MODELACIÓN DEL EFECTO DEL CAMBIO DE USO DEL SUELO EN LA CUENCA DEL RIO COELLO, BAJO ESCENARIO DE CAMBIO CLIMÁTICO, A TRAVÉS DE LA APLICACIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO SWAT (SOIL
AND WATER ASSESSMENT TOOL)
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE: INGENIERO FORESTAL
AUTOR:
YERALDINE CASTAÑEDA MORALES
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA FORESTAL BOGOTÁ D.C
2 MODELACIÓN DEL EFECTO DEL CAMBIO DE USO DEL SUELO EN LA CUENCA DEL RIO COELLO, BAJO ESCENARIO DE CAMBIO CLIMATICO, A TRÁVES DE LA APLICACIÓN DEL MODELO HIDROLOGICO SWAT (SOIL
AND WATER ASSESSMENT TOOL)
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE: INGENIERO FORESTAL
AUTOR:
YERALDINE CASTAÑEDA MORALES 20101010058
DIRECTOR INTERNO: RODOLFO FRANCO
Ingeniero Forestal. Especialista SIG
DIRECTOR EXTERNO:
FERNANDO MAURICIO CASTRO BARRIOS Ingeniero Forestal. M.Sc. Ph.D.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA FORESTAL BOGOTÁ D.C
3 DEDICATORIA
Este trabajo de grado está dedicado al Ingeniero
Forestal Fernando Mauricio Castro Barrios, quien fue
muy importante en este proceso, el cual me guió,
me instruyó y me colaboró en la elaboración de este.
Una persona con grandes valores y cualidades, un
profesional dedicado, con una hoja de vida
impecable, el cual trabajo por el Departamento del
Tolima. Desafortunadamente ya no está con
nosotros, este trabajo representaba una ilusión para
él y anhelaba verlo terminado, es por esto que quiero
dejarlo a su memoria, para honrar su trabajo y todo
lo que me brindó. Finalmente quiero darle infinitas
gracias ya que sin su ayuda no hubiera sido posible
4 AGRADECIMIENTOS
A Dios por todas las bendiciones dadas, agradecida estoy por permitirme culminar este proceso.
A mi Familia por su apoyo incondicional, por entenderme y tenerme paciencia en este proceso, por el acompañamiento y el ánimo brindado. A mis padres Norbey Castañeda y Esperanza Morales por su apoyo en todos los aspectos de mi vida, por su dedicación, su guía y su amor. A mis hermanas por su cariño y en especial a Stefany Castañeda por acompañarme en todo momento, a Nathaly Castañeda por guiarme cuando lo necesite y a Magdalia Acosta por todo su apoyo incondicional.
A Juan David Sánchez Díaz por su gran ayuda, por su aporte a este trabajo y por acompañarme en este proceso.
Al Ingeniero Forestal Fernando Mauricio Castro Barrios por brindarme su conocimiento y dirigir mi trabajo.
Al Ingeniero civil Juan Pablo García por su tiempo invertido en ayudarme y por brindarme sus conocimientos en el área de la modelación hidrológica.
Al Ingeniero Nelson Obregón de la Pontificia Universidad Javeriana por todo su apoyo y ayuda en la culminación de este trabajo.
Al Docente Rodolfo Franco por su apoyo, ayuda y diligencia para que este trabajo pudiera culminar satisfactoriamente.
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y sus docentes por los conocimientos compartidos y enseñados los cuales permitieron mi desarrollo como profesional.
5 uso del suelo en condiciones ideales bajo un escenario de cambio climático en la cuenca hidrográfica del Rio Coello, la cual está ubicada en el departamento del Tolima en Colombia, a través de la aplicación del modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessment Tools). La cuenca ocupa el 7,8% del departamento y es importante ya que es fuente abastecedora de diferentes municipios incluyendo la capital departamental, además en esta se encuentra el distrito de riego más grande del país, donde también se genera energía eléctrica. Para la modelación hidrológica se utilizaron datos de los períodos 1988-2007 y 2011-2030, los datos climáticos fueron calculados a partir de modelos de circulación general (GCM) y modelos de circulación regional (RCM), para este caso se usó el modelo PRECIS aplicando el modelo HadCM3 con el escenario A1B propuesto por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC). Para el escenario de cambio uso de suelo se utilizó la metodología para el mapa de uso recomendado de Zúñiga 2010, donde los usos se determinan según las características del territorio. El modelo SWAT fue calibrado manualmente según los datos mensuales observados de caudal para el período 1988 – 2007 en la estación Payandé obteniéndose una bondad de ajuste del modelo calificada como muy buena (COE: 0.64; R2: 0.82).
El modelo SWAT realizó la estimación de caudales para el período 2011-2030 con y sin cambio de uso de suelo. Para el escenario sin cambio de uso de suelo se obtuvo una reducción promedio del 3,45% del caudal medio anual en comparación con el periodo de referencia (1988-2007), mientras que para el escenario con cambio de uso del suelo hubo un aumento del caudal medio anual de 19.33%, respecto al período de referencia.
6 ABSTRACT
It is important to consider the current dynamics such as climate change and land use change, in order to evaluate the possible effects on water resources. In this context, the present research aims to determine and evaluate the effect of land use change under ideal conditions under a scenario of climate change in the Coello River basin, which is located in the department of Tolima in Colombia, through of the application of the SWAT (Soil and Water Assessment Tools) hydrological model. The watershed occupies 7.8% of the department and is important because it is a source of supply of different municipalities including the departmental capital, in addition it is the largest irrigation district in the country, where electricity is also generated. For the hydrological modeling, data from the periods 1988-2007 and 2011-2030 were used, the climatic data were calculated from general circulation models (GCM) and regional circulation models (RCM), in this case was used PRECIS model applying the HadCM3 model rated as very good (COE: 0.64, R2: 0.82).
The SWAT model estimated the flows for the period 2011-2030 with and without land use change. For the scenario without land use change, a reduction of 3.45% of the average annual flow was obtained in comparison with the reference period (1988-2007), while for the scenario with land use change there was an increase of the average annual flow of 19.33%, compared to the reference period.
