 10 años, lo cual es impor-tante a la hora de simular.

Según se aprecia en la Tabla 8, la precipita-ción se simula con bastante eficiencia, produciendoerrores máximos del 1,5%, lo cual es bastante pre-ciso, así como el caudal medio cuyo valor simuladoes de 90,3 m3/s.

En la misma tabla se observa que para el va-lor del factor LS, calculado por el modelo en base ala fórmula de Wischmeier y Smith (1978), se obtie-nen valores sensiblemente más grandes, hasta 7,5veces los valores obtenidos aplicando las expresio-nes de Mc Cool (1993), citado por Bolton et al(1995), en el modelo CALSITE. Esto se debe a quelas formulaciones del año 1978, fueron obtenidassobre terrenos cuyo rango de la pendiente está entre3 y 18 por ciento.

A raíz de esto, los valores de producción pro-medio anual de sedimentos son más grandes quelos simulados por CALSITE. Los resultados obte-nidos son : a nivel de subcuencas Ys= 7,207tn/ha.año y a nivel de cuenca Ys= 8,489. Esta dife-rencia no constituye un problema, ya que el cálculode la producción de sedimentos a la salida de lacuenca tiene en cuenta no sólo la producción de se-dimentos en subcuencas, sino también el sedimen-to depositado y degradado o erosionado en los cau-ces, durante el proceso de tránsito, de manera quelo que interesa en la comparación es a nivel de sub-cuencas, como se ve en la Tabla 9.

De la tabla se puede inferir que la diferenciade valores del factor LS calculado por ambos mo-delos, hasta 7,5 veces, se vé reducida por el hechode que el factor de producción de sedimentos debi-do a la escorrentía “11,8 (V.qp)0,56 “ en la MUSLE,utilizado por SWRRB, es menor al factor de “R.DR” de la USLE, usado por CALSITE.

En consecuencia se puede afirmar que el mo-

34



Nº de corrida

12345

Longitudmáxima

[m]200210220230215

Prod. sedimentomedia modelada

[tn/ha.año]2,942,962,993,022,98

Prod. sedimentomedia observada

[tn/ha.año]2,9832,9832,9832,9832,983

Prod. sedimentomáxima modelada

[tn/ha.año]222,55155,75159,41163,00157,64

BondadajusteCHI2

0,00100,00050,00050,00100,0000

Tabla 6. Resultados de la calibración

Figura 9 - Distribución espacial de la producción de sedimentos

11198

21123

3961

41220

5896

61178

71172

81424

91406

101915

Tabla 7. Valores usados para ajustar el modelo SWRRB

Caudal a la salida de la cuenca en la estación el Carpintero: 85 m3/s

SubcuencaPrecipitación [mm]

delo SWRRB sobreestima los valores de produc-ción de sedimentos con respecto a los calibradospor CALSITE. Por ende, cuando se utilice el mo-delo agregado, sería conveniente realizar medicio-nes mensuales de sedimentos a nivel de subcuencasde manera continua o disponer de batimetrías siexisten embalses, para poder validar el modelo enzonas de montaña, con pendientes mayores al 18por ciento y sobre cuencas mayores a los 500 km2,que fueron las usadas por los autores para su vali-dación. Con esto se podría llegar a obtener un fac-tor de corrección final que tenga en cuenta los dosaspectos analizados. De todas maneras, la diferen-cia obtenida en algunas subcuencas no es sustan-cial, por lo que se puede afirmar que el modelo esuna herramienta importante a la hora de proyectar oplanificar, sobre todo si se tiene en cuenta el carác-ter predictivo del mismo.

Comparación entre CALSITE y SWRRB

Se puede decir que entre estos dos modelos,distribuido y agregado respectivamente, existe unacomplementación, ya que el primero tiene la virtudde mostrar espacialmente lo que sucede con el fe-nómeno en sí y, por otro lado, el segundo tiene lacapacidad de observar con más detalles los fenó-menos involucrados en el proceso lluvia-escorren-tía, y así como también en lo que tiene que ver conel comportamiento de los cultivos, cuando las zo-nas agrícolas son las predominantes. Como unamanera de especificar las virtudes y limitaciones decada uno de los modelos, se hace la siguiente com-paración.

Modelo CALSITE

Ventajas En la simulación :

Permite observar el fenómeno de erosión y pro-ducción de sedimentos espacialmente.

Calibra y define las zonas productoras de sedi-mentos, a través del factor de entrega.

Tiene la posibilidad de calcular una longitud de lapendiente variable.

Permite calibrar hasta 8 subcuencas, para las cua-les debe haber datos medidos a la salida.

Cuando se trabaja con carácter predictivo puedeusarse valores estimativos para calibrar.

Tiene la posibilidad de calcular el factor R a par-tir de la lluvia anual.

En el uso :Permite obtener los parámetros promedios de

otros modelos rápidamente, usando como base lasimágenes del modelo y las funciones para SIG delprograma IDRISI.

La información requerida es factible de conseguiro producir en un tiempo aceptable y a bajo costo.

Se puede simular y evaluar espacialmente distin-tos escenarios en poco tiempo y a costo reducido.

