determinaciÓn de la respuesta hidrolÓgica de la
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DETERMINACIÓN DE LA RESPUESTA HIDROLÓGICA DE LA MICROCUENCA LA
CHORRERA DEBIDO A ACTIVIDADES AGRÍCOLAS Y GANADERAS.
CAMILO ANDRES ROJAS CRUZ
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
ESCUELA DE POSGRADOS
FACULTAD DE INGENIERÍA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
TUNJA
2019
DETERMINACIÓN DE LA RESPUESTA HIDROLÓGICA DE LA MICROCUENCA LA
CHORRERA DEBIDO A ACTIVIDADES AGRÍCOLAS Y GANADERAS
CAMILO ANDRES ROJAS CRUZ
Tesis de grado presentada como parte de los requisitos para obtener el título de:
Magíster en Ingeniería Ambiental
Director:
Javier Humberto Cuervo Álvarez
Ingeniero Sanitario y Ambiental, Magíster en Ingeniería de Sistemas
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA
ESCUELA DE POSGRADOS
FACULTAD DE INGENIERÍA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
TUNJA
2019
3
Nota de Aceptación:
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
Firma del presidente del jurado
Firma de jurado
Firma de jurado
Tunja, 29 de octubre de 2019
4
DEDICATORIA
A Dios por guiarme, acompañarme y
protegerme en cada paso de mi vida.
A mi padre Gustavo y a mi madre Luz Marina,
por su dedicación, sacrificio e inculcarme que
la disciplina y la constancia es el camino para
hacer realidad nuestros sueños, a mis
hermanos por su apoyo en cada etapa, a
Angelita por su amor incondicional.
5
AGRADECIMIENTOS
Al ingeniero Javier Humberto Cuervo Álvarez, quien realizó la dirección del trabajo poniendo
a disposición su amplio conocimiento en el tema y experiencia y facilitando el apoyo en
cada una de las etapas del proyecto
A Angelita, a mi familia, amigos, compañeros y demás personas que de una u otra manera
hicieron parte del camino en este propósito y compartieron conmigo la realización de una
meta más.
6
RESUMEN
Bajo diversas condiciones, el desarrollo de actividades antropogénicas se ha intensificado
en lugares cercanos a cuerpos hídricos, en donde se utiliza el recurso para satisfacer
necesidades de abastecimiento de aguas con diferentes fines como siembra, regadío,
ganadería entre otros usos; bajo estas consideraciones, la alteración e inadecuado manejo
de coberturas vegetales en cuencas hidrográficas puede significar problemas como la baja
disponibilidad del recurso en épocas determinadas, aumento de sedimentos y erosión, entre
otros.
Teniendo en cuenta lo precisado anteriormente, el documento describe el proceso a través
del cual se determinó la influencia que genera el cambio de coberturas vegetales en la
respuesta hidrológica de la microcuenca la Chorrera afluente del embalse la Copa, con el
fin de generar herramientas para la planificación del uso de suelo, partiendo de los
resultados del modelo SWAT.
En primer lugar, se llevó a cabo la recopilación de información de fuentes oficiales como
Instituto de hidrología, meteorología y estudio ambientales IDEAM, Instituto geográfico
Agustín Codazzi IGAC, Corporación Autónoma Regional de Boyacá CORPOBOYACÁ,
Alcaldía de Toca, entre otros; con el fin de obtener datos meteorológicos, limnimétricos,
morfológicos, geológicos y características físico-químicas del suelo relacionados al área de
Interés: microcuenca la Chorrera.
Posteriormente se clasificó la información recopilada, para la definición y selección de los
parámetros de ingreso que alimentan el modelo SWAT, el cual es un complemento del
software ARCGIS que permite simular la respuesta hídrica de una cuenca bajo diferentes
escenarios.
Partiendo de una simulación con las coberturas presentes en la microcuenca y los
resultados generados, se procede a hacer procesos de calibración y validación en el
programa SWAT CUP, el cual tiene como objetivo verificar la coherencia entre los caudales
modelados y los registrados en campo en la estación limnimétrica, teniendo como
referencia distintos índices de eficiencia y rendimiento estadísticos.
Una vez los caudales registrados y modelados satisfacen los criterios de los índices
estadísticos, se tienen en cuenta estos parámetros para modelaciones hidrológicas con
variaciones en las coberturas vegetales, evaluando alternativas hasta que se optimice la
respuesta de la microcuenca.
Los resultados generados permitieron la formulación de una propuesta de recuperación y
se constituye como una herramienta cualitativa y cuantitativa para la toma de decisiones en
torno a mecanismos de planificación, como lo son los planes de ordenamientos territoriales
y estrategias para la recuperación y conservación como planes de manejo ambiental.
Palabras clave: Microcuenca La Chorrera – Uso del suelo – Cobertura- agricultura -
Sistemas de Información Geográfica- SWAT- Respuesta hidrológica - Medidas y planes de
Manejo.
7
ABSTRACT
Under specific conditions, the development of anthropogenic activities has intensified in
places near bodies of water, where the resource is used to supply needs for planting,
irrigation, and livestock, among others. Based on these specific considerations, the
alteration and the inappropriate use of plant cover in river basins might generate problems
such as the low availability of the resource in controlled times, increased sediment, and
erosion, among others.
Considering what is stated above, this paper describes the process through which the
influence generated by the change of plant cover in the hydrological response of the La
Chorrera micro-basin tributary of the Copa reservoir is determined, in order to generate tools
for land use planning, based on the results of the SWAT model.
First, information was collected from official sources such as the Institute of Hydrology,
Meteorology and Environmental Study IDEAM, Agustín Codazzi IGAC Geographical
Institute, Regional Autonomous Corporation of Boyacá CORPOBOYACÁ, and Toca town,
among others, in order to obtain meteorological, limnimetric, morphological, geological and
physicochemical characteristics of the soil related to the area of interest: La Chorrera
microbasin.
Subsequently, the information collected was classified for the definition and selection of the
input parameters that empower the SWAT model, which is a complement to the ARCGIS
software that simulates the water response of a basin under different settings.
Starting from a simulation with the coverages present in the microbasin and the results
generated, calibration and validation processes in the SWAT CUP program are performed,
aiming to verify the coherence between the modeled flows and those recorded in the field
at the station Limnimetric, having as reference different indexes of efficiency and statistical
performance.
Once the records and models meet the criteria of the statistical indexes, they consider these
parameters for hydrological modifications with variations in plant cover, evaluating
alternatives until the microbasin response is optimized.
The results generated allowed the formulation of a recovery proposal and they serve as a
qualitative and quantitative tool for decision-making around planning mechanisms, such as
territorial plans and strategies for recovery and conservation as plans for environmental
management.
Key words: Microbasin La Chorrera, land use, coverage, agriculture, Geographic
Information Systems, SWAT, hydrological response, measurement and management plans
8
CONTENIDO
1. PRELIMINARES .................................................................................................. 16
1.1. Definición del problema ........................................................................................ 16 1.1.1. Antecedentes ....................................................................................................... 16 1.1.2. Formulación ......................................................................................................... 16 1.2. Justificación .......................................................................................................... 17 1.3. Objetivos .............................................................................................................. 18 1.3.1. Objetivo general ................................................................................................... 18 1.3.2. Objetivos específicos............................................................................................ 18
2. MARCO REFERENCIAL ..................................................................................... 19
2.1. Marco conceptual ................................................................................................. 19 2.1.1. Cuenca hidrológica ............................................................................................... 19 2.1.2. Modelo hidrológico ............................................................................................... 19 2.1.3. Respuesta hidrológica .......................................................................................... 20 2.1.4. Usos del suelo ...................................................................................................... 20 2.1.5. Cobertura del suelo .............................................................................................. 21 2.1.6. Sistemas de información geográfica ..................................................................... 21 2.1.7. SWAT ................................................................................................................... 21 2.2. Estado del arte ..................................................................................................... 22 2.2.1. Determinación de la respuesta hidrológica y utilización del modelo SWAT: ......... 22
3. METODOLOGÍA .................................................................................................. 27
3.1. Definición de hipótesis y variables ........................................................................ 27 3.2. Etapas del proyecto .............................................................................................. 27 3.2.1. Obtención de información secundaria .................................................................. 29 3.2.2. Obtención de información primaria ....................................................................... 29 3.2.3. Modelación, calibración y validación. .................................................................... 29 3.2.4. Análisis de resultados. .......................................................................................... 30
4. GENERALIDADES .............................................................................................. 31
4.1. Localización ......................................................................................................... 31 4.2. Hidrografía ........................................................................................................... 32 4.3. Geológica regional ............................................................................................... 33 4.4. Unidades Geológicas Superficiales UGS.............................................................. 35 4.5. Modelo hidrogeológico regional ............................................................................ 36 4.6. Vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos .............................................. 37
5. COBERTURAS VEGETALES .............................................................................. 39
6. INFORMACIÓN CLIMATOLÓGICA E HIDROLÓGICA DE LA CUENCA ............ 40
6.1. Estaciones meteorológicas ................................................................................... 41 6.2. Precipitación ......................................................................................................... 42 6.3. Temperaturas mínimas y máximas ....................................................................... 43 6.3.1. Método de completado de datos faltantes: regresión lineal múltiple ..................... 44
9
6.4. Humedad relativa ................................................................................................. 45 6.5. Radiación solar: .................................................................................................... 46 6.6. Velocidad del viento: ............................................................................................ 47 6.7. Caudales observados: .......................................................................................... 47 6.8. Ingreso de datos metereológicos a la interface SWAT: ........................................ 47
7. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL SUELO ............................. 49
7.1. Grupo hidrológico - porcentaje de arcilla, limo, arena y roca del suelo de acuerdo a
unidades cartográficas ..................................................................................................... 52 7.2. Profundidad máxima de enraizamiento ................................................................ 57 7.3. Densidad aparente del suelo ................................................................................ 57 7.4. Fracción de porosidad del suelo: .......................................................................... 58 7.5. Contenido de carbono orgánico en el suelo: ......................................................... 58 7.6. Capacidad de campo............................................................................................ 59 7.7. Conductividad hidráulica saturada ........................................................................ 60 7.8. Usle_K factor de erodabilidad del suelo ............................................................... 62
8. MODELACIÓN HIDROLÓGICA SIN VARIACIONES DE COBERTURA VEGETAL.
............................................................................................................................. 63
8.1. Elaboración Del Modelo ....................................................................................... 63 8.2. Delimitación de cuenca ........................................................................................ 63 8.3. Suelos .................................................................................................................. 65
9. CALIBRACIÓN .................................................................................................... 66
9.1. Calibración y validación del modelo hidrológico - programa SWAT CUP .............. 67 9.2. Variables de ingreso ............................................................................................. 68 9.3. Coeficiente de determinación ajustado (R2) .......................................................... 73 9.4. Eficiencia NASH-SUTCLIFFE (NSE): ................................................................... 73 9.5. Porcentaje de sesgo (PBIAS): .............................................................................. 74 9.6. Análisis de sensibilidad ........................................................................................ 76
10. VALIDACIÓN ....................................................................................................... 78
11. MODELACIÓN HIDROLÓGICA CON VARIACIONES DE COBERTURA VEGETAL
............................................................................................................................. 80
11.1. Análisis .............................................................................................................. 80 11.2. Protección de ronda hídrica: .............................................................................. 83 11.3. Modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo: ........................... 83 11.4. Modificación de cobertura de agricultura en pendientes superiores al 25% ....... 84 11.5. Escenario 1: Modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y
protección de rondas hídricas: ......................................................................................... 86 11.6. Escenario 2: Modificación de cobertura de agricultura con pendientes superiores
al 25% 87
12. PROPUESTA DE RECUPERACIÓN ................................................................... 93
10
13. PLANES DE REHABILITACIÓN: ........................................................................ 98
13.1. Recuperación de coberturas de agricultura en alturas < 3000 m.s.n.m. ............. 98 13.2. Recuperación de coberturas: ........................................................................... 101
14. CONCLUSIONES .............................................................................................. 103
15. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 106
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama conceptual metodológico .................................................................. 28 Figura 2 División político administrativa; Municipios dónde se encuentra la microcuenca “La
Chorrera” .............................................................................................................. 31 Figura 3. Hidrografía sector microcuenca “La Chorrera” .................................................. 32 Figura 4 Formaciones geológicas sector microcuenca “la Chorrera”................................ 33 Figura 5 Unidades geológicas superficiales UGS sector microcuenca “La Chorrera” ....... 36 Figura 6 Unidades hidrogeológicas presentes en el sector de la microcuenca “La Chorrera”
............................................................................................................................. 37 Figura 7 Vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos en el sector de la microcuenca
“La Chorrera” ........................................................................................................ 38 Figura 8. Representación coberturas actuales microcuenca la Chorrera, ArcGis. ............ 39 Figura 9 Proceso - análisis de Información hidrológica .................................................... 40 Figura 10 Estaciones meteorológicas en el sector de la microcuenca “La Chorrera” ....... 41 Figura 11 Método de doble masa (consistencia serie de valores) .................................... 43 Figura 12 Registros de temperatura diaria (°C) Estación La Copa desde 1992 (a)
temperatura máxima b) temperatura mínima. Interface R Studio .......................... 43 Figura 13 Registro humedad relativa diaria (%) Estación La Copa desde 1992. Imagen
Interface R Studio ................................................................................................. 46 Figura 14 Registro valores totales diarios de Brillo solar (Horas) - Estación La Copa desde
1992. Imagen Interface R Studio .......................................................................... 46 Figura 15 Registros totales diarios de recorrido del viento (Kms) estación La Copa desde
1992. Imagen Interface R Studio .......................................................................... 47 Figura 16 Caudales medios diarios (m3/s) estación La Copa desde 1992. Imagen Interface
R Studio ............................................................................................................... 47 Figura 17 Registros de temperatura máxima y mínima “Weather Generator” .................. 48 Figura 18 Proceso de caracterización de suelos .............................................................. 49 Figura 19. Mapa de Taxonomía de suelos Microcuenca La Chorrera .............................. 51 Figura 20. Calificación de la densidad aparente .............................................................. 57 Figura 21 Interfaz Soil Water Characteristics – Capacidad de Campo ............................. 60 Figura 22 Interfaz Soil Water Characteristics – Conductividad hidráulica saturada .......... 61 Figura 23 Mapa de distribución de subcuencas en ARCSWAT presentes en la microcuenca
La Chorrera .......................................................................................................... 64 Figura 24 Mapa de distribución de pendientes en ARCSWAT presentes en la microcuenca
La Chorrera .......................................................................................................... 65 Figura 25 Captura pantalla: par_inf txt SWAT CUP ......................................................... 71 Figura 26 Interfaz para el Ingreso de registros de caudales. Formato observed txt SWAT
CUP ..................................................................................................................... 72 Figura 27 Comparación de caudales simulados calibrados y observados sin variación de
coberturas vegetales a) 2003-2005 b) 2005-2007 ................................................ 75 Figura 28 Captura pantalla: Sensibilidad global SWAT CUP ........................................... 76 Figura 29 Comparación de caudales simulados validados y observados sin modificación de
coberturas vegetales a) 2007-2009 b) 2009-2011 ................................................ 78
12
Figura 30 Escenario tendencial para la Microcuenca la Chorrera. Adaptado del “Plan de
ordenación y manejo de la cuenca hidrográfica del río alto Chicamocha - POMCA”
............................................................................................................................. 81 Figura 31 Mapa de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo presentes
en la microcuenca La Chorrera. ........................................................................... 84 Figura 32 Mapa de modificación de cobertura de agricultura en pendientes superiores al
25%, presentes en la microcuenca La Chorrera. .................................................. 85 Figura 33 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y
simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas. .............................. 86 Figura 34 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y
simulados con escenario de modificación de cobertura de agricultura con pendientes
superiores al 25%: ................................................................................................ 87 Figura 35 Curva duración de caudales : julio 2003 – julio 2005 ....................................... 89 Figura 36 Curva duración de caudales: agosto 2005- julio 2007 ...................................... 90 Figura 37 Curva duración de caudales: agosto 2007- mayo 2009. .................................. 91 Figura 38 Curva duración de caudales: junio 2009 – abril 2011 ....................................... 92 Figura 39 Mapa Propuesta de Recuperación ................................................................... 94 Figura 40 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y
simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2003 –
2006. .................................................................................................................... 95 Figura 41 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y
simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2006 –
2008. .................................................................................................................... 96 Figura 42 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y
simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2008 –
2011. .................................................................................................................... 97 Figura 43 Efecto de diferentes rotaciones de cultivo sobre la densidad aparente .......... 100
13
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Caracterización coberturas vegetales microcuenca La Chorrera ........................ 39 Tabla 2 Características físicas de la microcuenca La Chorrera ........................................ 40 Tabla 3 Coordenadas estaciones meteorológicas influentes en la microcuenca la Chorrera
............................................................................................................................. 41 Tabla 4 Completado de datos faltantes, temperatura máxima regresión lineal múltiple. .. 45 Tabla 5 Nomenclatura unidades taxonómicas y áreas dentro de la microcuenca la Chorrera
............................................................................................................................. 49 Tabla 6 Distribución de materiales y grupo hidrológico de las unidades taxonómicas
presentes en la microcuenca la Chorrera ............................................................. 53 Tabla 7 Clasificación de la Porosidad del Suelo .............................................................. 58 Tabla 8 Niveles Interpretativos de acuerdo con el porcentaje de Carbono Orgánico ....... 59 Tabla 9 Clases de conductividad Hidráulica del Suelo Saturado ...................................... 61 Tabla 10 Índice oceánico del niño .................................................................................... 66 Tabla 11: Índice de Oscilación del Sur (IOS). Bureau of meterology ................................ 67 Tabla 12 Modelo SWAT: Parámetros de calibración ........................................................ 69 Tabla 13 Rangos admisibles de los Índices de eficiencia y rendimiento estadístico ......... 75 Tabla 14 Resultados Calibración del modelo - coberturas actuales. Comparación de
coeficientes de desempeño estadístico. ............................................................... 75 Tabla 15 Parámetros más sensibles utilizados en la calibración ...................................... 77 Tabla 16 Resultados validación del modelo - coberturas actuales. Comparación de
coeficientes de desempeño estadístico. ............................................................... 78 Tabla 17: Comparativo escenario diagnóstico y escenario tendencial ............................. 80 Tabla 18 Análisis de los escenarios tendencial. ............................................................... 82 Tabla 19 Comparativo porcentual de tipos de coberturas actuales y propuesta de
recuperación. ....................................................................................................... 93 Tabla 20 Implicaciones ecológicas en sistemas de producción propietaria y arrendataria 99
14
LISTA DE ANEXOS
- ANEXO A: Registro fotográfico.
- ANEXO B: Información hidrológica: Registros de Humedad relativa, precipitación,
Recorrido del viento, Brillo solar, Temperatura mínima y máxima, Caudales.
- ANEXO C: Mapas: Hidrogeología, Geología, Taxonomía de suelos, mapas de
pendiente, subcuencas y propuestas.
- ANEXO D: Modelo hidrológico.
15
INTRODUCCIÓN
El ejercicio de las actividades económicas del hombre induce transformaciones en el uso
del suelo, especialmente en el sector rural, dónde la tierra se utiliza con fines de
aprovechamiento agrícola, ganadero, forestal entre otros; modificando las dinámicas de los
ecosistemas existentes y procesos hidrológicos que conducen a afectaciones en la calidad
y disponibilidad del recurso hídrico.
En el área aledaña al Embalse la Copa, departamento de Boyacá, se ha acrecentado el
desarrollo de prácticas agrícolas para cultivos de trigo, maíz, papa, avena, cebolla, etc; que
además de modificar las propiedades del suelo o coberturas vegetales, demandan
disponibilidad de agua para riego, alterando las condiciones de equilibrio de las cuencas y
microcuencas del sector, afectando así tanto a las comunidades como a las especies
animales y vegetales1.
Acorde a la problemática expuesta anteriormente, es pertinente plantear estrategias que
propendan por disminuir los impactos generados en la cuenca, que para efectos del
presente estudio se delimita en el área de la microcuenca la Chorrera, afluente del embalse
la Copa.
Dentro de las estrategias a tener en cuenta, el proyecto busca determinar la influencia que
genera el cambio de coberturas en la respuesta hidrológica o variación de caudales de la
microcuenca, con la finalidad de brindar herramientas para una adecuada planificación en
el uso de suelo.
Para llevar a cabo el estudio, se recopiló y clasificó la información de usos de suelo,
coberturas vegetales, climatología e información hidrológica, propiedades y características
del suelo obtenidas de diferentes publicaciones de entidades oficiales como el Instituto
Geográfico Agustín Codazzi IGAC, las alcaldías municipales, el IDEAM y la Corporación
autónoma regional de Boyacá Corpoboyacá. Esta información fue procesada mediante el
software de simulación hidrológica SWAT con el fin de determinar la respuesta hidrológica
de la microcuenca La Chorrera, efectuando procesos de calibración, validación y análisis
de sensibilidad paramétricos para verificar los resultados del modelo.
A partir de los resultados obtenidos se estableció una propuesta de recuperación, la cual
es de interés de todos los actores de la microcuenca y pueda constituirse como instrumento
de evaluación ante entidades públicas y/o toma de decisiones en la formulación de
proyectos de manejo ambiental con incidencia en el área de la investigación.
1. ALCALDÍA DE TOCA. Proyecto de modificación del esquema de Ordenamiento territorial EOT reglamentado por Acuerdo No. 037 de agosto de 2004. Toca. 2006. p 24
16
1. PRELIMINARES
En esta sección se describen aspectos relacionados con la concepción y formulación del
proyecto, tales como le definición del problema, justificación, objetivo general y objetivos
específicos.
1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
1.1.1. Antecedentes
En la valoración y/o comprensión de impactos ambientales generados en el recurso hídrico,
el inadecuado manejo de los usos de suelo y coberturas vegetales inciden
considerablemente en el ecosistema y en general en el ciclo, cantidad y calidad de aguas
superficiales, generando impactos en las cuencas hidrográficas.
El incremento de prácticas de producción agrícola y ganadera puede desencadenar
factores de riesgo y posibles afectaciones relacionadas a la disponibilidad del recurso
hídrico en épocas determinadas.
De acuerdo a lo anterior y teniendo en cuenta que, en años recientes, en el territorio de la
microcuenca de la quebrada “La Chorrera”, afluente del embalse la Copa se ha presentado
de manera acelerada el crecimiento de zonas de producción agrícola y ganadera, es
pertinente analizar la variación del ciclo hidrológico, que ocasiona cambios en la cantidad
de agua disponible e incide considerablemente en el ecosistema de la zona.
