APLICACIÓN DE MODELOS HIDROLÓGICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA EROSIÓN HÍDRICA EN CUENCAS TORRENCIALES DE MONTAÑA

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1 APLICACIÓN DE MODELOS HIDROLÓGICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA EROSIÓN HÍDRICA EN CUENCAS TORRENCIALES DE MONTAÑA -Características e Identificación del Tipo de Materiales Producto de la Erosión Hídrica en una Cuenca Modelo de la Región Andino Patagónica- **MESA TEM. Nº 4 - HIDROLOGÍA FTAL. Y LUCHA CONTRA LA DESERT.** Ing. Ftal. Martín Cruz Giménez Suárez 1 1 Doctorando Universidad Politécnica de Madrid. Investigador Independiente y Colaborador Permanente de la Cátedra de Hidrología y Corrección de Torrentes. Facultad de Ingeniería, Sede Esquel (Chubut), Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco.-Argentina. Dirección: Ramiro de Maeztu 8 - Madrid (28040) - España martingimenezsuarez@yahoo.com.ar Dr. Daniel Aníbal Pelaez 2 2 Doctor of Philosophy in Civil Engineering - Ph.D. Water Resources Profesor Ordinario de la Cátedra de Hidrología y Corrección de Torrentes. Facultad de Ingeniería, Sede Esquel, Universidad Nacional de la Patagonia San Juan Bosco.-Argentina Dirección: Chacabuco 619 (U9200BVK), Esquel, Chubut, Argentina. danielpelaez_ing@ubbi.com Resumen Este trabajo de investigación plantea la aplicación de modelos hidrológicos (U.S.L.E. y M.U.S.L.E.) que describan todos los efectos que produce la erosión hídrica sobre una cuenca de la Región Andino Patagónica (Argentina), buscando generar una metodología integrada que conjugue todos los factores condicionantes que tienen influencia en la acción erosiva y transporte de sedimentos sobre la cuenca. El tipo de erosión que se estudió fue la del tipo laminar. Se buscaron zonas que tuvieran distintos grados de coberturas y vegetación. En estos lugares, se realizaron ensayos de infiltración para determinar la clase de permeabilidad del perfil del suelo y en todos se tomaron muestras de suelo, para así determinar la composición granulométrica, estructura y materia orgánica del suelo involucrado. El tamaño medio, representado por D 50 en la ecuación de Williams, de los materiales transportados es de 0.01 mm. Este valor, de acuerdo a los valores de granulometría, corresponde al material limo. La cantidad media de material erosionado en toneladas, calculado por el Modelo U.S.L.E. fue de 4 tn/ha.año A modo de ejemplo, los sedimentos transportados por una tormenta de 89 mm, calculados mediante la ecuación de Williams, fueron de 2.2 toneladas. Palabras Claves: Sedimentos; Tormentas; USLE; MUSLE; Transporte. INTRODUCCIÓN Con el transcurso del tiempo, el estudio minucioso del mecanismo de la erosión hídrica y de las formas generales de manifestarse ésta, pone de relieve cuáles son los factores fundamentales que rigen el fenómeno. Como tales aparecen el clima, suelo, relieve y vegetación. En síntesis podemos considerar el proceso como un ataque de los elementos climáticos al suelo, con la intervención, para aumentar o disminuir sus efectos, de la topografía y del estado y tipo de cubierta vegetal. Es por esta razón, que surge la necesidad de realizar estudios que incluyan estos conceptos y que den la base para la elaboración de proyectos forestales modelos. En la Región Andino Patagónica el efecto de las precipitaciones en su carácter erosivo está poco estudiado. Si bien se encuentran en la bibliografía de la zona, trabajos de base que determinan valores de erosión a partir de la aplicación de modelos matemáticos o hidrológicos, no existen aquellos que estimen cuanto material puede ser transportado hasta la salida de una cuenca tipo por efecto de precipitaciones aisladas (Peláez, ). Ante esta situación este trabajo plantea la aplicación de modelos matemáticos o hidrológicos que describan todos los efectos que produce la erosión hídrica en su más amplio aspecto sobre una cuenca real. Concepto de Erosión Hídrica EXPOSICIÓN ANALÍTICA Consiste en el proceso de disgregación y transporte de partículas del suelo por la acción del agua. El ciclo completo de la erosión culmina con el depósito de los materiales transportados por la corriente en áreas de sedimentación, cuando la capacidad de arrastre de las aguas se reduce hasta no permitir la continuación en el flujo de las partículas terrosas previamente incorporadas al mismo (Custodio E. y Llamas M., 1983).

