Estimación de la variabilidad espacial y temporal de la escorrentía en microcuencas que drenan los páramos del Ecuador

Texto completo

(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. ESTIMACIÓN DE LA VARIABILIDAD ESPACIAL Y TEMPORAL DE LA ESCORRENTÍA EN MICROCUENCAS QUE DRENAN LOS PÁRAMOS DEL ECUADOR. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MENCIÓN HIDRÁULICA. MARÍA JOSÉ GUERRA AMÁN [email protected]. DIRECTOR: Ph.D. ING. XAVIER ZAPATA RÍOS [email protected]. QUITO, septiembre 2019.

(2) II. DECLARACIÓN. Yo, María José Guerra Amán declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. MARÍA JOSÉ GUERRA AMÁN.

(3) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por María José Guerra Amán, bajo mi supervisión.. Ph.D. ING. XAVIER ZAPATA RÍOS DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTO. A Dios es a quien debo agradecer en primera instancia pues varias situaciones me demostraron que es él quien acoge nuestros más profundos deseos y tiene todo destinado para nosotros. Nada ha ocurrido ni ocurrirá sin motivo alguno. A mi mamita Rocío pues gracias a ella he podido llegar a este momento de mi vida, por ser mi más grande confidente, mejor amiga, madre y ejemplo. Por el cuidado y amor que día a día me ha brindado y por la inmensa confianza que ha puesto siempre en mí. Gracias por escucharme, comprenderme y nunca reprocharme nada. Sabes todo de mí y así siempre será. Te amo mamita y siempre seré tu chiquita. A mi papi Helio por ser la parte fuerte en mí, darme carácter, valor e implantarme el significado de trabajo y dedicación para hacer hasta la más mínima cosa. Eres tan igual a mí en muchos aspectos y por ello comprendo cada una de tus pensamientos y actitudes. Gracias por hacer que nunca me falte nada, por siempre creer en mí y mis capacidades. Te amo mucho papito y siempre seré tu reina. A mi hermana Cintya pues sin su apoyo incondicional no hubiera sido capaz de levantarme de tantas caídas y de ser firme frente a grandes decisiones y retos en mi vida. Eres mi más grande ejemplo de vida, mi segunda madre y mejor amiga. Gracias por todo ñañita. A los excelentes amigos del CIERHI , los topitos, los hidráulicos, el Monito y el Ricky pues fueron ellos una pieza muy importante a lo largo de la carrera e inicios de éste proyecto de titulación. Hicieron mucho más placentera mi transcurso en la Poli. A mi director de tesis Ph.D. ING. Xavier Zapata Ríos, por la confianza brindada para el desarrollo de este proyecto, por su tiempo, conocimientos y paciencia invertidos..

(5) V. DEDICATORIA. A mis padres por ser mi motor, ustedes me dieron fuerzas cuando de verdad ya no las tenía. Por apoyarme en todas mis locuras y para que sepan que todo el sacrificio que han hecho por mi ha valido la pena. A Emma, Martín y Vale porque, independientemente de que pase en un futuro siempre serán mis bebés. Yo seré su Cintya en su vida. Son aún muy pequeños y tienen un largo camino por recorrer. Se darán cuenta que mientras uno crece todo se va tornando difícil pero ahí estaré yo junto a ustedes para que sepan que son capaces de lograr grandes cosas. Y, para cuando se encuentren en este punto de su carrera universitaria se den cuenta que esto es únicamente el inicio. Quiero que tengan todo lo que mis padres me dieron y más..

(6) VI. CONTENIDO. DECLARACIÓN ................................................................................................... II CERTIFICACIÓN ................................................................................................. III AGRADECIMIENTO ............................................................................................ IV DEDICATORIA ..................................................................................................... V CONTENIDO ....................................................................................................... VI ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................... XII ÍNDICE DE CUADROS ...................................................................................... XIV SIMBOLOGÍA .................................................................................................... XVI ABREVIATURAS ............................................................................................ XVIII RESUMEN ......................................................................................................... XIX ABSTRACT ........................................................................................................ XX PRESENTACIÓN .............................................................................................. XXI CAPÍTULO 1......................................................................................................... 1 1. INTRODUCCIÓN GENERAL ................................................................... 1. 1.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1. 1.2. JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................... 2. 1.3. OBJETIVOS DEL PROYECTO DE TITULACIÓN .................................................. 3. 1.3.1. OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 3. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................... 3. CAPÍTULO 2......................................................................................................... 5 2. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE ............................................. 5. 2.1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 5. 2.1.1. LOS PÁRAMOS ...................................................................................................... 5. 2.1.1.1 Clima........................................................................................................................ 7 2.1.1.2 Suelo...................................................................................................................... 11 2.1.1.3 Cobertura vegetal .................................................................................................. 17 2.1.1.4 Importancia ............................................................................................................ 20 2.1.1.5 Intervención humana y el cambio climático .......................................................... 21 2.1.2. CICLO HIDROLÓGICO......................................................................................... 23.

(7) VII. 2.1.2.1 El ciclo hidrológico como sistema y los procesos que lo componen ................... 24 2.1.2.2 Balance hidrológico ............................................................................................... 26 2.1.2.3 Proceso de escorrentía superficial........................................................................ 30 2.1.3. SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA .................................................. 34. 2.1.3.1 Componentes de un Sistema de Información Geográfica ................................... 35 2.1.3.2 Datos geoespaciales y Representación ............................................................... 36 2.1.3.3 Teledetección. Imágenes Satelitales .................................................................. 40. 2.2. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................. 41. 2.2.1. ESTUDIOS REVISADOS ...................................................................................... 42. 2.2.1.1 Explaining spatial variability in mean annual runoff in the conterminous United States. ........................................................................................................ 42 2.2.1.2 Century-scale variability in global annual runoff examined using a water balance model. ...................................................................................................... 42 2.2.1.3 Balance hídrico de microcuenca de páramo. ....................................................... 43 2.2.1.4 Impact of land use on the hydrological response of tropical Andean catchments ............................................................................................................ 43 2.2.1.5 Componentes del balance hídrico en los páramos de Jatunsacha, Ecuador ...... 44. CAPÍTULO 3....................................................................................................... 45 3. METODOLOGÍA .................................................................................... 45. 3.1. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA BASE .......................... 45. 3.2. SELECCIÓN, UBICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LAS MICROCUENCAS DE ESTUDIO .......................................................................... 46. 3.2.1. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE MICROCUENCAS DE ESTUDIO .................. 46. 3.2.2. MICROCUENCAS DE ESTUDIO SELECCIONADAS Y UBICACIÓN ................ 47. 3.2.3. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS MICROCUENCAS ........................ 50. 3.2.4. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-GEOGRÁFICAS DE LAS MICROCUENCAS ................................................................................................. 52. 3.2.4.1 Características físicas ........................................................................................... 52 3.2.4.2 Características de sistema de drenaje ................................................................. 54 3.2.4.3 Características de relieve...................................................................................... 56 3.3. PREPARACIÓN DE DATOS HIDROLÓGICOS.................................................... 57. 3.3.1. RECOPILACIÓN DE DATOS DE ESTACIONES HIDROLÓGICAS .................... 57.