Para el presente caso, de acuerdo a la Corporación Autónoma Regional de Boyacá
(CORPOBOYACÁ) los caudales de la estación “La Chorrera” son muy bajos, teniendo en
cuenta el área de aportación, relacionándola como una de las microcuencas que presenta
mayor susceptibilidad al desabastecimiento hídrico. 2
1.1.2. Formulación
Comprendiendo las características de la zona de estudio, que para esta investigación
corresponde a la quebrada “La Chorrera”, afluente del embalse La Copa, es pertinente
reconocer que la problemática mencionada involucra ampliamente la alteración en la
cantidad del agua y las condiciones hidrológicas en correlación a las comunidades que se
proveen del recurso hídrico disponible, dando a reconocer la relevancia como elemento
fundamental del equilibrio ecológico del sector y punto focal para especies vegetales y
animales.
Teniendo en cuenta lo anterior, y considerando que el Embalse se presenta como una
fuente de consumo ante desabastecimientos, la determinación de la respuesta hidrológica
2 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE BOYACÁ. Plan de Ordenación y Manejo de la Cuenca Hidrográfica del Río Alto Chicamocha - NSS (Cód. 2403-01). Fase diagnóstica. Tomo I. Tunja.: La Corporación, 2018. p. 435
17
y alternativas de manejo permitirá establecer propuestas de rehabilitación y/o planes de
manejo en protección de dichas áreas.
Por medio de la siguiente investigación, se busca solucionar las siguientes preguntas:
¿Cuáles son los usos de suelo, coberturas vegetales y características físicas,
meteorológicas y geológicas de la Microcuenca La Chorrera?
¿Cómo afecta la expansión agrícola y ganadera, y las variaciones de usos del suelo y
coberturas vegetales la respuesta hidrológica de la Microcuenca La Chorrera Embalse La
Copa?
¿Qué parámetros presentan mayor sensibilidad en la calibración del modelo SWAT (Soil &
Water assesment tool)?
¿Bajo qué escenarios en relación a los usos de suelo y coberturas vegetales se hace
posible mantener la respuesta hidrológica de la microcuenca La Chorrera?
¿Qué medidas se pueden implementar para mantener la respuesta hidrológica en
condiciones que permitan atender las necesidades ambientales y sociales de la región?
1.2. JUSTIFICACIÓN
El desarrollo de actividades agrícolas en muchos escenarios se intensifica en lugares
cercanos a cuerpos hídricos y/o con disponibilidad de provisión a necesidades básicas de
abastecimiento de aguas para siembra y regadío; en este punto es evidente que los
agricultores no tienen en cuenta áreas de protección de cauces ya sea por desconocimiento
y/o contravención.
En el departamento de Boyacá, El Embalse La Copa representa amplias condiciones de
aprovechamiento, considerando su capacidad de volumen, características climáticas y
zonas potenciales para el cultivo de papa, cebolla, trigo, maíz, cebolla, avena entre otros,
estas condiciones causan a su vez que se afecte la cobertura vegetal y los usos de suelo a
disposición, “En general las subcuencas y microcuencas del municipio de Toca se
encuentran en avanzado estado de deterioro provocado básicamente por el uso
indiscriminado de agroquímico... así como la mecanización intensiva en el uso agrícola sin
tener en cuenta el área de protección” 3
En condiciones generales, sobre la totalidad de la Subcuenca Embalse La Copa se puede
evidenciar el alto grado de fragmentación de los ecosistemas debido principalmente a
actividades de tala de bosques para leña, expansión de tierras para cultivos y potreros, esta
situación ha llevado a escasez de agua para riego y otras necesidades.4
3 ALCALDÍA DE TOCA. Op. Cit., p. 49. 4 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE BOYACÁ. Plan de Ordenación y Manejo Ambiental de la Cuenca Hidrográfica del Rio Alto Chicamocha. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia- Centro de Estudios Económicos. Universidad Nacional de Colombia-Instituto de Estudios Ambientales. 2006.
18
Por lo anteriormente mencionado, en el presente estudio, se plantean soluciones y planes
de rehabilitación, a partir de parámetros y reportes hidrológicos que determinan el
comportamiento de la respuesta hidrológica mediante el uso de herramientas SIG como el
software ArcSWAT, el cual es un complemento de ArcGIS usado para delimitar áreas de
estudio, combinar las capas de datos y modelar cuencas hidrográficas a partir de
información recopilada. Los resultados obtenidos constituyen un aporte a corporaciones
autónomas regionales, municipios de Toca y Tuta (BOY), secretaría de salud y demás
cabeceras municipales, reconociendo los usos actuales y futuros de las aguas contenidas
en el Embalse La Copa.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo general
Determinar la influencia que genera el cambio de coberturas vegetales y usos de suelo
debido a actividades agrícolas y ganaderas en la respuesta hidrológica de la microcuenca
La Chorrera con el fin de planificar el uso del suelo a partir de modelo SWAT.
1.3.2. Objetivos específicos
Identificar los usos de suelo y coberturas vegetales, características meteorológicas,
geológicas y físicas de la zona de estudio.
Determinar la disponibilidad del recurso hídrico y la respuesta hidrológica utilizando el
modelo SWAT basado en el uso del suelo y coberturas vegetales en la microcuenca.
Establecer las condiciones y variables que presentan mayor influencia en el modelo
hidrológico.
Determinar la respuesta hidrológica mediante la valoración de escenarios con
variaciones en el uso de suelo y cobertura vegetal de la microcuenca de estudio.
Elaborar una propuesta de recuperación, planes de rehabilitación y manejo en la
microcuenca La Chorrera.
19
2. MARCO REFERENCIAL
2.1. MARCO CONCEPTUAL
2.1.1. Cuenca hidrológica
Una cuenca u “hoya hidrográfica es un área definida topográficamente, drenada por un
curso de agua o un sistema conectado de cursos de agua, tal que todo el caudal efluente
es descargado a través de una salida simple”5, “desde el punto de vista de su salida, existen
fundamentalmente dos tipos de cuencas: endorreicas y exorreicas. En las primeras el punto
de salida está dentro de los límites de la cuenca y generalmente es un lago; en las
segundas, el punto de salida se encuentra en los límites de la cuenca y está en otra
corriente o en el mar”6. En la delimitación y modelación con la herramienta SWAT, la
información es agrupada en unidades de respuesta hidrológica definidas como áreas de
tierra dentro de la cuenca que pertenecen a todas las combinaciones de cobertura de tierra,
suelo y pendiente en la cuenca. 7
2.1.2. Modelo hidrológico
En el análisis y evaluación de la disponibilidad y provisión del recurso hídrico sobre zonas
específicas, el estudio de la hidrología permite la determinación aproximada del agua para
su aplicación en el diseño y materialización de obras hidráulicas, así como de prácticas de
manejo ambiental. Dicha ciencia natural se dedica a “estudiar al agua, su ocurrencia,
circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su
relación con el medio ambiente”8
Adicional a lo anteriormente mencionado, por medio de modelamiento se hace posible
determinar las condiciones hidrológicas de un lugar determinado a partir de información
meteorológica, morfológica, condiciones del suelo etc. para todos los casos el
modelamiento es una representación abreviada de un sistema real complejo llamado
prototipo, bajo forma matemática o física; el sistema físico real que se representa es la
'cuenca hidrográfica' y cada uno de los componentes del ciclo hidrológico, por lo que en
todos los casos se hace necesario tener conocimiento de entradas (inputs) al sistema y
salidas (outputs) a partir del sistema, para verificar si el modelo es representativo del
prototipo. La salida de los modelos hidrológicos varía dependiendo de los objetivos del
mismo, de esta manera un modelo matemático nos ayudará a determinar y tomar
decisiones en materia de hidrología9 (IDEAM 2014).
5 MONSALVE, Sáenz Germán. Hidrología en la Ingeniería. Escuela Colombiana de Ingeniería, Colombia, 1995, p. 33. 6 APARICIO, Francisco. Fundamentos de hidrología de superficie. 6° ed. México. Editorial Limusa
S.A. 1992. p 19 7 URIBE, Natalia. “Conceptos básicos y guía rápida para el usuario SWAT 2005.” Agricultura Tropical: 47. Recuperado de http://swat.tamu.edu/media/46967/swat2005-tutorial-spanish.pdf. 2010. p 6. 8 APARICIO. Op. Cit., p.13 9 IDEAM. Modelación hidrológica. Recuperado de http://www.ideam.gov.co/web/agua/modelacion-hidrologica. 2014.
20
Los procesos hidrológicos presentes en cuencas se caracterizan: Por ser no lineales (con
variaciones en el espacio y en el tiempo), por ser no estacionarios (se encuentran afectos
a periodicidad y tendencias), por ser variables en el espacio (debido a las características
variables del suelo, del uso y del clima a lo largo de la cuenca) y por ser variables en el
tiempo (en todas las escalas, ya sea horaria, diaria, mensual, etc.); debido a esta
variabilidad, las mediciones de los procesos hidrológicos solo pueden considerarse como
un punto de información, por lo que se hace obligatorio definir cuáles son los procesos
principales y las variables que intervienen en la generación de volúmenes de agua.;
reconociendo, que entre mayor información recolectada mayor confiabilidad tendrá el
modelo en etapas de calibración y validación. “El proceso de calibración es la etapa en la
cual se asignan valores a todos los parámetros del modelo de manera tal que la salida del
modelo se ajuste lo mejor posible a los datos históricos registrados”10.
2.1.3. Respuesta hidrológica
En el manejo del recurso hídrico disponible y los volúmenes totales en la determinación del
ciclo hidrológico en cuencas “el conocimiento de la respuesta hidrológica se hace necesario
para distintos fines, desde la estimación de los caudales generados por las tormentas hasta
la evaluación del impacto que producen los cambios de uso del suelo en el ciclo del agua”11;
en su conceptualización y su relación con cada uno de los parámetros incidentes “La
respuesta hidrológica de las superficies de aportación, en sus diferentes dimensiones, es
uno de los principales indicadores del balance que existe entre los recursos naturales y su
aprovechamiento, ya que mientras más inadecuado es el aprovechamiento, la
disponibilidad de los recursos naturales disminuye en cantidad y en calidad” (Granada Isaza
et al. 2013)12. En la determinación de los resultados obtenidos en modelación con respecto
a la cantidad, los tiempos de recorrido e hidrogramas generados dependen de las
características físicas de la cuenca, factores climáticos, infiltración y escurrimiento,
evaporación, características y usos del suelo, subsuelo, coberturas vegetales, geología
entre otros.
2.1.4. Usos del suelo
Bajo condiciones apreciables y en el desarrollo de cualquier modelo hidrológico, las
actividades antropogénicas representan una de las mayores afectaciones de los suelos
disponibles en cuencas hidrográficas; en muchas ocasiones es apreciable cómo debido a
la intervención humana, los suelos no tienen la capacidad de reestablecer sus condiciones
naturales y/o previas a su intervención. Reconociendo que dentro de su definición básica,
los usos de suelo se definen como “cualquier tipo de utilización humana de un terreno,
incluido el subsuelo y el suelo que le corresponda.”(Gobernación de Córdoba, 2012) el uso
10 TUCCI, Carlos. Modelos hidrológicos. 2 ed. Editorial UFRGS. 2005 p. 56 11 GRAYSON, Rodger; MOORE, Ian y MACMAHON, Thomas. Physically Based Hydrologic Modelling: Aterrain Based Model for Investigative Purposes. En: Water Resources Research. 1992. p. 2642 12 GRANADA, Isaza. Et al. Efecto del estado de degradación en la respuesta hidrológica de dos unidades de escurrimiento en la cuenca del río La Sierra, México. En: European Scientific Journal 9(21). 2013 p. 194–210
21
se puede clasificar en minería, bosques, páramo, cultivos, pastos, ganaderos etc., por lo
que para todos los casos se hace obligatorio conocer y establecer el uso predominante y
las condiciones en todas las áreas de la cuenca con la finalidad de analizar adecuadamente
las unidades de respuesta hidrológica.
2.1.5. Cobertura del suelo
Término que resalta la interacción entre los factores bióticos y abióticos sobre un espacio
en específico, es decir el resultado de la asociación entre el espacio y tiempo de elementos
biológicos vegetales característicos, los cuales conforman unidades funcionales y
estructurales (UNAD 2009), pueden ser monitoreados por medio de imágenes satelitales,
fotografías, sensores remotos etc.
2.1.6. Sistemas de información geográfica
Un Sistema de Información Geográfico (SIG) permite relacionar cualquier tipo de dato con
una localización geográfica. En un solo mapa se permite mostrar la distribución de recursos,
edificaciones, usos de suelo, coberturas vegetales, poblaciones, entre otros datos de los
municipios, regiones o países, mezclando hardware, software y datos geográficos, y los
muestra en una representación gráfica. Los SIG están diseñados para capturar, almacenar,
manipular y analizar la información de todas las maneras posibles de forma lógica.13
2.1.7. SWAT
SWAT son las siglas de Herramienta para la Evaluación del Suelo y Agua para una cuenca
hidrográfica; el modelo a escala fue desarrollado por DR Jeff Arnold para el USDA el servicio
Agrícola de Investigación (ARS). SWAT es desarrollado para predecir el impacto de las
prácticas de manejo del suelo en la generación de agua, sedimentos y producción de
sustancias agrícolas químicas, en cuencas grandes y complejas con variedad de suelos,
uso de tierra y condiciones de manejo sobre un tiempo prolongado.14 .
El SWAT requiere información específica sobre el clima y tiempo, propiedades de los
suelos, topografía, vegetación y prácticas de manejo de tierra que acontecen en las
cuencas para utilizar estas como datos de entrada. Los procesos físicos asociados con el
movimiento del agua, movimiento de sedimento, desarrollo de cosecha, ciclo de nutrientes,
etc. son modelados directamente por el programa 15. De igual manera, SWAT agrupa y
organiza Unidades de respuesta hidrológica para analizar cuencas hidrográficas, por lo que
teniendo en cuenta el procesamiento de la información se hace posible modelar caudales.
13 MINISTERIO DE EDUCACION NACIONAL. Sistema de información geográfico del sector educativo. [citado en 2016-09-28] Disponible en internet: <http://www.mineducacion.gov.co/1621/article-190610.html> 14 URIBE. Op. Cit., p.3 15 Ibíd., p. 3.
22
2.2. ESTADO DEL ARTE
2.2.1. Determinación de la respuesta hidrológica y utilización del modelo SWAT:
En el artículo titulado “Utilización de Modelos hidrológicos para la determinación de
Cuencas en Ecosistemas de Páramo” se procedió a delimitar la cuenca del Páramo de la
Cortadera, localizado entre los municipios de Siachoque y Toca – Departamento de Boyacá
por medio de un análisis morfométrico, un modelo de elevación digital (DEM), ArcGIS y el
modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool). La cuenca de estudio fue dividida en
cinco sub-cuencas, las cuales disponen caudal hacia la represa La Copa; posterior a ello,
se determina la precipitación media y parámetros morfométricos de la cuenca (área,
Perímetro, densidad de drenaje, Coeficiente de compacidad, factor de forma, pendiente
promedio e índice de alargamiento, longitudes de corrientes, pendientes medias de cauces
y tiempos de concentración). Como análisis general se determina que la utilización de los
programas mencionados facilita el cálculo de parámetros morfométricos y la interacción de
resultados, de igual manera puede integrarse a sistemas de información para hallar
parámetros hidrológicos16
En el proyecto: “Estimación de los parámetros morfométricos y las unidades de respuesta
hidrológica de la cuenca del Río Ráquira departamento de Boyacá a través del programa
SWAT” para la zona de estudio y con la utilización la interfaz, fue posible obtener la totalidad
de parámetros morfométricos para la posterior definición de indicadores descriptivos de la
cuenca respecto a la respuesta hidrológica. Se determinó que superior a altitudes
superiores a los 3100 msnm se genera mayor tendencia a los procesos de erosión y a
altitudes entre los 2000 msnm y 3100 msnm mayor arrastre de sedimentos.
Complementariamente, se relacionó la producción de sedimentos con la velocidad de
infiltración, zonas en fases de procesos de erosión, la pendiente y la capacidad de los
ecosistemas a retener material granular por medio de coberturas vegetales; con lo anterior
se evaluaron las unidades de respuesta hidrológica en relación a las zonas de mayor
producción de sedimentos, considerando que la totalidad de la cuenca es poco homogénea
al presentar variabilidad en pendientes, usos y tipo de suelo17
Con diversas aplicaciones, en la “Evaluación de la producción de sedimentos en la cuenca
de Kalaya (Marruecos septentrional) utilizando el modelo SIG y SWAT” 18, se utilizó el
modelo de evaluación de suelos y aguas (SWAT, versión 2012) integrado con el Sistema
de Información Geográfica (SIG, versión 10.1) para simular la corriente y la concentración
de sedimentos de la cuenca de Kalaya situada en el norte de Marruecos. Como resultado,
16 REYES, Omar. Utilización de modelos hidrológicos para la determinación de cuencas en ecosistemas de páramo. En: Revista Ambiental Agua, Aire y Suelo. 2013. Vol. 4. 56–65. 17 HERNÁNDEZ, Diana. Estimación de los parámetros morfométricos y las unidades de respuesta hidrológica de la cuenca del Río Ráquira departamento de Boyacá a través del programa SWAT. Trabajo de grado Especialista en recurso Hídrico. Bogotá. Universidad Católica de Colombia. 2015 p.34 18 BRIAK, Hamza. Evaluación de la producción de sedimentos en la cuenca de Kalaya (Marruecos septentrional) utilizando el modelo SIG y SWAT. En: International Soil and Water Conservation Research. 2016. Vol 4. 177-185. Disponible en internet: <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209563391>
23
la tasa global de erosión del suelo evaluada en el área de estudio varió de 20 a 120 t / ha /
año. En condiciones generales, se resumió que todo el conocimiento de los procesos
hidrológicos ocurre dentro de la cuenca hidrográfica y la conciencia acerca del alcance
aceptable de los parámetros es crucial mientras se desarrolla un modelo hidrológico
confiable.
Durante el “Desarrollo de un modelo de transporte de patógenos para las cuencas
irlandesas utilizando SWAT”19 (Coffey, R. 2010), el modelo representa una aplicación
dinámica de modelación de cuencas que puede aplicarse a cualquier cuenca hidrográfica y
se utiliza para cuantificar el impacto de las prácticas de manejo de la tierra sobre la calidad
del agua durante un período continuo. El objetivo de este estudio es aplicar la Herramienta
de Evaluación de Suelos y Aguas (SWAT) para modelar el transporte de patógenos, simular
prácticas de manejo que afectan la calidad del agua y predecir cargas de patógenos en las
cuencas irlandesas. Los resultados de validación hidrométrica muestran una muy buena
relación lineal entre los datos observados y modelados e indican una simulación
satisfactoria de los procesos hidrológicos de acuerdo a coeficientes de determinación
dentro de la cuenca.
En el trabajo “SWATgrid: Una interfaz para configurar SWAT en un esquema de
discretización basado en la red20 ,se demuestra la funcionalidad de SWATgrid, comparando
los resultados de SWATgrid con los del modelo SWAT convencional. El desarrollo del
esquema de discretización basado en la red presenta la utilización de un conjunto de datos
de prueba SWAT, presentando una interfaz de modelo que permite al usuario incorporar
detalles espaciales en un modelo SWAT.
En la “Modelación de la escorrentía de una cuenca hidrográfica agrícola de la cuenca
occidental del lago Chilika a través de ArcSWAT” 21 se evidenció la eficiencia de ArcSWAT
al estimar el potencial de escorrentía futuro de la cuenca occidental. En el estudio se
encontró que alrededor del 60% de las precipitaciones se reparten en aguas de escorrentía,
transportando una cantidad significativa de carga de sedimentos y que son aportadas al
lago Chilika.
La evaluación de los impactos antropogénicos a largo plazo en los ecosistemas agrícolas
requiere capacidades de modelización completas para simular las interacciones del agua
entre los dominios de superficie y de aguas subterráneas. En “Un modelo de marco de
19 COFFEY, R. Development of a pathogen transport model for Iirish catchments using SWAT. En: Agricultural Water Management. 2010. Vol 97: p. 101-111. Disponible en internet <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377409002479. 2010> 20 RATHJENS, H. OPPELT, N. SWATgrid: An Interface for setting up SWAT in a grid-based discretization scheme. En: Computers & Geosciences. 2012. vol 45. p. 161-167. Disponible en internete en < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0098300411003694> 21 BAHABANI, Sankar, PRIYABRATA, Santra, Modeling runoff from an agricultural watershed o western catchment of Chilika lake through ArcSWAT. En: Journal of Hydro-environment Research. 2013. vol. 7. p. 261-269. Disponible en internet: <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S15706443130 00403>
24
integración para vincular SWAT y MODFLOW” 22, se utilizaron los conjuntos de datos de la
cuenca experimental Fort Cobb Reservoir (ubicada en Oklahoma, EE.UU.), en SWAT para
facilitar la vinculación y simulación dinámica de los modelos SWAT y MODFLOW. Los
niveles simulados de caudal y de aguas subterráneas coinciden generalmente con las
tendencias de observación que muestran que el SWAT puede utilizarse para simular las
interacciones superficiales y subterráneas.
En la “Evaluación y caracterización hidrológica basada en SWAT de las subcuencas del
lago Ziway, Etiopía”23 , se evidenció que la región del estudio se encuentra actualmente
bajo fuertes presiones humanas asociadas principalmente con la creciente población y la
consiguiente intensificación de las actividades de desarrollo agrícola. Por medio del estudio
se cuantificó y comparó los componentes del balance hídrico, la descarga de los ríos de
alimentación y la evapotranspiración (ET) en la región de estudio utilizando el modelo
SWAT (Soil and Water Assessment Tool). El modelo estimó que el lago Ziway y su cuenca
significan ETs anuales de 1920 mm y 674 mm respectivamente, pero la plantación mostró
más ET que otros tipos de cobertura de tierra en la cuenca. Si continúan las tendencias
actuales en el desarrollo del riego en la región, se sospecha que Katar y los ríos Meki
probablemente dejarán de existir después de siete décadas, y también el Lago Ziway se
secará. Lo anterior comprobando la eficiencia de la modelación en ArcSWAT.
