INFORME TÉCNICO APLICACIÓN DEL MODELO SWAT EN LA SUBCUENCA DEL RÍO AMBATO Realizado por: Ing. MSc. Mauricio Proaño Ing. Carla Gavilanes Ing. Paola Valenzuela Ing. César Cisneros Financiado por: Proyecto Cuencas Andinas CODESAN - GTZ Challenge Program Diciembre, 2006 1
RESUMEN Como una herramienta de apoyo a la gestión de la Subcuenca del Río Ambato, se decidió correr el modelo hídrico SWAT para determinar cómo las diferentes prácticas agrícolas afectan en la generación de caudales y sedimentos. Para ello, fue necesario contar con información física y climática la cual debe ser organizada, almacenada y procesada con la ayuda de los sistemas de información geográfica. Luego de ejecutar la corrida, el modelo permite ser calibrado tanto para caudales como para sedimentos, usando para ello datos reales de estas variables. Posteriormente es posible crear escenarios en los que se simulen diferentes situaciones planteadas por el usuario con la finalidad de predecir cómo estos cambios afectarían a la producción de agua en el área de estudio. AGRADECIMIENTOS Queremos agradecer de manera especial al Ingeniero Asael Sánchez, Jefe de la Agencia de Aguas de Tungurahua por proporcionarnos información de caudales diarios medidos en la Subcuenca del Río Ambato, al Ingeniero Alberto Oleas y al Señor Rodrigo Chontasi de IEDECA-Ambato por proporcionarnos la cartografía requerida y brindarnos información necesaria para este trabajo, al Ingeniero Hernán Velásquez y al Ingeniero Edmundo Maldonado por permitirnos revisar sus archivos de perfiles de suelos, al Dr. Alonso Moreno y a Marcela Quintero por apoyarnos en la realización de este trabajo. Al Proyecto Cuencas Andinas del CODESAN - GTZ ANTECEDENTES La Corporación Grupo Randi Randi (CGRR) 1 es una corporación privada sin fines de lucro, cuya misión es ejecutar proyectos de conservación y desarrollo sustentable con enfoque de género, a través de financiamiento nacional e internacional, estableciendo alianzas estratégicas para facilitar procesos y acciones de investigación y asistencia técnica con comunidades y organizaciones locales, principalmente, en sitios críticos para el manejo de recursos naturales. 1 Randi Randi es una expresión kichwa que literalmente significa dando y dando. El Grupo ha adoptado estas palabras porque captan la esencia de la reciprocidad entre colegas. 2
La Visión de Randi Randi es construir y promover un desarrollo equitativo y un ambiente sano, estimulando la imaginación, la creatividad y el talento de nuestras y nuestros colaboradores, incorporando la equidad de género, generación y etnicidad, la participación local, el manejo sustentable de los recursos naturales y la conservación de la biodiversidad. Randi Randi presentó una propuesta de consultoría para emplear el Modelo Hídrico SWAT en la Subcuenca del Río Ambato con la finalidad de simular caudales y producción de sedimentos bajo las condiciones actuales y en escenarios construidos a partir de posibles cambios en el uso de suelo y cobertura vegetal. El S.W.A.T. (Soil and Water Assessment Tool) es un modelo diseñado por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos y la Universidad de Texas y, entre otras cosas, permite predecir el impacto del manejo del suelo en la generación de sedimentos y la regulación del agua en cuencas hidrográficas. El SWAT es una interfase que trabaja sobre la plataforma del software ArcView 3.2, y permite organizar datos geográficos de entrada, lo cuales son procesados bajo un modelo de balance hídrico que produce importantes datos para un análisis de escenarios en una cuenca hidrográfica. OBJETIVOS General Emplear el modelo de simulación hídrica SWAT en la Subcuenca del Río Ambato, para analizar los efectos de las diversas prácticas de uso de suelo sobre la generación de caudales y producción de sedimentos. Específicos Calcular el balance hídrico de la Subcuenca del Río Ambato para determinar la entrada, salida y almacenamiento de agua en la cuenca hidrográfica bajo condiciones actuales. 3
