UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y MANEJO
DE RIESGOS NATURALES
MODELO DE LA VARIACIÓN MULTIANUAL DEL CAUDAL
DEL RÌO SAN PEDRO EN EL SECTOR DE MACHACHI DE LOS
AÑOS 1985-2009 UTILIZANDO HERRAMIENTAS DE SIG.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERA AMBIENTAL Y MANEJO DE RIESGOS NATURALES
VALERIA ESTEFANÍA SALAZAR AGUILAR
DIRECTOR: MSc. ALEXANDRA ENDARA
DECLARACIÓN
Yo VALERIA ESTEFANÍA SALAZAR AGUILAR, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Valeria Estefanía Salazar Aguilar
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “MODELO DE LA
VARIACIÓN MULTIANUAL DEL CAUDAL DEL RÍO SAN PEDRO EN EL SECTOR DE MACHACHI DE LOS AÑOS 1985-2009 UTILIZANDO HERRAMIENTAS DE SIG”, que, para aspirar al título de Ingeniera Ambiental y Manejo de Riesgos Naturales fue desarrollado por Valeria Estefanía Salazar Aguilar, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
MSc. Alexandra Endara DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A Dios, por guiarme a lo largo del camino y darme las fuerzas de seguir adelante y no dejarme vencer frente a las adversidades.
A cada uno de los miembros de mi familia, en especial a mis padres por haberme dado la oportunidad de estudiar y salir adelante, por su ejemplo, apoyo, consejos, comprensión y amor.
A mis hermanas y a mis cuñados, por estar siempre junto a mí.
A mis abuelitos, abuelitas, tíos, tías, primos, primas y sobrinos que siempre se preocuparon por mí, pero sobre todo a quienes ya no están junto a mí. A mis amigas del colegio, que por más que pasan los años nuestra amistad sigue intacta.
A todos los demás amigos y amigas que de uno u otra forma han sido parte de mi vida y me han apoyado durante este proceso.
AGRADECIMIENTO
A Dios, por mostrarme que en la vida no hay imposibles.
A mis padres que son el pilar fundamental en mi vida, por inculcarme todos los valores necesarios para ser una persona de bien y que son mi mayor ejemplo de esfuerzo y dedicación.
A mis hermanas por la presión, cariño, comprensión y apoyo de siempre.
Agradezco a todos y cada uno de mis profesores de la Universidad Tecnológica Equinoccial, por sus enseñanzas brindadas a lo largo de los 5 años de la carrera, en especial a la Bióloga Anita Arguello que es un ejemplo para mí, gracias por su apoyo y ayuda durante todos estos años y a la Bioquímica María José Andrade Cuvi, por permitirme realizar mis pasantías en el Laboratorio de Microbiología, muchas gracias por la confianza y enseñanzas.
A mi tutora la MSc. Alexandra Endara por guiarme y apoyarme a través de este proceso.
del Convenio. A todos los profesionales del Instituto que compartieron conmigo sus conocimientos para la realización de esta investigación.
Al INAMHI por los datos meteorológicos e hidrológicos utilizados en esta tesis.
Al Ing. Carlos Villareal de SENAGUA
Al Ing. Aquiles Arévalo, quien supo enseñarme con mucha paciencia puntos fundamentales para el desarrollo de este trabajo, y sobre todo por compartir conmigo su conocimiento.
Y un especial agradecimiento a todas y cada una de las personas que se preocuparon y siempre estuvieron pendientes de mi tesis.
“Cuando quieres algo, todo el universo conspira para que realices tu deseo.”
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
Página
RESUMEN ... xi
ABSTRACT ... xii
1 Introducción ... 1
1.1 Objetivos de la Investigación ... 2
1.1.1 Objetivo General ... 2
1.1.2 Objetivos Específicos ... 2
2 Descripción de la Zona de Estudio ... 4
2.1 Ubicación de la Subcuenca del Río San Pedro ... 4
2.2 Zona de Estudio ... 5
2.2.1 Clima ... 6
2.2.2 Flora ... 9
2.2.3 Áreas protegidas ... 9
2.2.3.1 Refugio de Vida Silvestre Pasochoa ... 9
2.2.3.2 Reserva Ecológica de Los Illinizas ... 10
2.2.3.3 Parque Nacional Cotopaxi ... 10
2.2.3.4 Área Nacional de Recreación El Boliche... 11
2.2.3.5 Bosque Protector Umbría... 12
2.2.3.6 Bosque Protector del Río Pita ... 12
2.2.4 Uso del Suelo ... 12
2.2.4.1 Uso Pecuario ... 13
2.2.4.2 Uso Agrícola ... 13
ii
2.2.4.4 Uso Poblacional ... 14
2.2.4.5 Cobertura de Páramos ... 15
2.2.4.6 Otros Usos ... 16
2.2.5 Hidrografía ... 16
2.3 Usos del agua en la subcuenca del Río San Pedro ... 17
3 Marco Teórico ... 19
3.1 Cuenca hidrográfica y cuenca hidrológica ... 19
3.2 Cuenca hidrográfica ... 20
3.2.1 Partes de una Cuenca Hidrográfica ... 23
3.2.2 Elementos que conforman una Cuenca ... 24
3.2.3 División de una Cuenca ... 25
3.2.3.1 Subcuenca ... 26
3.2.3.2 Microcuenca ... 29
3.2.4 Componentes de una cuenca ... 29
3.2.4.1 Cauce... 29
3.2.4.2 Divisoria de aguas ... 30
3.2.4.3 Vertiente ... 32
3.2.4.4 Valle ... 32
3.2.5 Clasificación de los distintos tipos de cuenca ... 33
3.2.5.1 Según la clase de vertiente ... 33
3.2.5.1.1 Tipo embudo ... 33
3.2.5.1.2 Tipo corredor ... 34
3.2.5.1.3 Tipo canelón ... 35
3.2.5.2 Según la tenencia de la tierra ... 35
iii 3.2.5.4 Según la presencia de áreas naturales y bosques protectores .