Calibración, validación del modelo SWAT y cambio de coberturas:
En el artículo: "Hydrological simulation in a basin of typical tropical climate and soil using
the SWAT model part I: Calibration and validation tests” se propone la utilización del modelo
SWAT para la estimación de la disponibilidad de agua y la planificación del uso del suelo y
la ocupación de la cuenca del rio Pomba, las calibraciones fueron realizadas entre enero
de 1996 y diciembre de 1999, simulando los eventos de mayores y menores caudales,
reduciendo incertidumbres existentes. La calibración se realizó para el caudal medio diario
y se ejecutó por ensayo y error modificando un parámetro a la vez para luego analizar los
resultados 24, la validación se desarrolló en el periodo comprendido entre los años 2000 a
2004 a partir de las pruebas propuestas por Klemes, (1986), empleando la prueba de
muestra separada con la aplicación del modelo previamente calibrado por un período de
tiempo determinado a otro del mismo rango, y pruebas específicamente aguas abajo de la
22 GUZMAN, Jorge, et al. A model integration framework for linking SWAT and MODFLOW.
En: Environmental Modelling & Software. 2015. Vol 73. p 103–116. Disponible en internet
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364815215300372> 23 DESTA, Hayal, BROOK, Lemma. SWAT based hydrological assessment and characterization of lake Ziway sub-watershed, Ethiopia. En: Journal of Hydrology: Regional Studies. 2017. vol 13. p. 122–137.Disponible en internet: <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581817300988> 24PEREIRA, Donizete, et al. “Hydrological Simulation in a Basin of Typical Tropical Climate
and Soil Using the SWAT Model Part II: Simulation of Hydrological Variables and Soil Use
Scenarios. En: Journal of Hydrology: Regional Studies, 2016. Vol 5. p.149-163. Disponible
en internet: <https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581815001238>
25
zona de calibración. (Klemeš 1986). En condiciones generales la aplicación de
herramientas SWAT generó óptimas estimaciones del balance hídrico en la búsqueda de
medidas de gestión y manejo de la cuenca estudiada.
En relación a las herramientas de gestión y manejo ambiental se encuentra el estudio:
“Hydrological modeling of the Simly Dam watershed (Pakistán) using GIS and SWAT model”
en el que fue posible “suponer el comportamiento de la corriente, establecer el balance de
agua y evaluar el flujo periódico de volumen para la Presa Simly con el objetivo de ayudar
a la programación y administración del lugar”25; calibrado entre 1990 y 2001 y validado entre
2002 a 2011 fueron simulados parámetros como escorrentía, flujo lateral, flujo base y
evapotranspiración; de igual manera la eficiencia del modelo fue determinada utilizando el
coeficiente de determinación (R2) con la finalidad de evaluar la coherencia entre los datos
observados y simulados, se determinó que “(R2) era semejante a 0,93 para la medición y
0,80 para la validación, demostrando que los resultados de flujo procedentes del modelo
son bastante buenos para los dos períodos”, dada la estrecha relación entre valores
modelados y observados, en condiciones generales se informa y recomienda que se debe
utilizar el modelo calibrado para evaluar de igual manera componentes de la cuenca como
el “estudio de los impactos sobre los recursos hídricos y las variaciones climáticas”.
Con SWAT, se predice la afectación de actividades agrícolas y condiciones de manejo
sobre tiempos en específico; en el artículo titulado "Integración Dinámica de los Cambios
en el Uso de la Tierra en una Evaluación Hidrológica de una Cuenca de la India Desarrollada
Rápidamente" se determinó que para estudiar los potenciales impactos en captación, se ha
confirmado la importancia de la integración dinámica de la modificación de la utilidad del
suelo en los modelos hidrológicos en la estimación del comportamiento temporal de los
flujos de agua.”26
En el “Análisis ambiental y económico de la utilización de SWAT para simular los efectos
de la producción de cambio de coberturas sobre la calidad del agua en una cuenca
afectada”27 el modelo SWAT calibrado se utilizó para simular el efecto de la conversión del
uso de la tierra de todo el cultivo actual y las tierras de pasto / heno a la producción de
pastizales. Los resultados muestran que la conversión reduce las cargas anuales promedio
de sedimentos, nitratos, nitrógeno total y fósforo total en un 77%, un 62%, un 34% y un
46%, respectivamente. El análisis de los valores actuales netos de diez años de beneficios
25 GHORABA, Shimaa. Hydrological Modeling of the Simly Dam Watershed (Pakistan) Using GIS and SWAT Model.. En: Alexandria Engineering Journal. Septiembre 2015. vol 54. p. 583–594. Disponible en inernet: <http://dx.doi.org/10.1016/j.aej.2015.05.018> 26 WAGNER, Paul . et al. Dynamic Integration of Land Use Changes in a Hydrologic Assessment of a Rapidly Developing Indian Catchment.. En: Science of the Total Environment. 2016. Vol 539. p. 153–64. Disponible en internet: <http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.08.148> 27 ZHOU, Xia Vivian. Análisis ambiental y económico de la utilización de SWAT para simular los efectos de la producción de cambio de grama sobre la calidad del agua en una cuenca afectada. En: Agricultural Water Management. 2015. Vol: 160. P. 1-13. Disponible en internet: <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377415300342>
26
agrícolas y los coeficientes para la reducción de las cargas de nutrientes indica que la
conversión del uso de la tierra es económicamente factible.
En el estudio titulado “Hydrological simulation in a basin of typical tropical climate and soil
using the SWAT Model Part II: Simulation of hydrological variables and soil use scenarios”,
se toma el uso actual de suelo como línea base, estimando la respuesta hidrológica de la
cuenca causada por los cambios de uso del suelo para simular: “(I) caudales máximos y
mínimos diarios registrados en un año, relacionados a distintos tiempos de retorno, (II)
caudales mínimos de base, y (III) espacios con modificación de la utilización del suelo.”28.
En este estudio en fase de calibración se modificaban parámetros y se comparaban
hidrogramas simulados con observados. De igual forma, con la finalidad de valorar
escenarios reales se proponen tres alternativas, la primera simula el uso de la tierra con
áreas de preservación permanente o conservadas, la segunda propone sustituir el 10% de
las áreas cubiertas por pastos por eucalipto y una tercera alternativa evaluando la
sustitución del 10% de las áreas de pastos por cultivos de café, frijoles, maíz entre otros.
Los resultados demostraron que “las inconstantes hidrológicas modeladas por SWAT no se
presentaron como estadísticamente diferentes de las apreciadas en un nivel del 5%” 29comprendiendo que con la primera alternativa resultó una reducción media anual de
escorrentía de 13,2 mm (con uso actual base de 477,9 mm) es decir una reducción de 3%
aproximadamente causado según los autores al aumento de la tasa de evapotranspiración
en comparación con los usos actuales; en las alternativa 2 y 3 se generaron “disminuciones
medias anuales de 4,0 y 6,5 mm en el escurrimiento, respectivamente, porque aunque la
escorrentía disminuyó en el escenario 3, el modelo SWAT supone un crecimiento de la
escorrentía superficial.”. En la valoración de los anteriores resultados, se encontró que a
pesar de que la escorrentía disminuyera y se incrementara el consumo de agua en
escenarios de reforestación a través de la evapotranspiración, “se hallaron resultados más
favorables de preservación de suelo y agua para dichos escenarios, en los que la
reforestación era transcendental para normalizar el máximo caudal, y por consiguiente el
intervención de los procesos de erosión, de la misma manera certificaron caudales mínimos
a lo largo del tiempo de sequía que asegura la disponibilidad del recurso hídrico en la
cuenca.”
28 PEREIRA. Op. Cit., p 149 29 Ibíd., p. 150
27
3. METODOLOGÍA
En este capítulo se describen los aspectos a tener en cuenta para poder dar cumplimiento
a los objetivos planteados, es decir, se detallan las actividades que hacen parte del proceso
a desarrollar dentro del proyecto, definido específicamente como diseño metodológico y
experimental.
Se han elaborado estudios encargados de evaluar la respuesta hidrológica en cuencas
hidrográficas, dentro de los cuales se recurre al modelo de simulación hidrológica SWAT
en la calibración o ajuste entre escurrimientos medidos y simulados para su posterior
validación en estudios de impacto y manejo.30
3.1. DEFINICIÓN DE HIPÓTESIS Y VARIABLES
La hipótesis que aborda el presente proyecto de investigación se enmarca en el siguiente
planteamiento: “Las modificaciones en los usos de suelo y coberturas vegetales causadas
por actividades agrícolas y ganaderas afectan y generan impactos en la disponibilidad y
respuesta hidrológica de la microcuenca la Chorrera, afluente del embalse La Copa”.
Las variables involucradas en la investigación son:
Variables independientes: Topografía, cobertura vegetal, uso de suelo, características
físicas de la cuenca, propiedades del suelo, información climatológica como velocidad
del viento, radiación solar, brillo solar, temperatura y precipitación.
Variables dependientes: Caudales.
3.2. ETAPAS DEL PROYECTO
En la Figura 1 se exponen las diferentes etapas a desarrollar en el proyecto de investigación
aplicada, en el cual se determina la respuesta hidrológica de la microcuenca La Chorrera
Embalse La Copa en la búsqueda de planificar el uso de suelo y la generación de mapas y
planes de manejo por medio de sistemas de información geográfica y modelo SWAT.
30 TORRES-BENITES, Elibeth et al. En: Adaptacíon de Un Modelo de Simulación Hidrológica a la Cuenca del Río Laja, Guanajuato, México. En: Agrociencia. Septeimbre 2005. Vol 39. P. 481–490.
28
NO SI NO SI
Fuente: Autor
Figura 1. Diagrama conceptual metodológico
Inicio
Recopilación y Clasificación de la información
Climatología e
información
Hidrológica
Red
Hídrica
(opcion
al)
Propiedades y
características del suelo
Coberturas
vegetales
Características
Físicas Modelo
de
elevación
digital
Procesamiento de la información
SWAT: Obtención caudales
modelados
Delimitación de cuenca,
subcuentas y puntos de
cierre en SWAT
Definición periodo de
calibración y validación
Caudal Observado ≅ Caudal
Modelado (Estadísticas de
evaluación de desempeño)
Unidades Taxonómicas
- Protección de ronda hídrica
- Agricultura en zona de páramo
- Pendientes superiores al 25%
Propuesta de recuperación
Planes de rehabilitación
Fin
Variación de parámetros de respuesta hídrica superficial,
subsuperficial y de la cuenca
Características
Químicas
Densidad real – Porosidad
– Humedad – Profundidad
máxima de enraizamiento –
porosidad del suelo –
capacidad de agua
disponible en el suelo -
albedo
Limo – arcilla – Grava –
arena – Ph –
conductividad hidráulica
saturada – carbono
orgánico – materia
orgánica – Factor de
erodabilidad del suelo
Velocidad del viento,
Radiación solar, Brillo
solar, Temperaturas,
Precipitaciones –
Caudales observados
Topografía y
características físicas
de la cuenca
Parámetros
obtenidos
en campo
Ingreso datos
meteorológicos WGEN
Infiltración
Definición Unidades de Respuesta Hidrológica (HRU)
Calibración del modelo
SWAT CUP
Validación del modelo (Estadísticas de
evaluación de desempeño)
Resultados: Usos de suelo y
coberturas vegetales
Modelación Hidrológica con variaciones
en uso de suelo y coberturas vegetales
Aumento en el flujo
base o caudales
estables
29
3.2.1. Obtención de información secundaria
El proyecto de investigación inicia con la documentación de la zona de estudio y
recopilación de la información bibliográfica disponible; dentro de los cuales se destaca la
información suministrada por las corporaciones autónomas regionales, planes y/o
esquemas de ordenamiento territorial de las cabeceras pertenecientes a la cuenca media
del Rio Chicamocha y estudios elaborados del Embalse relacionados a la problemática
mencionada (considerando que el Embalse representa potencial alternativa para consumo
en posibles desabastecimientos). Dicha recopilación se clasifica de acuerdo al tipo de
variable, ya sea climatológica, usos de suelo y coberturas vegetales, topografía,
propiedades y características de los suelos y registros de caudales de estación limnimétrica.
3.2.2. Obtención de información primaria
Con la información disponible se determina las características físicas de la cuenca
hidrográfica:
- Delimitación
- Área de drenaje
- Forma de la cuenca: Coeficiente de compacidad, factor de forma.
- Sistema de drenaje.
- Relieve.
3.2.3. Modelación, calibración y validación.
Se procede a ingresar la cartografía referente a los suelos de la microcuenca, incluyendo
las características físicas y químicas para la totalidad de unidades taxonómicas;
posteriormente se elaboran mapas de cobertura vegetal para la generación de Unidades
de Respuesta Hidrológica (HRU), las cuales obtiene la interfaz SWAT a partir de las
propiedades de suelo y el modelo de elevación digital (DEM). A continuación, el ingreso de
parámetros meteorológicos (Figura 1) permite al programa procesar las entradas, conforme
al enrutamiento del ciclo hidrológico y la obtención de caudales. Para la presente
investigación, los periodos se consideraron a partir de la disponibilidad de registros en
estaciones (limnimétrica y meteorológica), así como de fenómenos de variabilidad climática
(niño y niña).
Con el propósito de evaluar la coherencia entre caudales observados y modelados, se
calibran los resultados generados en el programa SWAT CUP, estableciendo las variables
que presentan mayor influencia en el modelo; para la investigación, se comparan los
caudales a través de coeficientes de desempeño estadístico (R2, PBIAS, NASH), los cuales
se revisaron conforme a la variación de parámetros de respuesta hídrica superficial,
subsuperficial y de la cuenca; en esta etapa del proyecto, la información referente a usos
de suelo, coberturas vegetales, topografía y características físicas de la cuenca no fue
considerada dentro de los parámetros de calibración para la determinación de caudales.
30
Posteriormente, fue validado el modelo generado, por lo cual se verificó que los parámetros
modificados en el proceso de calibración permanecieran con las características y
condiciones presentadas en la microcuenca; a continuación y por medio de un análisis de
sensibilidad, se establecieron las variables hidrológicas que demostraron mayor influencia
en los resultados obtenidos.
Con la calibración y validación ya realizada, se obtiene el escenario que contiene los usos
de suelo y coberturas vegetales presentes en la microcuenca La Chorrera.
Por último, se determina la respuesta hidrológica mediante la valoración y simulación de
escenarios con variaciones en los usos de suelo y coberturas vegetales de la zona de
estudio, evaluando alternativas hasta que se optimice la respuesta de la microcuenca
hidrográfica.
3.2.4. Análisis de resultados.
La confiabilidad en el análisis de datos depende del tipo y/o procedencia de la información
espacial recopilada; de igual manera los procesos hidrológicos simulados y la cartografía
son valorados conjuntamente con Sistemas de Información Geográfica, modelo SWAT y
SWATCUP.
Con los resultados obtenidos se elabora una propuesta de recuperación y planes de
rehabilitación en la microcuenca La Chorrera con la finalidad de permitir una adecuada
interacción entre el desarrollo de actividades sostenibles y el recurso hídrico disponible.
Las medidas y acciones responden a alternativas de solución no estructurales que puedan
aplicar y ejercer las autoridades municipales o ambientales en cuanto a manejo,
expropiación de predios y demás procesos administrativos, medidas de protección, entre
otros resultados; lo anterior, de acuerdo a lineamientos relacionados en Esquemas de
Ordenamiento Territorial, fuente documental del PLAN DE ORDENACIÓN Y MANEJO DE
LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ALTO CHICAMOCHA – POMCA (aprobado en
2018) y marcos legislativos dados por parte de las corporaciones autónomas regionales.
En complemento, se precisa que en el presente estudio no se desarrolló experimentación
en laboratorio, pero si se recopiló información en campo para evaluar los parámetros de
infiltración y clasificar el suelo de acuerdo al grupo hidrológico correspondiente.
31
4. GENERALIDADES
Parte de la fuente documental consultada, corresponde al “PLAN DE ORDENACIÓN Y
MANEJO DE LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ALTO CHICAMOCHA - POMCA”,
aprobado mediante resolución 1212 del 30 de mayo de 2018.31
Se extraen algunos apartes del documento “Fase Diagnóstico” capítulo 2 “Caracterización
básica de la cuenca”, con el propósito de contextualizar aspectos de la microcuenca la
Chorrera que hace parte de la cuenca del río Chicamocha.
4.1. LOCALIZACIÓN
La microcuenca “La Chorrera” identificada en la Figura 2, se localiza principalmente en el
municipio de Toca, y limita por el norte con el municipio de Tuta, por el oriente con el
Municipio de Pesca y por el occidente con el municipio de Toca particularmente con el
embalse de la Copa, precisando en este punto la salida de la microcuenca.
Figura 2 División político administrativa; Municipios dónde se encuentra la microcuenca “La Chorrera”
Fuente: Autor, adaptado de 01_localización_general_100.mxd POMCA 2018.
31 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL BOYACÁ. Resolución 2012 del 30 de mayo de 2018 Por medio de la cual se aprueba el Plan de Ordenación y Manejo de la Cuenca Hidrográfica del Río Alto Chicamocha - NSS (Cód. 2403-01). En: Boletín Oficial CORPOBOYACA, 13 junio 2018. Edición 184. p.4-10.
32
4.2. HIDROGRAFÍA
La microcuenca la Chorrera con su cuerpo de agua principal denominado río la Chorrera
corresponde a una unidad hidrológica de orden III como microcuenca abastecedora de la
subcuenca del río Tuta, categorizado de orden II y a su vez parte de la cuenca alta del río
Chicamocha de orden I. 32
De acuerdo a la zonificación Hidrográfica nacional establecida por el IDEAM, la cuenca alta
del río Chicamocha pertenece a la zona hidrográfica del río Sogamoso y a su vez del área
hidrográfica del Magdalena-Cauca.
El patrón de drenaje es dendrítico, la microcuenca del río la Chorrera tiene una longitud de
drenaje de 192.84 kilómetros, un área de 66.77 kilómetros cuadrados y una densidad de
drenaje de 2.89 kilómetros por cada kilómetro cuadrado.33
Figura 3. Hidrografía sector microcuenca “La Chorrera”
Fuente: Autor, adaptado de 09_hidrografía_100.mxd. POMCA 2018.
32 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE BOYACÁ. Plan de Ordenación y Manejo de la Cuenca Hidrográfica del Río Alto Chicamocha - NSS (Cód. 2403-01). Fase diagnóstico. Tomo I. Tunja.: La Corporación, 2018. p. 365 33 Ibid., p. 374.
33
4.3. GEOLÓGICA REGIONAL
Como se observa en la Figura 4, en el sector dónde se localiza la microcuenca “La Chorrera”
se encuentran presentes cuatro formaciones litoestatigráficas que hacen parte de la
geología regional. Estas formaciones son: Formación Une (Kiu), formación Tilatá (Tst),
formación Conejo (Kscn) y depósitos aluviales recientes (Qal), las cuales se encuentran
presentes en la microcuenca del río la Chorrera delimitada en color negro:
Figura 4 Formaciones geológicas sector microcuenca “la Chorrera”
Fuente: Autor, Adaptado de 04_geología_regional_100.mxd. POMCA 2018.
A continuación, se describen las características de las formaciones mencionadas
anteriormente:
- Formación Une (Kiu)
Litología: Consta de una sucesión de aproximadamente 510 metros, descritos en la
Quebrada Dorbaquirá, de areniscas cuarzosas, color gris claro a blanco amarillento, de
grano fino a grueso, localmente conglomeráticas, algo micáceas, con estratificación
convergente en capas delgadas a gruesas. Se presentan delgadas intercalaciones de
lodolitas negras, las cuales son más frecuentes hacia la parte superior. La unidad se
caracteriza por presentar una topografía de grandes escarpes, que contrasta con la
topografía suave de las unidades infra y suprayacentes. Se generó en un ambiente de
34
depositación marino - deltáico de acuerdo con (Ulloa & Rodríguez, Geología del
cuadrángulo K-12, Guateque., 1976a).
Edad: Albiano Cenomaniano, según (Bürgl, 1957), época: inferior temprano K1, periodo
Cretácico K, era mesozoico Mz, eón Fanerozoico PH.
Predomina mayormente en el área de la microcuenca la Chorrera, hacia el sector noreste
del municipio de Toca, por vías secundarias y la vía intermunicipal que comunica los
municipio de Toca y Pesca, se presentan areniscas cuarzosas de grano medio a fino,
estratificación plano - paralela, color gris claro a amarillo en los sitios donde se observó esta
roca se encuentra moderadamente meteorizada, consistencia media - baja, ligeramente
húmedas, en el sector noreste del municipio de toca se observan anticlinales generados
por esta Formación. 34
- Formación Tilatá (Tst)
Litología: La Formación Tilatá muestra diversos tipos litológicos que incluyen capas muy
gruesas, gruesas y medianas de conglomerados matriz y clastosoportados de gránulos y
guijos finos, sub-redondeados a redondeados, , en una matriz de arenita lodosa de grano
grueso; arenitas lodosas, de color blanco a crema, de grano grueso a conglomerático y
medio, friables, con niveles ferruginosos rojizos y laminación inclinada en artesa y paquetes
muy gruesos de lodolitas y arcillolitas, grises moteadas de color rojo ladrillo o púrpura.
Edad: Van der Hammen (1957) considera que la mayor parte de la unidad es de edad
Plioceno, aunque los horizontes superiores podrían ser de edad Pleistoceno.
Esta unidad presenta un grado de meteorización bajo a moderado, permeabilidad
moderada a alta y consistencia dura. El contraste en permeabilidad de los materiales son
factores condicionantes en la generación de Falla de algunos taludes; adicionalmente
presenta moderada a alta susceptibilidad a carcavamiento intenso, asociado a la erosión
por escorrentía en los saprolitos areno - limosos.35
- Formación Conejo (Kscn)
El nombre de Formación Conejo fue propuesta por Renzoni en 1967 y en general, se define
como Formación Conejo al conjunto arcilloso y arenoso que aflora en la parte central de la
Cordillera Oriental, en los anticlinales de Zipaquirá, Nemocón y Tabio, y que suprayace en
contacto transicional a la Formación La Frontera (Montoya & Reyes, 2005). Su espesor es
de 400 m estimado con base en perfiles geológicos. Esta formación suprayace la Formación
La Frontera, e infrayace la Formación Arenisca Dura.
Litología: Según (Ulloa & Rodríguez, 1991) consta de base a techo de una sucesión de
arcillolitas y lodolitas laminadas, a veces calcáreas, con intercalaciones de arcillolitas no
calcáreas en capas delgadas a medias, limolitas de cuarzo y cuarzoarenitas de grano fino
34 Ibid., p. 165. 35 Ibid., p. 186.
35
a medio, especialmente hacía el tope de la unidad. Conforma amplios valles de relieves
suaves.
Edad: Coniaciano temprano según Etayo (1979), época superior tardío K2, periodo
Cretácico K, era Mesozoica MZ, eón Fanerozoico PH.36
- Depósitos aluviales (Qal)
Se ubican hacia las márgenes de los drenajes principales: ríos Jordán, Sotaquirá,
Chicamocha, Embalse de La Copa, Valle de Vargas y río Surba, consisten de bloques
redondeados, a subredondeados principalmente de arenitas, en una matriz areno-arcillosa,
presentan una morfología plana.
Los depósitos aluviales se caracterizan por clastos entre 5 cm y 30 cm, subredondeados a
redondeados, de baja esfericidad, que corresponden composicionalmente a andesitas
porfiríticas, cuarzoarenitas, liditas y calizas. Clastos soportados, moderadamente bien
seleccionados embebidos en una matriz areno-arcillosa de color café. El grado de
consolidación es muy bajo a bajo, con permeabilidades entre moderadas a altas.