Realizar simulaciones de generación de caudales y producción de sedimentos bajo escenarios de cambio de manejo en el uso del suelo. DESCRIPCIÓN DE LA SUBCUENCA DEL RÍO AMBATO La Subcuenca del Río Ambato se encuentra en la Provincia del Tungurahua en la sierra centro del Ecuador, y cubre aproximadamente el 40% de la provincia. Posee una extensión de 133678 ha, con un perímetro de 164491.47 m y 40548.22 m de longitud axial, posee una forma redonda y sus alturas van desde 2240 a 6280 msnm. (Ver Mapa 01 Mapa Base; Mapa 02 Mapa Hídrico) BASES TEÓRICAS DEL MODELO SWAT En la actualidad, las herramientas existentes permiten conocer de manera más detallada los procesos hidrológicos en la naturaleza. Procesos físicos considerados en el ciclo hidrológico de una cuenca hidrográfica, pueden ser visualizados y analizados a través de modelos matemáticos que los representan adecuadamente. El trabajar con un modelo para simulación hidrológica y la posibilidad de reproducir todos los componentes del ciclo hidrológico con la ayuda de los sistemas de información geográfica, permite a los investigadores crear escenarios tanto para condiciones presentes y/o futuras, determinando cómo afectará el cambio de una u otra variable en la producción de caudales y sedimentos en determinada cuenca. De entre los modelos hidrológicos de simulación que existen, se escogió el modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 2, de obtención gratuita y disponible en internet: http://www.brc.tamus.edu/swat/index.html; y su propósito es el predecir el impacto que originan las prácticas del manejo del suelo en el recurso agua y en la generación de sedimentos en una cuenca hidrográfica. 2 Traducción Herramienta de Evaluación para el Suelo y Agua 4
SWAT es una herramienta desarrollada por el Dr. Jeff Arnold en el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos con la Universidad de Texas; su propósito es predecir el impacto que originan las prácticas del manejo del suelo en el recurso agua y en la generación de sedimentos en una cuenca hidrográfica. El modelo SWAT, divide al espacio geográfico de estudio seleccionado en pequeñas subcuencas, de manera que los cálculos que se realicen se obtengan con la mayor exactitud posible. Este modelo trabaja con el cruce de 2 coberturas temáticas: uso del suelo y cobertura vegetal y el tipo de suelo dando como resultado las denominadas UNIDADES DE RESPUESTA HIDROLÓGICA-HRU debido a que el comportamiento del agua en el suelo depende de estos dos factores. El modelo SWAT tiene sus bases en los conceptos del Balance Hídrico que permite determinar la entrada, salida y almacenamiento de agua en una cuenca hidrográfica. El movimiento del agua en la cuenca se ilustra en la figura 1; a través de la precipitación el agua entra en la cuenca, la cual al llegar al suelo forma los flujos de infiltración y escorrentía. La escorrentía es el agua que fluye más rápido hasta los drenajes de la cuenca, mientras que la infiltración es la vía por la cual se recargan los acuíferos, aunque también existen flujos subterráneos que son más lentos y descargan en los canales de drenaje. 5
PRECIPITACION TRANSPIRACION PROFUNDIDAD ZONA RADICAL FLUJO LATERAL EVAPORACION ESCORRENTIA HUMEDAD DEL SUELO PERCOLACION FLUJO DE RETORNO PERDIDAS POR TRANSMICION EVAPORACION PERCOLACION ACUIFERO POCO PROFUNDO ACUIFERO PROFUNDO Figura 1: Ciclo Hidrológico del Agua Balance hídrico. El modelo se fundamenta en el concepto del balance de agua, el cual considera el agua que entra, que se almacena y sale de la cuenca como lo describe la ecuación 1. SW t = SW t + ( R Q ET P QR ) (1) i i i i i i = 1 Donde: SWt es el contenido de agua en el suelo en el día t SW es el agua aprovechable por las plantas o el contenido de agua en el suelo menos el contenido de agua a 15-bar t es el tiempo en días 6
R es la precipitación diaria Q la cantidad de escorrentía diaria ET la evapotranspiración diaria P la percolación diaria QR el flujo de retorno o flujo base Escorrentía o escurrimiento superficial: El escurrimiento superficial o escorrentía es la porción de la lluvia que fluye sobre el suelo en zonas de ladera o de pendiente. La escorrentía se origina de dos formas: por las lluvias de baja intensidad y larga duración que saturan el suelo y en consecuencia, el agua al no poder penetrar en el suelo (infiltrarse) fluye por la superficie pendiente a bajo por el camino de menor resistencia; o por las lluvias de alta intensidad que sobrepasan la capacidad de infiltración del suelo y por ende se desliza superficialmente el agua de exceso (Morgan 1986). Estos flujos superficiales transportan hasta los canales de drenaje, naturales o no, los sedimentos que han sido desprendidos por el impacto directo de las