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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA
FACULTAD DE INGENIERÍA
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO
MODELACIÓN DE LA EROSIÓN HÍDRICA EN LA CUENCA ALTA DEL RÍO
CONCHOS, CHIHUAHUA
POR:
I.E. CELIA ALEJANDRA ORDÓÑEZ RODRÍGUEZ
TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN INGENIERÍA
CHIHUAHUA, CHIH., MÉXICO JUNIO, 2017
I
II
III
IV
DEDICATORIA
A mi padre Luis Eduardo Ordóñez López, quien siempre me ha
animado a seguir estudiando para prepararme mejor, gracias por
todo el apoyo que me has brindado.
A mi madre Silvia Rodríguez Mendoza por su amor
incondicional.
A Dios por siempre estar conmigo resguardándome de todo
peligro e inspirándome a ser mejor persona.
V
AGRADECIMIENTOS
A CONACYT por sus programas de becas que facilitaron concluir mis estudios de
maestría, así como darme la oportunidad de hacer una estancia de investigación en
Turrialba Costa Rica, para incrementar mis conocimientos y mejorar mi proyecto de tesis.
A la Facultad de Ingeniería en específico al programa de Maestría en Hidrología
Subterránea y su cuerpo académico, por su aceptación y formación académica brindada por
todos mis maestros, ayudándome amar más mi profesión y especialización.
A la M.I. Guadalupe Estrada Gutiérrez, por apoyarme desde el inicio de mis estudios de
maestría, como tutora de posgrado y directora de tesis, por todas sus enseñanzas y asesorías
especialmente en el tema de la hidrología superficial, y sobre todo por la paciencia brindada
y recordatorios de seguir trabajando.
Al CATIE por haberme aceptado en su programa de intercambio, para realizar mi estancia
de investigación y poderme capacitar en el uso del modelo SWAT.
Al M. S.c. José Ney Ríos, por brindarme el apoyo y el tiempo en la capacitación en el
manejo del modelo SWAT.
Al Dr. Humberto Silva Hidalgo, por ser un excelente catedrático, animándome a trabajar
duro, y por el apoyo brindado en esta tesis.
Al M.I. Javier Tonche Ramos por su ayuda en el manejo de los SIGs, que fue la base
fundamental del proyecto.
A mis amigos y familiares que estuvieron conmigo en esta etapa tan importante de mi vida,
brindándome su apoyo y consejos para la realización de mis estudios, en especial a Evelina
González, Juan Corral, Iliana Ordóñez y a mi hermana Laura Rodríguez.
VI
RESUMEN
La erosión del suelo es un fenómeno natural que se presenta en todas las superficies,
las causas que la aceleran son tanto naturales como antropogénicas. En los suelos la erosión
hídrica es la causa más importante de ésta y se describe el proceso como la remoción de
suelo, tanto por el impacto de la lluvia, como de la fuerza de corte de agua que fluye sobre
su superficie. Los sedimentos son transportados principalmente por el sistema fluvial, y la
pendiente de los causes influye en la velocidad así como en la capacidad de transporte.
En el estado de Chihuahua, la Cuenca del Río Conchos es una de las más importantes
tanto económica como social y ambientalmente; ocupando aproximadamente el 30% del
Estado, en ella se ubica el distrito de riego más grande de la entidad (distrito de Delicias), así
como las presas que captan el mayor volumen de agua, se considera binacional, ya que el río
Conchos es el principal afluente del río Bravo y una tercera parte de sus aguas se destinan a
los Estados Unidos, y los dos tercios restantes llegan a las presas internacionales Amistad y
Falcón, en los estados de Tamaulipas y Coahuila. Sin embargo, se evidencian problemas de
erosión, debido principalmente al cambio de uso de suelo por agentes antropogénicos, como
la tala de bosques en la parte alta de la cuenca. La mayoría de los sedimentos son generados
en zonas con altas pendientes de la Sierra Madre Occidental localizada al occidente de la
cuenca, de los cuales, gran cantidad son depositados en la Presa la Boquilla (la de mayor
volumen del Estado) disminuyendo la capacidad de almacenamiento del embalse y su vida
útil.
La metodología tradicional para la evaluación y cuantificación de la erosión hídrica
se vuelve compleja especialmente para superficies extensas, requiriendo grandes esfuerzos
económicos, de tiempo y de amplio capital humano. Por lo tanto, la modelación matemática
se ha convertido en un método importante para el análisis de la erosión y su distribución
espacial y temporal a escala cuenca.
Empleando las metodologías de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo USLE y
El Soil and Water Assessment Tool SWAT se realizó la modelación de la erosión hídrica en
la Cuenca Alta del Río Conchos, en el periodo de tiempo del año 1995 al 2015. Las dos
metodologías se desarrollaron con el uso de los sistemas de información geográficas (SIG),
utilizando el software de ESRI ArcGIS®, el SWAT utilizo la extensión de ArcSWAT.
Ubicando así, las zonas más vulnerables a la perdida de suelo con la generación de mapas. Y
VII
de este modo verificar que la variabilidad climática y los cambios temporales de uso de suelo
y vegetación generan mayor contenido de sedimentos en la cuenca.
Los resultados obtenidos por ambas metodologías, mostraron valores similares,
presentando la mayor tasa de perdida de suelo en la parte media de la Cuenca Alta del Río
Conchos, debido a que en estas áreas se desarrollan los bosques secundarios, así como
actividades de agricultura de temporada. La cuenca toma un grado de erosión incipiente
(menor de 10 t/ha/año) en la mayoría de su superficie (60%). A pesar de esto 8,011 km2 se
encuentran clasificados entre erosión moderada y fuerte (mayor de 10 y 50 t/ha/año).
Asumiendo estos valores se debe prevenir, con técnicas de conservación del suelo y uso
sustentable del agua, para no incrementar la erosión en la zona estudiada. Es esencial
mencionar que ambas metodologías presentan limitaciones al momento de completar con
eficiencia todos los datos requeridos.
Aunque el periodo de simulación solo fueron 21 años, las variables climáticas
(temperatura y precipitación) tienden a comportarse según lo reportado en los diferentes
modelos sobre el cambio climático global. Se observó mayor contenido de sedimentos por
cambios temporales de uso de suelo y variabilidad climática, incrementándose un 22% la
perdida de suelo entre los años de 1995 al 2015.
Los resultados obtenidos en la presente investigación son aproximaciones que
permitirán tener una perspectiva integral de la erosión hídrica en la Cuenca Alta del Río
Conchos, y que servirá como primer acercamiento en la toma de decisiones para la mitigación
y conservación de la cuenca.
VI
Índice de Contenido
Dedicatoria............................................................................................................................ IV
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... V
RESUMEN ........................................................................................................................... VI
Índice de Contenido .............................................................................................................. VI
Índice de Tablas ..................................................................................................................... X
Índice de Figuras .................................................................................................................. XI
1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1
2. REVISIÓN DE LITERATURA ......................................................................................... 3
2.1 Erosión Hídrica ................................................................................................................. 3
2.2 Modelos de la Erosión ...................................................................................................... 4
2.3 USLE “Ecuación Universal de Pérdida de Suelo” ........................................................... 5
2.3.1 Factor Erosividad de Lluvias (R).......................................................................... 6
2.3.2 Factor Erodabilidad del Suelo (K) ........................................................................ 8
2.3.3 Factor Topográfico (LS) ....................................................................................... 9
2.3.4 Factor de Cobertura Vegetal (C) ........................................................................ 10
2.3.5 Factor de Prácticas de Cultivo y Conservación de Suelos (P) ............................ 10
2.3.6 Aplicación de la USLE ....................................................................................... 10
2.3.6.1 Ventajas y limitaciones de la USLE: ....................................................... 11
2.4 Estudio de la Erosión Utilizando Sistemas de Información Geográfica ........................ 11
2.5 Modelo SWAT ............................................................................................................... 12
2.5.1 Ventajas y Limitaciones del Modelo SWAT ...................................................... 13
2.5.2 Extensión ArcSWAT .......................................................................................... 14
VII
3. MATERIALES Y MÉTODOS ......................................................................................... 15
3.1 Descripción de la Zona de Estudio ................................................................................. 15
3.1.1 Localización........................................................................................................ 15
3.1.2 Hidrografía.......................................................................................................... 15
3.1.3 Clima .................................................................................................................. 19
3.1.3.1 Descripción de los Principales Climas de la CA del Río Conchos .......... 19
3.1.4 Geología.............................................................................................................. 22
3.1.5 Edafología ........................................................................................................... 22
3.1.5.1 Descripción de las Principales Unidades Edafológicas de la CA del Río
Conchos ................................................................................................................ 22
3.1.6 Vegetación y Uso de Suelo ................................................................................. 26
3.1.6.1 Descripción de la Vegetación Predominante de la CA del Río Conchos 29
3.2 Desarrollo de la USLE .................................................................................................... 30
3.2.1 Cálculo del Factor de Erosividad de la Lluvia (R) ............................................. 33
3.2.2 Calculo del Factor Topográfico (LS).................................................................. 36
3.2.2.1 Calculo del subfactor L ............................................................................ 36
3.2.2.2 Calculo del subfactor S ............................................................................ 38
3.2.3 Calculo del Factor de Erodabilidad del Suelo (K) .............................................. 38
3.2.4 Calculo del Factor de Cobertura Vegetal (C) ..................................................... 39
3.3 Modelación del SWAT ................................................................................................... 41
3.3.1 Recopilación y Acomodo de datos ..................................................................... 41
3.3.1.1 Suelos ....................................................................................................... 41
3.3.1.2 Uso de Suelo y Vegetación ...................................................................... 42
3.3.1.3 Clima ........................................................................................................ 43
3.3.2 Preparación del Modelo y Ejecución .................................................................. 45
VIII
3.3.2.1 Delimitación de Cuencas ......................................................................... 46
3.3.2.2 Análisis de Unidades de Respuesta Hidrológica (HRU) ......................... 46
3.3.2.3 Definición de Datos de Clima .................................................................. 46
3.3.2.4 Creación de Tablas de Entrada ................................................................. 46
3.3.2.5 Simulación SWAT ................................................................................... 46
3.3.3 Cambios Temporales de Uso de Suelo y Variabilidad Climática ...................... 51
3.4 Materiales ....................................................................................................................... 51
3.4.1 Conjunto de Datos .............................................................................................. 51
3.4.1.1 Raster ....................................................................................................... 51
3.4.1.2 Vectorial – Shape ..................................................................................... 52
3.4.2 Software .............................................................................................................. 52
4. RESULTADOS Y DISCUSIONES ................................................................................. 53
4.1 USLE .............................................................................................................................. 53
4.1.1 Factor R .............................................................................................................. 53
4.1.2 Factor LS ............................................................................................................ 54
4.1.3 Factor K .............................................................................................................. 55
4.1.4 Factor C .............................................................................................................. 57
4.1.5 Tasa de Erosión Hídrica ..................................................................................... 58
4.2 SWAT ............................................................................................................................. 61
4.2.1 Tasa de Erosión y Sedimentación ....................................................................... 61
4.2.2 Variabilidad Climática y Cambio Temporal de Uso de Suelo y Cubierta
Vegetal ................................................................................................................ 64
IX
4.3 Comparación USLE y SWAT ........................................................................................ 72
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................... 74
6. REFERENCIAS ............................................................................................................... 77
CURRICULUM VITAE....................................................................................................... 81
X
Índice de Tablas
Tabla 1. Ecuaciones Regionales Para México Que Estiman el Valor de R por Medio
de la Precipitación Anual (P)………………………………………………... 6
Tabla 2. Clasificación del Clima……………………………………………………… 19
Tabla 3. Unidades Litológicas………………………………………………………… 23
Tabla 4. Unidades Edafológicas……………………………………………………… 27
Tabla 5. Vegetación y Uso de Suelo…………………………………………………... 31
Tabla 6. Precipitaciones de las Estaciones Climatológicas…………………………… 34
Tabla 7. Valores del Factor R por Estación…………………………………………… 35
Tabla 8. Clasificación de la Erosividad de las Lluvias Según el Valor de R…………… 36
Tabla 9. Factor de Cobertura Vegetal………………………………………………… 39
Tabla 10. Subfactores y Factor de Erodabilidad K………………………………….... 30
Tabla 11. Parámetros de Suelo Modelo SWAT………………………………………. 41
Tabla 12. Categorías de Uso de Suelo para la Cuenca Alta del Río Conchos, Según
SWAT……………………………………………………………………… 43
Tabla 13. Descripción del Factor LS de la Cuenca Alta del Río Conchos……………. 55
Tabla 14. Erodabilidad del Suelo de la Cuenca Alta del Río Conchos………………… 56
Tabla 15. Protección Vegetativa Según el Uso de suelo y Factor C…………………… 57
Tabla 16. Resultados Medios Anuales de Precipitación, Pendiente y Tasa de Erosión
Hídrica de las Subcuencas………………………………………………….. 61
Tabla 17. Tasa de Erosión Hídrica en la Cuenca Alta del Río Conchos y
Sedimentación de la Presa la Boquilla de 1995 a 2015…………………... 63
Tabla 18. Cambios Entre la Serie I y V de la Cubierta Vegetal y la Agricultura……... 68
Tabla 19. Valores de la Perdida de Suelo por Subcuenca de la USLE y SWAT………. 72
Tabla 20. Correlación de Pearson de Datos Simulados y Observados de Sedimentos
en Cuencas de México……………………………………………………… 73
XI
Índice de Figuras
Figura 1. Regionalización Nacional del Factor R…………………………………… 7
Figura 2. Localización de la Cuenca Alta del Río Conchos y sus Subcuencas……... 16
Figura 3. Influencia Municipal de la Cuenca Alta del Río Conchos……………….. 17
Figura 4. Hidrografía de la Cuenca Alta del Río Conchos…………………………. 18
Figura 5. Clima de la Cuenca Alta del Río Conchos……………………………….. 20
Figura 6. Litología de la Cuenca Alta Río Conchos………………………………... 24
Figura 7. Edafología de la Cuenca Alta Río Conchos……………………………… 28
Figura 8. Vegetación y Uso de la Cuenca Alta del Río Conchos…………………... 32
Figura 9. Regionalización del Factor R para la Cuenca Alta del Río Conchos……... 33
Figura 10. Isoyetas de la Cuenca Alta del Río Conchos……………………………. 35
Figura 11. Pendientes en Porcentaje de la Cuenca Alta del Río Conchos………….. 37
Figura 12. Polígonos de Thiessen de la Cuenca Alta del Río Conchos…………….. 45
Figura 13. Delimitación de la Cuenca Alta del Río Conchos Modelo SWAT……… 47
Figura 14. Vegetación y Uso de Suelo CA del Río Conchos Modelo SWAT……... 48
Figura 15. Suelos de la Cuenca Alta del Río Conchos Modelo SWAT……………. 48
Figura 16. Pendientes de la Cuenca Alta del Río Conchos Modelo SWAT………... 49
Figura 17. Unidades de Respuesta Hidrológica de la Cuenca Alta del Río Conchos... 49
Figura 18. Definición de Datos Climáticos en SWAT……………………………… 50
Figura 19. Creación de Datos de Entrada en SWAT……………………………….. 50
Figura 20. Setup del Modelo SWAT……………………………………………….. 50
Figura 21. Ventana de Corrida del Modelo SWAT………………………………… 51
Figura 22. Regresión Lineal de las Precipitaciones Anuales vs Factor de Erosividad
de las Estaciones Climatológicas………………………………………….. 53
Figura 23. Factor de erosividad “R” de la Cuenca Alta del Río Conchos………….. 54
Figura 24. Factor topográfico “LS” de la Cuenca Alta del Río Conchos…………… 55
Figura 25. Factor de erodabilidad del suelo “K” de la Cuenca Alta del Río Conchos. 56
Figura 26. Factor de cobertura “C” de la Cuenca Alta del Río Conchos…………… 57
Figura 27. Mapa de tasa de erosión hídrica (USLE)………………………………… 59
Figura 28. Mapa de tasa de erosión hídrica potencial (USLE)……………………… 60
Figura 29. Mapa de tasa de erosión hídrica (SWAT)……………………………….. 62
XII
Figura 30. Correlación Precipitación vs Temperatura Media Anual………………….. 64
Figura 31. Comportamiento medio mensual de la precipitación y Temperaturas en la
Cuenca Alta del Río Conchos…………………………………………. 65
Figura 32. Comportamiento de la Temperatura Máxima…………………………….. 65
Figura 33. Comportamiento de la Temperatura Mínima Anual………………………. 66
Figura 34. Correlación Precipitación Vs Temperatura Media………………………… 66
Figura 35. Evolución de la precipitación y la erosión hídrica en la Cuenca Alta Río
Conchos…………………………………………………………………… 67
Figura 36. Cambio Temporal de la Vegetación y el Uso de Suelo en la Cuenca Alta
Río Conchos…………..…………………………………………………… 68
Figura 37. Mapa de Evolución del Uso de suelo y la Cubierta Vegetal de 1991 al 2013
en la Cuenca Alta del Río Conchos……………………………………….. 69
Figura 38. Cambio temporal de la Vegetación y el Uso de Suelo en la Cuenca Alta
Río Conchos…..…………………………………………………………… 70
Figura 39. Evolución de la Erosión Hídrica en la Cuenca Alta Río Conchos…………. 71
Figura 40. Correlación de la Erosión Hídrica Media Anual de las Subcuencas de la
Cuenca Alta Río Conchos, Modelación USLE vs SWAT…………..…… 72
1
1. INTRODUCCIÓN
La erosión del suelo es un fenómeno natural que se presenta en todas las superficies,
las actividades que la aceleran son tanto naturales como antropogénicas. En los suelos la
erosión hídrica es la causa más importante (Saha, 2004). Kumar y Debjyoti (2010), describen
el proceso de la erosión hídrica como la remoción de suelo, tanto por el impacto de la lluvia
y de la fuerza de corte de agua que fluye sobre su superficie. Los sedimentos son trasportados
por la pendiente principal por el agua que se desplaza sobre el suelo (Walling, 1988).
