“respuesta en los caudales y el transporte de sedimentos a
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“Respuesta en los caudales y el transporte de sedimentos a
eventos de precipitación durante invierno, en dos microcuencas
cubiertas con bosque siempreverde del predio Llancahue,
Región de los Ríos”
Patrocinante: Sr. Cristián Frêne C.
Copatrocinante: Sr. Carlos Oyarzun O.
Trabajo de Titulación presentado como parte
de los requisitos para optar al Título de
Ingeniero en Conservación de Recursos Naturales
MARCOS ANDRÉS RODRÍGUEZ OSSES VALDIVIA
2013
i
Calificación del Comité de Titulación
Nota
Patrocinante: Sr. Cristián Frêne Conget ___6,5___
Copatrocinante: Sr. Carlos Oyarzun Ortega ___6,5__
Informante: Sr. Pablo Donoso Hiriart ___6,3___
El Patrocinante acredita que el presente Trabajo de Titulación cumple con los requisitos de
contenido y de forma contemplados en el Reglamento de Titulación de la Escuela. Del mismo modo,
acredita que en el presente documento han sido consideradas las sugerencias y modificaciones
propuestas por los demás integrantes del Comité de Titulación.
_______________________________
Sr. Cristián Frêne Conget
ii
Agradecimientos
Quiero agradecer a todas aquellas personas que me apoyaron en mi etapa de estudiante. A
quienes compartieron amistad y compañerismo y a los que fueron fuente de inspiración:
Mis más sinceros agradecimientos a mi profesor Patrocinante, Cristian Frêne. Gracias por su
apoyo constante, su confianza y paciencia para explicarme una y otra vez los gráficos y procesos
hídricos. Sus consejos fueron acertados y relevantes, pero sobre todo, agradezco la oportunidad de
haber cultivado una amistad.
A mi profesor Co-Patrocinante, Dr. Carlos Oyarzún O. por su apoyo y ayuda en el desarrollo de
esta investigación, por la oportunidad de haber aprendido y profundizado los conocimientos.
A mi profesor Informante Dr. Pablo Donoso H, por su ayuda, su buena disposición a colaborar
en todo sentido en la realización del estudio y particularmente por su buena recepción al minuto de
iniciar este trabajo.
A Paul Dassori, Rodrigo Bravo, Hardy Palacio por su ayuda, su buena disposición y sobre todo
por la paciencia en cuanto a mi reiteradas consultas.
A mis compañeros de Universidad Felipe G., Luis D., Diego M., Gonzalo D., y muchos más
que tuvieron la disposición para realizar actividades de terreno, bajo frio y lluvia y especialmente a
Jessica Winkler y Julio Gerding por su ayuda en el último periodo de tesis.
A mis amigos de siempre Lorena Sandoval, Pauli Montory, Neftalí Lloncon, Diego Ponce,
Alejandro Uribe, Pablo Cabrera Rodrigo Vidal y Diego Martínez por compartir su amistad y su apoyo a
lo largo de este camino.
Finalmente agradezco a las personas que hicieron posible este logro, Eo que me incentivo y
respaldo al inicio de esta aventura, mi madre Eduvina que con su esfuerzo y sacrifico siempre lucho por
mí, mis hermanos Gloria, Ruth, Miriam Luis y Rubén que me apoyaron durante todo este periodo y en
especial mi padre Luis que estuvo desde el cielo conmigo.
Gracias por todo
iii
Dedicatoria
“A mi padre y madre quienes estuvieron siempre a mi lado y
me entregaron todo el amor del mundo”
Índice de materias
Página
I Calificación del Comité de Titulación i
Ii Agradecimientos ii
iii Dedicatoria iii
iv Resumen iv
1
INTRODUCCIÓN 1
2 ESTADO DEL ARTE 3
2.1 Ciclo hidrológico 3
2.2 Cuencas hidrográficas 4
2.3 Caracterización hidrológica de la cuenca 4
2.4 Precipitaciones y lluvias extremas 5
2.5 Escorrentía 5
2.5.1 Factores que regulan la escorrentía 6
2.6 Transporte de sedimentos y su relación con el caudal 7
2.6.1
Sedimentos 7
3 MATERIAL Y MÉTODOS 8
3.1 Área de estudio 8
3.2 Metodología 10
3.2.1 Delimitación y caracterización de las microcuencas 10
3.2.2 Período de estudio 10
3.2.3
3.2.4
Caracterización de la vegetación y estimación de la tasa de infiltración de los
suelos en las microcuencas
Variables de respuestas hidrológicas
10
11
3.2.4.1
3.2.4.2
3.2.4.3
3.3
3.3.1
4
4.1
4.1.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
5
5.1
5.2
5.3
Precipitaciones
Caudal
Transporte de sólido suspendidos
Análisis de datos
Relación entre CSS y caudal medio
RESULTADOS
Caracterización y delimitación de las cuencas
Cobertura vegetal de la cuenca
Características geomorfológicas de las microcuencas
Parámetros de relieve
Parámetros relacionados con la red hidrográfica
Infiltración
Análisis de eventos de tormenta
Precipitación y coeficiente de escorrentía
Caudales por evento de precipitación entre cuencas
Transporte de sedimentos y su relación a eventos de precipitación
DISCUSIÓN
Caracterización morfométricas de las cuencas
Vegetación y tasa de infiltración
Eventos de precipitación, caudales (Q), y tiempos de respuesta
11
11
12
13
14
16
16
17
17
18
19
20
21
21
22
24
26
26
27
28
5.4
6
7
Concentración de sedimentos suspendidos (CSS)
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
Anexos:
1 Formulas morfométricas.
2 Eventos de precipitación.
3 Fluviógrafo, Estación limnimétrica, y muestreador Isco ®.
4 Estación de filtrado, horno, filtros sedimentos.
5 Tabla rodal.
6 Tabla salida software Arcswat®.
7 Tabla Clasificación Horton.
29
30
31
iv
RESUMEN
Se estudiaron dos microcuencas hidrográficas cubiertas por bosque nativo siempreverde
localizadas en el predio Llancahue, provincia de Valdivia, Chile. El objetivo fue evaluar la respuesta de
caudales a eventos de precipitación de distinta intensidad y sus efectos sobre el transporte de
sedimentos. Para ello, se evaluaron tres tormentas de diferente intensidad y duración y se realizó una
comparación en la caracterización morfológica, tiempos de respuesta de caudales, sus crecidas, y las
concentraciones de sedimentos y exportaciones.
Las microcuencas presentaron similitud cinemática y geométrica, pero no dinámica (diferencias
en coeficiente orográfico). La cubierta vegetal estaba conformada por bosque siempreverde de alta
densidad (1600 arb/ha) y múltiples estratos. Las tasas de infiltración fueron altas para invierno, con
valores de 72 y 122 mm/h-1
, para las microcuencas A y B respectivamente. Las tormentas no
presentaron similitudes de comparación entre duración e intensidad. En los eventos de precipitación los
caudales presentan diferencia en magnitud de crecidas, siendo la microcuenca A la que supera hasta en
un 300% a B. en mayor evento de precipitación, sin embargo presentan tiempos de respuesta similares,
desde 9 minutos hasta 3,5 horas. En los eventos de menor aporte de lluvias se observa un mayor aporte
de caudal base, con valores que van desde un 83% en la microcuenca A hasta 96% en B. En evento de
mayor intensidad predominan las escorrentías superficiales con valores de 53% y 29% para A y B
respectivamente. Las concentraciones de sedimento suspendidos (CSS) promedios para todos los
eventos indicaron que la microcuenca A obtuvo mayores valores de CSS, alcanzando 41.7 mg/L,
mayor en un 51% a la microcuenca B (20 mg/L). Los eventos del 11 y 13 de Agosto tuvieron valores
similares de CSS y el evento 30 de Agosto fue superior en la Microcuenca A, con un valor de 62.1
mg/L. Los montos de sedimentos exportados fueron variables por evento, pero la máxima exportación
ocurrió en el evento del 13 de Agosto, que tuvo una duración de 33 horas y generó 5.23 kg/ha en
microcuenca A y de 2.66 kg/ha en B. Finalmente, se indica que microcuenca A responde con mayor
intensidad en caudales, concentraciones y exportación de sedimentos a eventos de precipitación.
Palabras claves: Precipitación, caudal, sedimentos e infiltración
1
1. INTRODUCCIÓN
El ciclo hidrológico corresponde a un modelo de circulación general que describe los
movimientos y transformaciones del agua (Lee 1980). Se tiene conocimiento de que las diversas
cubiertas vegetales se encuentran íntimamente relacionadas con la cantidad, distribución y
posibilidades de aprovechamiento de los recursos hídricos. Aussenac y Boulangeat (1980) mencionan
que la influencia de los bosques sobre el ciclo hídrico es compleja y variable de acuerdo al tipo de
clima.