7
3.4 SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (SIG) APLICADOS AL RECURSO HÍDRICO ... 22
3.5 CAMBIO CLIMÁTICO ... 23
3.6 MODELOS DE CAMBIO DE USO DEL SUELO ... 24
3.7 APLICACIÓN DEL MODELO SWAT EN EL CAMBIO CLIMATICO Y EL CAMBIO DE USO DEL SUELO ... 25
4. MATERIALES Y METODOS ... 28
4.1 AREA DE ESTUDIO ... 29
4.1.1 CLIMA ... 30
4.1.2 USO Y COBERTURA DEL SUELO ... 34
4.1.3 SUELOS ... 36
4.2 ESCENARIOS... 42
4.2.1 CAMBIO DE USO DEL SUELO... 42
4.2.2 CAMBIO CLIMÁTICO ... 44
4.3 APLICACIÓN DEL MODELO HIDROLOGICO... 51
4.4 CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO ... 62
4.5 ANÁLISIS DE INFORMACIÓN... 63
5. RESULTADOS ... 64
5.1 ESCENARIO DE CAMBIO CLIMATICO ... 64
5.1.1 Datos de Temperatura ... 64
5.1.2 Datos de precipitación ... 68
5.2 ESCENARIO DE CAMBIO DE USO DESUELO ... 77
5.3 MODELACIÓN HIDROLOGICA DE LA CUENCA DEL RIO COELLO CON EL MODELO SWAT ... 81
8
5.3.2 Calibración y validación del modelo ... 90
5.4 INFLUENCIA DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN EL CLIMA DE LA CUENCA DEL RÍO COELLO ... 97
5.5 INFLUENCIA DEL CAMBIO CLIMÁTICO Y ELCAMBIO DE USO DEL SUELO EN LOS RECURSOS HÍDRICOS DE LA CUENCA DEL RÍO COELLO ... 99
6. CONCLUSIONES ... 103
7. RECOMENDACIONES ... 105
9 LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Clasificación climática según Caldas-Lang, para la cuenca del Rio
Coello. ... 32
Tabla 2. Clasificación de cobertura según Corine Land Cover en la cuenca del Rio Coello, con su respectiva área ... 35
Tabla 3. Descripción de las unidades de suelos presentes en la cuenca del Rio Coello. ... 37
Tabla 4. Tipos de suelos presentes en la cuenca del Rio Coello, con su respectiva área. ... 41
Tabla 5. Información requerida para la elaboración de la cuadricula, para la simulación con el modelo PRECIS. ... 46
Tabla 6. Estaciones de datos climáticos ... 53
Tabla 7. Estaciones pluviométricas ... 54
Tabla 8. Estaciones hidrométricas ... 56
Tabla 9. Desviación de temperatura, simulada por el modelo PRECIS, usando como condición de contorno el reanálisis ERA40, para el período 1988-2007 en la cuenca del Rio Coello. ... 65
Tabla 10. Desviación de temperatura, simulada por el modelo PRECIS, usando como condición de contorno el reanálisis NCAR/NCEP, para el período 1988-2007 en la cuenca del Rio Coello. ... 66
Tabla 11. Desviación de temperatura, simulada por el modelo PRECIS, usando como condición de contorno HadCM3, para el período 1988-2007 en la cuenca del Rio Coello. ... 66
Tabla 12. Coeficiente de correlación entre los datos observados y simulados con PRECIS, bajo las condiciones de contorno ERA40, NCAR/NCEP y HadCM3, de los ciclos anuales de temperaturas medias para el período 1988-2007, en la cuenca del Rio Coello. ... 67
Tabla 13. Desviación de precipitación, simulada por el modelo PRECIS, usando como condición de contorno el reanálisis ERA40, para el período 1988-2007 en la cuenca del Rio Coello. ... 69
Tabla 14. Desviación de precipitación, simulada por el modelo PRECIS, usando como condición de contorno el reanálisis NCAR/NCEP, para el período 1988-2007 en la cuenca del Rio Coello. ... 69
Tabla 15. Desviación de precipitación, simulada por el modelo PRECIS, usando como condición de contorno HadCM3, para el período 1988-2007 en la cuenca del Rio Coello. ... 70
Tabla 16. Coeficientes de correlación de precipitación entre los datos observados y simulados con PRECIS, usando como condiciones de contorno ERA40, para el período 1988-2007, en la cuenca del Rio Coello. ... 72
11 LISTA DE FIGURAS
12 LISTA DE MAPAS
Mapa 1. Provincias climáticas según Caldas-Lang, en la cuenca del Rio Coello. ... 32
Mapa 2. Cobertura y uso de suelo de la cuenca del Rio Coello. ... 35
Mapa 3.Tipos de suelos presentes en la cuenca del Rio Coello. ... 41
Mapa 4. Localización de las estaciones climatológicas en la cuenca del Rio Coello. ... 54
Mapa 5. Localización de las estaciones pluviométricas en la cuenca del Rio Coello. ... 55
Mapa 6. Localización de las estaciones hidrométricas en la cuenca del Rio Coello. ... 56
Mapa 7. Clases agrológicas presentes en la cuenca del Rio Coello. ... 77
Mapa 8. Profundidad efectiva de la cuenca del Rio Coello. ... 78
Mapa 9. Pendientes de la cuenca hidrográfica del Rio Coello. ... 79
Mapa 10. Cobertura y uso de la tierra propuesto para la cuenca del Rio Coello... 80
Mapa 11. Modelo Digital de Elevación de la cuenca del Rio Coello ... 82
Mapa 12. División de subcuencas generadas por el modelo hidrológico SWAT para la cuenca del Rio Coello... 84
13 LISTA DE GRAFICAS
14 1. INTRODUCCION
El agua es un elemento vital para todos los seres del planeta, por lo que el estado de este recurso afecta los sistemas naturales, también afecta los sistemas sociales y económicos. Para el ser humano el recurso agua es muy importante ya que de este dependen diversas actividades como la producción de alimentos, el suministro doméstico de agua y el saneamiento, la salud, la energía, el turismo, la industria, el funcionamiento de los ecosistemas entre otros (UN-Water, 2010)
Durante los últimos años el consumo de agua ha incrementado debido al crecimiento demográfico mundial, combinado con un enorme desarrollo económico(Xu & Singh, 2004). Este crecimiento y desarrollo ha traído una serie de modificaciones en la dinámica natural del planeta siendo el cambio climático y el cambio de uso del suelo una de las preocupaciones más importantes que se presenta actualmente en el mundo (Sther et al 2010).
Uno de los principales aspectos que preocupan al mundo hoy en día es la influencia del cambio climático en la disponibilidad de los recursos hídricos ya que este es vital para tener un desarrollo económico, social y ambiental sostenible (Sther et al 2010). Es por esto que es importante tomar medidas de adaptación al cambio climático, pero para esto es necesario conocer el comportamiento del recurso hídrico actual y con los futuros cambios en el clima y en el uso del suelo(UN-Water, 2010) ya que no solo los factores ambientales han influido sino también la inadecuada gestión del recurso por falta de su conocimiento, por ello, conocer los potenciales impactos del cambio climático y el cambio de uso del suelo sobre el recurso hídrico es de vital importancia para la planificación de este, ya que así se podrá adoptar estrategias apropiadas de gestión, garantizando el recurso.
El cambio climático altera el ciclo hidrológico y los regímenes dentro de las cuencas por lo que tiene el potencial de disminuir la disponibilidad de los recursos hídricos naturales en muchas áreas del mundo (Xu & Singh 2004), debido a las altas temperaturas y los cambios en las condiciones meteorológicas extremas que además de afectar la disponibilidad de agua, afecta la distribución de las precipitaciones, el deshielo, los caudales de los ríos y las aguas subterráneas, deteriorando una más la calidad del agua, (UN-Water, 2010), trayendo con esto afectaciones a los ecosistemas, la agricultura y la sostenibilidad ambiental (Oluwatomiwa, 2014).
15 ya que estos permiten la simulación de diferentes situaciones lo cual será útil para realizar la planificación y el manejo de las cuencas (Zuleta, 2013).
Colombia es un país muy rico hídricamente, este posee grandes cuencas con ríos de gran caudal, según Marín 2003 la oferta hídrica generada en términos de rendimiento es de 58l/s por km2, esto correspondería a seis veces más la cantidad de agua promedio en el mundo. Por lo que es muy importante mantener el recurso ya que este se puede ver afectado por el cambio climático y los cambios en el uso del suelo, por lo que es necesario conocer el comportamiento del recurso, hacer manejos adecuados para así generar planes de ordenamiento y manejos de las cuencas del país (Sther et al 2010).
La presente investigación se realizará en la cuenca hidrográfica del Rio Coello ubicada en el Departamento del Tolima, esta cuenca es muy importante para el desarrollo del departamento ya que en la cuenca se encuentra presente las fuentes abastecedoras de diferentes municipios entre estos Ibagué donde queda la capital del departamento, el distrito de riego del Rio Coello que es el más grande del país, donde además se genera energía eléctrica (CORTOLIMA, 2008)
La cuenca hidrográfica del río Coello está localizada en el centro – occidente del departamento del Tolima, ocupa un área de 1816 km2, esta cuenca es de gran importancia para el departamento ya que ocupa un 7,8% del área del departamento y posee características singulares y de alta variabilidad en sus diferentes componentes ambientales, físicos, productivos, sociales y culturales (Ocampo & Ramirez, 2013).
Es por ello que el objetivo del presente trabajo es determinar el efecto del cambio climático y cambio de uso del suelo en los recursos hídricos de la cuenca de Rio Coello, a través de la aplicación del modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessment Tools), con el propósito de brindar información para establecer las estrategias de manejo y gestión de la cuenca.
