Koen Verbist y Donald Gabriels
MATERIALES Y METODOS El modelo ‘STM-3D’
En este caso se selecciono un modelo basado en principios físicos. Sobre todo la parte hidrológica que se compone de ecuaciones de balance de masa y de momento. Usa la teoría de la onda cinemática (De Saint Venant, 1871) para describir el movimiento del agua en el espacio y en el tiempo. Así se puede calcular el caudal en cada punto de la cuenca.
La producción de escorrentía superficial está calculada con el algoritmo de Green y Ampt (1991). Esta ecuación permite calcular la infiltración acumulada en el suelo en función del tiempo. La diferencia entre la precipitación y la infiltración es lo que se pierde por escorrentía.
Para facilitar el uso del modelo, es importante disminuir el número de parámetros necesarios. Por tanto, es importante trabajar con funciones de pedotransferencia, que estiman parámetros utilizando propiedades básicas del suelo. El modelo mencionado necesita la textura del suelo y el contenido de materia orgánica para estimar una grupo de parámetros físicos, como la densidad aparente (Manrique en Jones, 1991), la conductividad hidráulica (Campbell, 1985) y las características de retencion de humedad del suelo (Vereecken et al., 1989).
La utilización de parámetros físicos en los cálculos, permite calibrar y validar cada parte del modelo con mediciones. También esta manera de trabajar muestra la sensibilidad de los parámetros usados y de las ecuaciones usadas para estimarlos.
En la segunda parte, el transporte de sedimentos por la escorrentía no es viable describir físicamente. El comportamiento de los sedimentos en suspensión y la carga de fondo en la escorrentía superficial, son muy variados en tiempo y espacio. Por lo tanto, no se dispone de ecuaciones físicas que sean fácilmente aplicables en la modelización. En este modelo se decidió aplicar la teoría de ‘stream power’, que es una variable empírica, que combina el caudal con la pendiente para generar el ‘fuerza de la escorrentía’ (Nearing et al., 1997).
Unos de los objetivos de este estudio es la calibración de esta variable. Por lo tanto, se utilizaron diferentes ecuaciones que vinculan la ‘fuerza de la escorrentía’ con su capacidad para transportar suelo por unidad de ancho. Especialmente dos ecuaciones fueron comparadas, una es la de Nearing et al. (1997) y la otra fue obtenida por mediciones durante simulaciones de lluvia en el campo en dos parcelas de 5 m². Para buscar la ecuación adecuada para insertar en el modelo, las dos ecuaciones son aplicadas a mediciones continuas de la escorrentía en el campo. Este campo experimental consiste en 16 parcelas de 100 m de longitud y de 1 m de ancho, donde continuamente se monitorea la escorrentía y la pérdida de suelo. Por cada evento de lluvia medido se puede comparar la pérdida de suelo simulada, utilizando una de las dos ecuaciones, con la pérdida de suelo medida. Durante el periodo 2001-2003, 92 eventos fueron utilizados para
este objetivo. En la figura 1 se observa la relación entre la predicción y la medición por cada evento.
pérdida de suelo medida (kg)
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100
pérdida de suelo simulada (kg)
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100
ecuación de Nearing et al.(1997)
ecuación obtenida por simulación de lluvia en campo linea 1:1
Figura 1. Comparación entre las pérdidas de suelo simulado con dos ecuaciones y la pérdida medida
Analizando la figura 1 se evidencia que la ecuación de Nearing (1997) resulta más ajustada a las mediciones, y por tanto, se prefiere para incorporarla en el modelo STM -3D para estimar la pérdida de suelo máximo, basado en la escorrentía producida en el campo.
Proyecto piloto
Se puede calcular la pérdida de suelo en una cuenca, utilizando el modelo STM-3D (Biesemans, 2000). Para un proyecto piloto se seleccionó una pequeña cuenca de 271 ha. En esta cuenca el gobierno efectúa mediciones del caudal y de la concentración y con estas se pudo calibrar el modelo STM-3D. Esta cuenca se ubica a pocos kilómetros del campo experimental donde las mediciones son efectuadas en las parcelas de 100 m x 1 m, anteriormente descritas.
Para este estudio se seleccionaron dos diferentes eventos de lluvia para incorporar las diferencias en la humedad del suelo y en las características de las lluvias. En la figura 2 se presenta la distribución de lluvia anual (mm), como promedio de 105 años, en la estación meteorológica nacional de Ukkel en Bélgica, junto con la erosividad (MJ mm ha-1 año-1). Este último parámetro es una combinación de la intensidad de la lluvia y su energía.
En esta gráfica se nota que la cantidad de lluvia durante el verano no es más alta que durante el invierno, pero que la erosividad aumenta significativamente durante el verano. La precipitación cae en forma de tormentas cortas, pero con muy alta intensidad. En el invierno, al contrario, las lluvias duran varias horas, pero la intensidad no alcanza niveles altos. La razón por la que se empiezan a formar surcos en esta temporada, se debe a que el suelo está totalmente saturado, como efecto del mal drenaje en el perfil de suelo. En este caso, el uso de maquinas pesadas en condiciones muy húmedas, causa compactación del suelo y como consecuencia una baja permeabilidad.