Época: Holoceno Q2, periodo Cuaternario Q, era Cenozoica CZ, eón Fanerozoico PH.37
4.4. UNIDADES GEOLÓGICAS SUPERFICIALES UGS
El procesamiento de la geología y geomorfología básica permite caracterizar las
condiciones físicas de los suelos, rocas y materiales de superficie, lo que resulta útil en la
evaluación de amenazas por movimientos en masa para el condicionamiento al uso del
suelo, entre otros instrumentos de ordenamiento territorial. El mapa que describe la
disposición de los materiales se denomina de Unidades Geológicas Superficiales (UGS) o
de geología para ingeniería. 38
Como se puede observar en la Figura 5, en el sector dónde se localiza la microcuenca “La
Chorrera”, es posible encontrar las siguientes Unidades Geológicas Superficiales (UGS):
Rmduae Srs1, Rmdtiad Srs1, Stf2, Rmbcnad Srs1, Rmduad Srs1, las cuales se describen
a continuación:
- Rmduae Srs1: Son de origen sedimentario, compuesta por arenitas grano fino a grueso,
cuarzosas con algunas intercalaciones de lutitas y limolitas, Cementación moderada, Roca
moderadamente dura de la Formación Une en ambiente estructural, granulometría %Arena:
30, %Limo: 34, %Arcilla: 36, tipo de depósito: arena limoarcillosa, suelo residual entre 0 y
2 m de arena limoarcillosa de baja humedad, consistencia dura.
- Rmdtiad Srs1: Son de origen sedimentario, compuestas por gravas, arenas y arcillas con
esporádicas capas de lignito, cementación maderada, roca moderadamente dura de la
Formación Tilatá en ambiente denudacional, granulometría %Arena: 38, %Limo: 38,
36 Ibid., p. 186. 37 Ibid., p. 188. 38 Ibid., p. 201.
36
%Arcilla: 24, tipo de depósito arena limo arcillosa, Suelo residual entre 0 y 3,3 m de arena
limoarcillosa de baja humedad, consistencia muy blanda.
- Stf2: son de origen sedimentario, compuesto por sedimentos arenoarcillosos depositados
por los ríos, de espesores variables, suelos no cementados, el proceso de formación
corresponde a erosión y transporte fluvial, granulometría: %Arena: 38, %Limo: 36, %Arcilla:
26, tipo de depósito arena limo arcillosa, suelo transportado fluvial (llanura de inundación),
con espesor variable entre 0,5 y 10 m de arena.
- Rmbcnad Srs1: son de origen sedimentario, compuesta por niveles de shales grises y
oscuros prevalecientes, y niveles de Arenitas cuarzosas, de cementación moderada, Roca
moderadamente blanda de la Formación Conejo en ambiente denudacional, tipo de
depósito arena limosa, Suelo residual entre 1 y 4 m de arena limosa de baja humedad,
consistencia media.
Figura 5 Unidades geológicas superficiales UGS sector microcuenca “La Chorrera”
Fuente: Autor, adaptado de 06_UGS_1_100.mxd. POMCA 2018.
4.5. MODELO HIDROGEOLÓGICO REGIONAL
Las aguas subterráneas constituyen importantes reservas de agua dulce con una menor
susceptibilidad a procesos de contaminación y degradación en comparación con las fuentes
superficiales. De ahí la importancia de conocer su ocurrencia, distribución y principales
37
características hidráulicas, hidrológicas e hidrogeoquímicas para una gestión adecuada y
sostenible del recurso.39
En lo que refiere a las unidades hidrogeológicas presentes en la microcuenca “La Chorrera”,
es posible identificar en la Figura 6 que en el área predominan acuíferos con porosidad
primaria, seguido de acuíferos con porosidad secundaria y un acuitardo.
Figura 6 Unidades hidrogeológicas presentes en el sector de la microcuenca “La Chorrera”
Fuente: Autor, Adaptado de 07_Hidrogeología_100.mxd. POMCA 2018
4.6. VULNERABILIDAD A LA CONTAMINACIÓN DE LOS ACUÍFEROS
De la capacidad que tiene el medio para proteger los acuíferos de la contaminación,
depende la vulnerabilidad de las diferentes unidades hidrogeológicas, esto varía en función
de las actividades y uso de suelo que se dé al territorio. la codificación de colores indica el
verde como vulnerabilidad despreciable, amarilla baja, naranja moderada y roja alta. 40
39 Ibid., p. 276 40 Idib,. P. 349
38
En la Figura 7 se puede observar que, en la región oriental e inferior de la microcuenca,
predomina vulnerabilidad moderada y en la parte occidental hacia la salida de la
microcuenca una vulnerabilidad alta.
Figura 7 Vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos en el sector de la microcuenca “La Chorrera”
Fuente: Autor. Adaptado de 08_zonas_importancia_hidrogeológica_100.mxd. POMCA
2018
39
5. COBERTURAS VEGETALES
A lo largo de la microcuenca se presentan 7 coberturas diferentes como se describe en la
Tabla 1, destacando mayor predominancia de pastos (27,66%), actividades de agricultura
(23,4%) y la zona correspondiente al Páramo “La Cortadera”.
Tabla 1 Caracterización coberturas vegetales microcuenca La Chorrera
Descripción Referencia Área [ha] Área%
Residential-Med/Low Density URML 255.39 3.83
Páramo PARA 2277.26 34.15
Grarigue GRAR 695.91 10.44
Water WATR 2.73 0.04
Pine PINE 33.35 0.50
Agricultural Land-Generic AGRL 1559.23 23.38
Pasture PAST 1844.45 27.66
Fuente: Swat
Basado en los tipos de suelo encontrados y el uso de la tierra, se determinan los números
de curva y el coeficiente de Manning para cada una de las 8 coberturas presentes en la
microcuenca.
Figura 8. Representación coberturas actuales microcuenca la Chorrera, ArcGis.
Fuente: Autor.
40
6. INFORMACIÓN CLIMATOLÓGICA E HIDROLÓGICA DE LA CUENCA
En la Figura 9 se presenta el proceso para el análisis de Información hidrológica;
complementaria a la determinación a características físicas como área y longitud axial, en
el estudio se evaluó la calidad y/o registros atípicos de datos meteorológicos de
precipitación, velocidad del viento, brillo solar y temperaturas, en el caso de precipitación,
la confiabilidad de las estaciones se determinó a partir del método de doble masa. Para el
completado de registros faltantes de precipitación, fueron utilizadas estaciones con
registros continuos y valores medios multianuales a partir del método de la razón normal,
para temperaturas mínimas y máximas se utilizó un método estadístico de regresión.
Fuente: Autor
En el desarrollo de la investigación, a partir del Modelo de Elevación digital y ecuaciones
hidrológicas dedicadas a relacionar las características geomorfológicas de la cuenca, se
consideraron las siguientes características:
Tabla 2 Características físicas de la microcuenca La Chorrera
Aspecto Unidad Valor
Área Hectáreas 6668.36
Perímetro cuenca metros 58950
Longitud axial de la cuenca metros 11397
Longitud cauce principal metros 13500
Ancho promedio (b) kilómetros 5.779
Factor de Forma (Rf o Kf) 0.507
Tiempo de concentración horas 3.426
Fuente: autor
Figura 9 Proceso - análisis de Información hidrológica
Información Hidrológica
Ingreso de datos meteorológicos SWAT
Velocidad
del viento
Precipitación
Temperatura
máxima
Temperatura
mínima
Brillo
solar
Humedad
relativa
Valo
ració
n d
e
Regis
tros a
típic
os
Com
ple
tad
o d
e
dato
s f
alta
nte
s
Consistencia serie de valores
Método de doble masa
Regresión lineal múltiple
Caudales
Observados
Método de
la razón
normal
41
6.1. ESTACIONES METEOROLÓGICAS
Con la finalidad de utilizar la mayor cantidad de registros, se procede a solicitar información
meteorológica a partir de diferentes estaciones ubicadas dentro y en cercanías a la
microcuenca La Chorrera, considerando variables diarias de precipitación, temperatura
mínima y máxima, humedad relativa, velocidad del viento y caudales a través de registros
suministrados por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM.
De acuerdo a la ubicación (ver Tabla 3), se presentan las siguientes estaciones:
Tabla 3 Coordenadas estaciones meteorológicas influentes en la microcuenca la Chorrera
ID Coordenadas
ESTACIÓN X Y
1 -73,210111 5,663722 LOS AZULEJOS
2 -73,126306 5,623472 EL GARROCHO
3 -73,076848 5,523033 PESCA
4 -73,187722 5,596917 SAN CRISTOBAL
5 -73,208778 5,579194 LA COPA
6 -73,1635 5,533806 CASA AMARILLA
7 -73.2 5,566667 SAN PEDRO Fuente: IDEAM
Figura 10 Estaciones meteorológicas en el sector de la microcuenca “La Chorrera”
Fuente: Autor. Localización estaciones meteorológicas.
42
La estación liminmétrica “La Chorrera” (Figura 10), contiene registros diarios de caudales
medios (m3/s) y valores medios de niveles (cm) con registros desde 1992 a 2015;
adicionalmente, el modelo de generador climático (Weather Generator WGEN) procesa los
registros de precipitación, los cuales fueron ingresados mediante un archivo con extensión
.txt, incluyendo el nombre de la estación, la elevación, latitud y longitud, respectivamente
para que la interfaz relacione la distribución de precipitación media sobre la cuenca.
Previo a ingresar los datos e información cartográfica a la herramienta SWAT, se hizo
necesario completar series climatológicas de datos de precipitación a partir del método de
la razón normal (con la finalidad de estimar registros de precipitación) y el modelo de
regresión lineal múltiple para completados de temperatura (este último considera la
determinación y correlación de más de dos variables); de manera complementaria para
valorar la calidad de la información se utiliza análisis de doble masa. Posteriormente, se
procede a ingresar los datos de entrada e información cartográfica en el software ArcGIS,
y a continuación se interactúa con la herramienta SWAT con la finalidad de determinar el
modelo conforme al enrutamiento del ciclo hidrológico; es de mencionar que SWAT
relaciona registros diarios de precipitación (mm), temperatura mínima y máxima (°C),
radiación solar (MJ/m2/día obtenida a partir del número de horas de brillo solar), humedad
(%) y velocidad del viento (m/2) a partir de la herramienta “Weather Data Definition”.
6.2. PRECIPITACIÓN
Con la finalidad de conocer la totalidad de valores diarios en el periodo a calibrar y modelar,
se toma el método de la razón normal a partir de las estaciones “Garrocho”, “Casa Amarilla”,
“Azulejos”, “Pesca”, “San Cristóbal”, “La Copa” y “San Pedro” a partir de la siguiente
ecuación41:
𝑃𝑥 =1
𝑛 [(
𝑁𝑥
𝑁1)𝑃1 + (
𝑁𝑥
𝑁2)𝑃2 + ⋯+ (
𝑁𝑥
𝑁𝑛)𝑃𝑛]
Donde:
𝑃𝑥: 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎𝑟
𝑛:𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑛 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑔𝑖𝑠𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑛𝑢𝑜𝑠
𝑃1 𝑎 𝑃𝑛: 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 1 𝑎 𝑛
𝑁𝑥:𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙
𝑁1 𝑎 𝑁𝑛: 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 1 𝑎 𝑛.
En el caso de precipitación, los datos obtenidos a partir del método de la razón normal
fueron evaluados mediante análisis de doble masa; de acuerdo a la Figura 11 resulta una
41 MONSALVE, Germán. Hidrología en la Ingeniería. Escuela Colombiana de Ingeniería. 1 ed. Bogotá. Tercer mundo editores.1995, p. 84.
43
alta confiabilidad de las estaciones, debido al no presentar cambios de pendiente que
evidencien alteraciones en la información meteorológica (IDEAM 1990).
Figura 11 Método de doble masa (consistencia serie de valores)
Fuente: Autor
6.3. TEMPERATURAS MÍNIMAS Y MÁXIMAS
Como parámetros de ingreso al modelo SWAT, no se consideraron periodos prolongados
que contaran con datos faltantes; de acuerdo a la Figura 12 a), para temperaturas máximas
la estación La Copa únicamente cuenta con registros desde 1992 hasta 1997 y 2003 hasta
2016; de igual forma los registros de temperatura mínima Figura 12 b), evidencian datos en
rangos de 6 a 8 grados centígrados, los cuales predominaban entre 1997 y 1998 y no
tomaban correlación a los fenómenos encontrados de variabilidad climática (niño y niña) en
dicho periodo.
Figura 12 Registros de temperatura diaria (°C) Estación La Copa desde 1992 (a) temperatura máxima b) temperatura mínima. Interface R Studio
a)
y = 0.9459x - 232.12R² = 0.9991
-2000
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000Pre
cip
itac
ión
acu
mu
lad
a es
taci
ón
EL G
AR
RO
CH
O (
mm
)
Promedio precipitación acumulada todas las estaciones (mm)
44
b)
Fuente: Autor
6.3.1. Método de completado de datos faltantes: regresión lineal múltiple
Aplicado únicamente a registros de temperatura mínima, media y máxima, se utiliza
regresión lineal múltiple como método estadístico de completado de datos faltantes a nivel
diario, siendo útil para casos en los cuales se presentaba un máximo de 15% como datos
no registrados en términos de un mes; en el caso de superar el margen mencionado se
procede a registrar el valor -99 (el cual SWAT relaciona en la interfaz como dato faltante).
𝑌 = 𝛼 + 𝛽1 𝑥1 + 𝛽1 𝑥2
En la regresión correspondiente Y es la respuesta estimada, 𝛼 y β se especifican como los
coeficientes de regresión42.
Como ejemplo de la metodología utilizada, en la Tabla 4 se relaciona el completado de
datos faltantes para el término “temperatura máxima” del mes de noviembre de 2001 (*
datos completados); en este caso se utiliza método estadístico debido a que no se
encontraron registros de estaciones cercanas. A partir de los coeficientes de correlación
múltiple y coeficientes de determinación ajustado (para este caso igual a 0,7) se establece
que se presenta una alta relación entre las variables independientes, por lo que la
información obtenida es válida como información climatológica disponible para modelos
hidrológicos.
42 WALPOLE. Ronald, et al. Probabilidad y Estadística para Ingeniería y Ciencias. 8 ed. México. Pearson Education, 2007, p. 390.
45
Tabla 4 Completado de datos faltantes, temperatura máxima regresión lineal múltiple.
DÍA AÑO 2001 MES AÑO 2000 MES
NOVIEMBRE NOVIEMBRE
temp máx. temp min
temp medio
temp máx. temp min
temp medio
1 16.2 9.6 12.9 15.8 11.2 12.5
2 17.2 10 13.2 16.2 8.6 12.1
3 21.2 8 14.5 17.7 7.8 12.9
4 18.8 8.6 13.8 18.5 6 13
5 19.8 6.2 13.6 19.7 11.4 15.3
6 19 9.8 13.9 17.6 4.4 11.9
7 19.8 6 11.9 17.6 3 11.5
8 19.6 7.2 14.2 16.0 7.8 11.7
9 18.6 8.8 13.9 17.0 5.2 11.7
10 16.98 * 7.8 12.4 18.9 8.4 13.9
11 16.99* 9.2 12.8 17.8 9.2 13.4
12 21.65* 7.1 15.5 18.2 7.2 13.1
13 18.71* 7.0 13.4 18.6 7 13.3
14 19.8 8.2 13.9 18.1 8.6 13.4
15 20.6 7.6 14 19.6 7 14
16 20 5.2 13.2 18.6 7 13.3
17 18.02* 8.4 13.3 16.5 10.8 12.9
18 16.59* 5.2 11.4 16.2 9.8 12.4
19 17.41* 6 12.2 16.6 10.6 12.9
20 20.4 5.6 13.1 17.8 7.8 13
21 19 8 13 17.5 4.8 11.9
22 22.4 3 12.5 17.8 4 11.9
23 19.6 3.2 12.3 17.3 6.2 12.2
24 20.2 3 18.1 7 13
25 19.09* 4.6 13 16.9 5.4 11.7
26 22.4 7.8 15.5 18.4 4.2 12.4
27 21.4 8.8 13.3 18.2 6.4 12.9
28 19.2 10 13.3 18.7 7 13.4
29 20.2 9.6 14.1 15.3 9.2 11.6
30 20.2 6.2 13.8 17.9 3.4 11.8 (*) Datos completados mediante regresión lineal múltiple.
Fuente: IDEAM
6.4. HUMEDAD RELATIVA
En la Figura 13 se especifican registros de humedad en porcentaje desde 1992 a 2016, los
cuales corresponden a la estación “La Copa”. Al igual que en temperatura mínima, en el
periodo 1992 a 1998 se encuentran datos atípicos, los cuales presentan rangos con
mínimas variaciones y valores que no superan el 85%; debido a lo anterior, y al no contar
46
con estaciones cercanas que validen la información mostrada, no se consideran años
anteriores a 1998 para procesos de calibración y validación.
Figura 13 Registro humedad relativa diaria (%) Estación La Copa desde 1992. Imagen Interface R Studio
Fuente: Autor
6.5. RADIACIÓN SOLAR:
La Figura 14 presenta los valores totales diarios de brillo solar de la estación meteorológica
“La Copa”, la cual suministra la información en número de horas; a partir de lo anterior se
hizo posible determinar los valores de radiación solar sobre una superficie horizontal con la
siguiente expresión43:
𝐻 = 60 + (1406,2 ∗ 𝑛2 + 7426,6 ∗ 𝑛)1/2
Donde:
𝐻: 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝐿𝑎𝑛𝑔𝑙𝑒𝑦𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑑í𝑎)
𝑛:𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑟𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟
La interfaz SWAT requiere los resultados en MJ/m2/día por lo que se hace obligatoria para
la información diaria el considerar las unidades Langleys y su equivalencia a calorías/cm2.
Figura 14 Registro valores totales diarios de Brillo solar (Horas) - Estación La Copa desde 1992.
Imagen Interface R Studio
Fuente: Autor
43 MASSON H. Quantitative Estimation of Solar Radiation. En: Solar energy society conference. Marzo, 1996. Vol. 10, p. 119-124
47
6.6. VELOCIDAD DEL VIENTO:
La variable velocidad del viento se obtiene del recorrido en kilómetros en términos diarios,
por lo que se genera la respectiva conversión a m/s para periodo de 1992 a 2015 (Ver
Figura 15). En el periodo 1992 a 2002 se encuentran datos atípicos (los cuales no
sobrepasan los 190 kilómetros), por lo que no se consideraron años anteriores a 2003 para
procesos de calibración y validación del modelo.
Figura 15 Registros totales diarios de recorrido del viento (Kms) estación La Copa desde 1992. Imagen Interface R Studio
Fuente: Autor
6.7. CAUDALES OBSERVADOS:
La Figura 16 muestra la información de caudales medios diarios (m3/s), con registros desde
1992 a 2015 correspondientes a la estación “La Chorrera”; la información no es continúa
debido a datos faltantes en 1992 (62 datos), 1995 (39 datos), 2001 (123 datos), 2009 (30
datos) y 2002 que no cuenta con registros.
Figura 16 Caudales medios diarios (m3/s) estación La Copa desde 1992. Imagen Interface R Studio
Fuente: Autor
6.8. INGRESO DE DATOS METEREOLÓGICOS A LA INTERFACE SWAT:
A través de la herramienta “Weather Database” se hace posible almacenar datos
meteorológicos diarios, creando archivos con extensión .txt para usarlos como información
de entrada durante la configuración de un proyecto en ArcSWAT; posteriormente, el modelo
de generador climático (Weather Generator WGEN) procesa los registros de temperaturas
mínimas y máximas, precipitación, velocidad del viento, radiación solar y humedad relativa.
48
En el caso de temperaturas (Ver Figura 17) en la fila número uno se procede a incluir la
fecha de inicio y posteriormente se procede a representar en una sola columna registros
diarios, iniciando con el valor máximo registrado seguido por el mínimo (para datos
faltantes, el programa los representa bajo el valor -99). Adicionalmente, es significante
relacionar que los archivos se deben ubicar en la misma carpeta, indicando en un archivo
con extensión .txt el nombre de la estación, la elevación, latitud y longitud respectivamente.
Figura 17 Registros de temperatura máxima y mínima “Weather Generator”
Fuente: Autor
Para registros de humedad relativa, velocidad del viento, radiación solar y precipitación se
considera un único valor por fila, indicando que los datos meteorológicos de precipitación
se organizaron para las estaciones Azulejos, Garrocho, La Copa, San Pedro, San Cristóbal,
Pesca y Casa Amarilla.
49
7. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL SUELO
En la Figura 18 se presenta el proceso para análisis de caracterización de suelos, en
relación a las propiedades físicas y químicas utilizadas para la totalidad de unidades
cartográficas; los parámetros son obtenidos principalmente del “Estudio General de Suelos
y Zonificación de Tierras del Departamento de Boyacá” del Instituto Geográfico Agustín
Codazzi, el Software SPAW “SOIL- PLANT – AIR – WATER Field and Pond Hydrology”
producido por la USDA (U.S. DEPARTMENT OF AGRICULTURE) y las ecuaciones
generadas por Williams para determinar el Factor de erodabilidad del suelo.
Fuente: Autor
En las 6668.36 hectáreas de la zona de estudio se presentan 20 unidades cartográficas
(Tabla 5), las cuales fueron verificadas de acuerdo a paisaje, clima, pendiente y definidas
conforme al porcentaje de mayor predominancia y de acuerdo a su taxonomía, encontrando
perfil, relieve y características fisicoquímicas44; de acuerdo a su distribución (Figura 19), en
zonas bajas y cercanas a los 2700 predominan las unidades taxonómicas AMVd1 y AMHa,
en zonas pertenecientes al Páramo La Cortadera unidades HK259 y HK291.
Tabla 5 Nomenclatura unidades taxonómicas y áreas dentro de la microcuenca la Chorrera
Unidad taxonómica Símbolo Área [ha] Área%
Aeric Endoaquepts AMHa 384.44 5.76
Andic Dystrustepts AMVd1 1675.02 25.11
Lithic Haplocryands EC12 95.05 1.42
44 Instituto Geográfico Agustín Codazzi IGAC. Estudio General de Suelos y Zonificación de Tierras del Departamento de Boyacá. Colombia, 2005.
