Impacto del cambio de coberturas en el rendimiento hídrico y la retención & producción de sedimentos en 5 subcuencas de la cuenca baja del Río Paute:

análisis de escenarios utilizando el modelo InVEST

Juan Sebastián Lozano V. The Nature Conservancy

Junio, 2011

¿Dónde trabajamos?

La cuenca del Río Paute es una de las más importantes de Ecuador porque abastece las represas que mayor aporte realizan a la producción de energía hidroeléctrica del país. Se encuentra localizada al Sur de los andes Ecuatorianos, en una región de depresión interandina, entre los paralelos 2º15' y 3º15' de latitud sur y entre los meridianos 78º30' y 79º20' de latitud oeste. Esta cuenca se encuentra delimitada hacia el norte por el nudo de Curiquingue, que divide la hoya del Cañar con la hoya del Paute; hacia el Sur por el nudo del Portete, que divide la hoya del Jubones con la del Paute; hacia el Este por la cordillera Oriental de los Andes, que divide la región del Oriente con la Sierra; y hacia el Oeste por la cordillera Occidental de los andes, que divide la región de la Sierra con la Costa. El área de la cuenca tiene una extensión de aproximadamente 5.100,00 km2 (cierre de la Cuenca en el Embalse Amaluza), sus altitudes varían desde 1824 m.s.n.m. hasta 4680 m.s.n.m., a pesar de sus altas altitudes no presenta nevados o glaciares, esto es debido a su proximidad al eje ecuatorial, el cual significa que las estaciones se encuentran divididas en solamente dos estaciones: La seca y la húmeda (www.celec.com.ec).

Para este estudio nos concentramos en 5 subcuencas de la parte baja de la cuenca del Paute: Mazar, Púlpito, Llavircay, Juval y Pindilig.

Figura 1 Área de estudio

¿Qué hicimos?

El objetivo general del trabajo fue determinar el rendimiento hídrico, producción y retención de sedimentos en el área de estudio, utilizando el modelo InVEST, y comparar las condiciones actuales con 3 escenarios de cambio de coberturas, basados en tasas de deforestación calculadas en estudios consultados por la Fundación Cordillera Tropical.

¿Cómo lo hicimos?

1. Recolección de información para correr InVEST

InVEST es una herramienta de modelamiento espacial que permite cuantificar, mapear y valorar servicios ambientales. Dichos cálculos se realizan a partir de principios científicos bien conocidos, lo cual robustece los resultados y disminuye el nivel de error.

Para este estudio se corrieron solo dos modelos del set de InVEST: 1) rendimiento hídrico (water yield) y 2) producción y retención de sedimentos. La información levantada para correrlos se resume en la Tabla 1.

Tabla 1 Requerimientos de información para correr InVEST

MODELO NOMBRE DESCRIPCIÓN RENDIMIENTO HÍDRICO

Modelo de Elevación Digital (DEM)

Raster con un valor de elevación por cada celda.

Profundidad del suelo Raster con la profundidad promedio del suelo.

Precipitación Raster con valores de precipitación media anual.

Contenido disponible de agua para plantas (PAWC)

Raster con el 'contenido disponible de agua para plantas' (PAWC). Esto es la fracción de agua que puede ser guardada en el perfil de suelo que está disponible para el uso de las plantas.

Evapotranspiración potencial media anual

Raster con la evapotransipiración potencial anual promedio. Esto es la pérdida de agua del suelo tanto por evaporaciòn como por transpiración en Alfalfa (o pasto), si hay suficiente agua disponible.

Uso/cobertura del suelo Raster con el uso y cobertura del suelo del área de estudio

Cuencas (watersheds) Raster con las cuencas, de modo que cada cuenca contribuye a un punto de interés donde se analiza la producción hidroeléctrica.

Tabla biofísica Tabla con clases de uso y cobertura del suelo, y atributos fisicoquímicos de cada unidad. Este modelo requiere el "coeficiente de evapotranspiración" y la "profundidad de raíces".

PRODUCCIÓN Y RETENCIÓN DE SEDIMENTOS

Modelo de Elevación Digital (DEM)

Raster con un valor de elevación por cada celda.

