ajuste del factor de erodabilidad, k, del suelo en una cuenca
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AMH XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012 AMH
Resumen
Se discute cómo obtener el ajuste del factor de erodabilidad, �del suelo en una cuenca en función del tipo de suelo. El ajuste se apoya en mediciones en parcelas experimentales. Esto permite un cálculo más confiable del aporte de sedimentos en una cuenca, obtenido por ejemplo mediante la aplicación del modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool).
Abstract
The adjustment of the erodibility factor, K, for a soil in a basin is discussed. The adjustment is realized after measurements in small parcels for different soils in a basin. A must reliable computation of the amount of sediment in a basin is then possible by applying for instance the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool).
Introducción
La erosión de los suelos es uno de los procesos más dinámicos en el desarrollo del paisaje a escala regional. En una cuenca, es el proceso responsable de la degradación de los suelos, de la reducción del nivel de fertilidad y de la productividad, así como del azolvamiento de obras hidráulicas. La contribución relativa de las diferentes áreas de la cuenca a la producción de sedimentos de la misma, depende, además de condiciones locales como la pendiente, el tipo de suelo, etc., en gran medida del tipo y condición de la vegetación existente y de la condición y uso del suelo.
La erosión en cuencas es causada principalmente por las lluvias y los escurrimientos. Dicha erosión produce una pérdida irremediable del suelo, el cual es para fines prácticos, un recurso no renovable. Además, el sedimento en su viaje por la cuenca, puede ir degradando la calidad del agua. Baste recordar que anualmente es necesario dedicar grandes recursos económicos al desazolve de canales, ríos, embalses, estuarios, puertos, etc.
Es paradójico que el suelo que se pierde en las cuencas, siendo el más útil para la silvicultura o la agricultura, sea también el que causa los mayores problemas en obras hidráulicas en general y en el largo plazo, de pérdida de capacidad en los vasos de almacenamiento. En ICOLD (1998) se reporta que el volumen de agua total almacenado en el planeta es de unos 7
millones de hm3 de estos, se pierden, debido a azolvamiento, más del 0,5 por ciento anualmente. Esto genera la necesidad de nuevos almacenamientos anuales por unos 45 000 hm3, con un costo anual del orden de US $13 000 millones; sin dejar fuera los temas ambientales, además hay que tomar en cuenta que cada vez toman más importancia los impactos sociales de los embalses.
La pérdida de suelo en cuencas ocurre en tres fases principales: la remoción de las partículas del suelo debido a la lluvia, su transporte, y el depósito del sedimento. En general, el material sólido llega hasta los océanos, aunque en etapas previas o bien se deposita en zonas inferiores de la cuenca, o es retenido en embalses.
La remoción o erosión de las partículas del suelo se puede clasificar de la siguiente manera: por erosión laminar, de canalillos, en cárcavas y en canales; estos fenómenos se ilustran en la Figura 1.
Figura 1. Idealización del proceso de erosión en una cuenca.
Fuente: Gracia (1997).
En el diseño de obras hidráulicas, principalmente de presas de almacenamiento es relevante estimar el volumen de material que puede quedar retenido; tal es el caso de los embalses.
La ecuación para determinar la pérdida de suelo en una cuenca, llamada ecuación universal de pérdida de suelos
AJUSTE DEL FACTOR DE ERODABILIDAD, K, DEL SUELO EN UNA
CUENCA
Vargas Moreno Humberto(1), Berezowsky Verduzco Moisés(1,2), Noriega Pineda Marco Antonio(1), Cervantes Albarrán J Refugio(1), Luarte García Rafael(1), Espinoza Aguirre
David(1),Mejía Mejía Cecilio(1). Montes León María Alejandrina Leticia(1). (1)Comisión Federal de Electricidad, Centro de Anteproyectos del Bajío, Av. Ingenieros No. 402, Colonia el
Marqués, Querétaro, Qro. México, C.P. 76047, Tel. +52 (442) 2 13 04 36 Ext. 64800; (2) Universidad Nacional
Autónoma de México, Instituto de Ingeniería.
[email protected], moisé[email protected] - [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
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(USLE, por sus iníciales en inglés) está dada por la siguiente expresión:
� � �����1�
donde � es la pérdida de suelo estimada en ��/�� ∗ �ñ�, �
es el factor de erosividad para un área específica y representa la energía potencial de la lluvia y el escurrimiento para causar
erosión en ��/�� ∗ ��/�; �, es el factor de erodabilidad del suelo e indica el grado de susceptibilidad o resistencia del suelo a la erosión para un horizonte especifico de suelo. Por definición es la pérdida de suelo por cada unidad de �, en
���/��/��/�� ∗ �/��� ; ��,factor topográfico, adimensional, que combina el efecto de la longitud y grado de pendiente en la tasa de erosión, relativo a aquella que ocurriría en una pendiente de 9% ; �, adimensional,es el factor de manejo de la cubierta vegetal y refleja la reducción de la erosión por efecto de un tipo y condición de cobertura vegetal en relación con la condición donde el área está libre de vegetación y en movimiento continuo; , adimensional, es el factor de práctica de control de la erosión, definida como la proporción de pérdida de suelo con la practica implementada (terrazas, cultivo en franjas, etc.) con la pérdida de suelo de una área con laboreo continuo.
