Año 2015
TESIS DE GRADO
INGENIERÍA AMBIENTAL
“Implementación del modelo hidrológico MGB-IPH
para el análisis de los efectos del cambio del uso del
suelo en el régimen hidrológico de la cuenca del río
Acaray”
RESUMEN EJECUTIVO
Alumnos
Ana Sofía Lugo Idoyaga
Jorge Manuel Mazó Cáceres
Asesor
Lic. Julián Báez Benítez
Asunción-Paraguay
Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción”
Facultad de Ciencias y Tecnología
Implementación del modelo hidrológico MGB-IPH para el análisis de los
efectos del cambio del uso del suelo en el régimen hidrológico de la cuenca
del río Acaray
A.S. Lugo; J.M. Mazó; J. Báez; M. Pereira
Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción” Tte. Cataluppi y G. Molinas, Asunción, Paraguay
Teléfono: 595 21 334650 Fax: 595 21 311820
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RESUMEN
Este trabajo presenta la implementación del modelo hidrológico MGB-IPH en la cuenca del río Acaray para la evaluación del impacto del cambio del uso de suelo en el régimen hidrológico. Se realizó el control de calidad de datos de lluvia ANDES-QC para eliminar datos erróneos. El modelo fue simulado y calibrado exitosamente en la cuenca en el periodo de 1970 a 1975. Debido a la influencia de la presa Yguazú posterior a 1976, para la verificación, se compararon caudales calculados con caudales observados en la cuenca del río Monday, próxima a la del Acaray y que posee un régimen hidrológico similar.
Posteriormente, se simuló paralelamente el periodo de 1970 a 2014 considerando la deforestación real y el caso de que no ocurra la misma a través del tiempo. Se evidencia la tendencia de aumento en los caudales medios y máximos, y disminución de los caudales mínimos al deforestar la cuenca.
Palabras Claves: Modelo Hidrológico, MGB-IPH, cuenca del río Acaray, ANDES-QC, cambio del uso del suelo.
ABSTRACT
This paper presents the implementation of the hydrological model MGB-IPH in Acaray river basin to assess the impact of land use change in the hydrological regime. Quality control ANDES-QC was performed to rain data to remove erroneous values.
The model was simulated and calibrated successfully in the basin in the period from 1970 to 1975. Due to the influence of the Yguazú dam since 1976, for verification, calculated flow and observed flow in the basin of Monday river were compared, which is next to the Acaray and it has a similar hydrological regime.
Subsequently, it was simulated parallel the period from 1970 to 2014 considering the actual deforestation and if it does not occur over time. The trend of increase in average and maximum flows, and decreased in the minimum flows is evidenced when deforestation ocurrs.
INTRODUCCIÓN
El Paraguay es un país con gran riqueza hídrica de aguas superficiales y subterráneas, con un generoso régimen pluvial, con condiciones climáticas muy favorables y con apreciable potencial de desarrollo por su disponibilidad de recursos naturales (Crespo et al., 2000).
La cuenca del río Acaray se encuentra dentro de una de las zonas de la región oriental en dónde el régimen de lluvia es más intenso (Dirección General de Encuestas, Estadísticas y Censos, 2012), por lo que se encuentra de gran interés el estudio de las cuencas de esta zona. La cuenca se distribuye en los Departamentos de San Pedro, Alto Paraná, Caaguazú y Canindeyú, la mayor parte de esta, se encuentra en el departamento de Caaguazú, seguido por el departamento de Alto Paraná. Dichas departamentos, de mayor afectación por el cambio de uso de suelo, debido a las plantaciones de agricultura a través del tiempo, hecho al que se suma el desarrollo urbano en los últimos años.
La modelación hidrológica busca representar matemáticamente los procesos hidrológicos superficiales y subterráneos, transformando la precipitación en caudal. Para ello son necesarios los datos meteorológicos y climatológicos, las características físicas y topográficas de la zona, así como, hidrológicos. Se realiza la simulación y calibración buscando el ajuste con la realidad. El Modelo utilizado es el Modelo Hidrológico de Grandes Cuencas (MGB-IPH, por sus siglas en portugués), desarrollado en la Universidad Federal de Rio Grande do Sul por el Instituto de Pesquisas Hidráulicas (Collischonn y Tucci, 2001).