De acuerdo con la Secretaria de Medio Ambiente y Recursos Naturales
(SEMARNAT, 2012) en el 2012, 11.9% del territorio mexicano (22.72 millones de
hectáreas) presentó degradación del suelo por erosión hídrica. En el estado de Chihuahua, la
cuenca del Río Conchos es una de las más importantes tanto económica, social y ambiental;
sin embargo se evidencia problemas de erosión debido principalmente a la tala clandestina
de sus bosques. La mayoría de los sedimentos sin generados en zonas con altas pendientes
de la Sierra Madre Occidental localizada al occidente de la cuenca, son depositados en la
Presa la Boquilla (la de mayor capacidad del estado) disminuyendo la capacidad de
almacenamiento del embalse y su vida útil.
En relación a los modelos experimentales, los más conocidos son las parcelas de
escurrimiento y las parcelas con clavos de erosión. Las parcelas de escurrimiento involucran
la captación del caudal líquido y sólido, pero son difíciles de implementar por costos y
tecnología. Por su parte, la metodología de los clavos de erosión es un método experimental
sencillo, directo, de gran precisión y principalmente de bajo costo, en los cuales la estimación
de pérdida de suelo se realiza totalmente en terreno, en ambos modelos se requiere mínimo
un análisis de 3 años para que los resultados sean significativos a través del tiempo (Mancilla,
2006).
La metodología tradicional para la evaluación y cuantificación de la erosión hídrica
se vuelve compleja especialmente para superficies extensas, requiriendo grandes esfuerzos
económicos, de tiempo y de mano de obra. Por lo tanto, la modelación matemática se ha
convertido en un método importante para el análisis de la erosión y su distribución espacial
y temporal a escala cuenca (Yongbo et al., 2015). El modelo dominante aplicado a nivel
mundial para estimar la erosión del suelo es la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo
(USLE), la cual es una herramienta de planificación y conservación que ha demostrado ser
2
razonablemente bueno para la estimación de la erosión de distintos tipos de suelos (Millward
& Mersey, 1999).
El Soil and Water Assessment Tool (SWAT) es un programa de modelación
hidrológica basado en la USLE. Este modelo permite simular la producción de agua y
sedimentos en cuencas hidrográficas, así como el efecto que las prácticas agronómicas que
afectan la calidad del agua por el uso de pesticidas y fertilizantes (Rivera et al., 2012).
Empleando estas dos metodologías (USLE y SWAT) se realizó la modelación de la
erosión hídrica en la Cuenca Alta del Río Conchos en los años de 1995 a 2015, así ubicando
las zonas más propensas a la perdida de suelo, con la generación de mapas y de este modo
verificar que la variabilidad climática y los cambios temporales de uso de suelo y vegetación
genera mayor contenido de sedimentos en la cuenca.
3
2. REVISIÓN DE LITERATURA
La erosión del suelo es un fenómeno que se presenta en todas las superficies, las
actividades que la aceleran son tanto naturales como antropogénicas. Este proceso se puede
definir como el desprendimiento, remoción, trasporte y sedimentación de partículas de suelo
o material rocoso a consecuencia del agua, viento y temperatura (Alatorre & Beguería, 2009).
Aproximadamente 1094 millones de hectáreas en el planeta se encuentran amenazadas por
la erosión como consecuencia directa de las acciones antrópicas. Entre éstas se encuentran la
deforestación y remoción de la cubierta vegetal (43%), el sobrepastoreo (29%), la gestión
inapropiada de la tierra agrícola (24%) y la sobreexplotación de la vegetación natural (4%)
(Walling & Fang, 2003).
2.1 Erosión Hídrica
La erosión hídrica es la causa más importante de la erosión de suelos, esta situación
es responsable de la erosión de 441 millones de hectáreas que sufren en Asia; de 227 millones
de hectáreas que son afectadas por este fenómeno en África; de 123 millones de hectáreas en
América del Sur; de 114 millones en Europa, 106 en América del Norte y América Central
(Saha, 2004). Lal, R (2004) menciona que este tipo de erosión está ligado al cambio climático
(sequias y lluvias de mayor intensidad y menor duración). Kumar y Debjyoti (2010)
describen el proceso hídrico como la separación del sedimento de la superficie de suelo, tanto
por el impacto de la lluvia y de la fuerza de corte de agua que fluye. El sedimento es
trasportado por la pendiente principal por el agua que corre, y que de igual manera existe un
pequeño trasporte dado por la salpicadura de las gotas provocadas por la precipitación
(Walling D., 1988). Al momento que se generan escorrentías el tamaño del material
trasportado aumenta con la velocidad del agua. El sedimento se deposita aguas abajo donde
la pendiente es menor, comenzando con las partículas más grandes y las más pequeñas son
transportadas a mayor longitud dando lugar a lo que se conoce como enriquecimiento de
finos (Gracia, 1993).
Existen cinco factores responsables de la erosión hídrica del suelo descritas a
continuación por Dumas (2012):
4
La Precipitación. En este proceso el arranque de material suele producirse tanto por
el impacto de la lluvia como de su salpicadura de las gotas, el trasporte de los sedimentos se
da por los flujos superficiales que se crean.
El Suelo. El grado de sensibilidad que presenta el suelo ante la erosión depende de la
naturaleza de los materiales que lo forman como son, su textura, profundidad y la
permeabilidad del mismo.
La topografía. Suele existir mayor erosión en áreas con mayor inclinación y longitud
de pendiente.
La vegetación. Este factor actúa como escudo disminuyendo la erosión y
favoreciendo la sedimentación de las partículas trasportadas por las corrientes de agua.
El Uso de Suelo. Es el primordial condicionante de la erosión ya que modifica sus
condiciones naturales. La erosión dependerá en buena medida del manejo y del tipo de cultivo
implantado.
2.2 Modelos de la Erosión
En la actualidad existe un elevado número de modelos de erosión, existiendo
diferencias en su complejidad, escala y resolución espacial del análisis, procesos que
consideran: representación del medio físico y cantidad y tipo de datos que se requieren para
su calibración. La elección del modelo más apropiado para un caso de estudio determinado
dependerá de los objetivos que se establezcan y de las características propias del área de
estudio, por lo que no se puede hablar de modelos óptimos (Alatorre y Baguería, 2009).
Podemos clasificar los modelos de erosión en tres grupos (Merritt et al., 2003):
Modelos empíricos. Se basan en el análisis estadístico de datos obtenidos mediante
observación. Son generalmente los más sencillos de aplicar.
Modelos conceptuales. Representan la erosión partiendo de una serie de
almacenamientos entre los que se establecen relaciones matemáticas simplificadas.
Modelos de base física. Basados en leyes físicas que controlan las relaciones entre
los parámetros y los procesos observados.
La metodología tradicional para la evaluación y cuantificación de la erosión hídrica
se vuelve compleja especialmente para superficies extensas, requiriendo grandes esfuerzos
económicos, de tiempo y de mano de obra. Por lo tanto, la modelación matemática se ha
convertido en un método importante para el análisis de la erosión y su distribución espacial
5
y temporal a escala cuenca (Yongbo et al., 2015). El modelo dominante aplicado a nivel
mundial para estimar la erosión del suelo es la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo
(USLE), la cual es una herramienta de planificación y conservación que ha demostrado ser
razonablemente bueno para la estimación de la erosión de distintos tipos de suelos (Millward
& Mersey, 1999).
2.3 USLE “Ecuación Universal de Pérdida de Suelo”
La USLE fue formulada por Wischmeieir y Smith en 1962, posteriormente fue
publicado en el manual 534 del Departamento de Agricultura de Estados Unidos
(Wischmeieir y Smith, 1978). Esta ecuación fue desarrollada para:
Predecir el movimiento promedio anual de suelos desde una pendiente específica,
bajo condiciones de uso y manejo específicos.
Orientar la selección de prácticas de conservación para localidades específicas.
Estimar la reducción de pérdida de suelos que se puede lograr con cambios de manejo
efectuados por el agricultor; y
Determinar el largo máximo de pendiente tolerable para un sistema de cultivo
determinado (COLPS, 2015).
Toma la siguiente forma:
Erosión = f (clima, suelo, topografía, uso del suelo y manejo)
(1) 𝐴 = 𝑅 ∗ 𝐾 ∗ 𝐿𝑆 ∗ 𝐶 ∗ 𝑃
Donde:
A = Erosión promedio anual (t/ha año).
R = Factor de erosividad (lluvia-escurrimiento) (Mj/ha mm/h).
K = Factor de erodabilidad del suelo ((t/ha año/(Mj/ha mm/h)).
LS = Factor de topografía (L es la longitud del terreno y S es el grado de pendiente)
(Adimensional).
C = Factor de manejo del cultivo (Adimensional).
P = Factor de prácticas de conservación (Adimensional) (FAO, 2016).
A continuación se describen los factores de la USLE por Dumas (2012):
6
2.3.1 Factor Erosividad de Lluvias (R)
Representa la energía con que las gotas de lluvia impactan en el suelo a determinada
intensidad rompiendo los agregados superficiales en partículas de tamaño transportable. Se
trata de un factor activo en el proceso de erosión.
El factor R se deduce a partir del producto de la energía cinética liberada por la lluvia
(E) y la máxima intensidad de precipitación durante un intervalo de 30 minutos (I30) de la
tormenta mediante la siguiente ecuación (Colotti, 1999):
(2) 𝑅 =𝐸𝐼30
173.6
Existen también otros modelos para el cálculo de erosividad de la lluvia en base a
regresiones lineales:
Uno de ellos desarrollado por Cortes en 1991, ante la escases de registros
pluviográficos en México, creó 14 regiones estadísticamente homogéneas para la república
mexicana (Figura 1), las cuales permiten calcular el factor R promedio anual en función de
la precipitación promedio anual del área de estudio (Tabla 1).
Tabla 1. Ecuaciones Regionales para México que Estiman el Valor de R por Medio de la
Precipitación Anual (P) (Cortés, 1991).
7
Figura 1. Regionalización Nacional del Factor “R” (Becerra, 1997).
8
2.3.2 Factor Erodabilidad del Suelo (K)
Este factor toma en cuenta el tipo de suelo (edafología) de cada cuenca y la litología
(geología). Representa la respuesta del suelo a una determinada fuerza o mecanismo erosivo,
es decir, la susceptibilidad que presenta el suelo al ser erosionado.