El presente trabajo contribuirá al conocimiento del comportamiento de la cuenca del Rio Coello frente a los futuros cambios climáticos y de uso del suelo, los resultados que aquí se obtengan pueden ser una herramienta de planificación de la cuenca del Rio Coello del departamento del Tolima, además será una guía para futuras investigaciones en otras cuencas del país, las cuales son necesarias para conocer el recurso hídrico del país y así poder realizar un manejo adecuado en las cuencas, buscando garantizar el recurso hídrico y generando oportunidades de desarrollo en el país.
17 2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general
Determinar y evaluar el efecto del cambio de uso del suelo bajo un escenario de cambio climático en los recursos hídricos de la cuenca hidrográfica del Rio Coello, a través de la aplicación del modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessment Tools).
2.2 Objetivos específicos
Identificar las áreas más vulnerables al efecto del cambio de uso del suelo y el cambio climático, en la cuenca del Rio Coello.
Elaborar el mapa de uso recomendado del suelo para la cuenca hidrográfica del Rio Coello.
18 ciclo hidrológico está conformado por los siguientes componentes:
Precipitación
La precipitación es el agua que cae sobre la superficie de la tierra, tanto en forma líquida como sólida, precedida por fenómenos de condensación y sublimación (MINAMBIENTE, Guía para la elaboración de estudios del medio físico. Contenidos y metodologías. Clima., 2004).La precipitación es un elemento importante en el ciclo hidrológico, ya que es la fuente primaria de agua en la superficie terrestre; sus mediciones y análisis son el punto de partida de los estudios referentes al uso y control del agua (Villón 2004).
La condensación del vapor de agua atmosférico es necesaria para la formación de la precipitación. La saturación es una condición esencial para desbloquear la condensación. La precipitación se genera en las nubes, cuando alcanzan un punto de saturación; en este punto las gotas de agua aumentan de tamaño hasta alcanzar una masa en que se precipitan por la fuerza de gravedad (Ordoñez, 2011). La precipitación no solo se da por lluvia, también se da por nevadas, nieve granulada y granizo (MINAMBIENTE, 2004).
El agua precipitada llega a la superficie terrestre deforma directa, pero no es la única manera, hay una parte de la precipitación que es interceptada a lo largo de su recorrido; esta intercepción la realizan objetos superficiales como las plantas(Tobon, 2009).
Evapotranspiración
19 Infiltración y Percolación
La infiltración es el proceso por el cual el agua pasa a través de la superficie del suelo y llega hasta sus capas inferiores (Ruiz et al, 2004).El agua que se infiltra puede ser usada por las plantas para el proceso transpiración, otra parte se evapora desde la superficie del suelo y otra puede pasar más abajo de la zona radical como agua subterránea(FAO, 2005).La percolación es el movimiento del agua desde el suelo por las zonas de aireación y saturación, se denomina percolación(Paris et al, 2009). Este proceso es necesario para completar el ciclo hidrológico, el agua subterránea se mueve en forma lateral y lentamente hacia el mar, pero parte de esta agua se filtrará hacia arroyos, ríos y lagos (FAO, 2005).
Escorrentía
La escorrentía es el agua proveniente de la precipitación que no es infiltrada, interceptada o evaporada que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca (Villón 2004). entre las plantas, el suelo y la atmosfera. El balance hídrico permite establecer la relación entre las ganancias y las pérdidas de agua que se registran en un área determinada. (Jimenez F. , 1994)El balance hidrológico es la cuantificación de los componentes del ciclo hidrológico en las cuencas hidrográficas o de cuerpos de agua subterráneos. Su propósito es determinar los principales flujos hídricos en las cuencas (Jimenez & Galizia, 2012). Para determinar el comportamiento del agua se usa la ecuación de balance hidrológico la cual permite relacionar las cantidades de agua que circulan por el ciclo, esta ecuación es (Campos, 1998):
20 ∑
Dónde: SWt es el contenido de agua en el suelo en el día t; SW es el agua aprovechable por la plantas; t es el tiempo en días; R la precipitación diaria, Q la cantidad de escorrentía diaria, ET evapotranspiración diaria, P percolación diaria y QR el flujo de retorno o flujo base (Proaño et al, 2006).
3.2 MODELOS HIDROLÓGICOS
Un modelo hidrológico es una representación simplificada de un sistema real complejo llamado prototipo, bajo forma física o matemática(IDEAM, 2016). La modelación hidrológica es una descripción matemática de la respuesta ante procesos físicos del ciclo hidrológico que ocurren en una cuenca (Solis et al. 1993).
A través de la historia se han desarrollado diversos modelos hidrológicos, el primer acercamiento a estos fue en 1851 cuando el ingeniero Thomas James Mulvaney publicó una ecuación conocida como el método irracional, después de esto diferentes investigadores desarrollaron modelos con el fin de aproximarse a los valores reales y con mayor detalle de los procesos herramienta muy importante para la modelación hidrológica ya que con esta se pudo realizar cálculos de forma automatizada y rápida. Los modelos hidrológicos han evolucionado junto a las computadoras ya que a medida que las capacidades de almacenamiento y la velocidad de las computadoras aumentaban los modelos hidrológicos eran más complejos, con el objetivo de representar de la mejor manera los diferentes procesos hidrológicos(Eterovic, 2008).
21
Los modelos hidrológicos con ayuda de los sistemas de información geográfica permiten simular los componentes del ciclo hidrológico además de la creación de escenarios con condiciones presentes y/o futuras, determinando cómo afectará el cambio de una u otra variable en la producción de caudales y sedimentos en determinada cuenca (Proaño et al. 2006).
Los modelos hidrológicos sirven para simular diversas situaciones o extender la información existente, después de ser calibrados y validados. Además son de gran importancia en el manejo de cuencas ya que se puede simular la respuesta de la cuenca ante cambios en el uso de la tierra, cambio climático y prácticas de conservación de suelos dentro de las cuencas (Rojas, 2009).
3.3 MODELO HIDROLÓGICO SWAT
El modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessment Tool) que en español es herramienta para la evaluación del suelo y agua, para una cuenca hidrográfica este fue desarrollado por el Dr. Jeff Arnold en el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos con la Universidad de Texas; su propósito es predecir el impacto que generan las prácticas del manejo del suelo en el recurso agua y en la generación de sedimentos en una cuenca hidrográfica (Proaño et al, 2006).
El modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) es un modelo de tiempo continuo, es decir es a largo plazo y no está diseñado para simular un solo evento. El modelo SWAT utiliza como datos de entrada información específica sobre el clima y tiempo, propiedades de suelo, topografía, vegetación y prácticas de manejo de tierra en las cuencas. Así mismo SWAT modela procesos físicos relacionados con el movimiento del agua, de sedimentos, desarrollo de cosechas, ciclo de nutrientes, entre otros (Uribe N. , 2010).
22 El modelo SWAT se basa en el balance hídrico para determinar la entrada, salida y almacenamiento de agua en la cuenca. SWAT divide en pequeñas subcuencas la cuenca hidrográfica para su modelamiento con el propósito de mejorar la exactitud de los cálculos. Adicionalmente el modelo SWAT trabaja por unidades de respuesta hidrológica (HRU) como resultado del cruce de los diferentes tipos de suelo, con el uso y cobertura del suelo (Guzmán et al, 2004)
El modelo SWAT realiza la simulación de la hidrología de la cuenca en dos divisiones: la primera es la fase terrestre del ciclo hidrológico que controla la cantidad de agua, sedimento y pesticidas transportados al canal principal por cada subcuenca. La segunda división es la del agua o la fase de rutina la que puede definirse como el movimiento del agua, sedimentos, etc, a través de la red del canal hasta el sitio de descarga de la cuenca (Guzmán et al, 2004).
La calibración y validación del modelo es un factor clave para reducir la incertidumbre y el aumento en la capacidad de predicción, convirtiéndole en un modelo más eficaz para análisis de información (White y Chaubey 2005). Por lo tanto, la calibración hidrológica es el primer paso en la comprensión del complejo proceso hidrogeológica de la cuenca, su análisis de sensibilidad de los parámetros del modelo ayuda a comprender el comportamiento de la respuesta de la cuenca y sus interacciones (Jha 2011).