Mediante este trabajo, se busca implementar y calibrar el modelo MGB-IPH en la cuenca del Río Acaray, y de esta forma, utilizar el modelo calibrado para analizar las variaciones en el régimen hidrológico de la cuenca ante los cambios temporales del uso del suelo.
OBJETIVOS
Objetivo general
Evaluar el impacto del cambio del uso del suelo en el régimen hidrológico de la cuenca del río Acaray utilizando el modelo hidrológico MGB-IPH
Objetivos específicos
Obtener y analizar datos de entrada para la aplicación del modelo hidrológico MGB-IPH. Simular y calibrar el modelo hidrológico MGB-IPH.
Determinar la variación del caudal en la cuenca del río Acaray debido al cambio de uso del suelo.
ÁREA DE ESTUDIO
El río Acaray nace en la Cordillera de Caaguazú, siendo sus afluentes principales el Itakyry y el Yguazú. Tiene unos 160 km de largo del Oeste a Este y tiene una caída de 7 m a 6 km antes de desembocar en el Paraná, cerca de 3 km aguas arriba de Ciudad del Este del Paraguay y Foz de Iguaçu en el Brasil.
Su cuenca hidrográfica, se encuentra incluida completamente en el territorio paraguayo, es de aproximadamente 9900 km2, ocupando cerca de 2,6% de la superficie del país. Aproximadamente la mitad de su cuenca pertenece al sistema hidrográfico del río Yguazú que confluye con el Acaray a unos 35 km, en línea recta, antes de su desembocadura en el Paraná y la base opuesta formada por la cordillera de Acaeanguy, donde están las nacientes del Acaray y del Yguazú.
Los terrenos drenados por el sistema hidrográfico de Acaray pertenecen en su mayor parte a una extensa planicie con elevación de 190 a 250 m.s.n.m, en el cual los cursos del Acaray y del Yguazú fluyen en una ininterrumpida serie de meandros.
En general, la superficie se encontraba cubierta por denso bosque del tipo Bosque Atlántico del Alto Paraná característica de las regiones húmedas sub-tropicales, a los cuales en la parte más occidental se abre en grandes sabanas, en cuanto que a lo largo de los dos ríos, antes de su confluencia, existen amplias zonas ocupadas por meandros abandonados, lagunas y esteros, sujetos a inundaciones en los periodos de agua alta.
En la proximidad de su desembocadura, próximo a Ciudad del Este, a una cota cercana de 90 m s.n.m, el rio Acaray tiene una caída de cerca de 80 m en una extensión de 10 km, dando origen a varios corredores y pequeños saltos. En ese trecho, donde el Acaray se acerca al Paraná a pocas centenas de metros, fueron aprovechadas las condiciones favorables para la implantación de la Usina Acaray I y II (ELC y MKI, 1975).
METODOLOGÍA
Control de calidad de datos
El Control de Calidad – generalmente referido como QC – supone un paso necesario e imprescindible para el correcto análisis de las series climáticas. Debe realizarse como tarea previa a los procesos de homogeneización y permite eliminar errores no sistemáticos, entendiendo como tales aquellos que comprometen la validez de valores puntuales por causas diversas, aunque frecuentemente relacionadas con errores de anotación o digitalización, o manipulación de las bases de datos. El control de calidad, que consiste en someter a las series a “tests” estadísticos simples y a inspección visual mediante gráficos específicos (Aguilar et al., 2013).
El control de calidad ANDESQC se ha programado sobre R, a partir de RClimdex-extraqc (Aguilar, 2012) e implementa los diferentes test que contiene sobre datos de precipitación, temperatura del aire máxima y mínima, en formato diario.
Para este estudio, se realizó el análisis tan solo para los datos de precipitación, considerando el efecto mayor de estos en la generación de caudal. Los tests realizados se muestran en la tabla 1 y se encuentran detallados en Aguilar (2012).
Test Fecha Precipitación
Outliers por meses x
Outliers gamma x
Outliers espaciales x
Test Fecha Precipitación
Valores duplicados x !
Valores consecutivos x
Precipitación acumulada x
Cadenas de Markov x
Cadena de precipitación x
Redondeo x
Tabla 1. Tests implementados por el ANDESQC. Fuente: Aguilar (2012)
Implementación del modelo hidrológico MGB-IPH
Datos hidrometeorológicos
Se utilizaron estaciones de monitoreo de datos de lluvia, clima y caudal, ubicadas en la cuenca del río Acaray y próximas a ella, las cuales se muestran en la figura 1.