Como se mencionó hay una gran diferencia en la humedad del suelo durante las dos situaciones: en el invierno la humedad alcanza fácilmente 90% de la saturación; sin embargo, la humedad en el suelo en el verano es mucho más baja. Las propiedades de los dos eventos de lluvia utilizados, son descritas en el cuadro 1.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic
precipitación (mm) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 erosividad (MJ.mm/ha.año) precipitación erosividad
Figura 2. Distribución de la precipitación (mm) y erosividad (MJ mm ha-1 año-1) en la estación
meteorológica de Ukkel, Bélgica
Cuadro 1. Características de los eventos de lluvia usados y pérdida de suelo simulada en la cuenca
Fecha Duración (h) Intensidad (mm h-1) Intensidad máxima (mm h-1)/5min Pérdida de suelo (Mg) 26/12/2002 4,25 1,1 4,0 29,9 08/06/2003 0,5 17,2 33,2 98,2
En el modelo se utilizan las rugosidades de Manning. En estas simulaciones, cuatro usos de tierra fueron utilizados: tierra arable, pradera, bosque y urbanización. Por cada uno de estos usos, se atribuyó una rugosidad de Manning (determinado por Engman, 1986).
Cómo parámetro de ingreso hace falta un mapa digital del terreno, con una resolución espacial suficientemente alta. En este estudio se construyo un Modelo Digital del Terreno (MDT) de la cuenca con una resolución espacial de 20 metros. De este mapa se deduce el área acumulativa de drenaje por cada píxel en la cuenca y el mapa que indica la dirección de la escorrentía de un elemento al otro, que también son prerrequisitos para poder efectuar simulaciones con STM -3D. Las diferentes texturas de los suelos de la cuenca fueron obtenidas del Mapa de Suelos Belgas. Para tener un valor determinado por cada elemento de 20 por 20 metros, los valores iniciales fueron interpolados con el método de Kriging. Así cuatro nuevos mapas fueron creados, un mapa con el contenido de arcilla, de arena y de limo y finalmente un mapa con el contenido de materia orgánica.
Finalmente se necesita también un mapa con la red hidrográfica, indicando el ancho de los canales y arroyos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Con esta configuración se efectuaron varios cálculos. En la figura 3, la exportación de sedimento de cada píxel de la cuenca está indicada por la lluvia del 8 de junio, en la situación sin medidas de control de erosión. En los dos eventos de lluvia seleccionados varios escenarios fueron investigados y comparados con la situación inicial. Primero, fue analizado el uso de franjas de hierbas al lado de los arroyos. El efecto de la zona de hierba es una reducción drástica de la capacidad de transporte, por el incremento de rugosidad y una disminución de la velocidad de
flujo superficial. Durante una lluvia la franja acumula sedimentos hasta que alcanza un máximo, dependiente de la pendiente de la zona. En los cuadros 2 y 3 se indican las pérdidas calculadas por el escenario de fajas de diferentes anchos al lado de los arroyos y en las parcelas que más contribuyen a la pérdida de suelo. Una comparación con la situación inicial está calculada en forma de porcentaje de reducción.
Figura 3. Mapa de la cuenca del arroyo ‘Mariaborre‘, con indicación de la erosión o deposición relativa para todas las parceles agrícolas producidos por la lluvia del 8 de junio 2003
Analizando los cuadros 2 y 3, se evidencia que la ubicación de la faja de hierbas en la cuenca es importante. Se observa que al lado de los arroyos es más efectiva. Esto es debido a que la franja hace depositar sedimentos, así que el agua residual tiene una baja concentración de estos. Si este flujo de agua no es captado en los arroyos, tiene la oportunidad de arrastrar nuevos sedimentos, entonces la eficacia de la medida disminuye.
Cuadro 2. Pérdida de suelo en la cuenca piloto con aplicación de fajas de hierba al lado de los arroyos y porcentaje de reducción comparado con la situación inicial
Lluvia del 26/12/2002 Lluvia del 08/06/2003
Ancho de faja (m) Pérdida de suelo (Mg) Reducción (%) Pérdida de suelo (Mg) Reducción (%) 1 22,5 25 84,4 14 2 17,6 41 76,7 22 5 11,3 62 58,7 40 10 7,6 74 43,6 56 20 5,2 83 29,7 70
Cuadro 3. Pérdida de suelo en la cuenca piloto con aplicación de fajas de hierba en el 10% de las parcelas que más contribuyen y el porcentaje de reducción comparado con la situación inicial
Lluvia del 26/12/2002 Lluvia del 08/06/2003
Ancho de faja (m) Pérdida de suelo (Mg) Reducción (%) Pérdida de suelo (Mg) Reducción (%) 1 29,2 3 95,7 3 2 28,5 5 94,7 4 5 27,4 8 93,0 5 10 26,4 12 91,1 7 20 25,4 15 88,2 10
Otra distinción es notable entre los dos eventos de lluvia. Durante la lluvia del invierno, la reducción del lodo de la escorrentía es más alta en comparación con el evento del verano. En el verano, el carácter de la precipitación es torrencial, así que la concentración de la escorrentía aumenta drásticamente en corto tiempo. La capacidad máxima de la franja de hierba se alcance más rápida en el verano, que en el invierno. Por tanto, la exportación de sedimentos de la franja en relación con la importación será más grande en el verano que en el invierno. Al final de la lluvia en el verano, la efectividad de la franja en reducir la exportación de sedimentos será muy baja, así que la escorrentía que alcanza los arroyos tendrá una concentración de sedimentos más alta.
