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1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍAQUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015

Evaluación y análisis de la producción de escurrimiento y sedimentos

en una ladera con dos condiciones contrastantes en Tzintzuntzan,Michoacán.

Rubén I. Huerto DelgadilloInstituto Mexicano de Tecnología del Agua

[email protected] Amador García

Universidad Michoacana de San Nicolás de [email protected]

Introducción

En México existen cerca de 70 lagos naturales, cuyasextensiones varían entre 1,000 y más de 10,000 ha, y cubrenen conjunto una superficie de 370 891 ha de nuestro país(Arriaga et al ., 2000 citados por Carabias 2005). En la cuencadel Lago de Pátzcuaro, Mich., el IMTA (2002) revisódistintos aspectos de la carga de sedimentos, estimandoaportes promedio de 23 628 ton/año. De entonces a la fecha

personal de IMTA, Comisión Forestal de estado de Michoacán(COFOM) y habitantes locales han atendido mediante laconstrucción de obras de conservación de suelo y agua(CONSA) como son piedra acomodada, presa de gavión ygeocostales en distintas áreas sumamente degradadas de lacuenca, especialmente en el cerro Tariqueri en el municipio deTzintzuntzan, Mich., donde recientemente se ha incorporadoel uso de pasto vetiver, maguey y tinas ciegas.

Desde hace más de 6 años, se han conducido en la zonadiversos estudios y obras como parte del Programa deRecuperación Ambiental de la cuenca del Lago de Pátzcuaro.El presente estudio forma parte de dichos proyectos, mismosque han permitido con sus resultados precisar la magnitud delas acciones para contener el problema de la carga desedimentos que llegan al lago por distintos puntos de lacuenca, influyendo directamente en su eutroficación y

proliferación de vegetación acuática.

Antecedentes

En las zonas ecuatoriales, las lluvias en general presentan

grandes variaciones estacionales y por consecuencia elescurrimiento. Todos los ríos del mundo no aportanúnicamente agua sino que también transportan sedimentos, esdecir, materiales que han sido erosionados aguas arriba en sucuenca o cauce. De manera que aunque el proceso tomemucho tiempo, todo embalse natural o artificial llegará a serllenado por los sedimentos. Por ello cuando es

importante la planeación de obras de control de sedimentostanto en la cuenca como en sus cauces, así como en los

torrentes y arroyos que descargan directamente en el vaso paraasegurar una prolongada vida útil de los mismos

(Campos-Aranda 2007 y 2010). El principal fenómeno quecontribuye al proceso de sedimentación en la superficie de lascuencas es la erosión. Se considera a esta como la cantidadtotal de material erosionando en la cuenca, incluyendo

perdidas del suelo, socavaciones en cauces y aportaciones deotras fuentes. En cambio, la aportación de sedimentos es la

porción de la erosión total que llegará a un punto de interés, enel lapso de un año, por ello se expresa en ton/año o en m3/año.

Monsalve (1999) señala que la discusión sobre ladeterminación o cálculo de sedimentos en corrientes de agua

sigue siendo un tema abierto a la investigación dada lavariabilidad en la predicción de los distintos métodosempíricos. No obstante, se admite una estrecha relación con elcaudal o flujo que se presente en el cauce. De hecho lorecomendado por este y otros autores (Brooks et al. 1991,Ward y Trimble 2004 y Wanielista et al . 1997) es tener lasmedidas observadas de la descarga tanto de agua (caudal)como de sedimentos a distintas alturas del cauce. Quintanillaet al . (2005) destacan la importancia de aforar y medircaudales ya que estos permiten encontrar relaciones con lascargas de sedimentos así como, en general, establecerrelaciones de este con la calidad del agua.

Para calcular caudales pequeños como los que se forman enlas laderas de las montañas, lo más sencillo es la medicióndirecta. Además, se han desarrollado varios modelos deaforadores para ser utilizados en distintas condiciones (Bos1976, citado por Hudson 1997). Así, el Servicio deConservación de Suelos del Departamento de Agricultura delos Estados Unidos diseñó un grupo de aforadores especialesdenominados aforadores H para medir los caudales conexactitud y continuidad a partir de parcelas o de pequeñascuencas experimentales. Son aforadores que miden caudalesescasos con exactitud, tienen buena capacidad para caudaleselevados, y no requieren estanque de amortiguación. Además,


