A Mis Padres

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ÍNDICE RESUMEN / ABSTRACT 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5

INTRODUCCIÓN FUNDAMENTO DEL ESTUDIO ........................................................................ OBJETIVOS, ASPECTOS INNOVADORES Y ALCANCE DE LA TESIS ................................................................................................................... FORMULACIÓN DEL ESTUDIO ...................................................................... ESTRUCTURA DEL INFORME DE TESIS .......................................................

1 2 4 6

CONCEPTOS BASE Y ESTADO DEL CONOCIMIENTO UNIDADES DE PAISAJE EN EL MARCO DE ESTUDIOS DE PROCESOS DE EROSIÓN .................................................................................. 1 EVOLUCIÓN DEL PAISAJE Y PARÁMETROS MORFOLÓGICOS .............. 4 EROSIÓN HÍDRICA: MÉTODOS Y MODELOS PARA SU ESTIMACIÓN ...................................................................................................... 5 ANÁLISIS DE ESCALAS EN MODELACIÓN HIDROLÓGICA .................... 12 SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 2 ............................................................................. 15 METODOLOGÍA DE INTERÉS PARA EL PRESENTE ESTUDIO UNIDADES DE PAISAJE EN EL MARCO DE ESTUDIOS DE PROCESOS DE EROSIÓN .................................................................................. Introducción .......................................................................................................... Métodos de Interés ................................................................................................ Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Definición de Unidades de Paisaje .............................................................................................. EVOLUCIÓN DEL PAISAJE Y PARÁMETROS MORFOLÓGICOS .............. Introducción .......................................................................................................... Métodos de Interés ................................................................................................ Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Evolución del Paisaje y Parámetros Morfológicos ...................................................................... EROSIÓN HÍDRICA: MÉTODOS Y MODELOS PARA SU ESTIMACIÓN ...................................................................................................... Introducción .......................................................................................................... Métodos de Interés ................................................................................................ Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Fuente de Sedimento por Erosión Superficial y Movimiento de Masa ................................. EXTRAPOLACIÓN EN MODELACIÓN DEL PAISAJE ................................. Introducción .......................................................................................................... Métodos de Interés ................................................................................................ Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Extrapolación en Modelación del Paisaje Erosivo ....................................................................... SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 3 Y BASES PARA LA PROPUESTA METODOLÓGICA ..............................................................................................

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1 1 1 14 16 16 19 23 24 24 24 42 43 43 44 51 52

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4.

4.1 4.2 4.3 5. 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.6 6 6.1 6.2

FORMULACIÓN METODOLÓGICA PARA DETERMINACIÓN DE PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA EXTENSAS (PECUME) INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 1 PROPUESTA METODOLÓGICA ....................................................................... 2 SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 4 ............................................................................. 14 PRUEBA DE CONCEPTO DEL PECUME CUENCA DEL RÍO IRUYA ................................................................................ General .............................................................................................................. Descripción de los Principales Procesos de Producción de Sedimentos .............. Datos Disponible y Estudios Básicos ................................................................... CUENCA DEL RÍO BERMEJO .......................................................................... General .................................................................................................................. Datos Disponibles y Estudios Básicos .................................................................. UNIDADES DE ANÁLISIS ESPACIAL ............................................................. Modelación a Nivel Local/Subcuenca: Cuenca del Río Iruya (PECUME-Nivel A) .............................................................................................. Modelación a Nivel Regional/Cuenca: Cuenca del Río Bermejo (PECUME-Nivel B) .............................................................................................. MODELACIÓN A NIVEL LOCAL/SUBCUENCA (PECUME-Nivel A) Propuesta Metodológica y Prueba de Concepto de la Cuenca del Río Iruya ...... Unidades de Paisaje .............................................................................................. Evolución del Paisaje y Parámetros Morfológicos .............................................. Fuente de Sedimentos por Erosión Superficial ..................................................... Fuente de Sedimentos por Movimiento de Masa .................................................. Síntesis de la Modelación a Nivel Local/Subcuenca (PECUME-Nivel A)........... MODELACIÓN A NIVEL REGIONAL/CUENCA (PECUME-Nivel B) Propuesta Metodológica y Extrapolación de Escalas desde la Cuenca del Río Iruya a la Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo .............................................. Introducción .......................................................................................................... Unidades de Paisaje utilizando Modelo Cuali-cuantitativo .................................. Unidades de Paisaje utilizando Modelo de Relaciones Simplificadas ................. Síntesis de la Modelación a Nivel Regional/Cuenca (PECUME-Nivel B) .......... SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 5 ............................................................................

6.4 6.5

CONCLUSIONES PLANTEO Y ALCANCE DE LA TESIS ............................................................ CONCLUSIONES DE LOS CONCEPTOS BÁSICOS CONSIDERADOS PARA LA FORMULACIÓN METODOLÓGICA .............................................. CONCLUSIONES DE LA FORMULACIÓN METODOLÓGICA Y LA PRUEBA DE CONCEPTO .................................................................................. CONCLUSIONES GENERALES DE LA TESIS ............................................... RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS ..........................................

7

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

6.3

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1 1 2 5 12 12 17 20 20 20 22 22 35 41 44 50

51 52 54 60 62 63

1 4 9 10 11

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FIGURAS ANEXOS ANEXO I: Tipología y Desarrollo de los Movimientos de Masa ANEXO II: Ingeniería de Taludes Anexo II.1: Síntesis de métodos para el cálculo de estabilidad de taludes Anexo II.2: Parámetros básicos de caracterización de suelos ANEXO III: Escurrimiento Superficial en Laderas ANEXO IV: Artículos Publicados

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AGRADECIMIENTOS En primer lugar deseo mencionar que este trabajo de investigación ha sido posible gracias a la existencia de la Carrera de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería en la Universidad Nacional de Córdoba, que considero de valioso interés en nuestro sistema educativo nacional. En este marco, deseo agradecer especialmente a mi director de tesis Dr. Santiago Reyna por su apoyo infinito en todo el período de estudios y al Dr. Marcelo Zeballos que ha sido asesor de la tesis, brindando valiosos comentarios. Durante los tres últimos años, el Dr. Andrés Rodriguez fue asesor y su colaboración fue muy apreciada. Para ellos, dejo expresado mi enorme agradecimento. Este trabajo de investigación ha sido desarrollado en la Comisión Regional del Río Bermejo (COREBE). Agradezco a las distintas gestiones haberme permitido concretar este estudio. A todo el personal de COREBE, que me ha dado no solamente el marco científico sino que han permitido un ambiente amigable durante todos estos años, mi profundo agradecimiento. Deseo mencionar especialmente: Ing. Fernando Perez Ayala, Dra. María Isabel Andrade, Ing. Juan Manuel Bazan e Ing. Saúl Martinez. El Departamento de Geología de la Universidad de Washington ha sido, por un breve período, el marco de estudios de esta tesis. La colaboración del Dr. David Montgomery y del Sr. Harvey Greenberg es especialmente considerada. Del Laboratorio de Hidráulica y del Ambiente del Instituto Nacional del Agua (INA) deseo agradecer el apoyo del Ing. Daniel Brea, Ing. Pablo Spalletti e Ing. Marcela Busquet. Especial mención y agradecimiento para el Ing. Máximo Peviani quien, hace 10 años, me invitó a colaborar en sus proyectos de estudio de producción/transporte de sedimentos en cuencas alpinas, trabajo que me permitió luego definir el tema de mi tesis de doctorado. Muchos amigos se merecen mi gratitud, por haber colaborado incondicionalmente en este trabajo, entre ellos: Dra. Elena Martinez (UBA), Ing. Patricia Lopez (INA), Lic. Felipe Rivelli (UNSa), Ing. María del Valle Morressi (FICH), Ing. Marcela Laguzzi (Delft Hydraulics), Lic. Albina Lara, Ing. Lilia Perrone e Ing. Carlos Brieva. A todos un gracias enorme. Un recuerdo especial para mi amigo del alma, el Ing. Raul Vidal. También fue notable el apoyo de distintos profesionales que deseo agradecer: Dra. Silvia Matteucci (UBA), Dr. Gustavo Diaz (SSRH), , Ing. Marcelo Gaviño Novillo (SSRH), Ing. Gustavo Deboto (ENRE), Dr. Omar Viera (UNSa), Dr. Luis Spalletti (UNLP), Ing. Clarita Dasso (INA), Ing. Rocío Fernandez (INA), Dr. James Bathurst (Universidad de Newcastle), Dr. Gustavo Buzai (UBA) y al grupo de profesionales del Estudio Reyna y Asociados. Finalmente, un gracias enorme a Mi Familia, que me ha apoyado y alentado para que concluya éste y todos mis proyectos de vida.

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RESUMEN La determinación de la zonificación del territorio en base a grados de susceptibilidad a la erosión constituye un elemento fundamental de la planificación para el desarrollo, identificando las áreas frágiles y generando cartografía que permite caracterizar cualitativamente la variación espacial de los procesos erosivos. Esta información debe ser la base para definir estrategias de mitigación de los procesos erosivos en el marco de la planificación para el desarrollo integrado del territorio, así como la formulación e implementación de proyectos de inversión. La presente tesis se basa en la intención primaria de encuadrar los modelos que definan la zonificación de cuencas de montaña extensas en función de la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos, considerando como base la morfología del paisaje. Se analiza en detalle la validez de la extrapolación de la metodología propuesta para distintas escalas espaciales de análisis. Esto constituye un aspecto relevante y novedoso de la tesis. El estudio incluye la definición del estado del conocimiento de los principios base de la problemática en estudio, el análisis de trabajos de interés para generar una formulación metodológica que determine el Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME), considerando niveles espaciales y categorías de análisis. Se implementa una prueba de concepto en una cuenca de montaña del Noroeste Argentino, considerando la Cuenca del Río Iruya de 3.002 km2 como base del estudio local y la Cuenca Alta del Río Bermejo de 37.944 km2 para el estudio regional. Se establece el primer nivel espacial, nivel local/subcuenca, donde se consideran distintas etapas de elaboración que permiten asistir al entendimiento del fenómeno de producción de sedimentos en áreas de montaña, en el marco de cada una de las fases de modelación. La implementación y verificación de una variada gama de modelos se desarrolla como categorías de análisis, según se detalla: 1) definición de unidades del paisaje con un modelo probabilístico y un modelo cuali-cuantitativo; 2) análisis de parámetros morfológicos considerados en modelos de relaciones simplificadas y umbrales que generan grados de susceptibilidad de los distintos tipos de erosión; 3) estimación de la fuente de sedimento por erosión superficial mediante una metodología paramétrica y estimación de la fuente de sedimentos por movimientos de masa mediante un modelo basado en la estabilidad de pendiente. El estudio global a nivel local permite integrar las variables del sistema natural en distintas formulaciones de variada complejidad (categorías de análisis), obteniendo resultados consistentes y de relevada importancia predictiva, con la validación de la extrapolación horizontal. El segundo nivel espacial analizado es el regional/cuenca, basado en la extrapolación de dos metodologías para la estimación de mapas de susceptibilidad a la erosión, que permite definir lineamientos base para este tipo de estudios de transferencia de información a través de diferentes escalas. Partiendo del estudio realizado a nivel local, se transfieren/adaptan las metodologías utilizadas para definir el paisaje erosivo (modelo cuali-cuantitativo) y el análisis de parámetros morfológicos (modelo de relaciones simplificadas). Los resultados obtenidos se verifican cuantitativamente en el área de estudio a nivel local.