3.4 SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (SIG) APLICADOS AL RECURSO HÍDRICO
Para poder hacer el manejo del recurso hídrico se necesita diversos datos espaciales, como el relieve, el clima, los suelos, y el uso del suelo, por lo que los sistemas de información geográfica (SIG) y la modelación hidrológica son una herramienta para conocer los avances y el manejo de los recursos hídricos, y su contribución es importante para la gestión y la toma de decisiones (Wilson et al. 2000).
Otra herramienta utilizada actualmente son los modelos de elevación digital (DEMs) los cuales han tenido un gran impacto en las aplicaciones de SIG en el estudio del recurso hídrico. En la actualidad existen nuevas tecnologías como LIDAR (light detection and ranging) y GPS (global positioning system) las cuales ayudan a obtener una cartografía con mayor detalle y precisión, lo que permite un mejor análisis y predicción del comportamiento hidrológico y la contaminación en una cuenca hidrográfica (Wilson et al. 2000).
23 procesos espaciales y los patrones que afectan la distribución y movimiento del agua en los paisajes así como el impacto del uso del suelo sobre el recurso hídrico a largo plazo (Wilson et al. 2000).
3.5 CAMBIO CLIMÁTICO
La variabilidad climática se define como las variaciones del estado promedio y otros datos estadísticos del clima en escalas temporales y espaciales más amplias que las de los fenómenos meteorológicos puntuales. La variabilidad se puede presentar debido a procesos internos naturales del sistema climático, lo que se conoce como variabilidad interna, o a procesos influenciados por fuerzas externas naturales o antropogénicas, lo que se denomina variabilidad externa (IPCC, 2007. Citado en Lavell 2011).
La variabilidad climática señala dos aspectos importantes, el primero tiene que ver con el tipo de clima en un determinado lugar, el cual se puede definir con los promedios de las variables climáticas, el segundo aspecto está relacionado con los eventos del clima fuera de lo normal, estos se denominan “extremos” por ejemplo huracanes, tornados, sequías etc, que aun cuando son procesos naturales, marcan los aspectos más notorios de la variabilidad (Lavell 2011).
Por otro lado el cambio climático se define como un cambio en el estado del clima, el cual se caracteriza por la presencia de cambios en el valor medio de sus propiedades y/o por la variabilidad de las mismas, estos cambios se mantienen durante largos períodos de tiempo, generalmente decenios o períodos más largos. El cambio climático se puede dar debido a procesos internos naturales, a presiones externas o a cambios antropógenos persistentes en la composición de la atmósfera o en el uso de la tierra (IPCC, 2012). Mientras que la definición de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, se refiere a un cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera mundial y que se suma a la variabilidad climática natural observada durante períodos de tiempo comparables (IPCC, 2007).
24 energía, sostenibilidad al finalizar el presente siglo; todas ellas con el mismo grado de incertidumbre de ocurrencia, caracterizadas así:
Familia A = economía básicamente no influenciada por la sostenibilidad, es decir, por actividades antropogénicas alejadas de la filosofía de cuidado del medio ambiente y restricción en las emisiones de contaminantes al aire y al agua.
Familia B = economía que apunta a la sostenibilidad del medio ambiente
Familia 1 = La población del mundo disminuye después de un máximo en 2050 Familia 2 = La población del mundo continúa creciendo (en A2 más rápido que en B2).
Se tiene en cuenta el tipo de combustible predominante para definir escenarios con variaciones en este sentido así:
T = Combustibles renovables.
B = Combustibles basados en mezclas. FI = Combustibles fósiles.
Para el escenario A1B se tiene, que pertenece a la familia de escenarios A1 el cual describe un mundo futuro con un rápido de crecimiento económico, una población mundial que alcanza su valor máximo hacia mediados de siglo y disminuye posteriormente, y una rápida introducción de nuevas tecnologías más eficientes. Sus características distintivas más importantes son la convergencia entre regiones, la creación de capacidades e interacciones culturales y sociales, acompañadas de una notable reducción de las diferencias regionales en cuanto a ingresos por habitante. El escenario A1B se caracteriza por la utilización equilibrada de todo tipo de fuentes, entendiéndose por “equilibrada” la situación en que no se dependerá demasiado de un tipo de fuente de energía, en el supuesto de que todas las fuentes de suministro de energía y todas las tecnologías de uso final experimenten mejoras similares (IPCC, 2007).
3.6 MODELOS DE CAMBIO DE USO DEL SUELO
El Cambio en la Cobertura y los Usos del Suelo (CCUS) es la transformación de una cobertura en otra, o de su uso por otro, su determinación y estudio ha sido complejo a lo largo de los años, pero el uso de las computadoras y de las imágenes satelitales, junto con el aumento del interés por el cambio climático se ha desarrollado nuevas metodologías y modelos que permiten analizar los cambios, las transformaciones e incluso proyectar a futuro las tendencias actuales a nivel local y global (Henriquez, 2012).
25 modelación del cambio de uso del suelo permiten proyectar y explorar escenarios prospectivos, comprender procesos importantes y su descripción en términos cuantitativos (Mas & Sandoval, 2011; Henriquez, 2012).
El cambio de uso de suelo trae varios impactos en el medio físico como lo es cambios en la diversidad biótica, la degradación del suelo, la disposición de los sistemas biológicos para mantener las necesidades humanas, variaciones en la hidrología de las cuencas, y la interacción de los elementos del medio físicos mencionados alteran viene el ciclo hidrológico (Henriquez, 2012).
Los modelos de cambio de uso del suelo son una buena herramienta para el análisis espacial la cual ha sido orientada, principalmente a: explorar los diferentes mecanismos que llevan a los cambios de uso del suelo y las variables sociales, económicas y espaciales que conducen a esto; Proyectar los posibles impactos ambientales y socioeconómicos causados por el cambio en el uso del suelo, y; Evaluar la influencia de alternativas políticas y regímenes de manejo sobre los patrones de desarrollo y uso del suelo (Aguayo et al., 2006 citado en Henríquez et al, 2006).
Los modelos de cambio de uso del suelo utilizan parámetros simples, entre estos están la extensión de las áreas urbanas, las principales vías de transporte, la distancia a los mercados de trabajo, bienes e insumos, las condiciones topográficas y la existencia de tierras en situación especial por ejemplo las áreas protegidas. El principal objeto en la modelación, es la identificación de los factores físicos y socioeconómicos que determinan o condicionan la presión sobre el cambio de uso del suelo en un territorio determinado (Henríquez et al, 2006).
Una variedad de modelos de simulación de cambio de uso de suelo se han desarrollado durante los últimos años, como por ejemplo los modelos que usan información geográfica, diseñados para el nivel de escala regional y de
3.7 APLICACIÓN DEL MODELO SWAT EN EL CAMBIO CLIMATICO Y EL CAMBIO DE USO DEL SUELO
26 Proaño et al en el año 2006 emplearon el modelo de simulación hídrica SWAT en la Subcuenca del Río Ambato, para analizar los efectos de las diversas prácticas de uso de suelo sobre la generación de caudales y producción de sedimentos, para esto se calculó el balance hídrico para determinar la entrada, salida y almacenamiento de agua en la cuenca hidrográfica bajo condiciones actuales y así poder realizar simulaciones de generación de caudales y producción de sedimentos bajo escenarios de cambio de manejo en el uso del suelo.
En el año 2010 Sther et al Publicaron la investigación titulada Modelación de la respuesta hidrológica al cambio climático: experiencias de dos cuencas de la zona centro-sur de Chile. Donde el objetivo era cuantificar, a partir de simulaciones realizadas mediante un modelo matemático, la sensibilidad de los caudales, acumulación y derretimiento de nieve en dos subcuencas del río Biobío, frente a variaciones en la precipitación y temperatura. Esto bajo diversos escenarios de cambio climático.