Desventajas En la simulación :

No evalúa el tránsito de los sedimentos.La mayoría de sus fórmulas han sido calibradas

para climas tropicales.

En el uso :

35



Cuenca

12345678910

Área[%]

7,27,78,65,510,915,115,610,3109,1

Tc[hs]

0,961,171,531,121,741,492,132,051,932,09

LS

27,8820,3613,6833,219,0818,5516,088,4513,015,44

YS

[Tn/ha.año]

5,45,92,73,92,14,69,95,717,312,4

Precipitaciónsimulada [mm]

1189,11119,1951,31217,0895,31161,11175,11426,91412,91916,5

Precipitaciónobservada [mm]

11981123961122089611781172142414061915

Tabla 8. Valores obtenidos de la simulación

12,905,401,80

23,495,901,69

32,052,701,31

42,303,901,70

51,062,101,98

62,694,601,71

73,539,902,80

83,255,701,75

94,6417,303,73

103,5312,403,51

Tabla 9. Comparación entre los valores calibrados en CALSITE y los modelados por SWRRB

SubcuencaValores calibradosValores modeladosYs(SWRRB)/Ys(CALSITE)

Funciona solamente bajo el sistema operativoDOS y requiere de un alto porcentaje de memoriadisponible para su funcionamiento.

Tiene límites en la cantidad de filas y columnas delas imágenes. En el caso particular se usaron imá-genes de 500c x 370f, con un pixel de 100 x100metros, para cubrir una cuenca de 785 km2.

Es imprescindible tener conocimientos de siste-mas de información geográfica.

Se necesita estar familiarizado con el programaIDRISI, ya que el modelo trabaja en su ambienteversión 4.0 o 4.1 y por ende sus formatos son espe-cíficos del mismo.

Modelo SWRRB

VentajasEn la simulación :

Permite el análisis de los fenómenos que formanparte del proceso lluvia-escorrentía.

Simula calidad de agua y contaminación por apli-cación de nutrientes y pesticidas.

Simula de manera detallada los fenómenos decrecimiento de los cultivos.

Tiene la ventaja de simular algunos datos cuandoestos no son conocidos.

Transita el agua y los sedimentos desde la salidade las subcuencas a la salida de la cuenca.

Puede simular hasta 10 subcuencas y no tiene lí-mite de aplicación en cuanto a la superficie.

Es adecuado para realizar cálculos predictivos yestimativos.

En el uso :No necesita de conocimientos y recursos especí-

ficos de informática, para la carga de datos y la eje-cución de procedimientos.

DesventajasEn la simulación :

No tiene la posibilidad de analizar los fenómenosespacialmente en detalle.

No simula procesos de erosión de suelos, sola-mente producción de sedimentos.

No permite obtener mapas temáticos clasificados.

En el uso :Requiere de un volumen de información impor-

tante.Los datos requeridos no están disponibles en la

mayoría de los casos, por lo que su operación esmás costosa y la obtención de datos requiere demás tiempo.

El módulo de visualización de gráficos es muy li-mitado.

CONCLUSIONES

De acuerdo a los procedimientos llevados acabo en la operación de los modelos y a los resulta-dos obtenidos, que conllevaron a cumplir con losobjetivos previstos, se concluye lo siguiente:

Los modelos distribuido (CALSITE) y agre-gado (SWRRB) analizados no son excluyentes, si-no complementarios, de acuerdo al estudio compa-rativo realizado, en el que se aprecian las cualida-des y limitaciones de ambos.

Los modelos de simulación distribuidos, cuyadifusión está comenzando, son una herramienta po-derosa a la hora de simular y analizar espacialmen-te el comportamiento de los fenómenos en estudio.Esto se debe a que permiten trabajar con unidadesde superficies pequeñas, los pixeles, que permitenuna mayor precisión en los cálculos, sin generalizarlas variables y parámetros.

Los Sistemas de Información Geográficaconstituyen una herramienta de suma utilidad en laevaluación de parámetros y variables de modelosde simulación de recursos naturales.

El grado de erosión de la cuenca del río Gran-de es moderada, menor a 30 tn/ha.año, según la cla-sificación de la FAO, con una producción de sedi-mentos promedio de 2,98 tn/ha.año y con un factorde entrega de 0,101.

La longitud de la pendiente a adoptar en mo-delos agregados, sin pérdida de precisión, es de 100metros, lo cual es ratificado por la rutina de cálculode CALSITE para cuencas con diferentes topogra-fía y por la mayoría de los ejemplos encontrados enla literatura.

De acuerdo a los valores del factor de entregacalculados por CALSITE, las medidas de protec-ción contra la producción de sedimentos debe cen-trarse en zonas cercanas a los cauces, de manera deproteger los recursos agua y suelo.