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Se puede concluir que la propuesta metodológica desarrollada PECuME permite definir la susceptibilidad del territorio frente a los procesos erosivos integrando macroexpresiones de calidad, interacción y dinámica de las unidades territoriales mediante técnicas innovadoras en estudios de zonas montañosas de difícil acceso y con escasa información básica. La misma ha permitido desarrollar la modelación asistiendo el entendimiento del fenómeno de producción de sedimento en áreas de montaña a distintos niveles (espaciales y metodológicos), definiendo la extrapolación ascendente que permite validar estudios a nivel regional, necesarios en el mundo actual de las ciencias de la ingeniería. La formulación metodológica desarrollada tiene carácter de un sistema abierto donde en el futuro se pueden agregar conocimientos/modelos de detalle, a medida que ellos se desarrollen. Sin duda los resultados obtenidos proveen el conocimiento de base para definir estrategias apropiadas de manejo de sedimentos en áreas de montaña, teniendo en cuenta la potencial conservación de los sistemas paisajísticos.

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ABSTRACT Landscape zone determination based on erosion susceptibility degrees constitutes a fundamental element for development planning. It allows the identification of frail areas and the generation of cartography that shows the magnitude of the erosive processes. This information should be the basis for the definition of mitigation strategies of erosive processes in the framework of the planning for integrated development, as well as the formulation and implementation of investment projects. The present thesis is based on a primary intention of showing a model frame that defines the zonification of extensive mountainous basins considering the territory fragility facing the erosive processes, based on landscape morphology. The extrapolation validity of the proposed methodology for different scales is analyzed in detail. The state of knowledge of the main topics involved in the present study and the analysis of the relevant methodologies are included. The definition of a methodology for determining Erosive Landscape in Extensive Mountainous Basins (ELEMBa- PECuME) considering spatial levels and analyzed categories are presented. A test of the concept is implemented at the Iruya Basin (3,002 km2), for the local study and at the Bermejo Basin (37,944 km2), for the regional study. The first spatial level is established as a local/subbasin analysis. Different elaboration phases in the modelation process permit to assist the understanding of the sediment production phenomena in mountainous regions. The implementation and verification of various models is developed as categories of analysis, according to: 1) definition of landscape units using a probabilistic model and a quali-quantitative model; 2) analysis of morphological parameters considering a simplified relation model and a thresholds model generating susceptibility degrees for different erosion types; 3) estimation of sediment source due to superficial erosion (based on a parametric methodology), and estimation of mass movements (based on a stability slope methodology). The global study at a local level allows to integrate the natural system variables into several formulations of varied complexity (categories of analysis), obtaining consistent results and giving predictions of significant importance. The horizontal extrapolation is validated. The second spatial level analyzed is the regional/basin, based on the extrapolation of two applied methodologies for the estimation of erosion susceptibility maps. This level defines main strategies for this type of studies related to transference of base information through different scales of analysis. Considering the local level analysis as a basis for study, the landscape erosion methodologies (quali-quantitative method) and the morphologic parameter analysis (simplified relation method) are transferred. The obtained results are quantitatively verified in the local level region of study. It can be concluded that the proposed methodology ELEMBa-PECuME allows the definition of landscape susceptibility facing the erosive processes, integrating macroexpressions of quality, interaction, and the dynamics of landscape units. ELEMBaPECuME uses innovating techniques in studies of mountainous zones with difficult access and scarce basic information. ELEMBa-PECuME allows model development that considers the understanding of sediment production phenomena in different levels (spatial and methodological) and defines the up-scaling extrapolation to regional levels. The extrapolation aspect is an important improvement into the engineering science.

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The developed methodology has the characteristic of an open system where new knowledge and models can be added in the future. The obtained results provide the base knowledge to define appropriate sediment management strategies in mountainous areas, keeping in mind the conservation of landscape systems.

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1.

INTRODUCCIÓN

En este Capítulo de “Introducción” se define el marco general de la presente tesis sobre “Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña”. En el Capítulo 1.1 se presentan los fundamentos de la tesis que llevan a definir los objetivos, aspectos innovadores y alcances de la misma, los cuales son enumerados en el Capítulo 1.2. En el Capítulo 1.3 se sintetiza la formulación del estudio y en el Capítulo 1.4 se concluye con la estructura del informe. 1.1

FUNDAMENTOS DE LA TESIS

La gestión y conservación de los recursos naturales requieren identificar las áreas susceptibles a la degradación y al deterioro ambiental a modo de incorporar el manejo de los peligros naturales en el proceso de planificación para el desarrollo. Los planificadores deben evaluar los peligros naturales (atmosféricos, sísmicos, geológicos/geomorfológicos, hidrológicos, volcánicos, etc.) desde las primeras etapas de preparación de los proyectos de inversión y deben desarrollar la forma de evitar o mitigar el daño causado por dicho eventos. En el caso particular de los procesos de erosión (degradación del suelo, avalanchas por derrubios, deslizamientos de tierra, etc.), los mismos pueden constituir un peligro natural importante que produce pérdidas sociales y económicas de grandes consecuencias. La erosión ocurre bajo toda condición climática, pero se considera como un particular problema de zonas áridas porque, junto con la salinización es una importante causa directa de la desertificación. La erosión por el agua o el viento ocurre sobre cualquier terreno en pendiente, sea cual fuere su uso. Los usos de la tierra que aumentan el riesgo de erosión del suelo incluyen el sobrepastoreo, la quema o explotación de bosques, prácticas agrícolas en general, caminos y senderos y el desarrollo urbano. La erosión del suelo tiene como efectos principales la pérdida de apoyo necesarios para el crecimiento de las plantas y la sedimentación en ríos y reservorios que conduce a una regulación disminuida del recurso hídrico. La determinación de la zonificación del territorio en base a grados de susceptibilidad a la erosión constituye un elemento fundamental de la planificación para el desarrollo, identificando áreas frágiles y generando cartografía especializada que permita caracterizar cualitativamente la variación espacial de los procesos erosivos. Esta información será la base para definir estrategias de mitigación de los procesos erosivos en el marco de la planificación para el desarrollo integrado del territorio, así como la formulación e implementación de proyectos de inversión. El presente estudio se basa en la intención primaria de encuadrar los modelos que definan la variación espacial de los diferentes procesos de erosión en zonas de montaña extensas, teniendo como primera etapa una definición del paisaje erosivo y el análisis de parámetros morfológicos, para luego focalizar la investigación a la zonificación en base a la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. Se considerará el paisaje afectado por líneas de erosión localizada, relacionada a la inestabilidad de pendientes, y áreas donde la erosión superficial es predominante. Se estudia además la validez de extrapolación de la metodología propuesta para distintas escalas espaciales de análisis (local/subcuenca y regional/cuenca). El estudio incluye la descripción de los principios base de la problemática en estudio, los fundamentos físico-matemáticos de la metodología de análisis seleccionada y una Capítulo 1 – Pág. 1

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prueba de cálculo y aplicación en una cuenca de montaña del noroeste argentino. La metodología desarrollada en su conjunto constituye una herramienta de carácter general para estudios de cuencas de montaña. En especial, la extrapolación a distintas escalas de análisis es un aporte al conocimiento científico y a la aplicación práctica de remarcado interés. 1.2

OBJETIVOS, ASPECTOS INNOVADORES Y ALCANCE DE LA TESIS

El objetivo principal de la presente tesis es la determinación del paisaje erosivo en cuencas de montaña extensas en función de la fragilidad del territorio, desarrollando una metodología que permita la modelación con extrapolación espacial ascendente. Los objetivos específicos del estudio son: • Definir las unidades del paisaje como marco de análisis de los procesos de erosión, integrando macroexpresiones de calidad, interacción y dinámica de las unidades territoriales. • Desarrollar una modelación (como proceso distribuido) que permita asistir al entendimiento de los fenómenos de producción de sedimento en áreas de montaña (del proceso propiamente dicho y su interacción con todo el sistema). El desafío es comprender suficientemente la complejidad del sistema natural que está integrada y atenuada en el paisaje, con el objeto de desarrollar un modelo que resuma dicha complejidad y que la represente implícitamente en la formulación del proceso. • Desarrollar una metodología de extrapolación ascendente que permita validar estudios a nivel regional, aspecto relevante en el mundo actual de las ciencias de la ingeniería. • Proveer el conocimiento de base para definir estrategias de manejo de sedimentos en áreas de montaña, teniendo en cuenta la potencial conservación de los sistemas paisajísticos. Algunos aspectos innovadores de la tesis se presentan a continuación: • El desarrollo de una metodología global para definir y calificar la fragilidad del medio frente a los procesos de erosión. Se incluye la definición de un mecanismo de transferencia de metodologías en diferentes escalas, con una verificación de la validez de la extrapolación. • La posibilidad de incluir información sobre parámetros paisajísticos y morfológicos en el estudio hidro-sedimentológico de cuencas de montaña. • La integración de modelos de producción de sedimentos por erosión superficial y por movimientos de masa a nivel local, creando un sistema que analice la problemática general del paisaje y que defina los niveles necesarios del estudio de erosión. Esta metodología proveerá una herramienta matemática que definirá los niveles de susceptibilidad a la erosión en las distintas unidades de paisaje, evaluando en cada caso y a diferentes escalas la producción de sedimentos en modo cuali-cuantitativo. • La implementación y verificación de una variada gama de modelos para la determinación de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. Es una aplicación innovandora en estudios de zonas montañosas de difícil acceso y con escasa información básica, y cumple con los requisitos de la explicación y la predicción del método científico.

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• La utilización de cartografía geomorfológica para la verificación de la bondad de ajuste de las metodologías implementadas, desarrollo innovador en estudios de susceptibilidad de procesos erosivos. • La determinación de la validez de extrapolación de una metodología para definir la zonificación en base a fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos, para distintas escalas de análisis (local/subcuenca y regional/cuenca). Principales alcances y aplicaciones de la presente tesis se prevén del siguiente modo: • Desarrollo de investigación que profundiza las líneas de estudio referidas a los tipos de erosión predominante en zonas de montaña, y define una metodología para determinar la fragilidad del medio frente a procesos de erosión en zonas de montaña. • Aplicación como prueba de concepto en una cuenca andina, Cuenca del Río Iruya de 3.002 km2, en el Noroeste Argentino. Se implementan, calibran y verifican modelos matemáticos para la determinación de unidades de paisaje erosivo, para el análisis de parámetros morfológicos y para estudio de producción de los sedimentos a nivel local/subcuenca donde se dispone información básica de detalle. • Transferencia/adaptación/extrapolación de metodologías para la determinación de unidades de paisaje erosivo y análisis de parámetros morfológicos a nivel regional extendiendo los resultados a toda la Cuenca Alta del Río Bermejo de 37.944 km2. Se evalúa la validez de los cambios de escalas. • Se garantiza que los resultados obtenidos en este estudio son de utilidad tanto a nivel científico como para aplicación práctica en los campos de la ingeniería e hidrología. En este sentido, la aplicación de la metodología propuesta en la Cuenca del Río Iruya es importante ya que los estudios de producción de sedimentos en esta zona son de marcado interés, tanto a nivel regional como a nivel local. A nivel regional se destaca que aproximadamente 36 millones de toneladas de sedimentos por año son aportados por el Río Iruya al Sistema Bermejo-Paraguay-Paraná, representando el 40% del total de sólidos en suspensión transportados de la Cuenca del Río Bermejo (AyEE, 1990). A nivel local, existen áreas con graves problemas de movimientos de masa que hacen peligrar poblados importantes (ej. zona del pueblo Iruya). • Los resultados obtenidos en este trabajo se transfieren a la sociedad científica e ingenieril por medio de publicaciones en congresos y revistas internacionales. • Se planifica la transferencia de los resultados a la sociedad en general, mediante un programa de participación social que incluye seminarios en universidades y encuentros en escuelas de la zona. La actividad está siendo desarrollada desde la Comisión Regional del Río Bermejo y la Comisión Binacional para el Desarrollo de la Alta Cuenca del Río Bermejo y el Río Grande de Tarija, en el marco del Programa Estratégico de Acción para la Cuenca Binacional del Río Bermejo.