gotas de lluvia sobre el suelo y los que este flujo puede desprender de la capa superficial del suelo. Infiltración: 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 llegará hasta los canales de drenaje (flujos de retorno) y recargar acuíferos profundos. En todo caso es importante recordar que el agua se mantiene en un continuo ciclo y aunque el agua se encuentre en acuíferos profundos, esta puede hacer parte nuevamente de la precipitación. Flujo lateral: El flujo lateral es el agua que se mueve por debajo de la superficie del suelo y sobre el nivel de los acuíferos, la cual fluye subsuperficialmente y alimenta los canales de drenaje, quebradas y ríos. El flujo subsuperficial lateral es calculado simultáneamente con la percolación para el perfil del suelo entre (0-2m) mediante un 7
modelo de almacenamiento cinético, que usa la ecuación de conservación de la masa con el perfil entero del suelo como el volumen de control. Percolación: El agua de percolación es la fracción del agua infiltrada que logra atravesar la zona radical, la cual SWAT considera entre 0 y 2m. Esta agua de percolación puede llegar hasta los canales de drenaje (flujo de retorno) o percolarse hasta los acuíferos profundos a más de 25m. El componente percolación del SWAT usa una técnica de almacenamiento combinado para predecir el flujo medio de cada capa de suelo. Una vez el agua es percolada al acuífero profundo, ésta no puede alimentar el escurrimiento. Flujo de retorno: Es el agua que llega hasta el cauce del los canales naturales desde las agua subterráneas, este flujo es el que mantiene agua en los ríos y quebradas en las épocas de baja precipitación. Evapotranspiración: La evapotranspiración es el agua que sale del suelo hacia la atmósfera por transpiración de las plantas y por evaporación del agua del suelo. El modelo SWAT ofrece tres métodos para estimación de la Evapotranspiración potencial Penman-Monteith (Monteith, 1965), Hargreaves and Sammani (1985) y Priestley Taylor (1972). Variables Climáticas: Las variables climáticas para el SWAT son precipitación, temperatura del aire, radiación solar, velocidad del viento y humedad relativa. Si la precipitación y la temperatura diaria son disponibles, pueden entonces ser ingresadas directamente al modelo. Si no, el generador de variables climáticas puede simular la temperatura y la precipitación diaria. Un juego de variables climáticas puede ser simulado para la cuenca entera o cada una de las subcuenca y/o unidades de respuesta hidrológica. Sedimentación: Los sólidos perdidos o sedimentos es el suelo que se pierde por acción de la erosión hídrica, el suelo es desprendido por el golpe directo de las gotas de agua lluvia y por la fricción del agua de escorrentía. El suelo desprendido es transportado por los flujos superficiales hasta los canales de drenaje, por los cuales es sacado de la cuenca o depositados en el cauce de estos canales. 8
Estimación de producción de caudales y sedimentos. Para estimar la producción de caudales y sedimentos fruto del impacto de las prácticas de manejo de aguas y suelos se realiza un análisis de cada una de las microcuencas que forman parte de nuestra área de estudio. De esta manera, se considera a cada microcuenca con sus diferentes tipos de suelos, cobertura vegetal y usos de la tierra, así como las condiciones de manejo a lo largo del tiempo. Uno de los componentes del modelo SWAT corresponde a la simulación de todos los procesos que constituyen el ciclo hidrológico, lo cual permite realizar un balance hídrico en toda la cuenca; este ciclo controla la cantidad de agua y sedimentos que fluyen a través de las microcuencas hacia las redes de drenaje. El modelo SWAT necesita ser calibrado para que de esta manera los datos simulados se asemejen en lo posible a los caudales aforados. Para esto se necesitan datos reales de caudales de las redes de drenaje con la finalidad de comparar con los caudales simulados por el modelo SWAT. Después de la calibración de los volúmenes de agua se pasa a la segunda fase de este proceso que consiste en calibrar la producción de sedimentos en toda la cuenca, pero existen casos en los que no se puede realizar este proceso por la falta de datos. 9