(8) VIII. 3.3.2. CRITERIO DE SELECCIÓN DE ESTACIONES HIDROLÓGICAS ..................... 60. 3.3.3. ESTACIONES HIDROLÓGICAS SELECCIONADAS .......................................... 61. 3.3.4. RELLENO DE DATOS .......................................................................................... 62. 3.3.5. ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD DE INFORMACIÓN .......................................... 62. 3.4. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN DE DATOS CLIMATOLÓGICOS ............. 63. 3.4.1. DATOS DE PRECIPITACIÓN ............................................................................... 64. 3.4.1.1 Producto CHIRPS ................................................................................................. 64 3.4.1.2 Producto TRMM 3b43 V7 Modificado ................................................................... 65 3.4.2. DATOS DE EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL DE REFERENCIA ............ 65. 3.4.2.1 Producto MODIS16 ............................................................................................... 65 3.4.2.2 Producto de Evapotranspiración CRU TS4p01 monthly ...................................... 66 3.5. CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA Y CLIMATOLÓGICA DE LAS MICROCUENCAS DE ESTUDIO .......................................................................... 67. 3.5.1. CAUDALES LÍQUIDOS MEDIDOS....................................................................... 67. 3.5.2. PRECIPITACIÓN .................................................................................................. 68. 3.5.3. EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL .............................................................. 68. 3.6. MODELOS DE BALANCE HÍDRICO Y ESTIMACIÓN DE ESCORRENTÍA..................................................................................................... 69. 3.6.1. MODELO DE PRECIPITACIÓN ANUAL. MODELO 1 ....................................... 71. 3.6.2. MODELO DE SUPERÁVIT ANUAL. 3.6.3. MODELO DE SUPERÁVIT MENSUAL. 3.6.4. MODELOS DE SUPERÁVIT MENSUAL Y CAPACIDAD DE. MODELO 2 ............................................... 72 MODELO 3 ......................................... 74. ALMACENAMIENTO DE HUMEDAD EN EL SUELO CONSTANTE MODELO 4 ............................................................................................................ 76 3.6.5. MODELOS DE SUPERÁVIT MENSUAL Y CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE HUMEDAD EN EL SUELO VARIABLE MODELO 5 ............................................................................................................ 81. 3.7. PROCESO DE ANÁLISIS DE ESCORRENTÍA ESTIMADA................................. 82. 3.7.1. GRÁFICOS DE DISPERSIÓN .............................................................................. 83. 3.7.2. CÁLCULO DE COEFICIENTE DE CORRELACIÓN DE PEARSON (R) ............. 83. 3.7.3. CÁLCULO DE COEFICIENTE DE DISPERSIÓN (. ) ........................................ 83.

(9) IX. 3.7.4. CÁLCULO DE COEFICIENTE DE EFICIENCIA DE NASHSUTCLIFFE (NSE) ................................................................................................ 84. 3.7.5. CÁLCULO DE PORCENTAJE SESGO RELATIVO (PBIAS) .............................. 85. 3.7.6. CÁLCULO DE ERROR MEDIO ABSOLUTO (MAE) ............................................ 85. CAPÍTULO 4....................................................................................................... 86 4. RESULTADOS Y DISCUSIONES .......................................................... 86. 4.1. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICOGEOGRÁFICAS DE LAS MICROCUENCAS SELECCIONADAS ....................... 86. 4.1.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ............................................................................. 86. 4.1.2. CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DE DRENAJE ........................................... 88. 4.1.3. CARACTERÍSTICAS DE RELIEVE ...................................................................... 90. 4.2. RESULTADOS DE RELLENO DE DATOS Y ANÁLISIS DE HOMOGENEIDAD ................................................................................................ 91. 4.3. ANÁLISIS DE CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA Y CLIMATOLÓGICA ................................................................................................. 92. 4.3.1. DISTRIBUCIÓN TEMPORAL DE CAUDALES LÍQUIDOS MEDIDOS ................ 92. 4.3.2. DISTRIBUCIÓN TEMPORAL DE PRECIPITACIÓN ............................................ 95. 4.3.2.1 Precipitación CHIRPS ........................................................................................... 95 4.3.2.2 Precipitación TRMM 3b43 V7 Modificado............................................................. 98 4.3.3. DISTRIBUCIÓN TEMPORAL DE EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL ........................................................................................................ 101. 4.3.3.1 Evapotranspiración Potencial MODIS ................................................................ 101 4.3.3.2 Evapotranspiración Potencial CRU..................................................................... 104 4.4. ANÁLISIS DE PRODUCTOS SATELITALES ..................................................... 106. 4.4.1. ANÁLISIS DE PRECIPITACIÓN ......................................................................... 106. 4.4.2. ANÁLISIS DE EVAPOTRANSPIRACIÓN........................................................... 108. 4.5. RESULTADOS DE ANÁLISIS DE ESCORRENTÍA ESTIMADA ........................ 110. 4.5.1. RESULTADOS DE ANÁLISIS ESPACIAL.......................................................... 110. 4.5.2. RESULTADOS DE ANÁLISIS TEMPORAL ....................................................... 111. 4.6. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE MODELOS DE BALANCE HÍDRICO ................... 112. 4.6.1. MODELO DE PRECIPITACIÓN ANUAL. 4.6.2. MODELO DE SUPERÁVIT ANUAL. MODELO 1 ..................................... 112. MODELO 2 ............................................. 113.

(10) X. 4.6.3. MODELO DE SUPERÁVIT MENSUAL. MODELO 3 ....................................... 114. 4.6.4. MODELOS DE SUPERÁVIT MENSUAL Y CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE HUMEDAD EN EL SUELO CONSTANTE MODELO 4 .......................................................................................................... 115. 4.6.5. MODELOS DE SUPERÁVIT MESUAL Y CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE HUMEDAD EN EL SUELO CONSTANTE Y VARIABLE. 4.6.6. MODELO 5 ................................................................................... 115. DISCUSIÓN MODELOS DE BALANCE HÍDRICO ............................................ 116. CAPÍTULO 5..................................................................................................... 119 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ....................................... 119. 5.1. CONCLUSIONES ................................................................................................ 119. 5.2. FUTURAS INVESTIGACIONES ......................................................................... 123. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 124 ANEXOS ........................................................................................................... 130 ANEXO N° 1 ..................................................................................................... 131 MAPAS DE UBICACIÓN MICROCUENCAS POR UNIDADES FISIOGRÁFICAS........... 131. ANEXO N° 2 ..................................................................................................... 137 CUADROS DE USO DE SUELO, PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL SUELO DE LAS MICROCUENCAS .................................................................... 137. ANEXO N° 3 ..................................................................................................... 143 CUADROS DE DATOS DE CAUDAL - ESTACIONES RELLENAS ................................. 143. ANEXO N° 4 ..................................................................................................... 150 GRÁFICAS DE TEMPORALIDAD DE CAUDALES MEDIDOS, PRECIPITACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL EN MICROCUENCAS DE ESTUDIO ............................................................................................................. 150. ANEXO N° 5 ..................................................................................................... 161 CODIFICACIÓN MODELOS 4 Y 5 - SUPERÁVIT MENSUAL Y CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE HUMEDAD EN EL SUELO CONSTANTE Y VARIABLE. .......................................................................................................... 161. ANEXO N° 6 ..................................................................................................... 170.

(11) XI. MAPAS DE VALORES MULTIANUALES, DISTRIBUCIÓN DE PRECIPITACIÓN, EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA Y DIFERENCIAS ENTRE PRODUCTOS. .............................................................. 170. ANEXO N° 7 ..................................................................................................... 178 RESULTADOS ESCORRENTÍA ESTIMADADA (VALORES MEDIOS MULTIANUALES)................................................................................................ 178. ANEXO N° 8 ..................................................................................................... 181 GRÁFICAS DE DISPERSIÓN POR MODELOS DE BALANCE HÍDRICO ....................... 181. ANEXO N° 9 ..................................................................................................... 188 RESULTADOS ANÁLISIS TEMPORAL ............................................................................ 188. ANEXO N° 10 ................................................................................................... 196 MAPAS DE DISTRIBUCIÓN DE ESCORRENTÍA. COMBINACIÓN. PRODUCTOS TRMM-EC/CRU ........................................................................... 196.