... 36
3.2.5.5 Según la altitud ... 37
3.2.5.6 Según su área ... 37
3.2.5.7 Según el Clima ... 37
3.2.5.8 Según la densidad poblacional ... 38
3.2.5.9 Según el propósito del tratamiento ... 38
3.2.5.9.1 Cuencas demostrativas ... 38
3.2.5.9.2 Cuencas experimentales ... 38
3.3 Clasificación de los cursos de agua ... 39
3.4 Sistemas de Información Geográfica ... 39
3.5 SIG aplicado a la Hidrología ... 41
3.6 Modelo ... 42
3.6.1 Modelos Hidrológicos ... 42
3.6.1.1 Modelos de caja negra o caja gris ... 42
3.6.1.2 Modelos Hidrológicos Agregados ... 43
3.6.1.3 Modelos Hidrológicos Distribuidos ... 43
4 Metodología ... 46
4.1 Características Físicas De La Cuenca ... 46
4.1.1 Superficie (S) ... 46
4.1.2 Perímetro (p) ... 47
4.1.3 Forma de la Cuenca (F) ... 48
4.1.3.1 Coeficiente de Compacidad o Índice de Gravelius (Kc) ... 48
4.1.3.2 Factor de forma (Kf) ... 50
4.1.3.3 Elevación (Hm) ... 52
iv
4.1.3.5 Pendiente (Im) ... 56
4.1.4 Densidad de drenaje (Dd) ... 57
4.1.5 Orden de corrientes ... 58
4.2 Análisis de Datos Meteorológicos ... 59
4.2.1 Estaciones Meteorológicas en la zona de estudio... 59
4.2.2 Precipitación media ... 60
4.2.2.1 Método de las Isoyetas. ... 60
4.2.3 precipitaciones máximas ... 61
4.2.3.1 Método de gumbel o de valores extremos ... 61
4.3 Análisis de datos hidrológicos ... 64
4.3.1 Estaciones hidrológicas en la zona de estudio ... 64
4.3.2 Caudales en la zona de estudio ... 65
4.3.2.1 Análisis de caudales en períodos de retorno ... 65
4.3.3 Caudales medios mensuales ... 66
4.3.4 Curva de descarga ... 69
4.4 Concesiones de Agua Río San Pedro ... 71
5 Análisis de Resultados ... 73
5.1 Análisis de las características físicas de la subcuenca del Río San Pedro ... 73
5.2 Análisis de la Elevación y curvas hipsométricas ... 74
5.3 Análisis de la Pendiente... 76
5.4 Análisis de la Densidad de Drenaje y el orden de corrientes ... 77
5.5 Análisis de la Precipitación Media ... 78
5.6 Análisis del Método de Gumbel ... 80
5.7 Análisis del período de retorno ... 85
v
5.9 Variación Mensual y Multianual del Caudal del Río San Pedro ... 94
5.9.1 Variación mensual ... 94
5.9.2 Variación multianual ... 96
5.10 Aumentos y disminuciones en el caudal anual ... 99
6 Conclusiones y Recomendaciones ... 102
6.1 Conclusiones ... 102
6.2 Recomendaciones ... 103
7 Bibliografía ... 105
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 3.1. Superficie por cuenca hidrográfica 22
Tabla 3.2. Aproximación para clasificación de cuencas,
subcuencas y microcuencas 25
Tabla 4.1. Valores del Coeficiente de Compacidad según (Oñate
Valdivieso, 2006) y (Londoño, 2001) 49
Tabla 4.2. Valores para mapa de pendientes 57
Tabla 4.3. Densidad de Drenaje (Oñate Valdivieso, 2006) 57
Tabla 4.4. Estaciones Meteorológicas (INAMHI, 2013) 59
Tabla 4.5. Tipo de Estaciones (INAMHI, 2013) 60
Tabla 4.6. Método de Gumbel. Valores de Yn y Sn (Monsalve
Sáenz, 2002) 63
Tabla 4.7. Estaciones hidrométricas en la zona de estudio
(INAMHI, 2013) 64
Tabla 4.8. Caudales Medios Mensuales San Pedro en Machachi
H159 67
Tabla 4.9. Caudales Medios, Mínimos y Máximos Mensuales San
Pedro en Machachi H159 68
Tabla 5.1. Características físicas de la Subcuenca del Río San
Pedro 73
Tabla 5.2. Características físicas de la subcuenca del Río San
Pedro (Suango, 2008) 74
Tabla 5.3. Altura media de las microcuencas 75
Tabla 5.4. Método de Gumbel para la estación M003 80
Tabla 5.5. Método de Gumbel para la estación M113 81
Tabla 5.6. Método de Gumbel para la estación M120 82
Tabla 5.7. Método de Gumbel para la estación M353 83
vii
Tabla 5.9. Período de retorno para obras civiles (Ponce, 1999 -
2014) 86
Tabla 5.10. Períodos de retorno para diferentes categorías de presas
(SAGARPA, 2012) 87
Tabla 5.11. Período de Retorno de la Estación Meteorológica M003 88
Tabla 5.12. Período de Retorno de la Estación Meteorológica M113 89
Tabla 5.13. Período de Retorno de la Estación Meteorológica M120 90
Tabla 5.14. Período de Retorno de la Estación Meteorológica M353 91
Tabla 5.15. Período de Retorno de la Estación Meteorológica M364 92
Tabla 5.16. Sumatoria mensual de 1985 – 2009 96
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 2.1. Mapa de ubicación de la Subcuenca del Río San Pedro 5
Figura 2.2. Ubicación de la zona de estudio dentro del Ecuador 6
Figura 2.3. Diagrama Ombrotérmico de la Estación Izobamba 8
Figura 3.1. División Hidrográfica e Hidrológica de la Cuenca (World
Vision, 2001) 20
Figura 3.2. Mapa de cuencas Hidrográficas del Ecuador 21
Figura 3.3. Partes de una Cuenca Hidrográfica (World Vision,
2001) 24
Figura 3.4. La Cuenca como sistema (World Vision, 2001) 25
Figura 3.5. División de una Cuenca Hidrográfica (World Vision,
2001) 26
Figura 3.6. Mapa de Subcuencas Hidrográficas del Ecuador 27
Figura 3.7. Leyenda del Mapa de Subcuencas Hidrográficas 28
Figura 3.8. Divisoria de Aguas (Calispa, y otros, 2000) 30
Figura 3.9. Divisoria de Aguas Topográfica y Freática (Calispa, y
otros, 2000) 31
Figura 3.10. Diferencia entre divisoria de agua, topográfica con
respecto de la freática (Calispa, y otros, 2000) 31
Figura 3.11. Cuenca Tipo Embudo (Calispa, y otros, 2000) 34
Figura 3.12. Cuenca Tipo Corredor (Calispa, y otros, 2000) 34
Figura 3.13. Cuenca Tipo Canelón (Calispa, y otros, 2000) 35
Figura 3.14. Sistemas de Información Geográfica (ESRI, 2011) 41
Figura 4.1. Cálculo de la superficie del Área de Influencia de la
ix
Figura 4.2. Cálculo del Perímetro del Área de Influencia de la
Estación hidrométrica H159 48
Figura 4.3. Cálculo de la longitud de la cuenca en el programa
Arc Gis 9.3 51
Figura 4.4. Modelo digital del terreno para toda el área de influencia de la estación H159 53
Figura 4.5. Corte del DEM con respecto a las microcuencas ubicadas dentro del área de influencia 53
Figura 4.6. DEM en el programa ERDAS 54
Figura 4.7. Modelo para la altura media 55
Figura 4.8. TIN área de Influencia 56
Figura 4.9. Longitud total de las corrientes de agua, en Km 58
Figura 4.10. Limnígrafo Estación H159 San Pedro en Machachi 70
Figura 5.1. Mapa de Pendientes 76
Figura 5.2. Orden de corrientes Río San Pedro 78
Figura 5.3. Mapa de Zonas de Precipitación Media 79
Figura 5.4. Método de Gumbel para la estación M003 81
Figura 5.5. Método de Gumbel para la estación M113 82
Figura 5.6. Método de Gumbel para la estación M120 83
Figura 5.7. Método de Gumbel para la estación M353 84
Figura 5.8. Método de Gumbel para la estación M364 85
Figura 5.9. Curva de descarga H159 (INAMHI, 2013) 93
Figura 5.10. Variación del Caudal Máximo Mensual 94
Figura 5.11. Variación del Caudal Mínimo Mensual 95
Figura 5.12. Variación del Caudal Medio Mensual 95
Figura 5.13. Variación del Caudal Máximo Multianual 98
Figura 5.14. Variación del Caudal Mínimo Multianual 98
x
ÍNDICE DE ANEXOS
Página
Anexo 1. Ubicación Estaciones Meteorológicas 110
Anexo 2. Banco de Autorizaciones y Concesiones Río San Pedro en Machachi Período 1973 – 2012 (SENAGUA, 2013) 111
Anexo 3. Curva Hipsométrica Quebrada Chaupiurcu 119
Anexo 4. Curva Hipsométrica Drenajes Menores 119
Anexo 5. Curva Hipsométrica Río Pedregal 120
Anexo 6. Curva Hipsométrica Quebrada Güitig 120
Anexo 7. Curva Hipsométrica Quebrada el Timbo 121
Anexo 8. Curva Hipsométrica Quebrada Sigsichupa 121
Anexo 9. Curva Hipsométrica Quebrada San Francisco 122
Anexo 10. Curva Hipsométrica Quebrada Puchalitola 122
Anexo 11. Curva Hipsométrica Quebrada San Agustín 123
Anexo 12. Curva Hipsométrica 123
Anexo 13. Curva Hipsométrica Río Salto 124
Anexo 14. Curva Hipsométrica Río Jambelí 124
Anexo 15. Estaciones Meteorológicas para cálculo de Isoyetas
(INAMHI, 2013) 125
Anexo 16. Mapa de Isoyetas 127
Anexo 17. Ubicación de la Zona de Estudio respecto a los centros
poblados 128
Anexo 18. Cartas Topográficas de la zona de estudio 129
Anexo 19. Área cercana a la estación H159 130
Anexo 20. Estación H159 San Pedro en Machachi 131
Anexo 21. Río San Pedro 132
xi
RESUMEN
xii
ABSTRACT
1
1 INTRODUCCIÓN
El cambio del clima esta atribuido directa o indirectamente a actividades humanas que alteran la composición de la atmósfera mundial, y que viene a añadirse a la variabilidad natural del clima observada durante períodos de tiempo comparables. (IPCC, 1995) El cambio climático es, en parte, producto del incremento de las emisiones de los Gases de Efecto Invernadero (GEI). La variabilidad climática se presenta cuando con cierta frecuencia un fenómeno genera un comportamiento anormal del clima, pero es un fenómeno temporal y transitorio. El cambio climático, por otra parte, denota un proceso que no es temporal y que puede verificarse en el tiempo revisando datos climáticos. (CIIFEN, 2010)
2
1.1 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.1.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un modelo de la variación multianual del caudal del Río San Pedro en el sector de Machachi de los años 1985-2009 utilizando herramientas de SIG.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Evaluar la variación multianual del caudal del Río San Pedro en el sector de Machachi.