Figura 1. Estaciones de monitoreo utilizadas en el estudio. Fuente: Elaboración propia
Para el periodo de calibración fueron utilizadas las estaciones de la ANDE; Itakyry, Central Acaray, Confluencia, Presa Yguazú, Ponderosa, Bella Vista, Santa Ana, Juan E Oleary, San Joaquín y Curuguaty; las estaciones de Ciudad del Este, Villarica y Coronel Oviendo de la DINAC y la estación Campamento Central de Itaipú, debido a que únicamente estas estaciones cuentan con los datos para los periodos de 1970 al 1975. Para las simulaciones restantes fueron utilizadas las demás estaciones. Los datos utilizados para las simulaciones son en formato diario.
La estación Confluencia se encuentra en la unión de los ríos Yguazú y Acaray, se tiene la ecuación H-Q que relaciona los niveles del rio con el caudal observado.
Datos espaciales
Los datos necesarios para la generación de mapas por geoprocesamiento son:
Modelo Digital de Elevación (MDE), disponible por el "Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI)" por medio del Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) de la National Geospatial Intelligence Agency (NASA) .
Imágenes de satélite LANDSAT para la creación de mapas de uso de suelo. Mapa de tipo de suelo de la región oriental del Proyecto de Racionalización del
Uso de la Tierra (López et al., 1995).
Mediante el procesamiento del MDE, se obtienen los mapas de dirección de flujo, red de drenaje, minicuencas (figura 2) y subcuencas. Mientras que de las imágenes Landsat se crean los mapas de uso del suelo que posteriormente son combinadas para la definición de las Unidades de Respuesta Hidrológica (URHs), que son unidades menores con un
comportamiento hidrológico igual sin importar donde se encuentren dentro de la cuenca, el resultado de la combinación se muestra en la figura 3 y en la tabla 2.
Figura 3. Definición de URHs. Fuente: Elaboración propia
URH Definición Códigos
1 Ultisol de uso agropecuario UltiAgr
2 Tierras Misceláneas TMCb
3 Ultisol con cobertura boscosa UltiCb
4 Área Urbana Ciudad
5 Entisol con cobertura boscosa EntiCb
6 Entisol de uso agropecuario EntiAgr
URH Definición Códigos
7 Oxisol con cobertura boscosa OxiCb
8 Oxisol de uso agropecuario OxiAgr
9 Agua Agua
Tabla 2. Definición de URHs utilizadas para las simulaciones. Fuente: Elaboración propia
Simulación y calibración
Los archivos utilizados para la simulación hidrológica son el MINI (en dónde se resumen los archivos obtenidos del procesamiento del MDE), URH, lluvia interpolada, caudales (a modo de comparación con los resultados), medias climáticas y archivos de clima diario, archivos de los parámetros fijos y calibrables. Los archivos se generan en la interfaz del MGB-IPH en su interfaz en el software MapWindow GIS.
Los parámetros fijos son definidos teniendo en cuenta el uso de suelo de cada URH. Los mismos son albedo, índice de área foliar, altura de árboles y resistencia superficial. Los parámetros deben ser fijados para cada mes del año buscando una representación real del sistema.
La metodología de calibración utilizada es la asignación de valores para los parámetros calibrables de acuerdo al tipo de URH, mediante el análisis de resultados generados en el ajuste entre hidrogramas y en las curvas de permanencia de caudales observados y calculados. El proceso es realizado de forma iterativa hasta conseguir el mejor ajuste entre ambos
caudales.
Simulaciones en diferentes escenarios de uso del suelo
Fueron elegidos los periodos 1970-1985, 1986-1995, 1995-2005 y del 2006-2014. De modo a tener un primer periodo antes de la deforestación, y los periodos posteriores por década, a diferencia del último que contiene hasta el último año que se tienen los datos disponibles. Para cada periodo se crearon mapas de uso de suelo representando el primer año, es decir, para los años 1970, 1986,1996 y 2006, respectivamente. Estos mapas fueron obtenidos a través del procesamiento de imágenes LANDSAT con herramientas de Arcmap. La clasificación de URHs fue realizada de la misma manera para todos los periodos.
