Herramienta para la Caracterización Geomorfológica de Cuencas Hidrográficas

Transcripción

1 Resumen Herramienta para la Caracterización Geomorfológica de Cuencas Hidrográficas José Guadalupe Valtierra 1, Dr. Miguel Ángel Domínguez 2 1 Centro Queretano de Recursos Naturales 2 Universidad utónoma de Querétaro Las actuales políticas de desarrollo rural, sustentadas en la ley del mismo nombre, soportan su implementación en la definición de entidades espaciales en las que el trinomio equidadproducción conservación adquiere una importancia fundamental. Para tal efecto se han desarrollado distintos instrumentos entre los que sobresale el llamado Plan Rector de Producción y Conservación (PRPC). Se entiende a este último como el conjunto de acciones instrumentadas en una unidad territorial definida con criterios hidrológicos. El objetivo esencial de un PRPC es el de mejorar las condiciones ambientales y el desarrollo productivo de las poblaciones, principalmente de las más marginadas. La planeación, instrumentación, seguimiento y evaluación de los PRPC debe llevarse a cabo a escala nacional y para ello se requiere de la delimitación de cada una de las entidades espaciales sobre las cuales se aterrizan las acciones propuestas en dicho instrumento de planeación, estas unidades son las llamadas microcuencas hidrográficas. Para el caso específico del Estado de Querétaro se cuenta ya con una versión completa del Mapa Estatal de Microcuencas (MEM), actualmente en vías de instrumentarse como un referente institucional. Se aborda en este trabajo los resultados del proceso de delimitación, así como la caracterización geomorfológica del conjunto de microcuencas delimitadas, esto último con ayuda de una extensión preparada para el programa rcview y que facilita el desarrollo de la fase de caracterización y diagnóstico durante la elaboración de un PRPC. Se espera que esta herramienta sea de gran utilidad para todos aquellos usuarios interesados en estudiar las características geomorfológicas de las cuencas y microcuencas hidrográficas. El Mapa Estatal de Microcuencas (MEM) Dichas microcuencas están delimitadas con base en criterios técnicos que toman en cuenta las características topográficas e hidrológicas. Por otra parte, debido a que los límites políticoadministrativos no coinciden necesariamente con los límites hidrológicos, las fronteras o parteaguas de las microcuencas delimitadas no se acotan a los límites del Estado de Querétaro, sino que se extienden a los estados circunvecinos. La delimitación del Mapa Estatal de Microcuencas (MEM) fue realizada con ayuda de software especializado para Sistemas de Información Geográfica (SIG). La información en que se basa este producto es la cartografía vectorial del Estado de Querétaro, elaborado por el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) a escala 1:5,, en formato digital. Con este insumo se construyó un Modelo de Elevación Digital (MED), mismo que representa la forma y las elevaciones de la superficie terrestre. Posteriormente se determinó la red de drenaje mediante la conexión de las celdas de elevación por donde pasan las corrientes de agua, definiendo las áreas tributarias de cada corriente superficial. Finalmente, se delimitaron los parteaguas de cada microcuenca y se preparó una tabla de atributos con las características esenciales de cada una de ellas, como son el área, el perímetro, el número de localidades y de habitantes asentados en cada una de las unidades hidrológicas identificadas. La validación de los límites obtenidos se llevó a

2 cabo cotejándolos con fotografías aéreas, imágenes de satélite y los mapas hidrológicos de INEGI en escala 1:25,, entre otros productos. Para determinar la toponimia de las microcuencas, se tomaron en cuenta los nombres más representativos de la zona en cuanto a su principal rasgo hidrológico o bien de población. La figura siguiente muestra el MEM para el Estado de Querétaro. El resultado del MEM se traduce en una subdivisión de la superficie estatal en 224 microcuencas de formas, relieve y dimensiones distintas. La figura que sigue muestra un histograma de superficie cubierta por la totalidad de las unidades delimitadas, la mayor parte de ellas cubre áreas entre 3 y 6 hectáreas, lo que se considera aceptable dentro de los criterios técnicos establecidos para la elaboración de los PRPC. Mapa Estatal de Microcuencas del Estado de Querétaro