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1.3

FORMULACIÓN DEL ESTUDIO

El presente estudio pretende encuadrar los modelos que definan la variación espacial de los diferentes procesos de erosión en zonas de montaña, considerando como base la morfología del paisaje. Se considerará el paisaje afectado por fenómenos de erosión que serán analizados a distintos niveles (regional/cuenca y local/subcuenca), estudiando la validez de la extrapolación horizontal y la transferencia de metodologías/información a través de escalas. El estudio tiene como primera etapa la definición de las unidades de paisaje. La idea de paisaje conceptualiza “entidades de espacio” que sintetizan características de las unidades territoriales; estas entidades permiten compatibilizar estudios integrados de sistemas naturales y culturales. Tomando como base estos conceptos, una zonificación explica la dinámica paisajística a través de un proceso de delimitación y evaluación integrada del comportamiento y naturaleza de la superficie geomórfica, la vegetación, el suelo y actividades antrópicas, entre otros. Dentro de los estudios que serán analizados en detalle, se citan: Gallopín (1982), Sánchez (1993), ICONA (1982-89), Albadalejo et al. (1988), CORINE (1992), RUNOUT (en Van Westen, 2000). Las unidades de paisaje se definen a nivel de cuenca y se modelan en un Sistemas de Información Geográfico (SIG), generando una base de datos con las cartas temáticas y estableciendo las funciones de relación entre las distintas entidades según un detallado estudio de las mismas. Esto permite tener una visión global de la cuenca como sistema, identificando las características generales de cada unidad en función del grado de estabilidad del territorio. En una etapa sucesiva, se analizan parámetros morfológicos derivados de la topografía digital, con el objetivo de determinar una caracterización del riesgo hidrogeológico en base a umbrales de erosión que delimitan zonas estables, zonas con movimientos de masa y zonas saturadas con erosión superficial. Previamente se realiza el análisis de relaciones simplificadas con el objeto de determinar la intensidad de erosión y/o inicio del transporte de sedimento por procesos incisivo en función de dichos parámetros morfológicos. Los estudios de base utilizados en esta etapa son: Dietrich et al. (1992), Dietrich y Dunne (1993) y Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Como estudio específico se plantea a continuación la evaluación de la fuente de sedimentos. Dicho proceso es el resultado de una serie de fenómenos complejos en el territorio, los cuales están íntimamente asociados a las características geo-litológicas, morfológicas e hidrológicas locales. Además tales fenómenos pueden resultar fuertemente influenciados por el uso del suelo y por la intervención antrópica en la cuenca, aspectos que son analizados detalladamente en la definición de las unidades del paisaje. La producción de sedimento en cuencas de montaña se puede evaluar teniendo en cuenta dos tipos de fenómenos con características diversas: la erosión superficial generalizada del suelo y los movimientos de masa localizados. Estos dos fenómenos son analizados con metodologías diversas, posibilitando la evaluación total de la fuente de sedimentos de la cuenca en estudio. Como información de partida se dispone de la determinación de las unidades de paisaje y del análisis de los parámetros morfológicos que definen en una primera etapa la zonificación en base a la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos.

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Seguidamente se analiza cada zona en detalle con una metodología específica para aquel fenómeno predominante; esto significa por ejemplo, utilizar fórmulas empíricas para la determinación de erosión por escurrimiento superficial o definir grados de estabilidad de pendiente para la zonificación de movimientos de masa. En el caso del fenómeno de producción de sedimento por erosión superficial, el mismo es generado principalmente por el impacto de las gotas de lluvia en el suelo y el escurrimiento laminar sobre la superficie de la cuenca; por lo tanto depende principalmente del régimen de lluvias, la topografía, el tipo de suelo y la cobertura vegetal. Para zonas de montaña, la línea de investigación se desarrolla considerando modelos semi-empíricos que relacionan estos factores mediante funciones simples, o teniendo como base modelos hidrológicos a parámetros distribuidos. Este fenómeno será estudiado a nivel regional-cuenca, utilizando la misma escala de análisis e interrelacionándose estrechamente con la definición de las unidades del paisaje. También se determinará la erosión superficial en base a parámetros morfológicos tales como pendiente y área de aporte. Algunos estudios de base para el desarrollo de esta etapa del proyecto que se analizan en detalle son: Gavrilovic (1959, 1988), Lane y Nearing (1989), Dietrich et al. (1992), Peviani et al. (1994), Bemporad et al. (1996) y Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). La producción de sedimento por movimiento de masa está relacionada con la inestabilidad hidrogeológica. La presencia de distintos tipos de movimiento de masa en el territorio (deslizamientos, coladas, erosión encauzada, etc.) constituye una importante fuente de entrada de sedimentos en la red fluvial. Los modelos digitales del terreno permiten analizar cuantitativamente el paisaje, dando además la oportunidad de observar la relación entre procesos de transporte de sedimentos y formas del paisaje. Dentro de este marco de estudio se analizan los modelos de estabilidad de pendientes que tienen en cuenta la topografía en combinación con predicción de áreas saturadas. En esta etapa del proyecto se estimarán los movimientos de masa a nivel local-subcuenca, tomando como marco la definición de unidades del paisaje, con la cual también se interrelacionan. Algunos de los estudios de interés para el desarrollo de esta tesis, que se analizan en detalle son: Dietrich et al. (1992), Montgomery y Dietrich (1989, 1994, 1995) y Wu y Sidle (1995). Como estudio marco, se trata la extrapolación de las metodologías para definir la zonificación en base a la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos, tanto a nivel de la misma escala de análisis (extrapolación horizontal) como a distintas escalas ascendentes (extrapolación vertical o generalizada). Esta parte de la tesis sigue el lineamiento de investigación actual en hidrología, que trata las teorías de transformación de escalas, como una necesidad más que una herramienta puramente científica. En la primera etapa se realiza la extrapolación horizontal a nivel local/subcuenca, para luego pasar al estudio regional/cuenca con la transferencia de metodología/información a escalas de menor detalle. Algunos trabajos de interés en esta parte de la tesis que se analizan en detalle son: Blöschl y Sivapalam (1995), Band y Moore (1995), Sivapalan y Kalma (1995), Matteucci y Buzai (1998), Bergström y Graham (1998), Becker y Broun (1999). En el Esquema 1.1 se representan los módulos de análisis y su interrelación.

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Esquema 1.1: Módulos de Análisis y su Interrelación

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Nivel Regional / Cuenca información básica general

Nivel Local / Sub-cuenca información básica de detalle

Definición de Unidades del Paisaje Análisis de Parámetros Morfológicos

Estudio de la Fuente de los Sedimentos: por Erosión Superficial y Movimientos de Masa

1.4

ESTRUCTURA DEL INFORME DE TESIS

El presente informe de tesis inicia con este Capítulo 1 que hace referencia a los fundamentos del estudio, los objetivos, aspectos innovadores y alcances de la tesis y la formulación de la misma. De este modo, se da el marco de base al trabajo que es posteriormente desarrollado. En el Capítulo 2 se sintetiza la recopilación de antecedentes y se determina el estado del conocimiento de los cuatro temas básicos de la problemática en estudio que son: unidades de paisaje en el marco de estudios de procesos de erosión, evolución del paisaje y parámetros morfológicos, métodos y modelos para la estimación de erosión hídrica y análisis de cambio de escalas en modelación hidrológica. Se seleccionan las metodologías de mayor interés y se presenta un análisis de las mismas en el Capítulo 3. En el Capítulo 4 se presenta la formulación metodológica desarrollada para la determinación del Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas, definida como PECuME. Una variada gama de modelos (analizados, modificados o desarrollados) se integran en una propuesta original que contempla niveles espaciales y categorías de análisis. La primera etapa se realiza a nivel local/subcuenca donde se utilizan modelos para determinar las unidades de paisaje erosivo, definir los parámetros morfológicos asociados a la modelación con relaciones simplificadas y a la utilización de umbrales de erosión, para finalmente estimar las fuentes de sedimentos, por erosión superficial y movimientos de masa. Como segunda etapa del análisis se realiza la extrapolación de metodologías a nivel regional/cuenca. Se elaboran reglas para intercambiar información entre escalas dispares, teniendo el marco del análisis la verificación del ajuste tanto a nivel local como regional. En el Capítulo 5 se aplica la formulación original PECuME, realizando la prueba de concepto a nivel local en la Cuenca del Río Iruya de 3.002 km2 y a nivel regional en la

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Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo de 34.944 km2. En este capítulo se presentan en detalle los resultados cuantitativos de aplicar la metodología desarrollada. Las conclusiones globales se presentan en el Capítulo 6 e incluyen el resumen de la estructura de la tesis, la propuesta metodológica y la aplicación como prueba de concepto. Se agregan conclusiones, recomendaciones y una propuesta de trabajos futuros. Las referencias bibliográficas son incluidas en el Capítulo 7. En los anexos se adjunta una descripción de la tipología y desarrollo de los movimientos de masa (Anexo I), una síntesis de métodos de cálculo de estabilidad de taludes y parámetros básicos de caracterización de suelos (Anexo II), un análisis del escurrimiento superficial en laderas (Anexo III) y una copia de los artículos publicados (Anexo IV).

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2.