Los bosques poseen un impacto en el ciclo hídrico a través de la redistribución de las
precipitaciones a nivel de cuenca, ya que modifican la cantidad y lugar donde las precipitaciones
alcanzan la superficie del suelo, determinando de esta manera la disponibilidad de agua que fluye por
los cursos de agua y reduciendo los efectos de arrastre de sedimentos (Huber y Oyarzún 1990).
En este sentido, los eventos de precipitación de gran intensidad (tormentas) están estrechamente
relacionados con las crecidas máximas de los caudales, debido principalmente a un aumento de la
escorrentía superficial, que arrastra material particulado desde las laderas de las cuencas hacia los
cursos de agua, generando efectos como erosión, transporte de sólidos suspendidos en la columna de
agua, cambios del flujo y concentración de nutrientes en los caudales, entre otros (Iroumé 2003).
El transporte de sólidos suspendidos tiene un rol fundamental en el ciclo biogeoquímico de las
cuencas forestadas. Ellos degradan el hábitat acuático y rompen las conexiones en la relación suelo-
agua, aumentan el transporte de contaminantes adsorbidos a las partículas e incrementan los costos de
tratamiento asociados al uso público del agua (Rehg et al., 2005, Gomi et al., 2005). Las partículas en
suspensión están estrechamente relacionados con los caudales y escurrimientos superficiales, que
arrastran material por las laderas de las cuencas generados durante los períodos de tormenta (Iroumé,
2003).
Los análisis a distintas escalas temporales, referidos a la generación de caudales y el transporte
de sedimentos desde las laderas hacia los cursos de agua, son necesarios para entender los procesos que
ocurren al interior de cuencas hidrográficas durante eventos de precipitación, ya que de esta manera se
puede conocer la magnitud del impacto de éstas a distinta intensidad sobre la calidad y cantidad de
agua.
En las últimas tres décadas, el manejo forestal ha experimentado notables cambios en todo el
mundo. La silvicultura actual busca integrar objetivos múltiples, entre los que se incluye la regulación
2
del flujo hidrológico de las cuencas, la provisión de condiciones de hábitat favorables para especies
silvestres y la mantención de características estéticas del paisaje (Armesto et al. 1998).
En este contexto, el presente estudio tiene como objetivo evaluar la respuesta de caudales a
eventos de precipitación de distinta intensidad y sus efectos sobre el transporte de sedimentos en dos
microcuencas cubiertas con bosque siempreverde de la Cordillera de La Costa, Región de los Ríos.
Para el cumplimiento de este objetivo se plantean los objetivos específicos de i) describir y caracterizar
morfométricamente las dos microcuencas, para evaluar atributos relacionados con la escorrentía y el
transporte de sedimentos, y; ii) cuantificar la intensidad y duración de eventos de precipitación,
relacionándolos con los efectos sobre caudales y transporte de sedimentos, realizando una comparación
entre ambas microcuencas.
3
2. ESTADO DEL ARTE
2.1 Ciclo hidrológico
La hidrología tiene como principio básico el estudio y análisis de los componentes del ciclo
hidrológico, el cual representa las diferentes transformaciones y flujos del agua en un ecosistema
(Martínez y Navarro, 1996). La recepción de agua sobre una cuenca se inicia con la precipitación y
luego ésta es transformada en diferentes flujos y almacenamientos, los cuales conforman el ciclo
hidrológico local (Rojas, 2009).
El ciclo hidrológico es un modelo de circulación general, siendo generalmente simplificado y
analizado bajo el contexto del ciclo de escorrentía o redistribución de precipitaciones, que en el caso
de un ecosistema forestal consta de los siguientes componentes (Figura 1): precipitación incidente y
directa; escurrimiento fustal, intercepción, infiltración, escorrentía superficial y subsuperficial; caudal,
transpiración, evaporación del suelo, y asimilación por parte de los organismos (Lee, 1980; Humbert &
Najjar, 1992).
Figura 1. Modelo de redistribución de precipitaciones en un ecosistema forestal (Humbert y
Najjar 1992)
4
Cada uno de estos componentes es un elemento fundamental del ciclo hídrico, ya que permite la
circulación continua del agua proveniente de las precipitaciones a través del ecosistema, purificándose
y retornando temporalmente a su fuente inicial, permitiendo con esto la disponibilidad de este vital
recurso renovable (Llerena, 2005; Cárcamo, 2006).
2.2 Cuencas Hidrográficas
Existen múltiples definiciones para el concepto de cuenca hidrográfica, desde el enfoque
fisiográfico. Las cuencas hidrográficas se pueden definir como una superficie terrestre en la cual el
agua procedente de las precipitaciones caídas sobre ella se dirige hacia el mismo punto de salida y
dependiendo si el punto de salida se encuentra en el interior de los límites de la cuenca se trata de una
cuenca endorreica, si el punto se encuentra sobre el mismo límite se habla de cuenca exorreica
(Martínez y Navarro, 1996).
Desde un punto de vista ecosistémico, las cuencas hidrográficas se definen como el espacio
territorial y atmosférico delimitado geográficamente por la línea divisoria de las aguas, en cuyo lugar
ocurre el ciclo hidrológico y donde interactúan todos los recursos naturales que lo componen (hídricos,
pedológicos, climáticos, vegetacionales y faunísticos), conformando un ecosistema (CONAF, 2008).
2.3 Caracterización hidrológica de la cuenca
El análisis de las características hidrológicas de una cuenca permite establecer las variables y
los parámetros que serán utilizados para su análisis, determinando las potencialidades y problemas de
la misma. Por otra parte, el conocimiento de las características de una cuenca es indispensable para
estimar las medidas de diseño de obras y otras acciones que se realizarán dentro de la cuenca (Rojas,
2009).
Según Martínez y Navarro (1996), los parámetros físicos o morfológicos intentan reflejar las
características de las cuencas en cuanto a su forma y la influencia en la respuesta a las precipitaciones,
es decir, las características fisiográficas de la cuenca pueden ser explicadas a partir de ciertos
parámetros o constantes que se obtienen del procesamiento de la información cartográfica y
conocimiento de la topografía de la zona de estudio. En general, las variables del sistema hidrológico
5
cambian de tormenta a tormenta, en contraste con los parámetros morfológicos que permanecen
invariables (Ortiz, 2004).
2.4 Precipitaciones y lluvias extremas
Las características más importantes de la precipitación que deben ser incluidas dentro del
análisis de una cuenca son precipitación media y lluvias extremas (Rojas, 2009). La precipitación
media corresponde a las precipitaciones que registran valores pluviométricos promedios, según una
base de registros históricos de un determinado lugar espacial y estas pueden ser estimadas para una
cuenca a través de tres procedimientos: método aritmético, polígonos Thiessen y método de isoyetas
(Martínez y Navarro, 1996).
La precipitación media puede estimar los valores puntuales y los valores espaciales. Los valores
puntuales pueden expresarse de acuerdo al uso a que se destinará la información; para aspectos
generales de planificación se utilizarán los valores anuales; para balances hídricos y estimaciones de la
potencialidad de la cuenca para usos productivos, los valores mensuales son los más adecuados (Rojas,
2009).
Las lluvias extremas son aquellas precipitaciones que, en forma de lluvia o nieve, registran
valores altamente superiores a los promedios pluviométricos históricos, según una base de registros
históricos de un determinado lugar espacial (Rivera, 2005; UTEEDA, 2007). Las lluvias extremas son
estudiadas mediante el análisis de frecuencia y son presentadas en mapas y gráficos de intensidad-
duración-frecuencia (Rojas, 2009). Los valores de lluvias extremas son utilizados en el diseño de
estructuras, en las estimaciones de caudales máximos y en las estimaciones de erosión.
2.5 Escorrentía
Martínez y Navarro (1996) definen escorrentía como la fracción de la precipitación que alcanza la
red de drenaje, dividiéndose en:
Escorrentía superficial: agua que no se infiltra, producto de la saturación del suelo y que alcanza
la red de drenaje moviéndose por la superficie del terreno por acción de la gravedad.
6
Escorrentía sub superficial: agua que penetra al suelo por infiltración y se desplaza al interior
del perfil, producto de la saturación de los primeros horizontes, en movimientos verticales y
horizontales.
Escorrentía subterránea: fracción de la precipitación que se desplaza verticalmente en el perfil
de suelo, llegando a la napa freática y desembocando posteriormente a la red de drenaje
superficial en el punto de salida de la cuenca. Esta escorrentía es en general de velocidad de
movimiento lenta, menor a 1 m/h.
La escorrentía puede presentarse en forma de valores medios anuales, mensuales o diarios y como
valores extremos (Rojas, 2009).