Este parámetro se obtiene a través de una ecuación de regresión que pone en relación
K con diversas propiedades del suelo como son su textura, estructura, permeabilidad y
presencia de materia orgánica. La ecuación matemática es la siguiente propuesta por
Williams (1995):
(3) 𝐾 = 0.1317(𝑓𝑐𝑠𝑎𝑛𝑑 ∗ 𝑓𝑐𝑙−𝑠𝑖 ∗ 𝑓𝑜𝑟𝑔𝑐. ∗ 𝑓ℎ𝑖𝑠𝑎𝑛𝑑)
Donde:
fcsand: Factor que reduce el valor de “K” en suelos con alto contenido de arena gruesa y
aumenta para suelos con poca arena.
fcl-si: Da valores bajos de erodabilidad a suelos con alto proporción de arcilla-limo.
forgc: Reduce el valor de “K” en suelos con alto contenido de carbón orgánico.
fhisand: Disminuye la erodabilidad a suelos con un contenido de arena
extremadamente alto.
Sus fórmulas son las siguientes:
(4) 𝑓𝑐𝑠𝑎𝑛𝑑 = {0.2 + 0.3 𝑒𝑥𝑝 [−0.256 ∗ 𝑚𝑠 ∗ (1 −𝑚𝑠𝑖𝑙𝑡
100)]}
(5) 𝑓𝑐𝑙−𝑠𝑖 = (𝑚𝑠𝑖𝑙𝑡
𝑚𝑐+𝑚𝑠𝑖𝑙𝑡)
0.3
(6) 𝑓𝑜𝑟𝑔𝑐 = [1 −0.25∗𝑜𝑟𝑔𝐶
𝑜𝑟𝑔𝐶+𝑒𝑥𝑝(3.72−2.95∗𝑜𝑟𝑔𝐶)]
(7) 𝑜𝑟𝑔𝐶 =𝑀𝑜
1.724
(8) 𝑓ℎ𝑖𝑠𝑎𝑛𝑑 = {1 −0.7∗(1−
𝑚𝑠100
)
(1−𝑚𝑠100
)+𝑒𝑥𝑝[−5.51+22.9∗(1−𝑚𝑠100
)]}
Donde:
ms: El contenido de la facción de arena % (0.05 – 2.00 mm de diámetro).
msilt: El contenido de la fracción de limo % (0.002 - 0.05 mm de diámetro).
mc: Contenido de la fracción de arcilla % (<0.002 mm de diámetro).
orgC: El contenido de carbón orgánico %.
9
Mo: Materia Orgánica %.
2.3.3 Factor Topográfico (LS)
Este factor combina dos parámetros distintos: la longitud de la pendiente (L) y su
ángulo de inclinación(S). LS representa la relación de pérdida de suelo que se espera por
unidad de área en una pendiente determinada “X” en relación con la pérdida correspondiente
en una pendiente del 9% y de 22,13 metros de longitud. Este factor es uno de los más difíciles
de calcular cuando no se aplica la USLE a escala de parcelas, donde los terrenos son
uniformes tanto en grado de pendiente como en longitud de flujo (Barrios, 2000).
Foster (1977) propone las siguientes fórmulas para el cálculo de “L” y McCool et al
(1989) calcula el factor “S” comparando la pendiente de cada pixel con la pendiente unitaria
de valor 9%:
(9) 𝐿 = (𝜆
22.13)
𝑚
(10) 𝑚 =𝛽
1+�́� (11) 𝛽 =
sin 𝜃 0.0896⁄
3(sin 𝜃)0.8+0.56
(12) 𝑆 = 10.8 sin 𝜃 + 0.03; 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑝 < 9% (13) 𝑆 = 16.8 sin 𝜃 − 0.50; 𝑝 ≥ 9%
Donde:
λ: Longitud del terreno (m).
m: Exponente variable según .
: Relación erosión en surcos a erosión en entresurco.
Ѳ: Pendiente a nivel de pixel (debe estar expresa en radianes, a grados multiplicar por
0.01745).
Mediante el uso de los sistemas de información geográficos (SIG), se puede calcular
“L” con la formula modificada de Foster de la siguiente manera (Velásquez, 2008):
(12) 𝐿 =[(𝐴+𝐷2)(𝑚+1)]−[𝐴(𝑚+1)]
𝑋𝑚𝐷𝑚+2(22.13𝑚)
Donde:
A: es la acumulación de flujo a nivel pixel.
D: Lado del pixel.
X: Coeficiente de forma (X=1 para sistemas pixelados).
10
2.3.4 Factor de Cobertura Vegetal (C)
El factor de vegetación representa el grado de protección que un determinado tipo de
cubierta vegetal ofrece al suelo, ya que contribuye a frenar la erosión del suelo (Dumas,
2012).
Esta variable se calcula a partir del uso de suelo y cubierta vegetal que se tenga en
cada sub-cuenca, considerando un valor ponderado si existen en la zona de estudio
condiciones diferentes de cubierta vegetal. Wischmeier y Smith (1978) propusieron en su
modelo valores entre el 0 y 1 para este parámetro que dependerá del tipo de vegetación
existente y de su grado de cobertura.
2.3.5 Factor de Prácticas de Cultivo y Conservación de Suelos (P)
Representa la relación existente entre las pérdidas de suelo que tienen lugar bajo
determinada práctica de conservación de suelo y las pérdidas que ocurren en la misma área
sin que existan prácticas de conservación (Dumas, 2012).
2.3.6 Aplicación de la USLE
Según Wischmeier y Smith (1978) se puede emplear la Ecuación Universal de
Pérdida de Suelo para la obtención del resultado de erosión hídrica que nos permiten:
Predecir la pérdida anual del suelo de una pendiente en un campo con condiciones
específicas.
Servir de guía en la selección de un sistema de cultivo, manejo y de prácticas de
conservación para suelos y pendientes específicas.
Predecir pérdidas de suelo que resultarían por un cambio en los sistemas de cultivo o
en los métodos de conservación sobre un campo específico.
Determinar cómo puede afectarse o alterarse las prácticas de conservación para
permitir un cultivo más intensivo.
Estimar las pérdidas de suelo en áreas con un uso de suelo distinto del agrícola.
Obtener estimación de pérdida de suelo para que los conservacionistas determinen las
necesidades de conservación.
11
2.3.6.1 Ventajas y limitaciones de la USLE:
Ventajas:
Sencillez.
Erosión laminar y pequeños surcos
Buenas estimaciones en suelo agrícola, en general.
Limitaciones:
No estima en cárcavas, barrancos, canales o desplazamientos en masa.
Adaptaciones en distintos ambientes (no “universal”).
No se considera el depósito.
Problemas en grandes superficies.
Los métodos para estimar los seis factores no se encuentran disponibles en muchos
lugares fuera de los Estados Unidos de Norteamérica.
Está basado sobre el supuesto de pendiente de terreno, suelos, cultivo y manejo
uniformes.
Para desarrollarla se hace manualmente. (Wischmeier, W. H., and D. D. Smith, 1962.)
2.4 Estudio de la Erosión Utilizando Sistemas de Información Geográfica
Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) son el resultado de la aplicación de
las llamadas Tecnologías de la Información (TI) a la gestión de la Información Geográfica
(IG), que se define como el conjunto integrado de medios y métodos informáticos, capaz de
recoger, verificar, almacenar, gestionar, actualizar, manipular, recuperar, transformar,
analizar, mostrar y transferir datos espacialmente referidos a la Tierra (IGN, 2017).
Los sistemas de información geográfica presentan grandes ventajas a la hora de
implementar un modelo para el análisis de erosión, ya que permiten (Dumas, 2012):
Procesar y operar gran cantidad de datos que permiten el cálculo de las distintas
variables implicadas en el modelo, pudiendo obtener como resultado una capa para
cada factor de la ecuación matemática.
12
Ejecutar operaciones y análisis entre capas.
Observar la distribución espacial de los resultados.
Crear escenarios posibles.
Visualizar y generar cartografía que muestre de forma clara y concisa los resultados
obtenidos.
2.5 Modelo SWAT
El Soil and Water Assessment Tool (SWAT) es un programa de modelación
hidrológica desarrollado por el Dr. Jeff Arnold (Neitsch et al., 2005) de la Universidad de
Texas para el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos Americanos (ARS-
USDA), basado en el RUSLE. Este modelo permite simular la producción de agua y
sedimentos en cuencas hidrográficas, así como el efecto que las prácticas agronómicas que
afectan la calidad del agua por el uso de pesticidas y fertilizantes (Rivera et al., 2012).
El SWAT procede del modelo SWRRB (Simulator for Water Resources in
Rural Basin, Williams et al., 1985). Es un modelo de simulación diseñado para predecir los
efectos de cambios en las condiciones ambientales de una cuenca (clima, vegetación, gestión
de embalses, utilización de agua subterránea, etc.) sobre la producción de escorrentía, la
erosión y el transporte de sedimentos y contaminantes químicos en cuencas grandes. La
representación espacial es agregada, ya que el área de estudio se subdivide en unidades más
pequeñas con características hidrológicas homogéneas. Puede efectuar simulación continua
desde un año hasta cien años, con intervalo temporal diario (Alatorre & Beguería, 2009).
SWAT está definido por 8 componentes, hidrología, clima, erosión y sedimentación,
temperatura del suelo, crecimiento de plantas, nutrientes, pesticidas y manejo del suelo
(Miller et al. 2007). Este modelo se puede utilizar para simular una sola cuenca o un sistema
de cuencas múltiples conectadas hidrológicamente. Cada cuenca se divide primero en
subcuencas y luego en unidades de respuesta hidrológica (HRU), basadas en la distribución
del uso del suelo, pendiente y de los suelos mismos. El modelo hidrológico está basado en la
ecuación general del balance hídrico:
(13) 𝑆𝑊𝑡 = 𝑆𝑊0 + ∑ (𝑅𝑑𝑎𝑦 − 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝐸𝑎 − 𝑊𝑠𝑒𝑒𝑝 − 𝑄𝑔𝑤𝑡𝑖=1
Donde:
13
SWt: es el contenido final de agua en el suelo (mmH2O).
SWo: es el contenido de agua inicial en el día i (mmH2O).
t: es el tiempo (día).
Rday: es la cantidad de precipitación en el día i (mmH2O).
Qsurf: es la cantidad de agua escurrida en un día i
Ea: es la cantidad de evapotranspiración en el día i (mmH2O).
Wseep: es la cantidad de agua acumulada en la zona no saturada del perfil del suelo en
día i (mmH2O).
Qgw: es la cantidad de flujo de retorno en el dia i (mmH2O) (Arnold et al, 1991).
Para el análisis de erosión y sedimentos por medio de este método (SWAT), se estima
cada unidad de respuesta hidrológica (HRU) con la ecuación universal modificada de perdida
de suelo (MUSLE) (William, 1975). A diferencia de la USLE que utiliza la lluvia como
indicador de energía erosiva, MUSLE utiliza la cantidad de pérdidas para simular la
producción de erosión y sedimento, como se muestra en la siguiente ecuación:
(14) 𝑆𝑒𝑑 = 11.8 ∗ (𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 ∗ 𝑞𝑝𝑒𝑎𝑘 ∗ 𝑎𝑟𝑒𝑎ℎ𝑟𝑢)0.56
∗ 𝐾𝑈𝑆𝐿𝐸 ∗ 𝐶𝑈𝑆𝐿𝐸 ∗ 𝑃𝑈𝑆𝐿𝐸 ∗ 𝐿𝑆𝑈𝑆𝐿𝐸 ∗ 𝐶𝐹𝑅
Dónde:
Sed: Producción de sedimentos en un día dado (Toneladas métricas).
Qsurf: Volumen de superficie de escorrentía.
qpeak: Escorrentía máxima.
areahru: Área de HRU.
Kusle: Factor de erodabilidad del suelo de USLE.
Cusle: Factor de cobertura y gestión de USLE.
Pusle: Factor de prácticas de conservación de USLE.
LSusle: Factor topográfico.
CFR: Factor fragmento macro (Uribe, 2010).
2.5.1 Ventajas y Limitaciones del Modelo SWAT
Ventajas:
Es un modelo de base física
14
Existe una gran cantidad de documentación disponible acerca del modelo, sus
aplicaciones, además de grupos para hacer consultas a la comunidad de usuarios por
vía de internet.
Posee una base de datos de crecimiento de cultivos y de otras coberturas que se
utilizan en la modelización.
Permite hacer estudios a nivel de cuencas.
Limitaciones:
No realiza simulaciones con eventos subdiarios (por ejemplo una tormenta).
Solamente tiene capacidad de modelar el movimiento/transporte de un pesticida por
vez.
Los datos de simulación de cada HRU no puede visualizarse espacialmente. Sin
embargo, esto ha sido resuelto utilizando las herramientas de Sistemas de
Información Geográfica (Velásquez, 2014).
Es uno de los modelos conceptuales que requiere una alta base de datos por lo que es
difícil su calibración.
2.5.2 Extensión ArcSWAT
El software de ArcGIS® es un programa basado en el campo de los SIG, la cual tiene
su aplicación para entrada de datos, búsqueda de estadísticas y geográficas, y además de
salida de información como la elaboración de mapas, su plataforma principal de trabajo es el
ArcMap (Caso, 2010). La extensión ArcSWAT para ArcGIS® es una interface gráfica del
usuario (GUI) para el modelo Herramienta para la Evaluación de Suelo y Agua (Soil and
Water Assessment Tool-SWAT) (Velásquez, 2014).
15
3. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1 Descripción de la Zona de Estudio
3.1.1 Localización
La Cuenca Alta (CA) del Río Conchos, también llamada Cuenca Presa La Boquilla,
tiene un área aproximada de 20,700 km2 y está localizada en la parte sur-central del estado
de Chihuahua y norte de Durango. Pertenece al sistema de la cuenca hidrográfica del Río
Conchos, ubicada en la región hidrológica 24 Río Bravo-Conchos. Se ubica en dos provincias
fisiográficas del país; en el poniente la Provincia de la Sierra Madre Occidental y en la
porción oriente la Provincia de Sierras y Llanuras del Norte. Hidrográficamente la cuenca
está comprendida por 6 subcuencas; Balleza, Bocoyna, La Boquilla, Minas Nuevas, San
Ignacio y Nonoava. Todas son subcuencas de cabecera excepto la de Valle Zaragoza que es
intermedia y recibe las aportaciones de las demás (Figura 2). Cuenta con una altura máxima
de 3282 msnm en el suroeste y una elevación mínima de 1276 msnm noroeste. La cuenca
abarca 18 municipios del estado de Chihuahua y 2 de Durango, los cuales se pueden observar
en la Figura 3.
