METODOLOGÍA PARA LA ESTIMACIÓN DEL RIESGO DE EROSIÓN HÍDRICA EN CUENCAS HIDROGRÁFICAS UTILIZANDO UN SIG

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1 METODOLOGÍA PARA LA ESTIMACIÓN DEL RIESGO DE EROSIÓN HÍDRICA EN CUENCAS HIDROGRÁFICAS UTILIZANDO UN SIG María Alejandrina L. Montes León, Miguel Angel Domínguez Cortazar y Eusebio Ventura Ramos Maestría en Hidráulica. Facultad de Ingeniería-División del Posgrado, Universidad Autonoma de Queretaro, C.U: Cerro de las Campanas, Queretaro, Qro Teléfono (4) , Fax (4) ; ale-montes@usa.net RESUMEN Se presenta en este trabajo una metodología para evaluar el riesgo de erosión hídrica en la Cuenca Hidrográfica Santa Catarina en el Estado de Querétaro. El riesgo fue evaluado mediante el análisis multiplicativo de cuatro factores incluidos en la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (EUPS). Los cuatro factores considerados involucran la potencialidad erosiva de la lluvia y el escurrimiento (factor R), la susceptibilidad del suelo a la erosión (factor K) y el efecto del grado (factor S) y la longitud de la pendiente (factor L). Los resultados obtenidos muestran total concordancia al coincidir las regiones ya erosionadas actualmente con aquellas encontradas con un riesgo muy alto de erosión. Los resultados sirvieron también para la planeación de un programa de manejo y conservación del recurso suelo de la Cuenca INTRODUCCION La erosión de suelos en México es un problema ambiental muy serio que afecta a gran parte del territorio nacional en diferentes grados de severidad. La conservación de suelos en México se ha practicado desde tiempos prehispánicos por culturas como la Azteca (Aliphat-Fernandez y Werner, 1994). Sin embargo, la implementación de metodologías para predecir la pérdida de suelo por erosión en México no ha sido muy extensa. Varias investigaciones han sido conducidas para cuantificar la tasa de erosión bajo diferentes usos del suelo al nivel de cuencas hidrológicas (Figueroa, 1975) y para evaluar la efectividad de diferentes coberturas vegetales en el control de la erosión en terrenos agrícolas utilizando parcelas de erosión o lotes de escurrimiento (Ríos, 1987; Ventura, 1988), pero pocos estudios se han enfocado a la predicción de la erosión con fines de planeación y diseño de prácticas de conservación de suelos (Nearing et al., 1989). El presente estudio contribuirá a la generación y difusión en México de nuevas metodologías para determinar el riesgo de erosión en cuencas hidrográficas pequeñas. Dichas metodologías servirán de referencia para otros investigadores que decidan aplicarlas en suelos de diferentes regiones de México.

2 METODO Descripción del área La cuenca seleccionada se denomina Santa Catarina y pertenece a la cuenca Lerma-Chapala, se encuentra en los límites de los estados de Querétaro y Guanajuato, mayoritariamente en el municipio de Querétaro. Las coordenadas geográficas en unidades UTM de la cuenca son: N; S y O; E (Fig. 1). Cuenca de Sta. Catarina Estación Sn. José Estación La Jolla Estación El zamorano Estación Juriquilla Municipio de Querétaro Zona Urbana de Querétaro Estado de Querétaro Figura 1. Localización de la Cuenca Santa Catarina en el Estado de Querétaro. Los puntos negros identifican las estaciones climáticas cercanas a la cuenca. El área de la cuenca es de km 2. El perímetro de la cuenca es de km. La longitud desde la salida hasta la divisoria, paralela al cauce principal es de km. La altitud media de la cuenca es de 2220 msnm, con una diferencia de altura con el nivel de la salida de 220 m. De acuerdo con INEGI (1986), la mayor parte del área de la Cuenca Santa Catarina presenta un clima tipo BS1kw(w), que corresponde a un semiseco templados, con lluvias en verano, con porcentaje de precipitación invernal menor a 5% y verano cálido. Pequeñas porciones presentan clima C(wo), que corresponde a un templado subhúmedo con lluvias en verano con porcentaje de precipitación invernal entre 5% y 10.2%. Dentro de la cuenca no se cuenta con ninguna