Para los periodos de simulación, se utilizaron los datos de lluvia y clima respectivos. De esta forma, se simuló el caudal en la cuenca considerando los cambios de uso del suelo que ocurrieron efectivamente. Paralelamente, se realizaron simulaciones “control" utilizando la URH de 1970, para cada periodo establecido, considerando los datos de lluvia y clima respectivos. Las simulaciones “control” descartarían los cambios del uso del suelo que fueron ocurriendo a través del tiempo, y es utilizada para eliminar los efectos climáticos y de precipitación de los impactos del uso de la tierra (Missio, 2014), en la figura 4 se esquematiza el proceso realizado.
Figura 4. Esquema utilizado para el análisis de los efectos del cambio del uso del suelo. Fuente: Adaptado de Missio (2014)
Verificación de caudales simulados
A partir de febrero de 1975, el régimen del río Acaray en la confluencia con el río Yguazú, se encuentra alterado por la operación parcial de la presa Yguazú. No obstante, se consideró que el efecto regularizador de la presa sobre las descargas medidas en la estación Confluencia todavía eran pequeñas en ese entonces (ELC y MKI, 1975). Posteriormente, las obras finales de la presa Yguazú fueron concluidas y el efecto en el caudal en la confluencia pasó a ser mayor. En la figura 5 se observa el hidrograma de los caudales medidos en la estación Confluencia. Hasta fines de 1975, los caudales se muestran naturales, por lo tanto pueden ser reproducibles por el modelo MGB-IPH, como se mostró en el periodo de calibración, sin embargo, a partir del año 1976, los caudales observados se muestran alterados, con una disminución en las magnitudes de los caudales y cambios bruscos en el hidrograma, debido a que se encuentra influenciado por el régimen de operación de la represa Yguazú, además se observan periodos de caudales aproximadamente constantes (figura 6).
Considerando esto, se afirma que a partir del año 1976, no existen registros de caudales naturales en la confluencia del río Acaray con el río Yguazú, debido a los efectos de la operación de la presa Yguazú, hecho que dificulta la verificación de los caudales simulados en los periodos posteriores, para el estudio del impacto del cambio de uso del suelo en el régimen hidrológico de la cuenca.
Simulaci ón 1
URH 1970 URH 1970 Simulaci ón 1 Simulaci ón 2 URH 1986 URH 1970 Simulaci ón 1 Simulaci ón 2 URH 1996 Simulación 1 URH 1970 Simulación 2 URH 2006 Periodo de lluvias 1970-1985 Periodo de lluvias 1986-1995 Periodo de lluvias 1996-2005 Periodo de lluvias 2005-2014
Se determinó comparar los caudales simulados con caudales naturales observados diariamente en la cuenca del río Monday, situada aguas debajo de la cuenca del río Acaray y que presenta un régimen hidrológico similar (ELC y MKI, 1975), con similitudes en el área, variabilidad climática, uso y tipo de suelo y pendiente. En este caso la comparación fue con mediciones diarias de los resultados de la simulación y con caudales naturales.
Figura 6. Efectos de la presa Yguazú en el caudal de la estación Confluencia. Fuente: Elaboración propia
RESULTADOS
Control de calidad ANDESQC
El control tiene como salida la identificación de valores sospechosos o errores directos, de acuerdo al test que han fallado. De esta forma, cada valor sospechoso identificado es nuevamente analizado, comparándolo con los valores medidos en estaciones cercanas, para decidir si eliminarlo o conservarlo, buscando una mayor coherencia entre todas las estaciones.
Los resultados para las estaciones de la ANDE, entidad que posee la mayor cantidad de estaciones en la cuenca, se muestra en la tabla 3.
Valores sospechosos
Estación Outlier mensual
Valor elevado erróneo
Precipitación acumulada
Outlier
gamma Total
00000001 1 1 12 86 100
00000002 3 0 6 95 104
00000003 1 1 6 89 97
00000004 1 0 24 57 82
00000005 0 0 0 94 94
00000006 0 0 12 98 110
00000007 0 0 6 97 103
00000008 0 0 6 87 93
00000009 1 0 18 94 113
00000010 0 0 0 75 75
00000011 1 0 12 79 92
00000012 0 0 0 1 1
00000013 1 0 54 62 117
00000014 0 0 6 91 97
00000015 2 0 12 93 107
00000016 1 0 12 77 90
Tabla 3. Valores sospechosos identificados para las estaciones de la ANDE. Fuente: Elaboración propia
Simulación
El resultado final de la simulación se dio a partir de aproximadamente 200 simulaciones de prueba y error. En la figura 7 se muestra la comparación de los hidrogramas observados y calculados, en donde los caudales reales son los azules y los caudales calculados son los rojos, para el periodo de simulación desde el año 1970 a 1975, anterior a la construcción de la represa.