Figura 18 Proceso de caracterización de suelos
Propiedades y
características del suelo
Características Físicas
Densidad real – Porosidad – Humedad –
Profundidad máxima de enraizamiento – porosidad
del suelo – capacidad de agua disponible en el
suelo - albedo
Características Químicas
Limo – arcilla – Grava – arena – PH –
conductividad hidráulica saturada –
carbono orgánico – materia orgánica –
Factor de erodabilidad del suelo
50
Continuación Tabla 5 Nomenclatura unidades taxonómicas y áreas dentro de la
microcuenca la Chorrera
Unidad taxonómica Símbolo Área [ha] Área%
Lithic Cryorthents EK37 0.89 0.01
Lithic Haplocryands EK482 115.93 1.74
Pachic Humudepts HG213 159.73 2.39
Entic Humudepts HK101a 57.82 0.87
Fluventic Humudepts HK101B 89.39 1.34
Typic Endoaquerts HK259 280.39 4.20
Typic Humudepts HK291 2111.06 31.65
Fluventic Humudepts HK62 87.78 1.31
Typic Humudepts HL211 23.29 0.35
Andic Humudepts HL307 289.34 4.33
Typic Melanudands HT180 5.70 0.09
Aquic Humudepts HV86 256.75 3.85
Aeric Endoaquepts ME 122.46 1.83
Typic Hapludands MHVe 69.18 1.04
Lithic Dystrustepts MMAF1 444.03 6.65
Humic Dystrustepts MMEg 159.68 2.39
Typic Haplustalfs MMXe1 240.43 3.60
TOTAL 6668.36 100
Fuente: IGAC
Es preciso anotar que para la totalidad de unidades se determinan parámetros como
porosidad, capacidad de campo, conductividad hidráulica saturada, materia orgánica, entre
otros, con la finalidad de conocer sus propiedades y compararlas con el estudio elaborado
por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Así mismo, se identificaron las tablas físicas
(reconociendo como análisis físico: densidad real, densidad aparente, porosidad y
Humedad aprovechable) y químico - granulométrica (carbono orgánico, PH, arena, limo,
arcilla y grava)45
45 Ibíd. p. 30
51
Figura 19. Mapa de Taxonomía de suelos Microcuenca La Chorrera
Fuente: Autor
En relación a las variables de suelo que solicita y fueron utilizadas en el modelo de acuerdo
a su nomenclatura se encuentran:
- Número de horizontes
- Grupo hidrológico del suelo (A, B, C o D)
- Profundidad máxima de enraizamiento (mm
- Densidad Real
- ANION_EXCL Fracción de porosidad del suelo
- SOL_Z Profundidad de cada horizonte (mm)
- SOL_BD Densidad del suelo (g/cm3)
- SOL_AWC Capacidad de agua disponible en el suelo (mm/mm) o capacidad de
campo
- SOL_K Conductividad hidráulica saturada (mm/hr)
- SOL_CBN Contenido de carbono orgánico en el suelo (%)
- MO PORCENTAJE DE MATERIA ORGÁNICA (%)
- AR - CLAY Porcentaje de arcilla en el suelo (%)
52
- L - SILT Porcentaje de limo en el suelo (%)
- A - SAND Porcentaje de arena en el suelo (%)
- ROCK Porcentaje de fragmentos de roca en el suelo (%)
- Munsell- (pi) partes iguales-(mpi) mayor proporción inicial
- SOL_ALB albedo del suelo (fracción)
- USLE_K factor de erodabilidad del suelo (0,013 t*m2*hr/m3*t*cm)
7.1. GRUPO HIDROLÓGICO - PORCENTAJE DE ARCILLA, LIMO, ARENA Y ROCA DEL SUELO DE ACUERDO A UNIDADES CARTOGRÁFICAS
De acuerdo a los valores de infiltración, porosidad, materia orgánica y porcentajes de limos,
arenas y arcillas (para una sumatoria de 100%) y gravas, se procede a establecer grupo
hidrológico para la totalidad de unidades taxonómicas Ver Tabla 646;
46 Ibíd. p.
53
Tabla 6 Distribución de materiales y grupo hidrológico de las unidades taxonómicas presentes en la
microcuenca la Chorrera
Un
idad
tax
on
óm
ica
Nu
me
ro d
e h
ori
zon
tes
Gru
po
h
idro
lógi
co
del
su
elo
SOL_
Z P
rofu
nd
idad
d
e ca
da
ho
rizo
nte
(m
m)
AR
- C
LAY
Po
rcen
taje
de
arci
lla e
n e
l su
elo
(%
)
L -
SILT
P
orc
enta
je
de
limo
en
el s
uel
o (
%)
A -
SA
ND
Po
rcen
taje
de
aren
a e
n e
l su
elo
(%
)
RO
CK
P
orc
enta
je
de
frag
men
tos
de
roca
en
el
suel
o (
%)
An
dic
D
ystr
ust
epts
1 A 0 230 32 32 36 0
2 A 230 580 34 28 38 0
3 A 580 1100 26 18 56 0
4 B 1100 1500 56 18 26 0
Aer
ic
End
oaq
uep
ts
1 A 0 180 28 30 42
2 B 180 230 32 36 32 14
3 B 230 420 32 36 32 14
4 A 420 580 28 30 42
5 A 580 800 28 30 42
6 A 800 1300 32 38 30
Aer
ic
End
oaq
uep
ts 1 D 0 100 34 26 40 63
2 D 100 150 34 26 40 63
3 C 150 270 54 30 16 22
4 C 270 330 54 30 16 22
5 D 330 400 42 40 18 51
Typ
ic
Hap
lud
and
s
1 B 0 160 24 38 38 0
2 B 160 350 24 38 38 0
3 B 350 680 34 34 32 0
4 B 680 910 40 20 40 0
5 B 910 1500 40 30 30 0
Lith
ic
Dys
tru
step
ts 1 B 0 100 40 36 24 18
2 C 100 120 40 36 24 18
3 C 120 270 46 38 18 9
4 C 270 320 46 38 18 9
5 C 320 410 48 28 24 37
54
Tabla 6 Distribución de materiales y grupo hidrológico de las unidades taxonómicas presentes en la microcuenca la Chorrera (continuación)
Un
idad
tax
on
óm
ica
Nu
me
ro d
e h
ori
zon
tes
Gru
po
hid
roló
gico
del
suel
o
SOL_
Z P
rofu
nd
idad
de
cad
a h
ori
zon
te (
mm
)
AR
- C
LAY
Po
rcen
taje
d
e ar
cilla
en
el s
uel
o
(%)
L -
SILT
Po
rcen
taje
de
limo
en
el s
uel
o (
%)
A -
SA
ND
Po
rcen
taje
de
are
na
en
el s
uel
o
(%)
RO
CK
Po
rcen
taje
de
frag
men
tos
de
roca
en
el
su
elo
(%
)
Typ
ic
Hap
lust
alfs
1 B 0 100 36 34 30 28
2 B 100 220 36 34 30 28
3 C 220 540 50 36 14 33
4 C 540 960 52 28 20 37
5 C 960 1050 46 32 22
Hu
mic
Dys
tru
step
ts 1 A 0 200 36 26 38 0
2 B 200 250 42 22 36 0
3 B 250 400 42 22 36 0
4 B 400 580 42 22 36 0
5 B 580 690 46 22 32 0
6 C 690 860 46 22 32 0
7 C 860 1300 44 18 38 0
Lith
ic
Hap
locr
yan
ds
1 A 0 110 24.4 35 40.6 0
Lith
ic
Hap
locr
yan
ds
1 A 0 400 5.1 24.7 70.2 0
Pac
hic
H
um
ud
epts
1 A 0 100 26 22 52 0
2 A 100 190 26 22 52 0
3 A 190 220 26 22 52 0
4 A 220 350 26 22 52 0
5 B 350 550 72 18 10 0
55
Tabla 6 Distribución de materiales y grupo hidrológico de las unidades taxonómicas presentes en la microcuenca la Chorrera (continuación)
Un
idad
ta
xon
óm
ica
Nu
me
ro d
e h
ori
zon
tes
Gru
po
hid
roló
gico
del
su
elo
SOL_
Z P
rofu
nd
idad
d
e ca
da
ho
rizo
nte
(mm
)
AR
- C
LAY
Po
rcen
taje
d
e ar
cilla
en
el s
uel
o
(%)
L -
SILT
Po
rcen
taje
de
limo
en
el s
uel
o (
%)
A -
SA
ND
Po
rcen
taje
de
are
na
en
el s
uel
o
(%)
RO
CK
Po
rcen
taje
de
frag
men
tos
de
roca
en
el s
uel
o (
%)
Enti
c H
um
ud
epts
1 B 0 180 32.6 28.7 38.7 0
Flu
ven
tic
Hu
mu
dep
ts 1 B 0 190 15.8 53.6 30.6 0
2 B 190 410 17.8 53.8 28.4 0
3 B 410 580 25.8 47.3 26.9 0
4 B 580 900 31.7 45 23.3 0
Typ
ic
End
oaq
uer
ts 1 B 0 140 67.5 29.9 2.6 0
2 B 140 320 73.4 25.4 1.2 0
3 C 320 750 71.3 28 0.7 0
4 B 750 1010 49.6 50.1 0.3 0
5 B 1010 1200 73.2 24.5 2.3 0
Typ
ic
Hu
mu
dep
ts 1 A 0 250 19.7 23.9 56.4 0
2 A 250 370 22.2 18.3 59.5 0
3 A 370 500 22.8 11 66.2 0
Flu
ven
tic
Hu
mu
dep
ts 1 B 0 210 42.8 31.5 25.7 0
2 B 210 330 56.4 31.5 12.1 0
3 C 330 650 58.4 33 8.6 0
4 B 650 1100 31.9 40.3 27.8 0
Typ
ic
Hu
mu
dep
ts 1 B 0 320 37.5 47.1 15.4 10.1
2 B 320 520 37.7 49.5 12.8 37.7
3 C 520 900 49.5 43.1 7.4 34.4
56
Tabla 6 Distribución de materiales y grupo hidrológico de las unidades taxonómicas presentes en la microcuenca la Chorrera (continuación)
Un
idad
tax
on
óm
ica
Nu
me
ro d
e h
ori
zon
tes
Gru
po
hid
roló
gico
del
suel
o
SOL_
Z P
rofu
nd
idad
de
cad
a h
ori
zon
te (
mm
)
AR
- C
LAY
Po
rcen
taje
d
e ar
cilla
en
el s
uel
o
(%)
L -
SILT
Po
rcen
taje
de
limo
en
el s
uel
o (
%)
A -
SA
ND
Po
rcen
taje
de
are
na
en
el s
uel
o
(%)
RO
CK
Po
rcen
taje
de
frag
men
tos
de
roca
en
el
su
elo
(%
)
An
dic
H
um
ud
epts
1 B 0 240 35.4 35.6 29 10.5
2 C 240 360 30.3 36.4 33.3 38.42
3 B 360 560 21.2 45 33.8 10.81
4 D 560 1100 3.7 76.8 19.5 71.75
Typ
ic
Mel
anu
dan
ds
1 B 0 490 35.4 39.9 24.8 0
2 C 490 1200 56.2 30.5 13.3 0
Lith
ic
Cry
ort
hen
ts
1 A 0 80 16.4 28.7 54.9 0
Aq
uic
H
um
ud
epts
1 A 0 100 13.8 43.7 42.5 0
2 B 100 360 13.8 41.5 44.7 0
3 B 360 600 13.8 43.5 42.7 0
4 B 600 880 17.8 39.7 42.5 0
5 A 880 1100 1.8 1.5 96.7 0
Fuente: IGAC
En relación a lo anterior se presentan suelos arenosos (HK291) en zona de páramo,
característicos de suelos profundos depositados por el viento; en niveles inferiores
(cercanos a 2700 m.s.n.m.) con unidad ME el grupo hidrológico predominante es D, propio
de suelos con baja permeabilidad 47(Chow, 1994).
47 CHOW, Ven Te; MAIDMENT, David. y MAYS, Larry. Hidrología Aplicada. Colombia, Mc Graw Hill, 1994. p. 154
57
7.2. PROFUNDIDAD MÁXIMA DE ENRAIZAMIENTO
En muchos cultivos la profundidad de enraizamiento coincide con los límites de la sección
de control de humedad en los suelos, lo cual se evidencia en mayor medida en las unidades
cartográficas presentes en zona de páramo. 48
7.3. DENSIDAD APARENTE DEL SUELO
Teniendo en cuenta la densidad y la relación con el contenido de arcilla (Figura 20), a lo
largo de la microcuenca se presentan suelos de condiciones “sueltas” (PD2) a “Muy Firmes”
(PD5) siendo representativo en el suelo con taxonomía “Typic Humudepts” HL211
encontrado en zona de páramo; se debe considerar que para éste suelo la densidad
aparente se encuentra en 1,69 g/cm3, lo que sugiere un valor con ambiente pobre para la
formación de raíces, baja aireación y modificaciones en funciones hidrológicas al
presentarse infiltraciones reducidas.
Figura 20. Calificación de la densidad aparente
Fuente: Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO, 2009
48 Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación FAO. Guía
para la Descripción de Suelos. 4 ed. Roma, 2009. p 94.
58
7.4. FRACCIÓN DE POROSIDAD DEL SUELO:
A partir de los valores de densidad real y aparente se hace posible calcular la fracción o
porcentaje de porosidad para la totalidad de unidades taxonómicas por medio de la
ecuación49:
𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜 = (1 +𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝑢𝑒𝑙𝑜
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑅𝑒𝑎𝑙) ∗ 100
El suelo con taxonomía “Typic Endoaquerts” ubicado en zona de páramo presentó los
porcentajes más altos de porosidad con 73,73% en los primeros 32 centímetros del perfil,
conteniendo proporciones “Muy Altas”, las cuales se relacionan a las bajas densidades
aparentes encontradas.
Tabla 7 Clasificación de la Porosidad del Suelo
Porosidad del suelo
CLASIFICACIÓN %
1 Muy baja < 2
2 Baja 2 -5
3 Media 5 -15
4 Alta 15 – 40
5 Muy alta >40
Fuente: Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO, 2009
7.5. CONTENIDO DE CARBONO ORGÁNICO EN EL SUELO:
De acuerdo a los niveles interpretativos de la Tabla 850, se presentan condiciones “Muy
Altas” de carbono orgánico principalmente en suelos de páramo (EC12, EK482, HG213,
HK101) y en horizontes superficiales de las unidades cartográficas AMVd1, HK259B y
HK291; Niveles “Alto” y “Medio “en MMEg, HK259B, MHVe, ME, EK37 y HK101A y niveles
“Bajo” y “Extremadamente Bajo” en MMXe1, MMAF1 y HV86; Las unidades HK62 y HK291
se caracterizan por comprender horizontes superficiales “Muy Altos” y “Altos” a
“extremadamente bajos” y “Muy bajos” en espesores que no superan los 1100 y 500
milímetros respectivamente.
49 JARAMILLO, Daniel. Introducción a la Ciencia del Suelo, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, 2002. p. 193. 50 INSTITUTO GEOGRÁFICO AGUSTIN CODAZZI. Subdirección de agrología – IGAC. Suelos y tierras de Colombia. Imprenta Nacional de Colombia. Tomo II.2015
59
Tabla 8 Niveles Interpretativos de acuerdo con el porcentaje de Carbono Orgánico
Niveles Interpretativos de acuerdo con el porcentaje de Carbono Orgánico
Nivel % CO
Extremadamente bajo <0,5
Muy bajo 0,6 - 1
Bajo 1,1 - 1,5
Medio 1,6 - 2,5
Alto 2,6 - 6.0
Muy Alto >6,1
Fuente: (IGAC, 2015)
7.6. CAPACIDAD DE CAMPO
A partir del Software SPAW “SOIL- PLANT – AIR – WATER Field and Pond Hydrology”
producido por la USDA (U.S. DEPARTMENT OF AGRICULTURE), como característica del
suelo se procede a calcular la capacidad de campo, a partir de porcentajes de arena y
arcilla, materia orgánica (%) y compactación (Ver Figura 21).
Los valores varían en porcentaje desde 21,1 en el suelo con unidad cartográfica Aquic
Humudepts, hasta valores máximos de 41, 43 y 45,8 en espesores de 0 a 14, 14 a 32 y 32
a 75 centímetros de profundidad en suelos Typic Endoaquerts. Para ilustrar el proceso de
obtención de los parámetros, se referencia como ejemplo la Unidad taxonómica Lithic
Haplocryands – Zona de páramo.
60
Figura 21 Interfaz Soil Water Characteristics – Capacidad de Campo
Fuente: U.S DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil Water Characteristics. Versión 6.02.74.
7.7. CONDUCTIVIDAD HIDRÁULICA SATURADA
Los valores varían desde 0 hasta valores máximos de 170,94 mm/h correspondiente al
suelo con taxonomía “Lithic Haplocryands”. De acuerdo a las clases de conductividad
hidráulica saturada, en la microcuenca se presentan suelos con “Muy baja” (Tabla 9) en
suelos MMXe1, MMEg, MMAF1 y “Alta” o “Moderadamente Alta” en unidades taxonómicas
EC12, EK482, HK101, HK291, HT180, EK37 y HV86 como suelos de páramo, presentando
en éstos condiciones “excesivamente drenadas” (Jaramillo, 2002).
61
Tabla 9 Clases de conductividad Hidráulica del Suelo Saturado
Clase cm/h
Muy Alta >36
Alta 3.6 - 36
Moderadamente alta 0.36 - 3.6
Moderadamente
baja 0.036 - 0.36
Baja 0.0036 -
0.036
Muy baja <0.0036
Fuente: U.S DEPARTMENT OF AGRICULTURE. USDA Soil survey division staff
Para ilustrar el proceso de obtención de los parámetros de conductividad hidráulica
saturada, se referencia como ejemplo la Unidad taxonómica Pachic Humudepts
correspondiente a zona de páramo.
Figura 22 Interfaz Soil Water Characteristics – Conductividad hidráulica saturada
Fuente: U.S DEPARTMENT OF AGRICULTURE. Soil Water Characteristics. Versión 6.02.74
62
7.8. USLE_K FACTOR DE ERODABILIDAD DEL SUELO
La erodabilidad del suelo se puede determinar a partir de la ecuación51:
𝐾𝑈𝑆𝐿𝐸 = 𝑓𝑐𝑠𝑎𝑛𝑑 ∗ 𝑓𝑐𝑙−𝑆𝐼 ∗ 𝑓𝑜𝑟𝑔𝑐 ∗ 𝑓ℎ𝑖𝑠𝑎𝑛𝑑
𝑓𝑐𝑠𝑎𝑛𝑑 = (0,2 + 0,3 ∗ exp (−0,256 ∗ 𝑚𝑠 ∗ (1 +𝑚𝑠𝑖𝑙𝑡
100)))
𝑓𝑐𝑙−𝑆𝐼 = (𝑚𝑠𝑖𝑙𝑡
𝑚𝑐 + 𝑚𝑠𝑖𝑙𝑡)0,3
𝑓𝑜𝑟𝑔𝑐 = (1 − 0,256 ∗ 𝑜𝑟𝑔𝐶
𝑜𝑟𝑔𝐶 + exp (3,72 − 2,95 ∗ 𝑜𝑟𝑔𝐶))
𝑓ℎ𝑖𝑠𝑎𝑛𝑑 = (1 − 0,7 ∗ (1 −
𝑚𝑠100
)
(1 −𝑚𝑠100) + exp (−5,51 + 22,9 ∗ (1 −
𝑚𝑠100))
)
Donde:
- KUSLE: Factor de erodabilidad del suelo
- Fsand: Factor de erodabilidad para suelos de arena
- Fcl-SI: Factor de erodabilidad para suelos de arcilla y limo
- Forgc: Factor de erodabilidad para suelos con alto contenido de carbono orgánico
- Fhisand: Factor de erodabilidad para suelos con altos contenidos de arena
- ms: Porcentaje contenido de arena
- msilt: Porcentaje contenido de limo
- mc: Porcentaje contenido de arcilla
- orgC: Porcentaje contenido de carbono orgánico
Aplicado a la totalidad de unidades taxonómicas, para mayores factores de erodabilidad se
consideran mayores grados de erosión; con valores superiores a 0.35 la unidad taxonómica
HK259 “Typic Endoaquerts” presentó los valores más altos, contrariamente y con factores
cercanos a 0,7 (para profundidades superiores a 880 milímetros) la unidad taxónómica
“Aquic Humudepts” presentó menores susceptibilidades a la erosión.
51 WILLIAMS, J.R. The EPIC model. Highlands Ranch EEUU. Water resources publications. 1995. P 909-1000
63
8. MODELACIÓN HIDROLÓGICA SIN VARIACIONES DE COBERTURA VEGETAL.
8.1. ELABORACIÓN DEL MODELO
El ciclo hidrológico simulado por la interface SWAT, se encuentra basado en la ecuación de
balance hídrico:
𝑆𝑊𝑡 = SWo + ∑(𝑅𝑑𝑎𝑦 − 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓 − 𝐸𝑎 − 𝑊𝑆𝑒𝑒𝑝 − 𝑄𝑔𝑤)
𝑡
𝑖=1
Donde:
- SWt es el contenido final de agua del suelo (mm H2O)
- SW0 es el contenido inicial de agua del suelo en un día (mm H2O)
- t es el tiempo (días)
- Rday es la cantidad de precipitación en un día (mm H2O)
- Qsurf es la cantidad de escorrentía superficial en un día (mm H2O)
- Ea es la cantidad de Evapotranspiración en un día (mm H2O)
- Wseep es la cantidad de agua que ingresa al perfil del suelo en un día (mm H2O)
- Qgw es la cantidad de flujo de retorno en día (mm H2O)
Para calcular el número de Curva (CN), el programa utiliza el Método del Soil Conservation
Service (SCS) 52. Complementariamente, el flujo de salida de canales se ajusta para
pérdidas de transmisión evaporación, desviaciones y flujo de retorno.53.
De acuerdo a lo anterior, la interface SWAT solicita información Shape y Raster, modelo de
elevación digital (DEM), distribución hídrica (ríos y cuerpos de agua) y tipos de suelo
(especificando en bases de datos propiedades fisicoquímicas del suelo y características de
coberturas), los cuales se procesaron en referencia espacial “Magna Colombia Bogotá”
como coordenadas proyectadas.
8.2. DELIMITACIÓN DE CUENCA
La información cartográfica (suelos, coberturas, modelo digital de elevación, red hídrica) fue
procesada a partir de la herramienta “Watershed delineation”, la cual permitió generar la
dirección del flujo, la acumulación, los puntos de salida y la delimitación de las subcuencas;
adicionalmente, el programa permitió georreferenciar a la estación limnimétrica “La
Chorrera” como punto de cierre de la cuenca, debido a que para los procesos de validación
se relacionaron y compararon los caudales observados y modelados.
52 NEITSCH, S.L, et al. Soil and Water Assessment Tool (SWAT) theoretical documentation. Blackland Research Center, Texas. Agricultural Experiment Station, Temple, 2005. P.95 53 ARNOLD, J.G., et al. Large-area hydrologic modeling and assessment: Part I. Model development. En: Journal of the American Water Resources Association, February 1998. Vol.34. 73-89
64
Se definen 21 puntos de salida y 21 subcuencas, definiendo en la número 12 el punto de
cierre de la microcuenca La Chorrera (se denota la denominación para procesos de
calibración con el programa “SWAT CUP”).