3 estación climática, por tanto, se utilizaron los datos de tres estaciones cercanas. La temperatura media anual de 15.3 C, 17.5 C, 14.6 C El total anual de precipitación promedio del año es mm, 532 mm, mm Los suelos del área son de origen residual en la sierra y los coluvio-aluviales en las llanuras (INEGI 1986), con dominancia de Phaeozems, Vertisoles, Litosoles y Castañozems. El riesgo de erosión o erosión potencial se define como el efecto combinado de los factores causales de la erosión (lluvia, escurrimiento, suelo y topografía). La combinación de estos factores se denotan en la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo: EUPS (Wischmeier y Smith 1978). Este es un modelo empírico que incluye a un factor R (potencial erosivo de la lluvia), un factor K (erosionabilidad del suelo), un factor L (longitud de pendiente), un factor S (grado de pendiente), un factor C (cobertura vegetal) y un factor P (prácticas de conservación de suelos). En consecuencia, los cuatro primeros factores de la EUPS determinan el riesgo de erosión en un área determinada. La estimación de erosión potencial es anual y la EUPS sirve como guía metodológica para la toma de decisiones en la planeación de la conservación del suelo (Wischmeier y Smith 1978). Cabe aclarar que la EUPS fue desarrollada para aplicarse en parcelas, por lo que su empleo en áreas mayores como una cuenca hidrográfica requiere de algunas modificaciones. Para la cuenca Santa Catarina, se dispuso de cartografía digital a escala 1: asociada a los tipos de suelo y topografía. La información fue capturada en el SIG a través de la digitalización de la información impresa que se obtiene de INEGI, complementada además con los recorridos y verificación de campo. A continuación se presentan los detalles en el cálculo de cada uno de los factores que intervienen en la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo. Factor R de erosividad de la lluvia El factor de erosividad de la lluvia, R, es el índice de erosividad presentado por Wischmeier y Smith (1978) y se define como la suma del producto de la energía cinética total y la intensidad máxima en treinta minutos por evento. Este producto también se le conoce como índice de Wischmeier, se expresa como: EI 30 = ( Ec)( I 30) donde EI 30 índice de erosividad para un evento en MJ mm / ha h Ec energía cinética total de la lluvia en MJ / ha I 30 intensidad máxima de la lluvia en 30 minutos en mm /h El cálculo de la energía cinética requiere de la intensidad de la lluvia y esta última, de los registros pluviográficos, los cuales no se encuentran disponibles. Ante esta limitante, se utilizó la expresión generada por Cortés (1991):

4 donde Y X Y = X X representa el índice anual de erosividad de la lluvia, en MJ mm / ha h representa la precipitación media anual, en mm 2 La cual permite conocer el factor R en función de la lluvia media anual. Un análisis de extrapolación espacial con base en las cuatro estaciones climatológicas más cercanas a la cuenca permitió la generación del mapa de erosividad que se muestra en la figura 2. Figura 2. Variación espacial del factor R de erosividad de la lluvia en la Cuenca Santa Catarina. Factor K de erosionabilidad del suelo Este factor representa la susceptibilidad del suelo a la erosión hídrica. Su valor depende del contenido de materia orgánica, textura superficial, estructura del suelo y permeabilidad. Para el caso de Santa Catarina, se utilizó una metodología alternativa que consiste en la determinación de la unidad del suelo de acuerdo a la metodología FAO y la textura superficial. Valores de K en forma tabular pueden ser encontrados en Becerra (1997). La representación espacial se obtuvo con la ayuda de un Sistema de Información Geográfica (Sistema Idrisi, Eastman 1997) y los resultados para toda la microcuenca se presentan en la Figura 3.

5 Figura 3. Factor K de susceptibilidad del suelo a la erosión determinado por la metodología FAO. Factor LS de longitud y grado de la pendiente El efecto de la topografía sobre la erosión está representado por los factores longitud (L) y grado de pendiente (S). La longitud L se define como la distancia desde el punto de origen de un escurrimiento hasta el punto donde decrece la pendiente al grado de que ocurre el depósito, o bien, hasta el punto donde el escurrimiento encuentra un canal de salida bien definido. Por su parte, el grado de erosión también depende de la pendiente, por lo que con relación a una parcela de 22.3 m de longitud, ambos factores se pueden unir en uno solo a través de la ecuación adimensional: LS = ( x / 22.13)( s s ) donde x longitud de la pendiente, en m m exponente que depende del grado de pendiente s pendiente del terreno, en % En la literatura (Foster and Wischmeier 1974) se indica que esta ecuación funciona correctamente cuando las pendientes son aisladas y uniformes. Cuando 2

6 este no es el caso, el cálculo debe hacerse por segmentos a través de la expresión: donde S j λ j LS = N S j λ m+ 1 j ( λ λ j= 1 j j 1 S j λ m+ 1 j 1 m )(22.13) factor de pendiente para el segmento j, en m/m distancia desde la frontera inferior del segmento j hasta la frontera aguas arriba, en m Para el caso de Santa Catarina, el cálculo del factor LS se llevó a cabo a partir del modelo digital de elevaciones y con el programa denominado USLE2D, (Van Oost et al. 1998). El programa tiene la ventaja que proporciona los valores para cada punto espacial ubicado en la microcuenca y, a partir de ahí, se pueden aprovechar con un Sistema de Información Geográfica. Los resultados obtenidos (ordenados por intervalos de clases) se muestran en la Figura 4. Figura 4. Factor topográfico LS que involucra el efecto de la longitud y el grado de pendiente en la erosión.