2.5.1 Factores que regulan la escorrentía
La intensidad, duración y distribución espacial de las precipitaciones es uno de los factores que
tiene mayor influencia sobre la escorrentía, junto con la morfología de la cuenca; área, forma, tamaño y
pendientes tiene gran incidencia sobre esta (Huber y Iroumé, 2001).
Es bien conocido el rol de la cubierta vegetal en la generación de escorrentía, ya que la cantidad
de precipitación que llega al suelo depende en gran medida del tipo y densidad de esta cubierta (Iroumé
y Huber, 2000). La vegetación reduce la cantidad de agua que llega al suelo y disminuye la energía
cinética de las precipitaciones, mediante el proceso de intercepción (Iroumé y Huber, 2000). Además
frena la velocidad de la escorrentía superficial, aumentando la posibilidad de infiltración, y mantiene el
suelo por debajo de la capacidad de campo. En el suelo, la vegetación incorpora materia orgánica y
mejora la estructura, estabilizando los agregados frente a la acción del agua (Martínez y Navarro,
1996).
7
2.6 Transporte de sedimentos y su relación con el caudal
2.6.1 Sedimentos
La carga de sedimentos que llega a un curso de agua está dividida en sólidos suspendidos, que
se mueven en la columna de agua, y sedimentos de fondo, que son partículas que se mueven en
contacto con el lecho del curso de agua (Hassan et al., 2005).
Las actividades forestales generan transporte de sedimentos fino, que llegan a los cursos de
agua constituyendo sólidos suspendidos y tienen gran relevancia en los procesos biogeoquímicos de
pequeñas cuencas (Gomi et al., 2005). Las tasas de sedimentos exportados pueden tener fuertes
fluctuaciones anuales dependiendo de las características de las precipitaciones (frecuencia, duración,
cantidad e intensidad) y de la disponibilidad de sedimentos (Oyarzún el al., 2011), y además debido a
deslizamientos de tierra naturales, diferencias bruscas en la pendiente, la influencia del suelo y los
incendios forestales (Gomi et al., 2005).
Los sedimentos producidos en suspensión son un buen indicador para medir erosión, sin
embargo las características físicas y químicas de éstos son importantes, ya que afectan el transporte y
depositación; por otro lado sirven para evaluar la concentración potencial de contaminantes
provenientes de pesticidas, herbicidas y fertilizantes (Oyarzún, 1994).
El sedimento fino en la columna de agua puede ser expresado cuantitativamente como la
concentración de sedimentos en suspensión (CSS), por lo general en miligramos de sedimentos por
litro de agua, o como turbidez (Gomi et al., 2005).
Lorente et al. (2000) describieron tres patrones de comportamiento del sedimento en suspensión
durante eventos de lluvia. El primero corresponde al punto máximo en la curva de CSS, que precede al
valor máximo de caudal. Este desfase se asocia a lluvias cortas y no necesariamente intensas, donde la
producción de sedimento se relaciona bastante bien con el momento de máxima intensidad de
precipitación. El segundo patrón explica que el valor mayor de la curva de CSS se produce cuando ya
se ha iniciado el tramo descendente del caudal. Esto puede suceder por la caída de un talud
desestabilizado o por sedimentos depositados en la red de drenaje. Este patrón se asocia generalmente a
cuencas pequeñas, donde leves movimientos de masa de corta duración tienen grandes repercusiones en
el transporte de sedimentos. En el tercer patrón se identifican dos o más valores máximos de CSS,
durante crecidas de larga duración. La característica de la segunda crecida es que el valor máximo de
8
CSS es notablemente inferior al primero. Esto se explicaría por un agotamiento en la fuente de
generación de sedimentos en el cauce o a la mayor importancia del caudal base al momento del
segundo valor máximo. Por último, se podría explicar por un proceso de dilución, debido al mayor
suministro de agua limpia de las zonas cercanas al cauce.
3. MATERIAL Y MÉTODO
3.1 Área de estudio
La investigación se desarrolló en dos microcuencas hidrográficas ubicadas a 6 km al este de la
ciudad de Valdivia (39º48’ S y 39º52’ S, y 73º11’ O y 73º7’ O), Región de los Ríos, en el predio
Llancahue. Ambas cuencas están a 180 m s.n.m de altitud promedio, en una ladera media de exposición
sur y pendiente media de 30% aproximadamente (figura 2).
El clima según Di Castri y Hajek (1976) es templado lluvioso con influencia mediterránea,
registrándose precipitaciones en todos los meses del año con una clara concentración entre abril y
octubre. La precipitación media anual es de 2.357 mm, siendo julio el mes más lluvioso y febrero el
más seco. Además se registra una temperatura promedio anual de 12,0 °C (promedio de enero = 17,0
°C, promedio de julio = 7,6 °C) (Oyarzún et al., 2011).
9
Figura 2. Área de estudio, predio Llancahue, provincia de Valdivia, Región de los Ríos.
El suelo predominante es rojo arcilloso, originado por sedimentos plio-pleistocénicos
depositados sobre esquistos metamórficos, que corresponden a la serie Los Ulmos (Schlatter y Gerding
1995).
La cobertura boscosa de la zona de estudio corresponde a bosques que están presentes en
distintos estados sucesionales (Soto et al. 2010), sin embargo ambas microcuencas presentan bosques
del tipo forestal siempreverde dominados por coihue (Nothofagus dombeyi). Las especies arbóreas
acompañantes, la mayoría de mayor tolerancia a la sombra que coihue, corresponden a ulmo
(Eucryphia cordifolia), olivillo (Aextoxicon punctatum), tepa (Laureliopsis philippiana), avellano
(Gevuina avellana), laurel (Laurelia sempervirens), lingue (Persea lingue), tineo (Weinmannia
trichosperma), mañío de hoja larga (Podocarpus salignus) y mañío hembra (Saxegothaea conspicua),
además de especies de la familia Mirtaceae (Luma apiculata, Amomyrtus luma y Amomyrtus meli). El
piso del bosque está dominado por quila, en distinta densidad dependiendo de la cobertura del dosel,
siendo más abundante en lugares con menor cobertura arbórea.
10
3.2 Metodología
Para poder establecer descripciones en los eventos de precipitación y sus efectos sobre caudales
y transporte de sedimentos se utilizó el método de cuenca representativa. Se denominó microcuenca
“A” a la cuenca de mayor tamaño y microcuenca “B” a la de menor tamaño.
3.2.1 Delimitación y caracterización de las microcuencas
Con trabajo en terreno con sistema GPS (Sistema de Posicionamiento Global), fotografía aérea
(Light Detection and Ranging - LIDAR), asociado al raster que posee curvas de nivel cada 1 m y los
software ARCGIS® y ARCSWAT
® (este último complemento del primero), se delimitó cada una de las
microcuencas y su red hidrográfica, obteniendo su área, perímetro y longitud del cauce, además de
otras variables que permitieron generar la base de datos para los cálculos morfométricos. Las
microcuencas fueron caracterizadas mediante índice de Gravelius, pendiente media, curva
hipsométrica, coeficiente orográfico, altura media y tiempo de concentración (Ortiz, 2004). Sobre la
red de drenaje se determinó longitud, densidad y pendiente del cauce, obteniendo el coeficiente de
torrencialidad (anexo 1). Por último, según la categorización de Horton y Strahler (1976) se
clasificaron los cauces de la red hídrica.
3.2.2 Período de estudio
Se consideró para el periodo de investigación la estación de invierno, centrándose en el periodo
desde el 15 de Julio al 31 de Agosto del año 2012. Se registraron ocho eventos en total (5 eventos solo
para la microcuenca A y 3 para las microcuencas A y B), dejando para el análisis final los tres eventos
de precipitación de mayor representatividad y con información de ambas microcuencas (anexo 2).
3.2.3 Caracterización de la vegetación y estimación de la tasa de infiltración de los suelos
en las microcuencas
Se realizaron tres parcelas de 500 m² (20x25 m), distribuidas en forma dirigida en la parte alta,
media y baja de cada microcuenca, con el fin de obtener las variables dasométricas: DMC, área basal,
11
altura dominante, densidad y cobertura arbórea. Encada parcela se midieron, Dap, altura, Sanidad y
forma.
Durante el período de estudio se realizaron mediciones de la tasa de infiltración de los suelos en
fase saturada, utilizando un infiltrómetro de doble anillo (Halfmann 2005). Para esto se realizaron dos
transectos que cubrían longitudinalmente la superficie de cada microcuenca, obteniendo 30 mediciones
en cada uno de ellos. Las tasas de infiltración se determinaron en litros por minuto.
3.2.4 Variables de respuesta hidrológicas
3.2.4.1 Precipitaciones
Los aportes de agua por precipitaciones (precipitación incidente) se registraron con un
pluviógrafo (HOBO®), ubicado a campo abierto en un sector cercano a la parte alta de las
microcuencas (anexo 3).