3 Frecuencia Histograma de superficies de las microcuencas Superficie (Ha) Geomorfología de las Cuencas Hidr ográficas Hidrológicamente, la cuenca funciona como un gran colector que recibe las precipitaciones y las transforma en escurrimientos. Esta acción es función de una gran cantidad de parámetros que influyen en el comportamiento hidrológico de la cuenca. la fecha se ha comprobado que algunos índices y características tienen influencia en la respuesta hidrológica de la misma (Campos randa, 1998), y por ello, son punto de partida de los análisis hidrológicos que se realicen de la cuenca. Las propiedades hidrológicas que caracterizan hidrológicamente a la microcuenca (según los criterios de FIRCO, 25a) y que fueron programados en la extensión, son las siguientes: Parámetro Coeficiente de compacidad Elevación máxima* Elevación mínima* Definición Es el cociente entre el perímetro de la cuenca y la longitud de una circunferencia de área igual al área de la cuenca: P. 28 P K c = = 2 π Es la cota del punto más elevado de la microcuenca Es la cota del punto más bajo de la micro cuenca, usualmente, el punto de salida de la microcuenca. Parámetro Elevación media* Pendiente media Longitud de la cuenca Longitud de cauce Relación de elongación Índice de forma Densidad de corriente Densidad de drenaje Definición Es el promedio de las elevaciones presentes en la cuenca Es el promedio de las pendientes presentes en la microcuenca La distancia de una línea recta que va desde el punto de salida de la cuenca hasta el parteaguas de la misma y que además es paralela al cauce de la misma. (L) Es la longitud del cauce principal, el cauce más largo presente dentro de la cuenca Se define como el cociente entre el diámetro de un círculo que tiene igual área que la cuenca y la longitud de la misma: D R e = = L L Se define como el cociente entre el ancho promedio del área de la cuenca y la longitud de la misma. El ancho promedio (B) se halla al dividir el área por la longitud, de tal manera que B K f = pero B = por lo L L que K f = 2 L Se define como el número de canales o corrientes de agua presentes en la cuenca por unidad de superficie: Ni F = Se define como el cociente entre la longitud total de las corrientes de agua y el área total de la cuenca: l Dd =

4 Parámetro Orden de la cuenca* Definición El orden de la cuenca refleja el grado de ramificación o bifurcación de la microcuenca. Para definir este parámetro, es necesario introducir el concepto de ordenamiento de Strahler, en el cual, las corrientes se clasifican siguiendo un orden de importancia: Corrientes de primer orden: canales que no tienen tributarios. Corrientes de segundo orden: cuando dos corrientes de primer orden se unen. Corrientes de tercer orden: cuando dos corrientes de segundo orden se unen. Corrientes de orden n+1; cuando dos corrientes de orden n se unen. El orden de la cuenca es igual al orden de la corriente que llega al punto de salida de la cuenca; para el ejemplo mostrado, el orden de la cuenca es 4. De la lista anterior, los parámetros marcados con asterisco (*) no se incluyen en los criterios que el FIRCO (25) recomienda, sin embargo, fueron programados porque se consideró que ayudan a describir las características de las cuencas. continuación se describe la manera de calcular los parámetros demás de los parámetros anteriores, también se programó las siguientes gráficas: Curva hipsométrica Perfil del cauce principal La curva hipsométrica grafica en el eje de las abscisas el porcentaje del área acumulada, mientras que en el eje de las ordenadas, el valor de la cota (elevación). La figura muestra tres curvas hipsométricas correspondientes a otras tantas cuencas que tienen potenciales evolutivos distintos. La curva representa una cuenca en entapa de juventud; la B una fase de madurez; y la C una fase de vejez (Domínguez Cortazar, 23). El perfil del cauce principal es simplemente el gráfico de la elevación a lo largo del cauce principal en función de la longitud del mismo. Desarrollo de la Herramienta de Caracterización Geomorfológica La extensión está programada en venue, el lenguaje incluido en la licencia de rcview, por lo tanto, estos dos elementos están integrados de tal manera que, en la programación en el ambiente de venue se puede utilizar comandos ya construidos que permiten interactuar directamente con la información geográfica y las potencialidades de rcview. Esto permite facilitar el desarrollo de las aplicaciones que involucran operaciones geográficas y geométricas, así como de relaciones espaciales. La extensión utiliza como insumos básicos dos cosas: un archivo en formato shape de rcview que contiene los límites de las microcuencas y