(12) XII. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura No. 2.1: Ubicación de páramos en América del Sur .................................... 6 Figura No. 2.2. Variación diaria de radiación solar incidente en la estación meteorológica Quinahuayco - Ecuador .................................................... 8 Figura No. 2.3: Neblina en el páramo de Zuleta- Ecuador ...................................... 9 Figura No. 2.4: Curvas IDF para las estaciones Sayausí, Jima Ucubamba Soroche y Huagrahuma. Cuenca ..................................................... 10. Figura No. 2.5. Triángulo de texturas del suelo .................................................... 11 Figura No. 2.6. Composición de suelo común y suelo de páramo. ....................... 13 Figura No. 2.7: Curvas de retención de agua para Andosol inalterado y suelos comunes (pF = 0 saturación, C.C. = capacidad de campo, P.M.= punto de marchitez). ............................................................................................ 15 Figura No. 2.8: Curvas de conductividad hidráulica no saturada para diferentes suelos. ................................................................................................. 16 Figura No. 2.9: Morfologías de plantas de páramo. .............................................. 17 Figura No. 2.10: Unidades fisiográficas en el Ecuador ......................................... 19 Figura No. 2.11: Ciclo hidrológico global: aguas oceánicas y continentales ........................................................................................................ 23 Figura No. 2.12: El ciclo hidrológico global como sistema y sus componentes ....................................................................................................... 24 Figura No. 2.13: Volumen de control para aplicación de ecuación fundamental ......................................................................................................... 27 Figura No. 2.14: Ciclo hidrológico a nivel de cuenca hidrográfica ........................ 28 Figura No. 2.15: Divisorias en una. hoya hidrográfica ........................................ 28. Figura No. 2.16: Balance hidrológico en cuencas ................................................ 29 Figura No. 2.17: Gráfico de hidrogramas anuales para diferentes cuencas ............................................................................................................... 33 Figura No. 2.18: Mediciones de caudal en ríos y quebradas de páramo .............. 34 Figura No. 2.19: Elementos de un Sistema de Información Geográfica ............... 36.

(13) XIII. Figura No. 2.20 : Ejemplo de datos geoespaciales de una red de calles en un sistema de coordenadas UTM. ................................................................... 37 Figura No. 2.21: Ecuador ubicado en coordenadas UTM ..................................... 38 Figura No. 2.22: Representación en modelo ráster y vectorial de un área de análisis. ........................................................................................................... 40 Figura No. 2.23: Proceso Teledetección .............................................................. 41 Figura No. 3.1: Ubicación de microcuenca - Unidad Fisiográfica 1 (Páramo Galeras-Chile) ....................................................................................... 49 Figura No. 3.2: Clasificación de flujos de agua según Strahler ............................. 55 Figura No. 3.3: Localización de Estaciones Hidrológicas ..................................... 61 Figura No. 3.4: Diagrama de flujo para cálculo de Escorrentía Anual Precipitación Anual (Modelo 1) ............................................................................ 71 Figura No. 3.5: Diagrama de flujo para cálculo de Escorrentía Anual Superávit Anual (Modelo 2) .................................................................................. 74 Figura No. 3.6: Diagrama de flujo para cálculo de Escorrentía Anual Superávit Mensual (Modelo 3) ............................................................................. 76 Figura No. 3.7: Diagrama de flujo para cálculo de Escorrentía Anual Superávit Mensual y almacenamiento de humedad constante (Modelo 4) ........... 80 Figura No. 3.8: Diagrama de flujo para cálculo de Escorrentía Anual Superávit Mensual y almacenamiento de humedad variable (Modelo 5) .............. 81 Figura No. 4.1: Mapa de Temporalidad de Caudales Medidos en Estaciones Hidrológicas ....................................................................................... 94 Figura No. 4.2: Mapa de Temporalidad de Precipitación CHIRPS en microcuencas de estudio ..................................................................................... 97 Figura No. 4.3: Mapa de Temporalidad de Precipitación TRMM-Ec en microcuencas de estudio ................................................................................... 100 Figura No. 4.4: Mapa de Temporalidad de Evapotranspiración Potencial MODIS en microcuencas de estudio .................................................................. 103 Figura No. 4.5: Temporalidad de Evapotranspiración Potencial CRU en microcuencas de estudio ................................................................................... 105.

(14) XIV. ÍNDICE DE CUADROS. Cuadro No. 2.1: Distribución espacial de los ecosistemas de páramos en Cordillera de los Andes, América del Sur. ......................................................... 6 Cuadro No. 2.2: Propiedades hidrofísicas en horizontes superficiales de páramos ............................................................................................................... 14 Cuadro No. 3.1: Resumen de información cartográfica usada en el proyecto ............................................................................................................... 45 Cuadro No. 3.2: Resumen de microcuencas eliminadas ..................................... 46 Cuadro No. 3.3: Número de microcuencas por Unidad Fisiográfica y clasificación.......................................................................................................... 47 Cuadro No. 3.4: Descripción general microcuencas seleccionadas ................... 48 Cuadro No. 3.5: Resumen de porcentajes de Uso y propiedades del Suelo en las microcuencas de estudio ................................................................. 51 Cuadro No. 3.6: Descripción de Estaciones Hidrológicas .................................... 59 Cuadro No. 3.7: Resumen de información disponible de Estaciones Hidrológicas ......................................................................................................... 60 Cuadro No. 3.8: Descripción de modelos de estimación de escorrentía media anual. ........................................................................................................ 70 Cuadro No. 3.9: Valores de. según el Uso de Suelo en las. microcuencas de estudio...................................................................................... 73 Cuadro No. 3.10: Clasificación del Suelo en el Ecuador según la textura. .......... 77 Cuadro No. 3.11: Clasificación del Suelo en el Ecuador según la profundidad. ......................................................................................................... 78 Cuadro No. 3.12: Valores de porosidad según textura del suelo. ........................ 78 Cuadro No. 4.1: Resumen de características físicas de las microcuencas seleccionadas. .............................................................................. 87 Cuadro No. 4.2: Resumen de características del sistema de drenaje de las microcuencas seleccionadas. ......................................................................... 89.

(15) XV. Cuadro No. 4.3: Resumen de características de relieve de las microcuencas seleccionadas. .............................................................................. 90 Cuadro No. 4.4: Resumen de análisis de homogeneidad de estaciones hidrológicas .......................................................................................................... 91 Cuadro No. 4.5: Disponibilidad de datos hidrológicos ......................................... 92 Cuadro No. 4.6: Datos de Precipitación mensual multianual para cada microcuenca de estudio ....................................................................................... 95 Cuadro No. 4.7: Datos de Precipitación mensual multianual TRMM-Ec para cada microcuenca de estudio ....................................................................... 98 Cuadro No. 4.8: Datos de Evapotranspiración Potencial mensual multianual MODIS para cada microcuenca de estudio ....................................... 101 Cuadro No. 4.9: Datos de Evapotranspiración mensual multianual CRU para cada microcuenca de estudio ..................................................................... 104 Cuadro No. 4.10: Valores multianuales de Precipitación y ET. Potencial y de Referencia por microcuenca. ...................................................................... 106 Cuadro No. 4.11: Resultados análisis espacial ................................................. 111.