El modelo es capaz de representar los picos de caudales máximos de mejor manera, a diferencia de los caudales mínimos, en donde se encuentran mayores diferencias entre ambos.
Figura 7. Comparación entre caudales simulados y observados para el periodo de 1970 a 1975. Fuente: Elaboración propia
El coeficiente R2 resultó en 0,66, el cual está mayormente influenciado por los caudales máximos, mientras que el coeficiente Rlog, fuertemente influenciado por los caudales de estiaje
dio un valor de 0,614. Se obtuvo un mejor ajuste entre los caudales máximos mediante la simulación, y un ajuste menor para los caudales mínimos. El error entre volúmenes es de -0.656, es decir los caudales calculados obtenidos tienen una ligera diferencia menor a los caudales observados en términos de volumen. Estos resultados se consideran aceptables de acuerdo a lo descrito por Collischonn (2001) y considerando la escasez y calidad de los datos de entrada.
Comparación de resultados con la cuenca del río Monday
Para la comparación, se utilizaron los datos medidos en la estación Puesto Silva, con datos desde 1973 al 2002, posteriormente reemplazada por la estación Nuevo Puesto Silva instalada por Itaipú a pocos metros de la anterior estación y con el cero de la regla hidrométrica al mismo nivel de cota, por lo que se consideran iguales (Godoy, 2015). La posición de la estación hidrométrica define un área de drenaje de 6.648,94 km2.
Se realizaron las simulaciones para la cuenca del río Acaray, utilizando URHs diferentes correspondientes a los periodos previamente establecidos, con los parámetros resultantes del periodo de calibración, los cuales se compararon con los caudales observados en la estación Puesto Silva utilizando las curvas HQ de ANDE e Itaipú desde el año 1975 al 2011.
En la figura 8, se muestran los caudales de largo periodo para la simulación en la desembocadura de la cuenca del río Acaray y los observados en la estación Puesto Silva, al representarlos de esta forma, se puede eliminar los efectos de la diferencia de áreas. Se puede observar que no hay diferencias significativas entre los datos, a excepción de los puntos del año 2000 y el 2005 .Se demuestra que no hay una gran variación en las magnitudes en estos puntos pero la frecuencia se encuentra alterada. Para el caso del año 2000, los caudales simulados se observan aumentados con respecto a los observados del río Monday, y en el caso del año 2005 se encuentran disminuidos con respecto a los observados del río Monday
Figura 8. Comparación de caudales de largo periodo entre la cuenca del río Acaray y la cuenca del río Monday. Fuente: Elaboración propia
La similitud en el resto de los años sugiere que los caudales simulados son válidos de igual manera, como se muestra en la figura 9, la dispersión de los datos se muestra coherente, con una tendencia correcta y una correlación R2 a nivel anual alta, de 0,81.
Figura 9. Gráfico de dispersión de caudales simulados del río Acaray y caudales observados del río Monday. Fuente: Elaboración propia
Para verificar la variación efectiva de los caudales simulados y observados, se analizó un periodo de 36 años comprendido entre los años 1975 al 2010, utilizando la totalidad de datos disponibes de caudales observados del río Monday, de forma a utilizar a un periodo coincidente en su totalidad entre los datos medidos y simulados. Este periodo se dividió en dos y se examinó la variación, como se muestra en la tabla 4. Para la estación Puesto Silva, se verificó un aumento del caudal del periodo 1975 a 1992 al periodo de 1993 al 2010 de 20,5 mm/año, al mismo
0 500 1000 1500 2000 Cau d ales d e la rgo p eriod o (mm /añ o ) Años
Caudales de largo periodo
Promedio de Puesto silva (Itaipú) (mm/año)
Promedio de Desembocadura Acaray (simulado)(mm/año) Línea de tendencia Observado
Línea de tendencia Calculado
R² = 0,8074
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Cau d ales s im u lad o s d es em b o cad u ra Acara y (mm /añ o )
Caudales observados Puesto Silva Itaipú (mm/año)
tiempo, para la desembocadura del Acaray, el incremento fue de 29,29 mm/año. En relación al caudal del primer periodo, el incremento en el caudal medio fue de 15,77 % y 15,23% para la estación Puesto Silva y para los datos simulados en la desembocadura de la cuenca del Acaray, respectivamente.