Con base en el modelo de elevación digital (DEM) e información respecto a la distribución
hídrica el programa divide la cuenca en 168 Unidades de respuesta hidrológica, siendo la
distribución de suelos, pendientes y coberturas; paralelamente delimita la cuenca de
acuerdo a la topografía de la zona de estudio.
Figura 23 Mapa de distribución de subcuencas en ARCSWAT presentes en la microcuenca La Chorrera
Fuente: Autor
Para la distribución de pendientes y de acuerdo al modelo de elevación digital, se clasifican
en porcentajes de 0 a 10.8, 10.8 a 20.8, 20.8 a 31.6 y 31.6 a 49 respectivamente.
65
Figura 24 Mapa de distribución de pendientes en ARCSWAT presentes en la microcuenca La Chorrera
Fuente: Autor
8.3. SUELOS
Con la herramienta “HRU Analysis”, fue posible ingresar la información que relaciona los
tipos de suelo y propiedades para la totalidad de unidades cartográficas; para cada perfil,
la base de datos requirió como parámetros de entrada: Grupo hidrológico, porosidad del
suelo (fracción), profundidad total del perfil (mm) y textura (opcional). Para cada horizonte
se identifica en orden: profundidad de cada horizonte (mm), Densidad aparente del suelo
(g/cm3), capacidad de agua disponible en el suelo (mm/mm) o capacidad de campo,
conductividad hidráulica saturada (mm/h), contenido de carbono orgánico en el suelo (%),
porcentaje de arcilla, limo, arena y roca del suelo, albedo del suelo (fracción) y factor de
erodabilidad del suelo.
66
9. CALIBRACIÓN
Los periodos de calibración y validación del modelo se consideraron a partir de los registros
disponibles de precipitación, temperatura mínima y máxima, radiación solar, humedad y
velocidad del viento; así mismo del relacionar fenómenos de variabilidad climática tipo niño
y niña, de acuerdo a las disposiciones del IDEAM, el Índice del Niño Oceánico (ONI)
obtenido por el NATIONAL WEATHER SERVICE y el Índice de Oscilación del Sur (IOS)
dado por el Gobierno Australiano “Bureau of Meteorology”.
Teniendo como referencia el Índice del Niño Oceánico (ONI) se valora el umbral de +/- 0.5
°C como la media de los últimos 3 meses consecutivos de anomalías (en la región 5°N-5°S,
120°-170°W) a partir de períodos base de 30 años actualizados cada 5 años54 (NATIONAL
WEATHER SERVICE). De acuerdo a la información obtenida (Ver Tabla 10) (valores
superiores a +/- 0.5 °C en 5 índices o más), se presenta fenómeno del niño (índices
positivos) en periodos más largos durante los años 2002, 2003, 2009 a 2010 y en los últimos
meses de 2014 a 2015; Se presenta fenómeno de la niña, y/o meses con registros de
variabilidad climática durante los periodos 2007 a 2009, 2010 y en todo el periodo 2011 a
mediados del año 2012.
Tabla 10 Índice oceánico del niño
AÑO DJF JFM FMA MAM AMJ MJJ JJA JAS ASO HIJO OND NDJ
2002 -0.1 0 0.1 0.2 0.4 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.3 1.1
2003 0.9 0.6 0.4 0 -0.3 -0.2 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.4
2004 0.4 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.5 0.6 0.7 0.7 0.7 0.7
2005 0.6 0.6 0.4 0.4 0.3 0.1 -0.1 -0.1 -0.1 -0.3 -0.6 -0.8
2006 -0.8 -0.7 -0.5 -0.3 0 0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 0.9
2007 0.7 0.3 0 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.8 -1.1 -1.4 -1.5 -1.6
2008 -1.6 -1.4 -1.2 -0.9 -0.8 -0.5 -0.4 -0.3 -0.3 -0.4 -0.6 -0.7
2009 -0.8 -0.7 -0.5 -0.2 0.1 0.4 0.5 0.5 0.7 1 1.3 1.6
2010 1.5 1.3 0.9 0.4 -0.1 -0.6 -1 -1.4 -1.6 -1.7 -1.7 -1.6
2011 -1.4 -1.1 -0.8 -0.6 -0.5 -0.4 -0.5 -0.7 -0.9 -1.1 -1.1 -1
2012 -0.8 -0.6 -0.5 -0.4 -0.2 0.1 0.3 0.3 0.3 0.2 0 -0.2
2013 -0.4 -0.3 -0.2 -0.2 -0.3 -0.3 -0.4 -0.4 -0.3 -0.2 -0.2 -0.3
2014 -0.4 -0.4 -0.2 0.1 0.3 0.2 0.1 0 0.2 0.4 0.6 0.7
2015 0.6 0.6 0.6 0.8 1 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.5 2.6
Fuente: National weather service. 2016
El Índice de Oscilación del Sur (IOS) se calcula utilizando las diferencias de presión entre
Tahití y Darwin; para la Tabla 11, los valores negativos del IOS inferiores a −7 a menudo
54 NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION NOAA. Cold & Warm Episodes by Season. Disponible en internet: <https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php>
67
indican episodios de El Niño, de igual manera los valores positivos superiores a +7 son
típicos de un episodio de La Niña55; De acuerdo a lo anterior, se presentan valores
sostenidos tipo niño los años 1993 a 1994, 1997 a 1998, 2002 a 2003, 2006 a 2007 y 2014
a 2015. Para niña se presentan valores sostenidos en mayor proporción para los periodos
1998 a inicios de 2001, 2007 a inicios de 2009 y 2010 a 2012.
Tabla 11: Índice de Oscilación del Sur (IOS). Bureau of meterology
AÑO E F M A M J J A S O N D
2002 2.7 7.7 -5.2 -3.8 -14.5 -6.3 -7.6 -14.6 -8.2 -7.4 -6 -10.6
2003 -2 -7.4 -6.8 -5.5 -7.4 -12 2.9 -1.8 -2.2 -1.9 -3.4 9.3
2004 -11.6 9.1 0.2 -15.4 13.1 -15.2 -6.9 -7.6 -2.8 -3.7 -8.6 -8
2005 1.8 -28.6 0.2 -11.2 -14.5 2.6 0.9 -6.9 3.9 10.9 -2 0.1
2006 12.7 0.1 13.8 14.4 -9.8 -6.3 -7.6 -15.9 -5.8 -16 -1.4 -3.5
2007 -7.8 -2.7 -1.4 -3 -2.7 5 -5 2.7 1.4 5.4 9.2 14.4
2008 14.1 21.3 12.2 4.5 -3.5 4.2 2.2 9.1 13.5 13.4 17.1 13.3
2009 9.4 14.8 0.2 8.6 -7.4 -2.3 1.6 -5 3.9 -14.7 -6 -7
2010 -10.1 -14.5 -10.6 15.2 10 1.8 20.5 18.8 24.9 18.3 16.4 27.1
2011 19.9 22.3 21.4 25.1 2.1 0.2 10.7 2.1 11.7 7.3 13.8 23
2012 9.4 2.5 2.9 -7.1 -2.7 -10.4 -1.7 -5 2.6 2.4 3.9 -6
2013 -1.1 -3.6 10.5 0.3 8.4 13.9 8.1 -0.5 3.9 -1.9 9.2 0.6
2014 12.2 -1.3 -13.3 8.6 4.4 -1.5 -3 -11.4 -7.6 -8 -10 -5.5
2015 -7.8 0.6 -11.2 -3.8 -13.7 -12 -14.7 -19.8 -17.8 -20.2 -5.3 -9.1
Fuente: National weather service. 2016
Teniendo en cuenta la Tabla 11, no se considera la totalidad del año 2011 debido al periodo
tipo niña el cual se encuentra extendido hasta 2012, adicional al periodo 2014-2015 donde
se evidencian indicadores sostenidos tipo “niño”.
Se relaciona el periodo 2003–2007 para procesos de calibración y 2008-2011 para
validación, lo anterior a partir de los fenómenos de variabilidad climática analizados, la
disponibilidad de registros de datos faltantes de caudales de la estación “La Chorrera” en
los años 1992, 1995, 2001 y 2002; la ausencia de datos de temperaturas máximas para la
estación “La Copa” en el periodo 1998 – 2002 y los registros atípicos de humedad de 1992
a 1998.
9.1. CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO - PROGRAMA SWAT CUP
Con la finalidad de encontrar similitudes entre caudales observados en la estación
limnimétrica y caudales modelados a partir de la interface ArcSWAT, se procede a calibrar
55 BUREAU OF METEOROLOGY, Australian Government, Southern Oscillation Index (SOI) since 1876. 2018 Disponible en internet: <http://www.bom.gov.au/climate/current/soihtm1.shtml>
68
y validar la información resultante en el programa SWAT-CUP, el cual permite el análisis de
sensibilidad, calibración y validación en modelos SWAT56.
SWAT CUP procede a utilizar procedimientos de calibración, los cuales se encuentran
fundamentados matemáticamente en modelos de ajuste de incertidumbre secuencial
(GLUE, SUFI-2, Parasol, McMc); con el procedimiento de incertidumbre de calibración,
SUFI-2 es un enfoque semiautomático que facilita el transporte del proceso de calibración
dentro de los límites de tiempo realizables, utilizado notablemente debido a que realiza
manualmente la incorporación de un gran número de parámetros57.
Matemáticamente se expresa un modelo calibrado a partir de la ecuación58:
𝑀 = 𝑀(𝜃 𝜌, 𝑔, 𝑤, 𝑏, 𝑣,𝑚 …)
Donde 𝜃 es un vector de parámetros, p es un procedimiento de calibración, g es el tipo de
función objetivo, w es un vector en la función objetivo, b son las condiciones de contorno, v
son las variables utilizadas en la función objetivo y m es el número de v observadas.
Hay varios factores involucrados en la calibración exitosa del modelo SWAT, como la
sensibilidad de los parámetros, la cantidad de simulaciones, la cantidad de iteraciones y la
incertidumbre asociada entre los parámetros59; Mediante la utilización del algoritmo SUFI 2,
se procede a ingresar las salidas de la modelación de la interface Arcswat, siendo para el
presente caso los caudales observados o disponibles en la estación limnimétrica y las bases
de datos, incluyendo los parámetros de suelos y coberturas vegetales.
9.2. VARIABLES DE INGRESO
Con los registros de caudal medio diario en términos observados y simulados en el
programa SWAT CUP, se procede a verificar la respuesta hídrica en relación a los
parámetros que rigen las condiciones superficiales y subsuperficiales de la cuenca. la
calibración se debe ejecutar por medio de ensayo y error, modificando un parámetro a la
vez para luego analizar los resultados obtenidos60.
56 ABBASPOUR, Karim C. SWAT CUP – SWAT Calibration and Uncertainty Programs – A User Manual. 2015. Disponible en internet: <https://swat.tamu.edu/media/114860/userman ual_swatcup.pdf EAWAG> 57 SOROOSHIAN S, Gupta. Model calibration. Computer Models of Watershed Hydrology. En: Advances in databased approaches for hydrologic modeling and forecasting.. Agosto 2010. p: 74. 58 ABBASPOUR. Op. Cit. p. 7 59 MEHAN, S. RAM Neupane; SANDEEP, Kumar. Coupling of SUFI 2 and SWAT for Improving the Simulation of Streamflow in an Agricultural Watershed of South Dakota. En Agricultural and Biological Engineering,. Agosto 2017. Purdue University, West Lafayette, USA. 60 PEREIRA. Op. Cit. p 149-163
69
En la Tabla 12 se presentan los parámetros de calibración del modelo SWAT61, entre los
16 parámetros nueve gobiernan la respuesta superficial y subsuperficial del agua y siete
parámetros gobiernan la respuesta de la cuenca.
Tabla 12 Modelo SWAT: Parámetros de calibración
Parámetro Descripción Rango
Parámetros que rigen la respuesta superficial del agua
1 CN2 Número de Curva +-20%
2 ESCO Factor de evaporación de compensación del suelo
0-1
3 SOL_AWC Capacidad de campo +-20%
Parámetros que rigen la respuesta subsuperficial del agua
4 GW_REVAP Coeficiente de re-evaporación del agua subterránea.
0.02-0.2
5 REVAPMN
Umbral de profundidad del agua en el acuífero poco profundo para que se produzca la re-evaporación
0-500
6 GWQMN
Umbral de profundidad del agua en el acuífero poco profundo requerido para que se produzca el flujo de retorno
0-5000
7 GW_DELAY Retraso de aguas subterráneas
0-50
8 ALPHA_BF Flujo base constante de recesión
0-1
9 RCHRG_DP Fracción de percolación de acuíferos profundos
0-1
Parámetros que rigen la respuesta de la cuenca
10 CH_K2 Conductividad hidráulica efectiva en el canal principal
-0.01-150
61 XUESONG, Zhang. Et al. Evaluation of global optimization algorithms for parameter
calibration of a computationally intensive hydrologic model. En: Hidrological processes. 14
noviembre 2008 Vol 23. P. 430-441
70
11 TIMP Factor de retraso de temperatura de la bolsa de nieve
0-1
12 SURLAG Coeficiente de retardo de escorrentía superficial
0-10
13 SFTMP Temperatura de la base de fusión de nieve (° C)
0-5
14 SMTMP Temperatura de la nevada (° C)
0-5
15 SMFMX Factor máximo de nieve derretida para el 21 de junio
0-10
16 SMFMN Factor mínimo de nieve derretida para el 21 de diciembre
0-10
Fuente: XUESONG, 2008.
De los 16 parámetros relacionados anteriormente (Tabla 12), dentro de la interfaz SWAT
Número de curva “CN” y Capacidad de campo “SOL_AWC” se consideran términos de
ingreso para coberturas y suelos respectivamente. Por lo que, para el presente estudio, los
parámetros que rigen la respuesta subsuperficial del agua y la respuesta de la cuenca no
fueron considerados como términos de ingreso, pero si como posibles variables aptas para
calibración. En adición, se precisa que la variable CN depende de los usos de suelo y del
grupo hidrológico (el cual parte de los valores de infiltración registrados en campo); por lo
cual, para efectos de calibración los valores obtenidos de CN no pueden tener las mismas
variaciones que parámetros obtenidos en literatura.
Complementarios a los parámetros o variables en mención, autores como KHAIRI (2016) 62sugiere OV_N que dentro de las entradas se define como valor del coeficiente de Manning
para el flujo superficial, SL_SUBBSN o longitud media de la pendiente en metros (aplicada
para cada Unidad de respuesta hidrológica), HRU_SLP e pendiente media de la Unidad de
respuesta hidrológica (en términos de fracción), EPCO o factor de evaporación del suelo,
CHK2 a conductividad hidráulica efectiva en el canal principal, SOL_BD o densidad del
suelo, SOL_Z o Profundidad de cada horizonte, SOL_K o Conductividad hidráulica
saturada, SOL_CBN o contenido de carbono orgánico, SOL_ALB o albedo del suelo y
USLE_K o factor de erodabilidad del suelo.
El algoritmo SUFI 2, mapea todas las incertidumbres (parámetros, modelo de ingreso,
entrada, etc.) en los parámetros (expresados como distribuciones o rangos uniformes) e
intenta capturar la mayoría de los datos medidos dentro del 95% de incertidumbre de
predicción (95PPU) del modelo en un proceso iterativo63.
62 KHAIRI, Khalid. et al. Sensitivity analysis in watershed model using SUFI-2 algorithm. En: Procedia Engineering 2016. Vol 162. p 441 – 447. 63ABBASPOUR. Op. cit. p 17.
71
Para una debida regionalización de parámetros, se propone que en los casos dónde se
presente los valores de flujo máximo demasiado bajos (posterior a comparar registros de
caudales observados y simulados), se debe aumentar los parámetros CN2, SOL_AWC y
ESCO; en adición, para picos demasiado bajos, recomiendan aumentar los parámetros
CN2, GWQMN, GW_REVAP y disminuir SOL_AWC, ESCO (para unidades de respuesta
hidrológica) y REVAMPM. Posteriormente y luego de parametrizar el modelo, se asignan
los rangos, el modelo se ejecuta entre 300 y 1000 veces, según el número de parámetros,
la velocidad de ejecución del modelo y las capacidades del sistema.64
Para seleccionar los parámetros de calibración, se hizo necesario aplicar al algoritmo SUFI
2 de acuerdo al grado de sensibilidad que presentaba cada parámetro, los parámetros
CHK2, GW_DELAY, CN2, y SOL_AWC presentan mayor variación ante métodos de
sensibilidad local.65
En el caso de estudio, se relaciona el periodo 2003 a 2007 con un total de 2000
simulaciones en 6 parámetros distribuidos de la siguiente manera:
Figura 25 Captura pantalla: par_inf txt SWAT CUP
Fuente: SWAT CUP
En la Figura 25, la extensión “mgt - Management” se relacionan los archivos o términos
relacionados a la gestión de Unidades de Respuesta hidrológica, siendo para este caso
“CN2” o Número de curva; los parámetros “ALPHA_BF” (Flujo base constante de recesión),
64 ABBASPOUR, Karim C. et al. A continental scale hydrology and water quality model from
Europe: Calibration and uncertainty of a high- resolution large-scale SWAT model. En:
Journal of Hydrology. Mayo 2015. Vol. 524.p 733-752
65 KHAIRI. Op. cit. p 441-447
72
“GW_DELAY” (Retraso de aguas subterráneas) y “GWQMN” (Umbral de profundidad del
agua en el acuífero poco profundo) pertenecen a términos de agua subterránea bajo sigla
“gw Groundwater”; “CH_K2” corresponde a la conductividad hidráulica efectiva en el canal
principal, donde la sigla “rte Routing” comprende la información física y características del
canal que afectan el flujo de agua y el transporte de sedimentos; como último parámetro se
relaciona “SOL_AWC” o capacidad de campo.
Para cada uno de los parámetros, la interfaz SWAT CUP ofrece reemplazar la información
por un valor en un rango dado, que a un valor dado se sustituya por otro, o que finalmente
se multiplique el término por un valor generado por el usuario.
Como se ilustra en la Figura 26, se procede a ejecutar el programa, ingresando previamente
los registros diarios de caudales provenientes de la estación “La Copa”; es de mencionar
que los datos faltantes no se ingresan con ninguna nomenclatura al modelo, por lo que los
registros dependerán de la numeración generada.
Figura 26 Interfaz para el Ingreso de registros de caudales. Formato observed txt SWAT CUP
Fuente: SWAT CUP
Por medio del algoritmo SUFI 2, se asigna el número de la subcuenca y el año de inicio de
la simulación sin incluir periodos de calentamiento, comparando los caudales de la estación
limnimétrica con los modelados a partir de estadísticas de evaluación ó desempeño
estadístico, siendo para el presente caso los coeficientes R2, NASH y PBIAS.
73
9.3. COEFICIENTE DE DETERMINACIÓN AJUSTADO (R2)
El coeficiente de determinación (R2), detalla el grado de colinealidad entre datos simulados
y medidos, para estos resultados si R2 = 0 no existe una relación entre las variables 66; R2
describe la proporción de la varianza en rangos de 0 a 1, con valores más altos que indican
menor error y típicamente valores mayores de 0.5 indican similitud67; R2 ha sido
considerablemente utilizado para la evaluación de modelos, demostrando alta sensibilidad
a los valores extremos o atípicos, de igual manera presenta baja sensibilidad a diferencias
proporcionales entre las predicciones del modelo y los datos medidos 68
Sánchez (2014) refiere que el coeficiente de desempeño estadístico R2 se calcula por
medio de la ecuación:
𝑅2 =
[ ∑ (𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠 − 𝑌𝑖𝑚𝑒𝑎𝑛) ∗ (𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚 − 𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚𝑚𝑒𝑎𝑛)
𝑛
𝑖=1
√∑ (𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠 − 𝑌𝑖𝑚𝑒𝑎𝑛)2𝑛𝑖=1 ∗ √∑ (𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚 − 𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚𝑚𝑒𝑎𝑛)2𝑛
𝑖=1 ] 2
𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠: Valor observado
𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚: Valor simulado
𝑌𝑖𝑚𝑒𝑎𝑛: Media de los datos observados
𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚𝑚𝑒𝑎𝑛: Media de los datos simulados
9.4. EFICIENCIA NASH-SUTCLIFFE (NSE):
La eficiencia Nash-Sutcliffe (NSE) es una estadística normalizada que determina la
Magnitud relativa de la varianza residual en comparación con la varianza de los datos
medidos (Nash y Sutcliffe, 1970). NSE se determina a partir de la ecuación:
𝑁𝑆𝐸 = 1 −
[ ∑ (𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠 − 𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚)
2𝑛
𝑖=1
∑ (𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠 − 𝑌𝑖𝑚𝑒𝑎𝑛)2𝑛𝑖=1
]
66 MORIASI, Daniel. N. et al. Model evaluation guidelines for systematic quantification of
accuracy in watershed simulations. En:American Society of Agricultural and Biological
Engineers, 2007, Vol. 50: 885−900 67 SANTHI, Chinnasamy et al. Validation of the SWAT model on a large river basin with point and nonpoint sources. En Journal of the American Water Resources Association. Octubre 2001. Vol. 37 p.1169-1188. 68 LEGATES, David and MCCABE,Gregory. Evaluating the use of “goodness-of-fit” measures in hydrologic and hydroclimatic model validation. En: Water Resources Research. Enero 1999. Vol 35. P. 233-241.
74
Donde:
- 𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠: Valor observado
- 𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚: Último valor simulado
- 𝑌𝑖𝑚𝑒𝑎𝑛: Media de los datos observados
- 𝑛: Número total de observaciones
NSE varía entre −infinito y 1.0 (1 inclusive), con NSE = 1 como valor óptimo. Los valores
entre 0.0 y 1.0 generan niveles aceptables de rendimiento, mientras que los valores <0.0
indican que el valor medio observado es un mejor predictor que el valor simulado, lo cual
indica un rendimiento inaceptable.69. También se encontró que la NSE es la mejor función
objetivo para reflejar el ajuste general de un hidrograma70.
