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