METODOLOGÍA Ingreso de datos El presente estudio tiene como objetivo identificar las características de la cuenca y los diferentes comportamientos que se puedan presentar por los cambios en la cobertura vegetal. La información mínima necesaria se detalla a continuación: - topografía (curvas de nivel, ríos, entre otros) - suelo - uso del suelo y cobertura vegetal - información climática diaria en un periodo mínimo de 10 años, principalmente temperatura mínima, máxima y precipitación. Suelos: En el caso de la cobertura de suelos, se encontraron 41 tipos de suelos, para cada uno es necesario disponer de la siguiente información: conductividad hidráulica, densidad aparente, las capas del suelo, porcentaje de arena, limo, arcilla, entre otros. En las partes más altas de la subcuenca se presentan suelos principalmente del tipo D, que se caracterizan por ser suelos finos, de textura limo-arenosa con alta retención de agua, y con contenido de materia orgánica superior al 10%. Estos suelos están ubicados en las áreas de páramo, con fuertes pendientes y bajas temperaturas. En las partes medias, se encuentran suelos del tipo C, H, J y M. Los suelos C son de textura limosa o arenosa muy fina y están ubicados sobre ceniza dura (cangahua) a menos de un metro de profundidad. Los suelos H son negros, derivados de ceniza volcánica y de textura limosa con poco contenido de arcilla. Los suelos del tipo J son arenosos, derivados de ceniza volcánica sin limo o arcilla y con poca retención de agua. Los suelos M son suelos negros y profundos, poco ácidos y de textura limo-arcillosa. Todos estos suelos están utilizados actualmente en cultivos de cereales, papas, cebolla y pastos. En las partes bajas de la subcuenca predominan los suelos C y H, que forman parte de las zonas urbanas y están utilizados en su mayoría por frutales. (Ver mapa No. 03) 10
Uso del Suelo y Cobertura Vegetal: En el caso de la cobertura vegetal y de usos de suelo, el mapa generado tiene 16 categorías que se encuentran diferenciadas por sus características físicas, las mismas que definen el comportamiento del agua receptada en la precipitación. En la zona alta de la subcuenca la categoría más sobresaliente de uso de suelo es la del páramo de pajonal y de almohadillas, ubicada en las estribaciones de los volcanes Carihuairazo y Chimborazo al sur de la subcuenca, en las comunidades de Llangahua y Tambalo en el sector oeste y en la parroquia de Quisapincha por el norte. Otros usos que conforman la zona alta son: un erial extenso en el flanco oeste del Chimborazo, remanentes de bosque nativo, varios espacios de pastos y áreas con plantaciones de pino. En la zona media de la subcuenca están ubicadas las poblaciones de Mocha, Quero, Tisaleo, Pasa, Quisapincha, Pilagüin, San Fernando y Juan Benigno Vela en cuyos sectores aledaños se presentan extensiones de pastos y áreas dedicadas al cultivo de cereales, papas y cebolla; las laderas de las quebradas están cubiertas por vegetación arbustiva. La zona baja contiene a la ciudad de Ambato y a los centros poblados de Píllaro, Patate, Pelileo, Cevallos, Santa Rosa, Ambatillo, entre otros. Esta zona se caracteriza porque predominan las áreas de árboles frutales, aunque también se pueden apreciar huertos familiares con variedad de cultivos de ciclo corto. (Ver mapa No. 04 ) Información Climática: Las estaciones meteorológicas que se usaron para la modelación son las siguientes (Ver mapa No. 05): M 258 Querochaca 766350 E, 9848534 N M 126 Patate 777050 E, 9855234 N M 127 Pillaro 772050 E, 9870334 N En el caso de la precipitación diaria, posterior a la revisión de la información disponible, se decidió utilizar los datos entre 1 de Enero de 1985 al 31 de diciembre del 2004 como período de análisis. El régimen de lluvias en la región presenta sus mayores picos entre los meses de abril a junio como se detalla en la Figura 2. 11
2,50 2,00 1,50 1,00 Pillaro Patate Querochaca 0,50 0,00 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 2. Régimen de lluvias en la Subcuenca del Río Ambato para el período 1985-2004 Para el caso de la temperatura máxima y mínima diaria se uso el mismo periodo de análisis que para la precipitación. La Subcuenca del Río Ambato se caracteriza por ser una zona en donde la temperatura no tiene grandes diferencias entre sus valores máximos y mínimos. Ver Fig. 3 12
