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INTRODUCCION
Los estudios en cuencaB hidrográfica con propóBito
múltiple han Bido preocupación de innumerables
inveBtigadores, aunando eBfuerzoB para reBolver grandeB
interroganteB Bobre laB diferenteB relacioneB que se
preBentan dentro de eBtoB ecoBiBtemaB naturaleB.
LOB hidrólogoB h a n venido inveBtigando la relación entre
la vegetación y 10B diferentes fenómenoB hidrológicos
superficiales y subsuperficiales ligados al balance
hídrico.
Muchos de 10B estudioB Be han realizado en cuencas
experimentaleB con diferentes coberturas simultáneas,
otros en parcelaB con una sola cobertura; también Be han
propagado laB investigacioneB en cuencas pareadaB en las
cuales se han Beleccionado diferenteB períodos de
calibración y utilizado diBtintos sistemas de
intervención o grados de alteración de la cobertura
vegetal.
2
Todos estos estudios han tenido como objetivo central,
evaluar los beneficios de las coberturas en términos de
rendimiento de agua producida através del tiempo y además
en términos económicos. Otros estudios han pretendido
evaluar las sustituciones de usos de la tierra en sus
diferentes etapas de establecimiento, desde el punto de
vista de los impactos causados y las relaciones costo
beneficio para las comunidades ubicadas en las cuencas.
En nuestro medio se han realizado pocos estudios sobre
cuencas hidrográfi s, puntuales en el tiempo, tratando
de cuantificar por diferentes metodologias el consumo de
agua por las coberturas vegetales.
Ante esta deficiencia, Empresas Públicas de Medellín
através del Departamento de Conservación y Manejo
Forestal aceptó implementar con esta investigación un
laboratorio natural de hidro logia en la cuenca de Piedras
Blancas.
Para iniciar se propuso la presente investigación cuyos
alcances iniciales son los siguientes: un estudio
detallado del efecto de las coberturas de ciprés, pino y
rastrojo sobre la humedad del suelo; el montaje de los
equipos y estructuras necesarios para medir las variables
3
que intervienen e n el balance hídrico; la cuantificac ión
del balance hídrico en el primer año de estudio.
Se seleccionaron dos microcuencas características de la
cuenca de Piedras Blancas para utilizar la metodología de
las cuencas pareadas" se propone un periodo de
calibración de dos años. El objetivo final consiste en el
establecimiento de un proyecto que evalúe el efecto de la
alteración de la vegetación existente, a través de la
implementación de un plan de manejo forestal con
diferentes porcentajes de entresacas y asi conocer la
variación del rendimiento hidrico a mediano y largo
plazo. Además establecer los estudios básicos en
hidrología y definir unos criterios que permitan obtener
parámetros que faciliten la evaluación del manejo
adecuado de las áreas con cobertura vegetal.
4
~ _ RKVISION DE LI7*.KElA'TURA
1.1 GENERALIDADES SOBRE EL CONSUHO DE AGUA POR
COBERTURAS VEGETALES.
Se puede establecer el concepto de consumo de agua por
una cobertura vegetal, equivalente al término
evapotranspiración, considerado como la cantidad de agua
que retorna a la atmósfera en forma de vapor. Medir esta
cantidad de vapor con la precisión frecuentemente
requerida por los hidr610gos es muy difícil y a veces
imposible. Para ello se han ideado diferentes métodos
con el fin de cumplir con muy variados objetivos y por
ello no son estrictamente comparables. Stewart,1982,
los clasifica, agrupados por escala de tiempo y espacio,
como se puede observar en la Tabla 1.
Un conjunto de métodos se han desarrollado para entender
los procesos que gobiernan las transferencias de energia
y de materia entre la superficie y la atmósfera.
Otro conjunto de métodos se han utilizado b&sicamente
para el estudio de las relaciones hídricas de plantas
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5
individuales o partes de una planta. Estos métodos
también son frecuentemente utilizados para medir la
evaporación de diferentes partes de un ecosistema, por
ejemplo de árboles y el estrato herbáceo separadamente.
Finalmente, un conjunto de métodos intentan cuantificar
la evapotranspiraci6n para periodos largos de tiempo,
meses o años, mientras que los grupos previos de métodos
se refieren primordialmente a escalas de tiempo de
minutos odias.