LISTA DE SÍMBOLOS

factor de cobertura y práctica de manejo delsuelo.es la cubierta del suelo (biomasa arriba delterreno + residuo sobre el terreno) en Kg/ha.Este valor se calcula día a día.es el mínimo valor de C. Se estima a partir

36



CP

CV

CVM

del valor anual promedio del factor C.coeficiente de variación de temperatura.diámetro de la partícula en m.duración del flujo degradante en horas.es el sedimento recapturado por el flujo,según el concepto de potencia del cauce.factor de la entrega es la evapotranspiración diaria en (mm).Modelo de Ritchie (1972). (Arnold y Wi-lliams, 1994) caminos de flujos [m]factor de erosionabilidad del suelo[ha.h/joule.mm.ha]factor topográfico debido a la longitud ygradiente del terreno es la percolación diaria (mm). lluvia annual [mm]es la precipitación diaria en (mm).probabilidad de un día húmedo después deotro húmedo.probabilidad de un día húmedo después deun seco.índice de erosividad por lluvia y escorren-tía [joule.mm.ha/h].pendiente [%]sedimento que ingresa al tramo.erosión promedio anual [Tn/ha.año]pendiente de la superficie del agua.es el contenido de agua en el suelo menosel contenido de agua a 15 atmósferas.producción de sedimentos [tn/ha/año]caudal pico para la subcuenca en m3/s.es la escorrentía diaria en (mm). Usa el mo-delo del S.C.S. (número de curvas).es el flujo de retorno diario (mm). radiación solar.es el tiempo en días.tiempo de viaje.temperatura mínima mensual media.temperatura máxima mensual media.escorrentía superf. para la subcuenca enm3.velocidad en el canal.velocidad de caída en m/h.ancho promedio del canal en m.dimensión Este-Oeste del área abarcadapor los pixeles en metros.dimensión Norte-Sur del área abarcada porlos pixeles en metros. producción de sedimentos de la subcuencaen tn.profundidad de caída en m.parámetro de potencia máxima del cauce...densidad del agua.

REFERENCIAS

Arnold, J.G. y Williams, J.R. - (1994) - “SWRRB - A Wa-tershed Scale Model for Soil and Water Resources Ma-nagement. “, U.S Departament of Agriculture, Agricul-tural Research Service Grassland, Soil and Water Re-search Laboratory. - Temple, USA.

Barrios, A. - (1995) - “ Erosión y Producción de Sedimentosen Cuencas Hidrográficas “ - Fac. De Ciencias Fores-tales - Universidad de los Andes - Mérida, Venezuela.

Bolton, P., Bradbury, P.A., Lawrence, P. y Atkinson, E. -(1995) - “ CALSITE V-3.1 - User Manual “ - HR Wa-llingford Ltd. - Wallinford , United Kingdom

C.I.D.I.A.T - (1987) - “Procesos de Producción de Sedimen-tos e Inventario de Problemas de Erosión en Cauce enla Cuenca de Río Tuy “ - M.A.R.N.R. - Caracas, Vene-zuela.

Englund, E. y Sparks, A. (1991) - “Geostatistical Environ-mental Assessment Software, User’s Guide”- U.S. En-viromental Protection Agency - Las Vegas, USA.

MA.R.N.R. - (1980) - “Capacidad de Uso de las Tierras delEstado Miranda” - Caracas, Venezuela.

M.A.R.N.R. - (1983) - “Proyectos de Sistemas AmbientalesVenezolanos” - Caracas, Venezuela.

M.A.R.N.R. - (1996) - Sistema de Información Ambientaldel Río Tuy” - Caracas, Venezuela.

Olmos, L. - (1996) - “Implementación de un Sistema de In-formación Geográfica para el Manejo de los RecursosHídricos “ CICyT-UNSE - Santiago del Estero, Argen-tina.

Pla Sentis, I., López, R. y Lobo, D. - (1993) - “Memorias dela Reunión Internacional sobre Procesos de Erosión enTierras de Altas Pendientes, Evaluación y Modelaje” -MARNR, CIDIAT - Mérida, Venezuela.

Saborio, J. y Aylward, B. (1997) - “Análisis Espacial de Ero-sión y el Transporte de Sedimentos en Tres Micro-Cuencas del Arenal, Costa Rica” - CREED, Notas Téc-nicas - San José, Costa Rica.

Saborio, J. - (1997) - “ Sistemas de Información GeográficaAplicados a Recursos naturales en la Gestión de Ma-nejo de Cuencas “ - Curso Regional - CIDIAT - Méri-da, Venezuela.

Samper, J. y Cabrera, J. - (1990) - “Geostadística : Aplicacio-nes a la Hidrología Subterránea” - Centro Internacio-nal de Métodos Numéricos en Ingeniería - U. Politéc-nica de Catalunya - Barcelona, España.

Strebin, S. y Pérez, J. - (1980) - “ Capacidad de Uso de lasTierras del Estado Miranda” - MARNR - Caracas, Ve-nezuela.

Wischmeier, W. y Smith, D. - (1978) - “Predicting RainfallErosion Losses” - USDA & Agricultural Research Ser-vice - Agriculture Handbook Nº 282 - USA.

37



CVTd durDEGR

DRET

FK

LS

PPaPRP(H/H)

P(H/S)

R

SSEDiSESw

SW

SYqp

Q

QRRStTTTMNTMXV

Vc

Vf

wX

Y

Ys

Yfαa

SPγg

anÁlisis de la erosiÓn hÍdrica mediante un modelo distribuido (calsite… · sources in rural...

Documents