Fonseca en el año 2010 realizó la investigación sobre el análisis de la dinámica de la escorrentía superficial y la base para la cuenca del río Paraopeba, bajo diferentes escenarios de uso y ocupación del suelo y sus demandas de recursos hídricos, mediante el uso de un modelo de simulación hidrológica distribuida, en este caso el SWAT.
Oluwatomiwa en el año 2014 aplicó el modelo SWAT para evaluar las posibles respuestas hidrológicas y los impactos medioambiental de la variabilidad del clima en la cuenca estudiada; además de cuantificar los impactos de la variabilidad climática histórica en la cantidad y calidad del agua en las cuencas de investigación, y; por ultimo identificar los condados más afectados dentro de condados de Alabama Cinturón Negro. Para esto se trabajó con datos históricos de clima (1953-1972) y se hizo una comparación con un período (1991-2010).
27 Aplicación del modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) en Colombia
Uribe y Valencia en el 2010emplearon el modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) en la cuenca del Río Tunjuelo en el municipio de Santafé de Bogotá D.C, Cundinamarca para cuantificar todas las variables del balance hídrico del flujo del agua en el suelo como la producción de agua, el agua en el suelo y la recarga de acuífero profundo y agua en la vegetación como la evapotranspiración potencial y actual para un período diario de 11 años.
En el año 2013 Ocampo y Ramírez estimaron la producción de sedimentos a escala mensual, en la cuenca hidrográfica del río Coello, bajo escenarios de cambio climático, mediante la integración off – line de modelos atmosféricos e hidrológicos.
28 4. MATERIALES Y METODOS
Para cumplir con los objetivos propuestos en este trabajo se adaptó la metodología propuesta por el Ingeniero Forestal Fernando Mauricio Castro Barrios1 en al año 2013 para la evaluación del efecto del cambio climático en los recursos hídricos de la cuenca hidrográfica del Rio Coello.
A continuación se presenta el esquema metodológico que se utilizó en esta investigación, la primera parte muestra la metodología que uso Castro 2013 para obtener los datos climáticos en un escenario futuro, es decir los datos que se utilizaron como entrada del modelo hidrológico. La segunda parte muestra la simulación del modelo hidrológico y los datos que se necesitan, los cuales se utilizaron como entrada, así como los períodos en los que se hizo la simulación hidrológica, en este caso se tomó el escenario actual como el período de 1998-2007 y el escenario futuro de 2011-2030.
Figura 1: Esquema metodológico. (Fuente: Adaptado de Castro 2013)
1
29 4.1 AREA DE ESTUDIO
La cuenca del Rio Coello está ubicada en la vertiente oriental de la cordillera central, en el departamento del Tolima, Colombia (Figura 2), su corriente principal el Río Coello nace en el cono del Nevado del Tolima, el cual hace parte del Parque Nacional Natural Los Nevados, a una altura de 5200m entre la latitud 75° 36’ 0” e 75° 52’ 0” Norte y la longitud 4° 10’ 0” e 4° 44’ 0” Oeste. El Río Coello nace en el Municipio de Ibagué teniendo como principales afluentes los Ríos Tochecito, Toche, Anaime, Cócora, Gallego, Combeima y Bermellón en cuyo recorrido, antes de desembocar en el Río Magdalena, abastece los acueductos municipales de Ibagué, Coello, Cajamarca y Espinal (CORTOLIMA, 2006).
La Cuenca Mayor del Río Coello tiene una longitud de 124,760 Km desde su nacimiento hasta su desembocadura, sus aguas corren en sentido Occidente - Oriente, drenando una extensión de 184.257,1 ha correspondientes al 7.8% aproximados del área total del Departamento del Tolima, de esta cuenca se benefician 538.378 habitantes aproximadamente (CORTOLIMA, 2006).
Los Municipios por los que pasa la Cuenca Mayor del Río Coello son: Ibagué, Rovira, San Luis, Espinal, Coello y Flandes, cabe anotar que los cascos Recientemente se inició la extracción de oro cerca de la zona rural de la parte norte de la cuenca, en la ciudad de Cajamarca, que ha generado cambios importantes en la estructura social y económica de la población.
La cuenca del Río Coello se seleccionó como área de estudio por:
La cuenca corresponde al 6% del suministro de agua del Departamento de Tolima y abastece de agua al 60% de la población del Departamento. La cuenca es un ejemplo de un área crítica para la aparición de usos
30 La cuenca es considerada históricamente el cinturón verde de los municipios de Cajamarca, Coello, Espinal, Flandes, Ibagué, Rovira y San Luis, lo cual es importante porque influye tanto en la cantidad como la calidad de los recursos hídricos.
La cuenca cuenta con los datos necesarios para desarrollar la investigación.
Figura 2. Localización del área de estudio. (Fuente: Autor,2016) 4.1.1 CLIMA
La cuenca del Rio Coello tiene una temperatura media anual entre 9,3 ° C y 28,6 ° C, las temperaturas más bajas se encuentran en la parte norte de la cuenca, debido a la orografía y a altas latitudes, por lo que en latitudes más bajas se presenta una mayor temperatura, especialmente en la parte sur de la cuenca, . Estos valores indican que se presentan temperaturas de medias a altas durante la mayor parte del año. Se destacan los meses de febrero, marzo, junio, julio y agosto como el más cálidos, con una temperatura máxima promedio que varía entre 20,0 ° C y 28,6 ° C ( CORTOLIMA, 2006).
31 Gráfica 1. Precipitación media mensual observada en la cuenca del Rio Coello,
para el período 1988-2007. (Fuente: Autor, 2016)
32 Mapa 1. Provincias climáticas según Caldas-Lang, en la cuenca del Rio Coello.
(Fuente: Autor, 2016)
Tabla 1. Clasificación climática según Caldas-Lang, para la cuenca del Rio Coello. un índice de Lang entre 100 y 160.
1318.64 un índice de Lang entre 60 y 100.
84.98
0.046
Paramo bajo
superhúmedo PBSH
Presenta una altura entre los 3200 y los 3700 msnm, una temperatura entre 7°C y 12°C, y un índice de Lang mayor de 160.
2692.09
1.462
Paramo bajo
húmedo PBH
Presenta una altura entre los 3200 y los 3700 msnm, una temperatura entre 7°C y 12°C , y un índice de Lang entre 100 Y 160.
16248.38
33
Paramo bajo
semihúmedo Pbs
Presenta una altura entre los 3200 y los 3700 msnm, una temperatura entre 7°C y 12°C , y un índice de Lang entre 60 y
Presenta una altura entre los 3200 y los 3700 msnm, una temperatura entre 7°C y 12°C , y un índice de Lang entre 40 y 60.
572.37
0.311
Frio Húmedo FH
Presenta una altura entre los 2000 y los 3000 msnm, una temperatura entre 12°C
Presenta una altura entre los 2000 y los 3000 msnm, una temperatura entre 12°C
Presenta una altura entre los 2000 y los 3000 msnm, una temperatura entre 12°C 1000 msnm, una temperatura mayor a los 24°C, y un índice de Lang entre 100 y 1000 msnm, una temperatura mayor a los 24°C, y un índice de Lang entre 60 y 100. 1000 msnm, una temperatura mayor a los 24°C, y un índice de Lang entre 40 y 60.
25969.97
34
Cálido árido Ca Presenta una altura entre los 0 y los 1000 msnm, una temperatura mayor a los 24°C, y un índice de Lang entre 20 y 40.
358.34
0.195
4.1.2 USO Y COBERTURA DEL SUELO
A continuación se presenta el uso y la cobertura del suelo presentes en la cuenca hidrográfica del Rio Coello, según la metodología CORINE Land Cover adaptada para Colombia, esta cuenta con 4 clases las cuales se dividen en 22 subclases, están se ven representadas en el Mapa 2 y su respectiva información en la Tabla 2.