2 Descripción General De La Cuenca. Ubicación Geográfica La cuenca elegida para su estudio fue la de Arroyo Blanco (Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria, I.N.T.A.,- Trevelin) cuenta con una superficie aproximada de 3640 ha y está ubicada en el Departamento Futaleufú, al oeste de la provincia del Chubut, Argentina. Esta cuenca es a su vez una subcuenca de la gran cuenca del Futaleufú, la cuál desagua en el océano Pacífico, a través del río Futaleufú. En la Figura 1 se presenta la delimitación de la cuenca. Objetivo El objetivo principal es determinar la erosión hídrica de la cuenca mediante la aplicación de modelos hidrológicos. Objetivos Particulares Determinar la erosión en la cuenca de recepción (Modelo U.S.L.E.), determinando las características e identificando el tipo de materiales producto de la erosión hídrica en una cuenca modelo de la región andino patagónica. Determinar la escorrentía directa, caudales punta (q P ) y tiempos de conducción a partir de los hidrogramas de tormentas mediante la utilización del programa para cálculos hidrológicos ARHYMO. Calcular los sedimentos emitidos por cada subcuenca hasta la salida de la cuenca, mediante la aplicación del procedimiento de J. R. Williams (Modelo M.U.S.L.E.), determinando la cantidad y tipo de material transportado. CONTEXTO CRÍTICO Entre todos los modelos desarrollados hasta el momento, el que mejor define la erosión hídrica y en regueros (o surcos) es la Ecuación Universal de Pérdidas de Suelo, U.S.L.E (Serra, J.y D. Peláez, 1994), definida por H. Wischmeier y Smith en 1965 (López Cadenas de Llano, F., 1998). A fin de tener una mejor visión del fenómeno erosivo sobre la cuenca, esta fue subdividida en tres subcuencas de acuerdo a los tramos del arroyo (Figura 2). Las dos subcuencas superiores identificadas como A1 y A2 se delimitaron siguiendo las altas cumbres y sus superficies se extienden hasta la confluencia de los arroyos. La tercer subcuenca, A3, representa el área de descarga de las subcuencas superiores cuyo límite llega hasta la desembocadura del arroyo Blanco. Por otro lado, teniendo en cuenta que la cobertura que ofrece la vegetación no es la misma a lo largo del año, el cálculo de la erosión también fue estimado para diferentes épocas del año: verano, primavera-otoño e invierno. El M.U.S.L.E. (Ecuación Universal de Pérdidas de Suelo Modificada para su empleo en cuencas hidrográficas) requiere para su aplicación en cuencas, del complemento del "modelo de transporte de Williams" que implica el cálculo del coeficiente de conducción B. Estos modelos permiten conocer la cantidad y tamaño medio de los sedimentos que salen de la cuenca debido a una tormenta concreta. Para la utilización del modelo de Williams es indispensable primero conocer los caudales y tiempos de conducción que genera un aguacero concreto, por lo que es imprescindible el uso del programa ARHYMO u otros similares de aplicación. Para los cálculos, se seleccionaron aguaceros reales (Hidroeléctrica Futaleufú S.A., ). Se eligieron cinco tormentas de acuerdo a la cantidad de agua caída. En la tabla 1 se muestra un resumen con la cantidad en mm y duración en horas, de las cinco tormentas elegidas. Las subcuencas A1 y A2 (zona alta de la cuenca) son atravesadas por la isohieta de 1400 mm. Esto planteó la opción de estudiar la erosión en cada una de las cinco tormentas basadas no solo en la isohieta de 1100 mm, sobre la cuál se midieron las cinco tormentas, sino extrapolarlas para la isohieta de 1400 mm, planteando así la posibilidad, por ejemplo, que la precipitación en la parte alta (subcuencas A1 y A2) sea más intensa que en la base (subcuenca A3) en el mismo instante. A partir de esto, se plantearon cinco situaciones o casos posibles de distribución de precipitación: a. La