El problema de la aplicación directa de modelos de predicción a diferentes condiciones radica en que a menudo el valor de sus parámetros se ha determinado en condiciones muy particulares, de tal manera que estos no deberían utilizarse en otras condiciones sin considerar factores de ajuste. Con base en su definición, los factores � y �� pueden no requerir de
ajuste. Sin embargo, los factores �, y , están definidos en base a ciertas propiedades y condiciones del suelo, de la superficie y de la condición de la cobertura vegetal, las cuales se consideran condiciones estándar.
El valor de �, y , representa la reducción relativa de la erosión ya sea por cierto tipo y condición de la cobertura
superficial (en el caso de �), o por la implementación de una práctica de conservación (en el caso de ). Esta reducción relativa es en referencia a condiciones estándar en las que la lluvia, el suelo y la topografía son los mismos y solo cambia el tipo de cobertura o la presencia de una práctica determinada.
En Gracia (1997) se discute que existe una diferencia entre el cálculo de la erosión de suelos y el aporte de sedimentos. El primero generalmente se designa con la letra "�" y corresponde a la cuantificación del material sólido que se pone en movimiento en un cierto periodo como producto de la erosión hídrica. El segundo designado como "��", corresponde al material sólido real que aporta una cuenca en su salida. La diferencia entre estos dos conceptos estriba en que en el segundo se toma en cuenta el re-depósito de material sólido dentro de la cuenca y en el primero no, por lo tanto,
� � ��.
En el artículo se describe una campaña de mediciones en parcelas de escorrentía con un simulador de lluvia que permite obtener datos para ajustar el factor de erodabilidad, �, del suelo, el cual indica la susceptibilidad de los suelos a erosionarse. Para un suelo particular, � se define como la tasa de pérdida de suelo por unidad de índice de erosividad cuando es medido en una parcela estándar, la cual tiene una pendiente uniforme de 9%, de labranza continua y a lo largo de la pendiente, en Wischmeier y Smith (1978); se describe también
el cálculo de la erosión potencial en una cuenca específica, con distintos tipos de suelo, y se toma en cuenta el ajuste al
factor � obtenido a partir de los experimentos.
Metodología para el ajuste de K
En una cuenca del norte de México se establecieron parcelas experimentales para estudiar la erosividad. La cuenca presenta los suelos siguientes: Regosol, Litosol, Cambisol, Vertisol y Acrisol, según la clasificación de la FAO (1980).
Para la evaluación del factor de ajuste se establecen dos parcelas contiguas de 6 m de largo por 2 m de ancho, se ubican en terrenos con una pendiente de aproximadamente 9%, una de ellas con el suelo removido y la otra en condiciones naturales o inalterada, Ventura (2001).
En la primer parcela se remueve la vegetación y la pedregosidad superficial y se hace una rompimiento del suelo hasta una profundidad de aproximadamente 20 cm, con el fin de lograr una capa homogénea similar a la de la definición de parcela estándar de Wischmeier y Smith (1978). Esta condición se supone que es extrema, en cuanto a que representa las condiciones más favorables para la erosión, y es
para la cual se define el coeficiente �.
La segunda parcela o “Parcela de Evaluación” se maneja de tal manera que la condición de la superficie actual o real de la zona se mantuviera, pero se elimina la vegetación para que cualquier efecto en la erosión o escurrimiento fuera resultado exclusivo de la condición de superficie.
La condición final de las dos parcelas listas para recibir la lluvia simulada se presenta en la Figura 2.
Figura 2. Parcelas experimentales para estudiar la erosión en
campo (estándar e inalterada).
Para la simulación de la lluvia se usa un sistema de riego por aspersión, de aplicación homogénea con movilidad oscilatoria como respuesta a la presión del agua utilizando una bomba de gasolina de 4 HP, un tanque para suministro de agua con capacidad de 1 100 litros, un dispositivo de distribución de agua, un sistema de aspersores oscilatorios; para delimitar la superficie de cada parcela, se utilizan laminas galvanizadas de 3,20 m de largo por 0,40 m de altura y dos vertedores en el extremo de la parcela (que miden 2 m de longitud con una escotadura de 5 cm para la recolección de las muestras).