En el cuadro 4 se presentan los resultados de la conversión de parcelas arables en praderas, observándose reducciones significativas en las pérdidas de suelo, ya que ha eliminado el origen de sedimentos. Esta conversión sin embargo es una medida drástica.
Cuadro 4. Pérdida de suelo en la cuenca piloto después de la conversión del 10% y 20% de las parcelas con alto riesgo de erosión hídrica y el porcentaje de reducción comparado con la situación inicial
Lluvia del 26/12/2002 Lluvia del 08/06/2003
% de parceles convertido Pérdida de suelo (Mg) Reducción (%) Pérdida de suelo (Mg) Reducción (%) 10 19,6 35 71,8 27 20 13,3 56 49,7 49 CONCLUSIONES
− A partir de los resultados obtenidos se evidencia que la aplicación de modelos para obtener información sobre las medidas aconsejables para el control de erosión hídrica puede ser una herramienta poderosa en estudios de cuencas. El modelo usado, STM -3D, es capaz de aproximarse a la realidad, cuando las condiciones iniciales son conocidas. Sin embargo, el uso
de modelos en estudios ha de ser aplicado con alta prudencia. Una calibración adecuada de ellos es importante para tener resultados realistas.
− La aplicación de STM -3D en la pequeña cuenca del arroyo ‘Mariaborre’ señala que la implementación de medidas en la cuenca tiene una alta importancia. Así, se muestra que la construcción de fajas de hierba al lado de los arroyos es muy eficaz para reducir la exportación de sedimentos a los ríos. Reducciones de hasta un 83% fueron obtenidas para lluvias individuales de baja intensidad y hasta un 70% con tormentas, que pueden disminuir considerablemente cuando dos lluvias importantes caen en corto plazo.
− Por otro lado, se obtiene que la instalación de fajas en 10% de las parcelas que más contribuyen a la erosión hídrica tiene mucho menos influencia en la reducción de exportación de sedimentos a los ríos. La erosividad de la escorrentía no está disminuida, así que puede arrastrar de nuevo sedimentos en otros campos antes de alcanzar el río. La eficacia de esta medida resulta reducida por este mecanismo. Por tanto, es importante tener zonas de infiltración en la cuenca para reducir la erosividad de la escorrentía.
− La aplicación de fajas de hierba por supuesto no disminuye la producción de sedimentos. Por tanto, puede ser necesario convertir las parcelas más erodables en pradera. Esta medida es eficaz para reducir las zonas de producción de sedimentos, pero disminuye el área arable drásticamente.
− Se puede concluir que la aplicación de un modelo como el STM -3D tiene muchas posibilidades y que es factible añadir otras alternativas en la simulación, como labranza reducida, pequeñas zonas de infiltración y otras medidas mecánicas o agronómicas (rotaciones o técnicas adaptadas). El único requisito es tener relaciones entre escorrentía y erodabilidad por cada medida simulada.
REFERENCIAS
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Flanders. Unpublished PhD thesis, Ghent University. 260p.
Campbell G.S., 1985. Soil physics with BASIC, Transport models for soil-plant systems. Elsevier,
Amsterdam.
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propagation of tides in river channels. French Academy of Science, 73, p.148-154, p.237- 240.
Engman E.T. 1986. Roughness coefficients for routing surface runoff. Journal of Irrigation and
Drainage Engineering, 112(1), pp.39-59.
Green W.H.; Ampt G.A. 1991. Studies on soil physics, Part I: The flow of air and water through
soils. Journal of Agricultural Science, 4(1), p.1-24.
Manrique L. A.; Jones C. A. 1991. Bulk density of soils in relation to soil physical and chemical
properties. Soil Science Society of America Journal, 55, p.476-481.
Nearing M. A.; Norton L. D.; Bulgakov D. A.; Larionov G. A.; West L. T.; Dontsova, K. M. 1997. Hydraulics and erosion in eroding rills. Water Resources Research 33:865-876. Schiettecatte W.; Verbist K.; Gabriels, D.; Biesemans J. 2003. Interrill erosion under
detachment and transport limited conditions. In Gabriels en Cornelis (Eds) 25 years of assessment of erosion. Proceedings of the international symposium, Ghent, Belgium, pp.257-262.
Verbist K.; Schiettecatte W.; Gabriels D.; Biesemans J. 2003. Usability of rainfall simulation
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Vereecken H.; Maes J.; Feyen J.; Darius P. 1989. Estimating the soil moisture retention
characteristic from texture, bulk density, and carbon content. Soil Science, 146(6), p.389- 403.