IMPACTO DE DIFERENTES USOS DE SUELO SOBRE
LA DINÁMICA TEMPORAL DEL ESCURRIMIENTO
SUPERFICIAL EN CONDICIONES DE LLUVIA SIMULADA
Impact of different land use on the temporal dynamics of surface runoff under
simulated rainfall conditions
Miguel A. Velásquez Valle *, Gerardo Esquivel Arriaga
1, Palmira Bueno
Hurtado
1, Ignacio Sánchez Cohen
1y Ramón Gutiérrez Luna
2,
1Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua-Suelo-Planta-Atmósfera
(INIFAP). Km 6.5 margen derecha Canal Sacramento. 35140. Gómez Palacio, Dgo.
2 Campo Experimental Zacatecas. CIRNOC- INIFAP. Calera de V. R., Zac. (INIFAP).
e-mail: velasquez.agustin@inifap.gob.mx
RESUMEN
La respuesta hidrológica de un escenario de manejo es calculada considerando algunos proce-sos como la infiltración y el volumen de flujo super-ficial. En condiciones de lluvia simulada es posible generar los hidrogramas con los volúmenes escu-rridos por intervalo de tiempo. Con un simulador de lluvia portátil se generaron los hidrogramas para los siguientes usos de suelo en el municipio de San Luis del Cordero, Dgo., a) labranza tradicional con cobertura de residuos, b) labranza tradicional sin cobertura de residuos, c) terreno de cultivo aban-donado, d) pradera de zacate buffel y e) pastizal nativo. Mediante la obtención de modelos polinó-micos ajustados a los valores de volumen escu-rrido y con la primera derivada de los mismos se obtuvo la pendiente de la curva del hidrograma de cada escenario de manejo. En este estudio, se en-contró que el escenario de un suelo agrícola bajo labranza tradicional (con o sin residuos sobre la su-perficie del terreno) presentó un valor más alto de la pendiente al inicio del hidrograma; mientras que a los 15 minutos el valor de la pendiente del hidro-grama de los pastizales permaneció sin cambio.
Palabras clave: Hidrograma, escurrimiento
SUMMARY
The hydrological response of a management scenario is calculated considering some proces-ses such as infiltration and runoff volume. Under simulated rain, it is possible to generate the hydro-graphs with runoff volumes by time interval. With a rainfall simulator were generated the hydrogra-phs for the following uses of land in the San Luis del Cordero County, Dgo., a) traditional tillage with residue cover, b) traditional tillage without residue cover, c) abandoned cultivation land, d) buffel pas-ture and e) native rangeland. Polynomial models were adjusted to the values of runoff volume and with the first derivative of each model, the slope of the hydrograph´s curve was obtained for each management scenario. In this study, it was found that the scenario of an agricultural soil under tradi-tional tillage (with or without residues on the surface waterways) presented a higher slope value at the beginning of the hydrograph; while at 15 minutes, the value of the slope of the hydrograph of the ran-gelands runoff plots remained unchanged.
Keywords: Hydrograph surface runoff simula-ted rainfall.
INTRODUCCION
Una de las principales causas de la degrada-ción ambiental de los agroecosistemas terrestres son entre otros los procesos de erosión hídrica y el consecuente transporte de contaminantes hacia las partes bajas del relieve. El proceso de erosión es causado por la energía erosiva de las gotas de lluvia al impactarse sobre la superficie del suelo y por aquella causada por el flujo superficial. En este último caso, la condición de la capa superficial y las propiedades de la matriz del suelo determinan la cantidad del agua de lluvia que escurre y se in-filtra a través de la superficie hacia los horizontes subsuperficiales del terreno. Finalmente, los conta-minantes (adheridos a partículas de suelo en sus-pensión) son transportados por el escurrimiento superficial y depositados en pequeñas depresio-nes del terreno, reservorios o almacenamientos superficiales.