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El sistema se ajusta para lanzar el agua hacia arriba hasta una altura de 3 m. El agua regresa a la superficie dispersa en forma de lluvia la cual se aplica con una presión similar en cada aspersor controlada mediante válvulas con el objetivo de obtener una intensidad aproximada de “lluvia” entre 75 y 80 mm/h. La intensidad real se mide cada 30 minutos mediante recipientes de boca ancha distribuidos en las parcelas.
La toma de muestras de agua-sedimento se inicia una vez que el escurrimiento superficial es significativo en ambas parcelas. Las muestras son colectadas hasta que la condición de flujo superficial se mantiene estable en al menos tres muestras consecutivas, momento en el que se detiene la prueba. En la Figura 3 pueden verse la comparación de las muestras de las parcelas alteradas e inalteradas para un mismo tiempo de muestreo.
Figura 3. Comparación del escurrimiento en ambas parcelas.
Una vez colectadas las muestras, se llevan al laboratorio para su procesamiento y análisis. Se mide el volumen de escurrimiento y se utiliza sulfato de aluminio (alumbre) para flocular las partículas de sedimento y hacer la separación del escurrimiento. Posteriormente se procede a la decantación de los sólidos y se llevan las muestras al horno para ser secadas hasta un peso constante a la temperatura de 105°C y así evaluar la cantidad de sedimentos.
Los tiempos de colección sirven para la determinación de las tasas de erosión y escurrimiento en cada una de las muestras.
Análisis de parcelas experimentales
A partir de los reportes de laboratorio se obtienen para cada tipo de suelo, gráficas del desprendimiento de suelo en el tiempo así como del ajuste del factor �, tanto para la parcela inalteradada como para la estándar. En las Figuras 4 y 5 se presentan las graficas para el suelo tipo regosol.
Figura 4. Gráfica que presenta el desprendimiento de suelo
colectado en cada muestra por Parcela.
Figura 5. La gráfica representa la variación del factor de ajuste.
Si se define como factor de ajuste de � a la relación entre la tasa de erosión en la parcela estándar y la de la parcela de evaluación para condiciones de flujo estable. En la siguiente tabla se presentan los valores del factor de ajuste para los sitios analizados en la cuenca de prueba.
Tabla 1. Valores del factor de ajuste
���� Tipo de
suelo
Factor de ajuste
a la
erodabilidad
[�!"�#�$"���%]
1 Regosol 0.13
2 Regosol 0.15
3 Regosol 0.13
4 Litosol 0.12
5 Cambisol 0.15
6 Litosol 0.21
7 Vertisol 0.30
8 Acrisol 0.33
Cálculo de la erosividad en una cuenca
Para el análisis de los sedimentos transportados a la salida de la cuenca se utiliza el modelo SWAT bajo un sistema de
0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
MUESTREO CONSECUTIVO
DE
SP
RE
ND
IMIE
NT
O (
gr/
m2/
min
)
Parcela Estándar
Parcela de Evaluación
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
0 10 20 30 40 50 60
TIEMPO (min)
FA
CT
OR
DE
CO
RR
EC
IÓN
(a
dim
.)
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información geográfica, que funciona en la plataforma Arcgis. El SWAT es un sistema diseñado por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos en conjunto con la Universidad de Texas. Es un modelo distribuido de tiempo continuo (con un intervalo de tiempo diario); está diseñado para predecir el impacto en el manejo del suelo y la vegetación en la producción de agua, sedimentos y químicos agrícolas en cuencas grandes y complejas con variación en suelos, uso de suelo y condiciones de manejo en largos periodos. El modelo está conformado por un conjunto de submodelos o módulos, los cuales se emplean para simular distintos procesos hidrológicos.
Básicamente, los submodelos son los siguientes: climáticos, hidrológicos, de erosión, de nutrientes, agrícolas y urbanos. El modelo permite simular la producción de agua y sedimentos en una cuenca, así como el efecto que en la calidad del agua tienen las prácticas agronómicas por el uso de pesticidas y fertilizantes.
El SWAT se basa en un balance hídrico para determinar la entrada, salida y almacenamiento del agua en la cuenca, la cuenca hidrográfica se divide en pequeñas subcuencas con el fin de mejorar la exactitud de los cálculos. Adicionalmente el SWAT trabaja por unidades de respuesta hidrológica (HRU, por sus siglas en inglés) obtenidas del cruce de los diferentes tipos de suelo con las coberturas de suelo presentes.
