INFLUENCIA DEL USO DE SUELO Y VEGETACIÓN EN EL BALANCE HÍDRICO EN TRES MICROCUENCAS DE TARIMORO GUANAJUATO

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1 INFLUENCIA DEL USO DE SUELO Y VEGETACIÓN EN EL BALANCE HÍDRICO EN TRES MICROCUENCAS DE TARIMORO GUANAJUATO Rivas Casas N. M. a ; Domínguez Cortazar M. A. b y Vela Coiffier M. P. c a Maestría en Gestión Integrada de Cuencas. Facultad de Ciencias Naturales. UAQ. nydiamrc@gmail.com; b Facultad de Ingeniería. UAQ. migueld@uaq.mx.; c ITESM Centro de Calidad Ambiental. Laboratorio de Sistemas de Información Geográfica. pvela@itesm.mx Resumen En el presente estudio se analizó la influencia que tiene el uso de suelo y vegetación en los años 1979, 2004 y el escenario probable al 2020 sobre el balance hídrico en tres microcuencas de Tarimoro, Guanajuato; se aplicó la metodología propuesta por Thornthwaite y Mather. Se observó que la agricultura de temporal cambio en un 50% a agricultura de riego de 1979 a 2004 y se pronostica un cambio del 19% del matorral xerófilo a pastizal; los resultados obtenidos arrojaron una diferencia significativa en la evapotranspiración actual, la humedad en el suelo y la diferencia de humedad en el suelo en los años analizados; la utilización de humedad se reduce de 1979 a 2004 y se pronostica una misma tendencia hacia el 2020; lo que significa un incremento en el déficit hídrico. En conclusión el cambio de uso de suelo y vegetación influye directamente en el balance hídrico Palabras clave: Balance hídrico, Microcuencas, Thornthwaite, Cambio de uso de suelo Introducción El agua es el elemento más abundante en la Tierra; es el principal constituyente de los seres vivos y factor clave para la regulación del clima, la cual permite la supervivencia de las especies, incluyendo al hombre (Chow, et al 1994). La cuenca es la unidad territorial básica delimitada por los parteaguas, la cual tiene un drenaje natural y en ella se llevan a cabo interacciones físicas y biológicas de todos los actores que en ella se encuentran; uno de las interacciones fisicas que se da en una microcuenca es el balance hidrico entendido como el balance entre la entrada de agua por precipitación y/o deshielo y la salida del agua por la evapotranspiración, recarga de acuíferos y escurrimientos superficiales en un tiempo determinado (Dunne y Leopold, 1978). La vegetación es un factor determinante en el balance hidrico ya que esta directamente relacionado a la evapotranspiración, infiltración y el deficit de humedad en el suelo; por otro lado la metodología de Thornthwaite y Mather considera dentro de sus factores la capacidad de almacenamiento de humedad, este factor depende del uso de suelo, la textura del suelo y la profundidad de las raíces de las vegetación presente; de manera que los cambios en el uso de la suelo y la vegetación tienen una influencia directa sobre el balance hidrico. Área de estudio Las tres microcuencas de estudio se encuentran ubicadas en La Sierra de los Agustinos en el municipio de Tarimoro, Guanajuato; esta zona se caracteriza por tener abundantes escurrimientos superficiales y por proveer de servicios ecosistémicos a los habitantes del municipio. La Sierra de los Agustinos fue decretada como área natural protegida en el año del 2002 en la categoría de área de uso sustentable. Las tres microcuencas de estudio nombradas Tarimoro, Saucillo y Acebuche se encuentran ubicadas en las coordenadas extremas WGS84 UTM Norte , Sur , Este , Oeste y comprenden una extensión de 7,216 hectáreas de superficie.