En este contexto, la variación espacial de los diferentes usos de suelo dentro de una cuenca de-termina la magnitud de los escurrimientos superfi-ciales que fluyen fuera de ella. A diferentes escalas espaciales se ha reportado que son varios los fac-tores que determinan la magnitud de los escurri-mientos superficiales. Por ejemplo, asumiendo que no la variabilidad de la precipitación dentro de la cuenca es nula, la magnitud del área de la cuenca es determinante para el cálculo del volumen escu-rrido. A nivel parcelario, el antecedente de hume-dad en el suelo producto de las prácticas de ma-nejo influyen sobre los volúmenes escurridos. En un plano o escala menor la cobertura del suelo, la condición de humedad y la intensidad de la precipi-tación condicionan la magnitud del flujo superficial.
En esta escala espacial, los simuladores de lluvia son una herramienta para el estudio de pro-cesos hidrológicos en los cuales algunas variables o procesos pueden estar bajo control (Sánchez y Stone, 1999; Velásquez et al., 2001).
El objetivo del presente trabajo es analizar el impacto de diferentes escenarios de manejo (usos de suelo) sobre la magnitud de la pendiente de la curva inicial del hidrograma generado por diferen-tes intensidades de lluvia simulada.
MATERIALES Y MÉTODOS
Descripción del sitio experimental
La presente propuesta de desarrollará en el municipio de San Luis del Cordero, Durango. El municipio cuenta con una superficie de 543.9 km2,está comprendido entre los paralelos 25º 11´ y 25º 30´ de latitud norte y entre los meridianos 104º 40´ y 104º 29´ de longitud oeste y una altura promedio sobre el nivel del mar de 1,490 metros. El munici-pio se encuentra enclavado en la zona árida del es-tado, en la parte sur del Bolsón de Mapimí, el cual, es considerado como un semidesierto. La región cuenta con un clima muy seco BS1kw y BWhw (García-Gutiérrez et al., 2006), las temperaturas máximas registradas son de 45 °C y las mínimas de – 10 °C. La precipitación media anual es de 325 mm, siendo el periodo de lluvias de junio a agosto. El promedio de días con lluvia y heladas por año es de 40 y 25 días, respectivamente (Medina et al., 2005). La variación temporal de la temperatura y precipitación promedio mensual se presenta en la Figura 1.
Figura 1.- Distribución temporal de la temperatura y precipitación en la estación de San Luis del Cordero, Dgo.
La vegetación típica del sitio (de zonas áridas y semiáridas) está limitada por el recurso agua, por esta razón el tipo, la composición y la densidad de los elementos de la vegetación están determinados por la topografía y el tipo de sustrato. Este tipo de vegetación nativa está compuesta principalmen-te por: Mezquiprincipalmen-te (Prosopis sp.), huizache (Acacia sp.), nopal (Opuntia sp.) y gobernadora (Larrea sp.), . El origen del suelo es en la región es aluvial por su orografía. Los suelos presentan una
profun-didad promedio de 0.25 a 0.50 metros de textura blanda arenosa con grava, de color castaño claro a obscuro y un pH de 7.5 a 8.0, libre de sales. La Unidad de suelo al que corresponde es el llamado Litosol y su mayor parte de suelo se usa para la ga-nadería extensiva como agostadero, siguiendo en importancia el uso agrícola de temporal (Figura 2) y aquella apoyada con escurrimientos superficiales (FIRCO, 2004; INEGI, 1976).
Figura 2.- Sistemas de producción agrícola de temporal y pastizal nativo en las zonas áridas en el Municipio de San Luis del Cordero, Durango.