9.5. PORCENTAJE DE SESGO (PBIAS):
Medida de porcentaje de sesgo que indica la tendencia promedio de los datos simulados a
ser mayor o más pequeños que sus homólogos observados; utilizado para diferentes
estudios, PBIAS tiene la capacidad de indicar claramente el rendimiento o eficiencia del
modelo71. PBIAS se calcula mediante la ecuación:
𝑃𝐵𝐼𝐴𝑆 = [∑ (𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠 − 𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚) ∗ 100
𝑛
𝑖=1
∑ (𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠)𝑛𝑖=1
]
Donde:
- 𝑃𝐵𝐼𝐴𝑆: Desviación de los datos evaluado en porcentaje (%)
- 𝑌𝑖𝑜𝑏𝑠: Valor observado
- 𝑌𝑖𝑠𝑖𝑚: Último valor simulado
Los rangos del indicador y la eficiencia se clasifican en72:
69 MORIASI, Op. cit. p, 885-900 70 SERVAT, Eric., and DEZETTER, Alain. Selection of calibration objective functions in the context of rainfall-runoff modeling in a Sudanese savannah area. En Hydrological Sciences journal. 15 Enero 1991. Vol. 36 p. 307-330.. 71 GUPTA, Hoshin; SOROOSHIAN, Soroosh and y YAPO, Patrice. Status of automatic calibration for hydrologic models: Comparison with multilevel expert calibration. En: Journal of hydrological engineering. Abril 1999. Vol 4. p. 135-143 72 MORIASI. Op. cit. p. 885-900
75
Tabla 13 Rangos admisibles de los Índices de eficiencia y rendimiento estadístico
Rango NSE PBIAS
Muy bueno 0,75<NSE<1,00 <(+-)10
Bueno 0,65<NSE<0,75 (+-)10<PBIAS<(+-)15
Satisfactorio 0,50<NSE<0,65 (+-)15<PBIAS<(+-)25
No satisfactorio NSE<0,50 PBIAS>25
Fuente: Moriasi et all. 2007
Considerando las anteriores estadísticas, el proceso de calibración para el periodo 2003 –
2007 se resume en la Tabla 14, donde se observa de acuerdo al coeficiente de
determinación ajustado un ajuste “aceptable” entre caudales observados y simulados, para
el coeficiente NASH se clasifica como “satisfactorio”, generando niveles aceptables de
rendimiento y en términos de PBIAS un desempeño “Muy Bueno”.
Tabla 14 Resultados Calibración del modelo - coberturas actuales. Comparación de coeficientes de desempeño estadístico.
Desempeño en la calibración (2003 a 2007)
R2 NASH PBIAS
0.63 0.62 -0.19
Fuente: Autor
En la Figura 27, se obtiene la distribución de caudales observados y simulados para el
periodo 2003-2007
Figura 27 Comparación de caudales simulados calibrados y observados sin variación de coberturas vegetales a) 2003-2005 b) 2005-2007
a)
-
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
7/2
6/2
00
3
8/2
6/2
00
3
9/2
6/2
00
3
10/26/2…
11/26/2…
12/26/2…
1/2
6/2
00
4
2/2
6/2
00
4
3/2
6/2
00
4
4/2
6/2
00
4
5/2
6/2
00
4
6/2
6/2
00
4
7/2
6/2
00
4
8/2
6/2
00
4
9/2
6/2
00
4
10/26/2…
11/26/2…
12/26/2…
1/2
6/2
00
5
2/2
6/2
00
5
3/2
6/2
00
5
4/2
6/2
00
5
5/2
6/2
00
5
6/2
6/2
00
5
Cau
dal
es
m3
/s
Observados
Simulados
76
Continuación figura 27
b) Fuente: Autor
9.6. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
La prueba t se determina en la interface SWAT CUP con la finalidad de identificar la
importancia relativa de cada parámetro73. Las sensibilidades obtenidas son estimaciones
de cambios promedio en la función objetivo, que resultan de modificaciones en cada uno
de los parámetros evaluados. En el análisis, cuanto mayor (en valor absoluto) sea el valor
de t-stat y el cuanto más pequeño sea el valor de p, más sensible será el parámetro; por lo
que para el presente estudio los parámetros ALPHA BF, SOL_AWC y CN2 son los
parámetros más sensibles (ver Figura 28), producto de 2000 simulaciones y con los valores
especificados en laTeniendo como referencia el coeficiente “t-stat”, el parámetro de agua
subterránea ALPHA_BF ó Flujo base constante de recesión presenta mayor influencia en
la obtención de caudales para procesos de calibración, seguido de SOL_AWC con valor de
10,81 y CN2 con -7,81.
Tabla 15.
73 ABBASPOUR. Op. cit. p
-
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
7/1
8/2
00
5
8/1
8/2
00
5
9/1
8/2
00
5
10/18/2…
11/18/2…
12/18/2…
1/1
8/2
00
6
2/1
8/2
00
6
3/1
8/2
00
6
4/1
8/2
00
6
5/1
8/2
00
6
6/1
8/2
00
6
7/1
8/2
00
6
8/1
8/2
00
6
9/1
8/2
00
6
10/18/2…
11/18/2…
12/18/2…
1/1
8/2
00
7
2/1
8/2
00
7
3/1
8/2
00
7
4/1
8/2
00
7
5/1
8/2
00
7
6/1
8/2
00
7
7/1
8/2
00
7
Cau
dal
es
m3
/sObservados
Simulados
77
Figura 28 Captura pantalla: Sensibilidad global SWAT CUP
Fuente: SWAT CUP
Teniendo como referencia el coeficiente “t-stat”, el parámetro de agua subterránea
ALPHA_BF ó Flujo base constante de recesión presenta mayor influencia en la obtención
de caudales para procesos de calibración, seguido de SOL_AWC con valor de 10,81 y CN2
con -7,81.
Tabla 15 Parámetros más sensibles utilizados en la calibración
Nombre del parámetro t-stat P-value
ALPHA_BF.gw 12.68 0.0000
SOL_AWC.sol 10.81 0.0000
CN2.mgt -7.81 0.0000
CH_K2.rte 5.29 0.0000
GW_DELAY.gw 3.03 0.0025
GWQMN.gw 0.009 0.9923
Fuente: SWAT CUP
78
10. VALIDACIÓN
Los procesos de validación del modelo se ejecutaron con el programa SWAT CUP,
relacionando los mismos parámetros de la calibración generada y con la única divergencia
de relacionar las variables meteorológicas temperatura mínima y máxima, radiación solar,
velocidad del viento, humedad relativa y registros de precipitaciones para el periodo
comprendido entre 2008 y 2011.
Tabla 16 Resultados validación del modelo - coberturas actuales. Comparación de coeficientes de desempeño estadístico.
Desempeño en la validación (2008 a 2011)
R2 NASH PBIAS
0.61 0.59 -0.43
Fuente: SWAT CUP
Teniendo en cuenta los resultados descritos en la Tabla 16, se puede observar que en el
proceso de validación se obtuvo un ajuste entre los caudales observados y simulados
menos satisfactorio que el obtenido en el proceso de calibración, obteniendo eficiencia
satisfactoria de acuerdo al coeficiente NASH, coeficiente de determinación ajustado
aceptable y desempeño muy bueno en PBIAS.74
A partir de la validación generada, en la Figura 29 se obtiene la distribución de caudales
observados para el periodo 2008-2011, donde resultan caudales ligeramente subestimados
hasta noviembre de 2009; posteriormente hasta el año 2011 se generan caudales
modelados mayores a los observados.
Figura 29 Comparación de caudales simulados validados y observados sin modificación de coberturas vegetales a) 2007-2009 b) 2009-2011
a)
74 MORIASI. Op. cit. p 885
-
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
7/2
5/2
00
7
8/2
5/2
00
7
9/2
5/2
00
7
10
/25
/20
07
11
/25
/20
07
12
/25
/20
07
1/2
5/2
00
8
2/2
5/2
00
8
3/2
5/2
00
8
4/2
5/2
00
8
5/2
5/2
00
8
6/2
5/2
00
8
7/2
5/2
00
8
8/2
5/2
00
8
9/2
5/2
00
8
10
/25
/20
08
11
/25
/20
08
12
/25
/20
08
1/2
5/2
00
9
2/2
5/2
00
9
3/2
5/2
00
9
4/2
5/2
00
9
5/2
5/2
00
9
Cau
dal
es
m3
/s
Observado Simulado
79
Continuación Figura 29
b)
Fuente: Autor
-
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
6/8
/20
09
7/8
/20
09
8/8
/20
09
9/8
/20
09
10
/8/2
00
9
11
/8/2
00
9
12
/8/2
00
9
1/8
/20
10
2/8
/20
10
3/8
/20
10
4/8
/20
10
5/8
/20
10
6/8
/20
10
7/8
/20
10
8/8
/20
10
9/8
/20
10
10
/8/2
01
0
11
/8/2
01
0
12
/8/2
01
0
1/8
/20
11
2/8
/20
11
3/8
/20
11
4/8
/20
11
Cau
dal
es
m3
/sObservado Simulado
80
11. MODELACIÓN HIDROLÓGICA CON VARIACIONES DE COBERTURA VEGETAL
11.1. ANÁLISIS
A partir de las características de la microcuenca se formularon escenarios con la finalidad
de presentar una propuesta de recuperación que optimice los caudales generados
utilizando el modelo SWAT; para esta etapa de la investigación, las características de
ingreso de coberturas vegetales fueron modificadas, incluyendo las variables que solicita la
interfaz para procesar la información.
Acorde a la fuente documental del “PLAN DE ORDENACIÓN Y MANEJO DE LA CUENCA
HIDROGRÁFICA DEL RÍO ALTO CHICAMOCHA - POMCA” (aprobado el 30 de mayo de
2018), se presenta un mapa de escenario tendencial (10 años de periodo transcurrido), el
cual fue construido de acuerdo a la proyección de actividades desarrolladas y con la
hipótesis de la apropiación, uso y manejo de los recursos naturales por parte de la
población, lo anterior bajo las mismas condiciones, prácticas y relaciones actuales. (Ver
Figura 30) 75
Escenarios tendenciales para los bosques protectores (Primarios) y áreas protegidas de
conservación
Tabla 17: Comparativo escenario diagnóstico y escenario tendencial
Diagnóstico Escenario tendencial
Es evidente la degradación de las zonas altas, que permiten la recarga de los sistemas hídricos generando ofertas hídricas que permitan la oxigenación y la autodepuración de los cuerpos hídricos en el transcurso de los cauces superficiales donde se han realizado los vertimientos líquidos que afectan la calidad del agua.
Las entidades gubernamentales han manejado procesos de inversión y compra de activos ambientales de forma lenta lo que ha generado en muchas subcuencas la afectación critica de zonas altas con la ampliación de la frontera agrícola y la explotación de los recursos forestales y del suelo en zonas claves para la preservación del volumen de agua dulce disponible para la recarga de los cuerpos de agua.
Fuente: POMCA 2018
75 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE BOYACÁ. . Plan de Ordenación y Manejo de la Cuenca Hidrográfica del Río Alto Chicamocha - NSS (Cód. 2403-01. Fase de Prospectiva y zonificación. Tunja.: La Corporación, 2018. p. 51
81
Figura 30 Escenario tendencial para la Microcuenca la Chorrera. Adaptado del “Plan de ordenación y manejo de la cuenca hidrográfica del río alto Chicamocha - POMCA”
Fuente: Autor, Adapto de 1_Escenarios_Tendenciales.mxd. POMCA 2018
82
Tabla 18 Análisis de los escenarios tendencial.
Componente Escenario Tendencial (equipo técnico)
Cobertura y uso de la tierra.
Dentro de 10 años se incrementará la introducción de especies exóticas, se evidenciarán los problemas de deforestación, pérdida de cobertura vegetal natural protectora de cuerpos hídricos. También se puede evidenciar que se tiende a incrementar la pérdida de la diversidad faunística que se deben principalmente a la perdida de hábitat por ampliación de la frontera agrícola, tala y cacería de especies para el consumo.
Ecosistemas estratégicos
La problemática principal es la expansión de la frontera agropecuaria, minera, antrópica, el cual de no ser controlado permitirá que en 10 años las áreas dedicadas a la conservación y preservación disminuyan y se pierdan zonas importantes tanto para la biodiversidad como para la recarga hídrica.
Capacidad de uso de las tierras
Si en los próximos 10 años no se llegará a implementar ningún tipo de medida o acción para mejorar el estado actual y el uso potencial del suelo, se seguirá evidenciando un deterioro progresivo, procesos de carcavamiento paulatino, pérdida de la capacidad productiva, rondas hídricas desprotegidas, cambios en las dinámicas de las corrientes, deterioro paisajístico de la cuenca lo que conlleva en malos resultados económicos de las actividades productivas, deterioro total y altos costos de recuperación de suelos. Cada vez se evidencia el aumento de la agricultura en los páramos, lo que conlleva a la perdida de la vegetación natural y captadora de agua, además de contaminación del recurso hídrico.
Fuente: POMCA 2018.
Para la investigación, en la generación de los escenarios no fueron propuestas coberturas
diferentes a las presentadas en la cuenca hidrográfica, considerando el no proponer
características distintas a las encontradas en información bibliográfica para la zona de
estudio (documentación e información espacial), así como el no alterar las características
ecológicas mediante la inclusión de especies externas. En este caso, para la Microcuenca
La Chorrera se plantearon escenarios articulados a diferentes instrumentos de planificación
territorial, siendo en este caso esquemas de ordenamiento, fuente documental del “Plan de
ordenación y manejo de la cuenca hidrográfica del río Alto Chicamocha - POMCA” además
de las disposiciones dadas por diferentes entidades públicas regionales y de orden
nacional.
Con la finalidad de generar una propuesta de recuperación que genere caudales
estacionarios y mejore la respuesta hídrica, se formularon diferentes escenarios, incluyendo
la modificación de coberturas de agricultura en zona de páramo, protección de ronda hídrica
de los cauces principales y modificación de coberturas de agricultura con más del 25% de
pendiente a lo largo de la microcuenca.
83
11.2. PROTECCIÓN DE RONDA HÍDRICA:
De acuerdo al decreto 2811 del 18 de diciembre de 1974, se consideran bienes inalienables
del estado, zonas que contengan “una faja paralela a la línea de mareas máximas o a la del
cauce permanente de ríos y lagos, hasta de treinta metros de ancho” (Decreto 2811, 1974);
considerando lo anterior, en el proceso de generación de coberturas fueron identificadas
zonas de agricultura sobre límites inferiores a los dispuestos en el Código Nacional de
Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente; en este caso, se
registraron franjas de producción agrícola en cercanías y sobre el borde de quebradas, que
bajo condiciones actuales, a lo largo de la microcuenca representan afectaciones sobre
cuerpos de agua, incluyendo el no considerar zonas de inundación y los posibles efectos
en la calidad del recurso hídrico.
Considerando lo anterior, en el proceso de modelación se genera una propuesta para la
modificación de coberturas que se encuentran en el área de influencia de la ronda hídrica
(30 metros a cada costa del río), dicha propuesta contempla reemplazarla por vegetación
nativa como medida de restauración.
11.3. MODIFICACIÓN DE COBERTURA DE AGRICULTURA EN ZONA DE PÁRAMO:
Con la finalidad de controlar la ampliación de la frontera agrícola, preservar el potencial
hídrico de la microcuenca, y de acuerdo a las disposiciones del “Plan de ordenación y
manejo de la cuenca hidrográfica del río Alto Chicamocha - POMCA”, se define un escenario
en el cual las coberturas agrícolas son reemplazadas por vegetación nativa de páramo,
tomando como referencia alturas superiores a 3.000 metros sobre el nivel del mar.
En la Figura 31, se ilustra la propuesta de cambio de coberturas, en las que las tonalidades
azules hacen referencia a áreas de pastoreo y en zonas superiores a los 3000 m.s.n.m se
suspenden las actividades agrícolas.
84
Figura 31 Mapa de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo presentes en la microcuenca La Chorrera.
Fuente: Autor
11.4. MODIFICACIÓN DE COBERTURA DE AGRICULTURA EN PENDIENTES SUPERIORES AL 25%
Comprendiendo que el clima frio se presenta como característica de la zona de estudio,
para cultivos permanentes semi-intensivos (CPSf) la restricción para vocación agrícola
impide la implementación de cultivos sobre pendientes superiores al 25%, donde el drenaje
natural se formula para condiciones “Buenas a imperfectas” (IGAC, 2015). Por este motivo
se formula un escenario reemplazando coberturas de agricultura (superior a las pendientes
mencionadas) por vegetación nativa y pastos sin ganadería.
85
Figura 32 Mapa de modificación de cobertura de agricultura en pendientes superiores al 25%, presentes en la microcuenca La Chorrera.
Fuente: Autor
Considerando las características o escenarios anteriores, en el modelo SWAT se generan
2 propuestas: La primera incluye la modificación de coberturas de agricultura en zonas
superiores a los 3000 m.s.n.m. por vegetación nativa de páramo y la protección de rondas
hídricas de los cauces principales a distancias de 30 metros; la segunda relacionando la
modificación de coberturas de agricultura con más del 25% de pendiente de acuerdo a las
disposiciones dada por el Instituto Geográfico Agustín Codazzi.
86
11.5. ESCENARIO 1: MODIFICACIÓN DE COBERTURA DE AGRICULTURA EN ZONA DE PÁRAMO Y PROTECCIÓN DE RONDAS HÍDRICAS:
Figura 33 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas.
a)
b)
c)
-
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.007
/26
/20
03
8/2
6/2
00
3
9/2
6/2
00
3
10/26/2…
11/26/2…
12/26/2…
1/2
6/2
00
4
2/2
6/2
00
4
3/2
6/2
00
4
4/2
6/2
00
4
5/2
6/2
00
4
6/2
6/2
00
4
7/2
6/2
00
4
8/2
6/2
00
4
9/2
6/2
00
4
10/26/2…
11/26/2…
12/26/2…
1/2
6/2
00
5
2/2
6/2
00
5
3/2
6/2
00
5
4/2
6/2
00
5
5/2
6/2
00
5
6/2
6/2
00
5
Cau
dal
es
m3
/s
SIMULADOS COBERTURASACTUALES
SIMULADOS ESCENARIO
-
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
7/1
8/2
00
5
8/1
8/2
00
5
9/1
8/2
00
5
10
/18
/20
05
11
/18
/20
05
12
/18
/20
05
1/1
8/2
00
6
2/1
8/2
00
6
3/1
8/2
00
6
4/1
8/2
00
6
5/1
8/2
00
6
6/1
8/2
00
6
7/1
8/2
00
6
8/1
8/2
00
6
9/1
8/2
00
6
10
/18
/20
06
11
/18
/20
06
12
/18
/20
06
1/1
8/2
00
7
2/1
8/2
00
7
3/1
8/2
00
7
4/1
8/2
00
7
5/1
8/2
00
7
6/1
8/2
00
7
7/1
8/2
00
7
Cau
dal
es
m3
/s
SIMULADOS COBERTURASACTUALES
SIMULADOS ESCENARIO
-
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
7/2
5/2
00
7
8/2
5/2
00
7
9/2
5/2
00
7
10
/25
/20
07
11
/25
/20
07
12
/25
/20
07
1/2
5/2
00
8
2/2
5/2
00
8
3/2
5/2
00
8
4/2
5/2
00
8
5/2
5/2
00
8
6/2
5/2
00
8
7/2
5/2
00
8
8/2
5/2
00
8
9/2
5/2
00
8
10
/25
/20
08
11
/25
/20
08
12
/25
/20
08
1/2
5/2
00
9
2/2
5/2
00
9
3/2
5/2
00
9
4/2
5/2
00
9
5/2
5/2
00
9
Cau
dal
es
m3
/s
SIMULADOS COBERTURASACTUALES
SIMULADOS ESCENARIO
87
Continuación Figura 33
d)
Fuente: Autor
En la Figura 33 se puede observar que para el escenario 1 se presentan caudales mayores
a los simulados con la distribución de coberturas actuales; específicamente para los
periodos o meses de octubre a noviembre de 2003, abril de 2004, junio a agosto y octubre
a diciembre de 2004, abril a julio de 2006, marzo a junio y noviembre a diciembre de 2007.
Adicionalmente se presenta aumento en el flujo base, evidenciado en los años 2008, 2010
y 2011, presentando caudales más estacionarios en épocas de sequía o bajo fenómenos
de variabilidad climática (tipo niño) como en el año 2006.
11.6. ESCENARIO 2: MODIFICACIÓN DE COBERTURA DE AGRICULTURA CON PENDIENTES SUPERIORES AL 25%
Figura 34 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y simulados con escenario de modificación de cobertura de agricultura con pendientes superiores al 25%:
a)
-
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
6/8
/20
09
7/8
/20
09
8/8
/20
09
9/8
/20
09
10
/8/2
00
9
11
/8/2
00
9
12
/8/2
00
9
1/8
/20
10
2/8
/20
10
3/8
/20
10
4/8
/20
10
5/8
/20
10
6/8
/20
10
7/8
/20
10
8/8
/20
10
9/8
/20
10
10
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SIMULADOS COBERTURASACTUALES
SIMULADOS ESCENARIO
88
Continuación Figura 34
b)
c)
d)
Fuente: Autor
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SIMULADOS COBERTURASACTUALES
SIMULADOS ESCENARIO
89
En la Figura 34 se evidencian caudales simulados bajo escenario 2 superiores a las
condiciones actuales de cobertura en los periodos octubre de 2003, abril de 2004, mayo de
2006, noviembre de 2008 y enero y febrero de 2011. En condiciones opuestas, se
evidencian caudales bajos en el periodo abril a septiembre de 2008.
Con la finalidad de conocer la permanencia de caudales para las propuestas generadas, se
generan curvas de duración, las cuales son utilizadas ampliamente en estudios hidrológicos
con la finalidad de deducir características como el drenaje, retención de agua y
permeabilidad76. En la Figura 35 se grafican los porcentajes de tiempo en que un caudal es
igualado o excedido (julio de 2003 a julio de 2005), proporcionado para caudales medios
diarios en escenario de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y
protección de rondas hídricas, escenario de modificación de cobertura de agricultura con
pendientes superiores al 25% y escenario sin variaciones de cobertura vegetal. Así mismo,
con la finalidad de verificar la frecuencia acumulada en intervalos más cortos de tiempo, se
consideran los periodos: julio de 2003 a julio de 2005, agosto de 2005 a julio de 2007,
agosto de 2007 a mayo de 2009 y junio de 2009 a abril de 2011.
Figura 35 Curva duración de caudales : julio 2003 – julio 2005
Fuente: Autor
76 MONSALVE. Op. Cit., p 281
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Porcentaje del tiempo en que un caudal es igualado o excedido
Escenario sin variaciones de cobertura vegetal
escenario de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y protección de rondashídricas
, escenario de modificación de cobertura de agricultura con pendientes superiores al 25%
90
De acuerdo a la Figura 35, en la parte alta de la curva y a diferencia de los escenarios
propuestos, se presenta mayor número de caudales altos para el escenario modelado sin
variaciones de cobertura vegetal; sin embargo, en la parte baja de la curva el escenario que
involucra la modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y protección de
rondas hídricas presenta en general mayor retención de agua, considerando que desde
junio de 2004 hasta marzo de 2005 se presenta fenómeno del niño de acuerdo al Índice
oceánico del niño (ONI).