2 Figura 1. Ubicación de las microcuencas de estudio Objetivo Analizar la influencia que tiene el uso de suelo y vegetación presentes en los años 1979, 2004 y el escenario probable al 2020 sobre el balance hídrico aplicando la metodología de Thornthwaite y Mather. Hipótesis Distintos escenarios de balances hídricos presentarán cambios significativos relacionados a los cambios de uso de suelo y vegetación de 1979, 2004 y 2020 Metodología Se realizó un análisis de cambio de cobertura de suelo de 1979 a 2004 con el modelador Land Change de IDRISI v.15; el cual fue la base para el pronóstico de cambio de uso de suelo y vegetación al año 2020 mediante Cellular automata de Markov. La metodología utilizada para el balance hídrico resulta del método directo presentado por Dunne y Leopold en 1978; el cálculo se puede expresar mediante la siguiente ecuación: P = I + ETA + Ro + SM Donde P= Precipitación I= Infiltración ETA= Evapotranspiración actual Ro= Escurrimiento SM= Cambio en la humedad del suelo Precipitación (P) y Temperatura (T) Se obtuvieron los datos de precipitación en milímetros y temperatura en grados centígrados mensuales históricos para las estaciones con clave 11060, 11078, 11116, 11149, del Sistema computarizado (CLICOM) del Servicio Meteorológico Nacional. Con el fin de resaltar únicamente el efecto del cambio de los usos del suelo y la vegetación sobre el balance hídrico, se adoptó una misma base de datos histórica de P y T para los tres escenarios considerados. Los datos se interpolaron utilizando el método de la distancia inversa ponderada (IDW), este método pondera los valores interpolados en función del cuadrado de la distancia entre las estaciones señaladas y los puntos desconocidos, por tanto se considera que las predicciones son una combinación lineal de los datos. Evapotranspiración potencial (ETP) Para calcular la evapotranspiración potencial se utilizo la formula: Etp sin corregir = 16 x [(10 t /I)] a ; el primer paso es calcular los índices de calor mensuales (i) a partir de los valores interpolados de temperatura (t) mediante la siguiente formula: i = [t/5] ; con el cálculo de los índices de calor mensuales se obtiene el índice de calor anual: I = i mensuales; el factor a = I I I Finalmente se corrige la ETP considerando las horas sol y la latitud del área de estudio mediante la ecuación: ETP = ETP sin corregir [(n/12) (d/30)] donde n es el número de horas sol dependiendo del mes y latitud y d = número de días del mes. Capacidad de retención de humedad en el suelo (SW) La capacidad máxima de retención de humedad depende de la textura del suelo y de la zona de actividad de las raíces (Thornthwaite y Mather, 1957). Para la obtención de este parámetro se reclasificó la capa de vegetación de 1979, 2004, 2020 (ver figura 2) y la capa de edafología (clases texturales) utilizando los siguientes valores: Tabla 1. Valores de capacidad de retención de humedad por cobertura y textura Uso de suelo y vegetación Textura CRH Asentamientos humanos, infraestructura vial, sitios de extracción de materiales, zonas sin vegetación aparente Cultivos de riego Media 5 Fina 5 Fina 100 Media 125

3 Cultivos de temporal Pastizales y matorrales (secundarios) Vegetación natural perturbada (matorral xerófilo crassicaule, selva baja caducifolia, bosque de encino y vegetación riparia). Vegetación natural conservada (selva baja caducifolia, matorral xerófilo crassicaule, bosque de encino y vegetación mixta). Incluye cauces Media 200 Fina 150 Media 250 Fina 200 Media 300 Fina 250 Media 350 Fina 300 Cuerpo de agua textura media (35% arcilla y menos 65% de arena); textura fina ( más del 35% de arcilla) Tomado de: Ortiz, V.B. & Ortiz. C.A. (1990). Edafología. Universidad Autónoma Chapingo. Departamento De Suelos. Séptima Edición. Chapingo, México Humedad en el suelo (SM) Se refiere a la humedad que permanece en el suelo cada mes; primeramente se obtuvo la diferencia algebraica de la precipitación y la evapotranspitación potencial (P-ETP) y al valor obtenido se le nombra PET(x), la cuál representa una estimación del exceso de agua (+) o déficit (-). Como siguiente paso se realizo el cálculo del potencial acumulado de pérdida de humedad (APWL, por sus siglas en inglés), en este cálculo se consideró el siguiente criterio: en los meses lluviosos, PET > 0; por tanto, APWL = 0; En el primer mes después de la temporada de lluvias, APWL = PET; del segundo mes en adelante: APWL(mes en curso) = APWL(mes anterior) + (PET) (mes en curso). Una