Generar cartografía en base a los datos obtenidos utilizando las herramientas de SIG.
4
2 DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO
2.1 UBICACIÓN DE LA SUBCUENCA DEL RÍO SAN
PEDRO
La zona de estudio se encuentra ubicada en el Cantón Mejía en la provincia de Pichincha, su localización geográfica (CODECAME, 2010) es:
Latitud: Norte: 00º16´19´´ Sur: 00º40’30´´ Este: 00º34´45´´ Oeste: 00º34´45´´ Longitud: 78º44'52´´
78º24'48´´ 78º19'06´´ 78º57´10´´
El Río San Pedro nace de una laguna formada por los deshielos de los montes Illinizas, en las estribaciones orientales de la Cordillera Occidental. (Avilés Pino, 2012)
5
Figura 2.1. Mapa de ubicación de la Subcuenca del Río San Pedro
2.2 ZONA DE ESTUDIO
6
Figura 2.2. Ubicación de la zona de estudio dentro del Ecuador
2.2.1 CLIMA
7 variables de la superficie (por ejemplo, temperatura, precipitación o viento), aunque en un sentido más amplio el ‘clima’ es una descripción (incluso una descripción estadística) del estado del sistema climático. (IPCC, 2001)
En el caso de la Subcuenca del río San Pedro, el factor determinante de su clima es la topografía, ya que posee alturas superiores a los 2700m de altitud. Las características orográficas que presenta, tales como la altura, la orientación sur-norte y la presencia de fuertes pendientes, son un obstáculo para la circulación de los vientos provocando su ascenso. De esta manera se crea una zona de alta pluviosidad con una variada distribución de microclimas. De acuerdo a los datos medidos en la estación Izobamba del INAMHI, la temperatura media de la Subcuenca es de 11,62 ºC, con valores diarios promedios máximos y mínimos de 18.23 y 6.25 ºC respectivamente. La precipitación anual media es de 1472.79 mm. (Suango, 2008)
8
Figura 2.3. Diagrama Ombrotérmico de la Estación Izobamba
Del análisis del diagrama se puede concluir que se trata de una zona húmeda que no presenta época de aridez. Las características de sus épocas diferenciadas son:
Época Lluviosa: Se presenta dos veces al año. Desde Enero hasta Mayo, y desde Septiembre a Diciembre. En esta época se registra alrededor del 85% de la precipitación anual, es decir 1250 mm aproximadamente. Se caracteriza principalmente por la presencia de días con neblinas y nevadas con temperaturas que pueden llegar hasta los 0 ºC.
Época Seca: Dura desde Junio hasta Agosto. La precipitación registrada durante estos meses es aproximadamente de 250 mm. Esta época presenta vientos fuertes, sol intenso durante el día y heladas durante las noches con ocasionales precipitaciones ligeras acompañadas de alta nubosidad.
0 50 100 150 200 250
Diagrama Ombrotérmico de la
Estación Izobamba
9
2.2.2 FLORA
La vegetación natural está presente en dos pisos altitudinales: un frío con formación herbácea densa de altura (páramo) y un temperado de formación arbórea. En cuanto a cultivos, las mayores superficies son pastos en asociación y cultivos de ciclo corto como cebada, haba, papa, hortalizas y productos tradicionales como quinua, oca, mashua, jícama, entre otros. (CODECAME, 2006)
2.2.3 ÁREAS PROTEGIDAS
De acuerdo a (Valenzuela, 2005) las áreas protegidas localizadas en la Subcuenca del Río San Pedro son:
2.2.3.1 REFUGIO DE VIDA SILVESTRE PASOCHOA
10 La Caldera es la zona ecológica más importante del Pasochoa, aquí se encuentra la mayor extensión del bosque andino que no ha sufrido intervención humana y permite que se constituya en el hábitat del cóndor, especie en extinción. El 97.6% de esta reserva, es decir 616.85 hectáreas, se encuentran dentro de la zona de estudio.
2.2.3.2 RESERVA ECOLÓGICA DE LOS ILLINIZAS
Fue creada el 2 de Diciembre de 1996, con una superficie aproximada de 130000 hectáreas, de las cuales 7411.2 que representan el 5.8% están dentro de la zona de estudio, La reserva está localizada entre los 800 y 5265 msnm. La temperatura es de 0°C en la zona alta y alcanza un máximo de 24°C en la zona baja con precipitaciones de entre 1000 y 2000 mm. Está ubicada entre las provincias de Pichincha y Cotopaxi y abarca, entre otras áreas, los páramos occidentales de los cerros Illinizas y Corazón.
Al pie de los volcanes Illinizas y Corazón se encuentra un Refugio de Vida Silvestre, que aún conserva importantes extensiones de asociaciones vegetales, donde todavía vive fauna silvestre.
2.2.3.3 PARQUE NACIONAL COTOPAXI
11 El parque cubre los páramos del sureste de la zona de estudio cubriendo 2833.322 hectáreas, que representan el 8.9% de esta área protegida.
2.2.3.4 ÁREA NACIONAL DE RECREACIÓN EL BOLICHE
Creada el 26 de julio de 1979 mediante acuerdo ministerial. Está ubicada a 60 kilómetros de Quito en los límites de las provincias de Cotopaxi y Pichincha. Tiene una superficie total de 392 hectáreas, de las cuales 189.026 (48.2%) están dentro de la zona de estudio.
El rango altitudinal está comprendido entre los 3000 y 3600 msnm. Es la zona protegida más pequeña y tiene características similares a las del Parque Nacional Cotopaxi.
El Boliche se caracteriza por su estratégica ubicación, cercana a los principales centros poblados. Su factor escénico, la inmensa masa boscosa, su ambiente natural, la flora y fauna nativa, la geología e infraestructura existente, hacen de esta unidad de conservación un rincón ecuatoriano con suficientes estímulo para ser visitado y aprovechado sabiamente.
12
2.2.3.5 BOSQUE PROTECTOR UMBRÍA
A través del Acuerdo Ministerial No. 24 del 18 de abril de 1994, se establece dentro de la categoría de Bosque y Vegetación Protectoras al predio Umbría, el mismo que se ubica en la parroquia Aloasí del Cantón Mejía, con una superficie de 1723.2 ha, que es parte del drenaje del río San Pedro. Está ubicada entre los 3.700 a 4.523 msnm. correspondiente a la cumbre del Cerro Corazón, con una temperatura que en invierno va desde los 6 a 0 ºC. Su manejo es privado. Este bosque protector se encuentra totalmente dentro de la zona de estudio.
2.2.3.6 BOSQUE PROTECTOR DEL RÍO PITA
Está localizado al este de la Subcuenca del Río San Pedro y tiene una superficie de 10167.84 hectáreas. Sólo una pequeña parte de este bosque se extiende por la zona de estudio con 179.018 hectáreas que representan el 1.8%.
2.2.4 USO DEL SUELO
Según (Valenzuela, 2005) En la Subcuenca del Río San Pedro se han identificado seis clases de uso de suelo y cobertura vegetal, siendo éstos:
Pecuario: Pastos cultivados
Agrícola: Cultivos de ciclo corto
Forestal: Bosque Natural, Bosque Plantado, Vegetación Arbustiva
Poblacional: Sectores Urbanos y Rurales
Páramo: de Pajonal y Arbustivo
13 Es importante destacar que debido a que el presente estudio analiza el impacto de la destrucción de los páramos y la importancia de su conservación para la producción de agua, se los ha considerado como una cobertura independiente.