precipitación cae al mismo tiempo sobre las tres subcuencas de una tormenta basada en la isohieta de 1100 mm (datos de Hidroeléctrica Futaleufú). b. La precipitación cae al mismo tiempo sobre las tres subcuencas de una tormenta basada en la isohieta de 1100 mm para la subcuenca A3 y extrapolada a la isohieta de1400 mm para A1 y A2. c. La precipitación se desarrolla solo en la parte superior de la cuenca (subcuencas A1 y A2) de una tormenta basada en la isohieta de 1100 mm. d. La precipitación se desarrolla solo en la parte superior de la cuenca (subcuencas A1 y A2) de una tormenta basada en los datos extrapolados a la isohieta de 1400 mm. e. La precipitación se desarrolla solo en la parte inferior de la cuenca (subcuenca A3) de una tormenta basada en la

3 isohieta de 1100 mm. Cada una de estas situaciones probables, fue motivo de un estudio individual mediante la aplicación del ARHYMO y de la ecuación de Williams. Lo que se intentó es ver la reacción de la cuenca en la emisión de sedimentos, de acuerdo se desarrolle la precipitación. Todo esto por razones de espacio no se expone. Método U.S.L.E. (Ecuación Universal de Pérdidas de Suelo) La forma más simplificada de la U.S.L.E. (ecuación 1) responde a la expresión: A = R K ( L S ) C P (ecuación 1) Donde A, representa la degradación específica (pérdidas de suelo) de la cuenca (ton/ ha) o bien (ton / ha. año). R, es el factor índice de erosión pluvial y se expresa en (J.cm / m -2.hrs -1 ). K, el factor erosionabilidad del suelo. Representa la vulnerabilidad o susceptibilidad del suelo a ser erosionado. Se expresa en (ton. m 2. hora / ha. J. cm). El resto de los factores es adimensional. L, el factor longitud de pendiente. S, el factor pendiente. C, el factor de cuantificación del efecto de los cultivos. P, el factor de control de la erosión mediante prácticas de cultivo. Método M.U.S.L.E. (Ecuación Universal de Pérdidas de Suelo Modificada) - Modelo ARHYMO El método expresa que la ecuación 2 puede ser usada para predecir los arrastres totales de "grandes cuencas", si los valores de K, LS, C y P están distribuidos uniformemente sobre la cuenca, y si los más importantes cauces tributarios son hidráulicamente similares (Williams, 1975 citado por Serra, J.y D. Peláez, 1994). Y = 11,8 ( Q q p ) 0,56 K. L. S. C. P (ecuación 2) donde: Y = Arrastres de una tormenta aislada en toneladas. Q = Volumen de la escorrentía en m 3 q P = El caudal instantáneo máximo en m 3 / seg. K, L, S, C, P, son los mismos que lo calculado para el USLE. Sobre la base del MUSLE, J. R. Williams desarrolló un procedimiento que luego de varios procesos integradores se llega a la ecuación que determina los sedimentos totales desplazados hasta la salida de la cuenca (ecuación 3), generados de la suma de los aportes de cada subcuenca es: i=1 n RY = Σ Y i e -B T i D 50 (ecuación 3) donde: RY, son los sedimentos emitidos por la cuenca total en toneladas. Yi, sedimentos lanzados por la subcuenca i en toneladas, determinados con suficiente aproximación por la ecuación MUSLE de J.R. Williams (ecuación 2) B, el coeficiente de conducción Ti, el tiempo de circulación del agua desde la subcuenca i hasta la salida de la cuenca, en horas. D 50, el tamaño medio del diámetro de las partículas emitidas por la subcuenca i, en mm, concretamente representa el tamaño correspondiente al 50 % de los materiales representados en la curva granulométrica. n, el número de subcuencas, que en este caso son tres. Modelo U.S.L.E. CONCLUSIONES INTEGRADORAS La cantidad de material en toneladas, que es susceptible a ser erosionado debido a las características propias de la cuenca se expone en la tabla 2. A modo descriptivo en figura 3 del Anexo se describe gráficamente los valores granulométricos de las diferentes muestras de suelo tomadas a campo.