Índice de erosividad de la lluvia ( R)

Raster con un valor del índice de erosividad. Esta variable depende de la intensidad y duración de las lluvias en el área de interés. Entre más grande sea la intensidad y duración de una tormenta, más alta es la erosión potencial.

Erodabilidad del suelo (K) Raster con un valor de erodabilidad del suelo. K es la medida de la susceptibilidad de las partículas de suelo al desprendimiento y transporte por lluvia y escorrentía.

Uso/cobertura del suelo Raster con el uso y cobertura del suelo del área de estudio Sub-cuencas Shapefile con la delimitación de subcuencas del área de

estudio Cuencas (watersheds) Raster con las cuencas, de modo que cada cuenca contribuye a

un punto de interés donde se analiza la producción hidroeléctrica.

Tabla biofísica Tabla con clases de uso y cobertura del suelo, y atributos fisicoquímicos de cada unidad. Este modelo requiere la "eficiencia de retención de sedimentos de la cobertura vegetal" y los "factores de uso y manejo del suelo" de la ecuación universal de pérdida de suelos (USLE)

2. Creación de los escenarios

Se crearon tres mapas potenciales de coberturas basados en las tasas de deforestación y deparamización proporcionadas por la Fundación Cordillera Tropical. A continuación describo brevemente el estudio realizado:

Un estudio utilizando imágenes satelitales realizado por Bridget Lair en 2002 calificó la pérdida del bosque entre 1987 y 1998 como 0.58% anualmente en 3 de los 6 subcuencas del Nudo del Azuay.

- La ventaja de este estudio es su clasificación de vegetación pudo separar bosque del pino del bosque nativo.

- La desventaja es que el estudio es del pasado y tenemos que preguntar si el presente está igual que el pasado. En una consulta con un experto de deforestación, Dr. Sven Wunder de CIFOR, él sugiere que hay una disminución en deforestación después de la dolarización en Ecuador (en el año 2000).

Un estudio realizado por FCT utilizando imágenes satelitales entre 1991 y 2001 encontró: Cobertura perdida Ha perdido en 10 años Ha perdida x año % perdido x año

Total del bosque perdido 1991-2001 6421,5731 642,15731 0,44%

Total del páramo perdido 1991-2001 1396,779 139,6779 0,09%

La creación de los nuevos mapas (escenarios) se realizó por medio de un simple geoprocesamiento: aquellos pixeles de cobertura natural (bosques y páramo) que tuvieran una mayor vecindad con los pixeles de coberturas transformadas (pastos y cultivos), serían convertidos a estos últimos hasta alcanzar el umbral de transformación, que se calcula de la siguiente forma:

(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑝𝑝é𝑟𝑟𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑𝑡𝑡 %) 𝑥𝑥 (á𝑟𝑟𝑑𝑑𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑟𝑟𝑡𝑡𝑐𝑐𝑟𝑟𝑡𝑡 𝑛𝑛𝑡𝑡𝑡𝑡𝑐𝑐𝑟𝑟𝑡𝑡𝑛𝑛)𝑥𝑥 (𝑛𝑛𝑡𝑡𝑝𝑝𝑡𝑡𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑡𝑡𝑛𝑛á𝑛𝑛𝑟𝑟𝑡𝑡𝑟𝑟𝑡𝑡)

Los escenarios que creamos, muestran cómo se espera que sea la configuración del paisaje en nuestro lapso de análisis (10 años), basado en las tasas que se muestran arriba, de la siguiente forma:

Escenario 1 (optimista): si la tasa de pérdida calculada se redujera a la mitad.

Escenario 2 (sin cambio): si la tasa de pérdida calculada se mantuviera igual.

Escenario 3 (pesimista): si la tasa de pérdida calculada se duplicara.

3. Correr InVEST

Cada modelo (rendimiento hídrico y producción & retención de sedimentos) se corrió 4 veces: 1) Línea base (escenario 0), 2) Escenario 1, 3) Escenario 2, 4) Escenario 3.