vez que se obtuvieron los valores de capacidad de retención de humedad en el suelo y el potencial acumulado de pérdida de humedad; se realizo el cálculo del almacenamiento real de humedad del suelo a través de la ecuación: SM = SW e APWL / SW donde e = Diferencia de humedad en el suelo (DSM) Se calcula como DSM(mes en curso) = SM(mes en curso) - SM(mes anterior); un valor negativo implica sustracción de agua almacenada que será usada para evapotranspiración, mientras que un valor positivo implica infiltración de agua en el suelo. Evapotranspiración actual (ETA) Representa la evapotranspiración real que ocurre en un sitio conforme a la precipitación y las reservas de humedad en el suelo; para el cálculo se debe considerar el criterio: Si DSM > 0 entonces ETA = ETP ó Si DSM < 0 entonces ETA = P DSM. Figura 2. Uso de suelo y vegetación años 1979,2004 y 2020 en las microcuencas de estudio Déficit de humedad en el suelo (SMD) Es la diferencia de la evapotranspiración actual y potencial mes con mes; el déficit de humedad del suelo se reduce al iniciar la temporada de lluvias hasta llegar a ser cero; el cálculo para el mes x es el siguiente: SMD X = ETP X - ETA X Exceso de humedad en el suelo (S) Este parámetro se presenta solo los meses lluviosos ya que es cuando el suelo se

4 mm acumulados grados centígrados encuentra saturado y se produce un exceso de humedad. Se debe tener las siguientes consideraciones: en el primer mes lluvioso, S = P X (DSM X + ETA X ); para los siguientes meses, S (mes en curso) = [PET (mes en curso) + SM (mes anterior)] - SW Lámina total disponible para escurrimiento (TA) Este cálculo se realiza solamente en los meses lluviosos y ocurre cuando existe un exceso de humedad en el suelo; se debe considerar lo siguiente: En el segundo mes lluvioso: TA X = S X ; del tercer mes lluvioso hasta antes del primer mes de ciclo hidrológico TA X = S (mes en curso) + (TA (mes anterior) / 2) y finalmente del primer mes del ciclo hidrológico en adelante, TA (mes en curso) = TA (mes anterior) / 2. Escurrimiento (Ro) El método de Thornthwaite y Mather considera el supuesto que para grandes cuencas, aproximadamente el 50% del exceso de agua estará disponible para escurrimiento en cualquier mes, el resto es detenido en el subsuelo, como recarga subterránea, lagos y canales de las cuencas, y estará disponible para escurrir en el siguiente mes. De manera que Ro X = TA X / 2 Infiltración (Inf) Para el cálculo de la infiltración se retomó la fórmula del balance hídrico propuesta por Dunne y Leopold, despejando la infiltración: Inf = [(P- Ro - ETA) + SM] SW; Se considera el parámetro de SM (humedad en el suelo) porque se refiere a la humedad que permanece en el suelo cada mes de manera que resulta en un valor positivo para la infiltración; sin embargo la humedad que queda en las raíces de las plantas SW (capacidad de retención máxima de humedad del suelo) se resta para el cálculo porque es un agua que permanece solo en las raíces y no permite su percolación a capas más profundas, de manera que no genera infiltración. Resultados Dentro de los cambios más sobresalientes de uso de suelo y vegetación; encontramos que de 1979 a 2004 el 54% de matorral xerófilo fue clasificado como bosque de quercus; el 50% de la agricultura de temporal se convirtió en agricultura de riego, lo que indica una fuerte tecnificación de la agricultura en las microcuencas. Del año 2004 al 2020, se pronostica que continuará esta misma tendencia de cambio, es decir, de agricultura de temporal a riego en un 51%; mientras que el 19% del matorral xerófilo puede convertirse a pastizal. El modelo predice además que el 15% de la agricultura de riego cambiará a asentamientos humanos. El análisis de precipitación y temperatura demostró que los meses lluviosos son junio, julio, agosto y septiembre; el mes de octubre corresponde al inicio del ciclo hidrológico (ver figura 3) Ombrograma ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Precipitación Temperatura Figura 3. Ombrograma de precipitación y temperatura estandarizada Como se puede observar en la tabla 2; los valores de temperatura, precipitación y evapotranspiración potencial; se mantuvieron constantes tal y como se señaló anteriormente. Se realizó un análisis de muestras pareadas para determinar si existían diferencias estadísticamente confiables para cada factor obtenido en el balance hídrico entre los años considerados; se encontró que no existen diferencias en el escurrimiento entre los años 1979, 2004 y 2020; la infiltración no presenta diferencias entre ; sin embargo, de y se encontró una diferencia significativa; por otro lado, la evapotranspiración actual, la humedad en el suelo y la diferencia en la humedad en el suelo si mostraron diferencias entre todos los años