Simulación de lluvia
Para determinar el impacto del manejo del sue-lo sobre el hidrograma se realizaron pruebas con un simulador de lluvia tipo Miller (Miller, 1987; Ve-lásquez et al., 2001) modificado (Figura 3). El Si-mulador trabaja con una planta de energía portátil de 5500 Watts, la cual genera una energía de 110 VAC. El simulador incluye un módulo electrónico (110 VAC) que regula de manera sincronizada el cierre y apertura de las tres válvulas que consta el simulador. El tiempo de cierre y apertura de cada válvula es igual a 4 segundos. El agua que entra al sistema hidráulico del simulador es abastecida por una bomba hidráulica de 0.5 HP (110 VAC). La lluvia sale del sistema hidráulico del simulador por una boquilla de aspersión circular. La presión del agua para cada válvula es controlada por ma-nómetros en cada boquilla. El simulador tiene un rango de intensidad de precipitación que oscila
entre 60 hasta 180 mm h-1. Las parcelas de
escu-rrimiento se construyeron aislando una superficie de uno por tres metros con láminas galvanizada lisa, en la parte baja de cada parcela se colocó una estructura metálica para concentrar los escu-rrimientos superficiales que salen de cada una de ellas. Las simulaciones de lluvia se realizaron en condiciones secas (actual) y húmedas (24 horas después) para cada uno de los dos escenarios de manejo. La cantidad de escurrimiento superficial expresada en litros (l) fue medida cada 5 minutos durante la prueba, la cual tuvo una duración de 55 minutos; con excepción de las simulaciones que se hicieron en las evaluaciones de terrenos con y sin residuos de cosecha sobre la superficie, las cuales tuvieron una duración de 50 minutos. Con la infor-mación correspondiente a la simulación en condi-ción húmeda de cada variable se construyeron los hidrogramas para cada condición de uso de suelo.
Figura 3. Simulador de lluvia tipo Miller en el proceso de calibración. CENID-RASPA. 2014.
Cuadro 1. Tipos de usos de suelo para los escenarios evaluados, intensidad y humedad antecedente promedio.
* Promedio de 6 repeticiones ᶲ Promedio de 3 repeticiones
Análisis del hidrograma
Para diferenciar el impacto de la aplicación de una lámina precipitada por uso del suelo sobre el comportamiento del hidrograma en su etapa ini-cial, se consideraron bases de datos hidrológicas
en diferentes escenarios de manejo de suelo en condición húmeda, generadas con el simulador de
lluvias descrito anteriormente. Con los valores de los volúmenes escurridos para cada intervalo de tiempo de 5 minutos se construyeron los hidro-gramas para cada tratamiento. Las condiciones de frontera de este análisis corresponden desde el inicio de la simulación de la lluvia (tiempo cero)
hasta los 15 minutos; tiempo en el cual la mayo-ría de los volúmenes escurridos o hidrogramas comienzan a presentar un comportamiento asin-tótico con respecto al tiempo.Con la información de esta parte del hidrogramase realizó un ajuste de esta información para obtener un modelo matemático, tomando en cuenta el coeficiente
de determinación (R2) como criterio de selección
del mismo. Posteriormente, y con el propósito de obtener la pendiente para diferentes puntos del modelo seleccionado (tiempo), se obtuvo la prime-ra derivada de la función de ajuste con respecto al
tiempo:
(1)
Considerando el esquema de la Figura 4 y substituyendo los valores de x con unidades de tiempo (minutos) podemos obtener el valor de la pendiente para cada minuto del hidrograma. Este valor de la pendiente, puede ser utilizado como un indicador del impacto del estado de la condición de la superficie del suelo sobre variables hidrológicas como la tasa de infiltración o como en este caso sobre el volumen escurrido.