Las precipitaciones se agruparon a intervalos de tres minutos y media hora, de esta manera se
calculó los montos de precipitación por tiempos de evento, diarios y mensuales, para su posterior
análisis.
3.2.4.2 Caudal
En cada microcuenca se instaló una estación limnimétrica que registró de manera continua el
caudal de los efluentes, con limnígrafos barométricos (HOBO® Water Level) instalados en vertederos
de concreto tipo Thomson con un ángulo de escotadura de 60º (anexo 2). La frecuencia de registro fue
de 3 minutos, lo que permitió conocer la respuesta inmediata del caudal a los eventos de precipitación.
Además se llevó un registro análogo diario de la altura de la columna de agua durante gran parte del
periodo de estudio, con una reglilla instalada en cada vertedero, para posteriormente realizar los
cálculos correspondientes a caudales a través de una ecuación de regresión que fue ajustada para cada
cuenca.
El caudal se determinó con los registros de la estación limnimétrica, utilizando la siguiente fórmula:
Q = C * tanβ/2 * h
5/2 (2)
12
Donde:
C: Coeficiente de descarga.
β : Angulo en “V” (60°).
h: Carga hidráulica del vertedero (m).
Al considerar que el agua llega con velocidad cercana a 0 al fondo del vertedero y el ángulo en “V” de
60º, la ecuación se reduce a la siguiente expresión:
Q = 0,771 * h2,47
(3)
3.2.4.3 Transporte de sólidos suspendidos
El transporte de sólidos suspendidos en el cauce fue evaluado a través de un dispositivo
automático (ISCO SAMPLER 6712®) (anexo 2), que extrajo en cada evento estudiado muestras de
agua cada 30 minutos desde el efluente hacia contenedores de un litro de capacidad. Las muestras
obtenidas fueron procesadas para la determinación de CSS, en el Laboratorio de Hidrología del
Instituto de Ciencias Ambientales y Evolutivas de la Facultad de Ciencias, Universidad Austral de
Chile.
En el laboratorio se cuantificaron los sedimentos mediante el filtrado de muestras con bomba
de vacío, utilizando filtros de fibra de vidrio (ADVANTEC® GF75 de 47 mm de diámetro) que fueron
lavados con agua destilada, secados a 60 ºC durante 24 horas y quemados a 550 ºC por 20 min, con el
fin de eliminar cualquier impureza. Luego se pesaron los filtros en balanza de precisión, para
posteriormente ser utilizados para filtrar las muestras. Los filtros con el sedimento de las muestras
fueron secados a 60 ºC durante 24 horas y pesados en balanza de precisión para obtener el peso total de
sólidos suspendidos (anexo 4). Con esto se obtuvo la CSS para cada periodo de tiempo evaluado. El
valor por cada 30 minutos de CSS, multiplicado por el caudal promedio del mismo tiempo, permitió
cuantificar la carga de sedimento en suspensión que fue exportada en el rango de tiempo evaluado. La
suma de este rango de tiempo por el tiempo de duración del evento de la precipitación permitió conocer
la carga de sedimentos en suspensión exportada desde la microcuenca en cada evento.
13
3.3 Análisis de datos
Se agruparon las precipitaciones y escorrentía en lapsos de tres y treinta minutos; todos los
valores fueron llevados a milímetros (mm) de agua. Posteriormente, para cada evento se determinó la
fracción de la escorrentía que corresponde a caudal base y escorrentía superficial, utilizando el método
gráfico (Martínez y Navarro, 1996).
Los valores de escorrentía mensual y sus coeficientes fueron determinados en base a la fórmula
empírica de cálculos de escorrentía mensuales (Iroumé, 2010).
Es mes = P mes i+ (0,5 *P mes ii-1)+ (0,3 *P mes iii-2)
Donde:
P mes i: precipitación mes a calcular escorrentía
P mes ii: precipitaciones mes anterior
P mes iii: precipitación mes dos meses anteriores
0.5 y 0.3: factores de proporción
Se analizaron 3 eventos de tormenta para ambas microcuencas, ocurridos durante el periodo de
estudio (Anexo 1). Los eventos fueron utilizados para conocer la relación entre CSS y caudal. Se
construyeron hidrogramas a tres minutos para evaluar tiempo de respuesta de las microcuencas e
hidrogramas a treinta minutos para los análisis de caudales, de los cuales se determinaron las siguientes
variables: duración del evento (h), precipitación total (mm), intensidad promedio (mm/h), tiempo de
respuesta (h), tiempo de crecida (h), tiempo base (h), caudal punta (L/s), caudal base (L/s), aumento del
caudal base (%).
Posteriormente se determinaron tres elementos dentro del histograma para su análisis:
Punto A: el caudal corresponde únicamente a los aportes de aguas subterráneas, a partir de ahí
se incorpora la escorrentía superficial.
Punto B: representa el tiempo y el valor del caudal en el que se produce el máximo caudal.
Punto C: el flujo vuelve a ser originado por aguas subterráneas, ya que la escorrentía
superficial ha cesado.
14
Al tramo A-B se le denomina curva de crecida (concentración) y el tramo B-C se denomina curva
de descenso y finalmente C corresponde la curva de agotamiento, que enlazara con el próximo evento
(Martínez y Navarro, 1996); figura 3).
El tiempo de respuesta es el intervalo entre el valor máximo de la precipitación hasta el caudal
punta. El tiempo base es la duración total del flujo de agua superficial, del punto A al C. El tiempo de
concentración es el tiempo máximo de circulación del agua de escorrentía superficial hasta el punto de
salida del agua de la cuenca. Este periodo es característico de cada cuenca, y por lo tanto independiente
del evento.
Figura 3. Hidrograma tipo (modificado de Martínez y Navarro, 1996).
El criterio empleado para separar y establecer eventos de lluvia consistió en apartar aquellos
montos de precipitación que estuvieran distanciados por, al menos, un periodo de tres horas sin lluvia y
que a la vez los caudales promedios de las microcuencas tendieran a una estabilización cercana al
caudal base de inicio.
3.3.1 Relación entre CSS y caudal medio
Para determinar la relación entre CSS y el caudal medio se utilizó el caudal instantáneo al
momento de tener la muestra de agua con la CSS de esa muestra de agua:
Se utilizó una relación simple de transporte (Müller y Förstner, 1968; Iroumé, 1990).
15
CSS = a * Qb
Donde:
CSS: Concentración de Sedimentos en Suspensión (mg/L)
Q: Caudal medio (L/s)
a, b: Parámetros
En esta expresión, a y b son parámetros que dependen de la cubierta vegetal y de las
características climáticas, físicas e hidrológicas de la cuenca (Marchi et al., 1986; Probst, 1986)
Para estimar la tasa de exportación de sólidos suspendidos de las cuencas se utilizó la relación
simple señalada anteriormente, que se multiplicó por el rango de tiempo de treinta minutos. Con los
montos obtenidos de CSS se calculó la exportación total por evento de precipitación, realizando una
sumatoria de los valores de cada rango para el tiempo que dura el evento. Sin embargo, existen
periodos de tiempo durante el evento donde no se cuenta con información de CSS, por lo que para el
cálculo de exportación de los eventos se fijaron los siguientes criterios:
a) La CSS acumulada por evento correspondió a la sumatoria de CSS desde el inicio de la
precipitación y hasta tres horas después de la última precipitación registrada.
b) Para los eventos que falta información, de igual manera se realizó la sumatoria de la CSS que
se llevaba registro y se detalló el periodo de tiempo que no se registró CSS.
c) Se determinaron las máximas crecidas de CSS por evento con la información existente de
CSS y para los eventos en donde existen dos o más aumentos de concentración y no hay registro de
alguno de ellos, se dejó como máxima crecida la CSS que contaba con información.
16
4. RESULTADOS
4.1 Caracterización y delimitación de cuencas
La figura 4 muestra las microcuencas estudiadas, detallando su red hidrográfica, curvas a nivel,
vertederos, camino principal y los limites de cuencas y propiedad.
Figura 4. Imagen de las microcuencas bajo estudio.
17
4.1.1 Cobertura vegetal de la cuenca
La zona de estudio presenta un renoval que tiene una edad aproximada de 57 a 100 años (Sink,
2009) y su estructura vertical es de dos estratos, siendo el de mayor altura (25 m en promedio)
dominado por coihue y el de menor altura (18 m en promedio) compuesto por ulmo, tepa y avellano
principalmente. Se observa un sotobosque diverso compuesto por regeneración establecida de todas las
especies listadas en la sección 3.1, a excepción de coihue. Esto indica el estado sucesional de este
rodal, donde la especie colonizadora (coihue) está siendo desplazada por especies más tolerantes a la
sombra (ulmo, olivillo, avellano, tepa, laurel y especies de la familia Podocarpaceae), (figura 5),
avanzando en la dinámica natural hacia una condición de bosque siempreverde antiguo.