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El factor R o erosividad de la lluvia (MJ mm ha-1 h-1) se basa enestimar la lluvia anual y aplicar un análisis de regresióncon la ecuación que corresponde a la región V la cual perteneceal estado de Michoacán, y tiene un coeficiente de correlación de0.94 (1):

(1)

Dónde: Y = EI30 anual (MJ mm ha-1 h-1) y X = lluvia anual (mm)

Esta ecuación se distribuyó en ArcView mediante la creaciónde imagen raster. Para estimar el factor K o erodabilidad delsuelo se obtiene a partir de la textura superficial del suelo (% delimos + arenas muy finas, % arenas), % de materia orgánica,estructura y permeabilidad; estos valores deben ser promedio

para los 15 o 20 cm superficiales para ser usados en unnomograma y tablas (SARH-CP 1991). Se clasificó con estoscriterios el archivo vectorial y se rasterizó con las mismascaracterísticas que la imagen del factor R.

Para obtener el valor del factor Longitud-Pendiente LS es

necesario conocer la longitud de la pendiente L; se define comola distancia que existe desde el punto donde se origina elescurrimiento y hasta donde la pendiente disminuye a tal gradoque ocurre la sedimentación, o bien, donde el flujo entra a uncauce bien definido que puede ser parte de una red de drenaje oun canal construido tal y como el de una terraza o zanja dedesviación. Se rasteriza con las mismas características que losfactores R y K .

Para el cálculo del factor C se toman valores de suelosagrícolas, terrenos de pastizal y forestales. Esto debido a quesus efectos están influenciados por muchas correlacionesimportantes como: rotación de cultivos, labores de labranza, losresiduos vegetales se pueden remover o dejarse, eficiencia delos cultivos para evitar la erosión. También se obtienen de

tablas (SARH-CP 1991). Para su distribución espacial seinterpretaron escenas Google Earth, se crearon los polígonos delas cuatro coberturas en las categorías de suelo desnudo, suelocultivado, matorral y bosque. Los archivos KMZ se exportarona SHP y se rasterizaron con las mismas características que lasanteriores imágenes. Solo se consideró un valor constante de

presencia de prácticas de conservación en la unidad deescurrimiento aforada en H1. Por último se obtuvieron losvalores de erosión actual por multiplicación de los valores detodas las imágenes obtenidas y se extrajo la geoestadística paracada unidad de escurrimiento.

Resultados

Las principales características morfométricas de las laderasestudiadas se presentan en la tabla 1. Los registros de caudalen los vertedores se ajustan al modelo polinómico empírico(R 2=0.99) en el que x es la altura registrada en el sensor denivel e y el caudal en litros por segundo (lps)(2).

y = 0.0005x3 + 0.0609x2 + 0.1027x (2)

Los registros de los sensores de nivel cada 5 minutoscorresponden a la altura de la cabeza de vertedor (x ) que seutiliza para el cálculo del caudal (y ) con el modelo señalado.

Los mayores picos de descarga se obtuvieron como resultadode las tormentas del 24 y 29 de julio de 2011 respectivamente,con gasto próximos a los 200 lps en el vertedor H1. Para esasmismas tormentas, el hidrograma observado con los registrosdel vertedor H2 los gastos son de aproximadamente 20 lps.

De las 11 estaciones meteorológicas con pluviómetros

automatizados que dispone el IMTA en la cuenca solo fueronde utilidad los 4 más cercanos al área de estudio (Tabla 2), delos cuales solo una mínima proporción de información faltantese completó con el método descrito.

Tabla N°1. Morfometría básica de las unidades de escurrimientoaforadas en el área de estudio.

Rasgo

H1

(con obrasCONSA)

H2

(sin obrasCONSA)

rea (ha) 10.3 18.8Perímetro (m) 1,548.4 2,388.6

Pendiente minima (%) 0 0Pendiente máxima (%) 91.3 83.3

Pendiente promedio (%) 30.8 31.1Elevación mínima (m) 2,120.0 2,159.1Elevación máxima (m) 2,320.0 2,440.0

Elevación Promedio (m) 2,239.4 2,320.2Elevación (des. est.) 42.2 57.4

Longitud máxima (km) 0.77 1.18Longitud equivalente (km) 0.60 1.00

Long. Máxima (m) 682.5 1,031.25ndice de forma 0.22 0.18

Coeficiente de compacidad 1.36 1.55Relación de elongación 0.53 0.48Relación de bifurcación 1.50 0.75

Densidad de drenaje (km/km2) 9.42 8.44Densidad de corriente (corr./km2) 58.01 84.81

Orden de cuenca 2.0 3.0Long. Máxima (m) 682.5 1,031.2

Tabla N°2. Coordenadas geográficas (fracción decimal de grado)

y UTM (datum ITRF92) de localización de las estacionesmeteorológicas y/o pluviómetros automatizados y proporción de

registros pluviométricos en 2011.