6
Tabla 1. Métodos para medir la evapotranspiración,
clasificados por grupos en el tiempo y en el
espacio. Fuente: Stewart, 1982.
Espacio Minuto Hora Día Mes Año Década
Región Balance'" hídrico~
S =0 * Penman-Monteith,Ra = O ~
Balance hídrico S =0 ~
Cuenca Difusión Turbulenta ~~~~
Balance hídrico S t O
Area Uniforme (parcela) Penman-Monteith, Ra ** = O cuando el
dosel está húmedo ~~~~~ Balance de Energía~ Método aerodinámico~
(Penman ) Penman-Monteith,Ra = O ~~
Transporte turbulento~
Grupo de Plantas Lisímetro de drenaje ~~
Rayos gamma Humedad del suelo
Planta individual Cámara ventilada~
Corte de árbol~ Flujo de savia~ Cubeta o cámara
Excisión de renuevos
Hoja Porómetro
* S variación del almacenamiento de humedad del suelo** Ra: resistencia estomática.
7
De acuerdo a esta clasificación, si se trata de medir los
efectos de los cambios de vegetación a largo plazo, se
utilizan los métodos que aparecen en el extremo superior
derecho de la Tabla 1. Pero si el objetivo es medir la
evapotranspiración a corto plazo o predecir el incremento
en la evapotranspiraci6n causado por el camb io de
cultivos anuales por una vegetación perenne que consume
más agua, o en particular escoger entre diferentes tipos
de cobertura vegetal se requiere seleccionar un método
que mida la evapotranspiraci6n de los componentes
individuales del ecosistema durante períodos cortos y
escalas de tiempo pequeñas.
La importancia y la precisión de un método particular
depende críticamente de las circunstancias bajo las
cuales se utilicen. Por ejemplo, un lisímetro no es
apropiado para medir la evapotranspiraci6n de un bosque.
Comparativamente la medición del balance hídrico en una
cuenca puede suministrar una adecuada determinación de la
evapotranspiraci6n promedia del área para un periodo de
un afio o más; sinembargo este método no proporciona
informaci6n a cerca de los componentes responsables del
proceso de evapotranspiración.
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1.2 BALANCE HIDRICO EN CUENCAS PEQUERAS y CUENCAS
PAREADAS.
1.2.1 El año hidrológico.
La aproximación de cuencas pareadas, método utilizado
para hacer una comparación de valores de
evapotranspiración en un intervalo de t.iempo corto es
suficient.e para arrojar una precisión razonable, de tal
manera que se pueden detectar tendencias y diferencias.
La selección de la duración de un intervalo de tiempo
depende de cada estudio en particular y se deben
considerar innumerables factores; estos incluyen la
duración del experimento, el tiempo requerido para el
establecimiento de un nuevo uso de la tierra, el número
de variables componentes del balance hidrico que se va a
medir , la precisión de las mediciones y la variabilidad
de esta precisión en los intervalos de tiempo.
Blackie, Edwards y Clarke,1981, afirman que cuando la
medición de los cuatro término- del balance hídrico se
hace en intervalos de tiempo relativamente largos,
comenzando y finalizando en condiciones secas,
proporcionan estimaciones preGisas de la
evapotranspiración.
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De aquí surge el concepto de "año hidro l ógico", un
intervalo de tiempo de aproximadamente un afio, que
transcurre desde el periodo seco al siguiente período
seco equivalente, como un periodo sobre el cual se pueden
hacer estimaciones consecutivas y precisas del consumo de
agua para propósitos de comparación.
Windsor, 1990, afirma que quizá el método más directo
para estimar la evapotranapiración requiere de la
medición de la precipitación, el caudal y los cambios en
la humedad del suelo. Los cambios en la humedad se
pueden minimizar reconciliando el balance para el "año
hidrológico" de tal manera que la humedad almacenada al
principio del mes es cercana a la humedad al final del
mes.
Para lazona tropical el año hidrológico se puede
diferenciar a mediados de la estación seca cuando tanto
la escorrentia como la humedad del suelo disponible para
las plantas están en su minimo nivel. Si estas
condiciones se encuentran entonces la evapotranspiración
para el afio está muy cerca a la "precipitación menos la
escorrentia".