2.2.4.1 USO PECUARIO
La Subcuenca del río San Pedro se caracteriza principalmente por su vocación pecuaria. En la zona de estudio existen grandes extensiones cubiertas exclusivamente por pastos, en un total de 11712.302 ha. Los pastos restantes se encuentran formando asociaciones con bosques (generalmente pastos cultivados o potreros, con cercas vivas, sembrados en fila, doble fila o en pequeñas franjas), ocupando un área de 81.325 ha, y con cultivos de ciclo corto, en 8693.102 ha. En total, el área del uso pecuario es de 20486.729 ha, que representa el 42% de la zona de estudio.
2.2.4.2 USO AGRÍCOLA
14 encuentran también cultivos en invernaderos generalmente con plantaciones de flores y hortalizas.
De acuerdo a un análisis comparativo entre los censos agropecuarios de 1974 y 2000, se puede apreciar que la producción agrícola actual ha disminuido en un 21% principalmente por el avance del área urbana. Sin embargo la frontera agrícola también ha tenido un avance, especialmente hacia las áreas de páramos y zonas de conservación. En la Subcuenca los cultivos agrícolas se ubican en sitios de pendiente baja y media, aunque con diferente altitud, especialmente el cultivo de papas que se siembran a alturas mayores a los 3500 msnm. Esta cobertura abarca una superficie de 9420.104 ha y significa el 19% del área total de esta subcuenca.
2.2.4.3 USO FORESTAL
Para fines del presente estudio, dentro de este tipo de cobertura se han incluido: los bosques plantados y naturales que abarcan en conjunto alrededor de 3800 ha que representan el 7.7%, y la vegetación arbustiva que se caracteriza porque no alcanza alturas mayores de cinco metros y es producto de la tala de la cobertura de bosque primario. Se localiza en las zonas de fuertes pendientes, a lo largo de las quebradas principales que drenan al río San Pedro y junto a las áreas de páramos. Abarca una superficie 1473 ha, siendo aproximadamente el 3% del área de la Subcuenca.
2.2.4.4 USO POBLACIONAL
15 características especiales que los diferencian. Los principales centros poblados que se encuentran son:
Alóag: Es una parroquia antigua cuya principal característica es ser punto de paso entre las dos regiones naturales, sierra y costa.
Aloasí: Siguiendo la dirección del Río San Pedro, este asentamiento humano se ubica al occidente de Machachi. Sus habitantes se dedican a actividades rurales, siendo la agricultura su principal fuente de ingreso.
Chaupi: Está localizado al occidente de la Subcuenca. Predominan las haciendas, por lo que no se han formado asentamientos humanos muy compactos.
Machachi: Es la cabecera cantonal de Mejía. Su zona urbana constituye un asentamiento de primer orden con una población de 12469 habitantes, de acuerdo al censo del 2001. Es una zona con importante desarrollo, que requiere de una planificación adecuada en beneficio del ordenamiento del avance urbanístico y de descongestión de determinados servicios públicos como el transporte. Esta cobertura tiene una extensión de 1063.081 ha, que corresponde al 2% del área total de la Subcuenca.
2.2.4.5 COBERTURA DE PÁRAMOS
16
2.2.4.6 OTROS USOS
Comprende las zonas volcánicas de gran altura, en donde se pueden encontrar: a) Nieve (Illinizas, y ocasionalmente en el Rumiñahui y Corazón), b) Arenales mezclados con rocas alrededor de los edificios volcánicos, y c) Suelo desnudo, especialmente en los escarpes del Rumiñahui en donde existe un fuerte proceso de erosión.
2.2.5 HIDROGRAFÍA
Según (Suango, 2008) la Subcuenca del río San Pedro tiene un drenaje que corre en dirección de sur a norte, de esta manera, se encuentra delimitada al sur por la Cuenca del río Pastaza, al norte las microcuencas de los ríos Machángara y Chiche, al este por la microcuenca del río Pita, y al oeste por la cuenca del río Napo.
Los sistemas hídricos de la Subcuenca son elementos determinantes para su desarrollo, debido que a lo largo de los años hasta la época actual, han sido aprovechados por los habitantes tanto para la actividad agrícola y ganadera, como para su consumo. Además sus aguas son captadas y utilizadas para abastecimiento de agua potable y generación de energía eléctrica para la ciudad de Quito.
Los principales drenajes que conforman el área de la Subcuenca del río San Pedro son, entre otros, el río Blanco que luego recibe el nombre de Jambelí, y el río Pedregal. Además la red hidrográfica está compuesta por varias quebradas que son alimentadas por los deshielos y vertientes de los volcanes Illinizas, Rumiñahui, Corazón, Atacazo, y Pasochoa.
17
2.3 USOS DEL AGUA EN LA SUBCUENCA DEL RÍO
SAN PEDRO
Según el estudio realizado por (Suango, 2008) el mayor uso del agua es el industrial, seguido por el de uso adjudicado para la generación de hidroelectricidad que representa el 57% del total de caudal concesionado. El uso doméstico solamente representa el 3%.
Es de mucha importancia la protección de fuentes de agua, pero estas acciones han sido casi nulas localmente, no solamente por el Gobierno Central o Gobierno Local sino por la ciudadanía en general.
La mayoría de vertientes que proveen de agua a numerosas comunidades no están protegidas. Otra fuente importante de concesiones de caudales son las quebradas que recogen los remanentes de acequias, ríos y lluvias. El mayor porcentaje de caudales adjudicados proviene de los ríos.
La provisión de agua para riego es principalmente de acequias, siendo estas verdaderas abastecedoras del líquido para la producción agropecuaria. Los principales usos del agua de la subcuenca son:
Abrevaderos
Doméstico
Hidroeléctricas
Industrial
Piscícola
19
3 MARCO TEÓRICO
3.1 CUENCA HIDROGRÁFICA Y CUENCA
HIDROLÓGICA
De acuerdo con (World Vision, 2001) y según el concepto de ciclo hidrológico, toda gota de lluvia que cae al suelo, continúa en forma de escurrimiento e infiltración, luego va a lugares de concentración, allí parte se evapora y vuelve al espacio para formar el ciclo. Luego que la gota de lluvia se infiltra, satura el suelo, pasa a percolación profunda y recarga los acuíferos. En este desplazamiento vertical, el agua se puede encontrar con estratos impermeables (rocas duras) que movilizarán las partículas de agua dependiendo de la forma y tipo de rasgos geológicos.
Cuando el relieve y fisiografía, tienen una forma y simetría diferente a la configuración geológica de la cuenca, se puede decir que existe una cuenca subterránea, que cambia la dirección del flujo subsuperficial para alimentar a otra cuenca hidrográfica. A ésta configuración se denomina cuenca hidrológica, la cual adquiere importancia cuando se tenga que realizar el balance hidrológico como se observa en la Figura 3.1
20
Figura 3.1. División Hidrográfica e Hidrológica de la Cuenca (World Vision, 2001)
3.2 CUENCA HIDROGRÁFICA
Una cuenca hidrográfica es un área natural en la que el agua proveniente de la precipitación forma un curso principal de agua. La cuenca hidrográfica es la unidad fisiográfica conformada por el conjunto de los sistemas de cursos de agua definidos por el relieve. Los límites de la cuenca o “divisoria de aguas” se definen naturalmente y corresponden a las partes más altas del área que encierra un río.