Estación LONG LAT X Y %

Buena Vista 101.540 19.556 233 496.8 2 164 283.4 93.3

Chupícuaro 101.579 19.674 229 601.0 2 177 456.6 82.8

Pacanda 101.649 19.608 222 102.0 2 170 260.7 88.6

Pátzcuaro 101.630 19.547 224 001.7 2 163 418.8 83.1

Con los valores observados de escurrimiento y carga desedimentos, así como la extracción geoestadística de lasimágenes raster resultado de interpolación de los valores

puntuales diarios de las 4 estaciones automáticasmencionadas, se obtuvieron los valores promedio diario decarga de sedimentos en la unidad de escurrimiento aforada porel vertedor H1 (con obras CONSA) y la marcha anual de todoslos parámetros medidos y estimados que se muestran en laFotografía N°1. De igual modo que lo concerniente a la unidadde escurrimiento aforada por el vertedor H2 (sin obras


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CONSA) en que se muestra su marcha anual en 2011 en laIlustración N° 2.

Ilustración N°1. Fluctuación mensual de los valores promedio

diarios de precipitación, escurrimiento y carga de sedimentos en

la Unidad de Escurrimiento H1 (con obras CONSA).

Ilustración N°2. Fluctuación mensual de los valores promedio

diarios de precipitación, escurrimiento y carga de sedimentos en

la Unidad de Escurrimiento H2 (sin obras CONSA).

Corresponde un valor anual promedio de 0.05 kg de emisióndiaria de sedimentos para el vertedor H1 y 0.11 kg para elvertedor H2. En contraste, el vertedor H2 que carece de obrasCONSA y muestra valores más elevados de emisión desedimentos al lago.

Por otro lado, siguiendo el cálculo distribuido de la erosión y

algebra de mapas generados para este fin conforme al modelode la EUPS se tiene los valores 2.63 y 2.69 ton/ha/añorespectivamente para las unidades de escurrimiento aforadas

por los vertedores H1 y H2.A partir del análisis anterior, finalmente, en la tabla 3 se

presentan los resultados de este estudio mediante uncomparativo de valores de precipitación, escurrimiento y cargade sedimentos en las dos microcuencas para el año 2011.

Tabla N°3. Valores observados de escurrimiento y emisión desedimentos, así como estimados de precipitación en las unidades

de estudio aforadas en los vertedores.

Área delvertedor

A(km2)

pp(mm)

SEDIMENTOSQ anual

(m3) ton/año ton/ha/año

H1(con obrasCONSA)

0.10 777.1 50.04 18.02 1.74

H2 (sin obrasCONSA)

0.18 725.2 28.27 187.13 9.92

Discusión y Conclusiones

Los datos recopilados hasta ahora muestran que la unidad deescurrimiento del aforador H2 sin obras de conservación,teniendo casi el doble de superficie que la unidad deescurrimiento del aforador H1, muestra casi diez veces menosescurrimiento y casi tres veces más emisión de sedimentos quesu unidad apareada adyacente.

Los valores anuales y diarios de emisión de sedimentos en launidad sujeta a obras CONSA (H1), destacan por ser bajos, loque refleja el éxito -al menos temporal- de las obras realizadasen la zona. En contraste, el vertedor H2 se consideró comoaforo de ejemplo por su relativamente buena condición decobertura de uso de suelo y vegetación y carece de obrasCONSA, pero muestra una mayor retención de agua y por otrolado, muestra sobre todo un elevado valor promedio deemisión de sedimentos al lago.

La distribución espacial de los factores de la EUPS y losvalores resultantes de erosión en ambas unidades deescurrimiento no muestran una diferencia notable y si encambio para el caso de unidad del aforador H2 el valor es

inferior a lo observado en cuanto a transporte de sedimentos.

Agradecimientos

Deseamos expresar nuestro agradecimiento a la FundaciónGonzalo Río Arronte por el apoyo económico y técnico para larealización de este proyecto, así como a la Comisión Forestaldel Estado de Michoacán, y a los biólogos Álvaro San Agustíny Juan Carlos Alvarez por su valiosa participación.

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Sed (kg) Q (m3) pp(mm)

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Referencias:

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