3.1.2 Hidrografía
Hidrológicamente la cuenca tiene como corriente principal al río Conchos que nace
en la Sierra Madre Occidental en el municipio de Bocoyna, al norte de San Juanito. El cauce
también lleva el nombre de Río Bocoyna en su nacimiento, luego aguas abajo va pasando por
un sistema montañoso donde le contribuyen agua los ríos de San Ignacio (Carichí), Nonoava
y Balleza, hasta desembocar en la Presa la Boquilla, la cual es la de mayor capacidad del
estado de Chihuahua (Figura 4). Hasta este punto la longitud del Río Conchos es de
aproximadamente 383 km, casi dos cuartas partes de su extensión total (907 km) hasta
converger con el Río Bravo en el municipio de Ojinaga. Las corrientes se clasifican según
la permanencia del flujo sobre el terreno natural. En la cuenca se presenta un 95 % de tipo
intermitente, que son corrientes que conducen agua en determinadas épocas del año, y un 5
% perenne, que tienen presencia de agua permanente. La CA presenta un orden de corriente
de numero 7, esta es una clasificación del grado de ramificación dentro de ella.
16
Figura 2. Localización de la Cuenca Alta del Río Conchos y sus Subcuencas.
17
Figura 3. Influencia municipal de la Cuenca Alta del Río Conchos.
18
Figura 4. Hidrografía de la Cuenca Alta del Río Conchos.
19
3.1.3 Clima
El clima es la estadística del tiempo, generalmente sobre un intervalo de 20 a 30 años,
se difiere el tiempo del clima porque este solo describe las condiciones a corto plazo. El clima
de una cuenca hidrográfica es afectado por su latitud, altitud, terreno, y vientos, como
también los cuerpos de agua, sus corrientes y vegetación. Los climas se pueden clasificar de
acuerdo al promedio y los rangos típicos de diferentes variables, más comúnmente la
temperatura y precipitación. El esquema de clasificación de clima más utilizado en México
es la de Köppen modificado por Enriqueta García en 1973.
Dentro de la CA del Río Conchos podemos encontrar los siguientes climas que se
observan en la Tabla 2 y Figura 5:
Tabla 2. Clasificación del Clima en la Cuenca Alta del Río Conchos.
Clave Tipo de Clima Área km2 Área %
BS1kw(w) Semiseco templado 7000.34 33.82
C(E)(w2) Semifrío subhúmedo 4575.31 22.10
C(w0) Templado subhúmedo 2732.67 13.20
C(w1) Templado subhúmedo 1515.05 7.32
BS0hw(w) Seco semicálido 1438.66 6.95
C(E)(w1) Semifrío subhúmedo 1179 5.70
BS1hw(w) Semiseco semicálido 893.09 4.31
BS1kw Semiseco templado 785.05 3.79
BS0kw(w) Seco templado 217.87 1.05
C(E)(w2)(x') Semifrío subhúmedo 185.81 0.90
BS1hw(w) Semiseco semicálido 175.45 0.85
BWhw Muy seco semicálido 1.71 0.01
3.1.3.1 Descripción de los Principales Climas de la CA del Río Conchos
Clima Semiseco Templado BS1kw(w). Estepario templado con verano cálido. La
evaporación excede a la precipitación. Es el menos seco de los secos. Temperatura media
anual de 12⁰ a 18⁰C, del mes más frio entre - 3⁰ y 18⁰C y del mes más cálido >18⁰C. La
lluvia de invierno es menor del 5% (INEGI, 2005).
20
Figura 5. Clima de la Cuenca Alta del Río Conchos.
21
Semifrío Subhúmedo C(E)(w2). Corresponde al más húmedo. Temperatura media anual
entre 5⁰ y 12 ⁰C. Régimen de lluvias de verano, con lluvia invernal entre 5% y 10.2% y
precipitación del mes más seco < 40mm (INEGI, 2005).
Templado subhúmedo C(w0). Con régimen de lluvias de verano, temperatura media anual
entre 12°C y 18°C, con verano fresco largo, oscilación térmica menor a 5°C, marcha anual de la
temperatura tipo Ganges, lluvia anual menor de 43.2 mm por cada grado de temperatura media
anual. Corresponde al menos húmedo (INEGI, 2005).
Templado subhúmedo C(w1). Humedad media. Temperatura media anual entre 12⁰ y 18
⁰C. Régimen de lluvias de verano, con lluvia invernal entre 5 y 10.2%, precipitación del mes más
seco < 40mm (INEGI, 2005).
Seco semicálido BS0hw(w). Corresponde al estepario, es el menos seco de los secos.
Temperaturas medias anuales de 18° a 22 °C y del mes más frío < 18 °C, considerándose un
invierno fresco. Corresponde al de verano cuando el mes de máxima precipitación cae dentro del
período de mayo-octubre, y este mes recibe por lo menos diez veces mayor cantidad de
precipitación que el mes más seco del año. Porcentaje de lluvia invernal corresponde a < 5mm
(INEGI, 2005).
Semifrío Subhúmedo C(E)(w1). Humedad media. Temperatura media anual entre 5⁰ y 12
⁰C. Régimen de lluvias de verano. Con lluvia invernal entre 5% y 10.2%. Precipitación del mes
más seco < 40mm.
Semiseco Semicálido BS1hw(w). Estepario semicálido con invierno fresco. La
evaporación excede a la precipitación. Es el menos seco de los secos. Temperatura media anual de
18° a 22°C y del mes más frio < 18°C. La lluvia de invierno es menor del 5% (INEGI, 2005).
Semiseco Templado BS1kw. Es un clima estepario semi-seco, templado con verano cálido,
temperatura media anual entre 12° y 18°C, la del mes más frio entre -3° y 18°C y la del mes más
caliente mayor de 18°C, presenta invierno fresco con precipitación invernal oscila entre 5 y 10.2%.
Régimen de lluvias de verano es por lo menos 10 veces mayor la cantidad de lluvia en el mes más
húmedo de la mitad caliente del año que en el más seco (INEGI, 2005).
22
3.1.4 Geología
La naturaleza litológica del terreno es fundamentada en el proceso de la erosión en el hecho
de que la roca madre es uno de los factores formadores del suelo y de ella por tanto proceden las
características de textura, estructura, color, etc., que el suelo hereda (Gisbert, et al., 2012). Las
rocas ígneas son predominantes en la CA Río Conchos, procedentes del periodo del neógeno, esta
clase litológica es formada por la solidificación del magma fundida, las cuales pueden ser intrusivas
o extrusivas, estas últimas son expulsadas sobre la superficie de la tierra (Lanza, et al., 1999). Más
del 50 % de la geología de la cuenca son de tipo ácidas extrusivas estas dadas por la composición
química del magma, siendo ejemplos las rocas como el basalto, riolitas y granito. En segundo lugar
quedan las rocas sedimentarias, provenientes de los periodos cretácico y terciario, principalmente.
Del primer periodo encontramos rocas de tipo caliza-lutita y en el último conglomerado, el cual
presenta matriz arcillosa – arenosa. En la Tabla 3 y Figura 6 se pude observar con más detalle los
tipos de rocas en la cuenca.
3.1.5 Edafología
La edafología es la ciencia que estudia el suelo, el cual es un cuerpo natural producto del
intemperismo de la roca madre y que está afectado por el clima, organismos, relieve, vegetación,
tiempo y el ser humano (Colpos, 2015). En el proceso de erosión los terrenos van perdiendo
fertilidad y capacidad productiva. La susceptibilidad para que un suelo se erosione depende de sus
características. A continuación se describen las unidades edafológicas dominantes de la CA del Río
Conchos.
3.1.5.1 Descripción de las Principales Unidades Edafológicas de la CA del Río Conchos
Regosol (R). Son suelos ubicados en cualquier zona climática sin permafrost y cualquier
altitud. Son poco desarrollados, sin estructura y de textura variable, muy parecidos a la roca madre,
muy permeables y pobres en materia orgánica (INEGI, 2008).
Los subsuelos presentes en la cuenca son:
23
Tabla 3. Unidades Litológicas de la Cuenca Alta del Río Conchos.
24
Figura 6. Litología de la Cuenca Alta Río Conchos.
25
Regosol Calcárico (Rc). Se caracteriza por un enriquecimiento secundario de
carbonatos, menor de 15 %, al menos en alguna zona entre los primeros 50 cm de
profundidad
Regosol Éutrico (Re). Regosol rico o muy rico en nutrientes o bases (Ca, Mg, K, Na),
dentro de 50 cm de profundidad (JA, 2017).
Litosol (I). Están constituidos por gravas, piedras y materiales rocosos de diferentes
tamaños. Se distinguen por tener una profundidad menor a los 10 cm. No aptos para cultivos
de ningún tipo, pueden destinarse al pastoreo. Se localizan en las sierras, en laderas, barrancas
y malpaís, así como en lomeríos y algunos terrenos planos.
Feozem (H). Suelos con capa superficial obscura, algo gruesa, suave y rica en materia
orgánica, nutrientes o bases (Ca, Mg, K, Na). Son suelos abundantes en nuestro país, y los
usos son variados, en función del clima, relieve y algunas condiciones del suelo. Muchos
feozem son profundos y están situados en terrenos planos, que se utilizan para agricultura de
riego o de temporal, con altos rendimientos (INEGI, 2008).
Los subsuelos presentes en la cuenca son:
Feozem Calcárico (Hc). Feozem con enriquecimiento secundario de carbonatos (cal),
menor al 15 %, al menos en alguna parte entre los 50 cm de profundidad.
Feozem Háplico (Hh). Sin ninguna otra propiedad.
Feozem Lúvico (HI) Feozem con subsuelo más rico en arcilla que la capa superficial
(INEGI, 2001).
Xerosol (X). Suelos de regiones áridas, con una capa superficial delgada de desarrollo
débil, la cual es pobre en materia orgánica pero rica en nutrientes o bases (Ca, Mg, K, Na)
(INEGI, 2001).
Los subsuelos presentes en la cuenca son:
Xerosol Cálcico (Xk). Xerosol con una capa mayor de 15 cm de espesor con
enriquecimiento secundario de carbonatos (cal), mayor de 15 %.
Xerosol Háplico (Xh). Sin ninguna otra característica.
Xerosol Lúvico (XI) Xerosol con acumulación considerable de arcilla en el subsuelo
(INEGI, 2001).
26
Cambisol (B). Suelos con subsuelo estructurado, donde las características de las
rocas que los originan han desaparecido casi por completo, o suelos con capa superficial
obscura mayor de 25 cm de espesor, con buen contenido de materia orgánica, pero pobre en
nutrientes o bases (Ca, Mg, K, Na). Permiten un amplio rango de posibles usos agrícolas
(INEGI, 2008).
Los subsuelos presentes en la cuenca son:
Cambisol Crómico (Bc). Cambisol con subsuelo de color rojizo.
Cambisol Éutrico (Be). Cambisol con subsuelo rico o muy rico en nutrientes o bases
(Ca, Mg, K, Na).
Cambisol Húmico (Bh). Cambisol con capa superficial obscura mayor de 25 cm de
espesor, con buen contenido de materia organica, pero pobre en nutrientes o bases
(Ca, Mg, K, Na) (INEGI, 2001).
En la Tabla 4 y Figura 7 se aprecian las unidades edafológicas y sus superficies.
3.1.6 Vegetación y Uso de Suelo
La vegetación es el principal mecanismo de defensa contra la erosión hídrica, ya que
actúa como escudo amortiguador del flujo de agua ya sea de las escorrentías como del
impacto de las gotas de lluvia. Debido a las condiciones topográficas, edáficas, litológicas y
climáticas previamente descritas, en la Cuenca Alta del Río Conchos se presentan distintos
tipos de comunidades vegetales. La más abundante son los bosques principalmente de pino
y encino, ocupando en conjunto el 50 % de la superficie. Los pastizales ocupan el segundo
lugar, con un área que corresponde al 35 % de la cuenca, se caracterizan por ser zonas de
transición entre los bosques y los matorrales, estos últimos ocupando un área del 6 %,
matorrales de tipo desérticos micrófilos y rosetófilos (Tabla 5 y Figura 8). Lamentablemente
el 36% de la cuenca está compuesta por vegetación secundaria principalmente de pastizales
y bosques, esta se lleva acabo cuando un tipo de vegetación es eliminado o alterado por
diversos factores antropogénicos o naturales, el resultado es una comunidad
significativamente diferente en composición florística heterogénea (INEGI, 2015). Solo el
8.5 % del suelo de la cuenca tiene un uso agrícola, principalmente temporal y de menor forma
la de riego, los principales cultivos sembrados son el maíz, el sorgo y el frijol.
27
Tabla 4. Unidades Edafológicas de la Cuenca Alta Río Conchos.
28
Figura 7. Edafología de la Cuenca Alta Río Conchos
29
3.1.6.1 Descripción de la Vegetación Predominante de la CA del Río Conchos
Bosque de Pino (BP). Comunidades de vegetales que se localizan en las cadenas
montañosas de México. Se localiza desde los 150 m de altitud hasta los 4 200 m en el límite
altitudinal de la vegetación arbórea. Con una pendiente que va de los 10 a 75%. Estos bosques
están dominados por diferentes especies de pino con alturas promedio de 15a 30 m. Los
arboles de pino poseen hojas perennifolias, con una época de floración y fructificación
heterogénea, debido a las diferentes condiciones climáticas que presenta. Algunos ejemplos
de estos son; pino chino (Pinus leiophylla), pino (P. hartwegii), ocote blanco (P.
montezumae), pino lacio (P.pseudostrobus), pino (P. rudis) (INEGI, 2015).
Bosque de Pino – Encino (BPQ). Comunidades de zonas montañosas, su mayor
distribución se localiza entre los 1200 a 3200 msnm. Alcanzan alturas de 8 hasta los 35 m,
las comunidades están conformadas por diferentes especies de pino (Pinus spp.) y encino
(Quercus spp.); pero con dominancia de las primeras. Son arboles perennifolios y
caducifolios, la floración y fructificación es variable durante todo el año (INEGI, 2015).