21
22 A continuación se muestra la leyenda de la figura 3.2
Tabla 3.1. Superficie por cuenca hidrográfica
COD Descripción Superficie (ha)
1 01 RÍO CARCHI 36564 2 02 RÍO MIRA 656349 3 03 RÍO MATAJE 25445 4 04 RÍO CAYAPAS 632215 5 05 ESTERO VAINILLA 18248 6 06 ESTERO LAGARTO 15775 7 07 RÍO OSTIONES 21066
8 08 RÍO MATE 19291
9 09 RÍO VERDE 95067 10 10 RÍO COLOPE 14355 11 11 ESTERO
CAMARONES
6453
12 12 RÍO ESMERALDAS 2168690 13 13 RÍO ATACAMES 31222
14 14 RÍO SUA 6879
15 15 RÍO TONCHIGUE 8723 16 16 ESTERO GALERA 12447 17 17 RÍO SAN FRANCISCO 10324 18 18 RÍO BUNCHE 11411 19 19 RÍO MUISNE 59109 20 20 RÍO BALZAR 17907 21 21 RÍO COJIMIES 56455 22 22 RÍO MARCOS 4153 23 23 RÍO CUAQUE 68372 24 24 ESTERO DON JUAN 17726 25 25 RÍO JAMA 134566 26 26 RÍO MUCHACHO 37478 27 27 RÍO BRISENO 35556 28 28 RÍO CHONE 269012 29 29 ESTERO PAJONAL 20529 30 30 RÍO PORTOVIEJO 213302 31 31 RÍO JARAMILLO 15621 32 32 RÍO MANTA 36103 33 33 RÍO SAN MATEO 13466 34 34 RÍO CANAS 35483 35 35 RÍO BRAVO 32564 36 36 RÍO CANTA GALLO 6592 37 37 RÍO JIPIJAPA 25393 38 38 RÍO SALAITE 12209 39 39 RÍO BUENAVISTA 35156
COD Descripción Superficie (ha)
23
3.2.1 PARTES DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA
Según (Vásquez Villanueva, 2000) Una cuenca hidrográfica está compuesta por 3 partes que son:
Cuenca de recepción o Parte Alta
Es la parte más alta de la cuenca comprende alturas superiores a los 3000 m.s.n.m., con precipitaciones de 1000–2000 mm/año.
Garganta, canal de desagüe o Parte Media
La parte media se encuentra comprendida entre los 800 y 3000 m.s.n.m., con precipitaciones de 100-1000 mm/año. Es aquí donde se encuentran los valles interandinos, con un clima variado y benigno.
El canal de desagüe es el encajonamiento formado entre las dos vertientes, en cuyo fondo son conducidas las aguas y los materiales que provienen de la cuenca de recepción, su principal función es de escurrir el agua, es común ver aquí, ciudades y asentamientos que desarrollan actividades económicas que no tienen una planificación ambiental adecuada al ordenamiento territorial de la cuenca.
En esta zona se producen diversos procesos de erosión y acumulación, predominando el transporte de material, el mismo que se deposita en las secciones planas.
Lecho, cono de deyección o Parte Baja
24
Figura 3.3. Partes de una Cuenca Hidrográfica (World Vision, 2001)
3.2.2 ELEMENTOS QUE CONFORMAN UNA CUENCA
Según (Calispa, y otros, 2000) los principales elementos que conforman una cuenca son:
Recursos naturales: Agua, suelo, vegetación, fauna, recursos geofísicos, geológicos, geomorfológicos, climáticos, etc.
Aspectos sociales: Población, cultura, creencias, costumbres, comportamientos, ideologías, religión, entre otras.
Aspectos económicos: Producción, productividad, mercadeo, consumo, comercialización, empleo.
25
Figura 3.4. La Cuenca como sistema (World Vision, 2001)
3.2.3 DIVISIÓN DE UNA CUENCA
Tabla 3.2. Aproximación para clasificación de cuencas, subcuencas y microcuencas
(Centro agronómico tropical de investigación y enseñanza, 2007)
Unidad N° de orden Área (km2)
Microcuenca 1, 2, 3 10 – 100
Subcuenca 4, 5 100 – 700
26
Figura 3.5. División de una Cuenca Hidrográfica (World Vision, 2001)
3.2.3.1 SUBCUENCA
27
28
Figura 3.7. Leyenda del Mapa de Subcuencas Hidrográficas Subcuencas Hidrográficas
0101, RIO CARCHI 0201, RIO MIRA 0202, RIO SAN JUAN 0301, RIO MATAJE 0401, RIO SANTIAGO 0402, RIO AGUA CLARA 0403, RIO SAN MIGUEL 0404, RIO ONZOLE 0405, RIO CAYAPAS 0406, DRENAJES MENORES 0501, ESTERO VAINILLA 0601, ESTERO LAGARTO 0701, RIO OSTIONES 0801, RIO MATE 0901, RIO VERDE 1001, RIO COLOPE 1101, ESTERO CAMARONES 1201, RIO GUAYLLABAMBA 1202, RIO BLANCO 1203, RIO COLE 1204, RIO CANANDE 1205, RIO SADE 1206, RIO VICHE 1207, RIO TEAONE 1208, DRENAJES MENORES 1301, RIO ATACAMES 1401, RIO SUA 1501, RIO TONCHIGUE 1601, ESTERO GALERA 1701, RIO SAN FRANCISCO 1801, RIO BUNCHE 1901, RIO MUISNE 2001, RIO BALZAR 2101, RIO COJIMIES 2201, RIO MARCOS 2301, RIO CUAQUE 2401, ESTERO DON JUAN 2501, RIO JAMA
2601, RIO MUCHACHO 2701, RIO BRISEÑO 2801, RIO CHONE 2802, RIO CARRIZAL 2803, DRENAJES MENORES 2901, ESTERO PAJONAL 3001, RIO PORTOVIEJO 3002, RIO CHICO 3003, ESTERO BACHILLERO 3101, RIO JARAMIJO 3201, RIO MANTA 3301, RIO SAN MATEO 3401, RIO CAÑAS 3501, RIO BRAVO 3601, RIO CANTA GALLO 3701, RIO JIPIJAPA 3801, RIO SALAITE 3901, RIO BUENAVISTA 4001, RIO AYAMPE 4101, RIO MANGLARALTO 4201, RIO VALDIVIA 4301, RIO VIEJO 4401, RIO JAVITA 4501, RIO GRANDE 4601, RIO SALADO 4701, RIO LA SECA 4801, RIO ZAPOTAL 4901, ESTERO DEL MORRO 5001, RIO CHONGON 5001, RIO DAULAR 5201, RIO DAULE 5202, RIO VINCES 5203, RIO MACUL 5204, RIO BABAHOYO 5205, RIO YAGUACHI 5206, RIO JUJAN 5207, DRENAJES MENORES 5301, RIO TAURA 5401, RIO CHURUTE
5501, RIO CAÑAR 5601, RIO NARANJAL 5701, RIO SAN PABLO 5801, RIO JAGUA 5901, RIO BALAO 6001, RIO GALA 6101, RIO TENGUEL 6201, RIO SIETE 6301, RIO PAGUA 6401, RIO LEON 6402, RIO RIRCAY 6403, RIO UCHUCAY 6404, RIO MINAS 6405, RIO GANACAY 6406, RIO SAN FRANCISCO 6407, RIO CHILLAYACU 6408, RIO VIVAR 6409, RIO CASACAY 6410, DRENAJES MENORES 6501, ESTERO GUAJABAL 6601, RIO SANTA ROSA 6701, RIO ARENILLAS 6801, RIO ZARUMILLA 6901, RIO LUIS 6902, RIO YAGUACHI 6903, RIO MOROMORRO 6904, RIO TAMINE
6905, QUEBRADA CONVENTOS 6906, QUEBRADA CAZADEROS 6907, DRENAJES MENORES 7001, RIO CATAMAYO 7002, RIO MACARA 7003, RIO ALAMOR 7004, DRENAJES MENORES 7301, RIO SAN MIGUEL 7302, RIO GUEPI 7303, DRENAJES MENORES 7401, RIO COCA 7402, RIO JATUNYACU
29
3.2.3.2 MICROCUENCA
Una microcuenca es toda área en la que su drenaje va a dar al cauce principal de una Subcuenca; o sea que una Subcuenca está dividida en varias micro cuencas. Las microcuencas son unidades pequeñas y a su vez son áreas donde se originan quebradas y riachuelos que drenan de las laderas y pendientes altas. También las microcuencas constituyen las unidades adecuadas para la planificación de acciones para su manejo. En la práctica, las microcuencas se inician en la naciente de los pequeños cursos de agua, uniéndose a las otras corrientes hasta constituirse en la cuenca hidrográfica de un río de gran tamaño. (Umaña, 2002)
3.2.4 COMPONENTES DE UNA CUENCA
Según (Calispa, y otros, 2000) una cuenca está integrada por:
Su cauce
La divisoria de aguas
La vertiente y
El valle
3.2.4.1 CAUCE
30 Son cauces permanentes cuando mantienen su caudal de agua y cauce, por más fuertes y largos que sean los períodos de sequía, se presentan cuando las cuencas se encuentran bien protegidas y/o manejadas en forma adecuada.