10
1.2.2 EfectoB de la alteración de la vegetación
Edwards y Blackie,1981, afirmaron que la investigación en
las cuencas hidrográficas es el medio más eficaz para
determinar los efectos causados por los cambios del uso
de la tierra; los experimentos en cuencas son la única
alternativa para obtener datos cuantitativos con base en
mediciones precisas y de buena calidad para evaluar los
efectos de las coberturas vegetales sobre el rendimiento
hidrico.
En la mayoria de las cuencas los efectos principales son
causados por las modificaciones del uso de la tierra,
produciendo cambios en el agua de las cuencas, es decir,
pérdidas combinadas de transpiración, evaporación,
cambios en el volumen total de escorrentia y su
distribución estacional, cambios en las crecidas y sus
patrones asociados de producción de sedimentos.
Cuando el uso de la tierra se cambia de bosques naturales
a cualquier otro tipo de vegetación con sistema radicular
profundo se podrían esperar efectos pequefios sobre el
ciclo hidrológico; sinembargo la verificación de tales
resultados esperados es tan importante como la medición
de los efectos de cambios de uso de la tierra que causan
gran detrimento. En ambas situaciones la precisión en las
mediciones básicas hidrológicas debe ser alta.
11
Las invest igaciones más completas sobre el comportamiento
hidrológico de microcuencas relacionado con las
coberturas vegetales comenzaron a aparecer en la década
de 1910-1920, con el clásico experimento de "Wagon Wheel
Gap Experiment in Colorado" llevado a cabo por el
Servicio Forestal de los Estados Unidos, descrito
detalladamente por Bates y Henry, 1918,y Hewlet, 1982 .
La mayoría de las investigaciones se han fundamentado en
estudios básicos hidrológicos hechos en una cuenca
pequeña o microcuenca con un tamaño entre 25 y 100 has,
en la cual puede haber un sólo uso de la tierra
específico (ejemplo, una plantación de coníferas ) o
también pueden existir simultaneamente varios usos de la
tierra. En este caso se evalúa el consumo de agua
resolviendo la ecuación del balance hídrico en función de
variables como la escorrentía, precipitación sobre el
área y variación del almacenamiento del agua en el suelo.
Otras investigaciones hidrológicas se han fundamentado en
el método de las cuencas pareadas", o sea la
utilización de dos cuencas pequeñas simultaneamente, las
cuales se someten a un período de calibración y
posteriormente una de ellas recibe un .. tratamiento o
intervención de su coberturas vegetal ( entresaca ),
mientras que la otra permanece inalterada, en lo que
12
respecta a cobertura, como cuenca testigo. Se hace la
determinación del balance hídrico en ambas cuencas,
mínimo para un período de un año.
Por medio del modelo obtenido en el periodo de
calibración es posible determinar la diferencia de
evapotranspiración entre las condiciones de cobertura
original y aquella después del tratamiento. Mas detalles
sobre el método se pueden consultar en Giraldo, 1979.
El Servicio Forestal de los Estados Unidos en 1934 puso
en funcionamiento el primer Laboratorio Natural
Hidrológico de .. Coweeta .. en zona montafiosa y húmeda del
sur de Carolina. La gran parte de las investigaciones se
realizaron en cuencas pareadas.
Swank, Swift y Douglass,1988, resumieron todas las
investigaciones llevadas a cabo en .. Coweeta" en el libro
"Forest Hydrology and Ecology at Coweeta". Una de ella8
consistió en la sustitución de bosques mixtos naturales
por plantaciones de pino. Después de 6 afios de haberse
plantado pino los incrementos en la cantidad de caudal
permanecían constantes y cercanos a los esperados p a ra
los cortes de vegetación natural. De ahí en adelante,
cuando las plantaciones de pino se desarrollaron y la
competencia de especies naturales se redujo, el caudal
incrementó su tasa de declinación de 2 a 5 cm por año.
13
Después de 10 años de la plantación de pino el caudal
estaba en niveles inferiores de los esperados para los
bosques naturales a la edad de 15 afios, la reducción
en la producción de agua era de 20 cm. (20%) menos que
el esperado para el bosque natural. Para los nueve años
siguientes las reducciones anuales del caudal en
plantaciones de pino fluctuaron entre 10 Y 20 cm
dependiendo de la precipitación anual.