(16) XVI. SIMBOLOGÍA. Símbolo. Definición. I. Entradas al volumen de control. O. Salidas del volumen de control Cambio de almacenamiento en un periodo de tiempo t. Q. Caudal (. tc. Tiempo de concentración (s). C. Coeficiente de escorrentía. tc. Tiempo de concentración (min u horas). h. Nivel de agua (m ó cm). T. Periodo de retorno (años). P. Perímetro de la cuenca (km). A. Área de la cuenca (. L. Longitud axial de la cuenca (km). /s). ). Kc. Coeficiente de compacidad (km/km). B. Ancho medio de la cuenca (. Kf. Coeficiente de forma (. Ap. Área de páramo en la cuenca (. Dd. Densidad de drenaje (km/. /km). /. ) ). ). l. Extensión media de la escorrentía superficial (km). S. Sinuosidad de las corrientes de agua (km/km). Lt. Longitud total de las corrientes de agua en la cuenca (km). L'. Longitud axial del cauce principal medido en línea recta (km) Pendiente media de la cuenca Elevación media de la cuenca (m) Escorrentía (mm).

(17) XVII. Precipitación (mm) Evapotranspiración actual (mm) Evapotranspiración potencial (mm) Coeficiente de cultivo (adimensional) ETo. Evapotranspiración Potencial de Referencia (mm) Superávit o exceso de agua (mm) Capacidad de almacenamiento de humedad del suelo (mm) Almacenamiento de humedad del suelo mensual (mm) Recarga de humedad del suelo mensual (mm).

(18) XVIII. ABREVIATURAS. EPMAPS. Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento de Quito.. ETAPA. Empresa de Telecomunicaciones, Agua Potable, Alcantarillado y saneamiento de Cuenca. IGM. Instituto Geográfico Militar. MAGAP. Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuacultura y Pesca. MAE. Ministerio del Ambiente. SNI. Sistema Nacional de Información. UTM. Proyección Universal Transversa de Mercator. INAMHI. Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología.

(19) XIX. RESUMEN Comprender los procesos hidrológicos y la dinámica hídrica en ecosistemas altoandinos (como lo es el ecosistema de páramo) es un paso inicial para posteriormente apoyar en la toma de decisiones acerca del manejo y conservación del recurso hídrico. El presente trabajo de titulación pretende estimar la variabilidad espacial y temporal de la escorrentía en microcuencas que drenan los páramos en el Ecuador mediante la selección del modelo más apropiado de entre cinco modelos simples de balance hídrico. Se definieron criterios para la selección de las microcuencas tales como: la característica de ser drenadas por páramo y el porcentaje de área de dicho ecosistema. Se analizaron en total 12 microcuencas localizadas a lo largo de la Cordillera de los Andes y se las agrupó dentro de 5, de entre 9 unidades fisiográficas en las que se divide al páramo. Se obtuvo información hidrológica de caudales medidos de estaciones de INAMHI localizadas a lo largo de la Cordillera de los Andes. La información de precipitación pudo ser obtenida de productos Satelitales CHIRPS y TRMM-Ec, e información de evapotranspiración potencial de referencia con los productos CRU y MODIS. El uso de Sistemas de Información Geográfica permitió el procesamiento de la información espacial para la obtención de niveles de escorrentía estimados. Los modelos aplicados incluyen procesos hidrológicos desde lo más simple a lo complejo, evaluando el suministro y demanda climática de agua (precipitación y evapotranspiración), la estacionalidad de la oferta y la demanda y la capacidad de almacenamiento de humedad del suelo. Concluyendo finalmente que ninguno de los modelos hidrológicos permite una correcta estimación de escorrentía en el ecosistema de páramo, pues éste presenta comportamientos muy variables a lo largo de toda la Cordillera Ecuatoriana..

(20) XX. ABSTRACT Understanding the hydrological processes and the water dynamics in the high Andean ecosystems (such as the paramo) is the first step for making decisions about management and conservation of water resources. This project aims estimate the spatial and temporal variability of runoff in selected catchments draining the paramo, based on the selection of the appropriate model among five simple models of water balance. The criteria for catchment selection are: the characteristic of being drained by paramo and the percentage of the area of this ecosystem. Twelve catchments located along the Andes were analyzed and they were grouped into five paramo physiographic units. Hydrological data was gathered from the stations of the National Institute of Hydrology and Meteorology (INAMHI) located along the Andes. Information about precipitation was obtained from satellite products such as CHIRPS and TRMM-Ec, while information about Reference Potential Evapotranspiration was gathered from products like CRU and MODIS. Geographic Information Systems allowed the processing of spatial information into levels of water runoff. The models include hydrological processes from simple to complex, evaluating the supply and climatic demand of water (precipitation and evapotranspiration), the seasonality of supply and demand and the soil moisture storage capacity. The conclusion was that none of these simple water balance models allow a correct estimation of runoff in the paramo ecosystem because the catchments show variable behavior along the Andean region of Ecuador..

(21) XXI. PRESENTACIÓN Esta investigación consta de 5 capítulos donde se detalla la introducción general, revisión bibliográfica y estado del arte, metodología de desarrollo para la aplicación de cinco modelos de balance hídrico, análisis de los resultados y finalmente las conclusiones y futuras investigaciones a ser desarrolladas. El trabajo está organizado como se muestra a continuación: CAPÍTULO 1: Introducción General Este capítulo presenta una introducción que describe la problemática que se exhibe en los páramos en cuanto a la dinámica hídrica y su compresión, se muestra también la justificación, objetivos generales y específicos del presente trabajo de titulación. CAPÍTULO 2: Marco Teórico y Estado del Arte Se resume los aspectos más importantes para comprender el ecosistema de páramo, su clima, suelo, cobertura vegetal, además de la importancia de este. Se describe el ciclo hidrológico, balance hídrico y cada uno de los procesos que lo componen. Se presenta además una breve descripción de los sistemas de información geográfica y se explica los productos utilizados en el proyecto de titulación. Finalmente, mediante un cuadro se resume el estado del arte acerca de balance hídrico en microcuencas de páramo y estudios sobre estimación de escorrentía. CAPÍTULO 3: Metodología En este capítulo se detalla la información cartográfica que fue recolectada. También se describen los criterios de selección de las microcuencas de estudio, su ubicación y características generales y físico-geográficas. Se explica además el manejo y procesamiento de información obtenida de estaciones hidrológicas INAMHI e información climatológica de productos satelitales (CHIRPS, TRMM-Ec, MODIS, CRU) y se define el procesamiento para la caracterización hidrológica y.

(22) XXII. climatológica de las microcuencas. Por último, se procede a la explicación de cada uno de los modelos de balance hídrico, metodología empleada y proceso de análisis de los resultados de escorrentía estimada obtenidos. CAPÍTULO 4: Resultados y Discusión En este capítulo se muestra el análisis de las características físico-geográficas de las microcuencas, los resultados del relleno de datos, así como el análisis de homogeneidad. Se realiza también un análisis de la caracterización hidrológica y climatológica de las microcuencas tanto con información obtenida de estaciones hidrológicas como de productos satelitales. También se analiza y compara la información de Precipitación, Evapotranspiración Potencial y de Referencia correspondientes a los productos satelitales CHIRPS, TRMM-Ec, MODIS y CRU. Además, se muestra y analizan los resultados de valores de escorrentía estimados y los coeficientes estadísticos obtenidos tanto a nivel espacial como temporal en los cinco modelos. Finalmente, se realiza una discusión acerca de la aplicación de estos modelos en el ecosistema de páramo. CAPÍTULO 5: Conclusiones y Trabajos Futuros En este último capítulo se presenta las conclusiones acerca de los resultados y discusiones presentadas en el trabajo de titulación, así como también recomendaciones para trabajos de investigación futuros.. Al final del presente trabajo se muestra un conjunto de anexos, donde se encuentran los mapas de ubicación de microcuencas, cuadros completos de características de microcuencas, cuadros de datos de caudales de estaciones rellenadas, gráficas de temporalidad de caudales líquidos, precipitación y evapotranspiración, codificación de los modelos 4 y 5 , mapas de distribución de precipitación ,evapotranspiración de referencia y diferencia de modelos, gráficas de dispersión por modelos, resultados del análisis temporal y finalmente mapas de distribución de escorrentía..