Son cauces temporales cuando dependen fundamentalmente de los períodos lluviosos y de las escorrentías que los forman, perdiéndose en los períodos de sequía. Se presentan en las cuencas que están desprotegidas de vegetación, que es el elemento regulador de la permanencia de los cauces.
3.2.4.2 DIVISORIA DE AGUAS
Corresponde al límite de la cuenca. Se la conoce como “parte aguas” y se la define como la línea que circunscribe un área que tiene un drenaje común, o la línea que se separa las dos cuencas hidrográficas vecinas.
Figura 3.8. Divisoria de Aguas (Calispa, y otros, 2000)
31
Figura 3.9. Divisoria de Aguas Topográfica y Freática (Calispa, y otros, 2000)
El límite topográfico es el que divide una cuenca de otra y determinara hacia donde irá la precipitación. El límite freático, divide el drenaje del agua subterránea o agua freática, que va por debajo del suelo.
Es importante destacar que, la divisoria topográfica no siempre coincide con la divisoria de aguas freáticas. Cuando esto ocurre, se presenta escape de agua de una cuenca a otra. Como se observa en la Figura 3.9
32 En términos generales, el escape de agua de una cuenca ocurre, desde la más alta a la más baja. La localización exacta de la divisoria freática, es casi siempre desconocida. Los estudios de cuencas, identifican solamente la divisoria de aguas superficiales y en muy pocos casos, la divisoria de aguas subsuperficiales o subterráneas.
3.2.4.3 VERTIENTE
Es el área entre el cauce y la divisoria topográfica. La mayoría de los usos de la cuenca se concentran en estas áreas desarrollando actividades agrícolas, pecuarias, de minería y forestales entre otras.
3.2.4.4 VALLE
Es el área más o menos plana, que existen entre la finalización de las vertientes empinadas y el cauce. En las zonas montañosas, el valle es muy pequeño o no existe, debido a que las vertientes caen directamente al cauce. En cuencas más grandes, de zonas medias y bajas, existen valles de diferente amplitud que constituyen una zona de amortiguamiento de la escorrentía que se dirige hacia el cauce.
33
3.2.5 CLASIFICACIÓN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE
CUENCA
(Calispa, y otros, 2000) Clasifica a las cuencas según:
3.2.5.1 SEGÚN LA CLASE DE VERTIENTE
Existen tres tipos de cuencas
3.2.5.1.1 Tipo embudo
Estas cuencas concentran las aguas de escorrentía, en una red densa y muy ramificada. Las vertientes son empinadas, de pendientes fuertes, poco alargadas y tienen un importante volumen rocoso en su composición. Las características principales son:
Pendientes fuertes mayores de 30 °
Rocas impermeables
Suelos finos
Crecidas de fuertes intensidades
Forma redondeada
Red densa y ramificada
34
Figura 3.11. Cuenca Tipo Embudo(Calispa, y otros, 2000)
3.2.5.1.2 Tipo corredor
Son las cuencas de las zonas calcáreas. Tienen grandes superficies planas de mesetas calcáreas, ligeramente onduladas en los páramos. Un solo valle se entalla en profunda garganta; los escasos afluentes, igualmente encajonados, son casi siempre muy cortos.
Las crecidas por lo general se producen después de ocurrido un evento de precipitación, por lo que es menos peligrosa que la cuenca tipo embudo.
35
3.2.5.1.3 Tipo canelón
Se encuentran en terrenos planos. Las cuencas son poco alargadas, parecidas al tipo corredor, pero las pendientes de las vertientes, son suaves.
Figura 3.13. Cuenca Tipo Canelón (Calispa, y otros, 2000)
3.2.5.2 SEGÚN LA TENENCIA DE LA TIERRA
Sobre la base de este criterio, podemos clasificar las cuencas en:
Privada,
Estatal, y
Municipal
En las cuencas privadas, la estrategia de manejo es compleja, porque, necesariamente, debe involucrar a toda la población para lograr los objetivos del plan.
36
3.2.5.3 SEGÚN EL TIPO DE EXPLOTACIÓN AGRÍCOLA
Podemos clasificarlas en:
Cuencas de minifundio, de manejo complicado.
Cuencas de latifundio, de manejo difícil.
Cuencas empresariales, donde el interés de los propietarios es particularmente económico.
Cuencas comunales de asociación y cooperativas, donde es necesario un trabajo con organización y apoyo financiero.
3.2.5.4 SEGÚN LA PRESENCIA DE ÁREAS NATURALES Y BOSQUES PROTECTORES
En la legislación ecuatoriana podemos encontrar:
Parques nacionales
Reservas ecológicas
Áreas de recreación
Bosques protectores
Reservas etnobotánicas
Reservas biológicas
Reservas de producción faunísticas
37
3.2.5.5 SEGÚN LA ALTITUD
En Ecuador, según la altitud sobre el nivel del mar, las cuencas se dividen en:
Cuencas altas: ubicadas sobre los 2000 m.s.n.m. Son todas las cuencas de la sierra ecuatoriana.
Cuencas medias: varían en los rangos altitudinales entre 500 y 2000 m.s.n.m.
Cuencas bajas: se encuentran por debajo de los 500 m.s.n.m.
3.2.5.6 SEGÚN SU ÁREA
El ex INEFAN, en su momento, propuso la siguiente clasificación:
Sistema hidrográfico (más de 300 000 ha)
Cuenca (100 000 – 300 000 ha)
Subcuenca (15 000 – 100 000 ha)
Microcuenca (4 000 – 15 000 ha)
Fuente de agua (menos de 4 000 ha)
3.2.5.7 SEGÚN EL CLIMA
Cuencas de zonas húmedas: en las cuales la estrategia de manejo se orienta a controlar los excesos de agua y los problemas erosivos. Por ejemplo las partes altas del Cajas en la provincia del Azuay.
38
3.2.5.8 SEGÚN LA DENSIDAD POBLACIONAL
Según la cantidad de personas que habitan en las cuencas, la presión sobre los recursos naturales puede ser: fuerte, mediana o débil. Cuanto mayor es el número de personas, mayor es el impacto sobre los recursos de la cuenca.
3.2.5.9 SEGÚN EL PROPÓSITO DEL TRATAMIENTO
Pueden ser:
3.2.5.9.1 Cuencas demostrativas
Para divulgación a la comunidad y a técnicos, quienes observan los beneficios de los tratamientos que se aplican en el manejo de las cuencas. Por ejemplo la microcuenca de Joyapa, en la provincia del Azuay.
3.2.5.9.2 Cuencas experimentales
39
3.3 CLASIFICACIÓN DE LOS CURSOS DE AGUA
Según (Monsalve Sáenz, 2002) con base en la constancia de la escorrentía, los cursos de agua se pueden dividir en:
Perennes
Corrientes con agua todo el tiempo
El nivel de agua subterráneo mantiene una alimentación continua y no desciende nunca debajo del lecho del río.
Intermitentes
Corrientes que escurren en estaciones de lluvia y se secan durante el verano.
El nivel de agua subterráneo se conserva por encima del nivel del lecho del río sólo en la estación lluviosa. En verano el escurrimiento cesa, u ocurre solamente durante o inmediatamente después de las tormentas.
Efímeros
Existen apenas durante o inmediatamente después de los períodos de precipitación, y sólo transportan escurrimiento superficial.