25,00 20,00 15,00 10,00 Pillaro T. Max Pillaro T. Min Querochaca T. Max Querochaca T. Mín Patate T. Max Patate T. Min 5,00 0,00 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 3. Temperaturas Promedio Máximas y Mínimas en la Subcuenca del Río Ambato para el período 1985-2004 Posteriormente, con los parámetros necesarios ingresados en el modelo, y después de generar la subcuenca o las microcuencas de estudio lo que depende de los puntos de descarga que uno establezca, (Ver mapa No. 06) se realiza el cruce entre las coberturas de usos de suelo con la de suelo generando unidades de análisis que reciben el nombre de Unidades de Respuesta Hidrológica - URH. (Ver mapa No. 07) RESULTADOS a) Preliminares y Calibración del Modelo Con la información ingresada en el modelo, se realizaron las primeras corridas obteniendo datos de caudales y sedimentos simulados. Pero fue necesario evaluarlos, de manera que se comparó los caudales reales con los caudales simulados para conocer cómo el SWAT los estaba generando. 13
12 10 Caudales (m3/seg/día) 8 6 4 2 Reales Simulados 0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 4. Caudal Real - Caudal Simulado para el período 1985-2004 Las curvas resultantes presentan un ligero desplazamiento una de la otra, especialmente en el mes de julio, agosto y septiembre debido a que en este primer momento el modelo no simuló la fundición de la nieve en estos meses de verano. En efecto, mientras que los grandes volcanes cercanos juegan un papel de pantalla que reduce considerablemente la pluviosidad anual (generalmente inferior a los 500 mm), los ríos que atraviesan estas depresiones tienen un régimen glacio-nival cuyos mayores caudales coinciden con el periodo más seco; solo excepcionalmente son alimentados por los torrentes de la zona cuyo flujos no son sino intermitentes 3. Para la calibración del modelo, se usaron los datos de caudales que fueron proporcionados por la Agencia de Aguas de Tungurahua y que corresponden a la estación hidrométrica Ambato H-801 (Ver Mapa 05) localizada en Ambato con información que va desde 1967 a 1989. Este punto de aforo nos permitió dividir a la Subcuenca en dos microcuencas, facilitando de esta manera la comparación de los datos reales de esta estación con los simulados por el SWAT. (Ver Mapa 06) 3 Pourrut Pierre, Gustavo Gómez. s/f. Los regímenes hidrológicos ecuatorianos. En El Agua en el Ecuador. Artículo VII. 14
En este proceso, primero se cambiaron las variables CN2, AWC, ESCO, sin embargo al no obtener los resultados esperados, se modificaron aquellas que corresponden a los parámetros de la nieve - Snow Melt Parameters: - SNO_HRU : Inicial Snow Water Content (mm H2O) - SLSUBBSN: Average Slope Length (m) - Rainfall adjustment - Humidity adjustment - Elevation at the center of the elevation band (m) - Fraction of subbbasin area within the elevation band - Initial snow water content in elevation band (mm) Estas variables permitieron calibrar exitosamente los datos y se puede apreciar en la curva que se presenta a continuación: 12 10 Caudales (m3/seg/día) 8 6 4 2 Reales Calibrados 0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 5. Caudal Real - Caudal Calibrado para el período 1985-2004 15
A continuación se presentan las gráficas en las que se simularon los caudales para los 20 años en los que se corrió el modelo SWAT 14 12 Caudales (m3/seg/día) 10 8 6 4 Caudal 2 0 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 Años Fig. 6. Caudales Simulados para el período 1985-2004 En la siguiente gráfica se muestra la producción de sedimentos, los mismos que no pudieron ser calibrados debido a que no existe información real de sedimentos en la subcuenca. Sin embargo, conociendo que éstos dependen de los caudales es posible afirmar que los datos simulados serán confiables considerando que los caudales del modelo han sido calibrados adecuadamente. 16
600,0 Sedimentos (m3/km2/año) 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 Sedimentos 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 7. Sedimentos Simulados para el período 1985-2004 Para interpretar los resultados de la producción de sedimentos y determinar el estado de erosión de la Subcuenca ha sido necesario comparar los datos simulados por el modelo con el Aporte de Sedimentos y Erosión Actual establecido por el Centro Interamericano de Desarrollo e Investigación Ambiental y Territorial-CIDIAT, el cual se muestra en el siguiente cuadro: 17