Bosque de Encino – Pino (BQP). Este tipo de vegetación se encuentra en altitudes
desde los 600 a 2500 msnm, principalmente en sistemas montañosos. Estas comunidades
están conformadas por encinos (Quercus spp.), y en proporción algo menor de pinos (Pinus
spp.). Se desarrolla principalmente en áreas de mayor importancia forestal, en los límites
altitudinales inferiores de los bosques de pino-encino. Estas comunidades muestran menor
porte y altura que aquellos donde domina el pino sobre el encino con una altura de 8 a 35 m.
Son árboles perennifolios y caducifolios, la floración y fructificación es variable durante todo
el año (INEGI, 2015).
Bosque de Encino (BQ). Esta flora se desarrolla en muy diversas condiciones
ecológicas desde el nivel del mar hasta los 3000 m de altitud. Estas comunidades están
formadas por diferentes especies de encinos o robles del género Quercus, estos bosques
generalmente se encuentran como una transición entre los bosques de coníferas y las selvas,
el tamaño varía desde los 4 hasta los 30 m de altura desde abiertos a muy densos. Las especies
más comunes de esta comunidad son encino laurelillo (Quercus laurina), encino blanco (Q.
candicans), roble (Q. crassifolia), encino quebracho (Q. rugosa), encino tesmolillo (Q.
crassipes) (INEGI, 2015).
30
Pastizal Natural (PN). Es una comunidad dominada por especies de gramíneas y
graminoides, en ocasiones acompañadas por hierbas y arbustos de diferentes familias, como
son: compuestas, leguminosas, etcétera. Su principal área de distribución se localiza en la
zona de transición entre los matorrales xerófilos y los diversos tipos de bosques. Se desarrolla
de preferencia en suelos medianamente profundos de mesetas, fondos de valles y laderas
poco inclinadas, casi siempre de naturaleza ígnea, en altitudes entre 1 100 y 2 500 msnm.
Los pastizales en cuestión son generalmente de altura media, de 20 a 70 cm, aunque a causa
del intenso pastoreo se mantienen casi siempre más abajo. La coloración amarillenta pálida
es característica durante la mayor parte del año. El pastizal más común es el Bouteloua
gracilis, seguido por otros como: Bouteloua curtipendula y Bouteloua hirsuta (INEGI,
2015).
Matorral Desértico Micrófilo (MDM). La distribución de este matorral se extiende
a las zonas más secas de México y en áreas en que la precipitación es inferior a 100 mm
anuales, la vegetación llega a cubrir solo el 3% de la superficie, mientras que en sitios con
climas menos desfavorables la cobertura puede alcanzar 20%; la altura varía de 0.5 a 1.5 m.
Algunos ejemplos son Larrea y ambrosia, Larrea tridentata y Flourensia cernua (INEGI,
2015).
Matorral Desértico Rosetófilo (MDR). Matorral dominado por especies con hojas
en roseta, con o sin espinas, sin tallo aparente o bien desarrollado. Se le encuentra
generalmente sobre suelos tipo xerosoles de laderas de cerros de origen sedimentario, en las
partes altas de los abanicos aluviales o sobre conglomerados en casi todas las zonas áridas y
semiáridas del centro, norte y noroeste del país. El Agave lechuguilla (lechuguilla), Agave
spp., Hechtia spp. (guapilla), Dasylirion spp. (sotol) (INEGI, 2015).
3.2 Desarrollo de la USLE
Para el desarrollo de la ecuación universal de pérdidas de suelo (USLE por sus siglas
en ingles), se calcularon los factores por separado utilizando los softwares de “Excel 2013”
y “ArcMap 10.2” para analizar y procesar los datos, dando como resultado una capa raster
para cada variable y posteriormente multiplicarlos para obtener los resultados finales.
31
Tabla 5. Vegetación y Uso de Suelo en la Cuenca Alta del Río Conchos.
32
Figura 8. Vegetación y uso de la Cuenca Alta del Río Conchos.
33
3.2.1 Cálculo del Factor de Erosividad de la Lluvia (R)
Se utilizó el modelo de regresión lineal que propone Cortes (1991). Utilizando el
mapa de Regionalización Nacional del Factor R (Becerra, 1997) citado por Montes et al
(2011); se generó un archivo sheap para poder identificar lo más preciso posible las regiones
de erosividad que corresponden a la cuenca alta (Figura 9), como se muestran a continuación:
(15) 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑜𝑛 4. 𝑅 = 2.8559 𝑃 + 0.002983 𝑃2
(16) 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑜𝑛 6. 𝑅 = 6.6847 𝑃 + 0.001680 𝑃2
Ya que la región 3 no cuenta en su área una estación climatológica se descartó.
Figura 9. Regionalización del factor R para la Cuenca Alta del Río Conchos.
34
Después se calculó la precipitación media anual de las 7 estaciones en el periodo de
1995 al 2015, (21 años), estos datos se obtuvieron de la CNA de la ciudad de Chihuahua la
cual proporciono un registro histórico anual de las precipitaciones medias de las estaciones
dentro y cercanas de la CA Río Conchos (Tabla 6). La precipitación media anual fue
calculada por medio de isoyetas utilizando el programa de ArcMap (Figura 10).
Tabla 6. Precipitación Anual Registradas en las Estaciones Climatológicas
de la Cuenca Alta del Río Conchos.
Año Creel Abraham
González El Vergel P. La Boquilla Parral V. Zaragoza
1995 588.0 310.3 407.0 177.9 389.3 349.3
1996 829.5 505.3 557.9 258.4 575.1 503.3
1997 955.4 498.6 657.6 242.9 368.2 368.2
1998 501.5 327.2 726.5 180.0 427.3 308.7
1999 709.9 523.8 595.9 307.1 297.4 299.7
2000 694.6 418.7 912.6 182.0 443.2 368.2
2001 524.2 549.3 596.9 148.0 334.1 292.8
2002 743.0 325.3 616.9 306.1 406.5 380.1
2003 653.9 348.1 766.3 334.2 601.5 513.0
2004 1267.8 486.0 1055.5 350.7 616.3 543.7
2005 649.3 395.8 588.1 144.7 396.7 270.1
2006 545.5 719.7 958.9 448.9 700.7 640.7
2007 617.1 451.7 473.8 380.1 433.2 374.6
2008 592.6 529.1 936.7 597.2 931.5 123.2
2009 684.4 543.5 1015.1 208.6 491.8 475.7
2010 660.2 515.4 1293.7 463.5 597.4 551.6
2011 489.2 263.8 689.1 90.6 190.8 80.1
2012 495.4 321.7 786.5 245.7 442.4 413.7
2013 802.5 633.8 881.9 380.7 803.3 729.7
2014 485.1 411.5 1129.7 267.8 483.1 693.0
2015 683.6 818.4 894.8 418.1 572.2 408.8
Precipitación
Media Anual 674.9 471.3 787.7 292.1 500.1 413.7
35
Aplicando las fórmulas de Cortes de las regiones 4 y 6 se obtuvieron los siguientes
valores de R por estación:
Tabla 7. Valores del Factor R por Estación.
Región Estación Precipitación mm R
MJ mm ha-1
6 Creel 674.9 5276.6
4 Abraham Glez 471.3 2027.4
6 El Vergel 787.7 6307.7
4 P. La Boquilla 292.1 1100.2
4 Parral 500.1 2194.2
4 V. Zaragoza 413.7 1708.7
Figura 10. Isoyetas de la Cuenca Alta del Río Conchos.
36
Con la información recopilada anteriormente se generó la capa Rastre de R con la
herramienta del Arcmap “Spline” que permitió homogenizar los datos.
Tabla 8. Clasificación de la Erosividad de las Lluvias Según el Valor de R.
Clase Erosividad R
MJ mm ha-1 Clasificación
1 < 1000 Natural
2 1000 a 2500 Muy Baja
3 2500 a 5000 Baja
4 5000 a 7500 Moderada
5 7500 a 10000 Alta
6 10000 a 15000 Muy Alta
7 15000 a 20000 Severa
8 > 20000 Extremadamente
Severa
3.2.2 Calculo del Factor Topográfico (LS)
Este factor se divide en dos subfactores; La inclinación de la pendiente (S) y su
longitud (L). Ambos subfactores se empezaron a calcular mediante el modelo digital de
elevación (DEM) versión 3.0 del INEGI, que posteriormente se ajustó a la zona. Antes de
procesar el DEM se utilizó la herramienta de “Fill”, para rellenar los posibles sumideros y
errores que pudiera tener. A continuación se describen los pasos del cálculo de LS.
3.2.2.1 Calculo del subfactor L
Se calcula el raster de pendientes del terreno “Beta” (en grados) con la herramienta
“Slope” (Figura 11).
Se usa la metodología descrita anteriormente, de esta forma calculando el raster del
parámetro “F”, utilizando la herramienta de “Map Algebra” se escribe la siguiente
fórmula:
(17) 𝐹 =[𝑆𝑖𝑛 (𝐵𝑒𝑡𝑎∗0.01745 0.0896⁄ )]
{3 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟[𝑆𝑖𝑛(𝐵𝑒𝑡𝑎∗0.01745)0.8]+0.56}
Siendo “Beta” el raster de pendiente en grados se multiplica por 0.01745, para
convertirlos a radianes.
37
Pendiente Media:
21 %
Cálculo del parámetro “m” con la siguiente expresión:
(18) 𝐹
(1+𝐹)
El siguiente paso es obtener la dirección de flujo para después obtener la acumulación
de flujo de la cuenca, a partir del DEM.
Para no sobreestimar los valores de longitud de pendiente (L) (que podrían dar
resultados exagerados de erosión) se restringió la longitud de pendiente a un límite de
150 metros (5 pixeles) de acuerdo con otros estudios como el de Leyton (2007), lo
describe de la siguiente manera:
Figura 11. Pendientes en porcentaje de la Cuenca Alta del Río Conchos.
38
Realizando una reclasificación de la capa raster que representa la acumulación de
flujo, asignando valor 0 a todos los pixeles cuyo valor inicial fuese superior a 5 y
asignando valor 1 a todos aquellos cuyo valor inicial fuese inferior a 5.
1. Se multiplica la capa resultante por la capa inicial de acumulación de flujo con el
fin de obtener una capa raster donde los valores de longitud de pendiente
inferiores a 5 pixeles (150 metros) tengan valor 1 y los valores superiores a ese
límite aparezcan representados por valor 0.
2. Después se genera otra capa reclasificada donde a los pixeles con valores de
acumulación de flujo menores a 5 se le asigno valor 0 y a los que tengan una
acumulación de flujo mayor a 5 les asignamos valor 5 (el limite propuesto).
3. Finalmente se suman las dos últimas capas resultantes y así se obtiene una capa
con las distintas longitudes de pendientes y el límite de 150 metros.
Una vez hecho, se aplicó la fórmula modificada de Desmet (Velásquez, 2008)
para el cálculo del subfactor “L” con la calculadora raster:
(19) {𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟[Flujo Acumulado+ (𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑖𝑥𝑒𝑙)2 m+ 1]−𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟[𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑚+1]}
[𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟(𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑖𝑥𝑒𝑙 𝑚+2) 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟(22.13 𝑚)]
3.2.2.2 Calculo del subfactor S
Se calcula el subfactor de “S” aplicando los criterios de McCool de la siguiente
manera en la calculadora de mapas:
(20) 𝐶𝑜𝑛[𝑇𝑎𝑛(𝐵𝑒𝑡𝑎 ∗ 0.01745) < 0.09, 10.8 ∗ 𝑆𝑖𝑛(𝐵𝑒𝑡𝑎 ∗ 0.01745) + 0.09, 16.8 ∗ 𝑆𝑖𝑛(𝐵𝑒𝑡𝑎 ∗ 0.01745) − 0.5]
Para concluir con el cálculo del raster de “LS”, se multiplican los mapas de “L” y
“S”.
3.2.3 Calculo del Factor de Erodabilidad del Suelo (K)
La erodabilidad es el factor del suelo que caracteriza a la erosión que puede darse por
la composición de cuatro componentes del suelo; arena, limo, arcilla y carbono orgánico. Se
usó el shape de INEGI de edafología serie I, para identificar el tipo de suelo, subsuelo y clase
textural. Después se utilizó la base de datos y el mapa de la FAO del “Harmonized World
Soil Database Viewer, versión 1.2, para identificar los porcentajes de limo, arena, arcilla, y
materia orgánica, conforme a la información del shape se ubicaron los suelos a longitudes
39
aproximadas a los suelos de la cuenca. Teniendo los cuatro valores se aplicó las fórmulas
mencionadas en la revisión de literatura de Williams (1995) obteniendo los resultados de la
Tabla 10.
(21) 𝐾 = 0.1317(𝑓𝑐𝑠𝑎𝑛𝑑 ∗ 𝑓𝑐𝑙−𝑠𝑖 ∗ 𝑓𝑜𝑟𝑔𝑐. ∗ 𝑓ℎ𝑖𝑠𝑎𝑛𝑑)
Se exportaron los valores obtenidos del shape de edafología el cual se convirtió en
raster con la herramienta de “Polygon to Raster” del Arcmap.
3.2.4 Calculo del Factor de Cobertura Vegetal (C)
Con el mapa de vegetación y uso de suelo mostrado anteriormente basado en el shape
de INEGI, se caracterizó 10 tipos de usos. A cada uno se le designo un coeficiente del valor
de “C”, basado en los valores sugeridos del modelo SWAT, encontrados en el apéndice A de
la teoría del mismo. Para calcular “C” el SWAT se basa en la cantidad de cobertura del suelo
y el factor “C mínimo”, definido por la cobertura de planta/tierra. El factor “C mínimo”
cuantifica la disminución posible en la erosión de la cobertura planta/tierra.
“C mínimo” puede calcularse a partir de un factor de “C” medio anual conocido
utilizando la siguiente fórmula de Arnold and Williams (1995):
(22) 𝐶𝑈𝑆𝐿𝐸,𝑚𝑚 = 1.463 𝐼𝑛|𝐶𝑈𝑆𝐿𝐸,𝑎𝑎| + 0.1034
Dónde:
CUSLE, mm: Factor “C mínimo” para la cubierta de tierra.
CUSLE, aa: Factor “C mínimo” para la cubierta de la tierra.