CONCEPTOS BASE Y ESTADO DEL CONOCIMIENTO

En este Capítulo se sintetiza la recopilación de antecedentes y la determinación del estado del conocimiento en los cuatro temas básicos que tienen relación a la problemática de esta tesis. Los mismos son: unidades de paisaje en el marco de estudios de procesos de erosión, evolución del paisaje y parámetros morfológicos, métodos y modelos para la estimación de erosión hídrica y análisis de cambio de escalas en modelación hidrológica. Cada uno de estos temas es analizados respectivamente en los Capítulos 2.1, 2.2, 2.3 y 2.4 para luego integrarlos conceptualmente en el Capítulo 2.5 de síntesis. 2.1

UNIDADES DE PAISAJE EN EL MARCO DE LOS ESTUDIOS DE PROCESOS DE EROSIÓN

Los procesos de erosión en cuenca de montaña se analizan siguiendo dos ámbitos de investigación complementarios que consideran: • •

La red fluvial como evolución de ríos torrenciales Las unidades del paisaje como evolución de laderas

La hidráulica en torrentes y el análisis de la evolución hidro-sedimentológica de la cauces montañosos constituye una línea de investigación muy importante que contempla en detalle el transporte y evolución de la red fluvial. Existen innumerables ramas de estudios que consideran el transporte de sedimentos en ríos torrenciales (ej. Thorne et al, 1987), análisis de coladas de derrubios – debris flow- (ej. Takahashi, 1991), análisis de flujos hiperconcentrados (ej. Wan y Wang, 1994), entre otros. La segunda línea de investigación, que es aquella considerada en la presente tesis, esta dirigida a las unidades de paisaje como marco de análisis de los procesos de erosión, analizando la evolución de laderas e integrando características del territorio. La identificación de los límites de las unidades del paisaje está referida a las variables que se pretende reflejen homogeneidad, y el objetivo principal es organizar los factores relevantes según esquemas coherentes de igualdad. Tomando como base estos principios, la zonificación debe explicar la dinámica paisajística a través de un proceso de delimitación y evaluación integrada del comportamiento y naturaleza de la superficie geomórfica, la vegetación, el suelo y actividades antrópicas, entre otros factores. Los antecedentes recopilados han permitido definir dos líneas de estudios de interés para este capítulo: la primera está dirigida a la integración del paisaje en el ordenamiento del territorio (desde el punto de vista ecologista-ambientalista) y la segunda relacionada directamente con los métodos cualitativos utilizados para el mapeo de riesgos de erosión del suelo. A continuación se presentan el detalle de las mismas. Paisaje y Zonificación con miras al Ordenamiento del Territorio La palabra “paisaje” es polisémica, de uso muy amplio en el habla común, mediando casi siempre la subjetividad en la definición de sus contenidos sustantivos; cuando se trata sobre ella es necesario, más aun que en otras ramas de la ciencia y la técnica, precisar la acepción empleada (Bartolomé Marcos y García Amor, 1997). Se entiende “paisaje” a la “percepción multisensorial de un sistema de relaciones ecológicas”

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(Gonzáles Bernaldez, 1981) o matizando más, de un “geosistema”, tal como lo definió V. Sochava (Rougerie y Beroutchachvili, 1991). Ésta es la definición propia de los estudios integrados del medio ambiente, en los que los componentes físicos del geosistema (las clásicas flora y fauna, con las modificaciones/aportaciones antrópicas), son analizados por distintos especialistas, antes de su integración, junto con los especialistas en percepción, en unidades ambientales sintéticas. La amplia gama de aspectos que abarca el paisaje ha llevado a una multiplicidad en los enfoques de estudio, muchos de ellos complementarios, estando aún pendiente el problema de conseguir un cuerpo de conocimiento y unas metodologías prácticas consistentes. Se puede resumir que por paisaje se entiende a la naturaleza, territorio, área geográfica, medio ambiente, sistema de sistemas, recurso natural, hábitat, escenario, ambiente cotidiano, entorno de un punto, pero ante todo y en todos los casos el paisaje es manifestación externa, imagen, indicador o clave de los procesos que tienen lugar en el territorio, ya correspondan al ámbito natural o al humano. Y como fuente de información, el paisaje se hace objeto de interpretación: el hombre establece su relación con el paisaje como receptor de información y lo analiza científicamente o lo experimenta emocionalmente. A lo largo de los últimos veinte años, los estudios de paisaje han ido tomando forma para dar respuestas a problemas prácticos de gestión del territorio. Las necesidades varían desde la valoración del paisaje como recurso para la conservación y protección de áreas naturales, en el que el paisaje actúa como claro protagonista, hasta otras en las que es necesario considerarlo en combinación con otros factores del medio para planificar los usos de un territorio o el diseño adecuado de las actividades, o incluso para restaurar zonas alteradas. Los primeros conceptos de determinación de áreas homogéneas definidas usando los enfoques paisajísticos fueron presentados por Mabbutt (1968) y Christian (1957). Estos conceptos fueron utilizados por Gallopín (1982) para desarrollar una metodología de regionalización ambiental. En el mismo período, Tricart (1982) investiga también sobre el ordenamiento del medio natural. Por su parte, Gallopín (1982) define el término “región” como unidad espacial o área determinada en base a la existencia de características relativamente comunes entre los puntos que se encuentren en el interior de los límites establecidos para identificarla. De acuerdo a este concepto, resulta obvio que no existe una única y “objetiva” regionalización para un territorio, sino diferentes regionalizaciones posibles en función de la elección de las “características relativas comunes” de interés para un propósito u objetivo determinado. Sánchez (1991, 1993) expresa que la idea de paisaje conforma conceptos de entidades espaciales, que además de sintetizar características de un ámbito territorial específico, permiten definir contornos por métodos de teledetección, en niveles de percepción compatible con estudios integrados y transdisciplinados que exigen los sistemas ecológicos para su comprensión y aprovechamiento. Por su parte, en Matteucci y Buzai (1998) se define el paisaje como el conjunto de formas de la tierra en una región. La estructura del paisaje o de la región resulta de interacciones complejas entre fuerzas físicas, bióticas y sociales y, a su vez, el patrón del paisaje influye en los procesos ecológicos y sociales.

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En todos los casos cuando se habla de zonificación del territorio, se refiere a un concepto geográfico de regionalización que significa desagregar el espacio en zonas o áreas que delimitan algún rasgo específico o con cierta homogeneidad interna. En ese sentido, el ordenamiento requiere establecer un marco de referencia espacial que oriente la delimitación de un área a efectos de un determinado análisis. Existen numerosas líneas de investigación referida a la conceptualización de los recursos naturales con el objeto de una planificación del desarrollo de cuenca y el ordenamiento ambiental, tales como las citadas en Echechuri et al. (1978), Morello (1982), Gallopín (1973, 1981, 1982), Gazia et al.(1982), Sánchez (1989, 1991, 1993) y Olson y Dinerstein (1994). Nuevas publicaciones muestran la aplicación de la geometría fractal a estudios del medio ambiente y las geociencias. Burrough (1981) fue el primero en introducir la utilización de la geometría fractal en el análisis de indicadores ambientales y geomorfológicos. Christofoletti y Christofoletti (1995) hacen una revisión de las aplicaciones importantes de los fractales a las geociencias. Buzai et al. (1998) señalan que la dimensión fractal representa una herramienta para comparar patrones en la estructura del paisaje en forma cronológica, es decir, como metodologías de diferenciación espacial, con lo cual se pueden caracterizar objetos y establecer taxonomías utilizando este parámetro como indicador geométrico de mayor aproximación a las formas y los patrones de distribución de la realidad. Esta aplicación, analizada por Christofoletti (1998) desde un punto de vista científico y por Buzai et al. (1998) desde el punto de vista de la cultura y la sociedad, encuentra en los fractales una nueva aproximación de interesante validez. Zonificación del Territorio para determinar Riesgo de Erosión basado en Cartografía Temática. La elaboración de mapas de riesgo de erosión, según la bibliografía consultada que interesa al presente estudio, tiene como objetivo principal evaluar cualitativamente la pérdida de suelo por erosión hídrica superficial de un área. Se destaca la cartografía de unidades homogéneas en función de los parámetros principales que controlan el proceso erosivo. La metodología propuesta por el ICONA (1982-1989) en su monografía 26 “ Paisajes erosivos en el sudeste Español” para la definición de estados erosivos utiliza un método de integración no lineal de los factores considerados. La metodología propuesta por Albaladejo et al. (1988) se basa en generar cartografía del riesgo de erosión en base a la definición de unidades homogéneas. Una vez definidas las unidades de erosión, propone la estimación del grado de erosión actual mediante la utilización de modelos paramétricos. El proyecto “Riesgo de Erosión de Suelos y Evaluación de Tierras” (Soil erosion risk and important land resources) CORINE (1992), crea un sistema de información sobre el estado del medio y de los recursos naturales de los estados de la Unión Europea. Dentro de este programa, los objetivos del proyecto de riesgos de erosión y evaluación de tierras son los siguientes: a) recopilación de información referente a calidad de suelo y riesgos de erosión en los países del Sur de la Unión Europea, b) integración de esos datos en un sistema de información que permita evaluar y cartografiar la calidad de los terrazgos y de los riesgos de erosión a una escala útil para las decisiones de política ambiental, y c) el desarrollo de un método de evaluación de tierras y de evaluación de los riesgos de Capítulo 2 - Pág. 3

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erosión del suelo, que teniendo en cuenta la potencialidad de los sistemas de información geográfica, sirva de base para futuras investigaciones. Por otra parte, en la publicación del “Institute for Aerospace Survey and Earth Science” ITC Journal 2000 (van Westen, 2000), se presentan resultados del proyecto RUNOUT que trata la evaluación del riesgo de deslizamientos de grandes volúmenes y el diseño y ajuste de nuevas técnicas para la estimación y mitigación de este tipo de fenómenos. Este proyecto fue financiado por la Comisión Europa, dentro del Programa “FP4 Environment and Climate Programme, Natural Risks”. El objetivo del proyecto fue: 1) desarrollar modelos físicos para el fenómeno de grandes deslizamientos, 2) desarrollar un sistema de información geográfico dedicado al estudio de riesgo a deslizamientos, 3) desarrollar estrategias de diseño para optimizar redes de monitoreo y 4) desarrollar demostraciones de estudio de casos que sirvan de ejemplo para otras áreas de alto riesgo de deslizamiento. En la mencionada publicación se presentan los avances del trabajo, con interesantes aportes para el presente estudio. 2.2

EVOLUCION DEL PAISAJE Y PARAMETROS MORFOLÓGICOS

La evolución del paisaje fluvial está controlada por la densidad y estructura de la red de drenaje, que mueve tanto el agua como el sedimento a través del territorio (Dietrich y Dunne, 1993). Los ciclos de erosión y depósito que ocurren en las cuencas hídricas están relacionados directamente con la ubicación de la iniciación de los cauces, que forman parte del acoplamiento de los sistemas ladera-red de drenaje. La ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento es una importante característica morfológica del paisaje ya que está relacionada con la relativa magnitud del aporte de sedimentos y la erosión potencial debida al escurrimiento. Las fluctuaciones del clima y uso de suelo podrán cambiar significativamente la ubicación de la iniciación de los cauces y afectar las tasas de escurrimiento, erodibilidad superficial y aporte de sedimentos. La relación entre la ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento y la evolución morfológica fue reconocida por Horton en 1945, quien fue el pionero en este tipo de análisis. Algunos trabajos en esta línea de investigación desarrollados durante las ultimas décadas son: Schafer (1979), Montgomery y Dietrich (1989), Montgomery (1991), Dietrich y Dunne (1993), Rigon et al. (1993) , Howard (1994) y RodríguezIturbe y Rinaldo (1997). Básicamente, la evolución de la morfología del paisaje se puede considerar según Gilbert (1909) y Howard (1994) como iniciando en las zonas altas donde predominan procesos dispersivos (o difusivos/divergentes) hacia las zonas bajas, con perfiles cóncavos (o incisivos/convergentes) donde predominan procesos concentrados. El trabajo presentado por Dietrich y Dunne (1993) expresa que la magra relación entre el área de drenaje y la pendiente local parece dar una inmediata aproximación del proceso de la formación de cauces, principalmente en paisajes áridos. Este concepto es desarrollado con mayor detalle en estudios tales como Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Esto da lugar al análisis de relaciones simplificadas tratando de determinar la intensidad de erosión y/o el inicio del transporte de sedimento por procesos incisivos en función de parámetros morfológicos. Los avances recientes han sido presentados por:

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Dietrich y Dunne (1993), Montgomery y Dietrich (1989, 1992, 1994), Howard (1994) y Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Montgomery y Dietrich (1994) consideran la iniciación del encauzamiento debida a escurrimiento superficial hortoniano, generada bajo régimen laminar o turbulento (Dunne y Dietrich, 1980a-b; Ried, 1989; Slattery y Bryan, 1992). Siguiendo una línea de análisis del fenómeno erosivo con más detalle, Dietrich et al. (1992) propusieron una técnica gráfica para caracterizar el paisaje utilizando modelos digitales del terreno y aplicando teorías de procesos de transporte de sedimentos y formas del paisaje (ej. Moore et al., 1988; Vertessey et al., 1990; Tarboton et al., 1991). Esta metodología se basa en tres ecuaciones simples que predicen umbrales de saturación del suelo, inestabilidad de la pendiente y erosión por escurrimiento superficial en suelo saturado. Estos principios son la base de una línea de investigación dirigida a la zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que tienen en cuenta parámetros morfológicos tales como área de aporte y pendiente local. En base a los umbrales de erosión se pueden definir zonas con movimientos de masa, erosión superficial y áreas estables, caracterizando los diferentes grados de susceptibilidad a distintos tipos de erosión. Los principios de análisis de parámetros morfológicos para la determinación del grado de susceptibilidad a la erosión, deben ser usados para agregar mayor detalle a la definición de unidades del paisaje y como análisis previo del estudio de detalle de las fuentes de los sedimentos. 2.3

EROSION HÍDRICA: ESTIMACIÓN

MÉTODOS

Y

MODELOS

PARA

SU

La mayoría de los modelos establecidos para el estudio de la erosión hídrica están basados en la definición de los factores más importantes que regulan los mecanismos de la erosión y mediante el uso de observaciones, medidas, experimentos y técnicas de análisis estadístico que permitan establecer relaciones significativas entre estos factores y las pérdidas de suelo. El análisis puede limitarse simplemente a la correlación de entradas-salidas del sistema (modelos de caja negra); puede identificar alguna de las relaciones causa-efecto dentro del sistema (modelos de caja gris); establecer ecuaciones simplificadas de todos los procesos que intervienen en el fenómeno (modelos conceptuales de caja blanca) o basarse en la resolución de ecuaciones físicas que regulan el fenómeno (modelos físicos de caja blanca). La tecnología moderna (sensores remotos, sistemas de información geográfico – SIG-, procesamiento de imagen, modelos digitales del terreno, etc.) han permitido la evolución de los modelos hidrológicos clásicos, del tipo de sistemas concentrados, hacia aquellos modelos más complejos con estructura del tipo distribuida. La implementación de información utilizando estas tecnologías en hidrología induce a generar nuevos modelos no solo con una representación física más detallada sino a incorporar variaciones espaciales y temporales. Esto no solo representa un nivel de mayor sofisticación y una mejor precisión en los resultados sino que permite además un mejor uso de esta herramienta en el campo del manejo de los recursos hídricos. La validez de esta mejora se da no solo en el manejo del recurso a nivel regional sino que

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también se contempla el manejo a nivel continental o global del recurso hídrico, acoplando modelos atmosféricos a macroescala. Para esquematizar el conjunto de métodos-modelos desarrollados para el estudio de erosión hídrica se presentan los siguientes módulos de desarrollo: • Modelos hidrológicos • Métodos cuantitativos de estimación de degradación específica • Unión de modelos hidrológicos y modelos de erosión en cuencas hidrográficas. Modelos Hidrológicos La hidrología estudia los fenómenos naturales complejos que componen el ciclo hidrológico. Mediante los modelos matemáticos se integra el conocimiento dentro de un marco lógico de reglas y relaciones; los mismos representan un método para formalizarlo en base al comportamiento del sistema (Moore y Gallant, 1991). Según Tucci (1998) el modelo es la representación de algún objeto o sistema, en un lenguaje o forma de fácil acceso y uso, con el objetivo de entenderlo y poder generar sus respuesta para diferentes entradas. Un modelo hidrológico es una de las herramientas que la ciencia desarrolló para entender mejor y representar el comportamiento de la cuenca hidrográfica y prever condiciones diferentes a las observadas. Dentro de los modelos matemáticos, el método racional presentado por Mulvaney en el año 1851 para estimar el máximo de una crecida, es una de las primeras relaciones lluvia-caudal que se plantearon. Desde 1966, con la presentación del Modelo de Stanford de Crawford y Linsley, muchos modelos fueron desarrollados, partiendo de los más simples modelos lineales a parámetros concentrados hasta los más complejos modelos no lineales con parámetros distribuidos. Los modelos son de diferentes tipos y fueron desarrollados para distintos propósitos. Los modelos de cuenca pueden ser clasificados de acuerdo a diferentes criterios: 1) en base a la descripción del proceso, 2) en base a la escala y 3) a la técnica de resolución (Singh, 1995): . 1) según la descripción del proceso P RO CE SO

Concentrado

Determininístico

.

Distribuido

Estocástico

Características de la Modelación Propuesta en la presente Tesis Capítulo 2 - Pág. 6

Mixto

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2) según la escala de espacio y tiempo ESCALA

Espacio

Tiempo

Distribuido

Cuencas Pequeñas

Por Evento

Cuencas Medianas

Continuo

Larga Escala

Cuencas Extensas

3) según las técnicas de resolución MÉTODO DE RESOLUCIÓN

Numérico

Analógico

Analítico

A esta clasificación, se puede agregar un criterio de agrupamiento en base al desarrollo de la relación causal que genera el proceso físico: DEFINICIÓN DE LA RELACIÓN CAUSAL

Caja Negra

Caja Blanca

Caja Gris

Tomando como base la primera clasificación, los modelos lluvia-caudal pueden ser presentados del siguiente modo: • Modelos distribuidos basados físicamente: este tipo de modelos consideran las ecuaciones de conservación de masa, energía y movimiento, para describir el movimiento del agua en superficie y en el subsuelo (zona saturada y no saturada), usando técnicas de discretización numérica tal como el método de las diferencias finitas o de elementos finitos. El cálculo se realiza para cada celda de la grilla que representa la cuenca. Los modelos distribuidos se pueden discretizar basándose en la definición de una grilla regular donde se realiza el cálculo distribuido o teniendo como base las líneas de escurrimiento y las curvas de nivel. Dentro del primer grupo se pueden citar los siguientes modelos distribuidos: SHE (Abbott et al., 1986a-b), IHDM (Beven et al., 1979), ANSWERS (Beasley et al. 1980), a-b FLORA (Burlano et al. 1994),THALES (Grayson et al. 1992 ), DBSIM (Garrote y a-b Bras 1995 ). Dentro del segundo grupo, un modelo hidrológico simple utilizado para predicción de zonas saturadas y generación de escurrimiento es TOPOG, presentado por

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O’Loughlin (1986). TOPOG es esencialmente el mismo modelo TOPMODEL presentado por Beven y Kirkby (1979). El trabajo presentado por O’Loughlin (1986) se basa en modelos topográficos, donde las líneas de flujo se obtienen a partir de tubos de escurrimiento perpendiculares a las curvas de nivel. Moore et al. (1988) presentaron el modelo hidrológico TAPES-C que utiliza este análisis topográfico. Siguiendo esta línea de investigación, en 1992, Grayson, Moore y McMahot presentaron el modelo THALES que es un modelo hidrológico distribuido simple. • Modelos a parámetros concentrados (lumped): estos modelos son de naturaleza cuasi-física. Son modelos simplificados que trabajan con valores integrados espacialmente. Como ejemplo se pueden citar el módulo hidrológico del MIKE11 (del Danish Hydraulic Institute), HEC1/HEC-HMS (del Cuerpo de Ingeniero de los Estados Unidos), el módulo RUNOFF de SWMM, etc. Los modelos distribuidos han sido ampliamente desarrollados durante los últimos decenios ya que se basan en la estructura teórica de cada uno de los componentes del ciclo hidrológico, donde cada parámetro tiene su respectiva interpretación física. Estos modelos presentan significativas ventajas en su propia estructura teórica, comparado a otros tipos de modelos (conceptuales y caja negra) ya que los parámetros tienen una interpretación física con valores que podrían ser determinados en campañas o en laboratorio. Las acciones antrópica, tal como la deforestación o la irrigación, pueden ser representadas a través del cambio de los parámetros de la cuenca. Estos modelos permiten la variación espacial de los parámetros para cada celda de la malla que representa la cuenca. Actualmente diversas discusiones se refieren a la aplicabilidad práctica de este tipo de modelos y se cuestiona el “buen ajuste” de los parámetros. Los resultados dependen fuertemente de la evaluación de los parámetros del modelo, los cuales han sido definidos pobremente, especialmente por la falta de datos en la escala necesaria. La calibración y verificación de la validez del modelo es un punto clave del análisis. Por otro lado, la problemática de la aplicación de modelación distribuida está orientada a definir la escala de representación espacial y temporal de los fenómenos hidrológicos de interés, en base a los datos existentes y/o posibles de recopilar. La serie de importantes limitaciones de este tipo de modelos puede ser sintetizada del siguiente modo: • • • •

la representación de la heterogeneidad topográfica y climática la variación entre la escala espacio-tiempo de las observaciones y la utilizada en el modelo la definición de la escala de análisis y validez de resultados con distintas precisión el elevado número de parámetros, no siempre de preciso significado físico, los cuales deben ser determinados mediante la calibración

Se debe destacar que se ha llegado a un punto donde, para determinados propósitos, la información que se requiere para los modelos es mayor a aquella que se puede obtener de la descripción de los procesos o de los datos disponibles. En este caso, es necesario llevar a cabo una política de recopilación de información paralela al desarrollo modelístico, con el objeto de entender la aplicabilidad de las técnicas en un modo realista.

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Según este marco de análisis, el presente trabajo de tesis trabajará con modelación de un proceso distribuido, mixto, con una escala de tiempo larga y de espacio distribuida en cuencas medianas y extensas, con resolución numérica y definición causal como caja gris. Un ítem de significativo interés propuesto es la transferencia de metodologías a través de las escalas, que se realiza como modelo ascendente desde una cuenca mediana a una cuenca grande, definiendo la validez de la extrapolación a distintos niveles de precisión Métodos Cuantitativos para la Estimación de Degradación Específica Existe extensa bibliografía relacionada a la estimación cuantitativa de erosión hídrica por escurrimiento superficial. Actualizando el trabajo de Fernández (1998) sobre “Evaluación de metodologías para la estimación de erosión hídrica superficial en cuencas hídricas de la República Argentina” se puede resumir lo siguiente: • Métodos Estadísticos: métodos que se basan en determinar una relación entre mediciones de degradación específica y parámetros del clima y del relieve. Dentro de este grupo se pueden citar los métodos: de Fournier (1960,1962), de Djorovic y Gavrilovic (1974), de Jansen y Painter (1974), de Dendy y Bolton (1976), de Ciccacci et al. (1987), de Das y Agarwal (1990) y Almorox (1993). • Métodos Paramétricos: la formulación empírica pretende interpretar los mecanismos erosivos por sus causas y efectos. Estos métodos se empezaron a desarrollar a principios de siglo cuando se determinó la importancia del impacto de las gotas de lluvia en el proceso de erosión. Zingg (1940) desarrolló relaciones entre la pérdida de suelo y la pendiente. En 1954 la investigación para predicción de suelos se intensificó, recopilando datos de 8000 parcelas en 36 localidades de 21 estados de EEUU. De este modo se formuló la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo, conocida como “USLE” (Wishmeier y Smith, 1965; Meyer y Wischmeier, 1969; Foster y Wishmeier, 1974; Foster y Meyer, 1975). De manera concomitante Hudson (1961) presentó también una ecuación de erosión basada en una investigación en la porción subtropical de África. La USLE fue extendida para estudios de cuencas hidrográficas como la Ecuación Universal Modificada de Perdida de Suelo “MUSLE” (Williams, 1975; Foster y Meyer, 1975). Se extendió también como Ecuación Universal Revisada de Pérdida de suelo “RUSLE” que supera algunas limitaciones de la ecuación USLE, considerando nuevos valores del término de erosividad lluvia-escorrentia, del término de susceptibilidad del suelo entre otras (Renard et al., 1991). Las ecuaciones USLE, MUSLE y RUSLE fueron diseñadas para estimar producción de sedimentos en pendientes no complejas. Se puede afirmar que la formulación de las ecuaciones paramétricas de predicción ha sido por necesidad de carácter evolutivo. A medida que se dispuso de más datos, fue posible estimar un mayor número de condiciones y también aumentó el área de aplicabilidad. Otros métodos encontrados son: de Musgrave (1947), de Onstad y Foster (1975) y de Elwell (1977). Por otra parte, Harris y Boardman (1998) presentan una propuesta interesante de un modelo empírico donde se trata de asociar sistemas expertos y modelos de redes neurales para modelar procesos de erosión.