Figura 5. Modelo de un bosque secundario dominado por Nothofagus dombeyi (Donoso 1993).
Co: coihue, Ec: ulmo, Lp: tepa, Ls: laurel, Ap: olivillo, S: podocarpáceas, Cq: quila.
Los parámetros del rodal indican una densidad de 1.660 ind/ha con un DMC de 23 cm, donde
coihue representa cerca del 50% del total (820 ind/ha), con un DMC de 30 cm y un factor
sanidad/forma (escala 1 a 3) de 1,2/1,6. Un 30% de los individuos (505 ind/ha) corresponde a avellano
y ulmo, con un DMC de 12 y 16 cm y factor sanidad/forma de 1,1/2 y 1,2/2 respectivamente. El 20%
restante corresponde a las otras especies, con un DMC de 12 cm. El área basal es de 69,4 m2/ha, donde
coihue alcanza el 83% del total (57,8 m2/ha). El volumen bruto del rodal alcanza los 1.017 m
3/ha, con
una participación de coihue del 93% (Anexo 5).
4.2 Características morfológicas de las microcuencas.
A continuación se presentan los parámetros morfométricos utilizados para la caracterización de
las microcuencas y cauces de las mismas (Anexo 6). Las superficies alcanzan 21.1 y 18.1 ha, lo que
18
permite catalogarlas como microcuencas según la clasificación actual de sistemas hidrológicos
(Martínez y Navarro, 1996). Sin embargo, existen diferencias en superficie, siendo la cuenca B 14%
menor, pero con un perímetro similar a cuenca A, esto indicaría una forma de la microcuenca B más
alargada (cuadro 1).
El índice de Gravelius indica un valor similar para ambas microcuencas, pero clasificándose en
diferente orden, quedando la cuenca A como orden II, es decir de forma oval – oblonga, y cuenca B
como orden III, de forma oblonga o alargada (Anexo 4, cuadro 1).
Las cuencas presentan un Coeficiente orográfico bajo, de 3,0 y 5,7 para las microcuencas A y B
respectivamente, es decir muestran un relieve poco acentuado, sin embargo la microcuenca B presenta
un relieve más complejo, que se traducen en un relieve moderado. Los valores de pendiente media son
similares entre las cuencas, no superando el 34%, lo que se considera una pendiente accidentada
(cuadro 1).
Cuadro 1. Parámetros morfométricos de las microcuencas
Métricas cuenca A cuenca B
Área (ha) 21,1 18,1
Perímetro (m) 2398 2414
Índice de Gravelius (Compacidad) 1,46 1,59
Pendiente media cuenca (%) 34,5 33,5
Altura Media (m s.n.m) 248 298
Coeficiente Orográfico (m/km2) 3,0 5,7
4.2.1 Parámetros de relieve
La curva hipsométrica muestra que la pendiente de la curva de la microcuenca A es
relativamente constante en su distribución, mientras que la microcuenca B presenta pendientes más
fuertes en un porcentaje menor de sus dos extremos (figura 6).
La curva de distribución muestra que la mayor superficie se concentra en las cotas 200 a 235 m
s.n.m para la microcuenca A, con un 18% del total de la distribución, y en las cotas 290 a 330 m s.n.m
para la microcuenca B, con 14% del total. En el resto de rangos altitudinales ambas cuencas muestran
porcentajes de distribución que oscilan entre un 5 y 10%. Los vertederos se ubican en las cotas 168 m
s.n.m. y 196 m s.n.m para las microcuencas A y B respectivamente (figura 6).
19
Figura 6. Curva Hipsométrica y Área de distribución para microcuencas A (arriba) y B (abajo)
4.2.2 Parámetros relacionados con la red hidrográfica
La red de drenaje de la microcuenca A se compone, según la clasificación de Horton y Strahler
(1975), por seis cauces de orden 1, correspondientes al 65%, y un cauce de orden 2, correspondiente al
35% del total de la red de drenaje para la microcuenca. La microcuenca B comprende cinco cauces de
orden 1, correspondiente al 67%, y un cauce de orden 2, correspondiente al 33% del total de la red de
drenaje (anexo 7).
Los tiempos de concentración (Tc) son del orden de 17 y 19 minutos en las microcuencas B y
A respectivamente. Los Coeficientes de torrencialidad y potencial de degradación son similares para
ambas microcuencas (cuadro 3).
20
Cuadro 3. Parámetros relacionados con la red de drenaje
Métricas cuenca A cuenca B
Coeficiente de Torrencialidad (m/km2) 33,2 33,1
Densidad drenaje total (m/ha) 80,8 73,1
Densidad drenaje cauce principal (m/ha) 24,3 22,0
Pendiente media del cauce (%) 8,6 11,5
Formulas de Tiempo concentración (horas)
Formula de Giandotti 0,21 0,17
Formula de Bruce y Clark 0,52 0,44
Formula empírica (tc) 0,23 0,22
Coeficiente medio de Tc (h) 0,32 0,28
Relación de confluencia 3,0 2,5
Potencial degradación específica 4,1 4,2
4.3 Infiltración
Las tasas de infiltración varían altitudinalmente y entre microcuencas. En zonas altas la tasa de
infiltración fue superior y similar para las dos microcuencas, pero a medida que se desciende los
valores disminuyeron para la microcuenca A, llegando a infiltrar 72 mm h-1
. La microcuenca B
mantuvo su tasa de infiltración en las zonas bajas con respecto a las zonas altas, con un monto de 122
mm h-1
. La infiltración promedio correspondió a 84 y 116 mm h-1
para la microcuenca A y B
respectivamente (figura 7).
Figura 7. Tasas de infiltración
0 20 40 60 80 100 120 140
Promedio
Baja
Media
Alta
Tasa de infiltración (mm h-1)
Siti
o d
e la
cu
en
ca
Cuenca "B" Infiltración (mm/min) Cuenca "A" Infiltración (mm/min)
21
4.4 Análisis de eventos de tormenta.
En el siguiente apartado se entregan los resultados de los parámetros que caracterizaron cada
evento de precipitación (cuadro 4).
Cuadro 4. Caracterización de los eventos muestreados (precipitación (Pp), caudal base (Qb).
Parámetros Evento 11 de Agosto Evento 13 de Agosto Evento 30 de Agosto
cuenca A cuenca B cuenca A cuenca B cuenca A cuenca B
Duración Evento (h) 10 53 6
Pp Total (mm) 13,2 116,2 5,6
Pp Acumulada 24 horas antes (mm) 2 0,2 0
Tiempo a último evento de Pp (h) 3 9,5 > 24
Peak Pp (mm) 5,2 3,6 1,4
Intensidad promedio (mm/h) 0,7 1,1 0,9
Caudal punta (l/s) 24,7 14,9 50,1 19,9 16,0 10,1
Caudal Base inicio (l/s) 9,9 9,5 10,3 9,6 9,6 9,4
Caudal Base final (l/s) 13,7 12,6 15,5 11,7 11,2 9,5
Aumento de Qb (%) 38,8 32,5 50,4 21,8 16,6 1,0
Aumento de Qb a peak caudal (%) 149,5 56,8 386,4 107,3 66,7 7,4
Tiempo respuesta (min) 30 33 18-9-9* 18-9-15* 210-150* 210-150*
Tiempo base (h) 8,5 8,5 13,5-7,5-
10* 12-7,5-
9,5* 12,5 11,5
Tiempo crecida (h) 4,5 4,5 5,5-3-4* 5,5-3-4* 5-2,5* 5-2,5*
(*) Más de un tiempo de respuesta.
4.4.1 Precipitaciones y coeficiente de escorrentía
Durante Junio y Agosto se registró una precipitación total de 765.3 mm, siendo Junio el mes
con mayores valores de precipitación con un 40.1 % del total registrado para invierno. Los coeficientes
de escorrentía para los mismos períodos fueron mayores en el mes de Agosto para ambas microcuencas
y estos promediaron los valores de 65% y 69% para la microcuenca A y B respectivamente. En relación
a los coeficientes de escorrentía entre las microcuencas, microcuenca B fue superior en un 6% sobre A
(cuadro 5).
22
Cuadro 5. Precipitación (Pp), Escorrentía (Q) y Coeficiente de escorrentía (%Pp) para el periodo de
estudio.
cuenca A cuenca B
Mes Pp (mm) Q (mm) % Pp Q (mm) % Pp
Junio 307,4 160,2 52,1 169,9 55,3
Julio 213,7 151,1 70,7 161,2 75,4
Agosto 244,2 178,5 73,1 190,3 77,9
4.4.2 Caudales por evento de precipitación y entre cuencas
Los valores de caudal durante los eventos de precipitación muestran marcadas variaciones entre
ellos y a su vez entre las cuencas. Para los eventos de menor aporte de lluvias (11 y 30 de Agosto) se
observa un mayor porcentaje de caudal base que varía según cuenca, desde el 83% en la microcuenca A
hasta 96% en la microcuenca B, sobre el caudal total del evento (figura 8, letras A y B). Estos valores
expresan una proporción mayor de agua de origen subsuperfcial en ambas microcuencas, sin embargo
para el evento del 13 de agosto en ambas microcuencas el caudal base no superó el 46% (A) y 71% (B)
del caudal total (cuadro 6).