En la Tabla 9 se pueden observar los valores de “C”:
Tabla 9. Factor de Cobertura Vegetal de la Cuenca Alta del Río Conchos.
Vegetación y Uso de Suelo Área % Factor C
Bosque 36.6 0.001
Pastizal Natural Secundario 18.4 0.004
Pastizal Natural 16.4 0.003
Bosque Secundario 13 0.002
Agricultura 8.44 0.2
Matorral Secundario 4.64 0.018
Matorral 1.7 0.006
Zona Urbana 1.0 1
40
Tabla 10. Subfactores y Factor de Erodabilidad “K” en la Cuenca Alta del Río Conchos.
41
3.3 Modelación del SWAT
3.3.1 Recopilación y Acomodo de datos
El modelo SWAT requiere de datos específicos para su procesamiento los cuales se
describirán de manera resumidos a continuación:
3.3.1.1 Suelos
El modelo requiere los siguientes parametros de los tipos de suelos:
Tabla 11. Parámetros de Suelo Modelo SWAT
Parámetros Descripción
SOL_ZMX Máxima profundidad del perfil del suelo con presencia de raíces (mm)
ANION_
EXCL Fracción de porosidad desde donde los aniones son excluidos
SOL_CRK Fracción del volumen de rompimiento potencial o máximo del perfil
SOL_ZMX Profundidad de la superficie del suelo hasta el fondo del horizonte (mm)
SOL_BD Densidad Real (Mg/m3 o g/cm3)
SOL_AWC Capacidad de disponibilidad del agua del horizonte de suelo (mm H2O/mm soil)
SOL_K Conductividad hidráulica saturada (mm/hr)
SOL_CBN Contenido de carbono orgánico (% del peso del suelo)
SOL_ALB Albedo del suelo húmedo
SOL_EC Conductividad eléctrica (dS/m)
USLE_K Factor USLE de Erodabilidad del suelo
CLAY Contenido de arcilla (% del peso del suelo)
SILT Contenido de limo (% del peso del suelo)
SAND Contenido de arena (% del peso del suelo)
ROCK Contenido de fragmentos de roca (% del peso del suelo)
HYDGRP Grupo hidrológico del suelo (A, B, C o D)
Al igual que el factor de “K” de la USLE se utilizo el shape de edafología del INEGI
(2002), para localizar los tipos de suelo.
Los parametros de la tabla anterior fueron conseguido o calculados de distintas
maneras, se describen según su color:
42
Azul. Se utilizó la base de datos de la FAO del “Harmonized World Soil Database
Viewer, versión 1.2”.
Rojo. Programa de SPAW “Soil-Plant-Aire-Water Field & Ponf Hydrology” Versión
6.02.75, proporcionado por el Servicio de investigación de Agricultura de los Estados
Unidos.
Morado. Herramienta “Determinación de Números de Curva” creada por la
Universidad de Valladolid.
Amarillo. Para estos parametros se tomo el valor constante de 0.50 (SWAT).
Verde. Parametors Calculados; USLE_K se utilizo la formula de Williams (1995). El
albedo se calculó tomando en cuenta el contenido de materia orgánica (Baumer,
1990):
(23) 𝐴𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜 =0.6
𝐸𝑥𝑝 (0.4 ∗𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑂𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 %)
3.3.1.2 Uso de Suelo y Vegetación
Ubicando los tipos de cobertura y uso de suelo con los shapes de INEGI escala 1: 250
000, series del I al V, se logró vincular los distintos tipos de vegetación con la base de datos
del modelo SWAT, asignándoles una clave para distinguirlos en la Tabla 12.
Se hizo una subclasificación en porcentajes de los tipos de usos subrayados en la
tabla:
Azul. La agricultura se dividió en los siguientes porcentajes; agricultura temporal
(4%), maíz (48%), sorgo (38%) y frijol (10%), ya que son los cultivos más sembrados
en la cuenca.
Verde. Vegetación secundaria de bosque de encino (60%), matorral (15%), pastizal
(25%).
Rojo. Vegetación secundaria de bosque de pino (60%), Matorral (15%), pastizal y
(25%).
43
Tabla 12. Categorías de Uso de Suelo para la Cuenca Alta del Río Conchos, según SWAT.
Clave
SWAT Descripción
AGRR Agricultura
FRSE Bosque de Pino-Encino
FRST Bosque de Encino-Pino
MATO Matorral Secundario
MESQ Bosque de Mezquite
OAK Bosque de Encino
PINE Bosque Pino
RNGB Matorral
RNGE Pastizal
URLD Asentamientos Humanos
URMD Zona Urbana
VSOK Bosque de Encino Secundario
VSOP Vegetación Secundaria de Bosque Encino-Pino
VSPN Vegetación Secundaria de Bosque de Pino
VSPO Vegetación Secundaria de Bosque de Pino-Encino
VSPZ Vegetación Secundaria de Pastizal
WATR Cuerpo de Agua
3.3.1.3 Clima
El modelo SWAT requiere de valores diarios de precipitación, temperaturas máximas
y mínimas, radiación solar, humedad relativa y velocidad del viento, este último no se
requirió por que no se utilizó el modelo de Penman-m Monteith para calcular la
evapotranspiración potencial sino el de Hargreaves. En la cuenca se ubicaron 6 estaciones
climatológicas (Abraham González, La Boquilla, Creel, Parral, El Vergel y Valle de
Zaragoza). Se obtuvieron datos de precipitación, temperatura máxima y mínima de registros
diarios proporcionados por la Comisión Nacional del Agua (CNA) y de la página del Servicio
Meteorológico Mexicano (SMN, 2016). Primero se hicieron climogramas para observar el
comportamiento de cada estación y de esta forma se concluyó usar un registro de 21 años
desde 1995 al 2015.
44
Durante el periodo la estación Creel presentaba gran cantidad de datos faltantes de
precipitación diaria. Con la finalidad de corregir lo anterior, se tomó la serie de tiempo de
precipitación diaria de esta estación, que fue completada previamente utilizando el método
del Inverso de la Distancia al Cuadrado (IDC), en la tesis de licenciatura de Corte (2015) para
obtener el título de Ingeniero Civil. Este es muy parecido al método de La Media Aritmética
(MA) que consiste en calcular el promedio de los datos pluviométricos puntuales de
estaciones ubicadas en un área geográfica determinada (Linsley et al., 1988), pero con el
agregado de una ponderación por distancia. Dicha ponderación, al tener un factor cuadrático,
recibe una influencia bastante fuerte del monto pluvial de las estaciones más cercanas y al
considerar una serie o variedad de puntos de estimación puede formar agrupaciones centradas
de los valores estimados en torno a las estaciones. Este método divide el área de estudio en
celdas, considerando que la precipitación dentro de una celda sin medida es una función de
la precipitación de las celdas próximas que poseen medidas y del inverso de la distancia que
las separa, elevada al cuadrado (Pizarro et al., 2003). La ecuación del IDC es la siguiente:
(24) 𝑃𝑚 =∑ 𝑃𝑖∗(1 𝐷𝑖
2)⁄𝑛𝑖=1
∑ (𝑛𝑖=1 1 𝐷𝑖
2⁄ )
Donde:
Pm: Precipitación media del área de estudio (mm).
n: Número de estaciones en el análisis.
Pi: Precipitación de la estación o isoyeta i (mm).
Di: Distancia entre estación y celda correspondiente (km).
Con el modelo generador de clima “WXGEN” incluido en el SWAT se calcularon
los datos diarios de la radiación solar y humedad relativa, como también los datos faltantes
de precipitación y temperatura. El generador calcula la cantidad de precipitación y su
distribución en el día. Los demás factores son generados basados en la presencia o ausencia
de lluvia en el día.
SWAT calculó la precipitación media anual de la cuenca por medio de los polígonos
de Thiessen, los cuales se muestran en la Figura 12.
45
3.3.2 Preparación del Modelo y Ejecución
El SWAT se basa en un balance hídrico para determinar la entrada, la salida y el
almacenamiento de agua en la cuenca. Para el modelamiento, la cuenca hidrográfica es
dividida en subcuencas y unidades de respuesta hidrológica (HRU), las cuales son obtenidas
del cruce de los diferentes tipos de suelo, pendiente y coberturas presentes en la cuenca
(Velásquez, 2014).
Se descargó la herramienta de ArcSWAT, la cual es una extensión del modelo SWAT
para el uso en el ArcGis. Al momento de empezar un nuevo proyecto hay una serie de pasos
a seguir el cual cómodamente se van activando pestañas para ir procesando la información,
a continuación se describirán concisamente cada una:
Figura 12. Polígonos de Thiessen de la Cuenca Alta del Río Conchos.
46
3.3.2.1 Delimitación de Cuencas
Este apartado se divide en cinco secciones, configuración del modelo digital de
elevación (DEM), definición de drenajes, definición de entradas, selección y definición de
desagües o salidas de cuenca y cálculo de parámetros de las sub cuencas. Aquí se permitió
delimitar las subcuencas utilizando el DEM de elevación del INEGI versión 3, a una
resolución de 30 x 30 m y la realización de un reporte detallado de los parámetros de las
mismas (Figura 13).
3.3.2.2 Análisis de Unidades de Respuesta Hidrológica (HRU)
En esta opción se permitió especificar los criterios utilizados para determinar la
distribución de las HRUs. Se optó por la asignación de múltiples HRUs a cada subcuenca en
la cual se especificó la sensibilidad dentro de cada subcuenca para el uso del suelo, suelo y
pendiente las cuales fueron utilizados para determinar el número y clase de HRU en cada
cuenca, dando un resultado de 3189 unidades (Figuras 14 a la 17).
3.3.2.3 Definición de Datos de Clima
Después de la definición de las HRUs se cargó la localización de las estaciones de
clima al proyecto “WGEN_user” y se asignaron los datos climáticos a las subcuentas, para
cada tipo de dato climático cargado cada subcuenca se ligó a una estación (Figura 18).
3.3.2.4 Creación de Tablas de Entrada
En esta sección el modelo, SWAT construyó los archivos de base de datos que son
necesarios para generar los datos de entrada (Figura 19).
3.3.2.5 Simulación SWAT
En este último apartado permite correr el modelo definiendo las siguientes opciones:
a) Ajuste del periodo de simulación (1995 – 2015).
b) Configuración de impresión mensual o anual y los años de calentamiento (10 años,
1885 - 1995).
c) Seleccionar la versión de SWAT de 64 bits.
d) Se confirma los cambios y se corre el modelo (Figura 20 y 21).
47
Figura 13. Delimitación de la Cuenca Alta del Río Conchos modelo SWAT.
48
Figura 14. Vegetación y uso de suelo Cuenca Alta del Río Conchos modelo
SWAT.
Figura 15. Suelos de la Cuenca Alta del Río Conchos modelo SWAT.
49
HRUs
3189
Figura 16. Pendientes de la Cuenca Alta del Río Conchos modelo SWAT.
Figura 17. Unidades de respuesta hidrológica de la Cuenca Alta del Río Conchos.
Modelo SWAT
50
Figura 18. Definición de Datos Climáticos en SWAT.
Figura 19. Creación de Datos de Entrada en SWAT.
Figura 20. Setup del modelo SWAT.
51
3.3.3 Cambios Temporales de Uso de Suelo y Variabilidad Climática
Para comprobar si existe un incremento en la tasa de erosión hídrica en la CA del Río
Conchos, por cambio de uso de suelo y la variabilidad del clima durante los 21 años, se hizo
el siguiente procedimiento:
Para la cuestión del clima se analizó los resultados finales de precipitación y las
temperaturas máximas y mínimas en nuestro periodo de modelación con el SWAT,
observando si el comportamiento fue positivo o negativo.
Para los cambios de cobertura vegetal y uso de suelo se modelo 5 veces por cada
periodo de los datos vectoriales de INEGI, y se hizo un análisis de las áreas de los mismos,
para ver sus incrementos y diminuciones en la cuenca.
3.4 Materiales
3.4.1 Conjunto de Datos
Los siguientes archivos vectoriales y raster corresponde del INEGI:
3.4.1.1 Raster
Continuo de Elevaciones México 3.0 (CEM o DEM 3.0) ①②
Figura 21. Ventana de corrida del modelo SWAT.
52
3.4.1.2 Vectorial – Shape
Edafología escala 1: 250 000, Serie I (INEGI, 2002) ①②③.
Uso de Suelo y Vegetación, escala 1: 250 000, Serie V (INEGI, 2013) ①②③.
Uso de Suelo y Vegetación, escala 1: 250 000, Series I, II, II y IV (INEGI,
1997, 2001, 2005 y 2009) ②.
Geología escala, 1: 1 000 000 (INEGI, 2002) ①③.
Climatología escala 1: 1 000 000 (INEGI 2005) ③.
Red Hidrográfica escala 1: 50 000, Edición 2.0 (INEGI, 2010) ③.
Corrientes de Agua, escala 1: 1 000 000 (INEGI, 1997) ③.
Cuerpos de Agua, escala 1: 000 000 (INEGI, 1997) ③.
Marco Geoestadístico 2014, versión 6.2 (DENUE) (INEGI, 2014) ③.
3.4.2 Software
Microsoft Office Excel 2013 ①②③.
Esri ArcMap 10.2 ①②③.
FAO Harmonized World Soil Database Viewer 1.2 ①②.
ArcSWAT 2012.10_2.18, extensión de SWAT para el uso en ArcMap ②.
SPAW 6.02.75, Soil-Plant-Aire-Water Field & Ponf Hydrology ②.
Determinación de Números de Curva, creada por la Universidad de Valladolid ②.
Nota: Aplicación del material en: USLE ① SWAT ② Descripción de la cuenca ③, para
la elaboración de las figuras y tablas presentadas anteriormente, con elaboración propia.
Todos los mapas realizados en este trabajo fueron proyectados al sistema de
coordenadas “WGS 1984 UTM Zona 13 Norte”.