Variables Puesto Silva- Itaipu Desembocadura Acaray
Promedio caudales
1975-1992 (mm/año)
130.1796682 192.3869745
Promedio caudales
1993-2010 (mm/año)
150.7077763 221.6813425
Diferencia (mm/año) 20.52810815 29.29436799
Diferencia porcentual (%) 15.76905859 15.22679385
Tabla 4. Variación porcentual de caudales de 1975-1992 a 1993-2010. Fuente: Elaboración propia
Los resultados de los caudales simulados en la cuenca del río Acaray presentan una coherencia con relación a las comparaciones realizadas, de esta forma se comprueba la validez de las simulaciones, siendo capaz el modelo de representar la variabilidad real de la cuenca.
Impactos en los caudales
Caudales medios
Utilizando los resultados de las simulaciones con cambios en el uso del suelo y control, se verifican las variaciones en el caudal medio de la cuenca. En la tabla 5, se muestran los resultados de estas simulaciones para cada periodo en cuestión en términos del aumento en el caudal de largo periodo.
Variación de caudal (mm/año)
Periodo de simulación Sub cuenca 1 Sub cuenca 2 Sub cuenca 3 Sub cuenca 4
1970-1985 0.00 0.00 0.00 0.00
1986-1995 79.42 64.82 69.97 69.93
1996-2005 107.19 89.61 95.79 95.74
2006-2014 60.18 58.69 60.20 60.15
Tabla 5. Variación del caudal entre las simulaciones con y sin deforestación, para cada subcuenca. Fuente: Elaboración propia
Para cada periodo y subcuenca, se muestra el porcentaje de deforestación en relación a la variación del caudal, en contraste a los resultados de Bosch & Hewlett (1982) en estudios en cuencas experimentales (figura 10). Se observa que los resultados en las subcuencas siguen la tendencia de aumento de la variación del caudal con el porcentaje deforestado y se encuentran dentro de la distribución de las cuencas reales. En los últimos puntos, la variación no es mayor a los anteriores, pero de igual forma existe una tendencia de incremento del caudal simulado considerando la deforestación en relación a la simulación control.
Figura 10. Variación del caudal en relación al porcentaje de deforestación. Fuente: Elaboración propia
Siguiendo la metodología de Missio (2014), se ajustan los datos mediante regresión linear, como se muestra en la figura 10, obteniéndose un coeficiente de correlación r2 de 0,6522.
La ecuación resultante es 𝑦 = 1,4347𝑥, en donde 𝑦 es la variación del caudal de largo periodo y 𝑥 es el porcentaje de deforestación, de esta forma, se relaciona de forma simplificada el porcentaje de deforestación en la cuenca con el aumento del caudal.
Analizando el periodo del año 1970 al 2013 y siguiendo la metodología de Missio (2014), sin considerar la deforestación, se observa que el caudal de largo periodo para el periodo de 1970 a 1991 fue de 541,58 mm.año-1, mientras que para el periodo de 1992 al 2013, el caudal
de largo periodo fue de 606,98 mm.año-1, lo que representa un incremento de 69,397 mm.año
-1. Teniendo en cuenta que la única variación a lo largo de estos años fue la precipitación, se
considera que este incremento de caudal se debe exclusivamente a la variación en la lluvia.
Considerando la deforestación para el mismo periodo, en el periodo de 1970 a 1991 el caudal de largo periodo fue de 560,93 mm.año-1, y en el periodo de 1992 a 2013, el caudal de largo periodo fue de 681,52 mm.año-1, significando un incremento de 120,59 mm.año-1,
atribuibles a la variación de la precipitación y el uso del suelo. Al separar este incremento a lo debido exclusivamente a la precipitación, el incremento en el caudal como consecuencia exclusiva de las variaciones en el uso del suelo es de 55,196 mm.año-1. De esta forma, se le
atribuye a la lluvia 54,2% del incremento de caudal y a los cambios en el uso del suelo el 45,8%.