Cuadro 6. Caudales base (base), y escorrentía superficial (sup) en valores por evento de precipitación
(Pp) y coeficiente de escorrentía (Coef. Es.), para cada cuenca
Evento Pp
(mm) Coef.
Es. (%)
Caudales (mm)
cuenca A cuenca B
base % sup % base % sup %
11 de agosto 13,2 20 -18* 2,0 75,3 0,66 25,0 2,09 88,7 0,26 11,3
13 de agosto 116,8 17 -13* 9,6 46,5 11 53,5 10,7 71,5 4,3 28,5
30 de agosto 5,6 48 - 43* 2,2 83,6 0,44 16,4 2,3 96,9 0,1 3,1
Presenta dos coeficientes de escorrentía cuencas “A” y “B”*
23
Figura 8. Hidrograma para los eventos 11 de agosto (a), 13 de agosto (b) y 30 de agosto (c) en
las cuencas “A” y “B”.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,24
21
:00
:00
22
:00
:00
23
:00
:00
0:0
0:0
0
1:0
0:0
0
2:0
0:0
0
3:0
0:0
0
4:0
0:0
0
5:0
0:0
0
6:0
0:0
0
7:0
0:0
0
8:0
0:0
0
9:0
0:0
0
10
:00
:00
11
:00
:00
12
:00
:00
13
:00
:00
Pp
(m
m)
Cau
dal
(m
m)
Horas
Pp (mm)
"A". Q Total (mm)
"B". Q Total (mm)
"A". Q base (mm)
"B". Q base (mm)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
14
:00
:00
16
:00
:00
18
:00
:00
20
:00
:00
22
:00
:00
0:0
0:0
0
2:0
0:0
0
4:0
0:0
0
6:0
0:0
0
8:0
0:0
0
10
:00
:00
12
:00
:00
14
:00
:00
16
:00
:00
18
:00
:00
20
:00
:00
22
:00
:00
0:0
0:0
0
2:0
0:0
0
4:0
0:0
0
6:0
0:0
0
8:0
0:0
0
10
:00
:00
12
:00
:00
14
:00
:00
16
:00
:00
18
:00
:00
20
:00
:00
22
:00
:00
Pp
(m
m)
Cau
dal
(m
m)
horas
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0,07
0,10
0,12
0,15
0,17
18
:00
:00
18
:30
:00
19
:30
:00
20
:00
:00
20
:30
:00
21
:00
:00
21
:30
:00
22
:00
:00
22
:30
:00
23
:00
:00
23
:30
:00
0:0
0:0
0
0:3
0:0
0
1:0
0:0
0
1:3
0:0
0
2:0
0:0
0
2:3
0:0
0
3:0
0:0
0
3:3
0:0
0
4:0
0:0
0
4:3
0:0
0
5:0
0:0
0
5:3
0:0
0
6:0
0:0
0
6:3
0:0
0
7:0
0:0
0
7:3
0:0
0
8:0
0:0
0
8:3
0:0
0
9:0
0:0
0
9:3
0:0
0
Pp
(m
m)
Cau
dal
(m
m)
Horas
A
C
B
)
]
i
24
Los tiempos de respuesta de los caudales a los eventos de precipitación se muestran en el
cuadro 7.
Cuadro 7. Tiempos de respuesta de los caudales a distintos eventos de precipitación.
Parámetros Evento 11 de Agosto Evento 13 de Agosto Evento 30 de Agosto
cuenca A cuenca B cuenca A cuenca B cuenca A cuenca B
Tiempo respuesta (min) 30 33 18-9-9* 18-9-15* 210-150* 210-150*
Tiempo base (h) 8,5 8,5 13,5-7,5-10* 12-7,5-9,5* 12,5 11,5
Tiempo crecida (h) 4,5 4,5 5,5-3-4* 5,5-3-4* 5-2,5* 5-2,5*
(*) = más de un Tiempo de respuesta, base, crecida
4.4.3 Transporte de sedimentos y su relación a eventos de precipitación.
La información respecto a los valores de concentraciones de sedimentos suspendidos y carga de
exportación para los tres eventos analizados (figura 9 y cuadro 7).
En relación a la CSS promedio para todos los eventos muestreados, en todos los casos la
microcuenca A obtuvo mayores valores de concentración, con diferencias desde hasta un 51% sobre
microcuenca B. A su vez, los eventos del 11 y 13 de Agosto mantuvieron valores similares de CSS, en
cambio en el evento 30 de Agosto las CSS fueron en un 45% superior en microcuenca A de los otros
dos eventos (cuadro 7).
La carga total de sedimentos exportados por lo eventos de precipitación varió de forma
importante entre eventos y cuencas. Los valores de exportación de sedimentos de la microcuenca A
fueron el doble del valor de la microcuenca B en todos los eventos, estableciendo un patrón de
exportación de sedimentos entre las cuencas (cuadro 7).
Cuadro 7. Valores de CSS promedios y peak, carga de sedimentos y caudales promedios.
Parámetro 11 de agosto 2012 13 de agosto 2012 30 de agosto 2012
cuenca A cuenca B cuenca A cuenca B cuenca A cuenca B
CSS promedio (mg/L) 41,1 20,0 41,7 31,6 62,1 34,4
CSS peak (mg/L) 148,5 61,7 182,6 128,1 131,3 58,7
Carga total (k/ha) 0,9 0,3 5,2 2,6 1,6 0,8
Caudal promedio (L/s) 13,6 11,3 17,3 11,2 12,7 9,6
Coeficiente esc. (%) 23 21 17 13 48 43
25
Figura 9. Hidrogramas para los eventos 11 de agosto (A), 13 de agosto (B) y 30 de agosto; Caudal (Q), Concentración de sólidos
suspendidos (CSS) y Precipitación (Pp).
A C
B
26
5. DISCUSIÓN
5.1 Caracterización morfométricas de las microcuencas
Las microcuencas presentan características morfométricas en su mayoría similares, a excepción
de la densidad de drenaje del cauce principal, pendiente media del cauce, coeficientes orográficos y
curva hipsométrica de distribución de área.
Las diferencias en las características de las microcuencas en cuanto a sus curvas de distribución
hipsométricas (figura 6) podrían tener relevancia en los tiempos de respuesta y magnitud de las
crecidas de los caudales. De igual modo, las diferencias en la pendiente media del cauce y en los
coeficientes orográficos (Cuadro 1 y 2), tienen relevancia en el tiempo de respuesta y magnitud del
transporte de sedimentos en suspensión ante eventos de lluvia.
Los valores de la densidad de drenaje total son altos para ambas microcuencas (cuadro 3), en
especial para la microcuenca A. Esta alta densidad, se puede explicar por la baja pendiente media, que
explicaría la presencia de cauces de gran longitud y de bajo orden, con una alta densidad de cauces
orden 1 (cuadro 2), que presentan ambas microcuencas. Este parámetro influiría directamente sobre la
mayor cantidad de agua transportada por la microcuenca A en los cursos de agua, en relación a
microcuenca B durante los eventos de precipitación.
Según Martínez y Navarro (1996) los parámetros pendiente media del cauce y coeficientes
orográfico y densidades de drenaje son de importancia, pues entregan indicios de la velocidad media de
la escorrentía, su poder de arrastre y de la erosión que afecta a la cuenca, siendo de gran utilidad para
comparar los comportamientos hidrológicos entre las cuencas estudiadas. Por lo tanto, estas
características señaladas explicarían en alguna medida las variaciones en la respuesta de los caudales y
concentraciones de sedimentos en ambas microcuencas.
Es importante considerar en el análisis la existencia de caminos y senderos al interior de la
microcuenca A y en menor medida la microcuenca B (figura 4), ya que podrían estar aportando
sedimento adicional, a la vez de facilitar el escurrimiento superficial durante los eventos de lluvia.
27
5.2 Vegetación y tasa de infiltración
Ambas microcuencas están emplazas sobre un rodal de bosque nativo secundario siempreverde,
lo que tiene directa relación con la precipitación que efectivamente llega al suelo y la capacidad de
infiltración, y por consiguiente sobre la escorrentía y transporte de sedimento que llegan al cauce.