(23) 1. CAPÍTULO 1 1. INTRODUCCIÓN GENERAL. Este capítulo presenta una introducción que describe la problemática que se exhibe en los páramos en cuanto a la dinámica hídrica y su compresión, se muestra también la justificación, objetivos generales y específicos del presente trabajo de titulación.. 1.1 INTRODUCCIÓN El uso de recursos hídricos tiene gran valor en la actualidad, debido a la importancia que genera el agua para el desarrollo de la vida, por lo que se considera necesaria la investigación y comportamiento apropiado de este recurso en las cadenas montañosas de los Andes (Mena & Hofstede, 2006). En el Ecuador, el páramo cubre alrededor de 1.250.000 ha, es decir aproximadamente un 6% del territorio nacional. Ecuador es el país que más páramos posee en relación con su extensión total (Mena & Hofstede, 2006). Además, la distribución de agua en el Ecuador es irregular principalmente por la influencia de la región Amazónica y Costera lo que hace que la disponibilidad de agua en los páramos varíe en el espacio y tenga distinta temporalidad (Mena & Hofstede, 2006). La importancia de los ecosistemas de páramo radica en el servicio natural que cumple como reguladores hídricos, y de proveer servicios ambientales de manera directa o indirecta a gran cantidad de habitantes que se encuentran ubicados en las partes bajas de los mismos (Ramón & Ortiz, 2015). Se conoce que la producción de agua en el Ecuador se presenta principalmente en las cuencas de los páramos, ésta es consumida por comunidades andinas tanto rurales como urbanas (Llambí et al., 2012). A pesar de la importancia de estos ecosistemas para la regulación y dotación del recurso agua, es notable que existen pocos estudios en conocer la hidrología del páramo y su comportamiento (Ramón & Ortiz, 2015). En este sentido, es necesario ampliar este tipo de investigación para garantizar la comprensión.

(24) 2. dinámica de estos medios y conocer los flujos y almacenamientos de agua en este ecosistema (Ramón & Ortiz, 2015). La variabilidad espacial y temporal del balance del agua sobre una región es un tema central de estudio para la hidrología, dicho balance puede ser entendido fundamentalmente a través del estudio de variables como la precipitación, evapotranspiración y escorrentía.. Por tanto, la comprensión de la variabilidad. espacial y temporal de estas variables es el primer paso para determinar el balance del agua (Wolock & McCabe, 1999). Por otro lado, existen varios estudios que han determinado los factores que controlan la generación de escorrentía en el tiempo (Wigmosta & Burges, 1997; Xia et al.,1997; Lohmann et al., 1998) pero pocos estudios han analizado la variabilidad espacial de la escorrentía. Entre los factores que controlan la escorrentía se encuentran entre otros, la oferta (precipitación), la demanda (la evapotranspiración), la estacionalidad de la oferta y demanda y la capacidad de almacenamiento en el suelo (Milly & Eagleson , 1987). Esta investigación plantea la estimación de variabilidad de escorrentía en las microcuencas que drenan los páramos en el Ecuador mediante la aplicación de cinco modelos de balance hídrico con diferentes grados de complejidad. Estos modelos permitirán conocer el balance hídrico en microcuencas de páramo seleccionadas por medio de la información disponible. Se espera que los resultados de esta investigación puedan ayudar a la toma de decisiones de gestión, uso del recurso hídrico y gestiones ambientales que se podrían implementar para el cuidado y manejo de esta región (Wolock & McCabe, 1999).. 1.2 JUSTIFICACIÓN La Hidrología presenta como base de estudio la comprensión del ciclo del agua y los procesos que lo componen. Muchos de estos procesos, son definidos a través de mediciones realizadas en el campo. Sin embargo, otros se precisan de manera indirecta y/o remota, mediante estimaciones, por tal motivo se genera la incertidumbre en el funcionamiento del ciclo en mención. Es así como, los modelos.

(25) 3. hidrológicos juegan un papel importante en la comprensión del funcionamiento y comportamiento de cada uno de los procesos que forman parte del ciclo hidrológico. El espacio más común en el cual se puede realizar un estudio adecuado de todo lo mencionado, es la cuenca hidrográfica, siendo la base de los modelos hidrológicos. Por lo tanto, la comprensión del ciclo hidrológico involucra el entendimiento de la respuesta que presenta la cuenca como sistema hidrológico continuamente en tiempo y espacio (Beven, 2012). No existe un modelo perfecto que se aplique completamente a todas las cuencas, puesto que cada cuenca dispone de características definidas como clima, geografía, geología, etc. Estas características hacen que un proceso hidrológico sea más importante sobre otro condicionando de esta forma la estructura del modelo. Un modelo alcanza la mayor representatividad al fragmentar la cuenca en elementos mucho más pequeños definidos como grillas o celdillas realizando el balance hídrico en cada una de éstas (Beven, 2012).. 1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTO DE TITULACIÓN 1.3.1. OBJETIVO GENERAL. El objetivo general del presente trabajo de titulación se centra en estimar la variabilidad espacial y temporal de la escorrentía en microcuencas que drenan los páramos en el Ecuador mediante la selección del modelo más apropiado de entre cinco modelos de balance hídrico para comprender de mejor manera la dinámica hídrica de este tipo de ecosistema. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. En relación con el objetivo general, se exponen los siguientes objetivos específicos: Analizar los cinco modelos de balance hídrico mediante la exploración bibliográfica existente para determinar información requerida en esta investigación..

(26) 4. Seleccionar y caracterizar las microcuencas que servirán de análisis. Recopilar, preparar y analizar datos de caudales de estaciones hidrológicas, así como los datos de precipitación y evapotranspiración potencial de productos satelitales. Aplicar los cinco modelos de balance hídrico utilizando sistemas de Información Geográfica (ArcGIS) para determinar la escorrentía en los páramos del Ecuador. Analizar estadísticamente los resultados obtenidos de los diferentes modelos mediante coeficientes estadísticos de calibración comparando valores de escorrentía medidos con los estimados para la selección del modelo más apropiado..

(27) 5. CAPÍTULO 2 2. MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE. En este capítulo, se presenta la base teórica necesaria para desarrollo del presente proyecto de titulación así mismo se exhiben estudios con respecto a estimación de escorrentía y balance hídrico en microcuencas de páramo hasta la actualidad, correspondiente al estado del arte.. 2.1 MARCO TEÓRICO 2.1.1. LOS PÁRAMOS. Los páramos son ecosistemas naturales ubicados en zonas tropicales de altas montañas. En América del Sur, recorren un largo trayecto insular desde la Cordillera de Mérida (Venezuela) hasta la depresión de Huancabamba (norte de Perú) extendiéndose alrededor de los 11º latitud Norte y 8º latitud Sur entre los países de Colombia, Venezuela, Perú y Ecuador - Figura No.2.1 (Mena & Hofstede, 2006). En Centroamérica, los páramos recorren sobre la Cordillera de Talamanca entre Costa Rica y Panamá (2.000 has.), distribuidas en 13 extensiones relativamente pequeñas independientes (Mena & Hofstede, 2006; Buytaert et al., 2014). Este ecosistema de páramo abarca una superficie en la parte norte de la Cordillera de los Andes de 41.521. , alrededor del 9 % de la superficie total (Llambí et al.,. 2012). Ecuador presenta zonas de páramos a una altitud promedio de 3.500 m, sin embargo es posible encontrar este tipo de ecosistema a los 2.800 m en la zona sur del país o sobre los 4.000m en bosques cerrados (Mena & Hofstede, 2006).. Ecuador posee un área de páramo de 13.933. que corresponde. aproximadamente 6% del territorio Nacional catalogándose entonces como el país con mayor porcentaje de páramo en relación a su extensión total y el segundo con.