Cuadro de Aporte de Sedimentos y Erosión Actual (CIDIAT) APORTE DE EROSIÓN SEDIMENTOS ACTUAL M3/km2/año 0 100 Insignificante 100 200 Muy Baja 200 500 Baja 500 1000 Mediana 1000 2000 Alta > 2000 Muy Alta Al realizar un promedio de los sedimentos simulados por el SWAT se puede decir que la Subcuenca tiene una producción de sedimentos igual a 0,0053 Ton/Ha/día. Transformando este valor a m 3 /km 2 /año, utilizando el valor de 1.3 gr/cm 3 como la densidad aparente promedio de los suelos volcánicos, se obtiene que el aporte de sedimentos de la Subcuenca del Río Ambato es de 148,339 m 3 /km 2 /año, que corresponde a la categoría Muy Baja. A continuación se presentan los datos totales de caudales y sedimentos para la Subcuenca del Río Ambato. 18
Caudales (m3/seg/día) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Calibrados 0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 8. Caudales Simulados Totales por mes para el período 1985 2004 En la fig. 8 se presenta el caudal simulado para la Subcuenca del Río Ambato. La mayor producción de caudal se observa durante los meses de verano, que coinciden con los meses en donde existe máxima insolación y por ende un mayor derretimiento de la nieve de los volcanes que se ubican en la subcuenca. 19
1400,0 1200,0 Sedimentos (m3/km2/año) 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 Calibrados 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 9. Sedimentos Simulados Totales por mes para el período 1985 2004 En el caso de los sedimentos, como se puede observar, existe mayor producción de sedimentos para la época de verano lo cual confirma que a mayor caudal mayor cantidad de sedimentos. Como se dijo anteriormente, es una subcuenca que se encuentra bastante conservada y a pesar de que existe una producción de sedimentos, éstos son bastante bajos. Ver Fig.9. 20
30 25 Caudales (m3/seg/día) 20 15 10 Calibrados 5 0 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 Fig. 10. Caudales Simulados Totales por año para el período 1985 2004 En las Figuras 10 y 11 se muestra que la cuenca tiene un comportamiento bastante similar a lo largo del tiempo a excepción del año 2000 en el que existe mayor producción de caudales por ser un año en el que se registra un aumento en la precipitación. 4 4 Ver datos precipitación proporcionados por INAMHI 21
3000 2500 Sedimentos (m3/km2/año) 2000 1500 1000 500 Calibrados 0 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 Fig. 11. Sedimentos Simulados Totales por año para el período 1985 2004 b) Escenarios Una vez calibrado el modelo es posible crear escenarios hipotéticos en los que se puede simular el comportamiento de la subcuenca frente a nuevas situaciones, permitiendo de esta manera comparar la situación actual con diferentes condiciones de uso de suelo que podrían presentarse en un futuro. A continuación se presentan, los escenarios que fueron creados: Escenario 1: El primer escenario se construyó cambiando en el mapa de uso de suelo y cobertura vegetal los polígonos correspondientes al páramo de paja por cultivos de papa. A continuación se presentan los resultados 22
60 50 Caudales (m3/seg/día) 40 30 20 10 Calibrados Escenario 1 0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 12. Comparación de Caudales Calibrados con el Escenario 1 Como se observa en la Fig. 12, al cambiar el área de páramos por cultivos de papa, el agua que se encontraba formando parte de la esponja del páramo ya no puede almacenarse y por esta razón el agua tiende a correr aumentando los caudales. Este comportamiento se explica analizando que en el ciclo hidrológico, el agua que ingresa al sistema ya no podrá ser almacenada y tendrá que correr por la superficie de la tierra presentando problemas en los momentos de sequía, pues esta agua que antes se encontraba almacenada ya no existirá. Además como reflejan las gráficas al aumentar la escorrentía, aumenta la cantidad de sedimentos pues la cobertura vegetal que impedía este proceso, habrá desaparecido tal como se puede apreciar en la Fig. 13. 23
7000,0 6000,0 Sedimentos (m3/km2/año) 5000,0 4000,0 3000,0 2000,0 1000,0 Calibrados Escenario1 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 13. Comparación de Sedimentos Calibrados con el Escenario 1 Protección que Producción de Caudal brinda al suelo Sedimentos Con cobertura vegetal > < < Sin cobertura vegetal < > > Escenario 2: Para el segundo escenario, se simuló un avance de la frontera agrícola para lo cual se realizaron algunos cambios como: se reemplazó las áreas de bosque natural por la vegetación aledaña a ellos que en muchos casos resultó ser pastos, para la zona alta de la cuenca se cambiaron algunas áreas de páramo por otras de pastos y cultivos de papa, mientras que en la zona baja se extendieron los polígonos correspondientes a frutales y pastos. Los resultados se presentan a continuación: 24