Oyarzun y Peña (1995) indican la cobertura efectiva de los suelos que ofrecen los bosques
nativos, la que al ser alta disminuye la energía del impacto de las gotas de lluvia sobre el suelo y
promueve, además, altas tasas de infiltración. Generalmente las pérdidas de suelo bajo estas
condiciones son muy bajas. Los bosques interceptan entre el 25 y 35 % de la precipitación total (Huber
y Oyarzun 1992, Iroumé y Huber 2000, Frene 2010), lo que en el caso de este estudio con un bosque
denso de 1600 árboles y 69,4 m2/ha por hectárea y tres estratos verticales es posible que también esté
ocurriendo
Las tasas de infiltración obtenidas en este estudio (figura 6) son valores elevados para los
períodos de invierno, con suelos saturados, comparados con el estudio realizado por Oyarzun et al.
(2011) para un bosque siempreverde cercano a la provincia de Valdivia, donde determinó tasas de
infiltración de 56 a 76 mm/h-1
para los meses de Julio y Agosto. Esto podría explicarse, por las
características del tipo de suelo, porosidad, densidad aparente y humedad.
Numerosos estudios han demostrado que las tasas de infiltración en bosques con suelos no
alterados normalmente exceden la intensidad de la lluvia y, por lo tanto, predominan los flujos
subsuperficiales. El sistema radical profundo y bien desarrollado, la materia orgánica, la actividad
biológica del suelo, la alta porosidad y la baja densidad aparente, especialmente del horizonte A,
favorecen los flujos subsuperficiales (Lee 1980, Ward y Trimble 2004), lo que es consistente con los
caudales bases en la microcuenca B y en menor medida con la microcuenca A durante los eventos de
precipitación (figura 9). Además, las altas tasas de infiltración determinadas en este estudio
disminuirían el escurrimiento superficial y, por lo tanto, la erosión y el transporte de sedimentos en la
microcuenca B y en menor grado en la microcuenca A.
28
5.3 Eventos de precipitación, caudales y tiempos de respuesta.
Los eventos de precipitación tienen características particulares que determinan una respuesta en
los caudales y en el transporte de sólidos suspendidos. Estas características dependen del contenido de
agua en los suelos previo al evento de lluvia, que a su vez es determinado por la regularidad de las
precipitaciones acumuladas hasta la tormenta de máxima intensidad. Todo lo anterior determina que
cada tormenta genere un efecto diferente sobre el caudal y transporte de sólidos suspendidos según
Frene (2010).
Los tiempos de respuesta de los caudales a los eventos de precipitación variaron según evento
de lluvia (11, 13 y 30 de agosto), y de igual modo en las crecidas del mismo evento. Estas variaciones
podrían tener relación con dos variables: (i) intensidad de precipitación y (ii) los contenidos de
humedad del suelo que varían entre eventos (datos no mostrados en este estudio).Se puede inferir
entonces que mientras mayor es la intensidad de precipitación, los suelos tendrán mayor contenido de
humedad y aumentarán los flujos de escorrentía superficial.
En relación a las variaciones del caudal base y superficial entre cuencas, éstas podrían tener
relación con las características morfométricas mencionadas anteriormente y posiblemente con la red de
senderos y caminos que en el caso de la microcuenca A actuaría como factor de incremento de la
escorrentía superficial.
La tendencia de los caudales base cambia al producirse un evento de precipitación, aumentando
el de la microcuenca A por sobre el de la microcuenca B. En el evento del 13 de agosto, de mayor
intensidad y duración, el mayor aumento de caudales de la microcuenca A se podría explicar por la
combinación de factores morfométricos, donde la curva hipsométrica (forma de la cuencas en altitud),
densidad de drenaje, pendiente media del cauce y coeficiente orográfico son los más relevantes. Esto,
sumado a las diferencias en las tasas de infiltración entre microcuencas, provocaría una respuesta de
mayor magnitud en la microcuenca A, pero no en su tiempo de respuesta.
En el evento del 30 de agosto se presenta una curva de incremento suave y prolongada de
caudal de crecida, tiempo después de ocurrido el primer lapso de lluvias el evento de precipitación (3
horas) y correspondió a un 50% y 20% más que el caudal base para las cuencas A y B
respectivamente, y en contra posición de las curvas exponenciales de crecida de los caudales de los
eventos anteriores del 11 y 13 de Agosto (Figura 7, letra C). Esto podría ser explicado por tres
variables: (i) la inexistencia de lluvia por varias horas y días antes al evento, por lo que las condiciones
29
previas al evento eran, suelos no saturados (cuadro 4), (ii) baja intensidad de precipitaciones y (iii)
suelo con alta capacidad de infiltración (figura 7). Estas variables en conjunto podrían haber favorecido
los flujos de agua subsuperficiales para ambas microcuencas, pero mayormente en B como
mencionado anteriormente.
5.4 Concentración de sedimentos suspendidos (CSS).
El evento del 11 de Agosto (figura 8 A), presenta sólo una crecida de caudal, la cual tuvo sus
valores máximos de CSS antes de la máxima intensidad de lluvia (cuadro 7). A su vez, el caudal
reaccionó tiempo después del máximo de precipitaciones en ambas microcuencas, por lo que se infiere
que este comportamiento corresponde al primer patrón de crecidas mencionadas por Lorente et al.
(2000). El evento del 13 de Agosto (figura 8 B) presenta varias crecidas (4 en total), y aumentos
significativos en la CSS (cuadro 7) y en el caudal, lo que se relaciona con el tercer patrón de
comportamiento de CSS indicado por Lorente et al. (2000). Este fenómeno pude ser explicado por: (i)
agotamiento de sedimentos en el propio cauce y laderas o; (ii) por el efecto de dilución, ya que los
valores de caudales bases son superiores. Sin embargo para el análisis de este evento se deja fuera el
último período de incremento de lluvias, por no haber obtenido información de CSS en este periodo,
pero se asume que debiera mantener la tendencia a menores concentraciones de sedimentos esto por el
agotamiento de sedimento, como indica Lorente et al. (2000). como ya ha sido citado.
El evento del 30 de Agosto (figura 8 C) presenta un aumento en la CSS en ambas cuencas
tiempo después de ocurrido el máximo valor de precipitación (1,5 horas), lo que podría explicarse por
suelos poco saturados, donde predominó la infiltración durante las primeras precipitaciones y
posteriormente se dio paso a la escorrentía superficial con un margen de tiempo de retraso mayor en
relación a los otros eventos. Este patrón correspondería al tercer patrón mencionado por Lorente
(2000).
Respecto a las CSS (cuadro 7), los valores promedios están en los rangos reportados por Rivera
(2005), quien estudió las CSS ante eventos de tormenta en cuencas con bosque nativo y plantaciones
cercanas a Valdivia, registrando valores entre 3,8 a 49.8 mg/L. Las diferencias en la CSS entre las
microcuencas podrían estar relacionadas con las características morfométricas mencionadas
anteriormente y las tasas de infiltración para cada microcuenca, lo que sumado a los efectos de los
caminos y senderos presentes en microcuenca A podrían estar amplificando el proceso de transporte de
sedimentos.
30
6. CONCLUSIONES
Las microcuencas de estudio presentaron características similares en cuanto a la mayoría de los
parámetros morfométricos, lo que indico una similitud hidrológica en cuanto a su cinemática (iguales
relaciones de confluencia) y geométrica (iguales valores de compacidad), sin embargo no presentan
similitud dinámica, por la diferencias en pendiente y densidad de cauces en conjunto con el coeficiente
orográfico y la curva hipsométrica entre las microcuencas. La diferencia en la similitud dinámica
explicaría en buena parte las distintas respuestas de los caudales ante eventos de precipitación.
Las tormentas evaluadas no presentaron similitudes de comparación entre duración e intensidad
de lluvia y otras variables, sin embargo entregaron valiosa información respecto a los comportamientos
de caudales y concentración de sedimentos suspendidos ante diferentes tipos de eventos.
Los tiempos de respuesta en las crecidas de caudales a eventos de precipitación no variaron
entre microcuencas A y B, sin embargo cambiaron los tiempos de respuesta en los diferentes eventos,
pero manteniéndose los mismos tiempos entre las microcuencas.
Las concentraciones de sedimentos suspendidos promedios para ambas microcuencas
estuvieron en los rangos de otros estudios bajo similares características. Los montos de sedimentos
exportados fueron variables por evento, mostrando un claro patrón de aumento ante eventos de mayor
intensidad y duración.
Las diferencia en respuesta de caudales y sedimentos entre las microcuencas se explica por tres
factores (i) parámetro morfométricos como pendiente media del cauce, densidad de cauce principal,
curva hipsométrica y coeficiente orográfico (ii) diferentes tasas de infiltración entre las microcuencas y
(iii) la existencia de una red de senderos y caminos de mayor densidad en microcuenca A. Este último
factor debe ser evaluado en mayor profundidad para un análisis más acabado de las respuestas
hidrológicas en las microcuencas ante eventos de precipitación.