Con estos resultados se puede afirmar que la deforestación produce el incremento en los caudales medios, lo que concuerda con lo descrito por Tucci (1996) y demostrado por la metodología de Missio (2014).
0 100 200 300 400 500 600 700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Var
iac
ió
n
d
e
c
au
d
al
(
m
m
/añ
o
)
Porcentaje de deforestación o reforestación (%)
Tendencia del caudal con relación a la
deforestación
Eventos extremos
Caudales máximos
En la figura 1 se observa la comparación de los caudales máximos anuales para todo el periodo de estudio, se muestra la evidente tendencia de aumento de los caudales máximos en los escenarios con deforestación en relación a la simulación control.
Con mayor notoriedad en los años 1996 hasta el 2010, se demuestra gran diferencia entre ambos caudales, y consecuentemente un aumento en los últimos años.
Figura 11. Comparación entre caudales máximos con y sin deforestación. Fuente: Elaboración propia
En la figura 12 se muestra la Diferencia Porcentual Absoluta entre las simulaciones con cambio del uso del suelo y el control. Se observa que la DAP en todos los años supera el 20 % y llega alcanzar valores cercanos al 100 % como en el 2003.
Figura 12. Diderencia porcentual absoluta entre caudales máximos con y sin deforestación. Fuente: Elaboración propia
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Cau
d
al
(m
3/s)
Año)
Caudales máximos
Q max con deforestación Q max control
0 20 40 60 80 100 120
%
Años
DAP
Con estos resultados se puede afirmar que la deforestación produce un incremento en los caudales máximos, lo que concuerda con Tucci (1996) y Missio (2014). Dicho comportamiento es semejante a lo que ya se vió en los caudales medios.
Caudales mínimos
Se analizaron los caudales mínimos anuales para el caso de la inexistencia de deforestación y para el caso real de deforestación, resultados que se muestran en la tabla 6. A diferencia de lo que ocurrió con los caudales medios y máximos, en este caso los caudales mínimos considerando la deforestación resultaron menores a los caudales resultantes de la simulación control en todos los años de estudio (figura 13).
Periodo Caudal Mínimo (m
3/s)
Con deforestación Sin deforestación
1970-1985 61.431 61.431
1986-1995 50.776 72.118
1996-2005 37.528 73.785
2006-2014 20.512 46.296
Tabla 6. Caudales mínimos con y sin deforestación. Fuente: Elaboración propia
Figura 13. Comparación entre caudales mínimos con y sin deforestación. Fuente: Elaboración propia
De forma paralela, se analizaron los caudales Q95. El Q95 es el caudal para el cual todos los datos de igual o mayor valor, representan el 95 % de todos los datos, de acuerdo a esto, sirven para analizar los caudales mínimos de una serie, como se muestra en la figura 14, en donde se comparan las curvas de permanencia de los resultados de las simulaciones control para diferentes periodos. En la figura 15, se puede observar lo mismo para los caudales simulados considerando la deforestación.
0 50 100 150 200 250
Cau
d
al
(
m
3/s)
Año
Caudales mínimos
Figura 14. Curvas de permanencia para diferentes periodos de simulación sin deforestación. Fuente: Elaboración propia
Figura 15. Curvas de permanencia para caudales simulados con deforestación. Fuente: Elaboración propia
A partir de esto, se puede evidenciar que la Q95 tiende a disminuir con la deforestación de la cuenca.
Se pudo verificar que el caudal mínimo en la cuenca disminuyó al deforestarla, lo que contradice los resultados encontrados en los caudales medios y máximos. Sin embargo, se tiene en cuenta que los caudales mínimos están influenciados principalmente por la escorrentía
0 50 100 150 200 250
50,02% 56,08% 62,14% 68,20% 74,27% 80,33% 86,39% 92,45% 98,51%
Cau
d
al
(m
3/s
)
Porcentaje(%)
Curva de permanencia con caudales sin deforestación
1986-1992 1993-1999 2000-2006 2007-2013
0 50 100 150 200 250
50,02% 59,99% 69,96% 79,94% 89,91% 99,88%
Cau
d
ales
(m
3/s
)
Porcentaje (%)
Curva de permanencia con caudales deforestados
subterránea. Las condiciones de infiltración del suelo después de la deforestación pueden quedar deterioradas, como efecto de compactación por la energía de la lluvia (Tucci, 2002) o por la transformación del suelo para usos agrícolas o similares, esto disminuye el agua que llega a los acuíferos y aumenta la escorrentía superficial, disminuyendo los caudales mínimos.