Boch y Hewlett,1982, presentaron una revisión de los
experimentos en microcuencas, un total de 94
experimentos, en los cuales se demuestra que la
información acumulada del efecto de cambios de la
vegetación sobre el rendimiento del agua se pueden
utilizar para múltiples propósitos. En general se afirma
que plantaciones de pino y eucalipto causan un promedio
de disminución del rendimiento del agua de 40 mm por cada
10 % de cambio en la cobertura vegetal y los bosques
mixtos naturales y rastrojo 25 mm y 10 mm
respectivamente.
Cheng,1989, utilizó la técnica de cuencas pareadas,
tomando como control la cuenca .. Camp Creek" en el
sudeste de Columbia Británica, Canadá. La tala se
efectuó en 30 % del área de la cuenca. El incremento
promedio anual después del aprovechamiento del bosque fué
de 29 mm.
14
Edward y Blackie,1981,y Pereira,1979, realizaron los
resúmenes de los experimentos llevados a cabo en el este
del Africa, Kenia, comprendidos en el periodo de 1958 a
1974, basados en el método de cuencas pareadas y la
utilización del balance hídrico para evaluar las
componentes conocidas. Las conclusiones generales de
estas investigaciones, consignadas en el documento
"Investigaciones hidrológicas en el este del Africa",
compilado por Blackie, Edwards y Clarke ,1981, son las
siguientes:
En la cuenca de Kericho, Kenia, se encontró que el
reemplazamiento del bosque natural por plantaciones de té
no produjo reducción en el rendimiento del agua de la
cuenca a largo plazo. El escurrimiento superficial en
plantaciones de té no excedió al del bosque natural,
aunque algunos incrementos se presentaron durante la fase
de aclareo y establecimiento del cultivo de té.
En cuanto al consumo de agua se concluyó que éste es más
bajo en cultivos de té que en bosque natural, bajo
condiciones húmedas y comparables o más alto bajo
condiciones secas.
15
- En la cuenca de Kimakia, Kenia, se determinaron los
efectos del cambio de uso de la t ierra, de bosques
naturales de bambú a plantaciones de pino pátula . Se
concluyó que para ambos tipos de vegetación la tasa de
evaporación de agua interceptada fué considerablemente
mayor que la tasa de transpiración. La eontribuci6n al
consumo de agua total por ambos procesos fué similar en
los dos tipos de cobertura vegetal.
Los estudios de escurrimiento superficial no mostraron
diferencias en su respuesta sobre los suelos, indicando
que ni el rendimiento total anual del agua ni su
distribución estacional fueron afectados
significativamente por los cambios en el uso de la tierra
después del período de establecimiento.
1.3 EFECTO DE LAS COBERTURAS VEGETALES SOBRE EL REaIHEN
DE AGUA DEL SUELO.
El conocimiento de la infl1lencia de los bosques sobre los
diferentes aspectos del agua del suelo ha sido de
importancia significativa en la evaluación del papel del
bosque sobre el ciclo hidrológico; tema que al mismo
tiempo se ha prestado para diversos comentarios y
apreciaciones i n fundadas sobre la bondad o no de las
16
sustituciones de coberturas de bosques naturales por
plantac iones de conífe r as o cultivos.
Las más r emotas investigaciones de esta índole fueron
desarrolladas por Ototskii citado por Rakhmanov,1966, a
principios del siglo relacionadas con el comportamiento
del agua del suelo bajo diferentes coberturas vegetales,
concluyendo que el nivel freático es más bajo en áreas
con bosques que en áreas sin cobertura vegetal.
Posteriormente aparecieron otros investigadores que
revaluaron las conclusiones anteriores al no encontrar
diferencia significativa en la profundidad del nivel
freático, bajo las condiciones anteriores. Los bosques r---
producen intensiva evapotranspiraci6n, pero ésto no
determina la relación entre los niveles freáticos del
agua del suelo en áreas forestadas y áreas sin cobertura
vegetal. Por tanto existen otros factores más poderosos,
de los cuales depende dicha r e lación, como lo es la
dinámica del agua en el suelo, determinada por la gran
permeabilidad de los suelos forestales comparados con
aquellos de áreas descubiertas. Esto proporciona
condiciones favorables para que se presente una
infiltración considerable hacia las capas más profundas
del suelo, abasteciendo así el suministro de agua del
suelo.