El número de eventos de precipitación analizados fue bajo, lo que impide realizar un análisis
más completo de la respuesta hidrológica de las microcuencas ante eventos de precipitación, sin
embargo con los eventos analizados se obtuvo un patrón de respuesta de ambas microcuencas. Por otra
parte, se hace necesario evaluar otras variables en las microcuencas, como contenido de humedad del
suelo y efecto de los caminos y sendero para determinar una relación más precisa entre eventos de
precipitación y sus efectos sobre caudales y transporte de sedimentos.
31
7. REFERENCIAS
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Anexo 1
Índice de compacidad
Una vez conocida la información de superficie y perímetro de ambas cuencas, se puede obtener
el índice de Compacidad o de Gravelius, el cual indica la forma aproximada que presentan ambas
cuencas en estudio. La fórmula a aplicar para la obtención de este índice, es la descrita por Martínez y
Navarro (1996):
KG : Índice de Compacidad.
P : Perímetro de la cuenca (m)
S : Superficie de la cuenca (m2)
Por lo tanto, cuando:
1,00 ≤ KG < 1,25; cuencas redondas
1,25 ≤ KG < 1,50; cuencas ovaladas
1,50 ≤ KG < 1,75; cuencas alargadas
Índice de Pendientes o Pendiente Media de la Cuenca
Ip = / S
D: Equidistancia entre curvas de nivel (km)
L : Longitud total de las curvas de nivel en la cuenca (km)
Altitud Media
Hm: ∑
* ((ni + ni-1) / 2)
Si: Superficie entre curvas de nivel
ni, ni-1: Curvas de nivel
Coeficiente Orográfico
Co: H2/S (m/Km2)
H= Hm - Cp
Cp = Cota punto control
Co ≤ 6, Cuenca de relieve poco accidentado
Co > 6, Cuenca de relieve accidentado
Densidad de Drenajes
Dd (Km/Km2) = (Longitud total de cauces en la cuenca / S )
Coeficiente de Torrencialidad
Ct= (1/Km2)= (Nº de cursos de orden 1) / S
Fórmula de Bruce y Clark:
Tc: 0,61 * ((n*L/J (raíz)) 0,467
Tc: Tiempo de concentración, en horas.
n : Coeficiente de rugosidad según tabla anexa.
L : Longitud del cauce principal, en kilómetros.
J= (Hmax – Hmin) / (1000*L)
J : Pendiente media del cauce principal
Coeficiente de rugosidad para el caculo de tiempo de concentración según formula Bruce y
Clark.
Formula empírica de tiempo concentración (Tc)
TC = C
0.38
Tc = Tiempo de concentración, en horas
L = Longitud de máximo recorrido, en Km
Lc = Longitud al centroide, en Km
S = Pendiente media del máximo recorrido
C = Coeficiente es escorrentía
Formula Potencial de degradación específica (t/año)
Qs = 2.65 log
(C0 – 1,56)
qs = Potencial de degradación especifica en Tn/año
P = Modulo de precipitación anual
P* = Precipitación del mes de máxima pluviosidad
C0 = Coeficiente orográfico, en porcentaje
Formas de cuecas de acuerdo al índice de compacidad.
Clasificación de cuencas de acuerdo a pendiente promedio.
Anexo 2
Eventos de precipitación
Fecha Pp total
(mm) Duración
Evento (h)
Intensidad
(mm/h) Estudio
19-07-2012 23:00 42,6 23,5 1,9 Cuenca "A"
22-07-2012 3:00 0,4 2 0,2 22-07-2012 9:00 2 3,5 0,6 Cuenca "A"
23-07-2012 1:00 11,6 8 1,5 Cuenca "A"
25-07-2012 11:00 3 8 0,4 27-07-2012 17:00 8,6 19 0,5 01-08-2012 7:00 5,4 4 1,4 02-08-2012 1:00 1,8 4 0,5 02-08-2012 19:00 2 4 0,5 09-08-2012 10:00 2,8 4,5 0,6 Cuenca "A"
11-08-2012 0:00 13,2 10 1,3 Cuenca "A" y "B"
13-08-2012 15:00 116,2 53 2,2 Cuenca "A" y "B"
16-08-2012 3:00 14,4 17 0,8 17-08-2012 0:00 3,6 11 0,3 17-08-2012 15:00 1,8 3 0,6 18-08-2012 2:00 33,6 37 0,9 19-08-2012 19:00 1,2 6 0,2 20-08-2012 6:00 0,6 2 0,3 20-08-2012 21:00 34 33 1 22-08-2012 17:00 6 5 0,1 23-08-2012 17:00 3,6 3 1,2 28-08-2012 22:00 1,2 5 0,2 30-08-2012 19:00 5,6 6 0,9 Cuenca "A" y "B"
04-09-2012 0:00 3,2 7 0,5 Cuenca "A"
Anexo 3
Pluviógrafo, estación limnimétrica, y muestreador Isco ®.
Anexo 4
Estación de filtrado, hornos, filtros sedimentos.
Anexo 5
Tabla de Rodal 1. Llancahue
Clase Diametrica Densidad (N° arbol/ha) Area Basal (m2/ha) Vol. Bruto (m3 s.c.c/ha)
Desde M_Clase Hasta sp1 sp2 sp3 otras Total sp1 sp2 sp3 otras Total sp1 sp2 sp3 Otras Total
5 7,5 10 5 140 90 200 435 0,02 0,62 0,40 0,88 1,92 0,02 0,00 0,77 0,00 0,80
10,1 12,5 15 35 90 45 75 245 0,43 1,10 0,55 0,92 3,01 0,44 0,01 1,07 0,00 1,51
15,1 17,5 20 150 35 55 50 290 3,61 0,84 1,32 1,20 6,98 3,68 0,01 2,56 0,00 6,25
20,1 22,5 25 145 10 15 5 175 5,77 0,40 0,60 0,20 6,96 5,89 0,00 1,15 0,00 7,04
25,1 27,5 30 190 20 10 220 11,29 0,00 1,19 0,59 13,07 11,52 0,00 2,30 0,00 13,82
30,1 32,5 35 135 5 140 11,20 0,00 0,41 0,00 11,61 11,44 0,00 0,80 0,00 12,24
35,1 37,5 40 80 80 8,84 0,00 0,00 0,00 8,84 9,02 0,00 0,00 0,00 9,02
40,1 42,5 45 35 35 4,97 0,00 0,00 0,00 4,97 5,07 0,00 0,00 0,00 5,07
45,1 47,5 50 25 25 4,43 0,00 0,00 0,00 4,43 4,52 0,00 0,00 0,00 4,52
50,1 52,5 55 15 15 3,25 0,00 0,00 0,00 3,25 3,32 0,00 0,00 0,00 3,32
55,1 57,5 60 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
60,1 62,5 65 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
65,1 67,5 70 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
70,1 72,5 75 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
75,1 77,5 80 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
80,1 82,5 85 5 5 2,67 0,00 0,00 0,00 2,67 2,73 0,00 0,00 0,00 2,73
85,1 87,5 90 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
90,1 92,5 95 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
95,1 97,5 100 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
100,1 102,5 105 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
105,1 107,5 110 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
110,1 112,5 115 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
115,1 117,5 120 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
120,1 122,5 125 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
125,1 127,5 130 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
130,1 132,5 135 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
135,1 137,5 140 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
140,1 142,5 145 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
145,1 147,5 150 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
150,1 152,5 155 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
155,1 157,5 160 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
160,1 162,5 165 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
165,1 167,5 170 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
170,1 172,5 175 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
175,1 177,5 180 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
TOTALES 820 275 230 340 1665 56,46 2,96 4,47 3,80 67,69 57,65 0,02 8,65 0,00 66,33
Anexo 6
Tabla salida software Arcswat®
Watershed Parametros Fisicos cuenca "A" cuenca "B"
OBJECTID 1 1
GRIDCODE 1 1
Subbasin 1 1
Área (ha) 21,1 18,1
Slo1/ pendientes 34,5 33,5
long. Total entre curvas de nivel (m) 512,8 398,6
Sll 15,2 15,2
Csl 8,6 11,5
Wid1 0,51 0,46
Dep1 0,07 0,07
Lat -39,86 -39,86
Long -73,14 -73,14
ElevMedia 248 298
ElevMinima 168 196
ElevMaxima 334 357
Perímetro (m) 2398,5 2414,2
Área (m) 211015,6 181019,2
HydroID 300001 300001
OutletID 100001 100001
Espacio entre curvas de nivel (km) 0,001 0,001
long. Total entre curvas de nivel (km) 0,513 0,399
área (km2) 0,211 0,181
Length. Longitud máximo recorrido (m) 866,4 838,0
Anexo 7
Clasificación cauces
Clasificación Horton
Orden cuenca A cuenca B
1 6 5
2 1 1