53
4. RESULTADOS Y DISCUSIONES
4.1 USLE
Se describen los resultados de los factores de la USLE:
4.1.1 Factor R
Mediante las isoyetas se estimó una precipitación media anual en la cuenca de 616
mm. Los valores máximos de erosividad se encontraron en la región 6, correspondiendo a la
estación de Creel y El Vergel, clasificándose cómo “moderada”, las demás estaciones
encontradas en la región 4 en “muy baja” y “baja” (Tabla 8). Se pudo comprobar que el
proceso de Cortez fue un buen estimador del valor de “R”, mediante un análisis de regresión
lineal entre las dos variables de precipitación anual y la erosividad, indicando que existe una
casi perfecta positiva correlación entre los resultados obtenidos, coeficiente de correlación
(R) de 0.9712 (Figura 22).
El valor medio erosivo de la CA Río Conchos fue de 4191.44 MJ*mm/ha*hr, con una
clasificación “baja”, como se observa en la Figura 23, hay una tendencia creciente hacia el
sur-oeste.
R² = 0.9433R = 0.9712
0.0
1000.0
2000.0
3000.0
4000.0
5000.0
6000.0
7000.0
0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0
R (
MJ*
mm
/ha*
hrs
*añ
o
Precipitación (mm)
Factor de Erosividad vs Precipitación
Figura 22. Regresión lineal de las precipitaciones anuales vs factor de
erosividad de las estaciones climatológicas.
Climatológicas en el Periodo de 1995 al 2015
54
4.1.2 Factor LS
Recordemos que el factor “LS” es una expresión conjunta de la pendiente y su
longitud. Se registraron zonas con pendientes muy escarpadas más de 200% y una media de
21%, esto dado principalmente por la Sierra Madre Occidental ubicada al oeste, con áreas de
altitudes muy prologadas y montañosas (Figura Pendiente).
Como resultado del “LS” se obtuvo una media de 3.45, prevaleciendo topografía
plana, y en segundo lugar zonas moderadamente onduladas, como se pueden observar en la
Figura 24 y Tabla 13.
Figura 23. Factor de erosividad “R” de la Cuenca Alta del Río Conchos.
55
Tabla 13. Descripción del Factor LS de la Cuenca Alta del Río Conchos.
4.1.3 Factor K
En la CA Río Conchos predominan los suelos limosos de textura media (Tabla 14).
Los valores del coeficiente “K” oscilan entre 0 y 0.036, el valor medio anual es de 0.019,
correspondiendo a un porcentaje de 60 % de erodabilidad baja. Como se había visto
anteriormente los suelos con mayor superficie son los Regosoles Éutricos, y los litosoles
perteneciendo a la erodabilidad alta (38 %), los dos de textura gruesa (Figura 25).
Rango Descripción Área km2 Área %
< 1 Plano 9306 45
1 -3 Suavemente Ondulado 3918 19
3 - 6 Moderadamente Ondulado 4102 20
6 - 12 Fuertemente Ondulado 3279 16
> 12 Escarpado 98 0.5
Figura 24. Factor topográfico “LS” de la Cuenca Alta del Río Conchos.
56
Tabla 14. Erodabilidad del Suelo de la Cuenca Alta del Río Conchos.
Erodabilidad Área % Textura Área km2
Nulo 2% Arcilloso 366.6
Leve 60% Franco 12330.5
Arcillo Limoso 2
Moderada 0.5% Franco
Arcilloso 105.4
Alta 38% Franco
Arenoso 7855.4
Figura 25. Factor de erodabilidad del suelo “K” de la Cuenca Alta del Río Conchos.
Nulo, 2%
Leve, 60%Moderada,
0.5%
Alta, 38%
ERODABILIDAD DE LA CA RÍO CONCHOS
57
Muy Alta53%
Alta23%
Moderada15%
Baja9%
PROTECCIÓN DE LA CUBIERTA VEGETAL
4.1.4 Factor C
El resultado del valor medio anual del factor de cobertura es de 0.021, en la Tabla 15
y Figura 26 se muestra la escala de mayor a menor protección vegetal, según su uso:
Tabla 15. Protección Vegetativa Según el Uso de suelo y Factor C.
Figura 26. Factor de cobertura “C” de la Cuenca Alta del Río Conchos.
58
Se observa que el suelo está menos protegido donde hay agricultura y zonas urbanas,
seguidas por la vegetación secundaria de los matorrales y bosques (C = 0.011 a 1), estos
principalmente dados por la tala clandestina e incendios forestales que se presentan cada año.
4.1.5 Tasa de Erosión Hídrica
Al desarrollar la Ecuación Universal de Perdida de Suelo proporcionó un promedio
anual de 6.01 t/ha/año. Al realizar el mapa de erosión hídrica de la Cuenca Alta del Río
Conchos (Figura 27) se pudo comprobar los grados de erosión en la cuenca.
En el mapa se puede observar que la mayor pérdida de suelo se está dando al noroeste
de la CA Río conchos, y la menor al este. La subcuenca con la tasa de erosión más alta
corresponde a la de Bocoyna (14.48 t/ha/año), sobre pasando la tasa máxima permisible, más
de 10 t/ha/año, lo cual significa que existe degradación de suelo. Minas Nuevas es la
subcuenca con el valor mínimo de erosión (1.8 t/ha/año). Las subcuencas de Carichí,
Nonoava y Balleza, tiene valores similares, 5.85, 5.32 y 4.92 t/ha/año respectivamente. Se
puede observar que la subcuenca del Valle de Zaragoza presenta una erosión variada, desde
incipiente alrededor de la Presa la Boquilla, hasta severa cerca de donde se unen los ríos de
Bocoyna y Carichí. A simple vista podemos ver que la erosión presentada esta muy afín a las
pendientes y cantidad de precipitación.
La CA, presenta alta resistencia al proceso de erosión hídrica, por que el 93 % de la
superficie se considera de grado incipiente, quedándose el 5 % en moderada, 2 % Fuerte y
solo 0.1 % como perdida de suelo severa (23 km2)
Se desarrolló el mapa de erosión potencial (Figura 28), en este se considera el suelo
desnudo en la cuenca, con una tasa de erosión media de 273 t/ha/año, esta permite ver las
áreas con mayor susceptibilidad a erosionarse al hacer un cambio de uso de suelo, como fines
de manejo, es recomendable hacer modificaciones en las zonas incipientes, equivalente al 31
% del área de la cuenca (833 km2), evitando las moderadas (22 %) y las fuertes, las cuales se
encuentran con corta diferencia a la mitad de la superficie de la cuenca (44 %).
59
Figura 27. Mapa de tasa de erosión hídrica (USLE).
60
Figura 28. Mapa de tasa de erosión hídrica potencial (USLE).
61
4.2 SWAT
4.2.1 Tasa de Erosión y Sedimentación
La modelación de la erosión hídrica con el modelo SWAT arrojó resultados medios
anuales de pérdida de suelo y precipitación por HRUs, subcuencas y el área total de la cuenca
alta, como la tasa anual de sedimento que llega a la Presa la Boquilla.
En la Tabla 16 se muestran los resultados de las sub cuencas:
Tabla 16. Resultados Medios Anuales de Precipitación,
Pendiente y Tasa de Erosión Hídrica de las Subcuencas.
Subcuenca Precipitación
mm
Pendiente
%
Tasa de Erosión
t/ha/año
Carichí 645.84 22.5 4.31
Bocoyna 685.84 24.73 9.88
Valle de Zaragoza 416.01 17.37 9.32
Nonoava 787.53 26.06 5.19
Minas Nuevas 499.95 6.2 2.34
Balleza 787.53 24.48 7.62
Por los resultados obtenidos se puede ver que las subcuencas con mayor pérdida de
suelo son las de Bocoyna y Valle de Zaragoza. Los valores de Bocoyna se justifican por la
topografía, presentando un valor medio elevado de pendiente 24%. Para la cuenca propia de
La Boquilla, se puede observar que en ella desembocan las 5 subcuencas restantes,
evidenciando la alta erosión de la misma a pesar de tener una pendiente de 17%. Si
observamos el shape de vegetación (Figura 8), se ve que las dos ocupan gran área de
agricultura, la cual tiene el valor más alto del factor de cobertura vegetal (0.2).
En la Figura 29 se muestra el mapa de la erosión hídrica, con un valor medio de 6.44
t/ha/año, para la Cuenca Alta del Río Conchos, de ese resultado el 61% de la superficie se
clasifica en erosión incipiente, 37% moderada y 2% severa. Se observa que la mayor
degradación de suelo se da en la parte media de la cuenca, la cual abarcan las subcuencas del
Valle de Zaragoza, Balleza (parte alta y media; Balleza) y la cuenca baja de Nonoava, estas
últimas dirigiéndose hacia la desembocadura al Río Conchos. Este comportamiento se da por
el trasporte del sedimento que viene de las partes altas el cual va perdiendo velocidad y se va
62
Figura 29. Mapa de tasa de erosión hídrica (SWAT).
63
depositando. No todo el suelo degradado alcanza a depositarse en la presa, la mayoría queda
atrapado en la cuenca esto dado por el gran área de drenaje de la misma (20,700 km2).
El SWAT arrojó el sedimento aproximado que llega a depositarse en la Presa la
Boquilla, 2,644,571 t/año (2.64 t/ha/año de la tasa de erosión). Estos resultados se comparan
con la batimetría que proporciona la CN A. Tiene datos de los años 1973, 1995 y 2004,
se descartó el año 1995 por que presenta datos no confiables, este indicaba que la presa gano
capacidad de almacenamiento del 1973 al 1995, lo cual no es lógico. Se hizo una diferencia
del NAMO (nivel máximo de agua que puede operar la presa), del 1973 y 2004, entre el
periodo (31 años) y se estimó la tasa anual de sedimento al NAMO de la presa (5.1 Mm3/año).
Con el modelo arroja un valor de 4.23 Mm3/año, dando una diferencia de 0.87 Mm3.
Tabla 17. Tasa de Erosión Hídrica en la Cuenca Alta del Río Conchos
y Sedimentación de la Presa la Boquilla de 1995 a 2015.
64
4.2.2 Variabilidad Climática y Cambio Temporal de Uso de Suelo y Cubierta Vegetal
La precipitación es el factor con mayor relación a la erosión hídrica, con un valor de
R (correlación de Pearson) de 0.52. La cantidad media de precipitación en la CA para el
periodo de 1995 al 2015 fue de 637.12 mm, siendo el año más lluvioso el 2004 con 968 mm
y el más seco el 2011 con 439 mm. En general la Figura 30 indica que la precipitación posee
un comportamiento ascendente, a mayor volumen de agua mayor erosión hídrica.
En la Figura 31 se observa que el comportamiento de la lluvia y temperatura es
convexo, esto concuerda al clima del estado de Chihuahua; meses secos de marzo a mayo,
meses lluviosos de junio a septiembre, meses más calurosos de abril a junio, y los meses más
helados diciembre y febrero.
R² = 0.2716
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
20.00
300.0 500.0 700.0 900.0
Ero
sió
n H
ídri
ca (
t/h
a/añ
o)
Precipitación
Erosión Hidrica Vs Precipitación
EH
Línea de Tendencia
Figura 30. Correlación precipitación vs temperatura media anual,
periodo 1995 a 2015, en la Cuenca Alta del Río Conchos.
R= 0.53
65
Las temperaturas máximas y mínimas anuales presentan un comportamiento positivo
a través del tiempo (Figuras 32 y 33). La temperatura más calurosa del periodo se presentó
en el año 2011 con 40.5 °C (máxima mensual) y la más fría en 1998 -8.7 °C.
Figura 31. Comportamiento medio mensual de la precipitación y
Temperaturas en la Cuenca Alta del Río Conchos (1995 a 2015).
40.5
34.0
35.0
36.0
37.0
38.0
39.0
40.0
41.0
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
20
14
20
15
Tem
per
atu
ra °
C
Año
Temperatura Máxima Anual
Series1
Línea deTendencia
Figura 32. Comportamiento de la temperatura máxima anual en la Cuenca Alta del Río
Conchos (1995 a 2015).
66
La precipitación contra la temperatura media de la CA, tiene una conducta negativa,
inversamente proporcional, a mayor temperatura menor precipitación (Figura 34).
Aunque el periodo de simulación solo fue de 21 años, las variables tiende a
comportarse según al cambio climático global.
-8.7
-10.0
-9.0
-8.0
-7.0
-6.0
-5.0
-4.0
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
20
12
20
13
20
14
20
15
Tem
per
atu
ra °
C
Año
Temperatura Minima Anual
Series1
Línea deTendencia
Figura 33. Comportamiento de la temperatura mínima anual en la
Cuenca Alta del Río Conchos (1995 a 2015).
R² = 0.1112
0.0
200.0
400.0
600.0
800.0
1000.0
1200.0
21.0 22.0 23.0 24.0 25.0 26.0 27.0
Pre
cip
itac
ión
(m
m)
Temperatura °C
Precipitacón vs Temperatura Media Anual
Ppt Med
Línea de Tendencia
Figura 34. Correlación precipitación vs temperatura media de la
Cuenca Alta Río Conchos (1995 a 2015).
R= 0.33
67
En la Figura 35 se graficó la evolución de la precipitación (ppt) y la erosión hídrica
(EH) media de los cinco periodos de las series de INEGI de “Uso de suelo y vegetación”. La
tasa de EH es directamente proporcional a la cantidad de lluvia que cae en la cuenca, y los
dos valores se han incrementado con el paso del tiempo, con excepción al periodo menos
lluvioso durante la serie III (2005 a 2009).
La cobertura de la tierra y su uso representan los elementos integrantes de los recursos
básicos. Los cambios en la cobertura y uso del suelo afectan los sistemas globales por ejemplo
el clima, dichos cambios ocurren en un modo localizado que en su conjunto llegan a sumar
un total significativo (INEGI, 14). Como se vio anteriormente la cuenca depende de la
cubierta vegetal para la protección ante la erosión hídrica (Figura 28). En la Figura 36
podemos observar el cambio témpora que se ha producido en los tipos de vegetación y la
agricultura, en las distintas series de INEGI.
El bosque y el pastizal primario adquieren una tendencia decreciente, con valores de
28% y 10% de diferencia desde la primera hasta la última serie (Tabla 18). Los bosques
Figura 35. Evolución de la precipitación y la erosión hídrica en la Cuenca
Alta Río Conchos (1995 a 2015).