Territorios artificializados
En esta categoría se encuentran las áreas de las ciudades, las poblaciones y áreas periféricas que están siendo incorporadas a las zonas urbanas mediante un proceso gradual de urbanización o de cambio del uso del suelo hacia fines comerciales, industriales, de servicios y recreativos.
Dentro de esta categoría hay diversas subclases como: Zonas urbanizadas, zonas industriales o comerciales y redes de comunicación, zonas de extracción minera y escombreras y zonas verdes artificilizadas, no agrícolas.
Territorios agrícolas
Esta categoría se clasifican los terrenos dedicados principalmente a la producción de alimentos, fibras y otras materias primas industriales, ya sea que se encuentren con cultivos, con pastos, en rotación y en descanso o barbecho. Dentro de esta categoría hay diversas subclases como: cultivos anuales o transitorios, cultivos permanentes o semipermanentes, pastos y áreas agrícolas heterogéneas.
Bosques y áreas seminaturales
En esta categoría se encuentra un grupo de coberturas vegetales de tipo boscoso, arbustivo y herbáceo, desarrollado sobre diferentes sustratos y pisos altitudinales, con poca o ninguna intervención antrópica, y por aquellos territorios constituidos por suelos desnudos y afloramientos rocosos y arenosos, resultantes de la ocurrencia de procesos naturales o inducidos de degradación.
Dentro de esta categoría hay diversas subclases como: Bosques, áreas con vegetación herbácea y/o arbustiva y áreas abiertas, sin o con poca vegetación.
Superficies de agua
35 Dentro de esta categoría hay diversas subclases como: Aguas continentales y aguas marítimas.
Mapa 2. Cobertura y uso de suelo de la cuenca del Rio Coello. (Fuente: Autor, 2016)
Tabla 2. Clasificación de cobertura según Corine Land Cover en la cuenca del Rio Coello, con su respectiva área
CLASES Y SUBCLASES SIMBOLO AREA
ha %
1. Territorios Artificializados
1.1 Zonas urbanizadas Zu 2001,62 1,10
1.2 Zonas industriales o comerciales
Zona militar Zm 38,78 0,02
1.4 Zonas verdes artificializadas, no agrícolas
1.4.2 Instalaciones recreativas Ir 107,85 0,06
2. Territorios Agrícolas
2.1 Cultivos anuales o transitorios Cat 16474,6 5
9,07
2.2 Cultivos permanentes Csp 2218,11 1,22
37 ALFISOLES: Este orden es denominado comúnmente como suelos lavados debido a que posee horizontes superficiales. Se localizan en regiones áridas, semiáridas y húmedas. Su característica más importante es la presencia de arcilla en el horizonte B; tiene una fertilidad natural entre moderada y alta y son generalmente pobres en materia orgánica.
ANDISOLES: Este orden corresponde a suelos derivados de material volcánico, especialmente de cenizas volcánicas. Se caracterizan por presentar baja densidad aparente, alta retención de fosforo y alto contenido de vidrio volcánico; se sitúa generalmente en regiones húmedas y subhúmedas de una cuenca hidrográfica y presentan una buena acumulación de humus. Son suelos característicos de las regiones volcánicas de los andes, América central y algunos países del mediterráneo.
ENTISOLES: son suelos jóvenes o poco evolucionados, con horizontes poco diferenciados, no presentan desarrollo pedogentico; generalmente su evolución se limita debido a que hay una alteración débil del material parental. Se localizan en todos los climas y paisajes, son profundos, permeables, de textura arenosa, tiene un contenido de arcillas muy bajo y son de baja fertilidad. Este orden es el más frecuente en el área de estudio.
INCEPTISOLES: son suelos inmaduros de horizontes alterados que han sufrido perdida de bases, hierro, aluminio y mantienen reserva de minerales meteorizados. Se localizan en áreas de bajas temperaturas y climas húmedos, además presentan una baja tasa de descomposición de materia orgánica debido a las bajas temperaturas, en climas cálidos, la descomposición de materia orgánica es mayor.
MOLISOLES: son suelos superficiales a moderadamente profundos, desarrollados de materiales volcánicos y sedimentarios, tienen horizontes superficiales bien desarrollados, constituidos principalmente de calcio y magnesio.
La cuenca del río Coello, se caracteriza por la gran heterogeneidad en cuanto al tipo de suelos, posee 25 unidades cartográficas representadas en el Mapa 3, definidas en las categorías descritas en la Tabla 3.(CORTOLIMA, 2006)
Tabla 3. Descripción de las unidades de suelos presentes en la cuenca del Rio Coello.
CATEGORIA Y DESCRPCION UNIDAD ORDEN
Suelos del Paisaje de Montaña en Clima Nival y Subnival Pluvial.
38 localizadas a más de 4.200 m de altitud, con
precipitaciones anuales de 500 a 1.000 mm y
temperaturas inferiores a 4ºC. NAA
Suelos de Paisaje de Montaña en Clima Extremadamente Frío y Muy Húmedo (Páramo Alto).
Esta zona está comprendida entre los 3.600 y 4.200m de altitud, con precipitación anual de 1.300 a 1.600 mm y temperatura entre 4º y 8ºC. La mayor parte del área corresponde a campos de lava y campos morrénicos formados por depósitos piroclásticos no consolidados, sobre rocas volcánicas intermedias afaniticas
MDA Entisoles
MDB Entisoles
Suelos del Paisaje de Montaña en Clima Muy Frío Muy Húmedo (Páramo Bajo).
Comprende las áreas que están entre altitudes de 3000 y 3700 m, corresponden a la zona de vida de bosque muy húmedo montano con precipitaciones anuales entre 1300 y 2300 mm y temperaturas de 8° a 12° C. En este paisaje y condición climática, se encuentran dos tipos de relieve, uno de filas y vigas caracterizado por crestas longitudinales de flancos abruptos, a veces modelados por depósitos espesos de cenizas volcánicas (unidades MGA y MGB) y otro de lomas de poca altura y de forma alargada, con recubrimiento de capas de cenizas volcánicas (unidades MGC
MGA
Andisoles
MGB Entisoles
MGC Andisoles
Suelos del Paisaje de Montaña en Clima Frío Húmedo y Muy Húmedo
39 metamórficas.
Suelos del Paisaje de Montaña en Clima Medio Húmedo y Muy Húmedo
Esta región comprende altitud es entre 1000 y suelos se han desarrollado de variados materiales, desde cenizas volcánicas hasta rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias.
Suelos del Paisaje de Montaña en Clima Cálido Seco.
Este paisaje de montaña corresponde a las estribaciones de las cordilleras Central y Oriental localizadas a altitudes inferiores a 1000 m, comprende los tipos de relieve de filas-vigas, espinazos, colinas, lomas y los vallecitos intermontanos que se encuentran en esta área y que por lo general se presentan formando cañones de taludes fuertemente escarpados. Es un paisaje seco con precipitaciones de 700 a 2000 mm y con temperaturas promedias mayores de 24°C, por lo cual se registran altos niveles de
Suelos del Paisaje de Piedemonte en Clima Cálido Seco.
40 abanicos aluviales, diluviales, abanicos-
terrazas; antiguos, recientes y actuales que se distribuyen al pie de los relieves montañosos y lomeríos de las cordilleras Central y Oriental, a ambos, lados o márgenes del río Magdalena; formando planos inclinados cortos y muy largos, de varios kilómetros de longitud. Conforma una planicie aluvial de piedemonte de extensión importante, al interior de la cual se observan colinas, vallecitos y lomas; formas y tipos de relieve que le comunican cierta heterogeneidad a los suelos. Este paisaje de piedemonte ocurre a altitudes menores de 1000 m, en clima cálido y seco.
PWF Entisoles
PWH Entisoles
PWK Inceptisoles
PWL Alfisoles
Suelos del Paisaje de Valle en Clima Cálido Seco.
Este paisaje se encuentra en clima cálido seco, en altitud es inferior a los 700 m; pertenece a la zona de vida del bosque seco tropical. La precipitación promedia anual es de 700 a 1500 mm, y las temperaturas superiores a los 24°C. Comprende los tipos de relieve de terrazas y vegas, principalmente del valle del Magdalena.