Figura 4. Representación esquemática de la pendiente en un punto de la curva del hidro-grama.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La representación gráfica de la respuesta hi-drológica de los escenarios o usos de suelo eva-luados en forma de hidrograma se presenta en la Figura 5. El patrón del comportamiento de los volú-menes escurridos con respecto al tiempo presenta una forma de hidrograma del tipo 2; el cual inicia con un incremento rápido de los volúmenes es-curridos hasta llegar a un tiempo de equilibrio que puede durar hasta el fin del evento de precipitación cuando finalmente se observa una fase de caída o disminución acelerada de los volúmenes escurri-dos (Frasier et al., 1988). Las diferencias entre los hidrogramas de los escenarios de labranza
tradi-cional con cobertura de residuos, labranza tradicio-nal con el resto se debe a las diferentes intensida-des de la lluvia simulada utilizadas (Chakravarti1y Jain, 2014)y a las menores tasas de infiltración en los suelos agrícolas bajo los sistemas de labran-za convencional (Tiscareño et al., 1999). El rápido incremento de los volúmenes escurridos al inicio del hidrograma puede ser atribuido a un decre-mento en la tasa de infiltración; este decredecre-mento es fuertemente relacionado con las condiciones de humedad del suelo ya que para suelos secos este decremento es menor que sí la simulación de llu-via se realiza en suelos bajo condiciones húmedas (Stone et al., 2008).
Para los valores del volumen escurrido (l) al ini-cio del hidrograma (a los 5, 10 y 15 minutos) para cada escenario o uso del suelo el modelo polino-mico ajustado se presenta de manera gráfica en la Figura 6. En esta figura se observa el excelente
ajuste de los modelos polinomicos a los puntos ob-servados en los 5 hidrogramas. El coeficiente de determinación para cada modelo ajustado de pre-senta en el Cuadro 2.
Figura 6. Representación del ajuste de los modelos polinómicos a los volúmenes escurridos durante los primeros 15 minutos en parcelas de escurrimiento de labranza tradicional con cobertura de residuos (+), labranza tradicional sin cobertura de residuos
(●), terreno de cultivo abandonado (■),pradera de zacate buffel (▲) y pastizal nativo (○) Cuadro 2. Modelos polinómicos para los hidrogramas promedio de los diferentes usos
El resultado de la primera derivada de la fun-ción ajustada es la tasa de cambio o pendiente en un solo punto de la curva ajustada del hidrograma. Los valores de la pendiente del hidrograma ajusta-do para los puntos 5, 10 y 15 minutos se presentan en el Cuadro 3. Todos los hidrogramas; con ex-cepción del escenario de labranza tradicional con cobertura de residuos (a los 10 minutos) presentan una pendiente positiva. El comportamiento de este escenario puede ser no representativo, ya que la serie de datos de los hidrogramas para los esce-narios de labranza tradicional corresponden a una sola corrida o una prueba de simulación de lluvia. Sin embargo, es importante indicar que esta forma de analizar la forma del comportamiento inicial del hidrograma es válida ya que es posible detectar
para un mismo escenario, el momento crítico al cual ocurre una disminución importante en el pro-ceso de infiltración y por consecuencia una mayor pendiente en la curva del hidrograma. En todos los escenarios se puede observar en el Cuadro 3 que el valor de la pendiente decrece conforme se incre-menta el tiempo y que a los 15 minutos las diferen-cias son mínimas dentro de un mismo escenario; específicamente para lalabranza tradicional sin co-bertura de residuos, terreno de cultivo abandonado y pradera de zacate buffel; mientras que para los escenarios delabranza tradicional con cobertura de residuos y pastizal las diferencias en la pendiente a los 15 minutos con respecto al intervalo de tiempo anterior son mínimas o nulas.
Cuadro 3. Valor de la pendiente para diferente tiempo en el hidrograma de salida para diferentes usos de suelo.
CONCLUSIONES
El efecto de manipular la condición superficial del suelo tiene un impacto directo sobre algunas variables hidrológicas como la infiltración y el es-currimiento superficial. El impacto del manejo del
de manejo. La determinación de la pendiente en un punto específico de la curva del hidrograma per-mitió diferenciar dentro de un mismo escenario el periodo crítico para la generación del escurrimien-to superficial. En este estudio, se encontró que el escenario de un suelo agrícola bajo labranza
tra-El valor de la pendiente de la curva del hidro-grama en las etapas iniciales después del tiempo de encharcamiento puede ser un indicador hidroló-gico que caracterice un determinado escenario de manejo.
LITERATURA CITADA
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