Como se observa en la Fig. 14 y 15, los caudales sufren un ligero incremento porque la cobertura vegetal natural ha sido cambiada; al igual que los sedimentos que sufren un ligero incremento, porque igual que el escenario anterior el cambio de la cobertura vegetal afecta en el ciclo del agua. 25 20 Caudales (m3/seg/día) 15 10 5 Calibrados Escenario 2 0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 14. Comparación de Caudales Calibrados con el Escenario 2 25
1600,0 1400,0 Sedimentos (m3/km2/año) 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 Calibrados Escenario 2 200,0 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Fig. 15. Comparación Sedimentos Calibrados con el Escenario 2 CONCLUSIONES - La modelación hidrológica puede convertirse en una herramienta que puede aportar en el manejo y planificación de determinada cuenca. Estos datos, deben ser interpretados correctamente de manera que los tomadores de decisión puedan planificar de mejor manera en base a la información que se les proporciona. - De acuerdo a los resultados del modelo, la Subcuenca del Río Ambato presenta poca producción de sedimentos, cuyo promedio se localiza en la categoría de Erosión Muy Baja según el CIDIAT. Esto podría justificarse tomando en cuenta que la subcuenca presenta grandes extensiones de páramos que actualmente se encuentran bien conservados. Sin embargo, no se debe olvidar que estos valores no pudieron ser calibrados y que por lo tanto sólo constituyen un referente de la situación actual de la subcuenca. 26
- El derretimiento de la nieve de los nevados que se encuentran en la subcuenca durante los meses de verano, aporta más caudal y esto se ve reflejado en las gráficas construidas. Esto nos lleva a analizar que en el país no existen estudios necesarios que aclaren lo que está sucediendo con la reducción de los glaciares de los nevados. - Los escenarios propuestos permiten comparar la situación real con posibles cambios al futuro, en el primer escenario la generación de caudales aumenta al cambiar la cobertura de páramos por papa, lo que permite analizar que este escenario debe ser evitado previendo la conservación de esta cobertura no sólo por la función ambiental que éste cumple sino porque sus suelos cumplen la función de esponja que ayuda a regular el ciclo del agua. Para el segundo escenario se realizaron cambios en lo que se refiere al avance de la frontera agrícola, y como se observa en las gráficas el aumento de caudales y sedimentos es mínimo. Esto nos lleva a pensar que estos escenarios aunque son hipotéticos se puede planificar a futuro para un mejor manejo de la subcuenca. CAUDALES CALIBRADOS m 3 /seg/día CAUDALES ESCENARIO1 m 3 /seg/día CAUDALES ESCENARIO2 m 3 /seg/día Enero 6,59 11,22 7,10 Febrero 8,57 17,89 10,86 Marzo 9,41 15,83 11,50 Abril 12,81 30,61 15,92 Mayo 15,40 35,50 19,62 Junio 17,69 36,55 21,11 Julio 17,08 49,10 18,47 Agosto 9,63 20,65 10,50 Septiembre 7,57 17,35 8,50 Octubre 7,75 19,70 9,59 Noviembre 8,40 21,49 10,58 Diciembre 6,33 11,95 7,78 Cuadro 2: Comparación de caudales para Subcuenca del Río Ambato 27
SEDIMENTOS m 3 /km 2 /año SEDIMENTOS ESCENARIO1 m 3 /km 2 /año SEDIMENTOS ESCENARIO2 m 3 /km 2 /año Enero 75,81 999,54 84,58 Febrero 227,42 2571,85 286,38 Marzo 58,96 1417,88 67,38 Abril 252,69 4469,85 317,27 Mayo 623,31 5730,50 909,69 Junio 1224,15 6030,92 1370,15 Julio 642,96 6426,81 684,88 Agosto 131,96 1760,42 146,69 Septiembre 252,69 2515,69 270,23 Octubre 117,92 3248,50 120,41 Noviembre 67,38 3338,35 78,62 Diciembre 5,62 1415,08 8,42 Cuadro 3: Comparación de sedimentos para Subcuenca del Río Ambato 60 50 Caudales (m3/seg/día) 40 30 20 10 Calibrados Escenario 1 Escenario 2 0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 28