41 Mapa 3.Tipos de suelos presentes en la cuenca del Rio Coello. (Fuente: Autor,
2016)
Tabla 4. Tipos de suelos presentes en la cuenca del Rio Coello, con su respectiva área.
TIPO DE SUELO AREA
Ha %
MDAd 2762,14 1,51
MDAe 468.88 0,26
MDAg 3222,41 1,76
MDBe 100,73 0,06
MDBf 312,43 0,17
MGAf 10834,01 5,93
MGAf1 116,79 0,06
MGAg1 5126,83 2,81
MGBg 7785,96 4,26
MGCd 444.68 0,24
MGCe 7468,88 4,09
MGCe1 46,19 0,03
MKBf1 60912,55 33,35
MKGc 120,84 0,07
MKGd 119,34 0,07
MKGe1 439,86 0,24
MKIb 218,01 0,12
MKIbp 433,67 0,24
MQCf1 14551,83 7,97
42
Existen diversas formas para la construcción de escenarios de cambio de uso del suelo, estas pueden ser de tipo cuantitativo o cualitativo. Los Escenarios cualitativos sirven para proporcionar un marco general que incluye las relaciones y tendencias cuando se cuenta con pocos datos, mientras que los escenarios cuantitativos se usan en las modelaciones, complementan e ilustran algunos puntos clave de la línea de la historia y son esenciales para el modelo de parametrización (Kolb, 2013).
La determinación de los escenarios de cambio de uso del suelo en la presente investigación se realizó de forma cualitativa, haciendo un análisis de información sobre la cuenca.
43 información entonces se determinó el mapa de uso del suelo ideal a una escala de 1:25000.
Mapa de uso recomendado
Para elaborar el mapa de uso recomendado se tuvo en cuenta la metodología propuesta por Zúñiga en el 2010, para esto se utilizó la siguiente información: clases agrológicas, profundidad efectiva y pendientes.
Para la realización del mapa se usó el software ArcGIS, Como primera medida en el mapa donde este delimitada la cuenca se superpuso la capa de las clases agrológicas y se clasificaron en cuatro grupos, el primer grupo está compuesto por las clases agrológicas I, II y III las cuales se dedican para actividades agropecuarias intensivas y semiintensivas, el segundo grupo fueron las clases agrológicas IV y V aptos para la ganadería extensiva y cultivos localizados, el tercer grupo está conformado por las clases agrológicas VI y VII apropiados para plantaciones forestales y cultivos agrícolas permanentes y el último grupo está compuesto por la clase agrologica VIII el cual es apropiado para la protección de suelos, vegetación y fauna (Zuñiga, 2010).
Después de esto se superpuso la capa de profundidad efectiva, la cual se aplica para cada uno de los grupos de las clases agrológicas, la información de la profundidad efectiva al igual que las clases agrológicas se obtuvieron del Estudio General de Suelos del Departamento del Tolima realizado por el IGAC en 1997. Los suelos con profundidad efectiva menor a 30cm pueden soportar rastrojos bajos, pajonales, protección de vida silvestre, conjunto de viviendas etc, los suelos con profundidad efectiva entre 30 y 60cm permite los usos anteriores y la ganadería extensiva; y los suelos con profundidad efectiva mayor a 60cm permiten la presencia de arbusto, arboles, conjunto de viviendas y grandes obras civiles (Zuñiga, 2010).
44 pendiente se usa para reforestaciones comerciales y bosque natural. El tercer grupo es para pendientes mayores al 50% el cual es para actividades protectoras de vegetación, suelos y fauna como bosques naturales, pajonales y rastrojos (Zuñiga, 2010).
Plan de ordenación y manejo ambiental de la cuenca
El POMCA es una herramienta muy importante en esta investigación ya que este es un instrumento a través del cual se realiza la planeación del uso adecuado del suelo, de las aguas, de la flora y la fauna de la cuenca; también se realiza el manejo de la cuenca, entendido como la ejecución de obras y tratamientos, con el propósito de mantener el equilibrio entre el aprovechamiento social y el aprovechamiento económico de tales recursos, así como la conservación de la estructura físico -biótica de la cuenca y particularmente del recurso hídrico (MINAMBIENTE, s.f), por lo cual se debe tener en cuenta a la hora de crear los escenarios de cambio de uso suelo.
Después de tener las clases agrológicas, la profundidad efectiva y las pendientes se procedió a revisar en el POMCA las áreas de importancia tales como las áreas protegidas presentes en la cuenca las cuales se mantuvieron para la realización del mapa de cambio de uso de suelo, también se tuvo en cuenta la zonificación realizada como ayuda para la toma de decisiones.
45
Modelo de circulación General
Existen diversos modelos de circulación, para el presente estudio se utilizó el HadCM3, este modelo establece escenarios climáticos actuales y futuros en una escala global; este modelo ha sido utilizado por el IPCC para realizar el tercer informe de evaluación sobre cambio climático; además se consideró en su selección, la facilidad de acceso al conjunto de datos.(Castro, 2013)
El modelo HadCM3, posee una resolución espacial de 2,5 x 3,75° (latitud-longitud), generando una red global de células de 96 x 73 rejillas, equivalente a una resolución aproximada de 417 x 278 km sobre el Ecuador, reduciéndose a 295x 278km a 45° de latitud.(Cabrera J. W., 2013)
El modelo HadCM3 es importante en este estudio ya que a partir de los datos obtenidos se pueden obtener los datos de pronósticos específicos para la cuenca del Rio Coello a través de un downscaling que corresponde a una reducción de escala.
Esta investigación utilizó los datos del período 1988-2007 del modelo como tiempo de referencia; como escenario futuro se utilizaron serie de pronósticos climáticos para el período 2011-2030 del escenario A1B, generados a partir del modelo de anidación HadCM3 y el modelo PRECIS.
Modelo de circulación regional
Los modelos de circulación regional permiten una simulación más realista de las variables climáticas en una situación actual, por lo cual las predicciones del cambio climático pueden ser más detalladas y confiables, además de una mejor simulación y predicción de eventos climatológicos.
El modelamiento del clima se llevó a cabo con el modelo de circulación regional Providing Regional Climates for Impacts Estudies (PRECIS), el cual permite regionalizar los resultados de los modelos globales y llevarlos a una resolución espacial relativamente buena. (Pabón, 2011)
PRECIS
46 El modelo PRECIS es un modelo climático regional (RCM) que permite conocer las condiciones atmosféricas y oceánicas a gran escala a partir de observaciones o modelos climáticos globales (GCM), cuenta con resoluciones horizontales que varían de 100 a 300 kilómetros, y cuando se hace una reducción de escala en una región de interés la resolución pueden ser de 25 o 50 kilómetros. Esto permite una representación más realista del clima a lo largo de la región de interés, esto se debe a que el modelo representa características complejas de la superficie, tales como montañas, costas e islas que no se tienen en cuenta en los modelos globales.(Met Office, 2016)
Lo primero que se hizo para la obtención de los datos del escenario futuro fue definir la cuadricula con la siguiente información: el tipo de proyección, la ubicación, el número y el espaciado de puntos observados en la Tabla 5, para la regionalización e interpolación de los campos estáticos que describen el dominio. A continuación se presenta la figura 3 en la cual se puede observar las características de la cuadricula.
Tabla 5. Información requerida para la elaboración de la cuadricula, para la simulación con el modelo PRECIS.