7 RESULTADOS El rango de R osciló de a MJ mm/ha h. En cuanto al factor K, los suelos de la cuenca Santa Catarina, variaron en el rango de a Finalmente, para el factor topográfico LS, se encontraron valores desde 0 hasta arriba de 50 Mapa de riesgo de erosión hídrica La estimación de los factores R, K y LS sirvió para hacer un pronóstico sobre el riesgo de erosión o erosión potencial en la microcuenca. Este análisis se realizó a través del SIG (sistema Idrisi, Eastman 1997) y no incluye los factores C y P de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo. Los resultados se presentan en la Figura 5 para toda la cuenca en estudio. Como se puede apreciar, un gran porcentaje de la superficie presenta un riesgo alto de erosión, con índices muy superiores a los 80 ton/ha/año. Este riesgo se localiza preferentemente en las zonas altas y de pendiente fuerte. También se observa que el riesgo es importante (40 a 80 ton/ha/año) en las zonas de transición (pié de monte) e inclusive en algunas partes bajas, sobre todo del sur de la microcuenca. Figura 5. Mapa de riesgo de erosión generado mediante la multiplicación de los factores R, K y LS de la EUPS para la Cuenca Santa Catarina. Después de la operación multiplicativa de los cuatro factores que generaron el mapa de riesgo de erosión, el SIG utilizado permitió la cuantificación del área ocupada en cada rango mostrado en la fig. 5. Los resultados se muestran en la tabla 1 de la cual puede derivarse que alrededor del 60% del área total de la cuenca se encuentra en un grado de erosión de moderada a fuerte. Es interesante

8 notar que la integración de un modelo de erosión como la EUPS con un SIG, permite no solamente la estimación de la magnitud del riesgo de erosión, sino también la localización de las áreas potencialmente más afectadas, de tal manera que las acciones de conservación pueden implementarse en puntos específicos y en una forma jerárquica. Tabla 1. Porcentajes de superficie en Santa Catarina de acuerdo a los niveles de erosión manejados y la no utilización de técnicas de conservación. NIVEL DE EROSIÓN SIN PRÁCTICAS DE CONSERVACIÓN Superficie (hectáreas) Porcentaje Leve (<10 ton/ha/año) Moderada (10 a 50) Fuerte (50 a 200) Muy fuerte (>200 ton/ha/año) CONCLUSIONES La EUPS es un modelo empírico multiplicativo que permite la estimación del riesgo de erosión en un área determinada cuando los factores que la integran son conocidos. El uso de SIG facilita no solamente el calculo de la tasa de erosión potencial, sino que también permite geográficamente localizar las áreas más afectadas. Esta información, en su turno, permite la jerarquización de las acciones de conservación de tal forma que los programas de control de la erosión en una cuenca hidrográfica son más eficientes y generan resultados visibles a corto plazo. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al grupo Interdisciplinario de Manejo de Cuencas de la Universidad Autónoma de Querétaro, por su apoyo logístico al presente estudio. Así mismo, se hace patente el agradecimiento a la SEMARNAP y al CONACyT que a través del Sistema Regional de Investigación Miguel Hidalgo (SIHGO) el cual proporcionó los recursos financieros para la realización del presente estudio.

9 BIBLIOGRAFÍA Aliphat-Fernandez, M. y Werner, G. (1994). The tepetates of Central Mexican Highlands: Prehispanic and modern impact of agriculture and water management Transactions, 15 th World Congress of Soil Science. Acapulco, México. 6ª: Becerra Moreno A. (1994). Erosión de Suelos, apuntes de la primera parte del curso de Conservación de Suelos, Universidad Autónoma de Chapingo, 105p. Cortés T. H. (1991). Caracterización de la erosividad de la lluvia en México utilizando métodos multivariados, Tesis de Maestría. Colegio de Postgraduados, Montecillos, MEX., 168 p. Eastman R. J. (1997). Idrisi for Windows, User s Guide, version 2, Clark Labs for Cartographic Technology and Geographical Analysis. Foster G. R. and Wischmeier W. H. (1974). Evaluating Irregular Slopes for Soil Loss Prediction. Transactions of the ASAE, 17: Figueroa Sandoval, B. (1975). Perdida de suelo y nutrimentos y su relación con el uso del suelo en la cuenca del río Texcoco. Tesis de Maestría. Colegio de Posgraduados. Chapingo, México. 209 p. INEGI (1986). Síntesis geográfica, nomenclator y anexo cartográfico del Estado de Querétaro. INEGI. 143p. Nearing, M. A, Foster, G. R, Lane L. J, y Finkner, S. C. (1989). A process-based soil erosion model for USDA-Water Erosión Prediction Project technology. Transactions, American Society of Agricultural Engineers. Ríos Berber, J. D. (1987). Efecto de la cobertura vegetal en el proceso erosivo. Tesis de Maestro en Ciencias. Colegio de Posgraduados, Montecillos, México. 544p. Van Oost, K. Desmet P., Govers G. And Leuven K. U., 1998, UPDRAIN. EXE, User Documentation, Laboratory for Experimental Geomorphology Catholic University of Leuven, Belgium. Ventura Ramos, E. Jr. (1988). Dinámica de la erosión hídrica bajo diferentes niveles de productividad en maíz y cebada. Tesis de Licenciatura. Departamento de Suelos, Universidad Autónoma Chapingo. Chapingo, México. 121p. Wischmeier, W. H. y Smith D. D. (1978). Predicting rainfall erosion losses-a. guide to conservation planning. USDA Handbook no. 537, 58p.