En dicho balance se toma en cuenta el contenido de agua en el suelo, el agua aprovechable por las plantas, la precipitación diaria, la cantidad de escorrentía diaria, la evapotranspiración diaria, la percolación diaria y el flujo de retorno o flujo base. Para el escurrimiento se emplea la metodología del número de la curva del Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos, con datos de lluvia diarios. Esta ecuación se fundamenta en que la escorrentía está determinada por el suelo, la cobertura de suelo y la práctica de manejo que en este se realice.
El agua que penetra en el suelo o infiltración puede tomar varios caminos: incrementar la humedad del suelo en la zona radical, moverse subsuperficialmente como flujo lateral hacia los canales de drenaje, recargar acuíferos poco profundos, donde esta agua también llegara hasta los canales de drenaje y recargar acuíferos profundos. El SWAT considera flujo lateral, percolación y flujo de retorno.
Para poder usar el modelo se requiere información topográfica, tipos y uso de suelos, climatológicas con registros diarios de precipitación, temperatura mínima y máxima y de ser posible con velocidad del viento, radiación solar y humedad relativa.
Se emplea la metodología antes descrita a una cuenca de 24 800 en el Norte de México; se construye un modelo digital con información escala 1:50 000 con tamaño de celda de 30 x 30 m. El uso y tipo de suelo se obtiene a partir de la información vectorial escala 1: 250 000 del INEGI (1982). La climatología fue obtenida a partir de los registros del ERIC II (1998), se recopiló la información diaria correspondiente a precipitación, temperatura máxima y mínima correspondiente a un periodo común de un total de 29 estaciones climatológicas; El periodo de precipitación más abundante es de junio a septiembre, relacionándose éste con la época de huracanes del Océano Pacífico con una precipitación media anual máxima de 2 238 mm, y la menor igual a 443 mm. En
las Figuras 6 y 7 se muestran los tipos de suelo y la cobertura vegetal en la cuenca.
Figura 6. Mapa de los tipos de suelo en la cuenca.
Figura 7. Mapa de la cobertura vegetal en la cuenca.
Una vez introducida la información anterior, se genera la red de drenaje y el mapa de las Unidades de Respuesta Hidrológica (HRU), al cual se le ingresa la información climatológica diaria, ver Figura 8.
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Figura 8. Mapa con las Unidades de Respuesta Hidrológica
(HRU).
Se tienen dos escenarios, uno con los valores de �obtenidos de tablas directamente con la metodología de la FAO y el otro con los valores de ajuste obtenidos a partir de las mediciones en campo. En la Figura 9 se ilustra la erosión obtenida para condiciones estándar. El volumen total a la salida de la cuenca es 28,92 millones de m³ por año. En la modelación con los valores de �, ajustados con base en las mediciones in situ se obtuvo un valor de 3,76 millones de m³ por año, es decir el 13% del inicialmente calculado.
Figura 9. Mapa de erosión obtenido con la condición estándar.
Conclusiones
Dada la enorme diferencia entre la erosión potencial y la obtenida con base en las mediciones en campo (del orden del 13 %), se recomienda realizar dichas mediciones. Aunque implican una metodología laboriosa y relativamente costosa, y requieren personal calificado para su buena puesta en práctica, dan información muy valiosa sobre la erosión en cada tipo de suelo. Con la información obtenida es posible ajustar el coeficiente de erodabilidad para cada tipo de suelo.
La experiencia en el uso del modelo para el cálculo de la erosión SWAT permite concluir que la información de tipo de suelo y cobertura vegetal son muy importantes para obtener resultados confiables. A esto debe sumarse el ajuste del
coeficiente � obtenido a partir de las mediciones in situ.
Referencias
1.- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). (1995) Extractor Rápido de Información Climatológica
(ERIC). Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, México.
2.- Food and Agriculture Organization, FAO. (1980). Tablas para la estimación de valores de la Ecuación
Universal de Pérdida de Suelos. Italia.
3.- Gracia, J. (1997). Manual de Ingeniería de Ríos, Capitulo
17 Perdida de Suelos en Cuencas. Instituto de Ingeniería de la UNAM. México.
4.- International Commission on Large Dams (ICOLD). (1998). World Register of Large Dams, Computer Database, Paris.
5.- INEGI. Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática. (1982). Cartas topográfica, tipo y uso de suelos. Escalas 1 : 50 000 y 1 : 250 000, México.
6.- Soil and Water Assessment Tool, SWAT. (2000). User’s
Manual, USA.
7.- Ventura, E.Jr. (2001). Evaluación Expedita de Factores
de Ajuste de Erosión y Escurrimiento y su Uso en la
Predicción de Sedimentos de la Cuenca del Río Extoraz. UAQ, Querétaro, México.
8.- Wischmeier, W.H. and D.D. Smith (1978). Predicting
rainfall erosion losses: A guide to conservation planning. U.S. Department of Agriculture, Agricultural Handbook No. 537. USA.