Tipo de proyección Lambert Conformal Conic
Ubicación
Latitud del punto central 4,84
Longitud del punto central -75,01
Número de Puntos
Puntos en X 39
Puntos en Y 41
Espaciamiento de puntos 25 km
Niveles verticales 19
47 Figura 3. Dominio y cuadricula del MCR PRECIS para Colombia (Fuente:
Castro, 2013)
Los resultados después de la aplicación del modelo PRECIS se pueden obtener en diferentes formatos como PP, GRIB o NetCDF, para este caso se configuró el sistema para el formato de salida PP, debido a que este formato ocupa menos espacio en disco en comparación con los demás y los resultados generados son de gran volumen. Una de las desventajas de este formato es la dificultad del análisis con software gráficos, por lo que fue necesario desarrollar un script en GrADS (Grid Analysis and Display System), para transformar las variables del formato PP a el formato ASCII, esto se realizó después de la reducción de escala.
48 Figura 4. Grilla para la utilización del modelo PRECIS, con espaciamiento de
25 km, para la cuenca del Rio Coello (Fuente: Castro, 2013)
Los valores del pronóstico climático respecto a las variables de precipitación, temperatura, etc., se interpolan para localizar cada punto pluviométrico a partir de un script que se desarrolló. La interpolación se hizo para asignar un peso a los valores de las variables climáticas de cada punto de la grilla, siendo el valor de la variable (V) para un punto de coordenadas (x, y) según la siguiente ecuación:
Dónde:
V= valor de la variabilidad del clima a interpolar en los puntos de la grilla del modelo.
Pesos:
49
Figura 5. Esquema de interpolación de las variables climáticas a partir de los puntos de la grilla para el pronóstico con base en el modelo PRECIS (Fuente:
Castro, 2013)
Validación del modelo de circulación regional
Para realizar la validación del modelo PRECIS se seleccionó las variables que alimentarían el modelo hidrológico, es decir precipitación y temperatura, esto se realizó con el fin de evaluar el desempeño del modelo en cuanto a la predicción de las variables mencionadas. Para validar las simulaciones del modelo PRECIS y la caracterización de los principales patrones climáticos dominantes en la cuenca del Rio Coello, se utilizaron datos mensuales de precipitación y temperatura de los reanálisis: NCEP / NCAR, con resolución horizontal de 2,5 ° de latitud x 2,5 ° de longitud; el ERA40 con resolución horizontal de 0,5 ° x 0,5 °; y el modelo HadCM3 con una resolución de 2.5 ° x 3.75 °. Estos datos son para el mismo período (1988 a 2007), estos son utilizados como condiciones de contorno del modelo PRECS para dar salidas a una resolución de 25x25 km2, con el fin de evaluar el comportamiento del modelo simulando el clima actual de la cuenca, esto se hizo a nivel anual e interanual.
Para Kistler et al. (2001) Citado en Castro 2013, los valores de salida del reanálisis NCEP / NCAR son los resultados de la asimilación de datos global. Las correcciones de errores de procesamiento consisten en cambios a ciertos campos y no al sistema de asimilación, por lo que los datos de reanálisis son libres de inconsistencias y muy útiles en el estudio del clima.
50 medio del análisis de datos medios climatológicos de precipitación y temperatura de los reanálisis NCEP / NCAR, ERA40 y HadCM3 reproducidos por el modelo de circulación regional PRECIS, los cuales se compararon con los valores observados. También se obtuvo mapas de error promedio de las precipitaciones y la temperatura, a través de la diferencia entre el promedio de las variables precipitación y la temperatura, en relación con sus valores medios observados, esto con el fin de identificar los errores sistemáticos del modelo de los datos medios de las variables. Adicionalmente se analizó el ciclo anual de precipitación y temperatura en la cuenca, mediante el cálculo del error cuadrático medio (RMSE) el cual es la relación entre el error cuadrático medio y el respectivo promedio multianual; el sesgo el cual es la diferencia entre los datos simulados y los observados y el coeficiente de correlación (Pabón, 2011)
Los modelos de circulación regional por lo general tienden a sobreestimar o subestimar los valores de precipitación, lo que genera un error sistemáticos, estos errores se deben minimizar para poder usar los datos como entrada del modelo hidrológico. Esto se hizo utilizando la probabilidad la transformación de la curva de distribución de la precipitación.
51 Figura 6. Corrección de errores sistemáticos de precipitación diaria simulada,
con base a las curvas de distribución de probabilidades acumuladas de los valores observados y simulados. (Fuente: Castro, 2013)
4.3 APLICACIÓN DEL MODELO HIDROLOGICO
Para esta investigación se utilizó el modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool el cual fue desarrollado por el servicio agrícola de investigación. SWAT fue desarrollado con el fin de predecir el efecto de prácticas de manejo del suelo en agua, sedimentos y producción de sustancias agrícolas químicas, en cuencas con diversas condiciones. Además se puede evaluar los impactos del cambio climático en las cuencas y de las actividades agrícolas mediante el ajuste de las variables climáticas. (Uribe, 2010)
Para obtener resultados el modelo SWAT requiere diversos parámetros de entrada, los cuales están relacionados con las características físicas de la cuenca, además de esto el modelo utiliza una combinación de métodos para realzar los diferentes cálculos para estimar el comportamiento del agua en la cuenca, su almacenamiento y transporte, un ejemplo de esto es el método del número de curva (CN) del Servicio de conservaciones de Suelos (SCS); Además, que se usa para las estimaciones del flujo, otro ejemplo es la estimación de la evapotranspiración, el modelo hidrológico SWAT ofrece tres métodos de cálculo: Penman-Monteith, Priestley-Taylor y Hargreaves (Neitsch et al., 2005).
52
λ = calor latente (J kg-1);
ETP = evapotranspiración potencial (mm); Ho = radiación extraterrestre (MJ m-2 d-1); Tmáx = temperatura máxima diaria (°C); Tmín = temperatura mínima diaria (°C);
Tméd = temperatura media diaria (°C), obtenida como la media aritmética entre las temperaturas mínima diaria y máxima diaria.
La aplicación del modelo SWAT comienza con la división de la cuenca, la definición de los parámetros del modelo para el estudio de caso y la calibración, validación y simulación de flujos para la cuenca del río.
La información necesaria para la aplicación del modelo SWAT es: el modelo planos de información y del banco de datos relacionados para cada subcuenca. La interfaz permite mostrar y obtener las salidas del modelo según mapas, gráficos y tablas en ArcGIS.
A continuación se describirán la obtención de información necesaria para la aplicación del modelo:
1. Procesamiento del modelo digital de elevación de la cuenca.
El Modelo de elevación digital (DEM) es una de las principales entradas del modelo SWAT. El DEM es una matriz de muestreo de elevaciones (Z) que están espaciados a intervalos regulares en las direcciones X y Y, es decir una representación visual y matemática de los valores de altura con respecto al nivel medio del mar, donde se representa las formas del relieve y los elementos u objetos presentes en el mismo (INEGI, s.f).
53 manera quedo listo el DEM para usarlo en el modelo SWAT, este modelo digital de elevación se obtuvo a través de ArcGIS SIG.
2. Obtención de datos meteorológicos
El modelo hidrológico SWAT cuenta con una base de datos interna, con información de estaciones meteorológicas en los Estados Unidos, esta información es diferente a las condiciones del área de estudio del presente trabajo. Por lo que fue necesario ingresar los datos climáticos como precipitación diaria, temperatura máxima y mínima del aire, radiación solar, velocidad del viento y humedad relativa (Uribe, 2010).
Estos datos se obtuvieron del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM) de Colombia, las estaciones meteorológicas correspondientes a la cuenca del Rio Coello son: Cajamarca, Aeropuerto Perales, Perales Hato Opia, Chicoral, Nataima y Aeropuerto Santiago Vila, como se muestra en la Tabla 6 también se muestra su ubicación geográfica en el Mapa 4(Castro, 2013).
Tabla 6. Estaciones de datos climáticos
Estación Código Elevación
(m)
XPR (m) YPR (m)
Cajamarca 2121510 1920 850477.3 983028.6
Aeropuerto Perales 2124504 928 881133.4 981718.9
Perales Hato Opia 2124501 750 887897.6 980943.8
Chicoral 2121508 475 898125.9 959719.8
Nataima 2118502 431 902073.2 954872.4
Aeropuerto Santiago
Vila 2118504 286