5 además, el MED de las microcuencas en formato grid de rcview. El usuario es responsable de la correspondencia espacial entre el shape de las microcuencas y el MED. Una vez ejecutada esta herramienta, se calcula automáticamente todas las variables que se describieron en la sección anterior, anexando su valor a la tabla del tema de microcuencas, además se genera, en formato shape, la red de drenaje y el cauce principal calculado, los cuales estarán grabados en un directorio junto a las tablas que generan el perfil del cauce y la curva hipsomética. Para organizar la información que la extensión proporciona, se genera un directorio por cada microcuenca procesada. Esta extensión intenta caracterizar todos y cada uno de los polígonos presentes en el tema de las microcuencas. La Caracterización Geomorfológica del MEM Dado que se tienen los dos insumos básicos que esta extensión requiere: los límites de las microcuencas presentes en el MEM, y además, el modelo de elevación digital del territorio que comprende estas microcuencas, se procedió a aplicar la extensión para caracterizar a las 224 microcuencas. El proceso se llevó a cabo en una computadora con las siguientes características principales: Procesador Intel Pentium a 2 Ghz Memoria Ram 76 Mb Sistema operativo: Windows XP home edition Es de resaltar que el procesar las 224 microcuencas tardó 82 minutos, alrededor de 2.7 minutos en promedio por cada cuenca. l finalizar, los datos calculados para cada microcuenca quedaron guardados en la tabla asociada al tema de microcuencas. demás se generaron las curvas hipsométricas, las gráficas del perfil del cauce y, desde luego, las redes hidrográficas así como las corrientes principales para cada una de las 224 microcuencas en el MEM. Longitud de cuenca La microcuenca con menor longitud es el Llano Chiquito (4.8Km), mientras que la microcuenca con mayor longitud es San José Iturbide (26.9Km). mbos casos, están situados en los límites del estado, la primera en los límites del municipio Landa de Matamoros con San Luis Potosí, mientras que la segunda en los límites del municipio El Marques con Guanajuato. La distancia de las microcuencas se clasificó en 8 clases, cada una de ellas con una amplitud de 3Km. En la gráfica siguiente se puede apreciar que la clase más frecuente es la que va de 12 a 15 Kilómetros con 7 microcuencas que caen en esa categoría, seguida por la clase que va de los 15 a los 18 kilómetros, para ésta última clase, existen 56 microcuencas. Entre ambas clases, acumulan el por ciento del total de microcuencas presentes en el MEM. Frecuencia Histogram a Dis tancia de la cuenca Como puede observarse en la figura de distribución de las distancias de las microcuencas, no existe ningún patrón espacial asociado a esta variable. Las distintas longitudes de las microcuencas, están distribuidas por todo el estado. Orden de cuenca Para esta variable, el rango va desde 2 hasta 6. Para el Estado de Querétaro 136 microcuencas tienen un orden de 4, lo que representa el 56.2 por ciento del total. Le sigue el orden 5, con 6 microcuencas, el 26.7 por ciento. Entre ambos órdenes se acumula el 87.5 por ciento del total de microcuencas.