17
Lima, 1986, hace la anotación de que existen resultados
contrastantes en la literatura cuando se revisa el tema
sobre bosques y régimen del agua del suelo.
Troendle,1970, en el oeste de Virginia,Estados Unidos,
concluyó en un estudio de bosques mixtos, que las
pérdidas de agua del suelo fueron significativamente
mayores bajo bosques que bajo suelo descubierto y que la
mayor parte del agua consumida por el bosque es retenida
en los 60 cms. superficiales del suelo.
Hill, 1972, reafirmó con los estudios del agua del suelo
hechos en diferentes tipos de suelo y bajo diferentes
coberturas, que el contenido de agua del suelo baj o
bosque natural fué mayor que bajo otros tipos de
vegetación.
Otras investigaciones que comparan el régimen de agua del
suelo entre diferentes tipos de bosques han mostrado
similitud en las diversas condiciones del suelo y de
clima.
, Metz y Douglas,1959, citados por Lima, 1986, verificaron
que el régimen del agua del suelo en plantaciones mixtas
de coníferas y frondosas y en plantaciones homogéneas de
coníferas fué similar.
18
En el este de Africa, Kenia, Blackie, Edwarda y Cl a rke,
1981, reseñaron 108 estudios realizados por Eeles del
Instituto de Hidrología en Wallingford, en varias
microcuencas para evaluar los posibles cambios en el
régimen de humedad del suelo con los cambios en el tipo
de cobertura vegetal, durante el período de 1958 a 1972,
utilizando inicialmente la técnica de humedad
gravimétrica y posteriormente el método del medidor de
neutrones a una profundidad de 2.7 m.
En la microcuenca Kericho los análisis mostraron que no
existia diferencia significativa entre plantaciones
maduras de té y los sitios aledafios cubiertos con bosques
húmedos y con bambú en la f ase anual de fluctuación del
déficit de humedad, excepto en los periodos secos.
En la microcuenca Kimakia tampoco se presentó diferencia
significativa entre bosques naturales de bambú y
plantaciones de pino, en la fase anual de fluctuación del
déficit de humedad de los suelos. \
Lima, 1975, en Piracicaba, Brasil, midió el agua del suelo
por medio de la técnica de contador de neutrones, durante
dos años en plantaciones de Eucalyptus sallana, Plnus
caribaea, ambos con 6 afios de edad y en una parcela que
contenía vegetación herbácea natural. El anál i s is del
régimen anual del agua del suelo bajo las tres coberturas
19
mostró que no había diferencia significativa marcada en
el comportamiento del agua del suelo entre las tras
coberturas durante el período de estudio.
El mismo investigador midió el agua del suelo hasta dos
metros de profundidad y durante dos aBos en tres
coberturas forestales, en bosque de zona seca:
vegetación de "cerrado" o sabana arbustiva ,plantación
de Pinus OOCBrpB, con 13 años de edad, plantación de
Pinus caribaeB varo hondurensis, con 13 años de edad.
Los resultados mostraron diferencia significativa entre
la vegetación de "cerrado" y Pinus cBribBeB, en la capa
superficial del suelo o sea que el suelo bajo bosques se
mostró más húmedo en la capa superficial que e l de
plantación de pino. En todas las demás profundidades los
valores mensuales de contenido de humedad delagua en el
suelo fueron similares en los tres tipos de coberturas
Lima, 1983 ).
Moreno,1987, comparó las propiedades fisicas de andisole s
del Departamento del Cauca y del Oriente de Antioquia
bajo coberturas de bosque natural, plantación de Pinus
pátula ,mayor de 10 años de edad y potreros mayores de 20
aBos de edad. Los resultados obtenidos en una sola época
de muestreo fueron 108 siguientes: el suelo bajo pasto
presentó mayor contenido de humedad que el suelo bajo
bosque natural, con un nivel de siglficancia del 0 . 01 %.
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