(28) 6. respecto a la extensión total de páramo en América del Sur como se evidencia en el Cuadro No.2.1. Cuadro No. 2.1: Distribución espacial de los ecosistemas de páramos en Cordillera de los Andes, América del Sur. País. Extensión del país ( ). Área de páramo ( ). Área de páramo (%). Colombia. 1.142.000. 14.090. 33,90. Ecuador. 283.560. 13.930. 33,60. Perú. 1.285.000. 11.100. 26,70. Venezuela. 916.445. 2.400. 5,80. Total. 3.627.005. 41.520. 100,00. Fuente: Llambí et al. (2012). Elaborado por: María José Guerra. Figura No. 2.1: Ubicación de páramos en América del Sur. Fuente: Serrano & Galárraga. (2015).

(29) 7. 2.1.1.1 Clima Rangos extremos de precipitación y temperatura son característicos en los Andes Tropicales. La temperatura de esta zona varía en altitud y latitud y la precipitación se ve influenciada por sistemas climáticos sobre el Océano Pacífico y la Amazonía mismos que se sobreponen en muchos sitios unos con otros. Los Andes se ven afectados por estos sistemas y varían según la estación del año haciendo que la precipitación presente una distribución espacial y temporal compleja (Llambí et al., 2012). Masas húmedas de aire de la Amazonía son enviadas hacia flancos Orientales de los Andes. El Océano Pacífico expide masas húmedas de aire desde el Occidente por la zona de convergencia intertropical, agrandándose este proceso por la corriente cálida del Niño y se presenta con estacionalidad en la Cordillera Occidental Ecuatoriana. Masas húmedas que vienen del Caribe se presentan al norte de los Andes (Llambí et al., 2012). Las masas húmedas pueden o no ingresar al valle interandino dependiendo de la topografía de la zona lo que hace que se observen desde áreas áridas a lluviosas (régimen permanente o bimodal). Por tanto, se registran regímenes de precipitación variable haciendo que aparezca por ejemplo el veranillo del Niño en Ecuador. Globalmente se aduce que la estacionalidad de la lluvia es menor al norte de los Andes pues la humedad proviene tanto del Océano Pacífico como de la Amazonía (Llambí et al., 2012). 2.1.1.1.1 Radiación Solar Se entiende a la radiación solar como la energía que incide en la tierra procedente del sol. La existencia de una menor capa atmosférica y la ubicación próxima a la línea Ecuatorial de los páramos hace que la acumulación de radiación incidente sea mayor en estas zonas de altas montañas (Llambí et al., 2012). Valores de radiación.

(30) 8. altos se presentan al medio día y en días de baja nubosidad (Ver Figura No. 2.2) (Llambí et al., 2012). Figura No. 2.2. Variación diaria de radiación solar incidente en la estación meteorológica Quinahuayco - Ecuador. Fuente: Llambí et al. (2012).. 2.1.1.1.2 Temperatura A la medida del nivel de calor que se encuentra presente en el aire se denomina temperatura. Los páramos se destacan por desarrollarse en temperaturas bajas (Figura No. 2.3), dentro de un valor aproximado de 7 °C a 3500m de altura promedio, sin embargo, las temperaturas diarias resultan ser variables y de gran amplitud térmica, es decir con noches extremadamente frías hasta días completamente calurosos. En los páramos las temperaturas evidencian variaciones de alrededor de 20°C lo que determina la presencia de escarcha y nieve. Ésta varía por dos factores: la pendiente de altitud y la humedad del aire propios del clima. Se presentan nieves fuertes y constantes en el año debido a la inexistencia de estacionalidad (Buytaert et al, 2004 ; Llambí et al., 2012; Beltrán et al., 2009)..

(31) 9. Figura No. 2.3: Neblina en el páramo de Zuleta- Ecuador. Fuente: Llambí et al. (2012).. En este ecosistema predominan los pajonales y hierbas xerofíticas. Esta vegetación, a pesar de estar expuesta a altas radiaciones muestra baja evaporación por lo que se define que el ecosistema de los páramos presenta un consumo natural de agua muy bajo. Los valores de evapotranspiración diarios giran alrededor de 1,2 mm por día por lo que se dispone de gran cantidad de agua para ser evacuada por los ríos que provienen de los páramos (De Bièvre et al., 2011). 2.1.1.1.3 Precipitación Al agua que cae hacia el suelo en forma de lluvia, llovizna, granizo o nieve se denomina precipitación. La variación de dirección y velocidad del viento ( definido por pendientes y topografía accidentada) hacen que las lluvias varíen a escalas pequeñas. Los valores de precipitación anual tiene valores altos con respecto a zonas cercanas y se encuentran dentro de un rango de 700 mm (páramos secos) a 3000 mm (páramos húmedos) con algunos valores extremos en ciertas zonas a 6000 m de altura. Sin embargo presentan una variación estacional relativamente baja de acuerdo a un estudio realizado en microcuencas de páramo Ucubamba (3.810m) y Huagrúma (2.540m, páramo de Chandul) en la ciudad de Cuenca, éstas estaciones se encontraban a 26 km de distancia y presentaban una variación de precipitación de alrededor 680 mm (Beltrán et al., 2009)..

(32) 10. Los valores de precipitación resultan ser diferentes dependiendo de la variación altitudinal y la ubicación de la cadena montañosa de los Andes. El efecto resulta ser evidente en la Coordillera Occidental que en la Oriental debido a la variación de clima en la costa del Pacífico, influyendo en el clima del páramo (Beltrán et al., 2009; Buytaert et al, 2004). En las pendientes del lado Este que descienden hacia la cuenca del Amazonas se presentan valores de precipitación entre 400 a 800 mm, estos valores disminuyen mientras aumenta la altitud. En las pendientes del lado Oeste los valores resultan ser elevados dentro de un rango de 2.000 a 2.500 mm. La zona central de los Andes se ve influenciada por las luvias provenientes tanto del Atlántico como la costa del Pacífico (Beltrán et al., 2009; Buytaert et al, 2004). Los eventos de precipitación por otro lado presentan las características de alta frecuencia y baja intensidad , esto se corrobora en la Figura No.2.4 donde se comparan curvas IDF en las estaciones pluviométricas de Soroche y Huagrahuma ubicadas en el páramo en la ciudad de Cuenca sobre los 3500m y las estaciones Sayausí, Jima y Ucubamba que se encuentran bajo dicho valor de elevación (De Bièvre et al., 2011; Buytaert et al, 2004). Figura No. 2.4: Curvas IDF para las estaciones Sayausí, Jima Ucubamba Soroche y Huagrahuma. Cuenca. Fuente: De Bièvre et al. (2011)..