Para descargar la herramienta y leer el manual de usuario, puede seguir el link a continuación:

http://invest.ecoinformatics.org/

Resultados

1. Mapa de coberturas

La Figura 2 muestra el mapa de coberturas del área de estudio. Se observan como coberturas predominantes bosques, páramos y pastizales introducidos para la producción ganadera. El páramo se encuentra en las zonas más altas, seguido por el bosque y se observa una expansión de la frontera pecuaria desde los márgenes de los ríos, creciendo hacia las zonas boscosas.

Figura 2 Mapa de coberturas

2. Escenarios

La Figura 3 muestra la línea base y los tres escenarios de cambio de cobertura realizados para el estudio. El cuadrante rojo en cada mapa hace un acercamiento a una de las zonas donde se observa la transición entre la cobertura de bosque y la de pasto.

Figura 3 Escenarios de cambio de coberturas 3. Rendimiento hídrico

La Figura 4 muestra los resultados de InVEST para el rendimiento hídrico en m3/ha. Se puede observar que el orden de magnitud entre subcuencas se mantiene para la línea base y para todos los escenarios, sin embargo, los valores cambian.

Figura 4 Rendimiento hídrico 4. Exportación de sedimentos

La exportación de sedimentos se define como la cantidad de sedimento que cada subcuenca le aporta al cuerpo de agua en su salida (outlet). El cálculo de este valor incorpora la retención llevada a cabo por la vegetación (Figura 5).

Figura 5 Exportación de sedimentos 5. Retención de sedimentos

La retención de sedimentos se entiende como la cantidad de sedimentos retenidos por la vegetación en cada subcuenca, es decir, la cantidad de sedimentos que la vegetación previene que sean depositados en los cuerpos de agua a la salida de la subcuenca. La Figura 6 muestra la retención de sedimentos en las subcuencas de estudio para los escenarios creados.

Figura 6 Retención de sedimentos

Análisis de resultados

1. Escenarios En los escenarios creados, la cobertura de pastos introducidos reemplaza a bosques y páramos a las tasas calculadas por el estudio citado previamente. La Figura 7 muestra gráficamente la reducción en el área de las coberturas naturales, áreas que han sido reemplazadas por pastos.

Figura 7 Cambio de coberturas en cada escenario

Se observa cómo, en la medida en que el escenario es más “pesimista”, la cobertura es menos en ambos casos (páramo y bosque). Sin embargo, en el caso del bosque hay una reducción mucho más dramática, que se puede explicar por la mayor tasa de deforestación (0.44 %/año), comparada con la de deparamización (0.09 %/año). 2. Rendimiento hídrico InVEST mostró que las subcuencas que más aportan agua por hectárea son, en orden descendente: Púlpito, Llavircay, Pindilig, Mazar y Juval. La razón para expresar este valor en m3/ha es conocer el aporte promedio de cada subcuenca, lo cual es un indicador de su estado general de conservación. Si se analizara sobre el valor absoluto del aporte de cada subcuenca, habría un sesgo dada el área (es más probable que las subcuencas más grandes aporten más agua). La Figura 8 muestra un fenómeno interesante. En la medida que el escenario es más “pesimista”, el rendimiento hídrico crece; en otras palabras, a menos ecosistemas naturales (bosque y páramo), más agua. Aunque es un mensaje contradictorio, tiene su explicación en el diseño del modelo. Todos los datos que reciben los modelos Nivel I de InVEST, son anuales. En este sentido, tiene toda la lógica que

39.103,72 38.243,44

37.383,16

35.662,60

50.034,16 49.809,01 49.583,85 49.133,55

35.000,00

37.000,00

39.000,00

41.000,00

43.000,00

45.000,00

47.000,00

49.000,00

51.000,00

Área línea base (ha)

Área en 10 años (ha) (esc

1)

Área en 10 años (ha) (esc

2)

Área en 10 años (ha) (esc

3)

Bosque

Páramo

un paisaje con menor área de cobertura boscosa, cuyas raíces absorben gran cantidad de agua y sus estructuras tienen una alta evapotranspiración, exporte más agua en un periodo anual. El beneficio real de los bosques, y en general de los ecosistemas naturales, con respecto al rendimiento hídrico no es la producción sino la regulación. Es de esperarse que en una cuenca con una buena cobertura de vegetación natural haya una balanceada provisión del recurso hídrico en un periodo de un año, lo que se traduce en oferta suficiente durante el verano, y ausencia de inundaciones o crecidas de ríos en invierno. En cuencas altamente intervenidas sucede exactamente lo contrario: durante el invierno toda el agua baja, produciendo riesgo de inundaciones en eventos de extrema precipitación, y durante el verano hay escasez.