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A pesar de toda la bibliografía disponible, la aplicación de métodos de pérdida de suelo en cuencas de montaña es escasamente reportada en la literatura actual. En estudios recientes en cuencas italianas (Peviani et al., 1994) se está ampliando la metodología desarrollada por Gavrilovic (1959), posteriormente modifica por Zemljic (1971). Este método paramétrico fue desarrollado en una cuenca ondulada de la ex-Yugoslavia. Unión de Modelos Hidrológicos y Modelos de Erosión Hídrica y de Estabilidad de Pendiente Actualmente se están desarrollando principalmente uniones de modelos hidrológicos y modelos de erosión a nivel de parcela (o sub-cuencas homogéneas) y a nivel de cuenca. Los modelos a nivel de cuenca generalmente contienen el modelo a nivel de parcela (o sub-cuenca) como sub-módulo. Según la declaratoria del estado del arte en modelos hidrológicos presentada por Refsgaard y Abbott (1996), el nivel de aplicación en el tema de erosión del suelo puede caracterizarse del siguiente modo: 1) son necesarios avances de bases científicas y confirmación de las mismas para su aplicación, 2) se han detectados pocos casos de validaciones, necesitando implementar la aplicación en proyectos con esquemas pilotos, 3) no se han detectado aplicaciones que sean operativas y 4) el mayor problema para la aplicación de modelos es la falta de bases científicas adecuadas. Este trabajo indica claramente que el desarrollo de modelos hidrológicos con el objeto de resolver erosión de suelo es un tema netamente en evolución, dando la visión de interés del presente trabajo de tesis. Con la determinación del Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña que se define en esta tesis se realiza un aporte al conocimiento científico en varios de los líneas de desarrollo identificados por Refsgaard y Abbott (1996), en especial en lo referido a la validación de metodologías e implementación de proyectos con esquemas pilotos; este trabajo de tesis no solamente presenta una metodología para la determinación de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos a nivel local, sino que desarrolla la modelación con extrapolación espacial ascendente a nivel regional, con la aplicación a nivel nacional. De la recopilación de información sobre modelos desarrollados para la estimación de la erosión hídrica se pueden definir desde el punto de vista del proceso modelado asociado a la erosión: •

Modelos que consideran la erosión superficial y en surcos, en algunos casos, tales como: WEPP - Water Erosion Prediction Project (Foster y Lane, 1987; Nearing et al., 1990; Flanagan y Nearing, 1995; Soto y Diaz Fierros, 1998; Brazier et al., 2001), EUROSEM - European Soil Erosion Model (Morgan et al., 1998; Folly et al., 1999), Familia de modelos MEDALUS: MEDBRUSH and CSEP. (Kirkby, 1998; Kirkby y Mc.Mahon, 1999), EPIC - Environmental Policy Integrated Climate - antes conocido como Erosion Productivity Impact Calculator (Williams, 1995), AGNPS Agricultural Nonpoint Source Pollution Model (Young et al., 1987, 1995; Theurer et al., 1999), TAPES-G/EROS (Galland y Wilson, 1996; Wilson y Gallant, 1996), LISEM - Limburg Soil Erosion Model ( De Roo et al., 1996, 1998; De Roo y Jetten, 1999), ANSWERS soil erosion model (De Roo et al., 1994), GAMES (Rudra et al., 1986), SHE-SHESED (Bathurst et al., 1995; Luckey et al., 2000), GUEST - Griffith University Erosion System Template (Rose et al., 1998; Misra y Rose, 1990),

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SWRRB - Simulator for Water Resources in Rural Basins (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1995) •

Modelos que consideran los movimientos de masa, analizando la estabilidad de pendientes: SHALSTAB (Montgomery y Dietrich 1989, 1994, 1995) y Modelo presentado por Wu y Sidle (1995).

Existen diversas controversias que se crean respecto a la filosofía y utilidad de la modelación distribuida (Beasley et al., 1980; Grayson et al., 1992b), ya mencionadas en el desarrollo del tema modelos hidrológicos al principio de esta sección, pero se debe destacar que a pesar de todos estos comentarios, los modelos hidrológicos distribuidos continúan siendo una herramienta potencial para la integración de la heterogeneidad de los parámetros en ambiente de los Sistemas de Información Geográfico (SIG). Con respecto al uso de la tecnología SIG, en la última década ha ganado definitivo prestigio como aplicación computacional para el manejo de la información espacial. En conexión con la modelación hidrológica, Moore et al. (1992) describen detalladamente la integración espacial de la información del paisaje respecto a las distintas disciplinas, la modelación, la conexión entre la tecnología SIG y los datos; se destaca que la habilidad y los recursos necesarios para construir y manejar eficientemente los modelos de sistemas ambientales trascienden de las disciplinas individuales. La revisión de la capacidad de los SIG y su habilidad para la modelación del sistema cuenca, sugiere que es necesario mejorar la funcionalidad de los mismos. Buzai (1998) expresa que la aplicación SIG a estudios del medio ambiente y de las geociencias se ha convertido en un vehículo de importancia para la toma de decisiones en diferentes niveles de gestión por ser considerado el núcleo fundamental de la integración geoinformática. Sin embargo, la utilización del SIG no puede ser conceptualizada únicamente a partir de cuestiones tecnológicas, por lo cual, los múltiples factores que intervienen en su correcto uso, lo tornan en una tecnología de aplicación de gran complejidad. Con respecto a estudios de erosión superficial, la modelación con una aproximación distribuida permite incluir la heterogeneidad espacial del uso del suelo, de las propiedades de la topografía así como de la interacción de la producción y transporte de los sedimentos. Sin embargo la validación de tales modelos está comúnmente limitada con la comparación con las mediciones a la salida de la cuenca. El uso de 137Cs (metal Cesio 137) para cuantificar la distribución del sedimento dentro de la cuenca es una de las técnicas utilizadas tanto sea para validar los modelos existentes como para desarrollar y calibrar nuevas estrategias de modelación. En esta dirección se pueden citar los trabajos realizados por De Roo et al. (1994) y Walling y He (1998). La “Global Change and Terrestrial Ecosystems Soil Erosion Network” está evaluando las propiedades de algunos de los modelos de erosión de suelo existentes siguiendo la presente secuencia (Boardman y Favis-Mortlock, 1998): • modelos de erosion hídrica a escala de parcela (o sub-cuenca), • modelos de erosión hídrica a escala de cuenca, • modelos de erosión eólica, • modelos a escala de paisaje y grandes áreas.

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La primera etapa de validación de estos modelos se está realizando a escala de parcela (o de subcuenca). Algunas características de interés del estudio, según Boardman y Favis-Mortlock (1998), son las siguientes: 1) el modelo GLEMS, desarrollado por USDA está siendo evaluado con datos propios en el USDA-ARS y con otra serie de datos preparada por la Universidad de Oxford en Inglaterra; 2) el modelo EUROSEN, desarrollado por Silsoe College en Inglatera esta siendo evaluado con datos propios en el Silsoe College de Inglaterra; 3) el modelo GUEST desarrollado por Griffith University de Australia esta siendo evaluado con datos propios en la Universidad de Griffith en Australia; 4) el modelo EPIC desarrollado por la USDA está siendo evaluado con datos propios en el USDA-ARS y con otra serie de datos preparada por la Universidad de Oxford en Inglaterra; 5) los modelos CSEP y MEDRUSH desarrollados por MEDALUS están siendo evaluados con datos propios en la Universidad de Leeds en Inglaterra; 6) el modelo WEEP desarrollado por la USDA está siendo evaluado con datos propios en el USA-ARS y con otra serie de datos preparada en el Laboratorio Nacional “Los Alamos” en USA y en la Universidad de Oxford en Inglaterra. Entre las primeras conclusiones de la validación de estos modelos a nivel parcela (o de subcuenca), surge como esencial que los modelos desarrollados sean validados para cuencas diversas a las que fueron calibrados y además sea estimada la sensibilidad del modelo al cambio, en particular aquellos relacionados con el clima y el uso del suelo, los cuales serán afectados por cambios globales. La presente tesis está dirigida al desarrollo metodológico para realizar una extrapolación ascendente de modelos espaciales de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. Este tema está directamente relacionado con la línea de investigación que se presenta en Boardman y Favis-Mortlock (1998), validando la aplicación de modelos hidrológicos en distintos ambientes y distintas escalas de análisis. 2.4

CAMBIOS DE ESCALAS EN MODELACION DEL PAISAJE

Matteucci y Buzai (1998) definen que, en el ámbito de la ecología del paisaje, el patrón observado depende de la escala de análisis (tamaño de la unidad de muestreo y superficie muestreada). Es importante explicitar la escala tanto de análisis como de representación. Para ello es necesario definir el concepto de escala, sus componentes y los términos asociados. La palabra escala se usa en contextos diversos y frecuentemente se refiere a aspectos diferentes del espacio y del tiempo. Adoptaremos las definiciones de Turner et al. (1989): escala es simplemente la dimensión espacial o temporal de un objeto o proceso, caracterizada por el tamaño del área de estudio (o la duración del período en consideración) y la resolución de los datos (área representada por cada unidad de información que corresponde, por ejemplo, al tamaño del pixel con datos raster). La escala cartográfica es el grado de reducción espacial indicando la longitud usada para representar una longitud real mayor. Se expresa en forma numérica, como la razón entre la distancia que separa dos puntos representados en un mapa y la distancia entre esos dos puntos en la superficie de la tierra. Al cambiarse la escala de análisis, los valores de las variables que la caracterizan cambian gradualmente hasta alcanzar un umbral a partir del cual existe un cambio abrupto de la calidad, propiedad o fenómeno. Transferencia de información a través de escalas – Concepto general