68
Figura 36. Cambio temporal de la vegetación y el uso de suelo en la Cuenca
Alta Río Conchos (1995 a 2015).
secundarios y la agricultura presentan una tendencia creciente consiguiendo los porcentajes
más altos de cambio; 204% para los bosques subsiguientes y 102% para el uso de la
agricultura. Los cambios restantes se enlistan en la siguiente tabla:
Tabla 18. Cambios Entre la Serie I y V de la Cubierta Vegetal y la Agricultura.
Descripción Serie I km2 Serie V km2 Diferencia km2 Diferencia %
Agricultura 869 1,754 884 102
Bosque 10,541 7,610 2931 -28
Matorral 377 354 23 -6
Pastizal 3,750 3,371 379 -10
Bosque Secundario 904 2,748 1844 204
Matorral Secundario 945 952 7 1
Pastizal Secundario 3,224 3,821 597 19
Visualmente en la Figura 37, se observa el cambio que ha sufrido la cobertura vegetal
de la CA desde el año 1991 al 2013 (años iniciales de la serie I y V).
La agricultura es el uso que más favoreció a la erosión en la cuenca, con una media
de 23 t/ha/año, seguido por los pastizales y matorrales secundarios, 11.1 y 10.4 t/ha/año. La
subdivisión de la agricultura son los siguientes cultivos; frijol (28 t/ha/año), sorgo (27.6
t/ha/año) y maíz (15.8 t/ha/año), esto dado principalmente por el tipo de agricultura en surco,
propiciando el escurrimiento superficial.
69
Figura 37. Mapa de evolución del uso de suelo y la cubierta vegetal
de 1991 al 2013 en la Cuenca Alta del Río Conchos.
70
En el último cuadro (Figura 38) se expone la evolución de la erosión hídrica con
respecto al cambio de la cubierta vegetal en los periodos de las series de INEGI. Se refleja la
tendencia de la disminución de la vegetación primaria y el aumento de la secundaria y el uso
de la agricultura, la degradación del suelo es mayor.
A continuación en la Figura 39 se aprecia como la erosión hídrica va evolucionando
con respecto a la variabilidad climática y el cambio temporal en la cobertura vegetal y uso
de suelo. La erosión considerada incipiente con un porcentaje de 91% en el año 1995 bajo a
69% al 2015, incrementando la moderada un 315% (de 1,918 a 6,048 km2). De 23 a 460 km2
fue el incremento de la erosión fuerte, y a partir del 2009 empiezan a observarse áreas con
erosión severa, principalmente en la subcuenca de Balleza.
Figura 38. Cambio temporal de la vegetación y el uso de suelo en la Cuenca
Alta Río Conchos (1995 a 2015).
71
Figura 39. Evolución de la erosión hídrica en la Cuenca Alta Río Conchos (1995 a 2015).
72
4.3 Comparación USLE y SWAT
El resultado del cálculo de la perdida de suelo anual en la Cuenca Alta del Río
Conchos con la metodología de la USLE (6.01 t/ha/año) y modelación del SWAT (6.44
t/ha/año) presentó una diferencia de 0.43 t/ha/año, aunque este valor no fue tan desigual, en
el análisis espacial de la cuenca si presentó ciertas diferencias. Para la clasificación de la
FAO, con la USLE presento una erosión incipiente de 93% y para el SWAT de 61%, una
diferencia de 32%. La USLE calculó una superficie muy baja para el grado de erosión
moderada (5%) en comparación con la del SWAT (37%) con una distribución en casi toda
la cuenca (Figura 29). Los valores medios por subcuencas se muestran a continuación en la
Tabla 19:
Tabla 19. Valores de la Perdida de Suelo por Subcuenca de la USLE y SWAT.
Subcuenca USLE SWAT
Bocoyna 14.48 9.92
Carichí 5.85 4.31
Nonoava 5.32 5.19
Balleza 4.92 7.62
Zaragoza 3.7 9.32
Minas Nuevas 1.8 2.34
Figura 40. Correlación de la erosión hídrica media anual de las subcuencas
de la Cuenca Alta Río Conchos, modelación USLE vs SWAT.
73
Los resultados anteriores, USLE vs SWAT presentaron una correlación de Pearson
de 0.6090, indicando tener una relación mediana. Los mapas resultantes de las dos
metodologías presentan similar la distribución de las áreas con mayor pérdida de suelo siendo
esta las partes medias y bajas de las subcuencas de Balleza, Nonoava, Zaragoza, Carichí y
Bocoyna. Es necesario una investigación futura para confirmar la exactitud de las dos
metodologías, estos valores necesitan ser comparados con mediciones de campo tomados en
el área.
En este trabajo no fue posible calibrar el modelo a falta de mediciones de caudales
sólidos y líquidos en el área de influencia y por no contar con una batimetría de periodos más
cortos. Menciona Arnold et al. (1987), que el modelo SWAT tiene como principal objetivo el
predecir el efecto en la toma de decisiones en el manejo de producción de agua, sedimentos,
nutrientes y pesticidas con razonable precisión en cuencas que no cuentan con estaciones de
aforo, como es el caso de la CA del Río Conchos. A pesar de los avances en ciencia y
tecnología, no existe un modelo hidrológico que simule a la perfección los complejos
procesos que involucran la hidrología debido a la presencia de errores de diferentes orígenes;
Errores en los datos de ingreso, en los datos observados, valores no óptimos de parámetros y
errores debido a la estructura del modelo (Cabrera, 2017). Para que los resultados de una
simulación sean utilizados en la toma de decisiones, para implementar un plan de manejo es
necesario la calibración y validación del modelo.
En la Tabla 20 se muestran la correlación de Pearson de datos simulados y
observados de sedimentos en cuencas de México, antes de calibrar. Tres de las cuatro cuencas
presentaron una correlación aceptable por que supera el valor de 0.7. La cuenca de Suchiapa
presento una correlación media de 0.63.
Tabla 20. Correlación de Pearson de Datos Simulados y
Observados de Sedimentos en Cuencas de México.
Cuenca Estado Periodo R Referencia
El Tejocote México 1980 - 1985 0.84 Torres et al. (2004)
Río Turbio Guanajuato 1983 - 1986 0.7 Martínez et al. (2015)
Suchiapa Chiapas 1991 - 2000 0.63 Esquivel et al. (2013)
Río Mixteco Oaxaca 1986 0.85 Salas et al. (2014)
74
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En general las metodologías de la USLE y del modelo SWAT mostraron valores
similares, presentando la mayor tasa de perdida de suelo en la parte media de la Cuenca Alta
del Río Conchos, estas áreas donde se practica la agricultura y se ubican parte de los bosques
secundarios.
La cuenca toma un grado de erosión incipiente (menor de 10 t/ha/año) en la mayoría
de su superficies (60%), a pesar de esto, 8,011 km2 se encuentran clasificados entre erosión
moderada y fuerte. Asumiendo estos valores se debe prevenir para que no se incremente la
erosión en la zona estudiada.
Las subcuencas más altas en tasa de perdida de suelo son Bocoyna (9.9 t/ha/año),
Zaragoza (9.3 t/ha/año) y Balleza (7.6 t/ha/año), la menor con solo 2.3 t/ha/año Minas
Nuevas, está ubicada en la cuenca baja, y presenta la pendiente media más baja (6.2%).
Es esencial mencionar que ambas metodologías presentan limitaciones al momento
de completar con eficiencia todos los datos requeridos. El SWAT es una herramienta con
una entrada de datos muy específica que da resultados puntuales de varios parámetros que
son de mucha utilidad para proponer algún plan de manejo. Este modelo eleva su
confiabilidad de resultado ya que usa datos de entrada diarios y de esta amanera calcula los
días secos y húmedos con la metodología del MUSLE en cada unidad de respuesta
hidrológica y haciendo la división de suelo, pendiente y uso de suelo. El problema en México
es que no siempre se tiene las series de tiempo de variables a la escala de tiempo de 1 día,
lo que por lo pronto es una debilidad en nuestro país.
La USLE en combinación con los Sistemas de Información Geográficos, es una
metodología sencilla en comparación a la modelación SWAT, requiere menor número de
entradas a una escala mayor, la cual la hace una herramienta conveniente para el cálculo
rápido de la perdida de suelo en una cuenca y ubicar las áreas con mayor vulnerabilidad de
erosión hídrica.
No todo el sedimento erosionado, alcanza a trasportarse a la Presa la Boquilla, del
6.44 t/ha/año erosionados en la cuenca 2.64 t/ha/año (4.23 Mm3) es depositado en el embalse,
disminuyendo la capacidad de almacenamiento y su vida útil.
75
Los suelos con mayor superficie son los Regosoles Éutricos, y los litosoles (54%)
perteneciendo a la erodabilidad alta (38 %), los dos de textura gruesa y media.
Las HRUs con mayor erosión son constituidas por el uso de suelo agrícola, suelos
textura media y alta (regosoles y feozem) y pendientes pronunciadas.
Aunque el periodo de simulación solo fueron 21 años, las variables climáticas
(temperatura y precipitación) tienden a comportarse según lo pronosticado en los modelos de
cambio climático global. La precipitación es la variable con mayor correlación a la tasa de
erosión hídrica (R= 0.52), a mayor volumen precipitado mayor pérdida de suelo en la cuenca
Alta del Río Conchos. Los meses lluviosos son de junio a septiembre, meses más calurosos
de abril a junio, y los meses más helados diciembre y enero. En el estado de Chihuahua se da
más el patrón de lluvias convectivas de verano, de alta intensidad y corta duración (180 a 200
mm en 24 a 48 horas (González, 2012), este tipo de lluvias generan mayor impacto al suelo
desprendiendo las partículas del mismo y generando mayores escurrimientos, superando la
capacidad de infiltración de los suelos.
A lo largo del periodo de simulación se presenta una tendencia positiva de la
temperatura, tanto máxima como mínima, si sigue esta tendencia, se presentaran factores que
incrementaran la erosión hídrica. Al incrementarse la temperatura proporcionalmente
aumentara la evapotranspiración, causando un estrés hídrico a las plantas ocasionando la
perdida de cubierta vegetal, la cual es el principal escudo contra la erosión. Habrá años más
secos propensos a presentar incendios, tanto por factores antropogénicos directos como
indirectos.
Los cultivos en surco provocan la mayor tasa de erosión hídrica en la cuenca (Frijol,
Sorgo y Maíz), seguidos por la vegetación secundaria. Durante el periodo del 1995 y 2015,
disminuyeron significativamente los bosques primarios (28%), los pastizales (10%) y
aumento la agricultura un 102%.
En la Cuenca Alta del Río Conchos se genera mayor contenido de sedimentos por
cambios temporales de uso de suelo y variabilidad climática, incrementándose un 22% la
perdida de suelo entre los años de 1995 al 2015.
De acuerdo con los resultados de otros estudios con el uso del SWAT, se concluye
que el modelo es recomendado para cuencas que no cuentan con datos medidos.
76
Los resultados obtenidos en la presente investigación son aproximaciones que
permitirán tener una perspectiva integral de la erosión hídrica en la Cuenca Alta del Río
Conchos, y que servirá como primer acercamiento en la toma de decisiones para la mitigación
y conservación de la cuenca Alta del Río Conchos.
Tomando en cuenta lo antes expuesto se hacen las siguientes recomendaciones:
Hacer estudios de este tipo en las zonas más vulnerables, a escala de microcuencas.
Realizar un análisis de sensibilidad, para conocer cuales parámetros son más sensibles
a cambios pequeños.
Se recomienda hacer medición de caudales y/o sedimentos por mínimo un año, ya
que con estos datos se podrá hacer la calibración del modelo SWAT incrementando
la confiabilidad de los datos de salida, y validando el modelo.
Instalar una red de estaciones climatológicas en las subcuencas y una hidrométrica en
la Presa la Boquilla, para monitorear los elementos del clima, producción de
escurrimientos (caudal sólido y caudal líquido) y sedimentos.
Realizar estudios de suelo, cobertura vegetal y uso de suelo (campo y laboratorio)
para usar una mejor escala que los propuestos por el INEGI.
Establecer programas de reforestación del bosque, manejo sustentable de los
pastizales y agricultura de conservación, la cual es la combinación del uso de medidas
agronómicas, biológicas y mecánicas que mejoran la calidad del suelo.
Seguir implementando programas de educación ambiental para concientizar e
informar a la población sobre la situación actual de los recursos naturales.
Formar sinergia entre las distintas secretarías por ejemplo SAGARPA y CONAFOR,
los tres niveles de gobierno y las poblaciones ubicadas en las zonas más vulnerables,
para creas programas de mitigación de la erosión hídrica y mejoramiento de la
cobertura vegetal de la cuenca.
77
6. REFERENCIAS
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SIG Compatibles con Idrisi Aplicación en una Microcuenca Andina. Revista For
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Indiana. SCS National soil Survey Laboratory, Lincoln, NE.
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Caso, E. 2010. Manual de ArcGIS® 9.3 – Básico, Descripción de la Suite ArcGIS®,
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CURRICULUM VITAE
La autora del presente trabajo nació el 4 de abril de 1989 en la Ciudad de Chihuahua,
Chihuahua, México.
2004 – 2007 Nivel medio superior. Colegio de Bachilleres del
Estado de Chihuahua Plantel No. 4. Auxiliar Técnico
Laboratorista Químico.
2008 – 2012 Ingeniero en Ecología. Facultad de Zootecnia y
Ecología, de la Universidad Autónoma de Chihuahua.
Noviembre 2011 – Mayo 2014 Instituto Nacional de Investigaciones Forestales,
Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), Tesista.
Abril – Octubre 2012 Centro de Investigación en Materiales Avanzados
(CIMAV), prestador de servicio social en el
departamento de radiología.
Junio - Agosto 2011 Comisión Nacional Forestal (CONAFOR), prestador
de prácticas profesionales.
2015 – 2017 Maestría en Ingeniería en Hidrología Subterránea.
Facultad de Ingeniería, de la Universidad Autónoma
de Chihuahua.
Agosto – Octubre 2016 Estancia de Investigación en el Centro Agronómico
Tropical de Investigación y Enseñanza (CATIE).
Capacitación del modelo SWAT (Soil and Water
Assessment Tool). Turrialba, Costa Rica.
Domicilio Permanente: Calle Monte Miravalle, No. 12705, Col. Quintas Carolinas
Chihuahua, Chihuahua CP. 31100
Esta tesis fue mecanografiada por Celia Alejandra Ordóñez Rodríguez.