4 Método M.U.S.L.E. Por razones de espacio solo expondremos el caso o hipótesis más desfavorable, el cuál es el caso b (de las cinco hipótesis planteadas). En el Anexo se muestran los datos en toneladas de los sedimentos transportados en verano, primavera otoño e invierno (Tabla 3). El tamaño medio, representado por D 50 en la ecuación de Williams, de los materiales transportados es de 0.01 mm. Este valor, de acuerdo a los valores de granulometría de la tabla 7, corresponde al material limo. REFERENCIAS CUSTODIO E. y LLAMAS M., Hidrología subterránea. Ediciones Omega. Barcelona. España. DAVIES, B.E., Loss - on - Ignition as an estimate of soil organic matter. Soil Sci. Soc. Amer. Proc. vol USA. F.A.O., Metodología provisional para la evaluación de la degradación de los suelos. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación. Roma. Italia.. 86p HIDROELÉCTRICA FUTALEUFÚ S.A., Datos de precipitaciones. Gerencia de Obras Civiles. Complejo Hidroeléctrico Futaleufú. Trevelin. Chubut. Argentina.. Versión digital. LITWIN, C. J., Estudio hidrológico de los ríos Percey, Corintos y demás Cursos de la Vertiente Pacífica que Tributan al Río Futaleufú. Buenos Aires. Argentina. 31p.. LÓPEZ CADENAS DE LLANO, F., Restauración hidrológica forestal de cuencas y control de la erosión. Ediciones Mundi Prensa, Tragsa, Tragsatec y Ministerio de Medio Ambiente. Madrid. España. 945 p. MAZA, J. Y FORNERO, L., ARHYMO Versión 2.0. Instituto Nacional de Ciencia y Técnicas Hídricas Centro Regional Andino. Mendoza. Argentina. Manual del usuario y versión MS - DOS.. MINTEGUI AGUIRRE, J. A. y LÓPEZ UNZU, F., La ordenación agrohidrológica en la planificación. Servicio Central de Publicaciones del Gobierno Vasco. España.. 310p. MORGAN R.P.C.. Erosión y conservación del suelo. Versión Española de: Urbano Terrón, P y J. de M. Urbano López de Meneses, Silsoe Collage, Cranfield University. Ediciones Mundi-Prensa. Madrid. España. 343 p. PELAEZ, D Recopilación de trabajos técnicos y proyectos de investigación de la cátedra de hidrología y corrección de torrentes. Facultad de Ingeniería. UNPat. Esquel. Chubut. Argentina. SERRA, J.Y D. PELAEZ Curso: Modelos de erosión hídrica en cuencas torrenciales de montaña.tomo II. Departamento de Hidrología Forestal. Esquel. Argentina. ANEXO Tabla 1: Resumen de tormentas seleccionadas para el cálculo de emisión de sedimentos. Precipitación (mm) Época Duración (hr.) 24 Prim - Otoño Verano Prim - Otoño Invierno Invierno 85 Tabla 2: Cantidad de material erosionado en toneladas, calculado por el Modelo U.S.L.E. Subcuencas A (verano) A (Primavera- Otoño) A (invierno)

5 A1 8271, , ,64 A2 2444, , ,77 A3 3136, , ,71 Total (Tn / Año) 13853, , ,12 Media (Tn / ha.año) 3,81 4,00 4,16 Tabla 3: Sedimentos transportados en toneladas mediante la ecuación de Williams para el caso o situación b. TORMENTA (mm) ÉPOCA SUBCUENCAS A1 (Tn) A2 (tn) A3 (Tn) TOTAL (Tn) 24 Prim - Otoño Verano 0,248 0,001 0,4518 0, Prim - Otoño 0,0317 0,0340 2,1545 2, Invierno 0,0171 0,0004 0,0331 0, Invierno 44,7094 1, , ,1280 Figura 1: Delimitación de la cuenca y su ubicación geográfica dentro de la Argentina. N Figura 2: Subdivisión de la cuenca e indicación numérica de los lugares de toma de muestras. Figura 3. Curvas granulométricas (%) de cada uno de los lugares ensayados, representados por números. El Tamaño granulométrico (*) esta codificado de la siguiente manera:

6 1. >2 mm mm 3. < 0.1 mm 70 Curva Granulométrica de los Lugares Ensayados Porcentaje de la Muestra Porcentaje de la muestra Tamaño (mm) Promedio Tamaño (mm )* Promedio Porcentaje de la Muestra Tamaño (mm)* Promedio