El nivel de agua subterráneo se encuentra siempre debajo del nivel inferior del lecho de la corriente; no hay, por lo tanto, posibilidad de escurrimiento subterráneo
3.4 SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA
40 considerado un conjunto organizado de hardware, software, datos y técnicas eficientemente diseñadas para la captura, almacenamiento, actualización, manipulación, visualización y análisis de información geográficamente referenciada. (Morad & Triviño Pérez, 2001)
Un Sistema de Información Geográfica es una integración organizada de hardware, software y datos geográficos diseñada para capturar, almacenar, manipular, analizar y desplegar en todas sus formas la información geográficamente referenciada con el fin de resolver problemas complejos de planificación y gestión geográfica.
41
Figura 3.14. Sistemas de Información Geográfica (ESRI, 2011)
3.5 SIG APLICADO A LA HIDROLOGÍA
Los SIG ofrecen una representación espacial cognitiva de sistemas hidrológicos e hidráulicos. Integrar los SIG y los modelos hidrológicos implica conectar los datos geoespaciales que describen el entorno físico, con los modelos de procesos hidrológicos que describen el movimiento del agua a través del medio. Es la búsqueda de las relaciones entre patrones y procesos en el espacio geográfico.
42 Los Sistemas de información geográfica y la hidrología son dos campos de trabajo que comparten muchos intereses. Por esa razón, cada vez más investigadores se ayudan de los SIG para la construcción de modelos hidrológicos, especialmente cuando es necesaria la representación espacial de redes de drenaje. (Morad & Triviño Pérez, 2001)
3.6 MODELO
Según (Bethencourt Fernández, 2009) Un modelo es un esquema teórico, generalmente en forma matemática, de un sistema o de una realidad compleja, que se elabora para facilitar su comprensión y el estudio de su comportamiento.
También un modelo puede ser una representación gráfica o esquemática de una realidad, que sirve para organizar y comunicar de forma clara los elementos que involucran un todo.
3.6.1 MODELOS HIDROLÓGICOS
Según (Salgado Rabadán & Güitrón de los Reyes, 2012) la modelación hidrológica se clasifica en estocástica y determinista, dentro de la modelación determinista se tienen tres tipos de modelos: modelo empíricos también llamados de caja negra, agregados y distribuidos.
3.6.1.1 MODELOS DE CAJA NEGRA O CAJA GRIS
43
3.6.1.2 MODELOS HIDROLÓGICOS AGREGADOS
Los modelos hidrológicos agregados (MHA) son modelos conceptuales, es un esfuerzo de reproducir los procesos hidrológicos implicados en la transformación lluvia-escurrimiento, también se conocen como modelos que consideran la humedad del suelo. Constan, en general, de una parte de balance de agua, que calcula en el tiempo el balance entre lluvia, evaporación, escorrentía y almacenamiento; y una segunda parte de tránsito de los diferentes tipos de escorrentía.
Por tanto, pueden modelar en continuo la respuesta de una cuenca a los eventos de precipitación.
3.6.1.3 MODELOS HIDROLÓGICOS DISTRIBUIDOS
Los modelos hidrológicos distribuidos (MHD) también llamados de base física, son modelos que dividen el área de captación en sub-áreas a las cuales se le asignan características particulares. Presentan el mayor grado de aproximación a las leyes físicas que rigen los principales procesos en la respuesta hidrológica de una cuenca, así como la variabilidad espacial de los principales factores que intervienen. Se basan exclusivamente en parámetros físicos, por tanto medibles, con lo cual son directamente aplicables a cuencas no aforadas.
44 en la cuenca, y ante la evidencia de la variabilidad espacial de la precipitación, la temperatura, la cobertura vegetal, entre otros parámetros; es una ventaja el empleo de los modelos hidrológicos distribuidos respecto a los modelos agregados. Sin pasar por alto que los primeros llegan a un notable incremento de complejidad en su aplicación, asociada principalmente, a la cantidad de información requerida para su modelación que se basa en la aplicación de los Sistemas de Información Geográfica (SIG), en los cuales se procesa gran parte de los datos para representar la fisiografía de la cuenca, aunque esta complejidad es atenuada por el uso de equipo de cómputo que cada vez tiene mayor velocidad y capacidad de almacenamiento.
De aquí la importancia de hacer un análisis de los modelos hidrológicos distribuidos de base física que son más utilizados en el mundo para la gestión integrada del agua, así como las características de la cuenca en donde fueron aplicados y los requerimiento tanto de datos como de capacidad de cómputo.
En este análisis se identificaron además de las características técnica, las preferencias personales del usuario tales como: la interfaz de usuario, el tipo de sistema operativo, la organización de los datos y resultados.
En el análisis, no debe ignorarse la capacidad de adaptación a las condiciones geográficas de nuestro país y la disponibilidad de información. Actualmente en nuestro país existen muy pocas cuencas que cuentan con suficiente aforo hidrométrico, por lo que no es posible simular de una manera satisfactoria algunas componentes del ciclo hidrológico, específicamente el escurrimiento superficial, ya que se requiere de mediciones del escurrimiento para la calibración de los modelos hidrológicos. Debido a esto parte de la información fisiográfica y geomorfológica, es utilizada para la calibración del modelo mediante parámetros identificados previamente.
46
4 METODOLOGÍA
4.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA CUENCA
Las características físicas son aspectos importantes en el escurrimiento superficial de las cuencas. Con el fin de determinar estas características he utilizado los shapefiles generados por el convenio institucional entre el ex CLIRSEN, ahora Instituto Espacial Ecuatoriano (IEE) y el Ministerio de Agricultura Ganadería Acuacultura y Pesca (MAGAP) (escala 1:50000) para posteriormente aplicarlos en el software “Arc Gis 9.3”. Para delimitar el área de influencia de la estación hidrológica H159 Río San Pedro en Machachi. Los datos físicos o morfométricos más comunes y que he considerado de mayor interés para caracterizar a la cuenca objeto de mi estudio, son los siguientes: Superficie, perímetro, forma de cuenca y elevación.
4.1.1 SUPERFICIE (S)
A la medida de la superficie de una Cuenca de drenaje se la denomina área, y es la variable más utilizada para el cálculo de otras que, consecuentemente, serán dependientes de ella.
Se calcula a través de la representación a escala, sobre un mapa topográfico, de la cuenca. Por tanto, la medida calculada no coincidirá con la medida real, ya que se tratará del área de la proyección en el plano horizontal de la superficie de la cuenca.
47 Para su determinación se empleó el software descrito en el numeral 4.1, como se observa en la Figura 4.1
Figura 4.1. Cálculo de la superficie del Área de Influencia de la Estación hidrométrica H159
4.1.2 PERÍMETRO (P)
48
Figura 4.2. Cálculo del Perímetro del Área de Influencia de la Estación hidrométrica H159
4.1.3 FORMA DE LA CUENCA (F)
Esta característica es importante pues se relaciona con el tiempo de concentración, el cual es el tiempo necesario, desde el inicio de la precipitación, para que toda la cuenca contribuya a la sección de la corriente en estudio, o, en otras palabras, el tiempo que toma agua desde los limites más extremos de la cuenca hasta llegar a la salida de la misma. (Monsalve Sáenz, 2002)
4.1.3.1 COEFICIENTE DE COMPACIDAD O ÍNDICE DE GRAVELIUS (Kc)
49 entonces que la cuenta es circula y conforme su valor crece indicara una mayor distorsión en su forma, es decir, se vuelve alargada o asimétrica. (Ortiz Aguirre, 1996)
La simetría respecto del centro de la forma circular, en el fenómeno del escurrimiento significa un tiempo de concentración de esos flujos de agua.
Cuanto más irregular sea la cuenca mayor será su coeficiente de compacidad. Una cuenca circular posee el coeficiente mínimo, igual a uno. Hay mayor tendencia a las crecientes en la medida en que este número sea próximo a la unidad. (Monsalve Sáenz, 2002)
Tabla 4.1. Valores del Coeficiente de Compacidad según (Oñate Valdivieso, 2006) y (Londoño, 2001)
Kc Forma de la Cuenca Tendencia
Crecidas Características 1,00 – 1,25 De casi redonda a Oval
Redonda ALTA Cuenca torrencial peligrosa 1,25 – 1,50 De Oval Redonda a Oval
Oblonga MEDIA
Presenta peligros torrenciales, pero no iguales a la anterior 1,50 – 1,75 De Oval Oblonga a
Rectangular BAJA
Son las cuencas que tienen menos torrencialidad
√
En donde:
Kc: coeficiente de compacidad, adimensional P: perímetro de la cuenca, en Km.