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Existen varias razones que justifican el desarrollo de técnicas de transferencia de la información a través de las escalas. Una de ellas, de carácter puramente práctico, proviene del hecho de que la información disponible se encuentra frecuentemente a niveles de resolución diversos, los datos deben compararse en regiones geográficas amplias y puede ser necesario extrapolar información desde escala local a escala regional o viceversa. La aplicación de los sistemas de información geográfica también requiere frecuentemente la integración de datos obtenidos a diferentes escalas espaciales. En este proceso es importante registrar y mantener el dato en la escala de observación del fenómeno (Allen et al., 1987). La búsqueda se dirige hacia el desarrollo de métodos que preserven la información a través de escalas o que cuantifiquen la pérdida de información al cambiar la escala. Es necesario elaborar reglas para intercambiar información entre escalas dispares, estudiando los problemas a distintos niveles. Variables y procesos que son importantes en una escala, pueden no tener importancia o valor predictivo a otra escala. Las variables que operan a distintas escalas pueden ser las mismas o no, pero la importancia relativa de ellas cambia. Por ejemplo, la pendiente que, sin duda, controla la estabilidad de taludes varía drásticamente dependiendo de la escala de análisis y consecuentemente los resultados/conclusiones obtenidos de una modelación. El poder explicativo de un conjunto de variables puede ser evaluado experimentalmente a diferentes escalas usando técnicas analíticas (ej. regresión) y variando la resolución o el tamaño del área en estudio. Se requieren experimentos multi-escala. Hasta el presente, la manera más aceptada para transferir información entre escalas es a través del desarrollo de modelos, los cuales pueden ser de dos tipos: ascendentes o de generalización (agregación) y los descendentes o de particularización (desagregación). Escalas en Modelación Hidrológica Las cuencas hidrológicas son heterogéneas en términos de variabilidad espacial de las características del terreno y de los parámetros que controlan los procesos físicos y biológicos. Cuando se desea modelar el sistema hidrológico, la escala de análisis dependerá de las perspectivas y la visión científica del modelador. Bersgtröm y Graham (1998) indican que la definición de escalas en modelación hidrológica está relacionada a la formulación específica del problema a resolver, de la aproximación científica utilizadas y de las perspectivas del modelador. La necesidad de generalizar técnicas de transferencia de información/metodologías a través de escalas es un tema de importancia, como una necesidad pragmática más que una curiosidad puramente científica. La razón pragmática es que el entendimiento y predicción de los procesos hidrológicos son necesarios a lo largo de un amplio rango de escalas, cubriendo toda la gama del espacio y del tiempo. Bajo tales rangos, las mediciones son difíciles de realizar debido al ruido y a la no-linealidad de los fenómenos. Por lo tanto es necesario rescatar en esa variación espacial y/o temporal el orden fundamental que manifiesta en sí mismo el fenómeno estudiado a lo largo del rango de escalas, como una propiedad invariable. En las pasadas décadas la evolución de la modelación hidrológica ha avanzado siguiendo dos lineamientos: •

incrementar la complejidad física y la descripción de los procesos modelados y

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•

distribuir espacialmente la representación del fenómeno hidrológico.

Band y Moore (1995) vislumbraron dos problemas relacionados con la aplicación de los modelos hidrológicos distribuidos a escala regional. El primero señala que la escala utilizada para describir (modelar) los procesos físicos con los modelos distribuidos, es del orden de metros (o menos) y la precisión de los datos claves como topografía y suelo necesarias para esta modelación deben ser de detalle. Sin embargo a escala regional, la precisión de los modelos digitales del terreno no tienen demasiada información y los mapas regionales de suelo son generalizados. Como segundo problema se menciona el método de muestreo utilizado para determinar la distribución espacial de las características del terreno, que deberán ser incorporadas en el sistema de información geográfica; evidentemente la precisión de la resolución digital estará condicionada a la información de base disponible que generalmente es insuficiente. Los avances obtenidos en el área de sensores remotos y el desarrollo de sistemas de información geográficos han permitido utilizar estas nuevas tecnologías a los modelos hidrológicos, especialmente en aquellos con parámetros distribuidos (Band et al., 1991; Famiglietti y Wood, 1991, 1994; Moore y Grayson, 1991; Moore et al., 1993; Wigmosta et al., 1994, de Jong et al., 1999; Basso et al., 2000; Allen, 2001). Existe una escala mínima a partir de la cual la variación de la respuesta hidrológica no es significativa; Wood et al. (1990) sugieren que esta escala es el umbral para la modelación. Es así que se introduce el concepto de “Representative Elementary Area REA” como la escala crítica a partir de la cual no es necesario explicitar con mayor detalle los parámetros de topografía, suelo o precipitación; es suficiente representarlos con una caracterización estadística media. En otras palabras, el concepto de REA sugiere la escala a la cual la heterogeneidad de la superficie, y el efecto de ésta en los procesos hidrológicos se estabiliza. Para identificar esta escala se deben utilizar datos apropiados de alta resolución y modelarlos para determinar finalmente este valor umbral. También en hidrología, el concepto de cambio de escalas de análisis comprende la desagregación (descendentes-“downscaling”) o agregación (ascendentes-“upscaling”) en la modelación. En términos de un sistema de información geográfico, significa trabajar con un pixel de tamaño menor (desagregación) o con uno de tamaño mayor (agregación). La discusión se centra en la importancia de la identificación de los procesos de interés y de los parámetros que afectan dicho proceso a diferentes escalas, tendiendo a desarrollar un mecanismo para analizar predicciones utilizando distintos niveles de resolución. El propósito de la desagregación (variables de estado y datos de entrada al modelo) es, dado un valor medio sobre un cierto dominio, derivar un patrón con mayor detalle. Basado en falta de información ante un estudio de detalle, los esquemas de desagregación se basan en aproximaciones estocásticas (ej. Woolhiser y Osborne, 1985; Foufoula-Georgiou y Georgakakos, 1991). En cambio, la agregación de parámetros en la modelación significa pasar de una microescala a una macro; en este caso se predice el funcionamiento de un sistema a una determinada escala a partir del conocimiento adquirido en una escala más pequeña. Las reglas para la agregación dependen básicamente de la heterogeneidad de la distribución de los parámetros. Los métodos utilizados incluyen aproximaciones analíticas (ej.

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Gutjahr et al., 1978), simulación Monte Carlo (ej. Binley et al., 1989) y mediciones (ej. Wu et al., 1982). Los fractales, tanto determinísticos como aleatorios están siendo actualmente muy utilizados en hidrología. Específicamente se debe mencionar el estudio de generación de paisajes y canales de drenaje (llamado red óptima de canales OCN) y el desarrollo de su evolución geomorfológica (Rodríguez-Iturbe y Rinaldo, 1997, Becker y Braun, 1999). Como se observa, la cuestión de escalas en modelación hidrológica no es un nuevo tópico (Dooge, 1982, 1986; Klemeš, 1983, Rodríguez-Iturbe y Gupta, 1983, Gupta et al., 1986; Wood et al., 1988), pero recientemente los problemas de escalas de análisis, variabilidad de sub-grillas y modelación a macroescalas son temas claves para la modelación del ciclo del agua. Las investigaciones actuales tienen en cuenta la conexión de modelos hidrológicos y atmosféricos (Weater et al., 1993; Blöschl y Sivapalan, 1995; Wood, 1995; Dooge 1995; Kite et al., 1995; Becker, 1995), tratando de considerar las variaciones climáticas. Los modelos a escala continental ofrecen una resolución donde se puede superponer las escalas de los modelos de la atmósfera y los modelos hidrológicos. En este marco se encuentran los proyectos “Continental Scale Experiment (CSEs)” llevado a cabo bajo el proyecto marco “Global Energy and Water Cycle Experiment (GEWEX)”, con los programas: GCPI en la Cuenca del Mississippi, el LBA en la Cuenca del Amazonas, el MAGS en la Cuenca Macknzie y el BALTEX en Cuenca del Océano Báltico (Bergström y Graham, 1998). 2.5

SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 2: CONCEPTOS BÁSICOS Y ESTADO DEL CONOCIMIENTO

En este Capítulo, denominado “Conceptos Básicos y Estado del Conocimiento”, se ha sintetizado la recopilación de antecedentes y la determinación del estado del conocimiento en los cuatro temas básicos que tienen relación a la problemática de esta tesis. Los mismos son: unidades de paisaje en el marco de estudios de procesos de erosión, evolución del paisaje y parámetros morfológicos, métodos y modelos para la estimación de erosión hídrica y análisis de cambio de escalas en modelación hidrológica. Estos cuatro temas de naturaleza diversa son combinados con el objeto de desarrollar una metodología global para definir y calificar la fragilidad del medio frente a los procesos de erosión, permitiendo el análisis de la complejidad del sistema natural en zonas de montaña, integrada y atenuada en un paisaje erosivo. Se incluye la definición de un mecanismo de transferencia de metodologías para diferentes escalas. Es fundamental mantener la idea de integración de las distintas líneas de desarrollo que permitirán definir el objetivo principal de esta tesis: “la zonificación de cuencas de montaña en función de la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos, considerando como base la morfología del paisaje”. El primer tema de interés es “Unidades de Paisaje en el Marco de Estudios de Procesos de Erosión” (Capítulo 2.1). La recopilación de antecedentes realizada permitió conocer los principios básicos de las dos líneas principales de investigación que se relacionan con esta problemática. En la primera “Paisaje y Zonificación con miras al Ordenamiento del Territorio”, se encontraron una amplia gama de estudios interesantes, desde Tricart (1982) basado en ordenamiento del medio natural, hasta Chirstofoletti

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(1998) y Buzai et al. (1998) definiendo estructuras del paisaje utilizando fractales, pasando por conceptos de regionalización ambiental como los presentados por Gallopín (1982), Sánchez (1991, 1993) y Matteucci y Buzai (1998). El análisis de cada uno de ellos permite entender la línea de pensamiento de quienes estudian el ordenamiento del territorio desde un enfoque integrado que contempla la dinámica paisajística. La segunda línea de investigación, más específica al presente estudio, se relaciona a la “Zonificación del Territorio para determinar Riesgo de Erosión basado en Cartografía Temática”. Se encontró que existen proyectos macros que tratan esta problemática, lo que es coherente con el grado de importancia del tema a nivel científico/ingenieril; entre estos proyectos se incluyen ICONA (1982-1989), CORINE (1992), RUNOUT (van Westen, 2000). También se detectó una propuesta interesante presentada por Albadalejo et al. (1988) que trata de cartografía de riesgo de erosión. La revisión del conjunto de trabajos permitió establecer el marco conceptual de esta primera línea de estudios sobre unidades de paisaje erosivo. Los trabajos considerados más relevantes se analizarán en detalle en el Capítulo 3, donde también se concreta un enfoque metodológico para el estudio global de esta tesis. El segundo tema de interés es “Evolución del Paisaje y Parámetros Morfológicos” (Capítulo 2.2). Se propone como estudio posterior a la definición de unidades del paisaje, la zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que consideran parámetros morfológicos tales como pendiente local y área de aporte, y tienen incorporado el concepto de evolución del paisaje. Varios trabajos están siendo desarrollados en esta línea de investigación y se han recopilado/analizado diversos estudios tales como: Schafer (1979), Montgomery y Dietrich (1989), Montgomery (1991), Dietrich y Dunne (1993), Rigon et al. (1993) , Howard (1994) y RodríguezIturbe y Rinaldo (1997). Básicamente, la evolución de la morfología del paisaje inicia en las zonas altas donde predominan procesos dispersivos hacia las zonas bajas, con perfiles cóncavos donde predominan procesos concentrados. El trabajo presentado por Dietrich y Dunne (1993) expresa que la magra relación entre el área de drenaje y la pendiente local parece dar una inmediata aproximación del proceso de la formación de cauces, principalmente en paisajes áridos. Este concepto es desarrollado con mayor detalle en estudios tales como Rodríguez-Iturbe y Rinaldo, (1997). Estos conceptos serán desarrollados en detalle en el Capítulo 3 por considerarse apropiados a ser incorporados en el presente estudio. Fundamentalmente el desarrollo metodológico se concentrará en la definición de relaciones simplificadas entre parámetros morfológicos y la zonificación del territorio en base a umbrales de erosión, caracterizando los diferentes grados de susceptibilidad de los distintos tipos de erosión El siguiente tema es “Métodos y Modelos para la determinación de Erosión Hídrica” (Capítulo 2.3). Se analizan modelos hidrológicos en general, métodos cuantitativos de la degradación específica y unión de modelos hidrológicos y modelos de erosión en cuencas hidrográfica. El objetivo principal de esta etapa es determinar la metodología indicada para utilizar en esta tesis, para la estimación de las fuentes de sedimento por erosión superficial y por movimientos de masa. Se individualiza el tipo de modelación que incluye esta tesis, tomando como base la clasificación de Singh (1995) y se destaca la problemática de interés sobre cambios de escala en modelación hidrológica. Se presenta una detallada bibliografía sobre modelos de degradación específica, agrupados como métodos estadísticos y paramétricos, reflexionando sobre la aplicabilidad en el presente estudio de investigación. Se exponen finalmente la amplia gama de modelos que resultan de formulaciones hidrológicas acopladas a modelos de erosión hídrica y Capítulo 2 - Pág. 16