7000,0 6000,0 Sedimentos (m3/km2/año) 5000,0 4000,0 3000,0 2000,0 1000,0 Calibrados Escenario1 Escenario 2 0,0 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre - La generación de los diversos escenarios dio la posibilidad de observar cómo los cambios en el uso del suelo y la cobertura vegetal en la respuesta hidrológica está relacionada con la generación de caudales y de sedimentos. - Las limitantes que presenta el SWAT, se puede resumir en que los periodos de cobertura de la información temática y la climática, muchas veces no coinciden haciendo que la simulación en muchas ocasiones arroje resultados errados. - En el caso del SWAT, no permite proyectar los datos. Se puede trabajar en el periodo en el que se tenga tanto la información climática como en la coberturas geográficas. - Es importante también determinar el grado de fiabilidad de la información física y climática que necesita el modelo, es necesario conocer bien cuál es la fuente que la generó. Si la información temática ha sido generada por otras personas, es necesario saber quien la levantó, quién la proceso, el nivel de detalle a la que fue generada y si esta fue corroborada en el campo de manera que la persona que cuenta con esta información sepa como evitar la propagación de errores en el proceso. Para el caso de la información climática, como se necesitan datos en un periodo mínimo de 10 29
años, se necesita corroborar cómo estos datos son tomados y analizar si no existen muchos vacíos porque esto de igual manera afectaría al modelamiento. - Una de las principales bondades del modelo Swat es que permite ser calibrado con datos reales medidos en campo, para lo cual primero se realiza una comparación entre las curvas de valores simulados y valores reales medidos en campo; luego se procede a calibrar las variables internas del modelo hasta cuando las curvas se encuentren más semejantes entre sí. - La relación directa que existe entre los caudales y sedimentos, y la relación indirecta que existe entre los caudales y la infiltración, demuestra una vez más que los páramos tienen como función servir de reguladores de los flujos de agua, y cuando son remplazados por cultivos o pastizales pierden su capacidad de retener el agua en periodos húmedos y restituirla en periodos secos. - La principal consecuencia de que el suelo pierda su capacidad de almacenamiento, es que los acuíferos y las fuentes de agua dejan de ser alimentadas y por ende disminuyen los flujos de aguas subterráneas. En épocas en donde no hayan lluvias, la población sufrirá problemas de escasez de agua tanto para riego como para consumo humano. - Las variables climáticas que son requeridas para el modelo SWAT, deben encontrarse en un periodo diario mínimo de 10 años. Por esta razón es apropiado antes de correr el modelo confirmar la existencia de esta información climática y que se encuentren dentro de la cuenca o lo más cercano a ella. Para este estudio, se logró adquirir información de tres estaciones propiedad del INAMHI, en un periodo de tiempo de 20 años, información que nos dio más certeza para correr el modelo - La utilización de los modelos hídricos puede ser limitada por la escasez de fuentes de información. El SWAT es un modelo que exige una información muy detallada y en muchos casos especializada para obtener resultados más exactos. Lamentablemente 30
en el país mucha de la información requerida por el Swat pertenece a instituciones que se niegan a compartirla y esto, además de retrasar el cronograma definido en los proyectos, obliga a duplicar esfuerzos, tiempo y dinero, que en muchos casos representa un costo muy elevado. 31
BIBLIOGRAFÍA - POURRUT Pierre, Gustavo Gómez. s/f. Los regímenes hidrológicos ecuatorianos. Artículo VII. En POURROT Pierre. 1995. El Agua en el Ecuador. Ediciones ORSTOM-Colegio de Geógrafos del Ecuador. Quito - Manual SWAT 99.2 Guía del Usuario - Manual SWAT 99.2 Bases Teóricas - GAVILANES Carla. 2004. Tesis: Construcción de escenarios para una propuesta de Redelimitación de la Reserva Ecológica El Ángel usando como herramienta un Sistema de Información Geográfica. Escuela Politécnica del Ejército. Sangolquí - VALENZUELA Paola. 2005. Tesis: Aplicación del Modelo Hídrico Swat 99.2 para el análisis del impacto de la deforestación y del avance de la frontera agrícola en la producción y almacenamiento del recurso agua en las partes alta y media de la Subcuenca del Río San Pedro. Escuela Politécnica del Ejército. Sangolquí - SIMBAÑA Blanca. 2005. Tesis: Zonificación Agroecológica Económica de la Cuenca Alta del Río Ambato mediante la aplicación de un SIG. Escuela Politécnica del Ejército. Sangolquí 32