A: área de la cuenca, en Km2
50 Reemplazamos los valores en la fórmula 4-1
√
4.1.3.2 FACTOR DE FORMA (Kf)
Es la relación entre el ancho medio y la longitud axial de la cuenca. (Monsalve Sáenz, 2002)
En donde:
Kf: factor e forma, adimensional A: área de la cuenca, en Km2 L: longitud de la cuenca, en Km.
La longitud de la cuenca corresponde a la medición del eje del valle del río principal, desde el punto más remoto de la cuenca hasta su salida, sin considerar los meandros del curso del agua. Como se observa en la Figura 4.3
51
Figura 4.3. Cálculo de la longitud de la cuenca en el programa Arc Gis 9.3
Reemplazamos los valores en la fórmula 4-2
52
4.1.3.3 ELEVACIÓN (Hm)
La elevación se define como:
∑ ( )
En donde:
Hm: Elevación media de la cuenca, en m.s.n.m. Ai: área entre curvas de nivel, Km2.
hi: cotas de las curvas de nivel, en m.s.n.m. A: área total de la cuenca, en Km2.
La elevación media de la zona de estudio se lo calculo por microcuencas. Para el cálculo de la elevación o altura media se utilizó el modelo para la altura media con pixel 5 generado por el ex CLIRSEN actual Instituto Espacial Ecuatoriano
Para el cual es necesario generar los Modelos digitales de terreno DEMS de cada una de las microcuencas ubicadas en el área de influencia de la estación hidrometeorológica H159, los DEMS se generan en el programa ARC GIS como se observan en las siguientes figuras. (Figura 4.4 y Figura 4.5)
53
Figura 4.4. Modelo digital del terreno para toda el área de influencia de la estación H159
54 Luego es necesario cargar los DEMS uno por uno en el programa ERDAS (Figura 4.6)
Figura 4.6. DEM en el programa ERDAS
55
Figura 4.7. Modelo para la altura media
4.1.3.4 CURVA HIPSOMÉTRICA
Es la representación gráfica del relieve de la cuenca. Representa el estudio de la variación de la elevación de los varios terrenos de la cuenca con referencia al nivel medio del mar.
Esta variación puede ser indicada por medio de un gráfico que muestre el porcentaje de área de drenaje que existe por encima o por debajo de varias elevaciones.
La curva hipsométrica relaciona el valor de la cota, en las ordenadas, con el porcentaje del área acumulada, en las abscisas. (Monsalve Sáenz, 2002)
56
4.1.3.5 PENDIENTE (Im)
Esta característica controla en buena parte la velocidad con que se da la escorrentía superficial y afecta, por lo tanto, el tiempo que lleva el agua de lluvia para concentrarse en los lechos fluviales que constituyen la red de drenaje de las cuencas. (Monsalve Sáenz, 2002)
Generamos un mapa de pendientes del área de influencia estudiada, en el programa Arc Gis se genera un TIN (Red Irregular Triangulada) mediante las curvas de nivel en el área de influencia como se observa en la Figura 4.8.
Figura 4.8. TIN área de Influencia
57
Tabla 4.2. Valores para mapa de pendientes
Pendientes Identificación
0 – 15 1
15 – 25 2
25 – 50 3
50 – 75 4
75 – 100 5
100 – 185 6
4.1.4 DENSIDAD DE DRENAJE (Dd)
Horton (1945) definió la densidad de drenaje de una cuenca como el cociente entre la longitud total de los canales de flujo pertenecientes a su red de drenaje y la superficie de la cuenca: En Km/Km2 (Oñate Valdivieso, 2006)
En donde:
L: longitud total de las corrientes de agua, en km A: área total de la hoya, en km2
Tabla 4.3. Densidad de Drenaje (Oñate Valdivieso, 2006)
Características de la Cuenca Dd
Regular Drenaje 0 a 1
Normal Drenaje 1 a 1,5
Buen Drenaje > 1,5
58 Se obtiene el valor de L por medio del programa Arc Gis al realizar la sumatoria de las corrientes de agua teniendo un valor de 761,81 Km como se observa en la Figura 4.9
Figura 4.9. Longitud total de las corrientes de agua, en Km
Reemplazamos en la fórmula 4-4
4.1.5 ORDEN DE CORRIENTES
Refleja el grado de ramificación o bifurcación dentro de una cuenca.
Corrientes de primer orden: Pequeños canales que no tienen tributarios.
Corrientes de segundo orden: cuando dos corrientes de primer orden se unen.
59
Corrientes de orden n+1: Cuando dos corrientes de orden n se unen.
4.2 ANÁLISIS DE DATOS METEOROLÓGICOS
4.2.1 ESTACIONES METEOROLÓGICAS EN LA ZONA DE
ESTUDIO
Ecuador cuenta con una red de monitoreo meteorológico de alrededor de 1197 estaciones, distribuidas en todo el país mayoritariamente en la región sierra y con menor número de la amazonia al igual que en la región insular. De todas las estaciones presentes en el inventario del INAMHI solo 364 se encuentran al momento en funcionamiento. (Barros & Troncoso, 2010)
Dentro de la zona de la zona de estudio y sus alrededores solo 5 estaciones meteorológicas contaban con disponibilidad de datos las mismas que se encuentran enlistadas en la tabla 4.4 y su mapa de ubicación se lo puede encontrar en el Anexo 1.
Tabla 4.4. Estaciones Meteorológicas (INAMHI, 2013)
COD NOMBRE TIPO LATITUD LONGITUD ELEVACION PROVINCIA FECHA INSTALACION
M003 IZOBAMBA AG 002200 S 783300 W 3058 msnm PICHINCHA 01-feb-62 M113 UYUMBICHO PV 002318 S 783131 W 2740 msnm PICHINCHA 01-feb-91
M120
COTOPAXI-CLIRSEN CO 003709 S 783419 W 3561 msnm COTOPAXI 20-abr-99
M353
RUMIPAMBA-PICHINCHA PV 002539 S 782457 W 2940 msnm PICHINCHA 15-jul-64
M364 LORETO
PEDREGAL PV 003341 S 782535 W 3620 msnm COTOPAXI 01-jun-63
60
Tabla 4.5. Tipo de Estaciones (INAMHI, 2013)
TIPO DESCRIPCIÓN
CO CLIMATOLÓGICA ORDINARIA AG AGROMETEOROLÓGICA CP CLIMATOLÓGICA PRINCIPAL PG PLUVIOGRÁFICA
PV PLUVIOMÉTRICA AUTOMATICA AUTOMÁTICA
4.2.2 PRECIPITACIÓN MEDIA
El método que se empleará para determinar la precipitación media sobre el área de estudio, será el Método de las Isoyetas.
4.2.2.1 MÉTODO DE LAS ISOYETAS.
“Este método consiste en trazar, con la información registrada en las estaciones, líneas que unen puntos de igual altura de precipitación llamadas isoyetas, de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografía.” (Aparicio, 1992)
Este método es el más exacto para promediar la precipitación sobre un área determinada. La localización de las estaciones y las cantidades de lluvia se grafican en un mapa y sobre este se dibujan las líneas de igual precipitación (isoyetas).
61
Si Si Pi
Pm *
En donde:
Pm: Precipitación media
Pi: Precipitación de la estación en la zona i Si: Área del polígono encerrado la zona i
4.2.3 PRECIPITACIONES MÁXIMAS
4.2.3.1 MÉTODO DE GUMBEL O DE VALORES EXTREMOS
Es una función de probabilidades usualmente utilizada para valores máximos aleatorios sacados de poblaciones suficientemente grandes.
( )
En donde
e: es la base de los logaritmos neperianos yi: es la variable reducida, tal que:
( )
̅
(4-5)
(4-6)
(4-7)
(4-8)
62 En donde
̅ es el promedio de los datos de la muestra
S: es la desviación estándar de los datos de la muestra xi: datos de la muestra, desde i igual a 1 hasta n