6 N Micros_uaq_feb7.shp Distribución de las distancias de las microcuencas Orden de Número de cuenca microcuencas Tabla de los órdenes de cuencas y el número de microcuencas en cada orden Como puede observarse en la figura anterior, el mayor orden de cuenca (6) corresponde a las 2 cuencas con mayor área. Sin embargo, el menor orden de cuenca (2) no coincide con las dos cuencas que menor área tienen. En realidad la segunda microcuenca con menor superficie (El Llano Chiquito) tiene un orden de cuenca 3 a pesar de que esta misma microcuenca es la que menor longitud tiene, lo que implica que tiene un mayor número de corrientes aunque sean de poca longitud. Coeficiente de compacidad En lo que se refiere al coeficiente de compacidad, cuanto más irregular sea la cuenca, mayor será su coeficiente de compacidad. Una cuenca circular posee el coeficiente mínimo, igual a uno. Según Dingman (22), hay mayor tendencia a las crecientes en la medida en que este número sea próximo a la unidad o dicho en otras palabras, la respuesta hidrológica es más rápida en cuencas con coeficientes de compacidad cercanos a la unidad N Frecuencia Distribución de los coeficientes de compacidad de las microcuencas en el Estado de Querétaro Micros_uaq_feb7.shp Distribución del orden de las microcuencas en el Estado de Querétaro. De acuerdo a los datos arrojados por la extensión, la microcuenca con menor coeficiente de compacidad (1.1359) es la microcuenca La Estacada, situada al norte de la microcuenca Santa Rosa Jáuregui, entre los municipios de Querétaro y el Marqués. Por otro lado, la microcuenca más irregular es Valle Verde con un valor de , situada en el municipio Jalpan de Serra y colinda además, con el estado de San Luis Potosí.

7 Como puede observarse en el histograma de coeficientes de compacidad, la mayor cantidad de microcuencas, 94, tienen un coeficiente entre 1.75 y 2. Le sigue el rango entre 1.5 y 1.75 con 89 microcuencas. Entre ambas categorías, suman 183 microcuencas, es decir, el 81.7 por ciento (más de tres cuartas partes) del total. Tales valores se encuentran relativamente alejados de 1, el valor mínimo 1 (que sería el caso de una microcuenca circular). N Micros_uaq_feb7.shp Distribución de los coeficientes de compacidad de las microcuencas en el Estado de Querétaro. Conclusiones El empleo de la extensión para caracterizar geomorfológicamente a las microcuencas tiene varias ventajas, por un lado, se simplifican las operaciones que se deben realizar. Se evita la intervención del usuario en varias etapas y se automatiza la tarea. Esto tiene la ventaja adicional, del tiempo que se economiza, especialmente cuando no se está familizarizado con los cálculos que se deben realizar para caracterizar la microcuenca. Por otra parte, la extensión permite estandarizar y automatizar el proceso. sí mientras no se modifiquen las capas de información que se introducen al sistema, el resultado siempre será el mismo. ctualmente, los resultados pueden variar dependiendo de algunos factores, entre ellos se puede mencionar la experiencia de quien realiza el proceso y de las etapas en las cuales es necesario la intervención del usuario. La extensión ha funcionado especialmente bien en el caso como el del Estado de Queretaro, donde se pudo procesar una gran cantidad de microcuencas, reduciendo el tiempo empleado, además de organizar automáticamente la información extraída de una manera coherente. La extensión genera las tablas para las gráficas del perfil del cauce y de la curva hipsométrica automáticamente, así como la red de drenaje y el cauce principal en formato shape. Todos estos archivos quedan agrupados en un directorio para que la información quede agrupada por cuenca y no tenga problemas para saber cuales son los archivos que pertenecen a una o a otra cuenca. Si el usuario está empleando esta extensión como parte de un proceso todavía mayor, digamos la elaboración del PRPC, el tiempo ahorrado en la caracterización de la microcuenca, puede ser empleado en otros aspectos del proceso. Bibliografía Campos randa, Daniel Fco Procesos del ciclo hidrológico. Tercera reimpresión. Universidad utónoma de San Luis Potosí. San Luis Potosí, México. FIRCO, 25a. Consideraciones generales para la elaboración y la adecuación de planes rectores de producción y conservación (PRPC). Dirección Ejecutiva de desarrollo técnico e institucional. México FIRCO, 25b. Guía Técnica para la Elaboración de Planes Rectores de Producción y Conservación (PRPC). México. Lawrence Dingman, S. 22. Physical hidrology, second edition. Editorial Prentice Hall. Upper Saddle River, NJ. US. Maidnet D. R., 1993, Developing a Spatial Distributed Unit Hydrogrph by Using GIS, pplication of Geographic Informations Systems in Hydrology and Water Resources Management, ed. K. Kovar and H. P. Nachtnebel, Vienna ustria, 19 2 pril,