MODELACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS

La simulación de los procesos erosivos comienza en la década de los 30 y 40s en Estados Unidos por la necesidad de evaluar diferentes prácticas de conservación de suelos (Morgan y Quinton, 2001). Esta primera generación de modelación se inicia con la caracterización cualitativa –aún en uso- mediante la utilización de herramientas visuales o mediante el estudio de las formas erosivas. Esta primera etapa fue seguida por la definición de índices que buscaban medir la susceptibilidad a la erosión por parte de los suelos (Vega-Carreño y Febles- González, 2005).

La primera formulación matemática, desarrollada por Zingg (1940), relacionaba la pérdida de suelo con la longitud de la parcela y la pendiente, y fue generada experimentalmente en parcelas cultivadas del Occidente medio de Norteamérica. A partir de allí diferentes parámetros se han ido incorporando como la inclusión de los cultivos y prácticas de conservación, el tipo de suelos y precipitaciones, entre otros, y fue así como se originó la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo o USLE por sus siglas en inglés –desarrollada por Wischmeier y Smith (1978). Dicho modelo fue propuesto para estimar la pérdida anual de suelo por erosión en surcos y entresurcos, aplicándose en campos con estrategias agrícolas específicas (Morgan y Quinton, 2001). Inicialmente el método USLE no fue considerado un modelo, pero como contiene entradas y salidas, puede ser considerado como el primer modelo empírico para la estimación de la pérdida de suelo (Morgan y Quinton, 2001).

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Después de esta primera generación empiezan a surgir modelos cada vez más complejos que incorporarán paulatinamente más factores para estimar la erosión. El modelo USLE, que fue el primer modelo empírico para el cálculo de la erosión, ha sido el más ampliamente difundido y utilizado, pero aun así adolece de ciertas fallas que han tratado de ser corregidas a lo largo de los años, dando origen a otros modelos. Consecuentemente, Williams (1975) desarrolló la Ecuación Universal Modificada de Pérdida de Suelo (MUSLE por sus siglas en inglés) y Renard et al., (1991), propusieron la Ecuación Universal Revisada de Pérdida de Suelo (RUSLE por sus siglas en inglés) (Vega-Carreño y Febles-González, 2005).

En los primeros modelos, como es el caso del método USLE, se buscaba la tasa de

erosión media anual, pero posteriormente se necesitó contar con información más detallada

como la tasa de erosión para eventos individuales, la localización de la erosión, la tasa de erosión por eventos, las fuentes que originan la erosión, los cambios a largo plazo en las laderas y la deposición de sedimentos dentro de la cuenca. Adicionalmente los adelantos investigativos generaron un descontento general con el método USLE, ya que los resultados obtenidos no eran adecuados al utilizarlo con diferentes escalas espaciales y temporales, y condiciones climáticas o de suelos diferentes a aquellas para las que el método fue ideado inicialmente. Por estas razones empezaron a desarrollarse los modelos de base física o modelos basados en procesos que permiten describir matemáticamente el comportamiento erosivo y realizar las predicciones necesarias.

Los modelos de base física se fundamentan en la modelación matemática de los procesos físicos que intervienen en el fenómeno erosivo para determinar la producción de sedimentos (Morgan y Quinton, 2001). Muchos de estos modelos aún contienen ecuaciones empíricas y por lo tanto resulta más apropiado denominarlos modelos basados en procesos que modelos de base física (Morgan y Quinton, 2001), aunque normalmente no se hace la distinción entre uno u otro tipo. La mayoría de estos modelos parten de la formulación realizada por Meyer y Wischmeier en 1969 (Nearing et al., 1989), aunque existen muchas diferencias con respecto a la formulación (Morgan y Quinton, 2001).

Selección del tipo de modelo

Cada tipo de modelo sirve para un propósito particular, de modo que no se puede decir que un modelo es mejor que otro sino que es más apropiado para determinado objetivo.

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La modelación empírica es útil para la estimación de la producción de sedimentos en forma continua y para áreas que puedan ser trabajadas de manera agregada. Sin embargo, no suministran información sobre la tasa de erosión por eventos, las fuentes que originan la erosión, los cambios a largo plazo y/o la sedimentación.

Sin embargo, dicho tipo de modelación ha sido ampliamente criticada, ya que como está correctamente expresado en Merrit et al., (2003): “emplean asunciones poco realistas sobre la física de la cuenca, ignorando la heterogeneidad de los datos de entrada y las características de la cuenca, tales como la precipitación y los tipos de suelos, así como que ignoran las no- linealidades inherentes en las cuencas”. Otro problema es que estos modelos normalmente asumen un comportamiento estacionario de los procesos, lo cual limita las capacidades de predicción de los cambios en la cuenca.

Por último, ya que los modelos empíricos han sido generados a partir de bases de datos específicas, podrían no ser extrapolables a áreas que tengan condiciones diferentes. A pesar de estas críticas, los modelos empíricos han sido ampliamente utilizados porque requieren mucho menos datos de entrada que otros tipos de modelos, lo cual reduce los requerimientos computacionales y la incertidumbre asociada a dichos datos. Estas características han hecho de este tipo de modelación, herramientas particularmente útiles para el análisis y estimación de los sedimentos en cuencas cuando existe poca información, y para realizar estudios previos en los cuales se pretenda identificar las fuentes de sedimentos y otros contaminantes.

Por otra parte, los modelos de base física permiten realizar una descripción distribuida de la variabilidad espacial de las propiedades, los procesos, y por tanto los resultados en el área de estudio. También permiten describir la evolución temporal de la producción, transporte y sedimentación de las partículas. Esta característica es especialmente útil y resulta necesaria cuando se busca describir factores locales como los procesos erosivos de desprendimiento y los tiempos de viaje del transporte de sedimentos (Ferro y Minacapilli, 1995).

Por tanto, los modelos de base física distribuidos resultan ser más ventajosos para realizar estimaciones de la producción de sedimentos de manera detallada y sobre todo para proyectar soluciones prácticas. En atención a lo anterior se han desarrollado múltiples modelos distribuidos. Sin embargo, varios autores proponen que estos últimos deben ser aplicados de manera cuidadosa porque al ser más complejos, presentan problemas de sobre-

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parametrización, solicitud de datos poco realistas y/o condiciones de aplicación no extrapolables a otras regiones (Merrit et al., 2003, Woolhiser, 1996).

En la Figura 3.1 se observan diferentes objetivos de modelación y según esto las metodologías que gobiernan los procesos erosivos y por tanto los requerimientos de información de entrada.

Como se observa en la Figura 3.1 en cuencas urbanas de cabecera (hillslope), se requiere la descripción detallada de la variabilidad espacial y temporal de las propiedades de la cuenca y de la precipitación y por tal razón los modelos en base física distribuidos son los más apropiados para este tipo de análisis. Por esta razón más adelante se revisan con más detalle los modelos de base física existentes.

Figura 3.1. Variaciones temporal y espacial de las condiciones atmosféricas, topográficas, del suelo y la vegetación importantes en los procesos erosivos dominantes. Las unidades indican la extensión del impacto y por lo tanto del

área de estudio de interés.

Fuente:Adaptado de Renschler y Harbor 2002.