5 Tabla 2. Media mensual del balance hídrico por año en las tres microcuencas MES T P ETP SM ETA SMD Ro INF T P ETP SM ETA SMD Ro INF T P ETP SM ETA SMD Ro INF La evapotranspiración real anual de las microcuencas para el año 1979 resultó de 672 mm, disminuyendo al 2020 a 658 mm; se encontró que el déficit de humedad en el suelo se incrementa hasta 204 mm en el El escurrimiento anual se mantiene entre mm en los tres periodos de tiempo. La infiltración anual en 1979 se calculó en 202 mm, en el 2004 disminuyó a 198 mm y finalmente en el 2020 se espera sea de 188 mm. En la figura 4 se puede observar que de los meses de junio a septiembre se presenta la recarga de humedad en las microcuencas de estudio. Los periodos de déficit comienzan en el mes de octubre y terminan en el mes de mayo debido a que es la temporada de estiaje. La diferencia entre la precipitación y la evapotranspiración actual es la utilización de humedad, la cual se reduce de 1979 a 2004 y se pronostica una misma tendencia hacia el 2020; lo que significa un incremento en el déficit hídrico. Los cálculos anuales mostraron que el área de mayor evapotranspiración real se encuentra localizada en las zonas con vegetación de bosque de quercus, coníferas-quercus y agricultura de riego; mientras que la evapotranspiración más baja pertenece a los asentamientos humanos. Figura 4. Estatus de balance hídrico en las tres microcuencas de estudio Por el contrario, el escurrimiento es mayor en las áreas urbanas y agricultura de temporal, el menor escurrimiento se da en la vegetación de encino. La mayor zona de infiltración pertenece a las zonas con cobertura de bosque de quercus y coníferas-quercus, matorral xerófilo y pastizal. Las áreas con menor déficit de humedad en el suelo corresponden a las áreas de vegetación boscosa y matorrales; las áreas con mayor déficit son las áreas urbanas y la agricultura de temporal (ver figura 5). Discusión Para el período de 1979 a 2004, los cambios observados de vegetación de matorral xerófilo a bosque de Quercus pueden deberse más a la clasificación que a un cambio de cobertura real; Rzedowski menciona la presencia de bosques bajos de Quercus en transición con matorrales en áreas similares al área de estudio. En los mapas de cambio puede observarse que los cambios entre matorral y bosque de Quercus se dan en los límites entre estas dos vegetaciones principalmente, lo que sugiere que el cambio puede ser debido a la clasificación. Debido a que el 50% de agricultura de temporal pasó a agricultura de riego de 1979 a 2004 y de 2004 a 2020; esto representó una disminución en la capacidad de retención de humedad en el suelo, factor relacionado a la evapotranspiración actual y la infiltración acorde a los valores mencionados por Ortiz y Ortiz (1990).

6 Conclusión En base al cambio del 50% de agricultura de temporal a riego del año 1979 a 2004, se puede concluir que la evapotranspiración actual y la infiltración disminuyen, mientras que el déficit de humedad en el suelo aumenta de manera significativa. Los cambios pronosticados del 2004 al 2020 mostraron que las condiciones de la evapotranspiración actual y la infiltración disminuyen, mientras que el déficit de humedad en el suelo aumenta significativamente; siguiendo la tendencia presentada desde 1979 en relación a la cobertura vegetal. En conclusión los cambios en la cobertura vegetal influyen directamente en el balance hídrico. Referencias Aparicio Mijares, F.J Fundamentos de Hidrología de superficie. Editorial Limusa. México,D.F. 304 pp. Chow,V. T., D.R. Maidment y L. W. Mays Hidrología aplicada. McGraw-Hill- Interamericana. Bogotá, Colombia. 584 pp. Dunne T. and L.Leopold, Water in environmental planning. Freeman 86. San Francisco, USA. 819 pp Singh, R. K. and V. Hari Prasad Remote sensing and GIS approach for assessment of the water balance of a watershed. Hydrological Sciences Journal des Sciences Hydrologiques, 49(1) Figura 5. Áreas de evapotranspiración real. Escurrimiento, infiltración y déficit de humedad en el suelo anual en las tres microcuencas de estudio Rzedowski. J Vegetación de México. 1ra. Edicion digital. Comision Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad. Mexico. 504