Para el periodo comprendido entre agosto de 2005 a julio de 2007 (Figura 36), la propuesta
que refiere la modificación de coberturas de agricultura con pendientes superiores al 25%,
de acuerdo a la parte alta de la curva detalla una cuenca que podría tener poca retención
de agua y buen drenaje; adicionalmente presenta caudales bajos e inferiores a 0,25 m3/s,
como se demostró anteriormente en las épocas secas presentadas a finales de 2006. El
escenario de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y protección de
rondas hídricas presenta para el periodo caudales medios máximos de 2.3 m3/s, inferior a
los 2,6 m3/s obtenidos por el escenario 2.
Figura 36 Curva duración de caudales: agosto 2005- julio 2007
Fuente: Autor
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Cau
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Porcentaje del tiempo en que un caudal es igualado o excedido
Escenario sin variaciones de cobertura vegetal
escenario de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y protección de rondashídricas
escenario de modificación de cobertura de agricultura con pendientes superiores al 25%
91
Considerando la parte baja de la curva (porcentajes de tiempo de caudales iguales o
excedidos en un 85 y 100%), para el periodo que inicia en agosto de 2007 y finaliza en
mayo de 2009 (Figura 37), el escenario que no contiene variaciones en cobertura vegetal
presenta una mayor retención de agua que los escenarios 1 (modificación de cobertura de
agricultura en zona de páramo y protección de rondas hídricas) y 2 (modificación de
coberturas de agricultura con pendientes superiores al 25%); Adicionalmente, el modelo
que representa la ausencia de variaciones de cobertura vegetal, constituye un mayor
número de caudales superiores (parte alta de la curva), seguido del escenario 1.
Al igual que en el periodo 2003 a 2005 y de acuerdo a los porcentajes obtenidos entre el 30
y el 80% referente al tiempo en que un caudal es igualado o excedido, el escenario 1
presenta mayor retención de agua y posiblemente menor permeabilidad; el escenario 2,
contiene caudales más bajos, los cuales no aumentaron en periodos comprendidos entre
octubre de 2006 y febrero de 2007, donde se presenta fenómeno del niño de acuerdo a los
Índices oceánico del niño (ONI) y de Oscilación del Sur (IOS).
Figura 37 Curva duración de caudales: agosto 2007- mayo 2009.
Fuente: Autor
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Porcentaje del tiempo en que un caudal es igualado o excedido
escenario sin variaciones de cobertura vegetal
escenario de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y protección de rondashídricas
escenario de modificación de cobertura de agricultura con pendientes superiores al 25%
92
En el periodo comprendido entre junio de 2009 a abril de 2011 (Figura 38), se describen
curvas de duración de caudales con deducción de características bajo condiciones
similares, presentando mayores números de caudales altos en el escenario modelado sin
variaciones en cobertura vegetal, seguido de las propuestas 1 y 2.
Figura 38 Curva duración de caudales: junio 2009 – abril 2011
Fuente: Autor
De acuerdo a lo anterior, se elige el escenario 1 (modificación de cobertura de agricultura
en zona de páramo y protección de rondas hídricas) como propuesta de recuperación,
considerando los caudales mínimos y máximos obtenidos, el aumento en el flujo base
presentado (comportamiento en épocas de sequía), la obtención de caudales más
estacionarios y la necesidad de establecer medidas de restauración sobre zonas de
protección hídrica y páramo.
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Porcentaje del tiempo en que un caudal es igualado o excedido
escenario sin variaciones de cobertura vegetal
escenario de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y protección de rondashídricas
, escenario de modificación de cobertura de agricultura con pendientes superiores al 25%
93
12. PROPUESTA DE RECUPERACIÓN
Relacionando las diferentes fuentes documentales y los resultados obtenidos en el modelo
SWAT, el escenario o propuesta de recuperación que incluye el cambio de coberturas de
agricultura en zonas superiores a los 3000 m.s.n.m. por vegetación nativa de páramo y la
protección de rondas hídricas de los cauces principales a distancias de 30 metros,
comprende aumentos en las áreas disponibles de vegetación nativa y reducción de los usos
de cultivo y de pastos, debido este último a la inclusión de zonas de protección hídrica
principalmente.
Tabla 19 Comparativo porcentual de tipos de coberturas actuales y propuesta de recuperación.
Descripción REFERENCIA Área Coberturas
actuales %
Área Propuesta de
Recuperación %
Residential-Med/Low
Density --> URML 4 4
Paramo --> PARA 34 40
Grarigue --> GRAR 10 16
Water --> WATR 0.03 0.03
Pine --> PINE 1 1
Agricultural Land-
Generic --> AGRL 23 15
Pasture --> PAST 28 24
Fuente: Autor
94
Figura 39 Mapa Propuesta de Recuperación
Fuente: Autor
Con la distribución de coberturas asignadas, se evidencian incrementos en los caudales
máximos en 2003 y 2004, de igual manera ligeros aumentos en el flujo base (ver Figura 40)
los cuales permiten una distribución más homogénea en cuanto a la respuesta de la cuenca,
siendo evidente en la totalidad del periodo 2004. Para finales del periodo 2005 e inicios del
año 2006, el escenario de recuperación presenta flujos inferiores a las condiciones actuales
de la microcuenca, con rangos que varían de los 0,3 a los 1,1 m3/s.
95
Figura 40 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2003 – 2006.
a)
b)
Fuente: Autor
Desde abril de 2006 y contrario a los caudales presentados en el año anterior, se presentan
flujos máximos de 2,3m3/s (Ver Figura 41), los cuales se sostienen en caudales
homogéneos que se reducen hasta el mes de agosto. Paralelamente, entre mayo y julio de
2006 se resalta la diferencia entre los valores del escenario propuesto y los valores
obtenidos en la calibración, llegando a valores de 1,3 y 0,32 m3/s y 0,7 y 0,23 m3/s para
propuesta y calibración respectivamente y en un mismo periodo. En noviembre de 2007 se
observa un flujo máximo de 1,5 m3/s, para posteriormente mejorar la respuesta hídrica con
caudales mínimos simulados superiores a los 0,2 m3/s en el año 2008.
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SIMULADOS COBERTURASACTUALES
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SIMULADOS COBERTURAS ACTUALES
SIMULADOS ESCENARIO
96
Figura 41 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2006 – 2008.
a)
b)
Fuente: Autor
Relacionando la validación del modelo y el escenario elegido como propuesta de
recuperación, en la Figura 42, se evidencian caudales validados superiores desde junio
hasta inicios de septiembre de 2009, pero inferiores en diciembre de 2008 y abril de 2009.
De igual forma, de enero a marzo de 2010 el flujo en el escenario no logra aumentar, pero
desde el mes de julio evidencia aumentos que regula la respuesta sobre caudales
validados.
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SIMULADOS ESCENARIO
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SIMULADOS ESCENARIO
97
Figura 42 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2008 – 2011.
a)
b)
Fuente: Autor
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SIMULADOS ESCENARIO
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SIMULADOS COBERTURASACTUALES
SIMULADOS ESCENARIO
98
13. PLANES DE REHABILITACIÓN:
Dados los disturbios generados por la intervención antrópica sobre zonas de páramo, la
propuesta de recuperación pretende regular sobre la microcuenca las condiciones hídricas,
reducir los niveles de erosión, mejorar la renovabilidad del ecosistema y establecer medidas
de protección del Páramo La Cortadera. En este caso, la implementación de planes de
rehabilitación precisa herramientas de manejo y facilita la consecución y el materializar el
escenario formulado. De acuerdo a lo anterior, y con la finalidad de facilitar la regulación
hídrica, se formulan las siguientes medidas:
13.1. Recuperación de coberturas de agricultura en alturas < 3000 m.s.n.m.
Para zonas de agricultura en límites inferiores a los 3000 m.s.n.m., se hace posible
establecer sucesiones vegetales aplicables a agro-ecosistemas de alta montaña; el aplicar
ciclos de rotación cultivo-descanso a partir de sucesiones y secuencias de especies
dominantes, en el primer año comprende cultivo, en los siguientes años (dependiendo el
crecimiento de las especies) corresponden descansos que facilitan el crecimiento de
gramíneas como Anthoxantum odoratum y posteriormente arbustos que se encarguen de
poblar los terrenos, en esta etapa se procede a roturar el campo nuevamente para
cultivos77; para la implementación en parcelas, entre mayor periodo de descanso se obtiene
mayor regeneración de fertilidad, debido a que aumenta el contenido de biomasa como
fuente de abono78
Para la propuesta de recuperación, se recomienda que en las coberturas dedicadas a uso
agrícola se implementen sistemas de producción propietaria y no bajo producción
arrendataria. De acuerdo a sus implicaciones ecológicas (Tabla 20) la producción
propietaria (la cual presenta como objetivo la subsistencia) comprende fertilización en parte
natural (en condiciones de arado) y en parte mineral, la vegetación sucesional es utilizada
como abono verde y permite mayor control ante procesos erosivos; contrario a la
producción arrendataria, la cual alcanza únicamente objetivos de comercialización, en la
cual se utiliza fertilización química para reducir los tiempos de descanso de parcelas y sin
manejar prácticas de conservación79 .
77 GUHL, Ernesto. Los Páramos Circundantes en la Sabana de Bogotá. Edición
conmemorativa. Jardín botánico de Bogotá 1995.
78 BOORRAS. Op. Cit., p94 79 Ibíd., p. 92
99
Tabla 20 Implicaciones ecológicas en sistemas de producción propietaria y arrendataria
Sistema de Producción Propietarios Sistema de Producción Arrendatarios
Mayor control analítico sobre parcelas: en algunos casos se utilizan las parcelas para cultivos en su fase óptima de regeneración.
Menor selectividad en la elección de parcelas a cultivar.
Fertilización en parte natural y en parte química.
Fertilización química: reducción del tiempo de descanso.
Mayor diversidad de parcelas en diferentes estados.
Menor diversidad de parcelas: disminución en la diversidad ecológica.
Menor exportación de nutrientes. Mayor exportación de nutrientes.
Aumento de las tasas de infiltración. Modificación del balance hídrico: alteración de la relación entre infiltración y escorrentía.
Retención de agua por reducción de la evaporación directa.
Modificación de la capacidad de almacenamiento de agua en el suelo y de la evaporación.
Mayor resiliencia. Menor resiliencia.
Fuente: BORRAS, Influencia de los patrones de uso actual de la tierra sobre la dinámica de
la vegetación (vereda San Antonio, Municipio de Guachetá – Cundinamarca), 2001.
Como recuperación del medio edáfico, la rotación como práctica consiste en sembrar
distintos tipos de cultivo de manera alterna en el mismo suelo, obteniendo beneficios sobre
la fertilidad y mejoras en propiedades físicas; para casos de estudio (Figura 43) dónde Da,
Densidad aparente inicial 1,65 g/cm3) del horizonte A de un Arenic Haplustalf después de
2 años. A: arr Arroz; AL; Algodón; C:Caupí; CR: Crotalaria; S: Sorgo; SY: Soya., se han
presentado aumentos en la porosidad total, así como variaciones en la densidad aparente,
donde se presentan reducciones posteriores a sometimientos bajo años de rotación con
leguminosas incorporadas80 (Jaramillo, Gutiérrez, 2002).
80 JARAMILLO, Daniel. Introducción a la Ciencia del Suelo, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, 2002. P. 283
100
Figura 43 Efecto de diferentes rotaciones de cultivo sobre la densidad aparente
Fuente: JARAMILLO, Introducción a la Ciencia del Suelo, 2002.
Se hace posible la implementación de abonos verdes o coberturas, (siendo en este caso
“especies de plantas, que se incorporan en el suelo para mejorar las condiciones físicas,
químicas y biológicas”) siendo útiles en el aumentar la infiltración en el terreno y evitando
el arrastre de sedimentos sobre cuerpos hídricos, adicional a beneficios como el mantener
la humedad del suelo, regular la temperatura, cultivo para prevenir la erosión y las
considerables proporciones de materia orgánica que proporcionan. 81
Para este tipo de enmienda orgánica, cualquier planta puede ser utilizada, pero las más
apropiadas son las leguminosas por su contenido de nitrógeno; en el caso de clima frio, la
metodología recomienda avena, nabo forrajero, vicia, girasol, quinua, alfalfa y tréboles
como especies de mejor potencial.82.
Como implementación de sistemas que reduzcan el movimiento del suelo, se puede
emplear adecuaciones por medio de labranza, sembrando directamente sobre los residuos
de cosecha del cultivo anterior (Labranza cero), laboreo de suelo con suficiente tiempo
antes de la siembra (Labranza mínima o anticipada) y preparación del suelo con
implementos agrícolas que se utilizan en los diversos cultivos.83
Considerando que para el rio Chorrera se encuentran sectores con flora nativa y plantas
exóticas (mortiño, jarilla, cortadera, castilleja fissifolia, Passiflora crispolanata ó curuba
81 VITERI, Silvio, MÉNDEZ M. Abonos Verdes. Selección e Introducción de Abonos Verdes para la Sostenibilidad de los Sistemas de Producción en los municipios de Samacá, Turmequé, Tunja y Paipa- Boyacá. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. 2003. 82 BURBANO, Hernán, SILVA, Francisco. Ciencia del Suelo – Principios básicos.1 ed. Bogotá, D C. Colombia. Publicación de la Sociedad Colombiana de la Ciencia del Suelo. 2010. P. 281 83 QUINCHANEGUA, Eduar. Guía para la Adecuación y conservación de suelos. ISBN: 978-958-48-7302-6. Colombia, 2019 p.10
101
nativa, jarilla blanca, tuno y toronjas nativas) 84, se recomienda introducir especies sobre
zonas de pastos y sobre unidades taxonómicas con altos factores de erodabilidad (HK259B
- “Typic Endoaquerts”).
13.2. Recuperación de coberturas:
Las fases de recuperación comprenden el extender hierbas y pastos introducidos y hierbas
nativas para posteriormente agregar plantas colonizadoras de páramo (frailejón, Hypericum
juniperinum, Acanea elongata y Acanea cylindristachya, entre otras), en este caso la
generación de vegetación natural transcurre en periodos largos (reconociendo el tiempo de
crecimiento de especies como frailejón)85. En consecuencia, para recuperar o rehabilitar
flora nativa en páramos posterior a una intervención debida a actividades de agricultura, se
debe regenerar de manera gradual, debido a la reestructuración del sistema ecológico.86
Aplicado a alturas superiores a 3.000 m.s.n.m y dentro de la delimitación del Parque
Regional Natural Cortadera (el cual se encuentra enmarcado dentro del complejo de
páramos Tota – Bijagual – Mamacha - jurisdicción de Corpoboyacá), la zona se encuentra
definida como área protegida, objeto de conservación debido a la biodiversidad,
remanentes de bosque Nativo, especies de flora y fauna, humedales y potencial de
regulación hídrica que representa87; por lo que, la implementación de estrategias de
restauración deberá comprender la inclusión de especies características de páramo y
bosque alto andino, considerando el aumento de 559 hectáreas en coberturas y el retiro de
actividades agrícolas.
El acuerdo No 024 de 2015 de CORPOBOYACÁ (el cual no se encuentra adoptado) declara
y alindera el Parque Regional Natural Cortadera en zonas de preservación, las cuales
incluyen áreas de nacimientos y áreas de habitad de especies endémicas y amenazadas;
así como de zonas de restauración, relacionando la inclusión de áreas de mayor
precipitación, áreas de deslizamientos o bajo efectos de erosión, áreas de vegetación
secundaria y áreas con coberturas de pastos y cultivos88; para este caso, es importante la
sustitución de zonas de uso agrícola, considerando que el documento indica la zona de
preservación bajo cobertura “forestal protectora” como uso principal, “preservación y
conocimiento, investigación científica” como usos compatibles.
En cumplimiento a la protección de los cauces, se debe reforestar con especies nativas
distancias de 30 metros como ronda hídrica. Complementariamente y para dar
cumplimiento al escenario propuesto, se hace necesario que las entidades
gubernamentales planeen planes de inversión para la adquisición de predios sobre zonas
de páramo para conservación.
84 ALCALDÍA DE TOCA. Op Cit. p.11 85 VAN DER HAMMEN. Op. Cit. 86 BORRAS. Op. Cit 87 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL BOYACÁ. Acuerdo No. 024 del 17 de diciembre de 2015. Por el cual se declara ya lindera el parque natural regional Cortadera, ubicado en los municipios de Siachoque, Toca, Pesca, Rondón y Tuta. p. 10 88 Ibíd., p. 11
102
Es importante mantener un equilibrio ambiental entre los usos destinados a la protección
de recursos naturales y los destinados a la producción, con la finalidad de reducir el impacto
o deterioro de los suelos por los conflictos de uso. Así mismo, el sector agrícola debe ser
capacitado por parte de entidades públicas regionales en el beneficio de usar abonos
orgánicos, complementario a que se realice una gestión integrada con proveedores de
residuos químicos y sus embalajes (POMCA).
103
14. CONCLUSIONES
Los resultados de respuesta estimada 𝛼 y β y los coeficientes de determinación obtenidos,
indican que la información hidrológica referente a temperaturas mínimas, medias y máximas
bajo regresión lineal múltiple presentan una alta relación, comprobando así la aplicabilidad
del método estadístico para completado de datos faltantes a nivel diario; sin embargo, su
empleo se encuentra orientado para periodos sin fenómenos de variabilidad climática.
Para las 6668 hectáreas que comprende la microcuenca La Chorrera, fue posible establecer
20 unidades cartográficas, las cuales indican suelos específicos con características “Muy
firmes” (HL211, MMXe1), presentando un ambiente limitado para la formación de raíces,
baja aireación e infiltración reducida.
A partir de la simulación se permitió establecer la respuesta hidrológica de la microcuenca
La Chorrera en 21 subcuencas y 168 unidades de respuesta HRU, basado en la información
recopilada (información climatológica, topografía, coberturas y características de los
distintos tipos de suelo) y en el balance hídrico desarrollado en el modelo SWAT.
El proceso de calibración, comprendido en el periodo 2003-2007 presentó resultados
satisfactorios a partir del coeficiente de eficiencia NSE y coeficientes de determinación
ajustado “aceptables”, generando niveles de rendimiento y semejanza entre caudales
observados y simulados, indicando finalmente caudales ligeramente inferiores a los
obtenidos en la estación limnimétrica. El periodo de validación (2008-2011), demostró
eficiencia satisfactoria de acuerdo al coeficiente NASH, cumplimiento en el coeficiente de
determinación ajustado, flujos ligeramente subestimados hasta noviembre de 2009 y
caudales mayores a los observados en el periodo 2010-2011; sin embargo, a partir de los
coeficientes y análisis hidrológico fue posible definir caudales estacionarios incluyendo
fenómenos de variabilidad climática.
De acuerdo a la sensibilidad del modelo y tomando como referencia estimaciones de
cambios promedio en la función objetivo (coeficiente t-stat=12,68”), el parámetro de agua
subterránea ALPHA_BF o Flujo base constante de recesión presenta mayor influencia en
la obtención de caudales para procesos de calibración, seguido de SOL_AWC como
característica del suelo (Capacidad de agua disponible en el suelo o capacidad de campo),
y CN2 o número de curva, siendo parámetro referente a Unidades de Respuesta hidrológica
dentro del proceso de simulación. Con menor influencia se encuentran los parámetros
“CH_K2” (conductividad hidráulica efectiva en el canal principal), “GW_DELAY” (retraso de
aguas subterráneas) y “GWQMN” (Umbral de profundidad del agua en el acuífero poco
profundo).
Al concertar la presente investigación con diferentes estudios, se relaciona que al comparar
los parámetros que gobiernan la respuesta de la cuenca, así como los que gobiernan la
respuesta hídrica superficial y subsuperficial, el grado de sensibilidad para procesos de
calibración y validación varía de acuerdo a las características propias de cada cuenca en
términos de suelos y coberturas. En la presente investigación, el coeficiente CN2 (el cual
hace parte de los procesos de escorrentía) presenta de acuerdo a la prueba t sensibilidades
104
altas; sin embargo, al determinarse por medio de procedimientos en campo, para procesos
de calibración no pudo tener las mismas variaciones que los otros parámetros relacionados.
El escenario que comprende la modificación de coberturas de agricultura en zona de
páramo y la protección de rondas hídricas en 30 metros se define como propuesta de
recuperación, considerando los caudales mínimos y máximos obtenidos, el aumento en el
flujo base obtenido para épocas de sequía, mayor retención de agua (demostrado en las
curvas de duración de caudales) y la necesidad de establecer medidas de restauración
sobre páramo, lo anterior acorde a los lineamientos brindados por entidades públicas.
Con la finalidad de materializar el escenario formulado, para zonas de agricultura
localizadas en alturas inferiores a los 3.000 m.s.n.m., se recomienda utilizar ciclos de
rotación (cultivo – descanso), complementario a sistemas de producción propietaria en
donde se puedan implementar alternativas de fertilización, abonos verdes o coberturas,
enmienda orgánica (con especies como avena, nabo y vicia) y preparación por labranza de
acuerdo a la metodología enunciada. Adicionalmente, para el rio Chorrera se recomienda
la recuperación a partir de la reinserción de especies de flora nativa.
La fase de recuperación para zona de páramo, incluye la introducción de plantas
colonizadoras de páramo (frailejón, Hypericum juniperinum, Acanea elongata entre otras)
de manera gradual y de acuerdo a los lineamientos legislativos aplicables a zonas de
preservación.
Considerando los resultados obtenidos en la calibración y validación, se concluye que la
investigación se puede utilizar como herramienta de apoyo para la toma de decisiones en
cuanto al manejo y planificación del territorio.
105
RECOMENDACIONES
Considerando que las zonas que comprenden la unidad taxonómica “Typic Endoaquerts -
HK259” presentan mayores factores de erodabilidad, se recomienda no hacer
intervenciones para actividades dedicadas al pastoreo y agricultura, siendo necesaria la
inclusión de especies nativas.
No se debe aumentar las coberturas dedicadas al aprovechamiento agrícola; debido a que
los caudales obtenidos en el escenario propuesto (modificación de cobertura de agricultura
en zona de páramo y protección de rondas hídricas), presenta mayor retención de agua y
en general mayor número de caudales altos para los periodos modelados en la calibración
y validación.
Para alturas inferiores a 3.000 m.s.n.m. se hace necesaria la implementación de sistemas
de producción propietaria; así mismo se deben implementar ciclos de rotación cultivo a
través de sucesiones, abonos verdes y coberturas. Se recomienda que la totalidad de área
que corresponde al páramo La Cortadera y que pertenezca a la microcuenca “La Chorrera”
se incluya como zona de preservación, en el cual no se permita el incremento de la frontera
agrícola.
Se recomienda realizar levantamientos de zonificación de tierras (incluyendo para cada
perfil del suelo la toma en campo y la caracterización de propiedades físico químicas) a una
escala semidetallada (1:25000), donde se generen polígonos para la totalidad de unidades
cartográficas. Así mismo, con la finalidad de se recomienda la instrumentación de
estaciones que midan datos de temperatura y humedad.
106
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