Figura 8 Rendimiento hídrico en los tres escenarios (m3/ha)

3. Exportación de sedimentos El aporte de sedimentos por subcuenca, en orden descendente, es: Llavircay, Mazar, Pindilig. Púlpito y Juval. Esta tendencia se conserva para 4 subcuencas, excepto para Púlpito, cuyos valores de exportación incrementan a una mayor tasa que las demás, ubicándola en la segunda subcuenca con mayor aporte en el escenario 3 (Figura 9). La hipótesis más fuerte que explica este fenómeno es que la deforestación propuesta en los escenarios esté ocurriendo, para la subcuenca Púlpito, en las zonas con mayor riesgo de erosión (altas y largas pendientes). En términos generales, entre más “pesimista” es el escenario, mayor exportación de sedimentos habrá a los cuerpos de agua en la parte baja de las subcuencas, incluidos embalses y represas.

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

Línea base Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3

Juval

Mazar

Pindilig

Llavircay

Pulpito

Figura 9 Exportación de sedimentos en los tres escenarios (tons/ha)

4. Retención de sedimentos

La Figura 10 muestra la retención de sedimentos en cada subcuenca. El orden de las subcuencas, de las que más a las que menos retienen, es: Púlpito, Llavircay, Mazar, Juval y Pindilig. Se observa una ligera reducción de la retención en la medida que el escenario es más “pesimista”, sin embargo dicha reducción no parece ser significativa (sería necesario llevar a cabo una prueba estadística para confirmar esta afirmación).

Figura 10 Retención de sedimentos en los tres escenarios (tons/ha)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

Línea base Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3

Juval

Mazar

Pindilig

Llavircay

Pulpito

150

170

190

210

230

250

270

290

310

330

350

Línea base Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3

Juval

Mazar

Pindilig

Llavircay

Pulpito

Conclusiones

- Para el análisis de escenarios, el reemplazo de coberturas se da únicamente de páramo>pastos y bosque>pastos.

- La reducción del bosque es mucho más dramática (rápida) que la del páramo, a medida que el escenario es más “pesimista”. Esto se puede explicar porque la frontera pasto-bosque es mayor que la de pasto-páramo.

- El aporte de las subcuencas al rendimiento hídrico (m3/ha), de mayor a menor, fue: Púlpito, Llavircay, Pindilig, Mazar y Juval.

- El modelo de rendimiento hídrico arroja resultados totales anuales, por lo cual entre más “pesimista” es el escenario, mayor rendimiento hídrico hay (mensaje contradictorio). La eliminación de coberturas naturales no reduce la cantidad de agua que baja por la cuenca, pero altera el efecto regulador, de forma que en invierno puede aumentarse el riesgo de inundaciones, y en verano el riesgo de sequías.

- La cantidad de sedimentos exportados en las subcuencas (tons/ha), de mayor a menor, fue: Llavircay, Mazar, Pindilig, Púlpito y Juval en la línea base. Entre más pesimista era el escenario, Púlpito aumentaba sus valores a una tasa mayor que las demás subcuencas ubicándose en el segundo lugar con mayor aporte en el escenario 3.

- El incremento anormal (comparativamente con las otras subcuencas) en la tasa de exportación de sedimentos para Púlpito, puede obedecer a un fenómeno de reemplazo de coberturas naturales en zonas con altos riesgos de erosión.

- La retención de sedimentos por subcuenca (tons/ha), de mayor a menor, fue: Púlpito, Llavircay, Mazar, Juval y Pindilig.

- Aunque las curvas de retención de sedimentos entre cada escenario muestra valores más bajos en escenarios pesimistas, dicha reducción no parece ser significativa, aunque habría que realizar una comprobación estadística para confirmar esta hipótesis.