(33) 11. 2.1.1.2 Suelo Los suelos se componen básicamente de una parte sólida, líquida y gaseosa. La parte sólida corresponde a minerales y materia orgánica (Figura No. 2.6). La fase líquida es el agua presente en el suelo y la fase gaseosa el aire contenido entre los poros. Su formación nace por procesos de transformación de materia y energía, adiciones, pérdidas y transferencias. El suelo presenta diferentes capas u horizontes a diferente profundidad con materiales diferentes en cada una (Llambí et al., 2012 ) . Las propiedades más importantes en el suelo corresponden a textura, estructura, densidad aparente y porosidad: Figura No. 2.5. Triángulo de texturas del suelo. Fuente: Laurence (2002). Textura: Es una de las características más importantes del suelo y describe la distribución por peso del tamaño de partículas que componen el suelo. La textura se refiere al tamaño de las partículas menores de 2 mm que componen el suelo. Definiendo por tanto arenas (2 a 0.02 mm), limos (0.02 a 0.002 mm), y arcillas (< a.

(34) 12. 0.002 mm). Dependiendo el porcentaje de arena, limo y arcilla que posea el suelo, es posible clasificar al mismo por medio del triángulo de texturas (Figura No.2.5) (Laurence, 2002; Llambí et al., 2012): Estructura: distribución natural en la que las partículas que constituyen del suelo (arena, limo y arcilla) se encuentran juntas unas entre otras en un conjunto más grande denominado agregado (Laurence, 2002; Llambí et al., 2012). Densidad Aparente: característica que relaciona el peso del suelo seco (masa) en una unidad de suelo (g/. ). La densidad aparente presenta una relación inversa. con respecto al contenido de materia orgánica; es decir que altos contenidos de materia orgánica exhiben bajas densidades aparentes (Laurence, 2002; Llambí et al., 2012). Porosidad: Corresponde al volumen que no es ocupado por los sólidos en el suelo, es decir el espacio que puede ser ocupado por agua, aire, nutrientes y gases. El suelo más poroso corresponde a las arenas, mientas que las arcillas son los suelos con poros muy pequeños (Laurence, 2002; Llambí et al., 2012). 2.1.1.2.1 Suelo en el páramo La cordillera de los Andes está constituida por la Cordillera Oriental, Central y Occidental. El proceso de formación de las montañas se origina en el Mioceno, Plioceno y Pleistoceno donde se genera una elevación de más de 3.000 m de altura. Topográficamente el páramo se constituyó luego del levantamiento por actividades glaciares generando entonces una topografía accidentada desde valles (profundos y empinadas) hasta llanuras planas. A pesar de la compleja geología y topografía, los suelos del páramo son bastante homogéneos. El tipo y propiedades del suelo se definen tomando en cuenta dos componentes: clima y presencia de capa homogénea de cenizas de erupciones volcánicas en la era cuaternaria (Buytaert et al., 2014)..

(35) 13. En el páramo se presentan características relativamente homogéneas pese a su geología y topografía complejas. La gran mayoría de estos suelos registran contenido de materia orgánica y ceniza volcánica razón por la que presentan permutaciones lentas en su composición y gran capacidad para retener agua y nutrientes (Llambí et al., 2012; De Bièvre et al., 2011). La composición de suelos de páramo resulta diferente a las de un suelo común. El contendido de materia orgánica está entre el 3. 44 %. El espacio poroso es mucho más amplio que en. suelos comunes, hasta el 90% - Figura No. 2.6 (Llambí et al., 2012; De Bièvre et al., 2011). Figura No. 2.6. Composición de suelo común y suelo de páramo.. Fuente: Llambí et al. (2012). Generalmente los suelos en el páramo se encuentran clasificados en andosoles (FAO/ISRIC/ISSS, 1998). Sin embargo, también presenta suelos de tipo histosoles y regosoles. Los histosoles se encuentran en zonas saturadas o zonas donde se presente baja influencia volcánica. Los regosoles por otro lado se encuentran en zonas empinadas con presencia de roca (De Bièvre et al., 2011). En el siguiente Cuadro No.2.2 se resumen las propiedades físicas de suelos de páramo según la literatura técnica:.

(36) 14. Cuadro No. 2.2: Propiedades hidrofísicas en horizontes superficiales de páramos. Fuente: Buytaert et al. (2014). Los suelos de páramo presentan amplia gama de texturas, pero por lo general se evidencian texturas: franco arcillo arenosa, franco arenoso, areno francosa y arenosa, en cuanto a la estructura presentan una estructura granular y migajosa, bajas densidades aparentes, gran capacidad para retener agua y una microporosidad elevada (Laurence., 2002; Llambí et al., 2012) 2.1.1.2.2 Contenido de carbono y densidad aparente Alrededor del 10% de contenido de carbón orgánico está presente en los suelos de los páramos; en las zonas húmedas (lluvias mayores a los 900 mm/año) este valor aumenta a más del 40%. Lugares donde se presenta depósitos de ceniza el contenido de C orgánico es alrededor de 4% al 10 %. En zonas secas este valor se registra de aproximadamente el 7%. Comúnmente se presenta similitud negativa entre altitud y contenido de carbón orgánico. El contenido de C orgánico y densidad aparente están estrechamente correlacionados. La densidad aparente exhibe valores bajos (150 kg/ más altos (900 kg/. ) a condiciones húmedas y en condiciones secas valores. ). Lo anterior se observa claramente en el Cuadro No. 2.2. (Poulenard et al., 2003; De Bièvre et al., 2011)..

(37) 15. 2.1.1.2.3 Retención de agua La capacidad de retención de agua depende de los microporos ya que durante el secamiento el agua drena por gravedad. La capacidad de almacenamiento de agua en suelo de páramos es elevada, se encuentra en promedio alrededor del 80 a 90 % en suelo saturado esto debido a la baja densidad aparente y de estructura abierta porosa que presentan los Andosoles. Lo anterior se corrobora al comparar curvas de retención de humedad (relacionan contenido de humedad y presión hídrica del suelo) con respecto a suelos comunes (entre suelos arenosos y arcillosos) como se observa en la Figura No. 2.7. (Buytaert et al., 2004; Iñiguez, 2003; De Bièvre et al., 2011). Figura No. 2.7: Curvas de retención de agua para Andosol inalterado y suelos comunes (pF = 0 saturación, C.C. = capacidad de campo, P.M.= punto de marchitez).. Fuente: Iñiguez (2003).. La presencia de alofana e imogolita (minerales amorfos) atribuye en gran magnitud la alta retención de agua que presentan los Andosoles. Estos minerales no se encuentran en suelos meteorizados (regiones húmedas) pues el Aluminio y Hierro son expulsados por la destrucción de ceniza volcánica y están incorporados a la.

(38) 16. materia orgánica presente en el páramo. Los altos porcentajes de retención de agua define la permanencia de microporos haciendo que se presente un gran depósito de agua inactiva (Buytaert et al., 2014). La cantidad de agua inactiva no aporta en gran medida al ciclo hidrológico en los páramos (Buytaert et al., 2014). 2.1.1.2.4 Conductividad Hidráulica Definida como K, representa la rapidez con la que se mueve el agua en el suelo (Llambí et al., 2012). La conductividad hidráulica saturada en los suelos de los páramos, así como los suelos comunes presentan un valor promedio y rangos de variación similares. Sin embargo, los valores de K en el suelo Andosol no saturado cae representativamente a succiones bajas (de -3 cm a -15 cm). Se muestra una reducción de 5,3 a 0,52 cm/h de K que en comparación con otros suelos este valor resulta ser extremadamente alto; como se observa en la Figura No. 2.8 (Buytaert et al., 2004; Iñiguez, 2003). Figura No. 2.8: Curvas de conductividad hidráulica no saturada para diferentes suelos.. Fuente: Iñiguez (2003)..