CONCLUSIONES
Se generó una base de datos extensa y de fácil manejo de todos los periodos de medición para cada estación con influencia en la cuenca del río Acaray, con datos de precipitación corregidos.
El caudal del río Acaray en la estación confluencia fue simulado y calibrado en el periodo de 1970 a 1975. El coeficiente R2 obtenido fue de 0,66, el R
log fue 0,614 y el error
volumétrico fue de -0,66 m3. Estos valores se encuentran dentro del rango considerado aceptable, de acuerdo a Collischonn (2001) y se consideran buenos teniendo en cuenta la escasez y calidad de datos. Con los resultados, se afirma que el modelo es capaz de representar el comportamiento hidrológico de la cuenca.
Se simularon los periodos de 1970 a 1985, 1986 a 1995, 1996 al 2005 y 2006 al 2014 por separado, considerando los casos reales de deforestación y una simulación control en el caso de que no haya ocurrido deforestación en la cuenca a partir de 1970, teniendo en cuenta el clima correspondiente para cada periodo.
Fue realizada la comparación con los datos observados de la cuenca vecina del río Monday, la cual presenta un régimen hidrológico similar. Hecho realizado debido a que la construcción de la represa en 1976 imposibilita la comparación con datos observados de la misma cuenca. Se analizaron los caudales de largo periodo y se observó la misma frecuencia en ambas series, obteniéndose como resultado un coeficiente R2 de 0,81. Las series siguieron la misma tendencia de aumento en los valores de caudal, comparando los periodos de 1975 a 1992 y 1993 al 2010, se constató un aumento del 15,7 % y el 15,2 % con respecto al primer periodo, para los datos medidos en el Monday y los simulados en el Acaray, respectivamente. Estos resultados validan la utilización de los caudales simulados para el análisis del efecto hidrológico de los cambios del uso del suelo.
Los caudales simulados se compararon con los resultados de experimentos en cuencas deforestadas con diferentes condiciones climáticas y en diferentes países realizados por Bosch & Hewlett (1982) y siguen la misma tendencia de aumento de la variación del caudal con la deforestación. Con estos resultados, se pudo obtener una ecuación lineal que relaciona ambas variables, la misma es 𝑦 = 1,4347𝑥, dónde 𝑦 es la variación de caudal y 𝑥 es el porcentaje de deforestación para la cuenca del rio Acaray.
Además, fueron analizados los caudales, para el caso de los caudales medios se observó un aumento en los mismos en el caso de deforestación con relación al caso de que no hubiera alguna deforestación. Siguiendo la metodología de Missio (2014), analizando el periodo de 1970 a 2013, se le atribuye a la lluvia 54,2% del incremento real de caudal y a los cambios en el uso del suelo el 45,8%.
De forma complementaria, se analizaron los caudales extremos. Los caudales máximos tienden a aumentar con el tiempo considerando la deforestación, con relación a los caudales sin deforestación. y para los caudales mínimos la tendencia es de disminuir para la misma formulación. Estos resultados concuerdan con Tucci (2002) y son explicados porque el cambio de uso de suelo genera una mayor escorrentía en épocas húmedas ya que varía la infiltración, lo que genera un aumento en comparación a la existencia de bosques. Se da el caso contrario en los caudales mínimos, en épocas de sequía son aportados por los acuíferos, y estos se encuentran con dificultad para ser rellenados debido a la modificación de la infiltración. En este caso, los caudales mínimos disminuyen al deforestar la cuenca.
Los resultados permitieron demostrar el aumento del caudal medio de la cuenca del río Acaray a través del tiempo, debido a los cambios del uso del suelo que ocurrieron en el área. El mismo incremento fue observado en la cuenca del río Monday con datos medidos en campo, lo que confirma la veracidad de los resultados.
AGRADECIMIENTOS
A nuestros asesores, el Lic. Julián Báez y la Ing. Margarita Pereira, por su apoyo y la calidad de la enseñanza transmitida.
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