(39) 17. 2.1.1.3 Cobertura vegetal El ecosistema de páramos tiene gran variedad de especies vegetales, alrededor de 5.000 especies definiendo entonces a los páramos como un ecosistema de diversidad vegetal en las altas montañas (Llambí et al., 2012; Yánez, 2012). En América del Sur se presentan 4.000 especies de plantas que poseen vasos para conducir el agua, nutrientes y minerales, de las cuales alrededor de 2.400 son propias del páramo. Los géneros Espeletia y Pentacalia presentan mayor cantidad de especies (237 especies entre los dos). Ecuador tiene alrededor de 1.524 especies, con morfología de penachos de gramíneas, almohadillas, alfombras, rosetas gigantes y enanas, arbustos, entre otros (Figura No. 2.9) (Llambí et al., 2012; Yánez, 2012). Figura No. 2.9: Morfologías de plantas de páramo.. Fuente: Yánez (2012).. La forma más simple de clasificar a las diversas áreas de vegetación y agrupaciones vegetales en los páramos es reconociendo tres zonas: subpáramo arbustivo, páramo de pajonal y superpáramos. Estas zonas se encuentran a diferentes altitudes (zonas de baja a gran altura) y se relacionan con las características fisonómicas y taxonómicas de la vegetación (Yánez, 2012)..

(40) 18. El subpáramo arbustivo es la zona de cambio entre bosques montanos y el páramo de pajonal. Presenta un rango de altitud variable, puede encontrarse a los 2.800 m como a 4.000 m. Esta zona está dominada por morfologías de arbustos erectos y esclerófilos de diversos géneros como Diplostephium, Gynoxys, Monticalia, Chuquiraga, Berberis, Hypericum, Pentacalia, Valeriana, entre otros; sin embargo, por el avance agrícola en los últimos tiempos, este tipo de vegetación ha ido desapareciendo (Yánez, 2012) . El páramo de pajonal se presenta paulatinamente mientras la altura incrementa y las condiciones climáticas influyen y es la zona más amplia de entre las tres mencionadas. Se encuentra alrededor de los 3.500 m promedio y es la zona que tiene generalmente cobertura completa de vegetación. En esta zona se encuentran generalmente los penachos, poáceas amacolladas, rosetas gigantes entre otros (Yánez, 2012). A la zona de transición entre el páramo y zonas de nieves constantes se lo denomina superpáramo y se ubica específicamente en parte centro y norte del país al pie de las montañas y altas cúspides (4.100 m - 4.800 m). Esta zona presenta baja intervención humana, temperaturas bajas, heladas, mayor radiación y suelos pobres. Se distinguen dos zonas: superpáramo inferior y superpáramo superior. El superpáramo inferior presenta arbustos postrados, almohadillas, rosetas y penachos; mientras que el superpáramo superior crece de la vegetación nombrada en la zona anterior (Yánez, 2012). 2.1.1.3.1 Unidades fisiográficas en los páramos del Ecuador Factores históricos y biofísicos (aislamiento geográfico, humedad, capas de roca parental, historia volcánica, variedad de hábitat e influencia del ser humano) hacen que la cobertura vegetal de los páramos presente particularidades agrupándolas en unidades. fisiográficas.. Un. análisis. fisiográfico. envuelve. características. climatológicas, geológicas, geomorfológicas entre otros (Beltrán et al., 2009). En el.

(41) 19. Ecuador, según Beltrán et al., (2009) se clasifica al páramo en nueve unidades fisiográficas de norte a sur, a lo largo de la Cordillera de los Andes. Las nueve unidades fisiográficas como se muestra en la Figura No. 2.10 corresponde a: Páramos de Galeras-Chiles, Páramos del Norte de la Cordillera Occidental. Ecuatoriana,. Páramos. Centrales. de. la. Cordillera. Occidental. Ecuatoriana, Páramos del Sur de la Cordillera Occidental Ecuatoriana, Páramos del Norte de la Cordillera Real Oriental, Páramos del Sur de la Cordillera Real Oriental, Páramos de Azuay-Morona Santiago-Zamora Chinchipe, Páramos del Macizo del Cajas, Páramos de Lagunillas-Piura-Podocarpus (Beltrán et al, 2009). Figura No. 2.10: Unidades fisiográficas en el Ecuador. Fuente: Beltrán et al. (2009).

(42) 20. 2.1.1.4 Importancia Los páramos presentan la característica de, entre las más importantes, de ser reguladores de agua superficial, aporta con suministro de agua estable en gran medida para ser posteriormente aprovechado. La disponibilidad del recurso hídrico proveniente de los páramos se destaca básicamente para tres aspectos: uso doméstico, agrícola y producción de energía hidroeléctrica (Llambí et al., 2012; Buytaert et al., 2014). 2.1.1.4.1 Uso doméstico Poblaciones de gran altura dependen del recurso hídrico de páramos. Pobladores de grandes ciudades como Quito, Cuenca en Ecuador y Bogotá en Colombia consumen agua que viene de los páramos. Los pobladores pueden aprovechar del recurso agua debido a la captación desde ríos regulados que nacen de los páramos (De Bièvre,et al., 2011). En el Ecuador, Cuenca cuenta con alrededor de 505.000 habitantes (según el censo de 2010), mismos que reciben el suministro de agua gracias a la compañía ETAPA. ETAPA capta exclusivamente agua superficial de los Ríos Tomebamba (desciende del páramo del Cajas) y Machángara (desciende del páramo del Machángara) con un valor de 1.640 l/s entre las dos captaciones. La EPMAPS en Quito es la empresa pública que gestiona el recurso hídrico en el distrito, el 85 % del agua que es captada para el suministro es superficial proveniente de los páramos. La captación de Papallacta (en el río Cunuyacta. reserva Cayambe. Coca) y Micacocha (desciende del Volcán Antisana) son las fuentes más importantes de provisión del recurso hídrico para esta región (De Bièvre,et al., 2011; Buytaert et al., 2014)..

(43) 21. 2.1.1.4.2 Usos agrícolas El riego es una actividad realizada desde la antigüedad y ha tenido grandes avances desde entonces. En el Ecuador, cerca de 50.000 ha de suelo son regadas y la mayor parte de esta actividad es realizada con agua proveniente de páramos. Zonas agrícolas de pequeña extensión en la Sierra dependen del agua de los páramos, así mismo grandes plantaciones de banano en la región Costera. Un estudio realizado en la zona del Austro Ecuatoriano (600 m. 3.000 m de altura) se. definen zonas agroecológicas, de las cuales el 75% presentan periodos de crecimiento por debajo de 10 meses y se benefician con riego (De Bièvre et al., 2011; Buytaert et al., 2014; Dercon et al., 1998). 2.1.1.4.3 Energía hidroeléctrica El agua proveniente de los páramos tiene la característica de ser flujos confiables y constantes lo que hace posible la generación de energía hidroeléctrica. La central Hidroeléctrica de Paute (1.075 MW) es una de las más grandes centrales en la Sierra Ecuatoriana que capta agua proveniente de páramos (De Bièvre et al., 2011). Alrededor del 35% del agua captada en el embalse Amaluza (1.994 m de altura) desciende de páramo de la zona Occidental y Oriental. La topografía de la región de páramos se presta para albergar aguas arriba a hidroeléctricas de pequeña escala haciendo que se destaquen frente a sistemas de generación de energía aguas abajo (Buytaert et al., 2014). 2.1.1.5 Intervención humana y el cambio climático El tema de cambio climático resulta ser muy impredecible y apresurarse a escenarios posteriores resulta ser poco preciso. El cambio de temperatura es la muestra más evidente al cambio climático y los glaciares son grandes indicadores de este tema. En zonas de montaña este tema es más crítico aún, pues, se estima que dentro de los próximos años la temperatura incrementará (de entre 1.5 °C a 5 °C del 2040 - 2070) en gran cantidad en estas zonas que a bajas alturas..