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estabilidad de pendiente. Un importante trabajo citado al concluir esta recopilación es el presentado por Boardman y Favis-Mortlock (1998) donde se resumen los modelos de erosión existentes y los lineamientos actuales sobre la validación de los mismos a nivel de parcela (subcuenca) como una primera etapa de transferencia de metodología a diferentes escalas. En el Capítulo 3 se desarrollan en detalle varios de los métodosmodelos presentados en esta sección, y se resumen las características de los mismos, generando el marco del conocimiento que permite definir la estrategia metodológica a aplicar en esta tesis. Como tema de cierre en la recopilación de información, se trata “Cambios de Escalas en Modelación del Paisaje”. En esta etapa se investiga la extrapolación/transferencia de metodologías/información a través de escalas. Se desarrollan los conceptos de base, tanto definiciones como problemáticas relacionadas con este tema. Principalmente los conceptos de Band y Moore (1995) reflejan claramente las dificultades en la utilización de modelos hidrológicos distribuidos a escala regional, que requieren precisión de datos claves para la implementación. En este sentido, los avances obtenidos en el área de sensores remotos y el desarrollo de sistemas de información geográficos han permitido incorporar estas nuevas tecnologías a los modelos hidrológicos (Band et al., 1991; Famiglietti y Wood, 1991, 1994; Moore y Grayson, 1991; Moore et al., 1993; Wigmosta et al., 1994, de Jong et al., 1999; Basso et al., 2000; Allen, 2001). Se observa que la cuestión de escalas en modelación hidrológica no es un nuevo tópico (Dooge, 1982, 1986; Klemeš, 1983, Rodríguez-Iturbe y Gupta, 1983, Gupta et al., 1986; Wood et al., 1988), pero recientemente los problemas de escalas de análisis, variabilidad de subgrillas y modelación a macroescalas son temas claves, tópicos de significativo interés científico/ingenieril. Las investigaciones actuales tienen en cuenta la conexión de modelos hidrológicos y atmosféricos (Weater et al., 1993; Blöschl y Sivapalan, 1995; Wood, 1995; Dooge 1995; Kite et al., 1995; Becker, 1995), tratando de considerar las variaciones climáticas. También se ha detectado utilización de fractales para la generación de paisajes y canales de drenaje (llamado red óptima de canales OCN) y el desarrollo de su evolución geomorfológica (Rodríguez-Iturbe y Rinaldo, 1997, Becker y Braun, 1999). En la presente tesis, la problemática que interesa desarrollar se relaciona a experimentos multi-escala en estudios de fragilidad del territorio a fenómenos erosivos, transfiriendo información con modelos ascendentes o de generalización (up-scaling), donde la modelación sea ajustada en un área piloto con información básica de detalle, para luego extrapolar dicha metodología a una amplia zona con menos precisión en los datos de entrada. Esto es una problemática típica de países extensos como Argentina, con diversidad en la calidad de información básica disponible, que generalmente resulta escasa para la modelación propuesta. Este tipo de estudios requieren un tratamiento a nivel científico/ingenieril que responda a una problemática actual. El análisis de la bibliografía recopilada ha permitido definir el marco del estudio, con conceptos básicos y definiciones pero no se ha encontrado una metodología que contemple la formulación presentada en esta tesis. Por tal motivo, en el Capítulo 3 se presentan aquellos trabajos considerados de interés para el posterior desarrollo de la propuesta metodológica.

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3.

METODOLOGÍA TERRITORIO

RELACIONADAS

CON

ZONIFICACIÓN

DEL

En este Capítulo se presenta la recopilación y análisis de los trabajos de interés para formular la propuesta metodológica del estudio de procesos de erosión en cuencas de montaña. Esta selección surge posterior al análisis de los documentos recopilados que sirvieron de base para definir el estado del conocimiento de los temas de interés en este estudio, presentado oportunamente en el Capítulo 2. Como estructura de análisis se consideran cuatro temas básicos que tienen relación a la problemática de esta tesis: definición de unidades de paisaje erosivo, evolución del paisaje y parámetros morfológicos, métodos y modelos para la estimación de fuentes de sedimentos y extrapolación de escalas en modelación del paisaje erosivo. Las metodologías recopiladas en cada uno de estos temas, han sido desarrolladas, analizadas y discutidas independientemente en los Capítulos 3.1, 3.2, 3.3 y 3.4. La síntesis se presenta en el Capítulo 3.5. 3.1

UNIDADES DE PAISAJE EN EL MARCO DE ESTUDIOS DE PROCESOS DE EROSIÓN

3.1.1 Introducción Se han relevado metodologías relacionadas con zonificación del territorio, ya sea para ordenamiento del territorio como para riesgo a la erosión. Las mismas han sido presentadas en el Capítulo 2.1 y a continuación se analizan en detalle aquellas que son consideradas de interés para la presente tesis. Al finalizar esta descripción se presenta un resumen de la aplicabilidad de las mismas en el presente trabajo de tesis. 3.1.2 Metodologías de Interés Las metodologías de interés para la determinación de unidades del paisaje con el objeto de estudios de procesos de erosión en cuencas de montaña son presentadas en el Esquema 3.1 y descriptas a continuación. Esquema 3.1: Metodología de interés para Determinación de Unidades de Paisaje Objeto del Estudio

Estudios de Interés

Paisaje y Zonificación para el Ordenamiento del Territorio

Gallopin (1973, 1981, 1982, 1985)

Zonificación del Territorio para determinación de Riesgo a la Erosión

ICONA (1982, 1989)

Sánchez (1991, 1993)

Albadalejo et al. (1988) CORINE (1992) RUNOUT (en Van Westen, 2000)

3.1.2.1 Paisaje y Zonificación para el Ordenamiento del Territorio Metodología Multivariable para la Regionalización Ambiental G. Gallopín (1973,1981,1982,1985) Existen diferentes regionalizaciones posibles en función de la elección de cuáles son las características relativamente comunes de interés para un propósito u objetivo determinado. Se debe discriminar la unidad de estudio en un conjunto de propiedades o Capítulo 3 - Pág. 1

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elementos espaciales que sean relevantes y como etapa posterior agrupar estos elementos para la determinación de las unidades homogéneas. Los criterios de homogeneidad deben ser cuidadosamente definidos con el objeto de establecer las relaciones que definirán el proceso de delimitación y evaluación integrada de la dinámica y naturaleza de la superficie geomórfica, la vegetación, el suelo y actividades antrópicas entre otros. La identificación de los límites debe estar referida a las variables que se pretende reflejen homogeniedad, y el objetivo principal no consiste en discriminar áreas en subáreas, sino en organizar los factores relevantes según esquemas coherentes de homogeneidad. Las diferentes etapas de la metodología son: •

Subdivisión del territorio en unidades, con el objetivo de crear unidades espaciales que sean homogéneas en todas sus variables relevantes y que pueden ser recombinadas para formar áreas o regiones. Para el procesamiento de esta subdivisón se puede utilizar dos alternativas: la subdivisión del espacio territorial en unidades geométricas regulares (artificiales) suficientemente pequeñas como para garantizar homogeneidad a la escala de percepción utilizada, o la subdivisión en un número de unidades irregulares, basadas en alguna característica observada o inferible de la realidad (natural). Los criterios de homogeneidad utilizados deben ser cuidadosamente elegidos. En primer lugar las variables deben ser aquéllas que sean directamente relevantes para los objetivos de la planificación o que sean indicadores indirectos de las variables relevantes. Es necesario hacer un análisis cuidadoso de las variaciones de los valores de cada una de estas variables. Una vez seleccionadas las variables relevantes y sus rangos de variación, la identificación de unidades puede hacerse de dos maneras básicas. La primera consiste en construir mapas temáticos, uno para cada variable. La superposición de los distintos mapas permite identificar áreas que son homogéneas en todas las variables. La otra alternativa consiste en identificar directamente las unidades ya sea por producto directo de un relevamiento integrado, o en identificar áreas que sean homogéneas con respecto a la variable cuyo margen de variación relevante sea el más estrecho y asociado a los requerimientos de manejo.

•

Caracterización de los elementos unitarios: Una vez definidas las unidades es necesario caracterizarlas en base a variables internas a las unidades y a variables que representan las interacciones importantes que existen entre cada unidad y las demás. Conviene diferenciar claramente los siguientes tipos de variables: 1. Variables de delimitación, que son las utilizadas para definir los límites de las unidades y que generalmente son de tipo natural primario (vegetación, clima, suelos, etc.), en combinación o aisladamente. 2. Variables de caracterización, que son las variables que se definen como componentes de los vectores de caracterización y que se tomarán en cuenta para calcular similaridades entre unidades y grupos de unidades. Dentro de este tipo de variables podemos distinguir variables básicas y generadas en función de considerar factores fundamentalmente primarios en el ambiente o generadas en función de las primeras.

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Además de la información sobre variable internas, es posible generar un vector de variables que representan interacciones entre las unidades. Estas interacciones pueden ser representadas, en principio, en base a la existencia o no de una conexión o ponderando además la intensidad de la misma. Una vez introducidos los vectores característicos de las unidades en los sistemas, es posible generar mapas temáticos por variables individuales o combinaciones de las mismas, que pueden ser utilizados para fines específicos y para orientar la regionalización general. •

Reinterpretación y evaluación de las variables: Para este punto del análisis se dispone de un conjunto de unidades caracterizadas cada una de ellas por un vector de variables internas y por un vector de interconexiones. Se intenta refinar la información existente mediante la reinterpretación y evaluación de las variables a través de procesamientos estadísticos. El objetivo de esta etapa es eliminar la redundancia de información en los datos incorporados y detectar la ausencia parcial de información. Se determinan así los vectores definitivos de atributos.

•

Agrupamiento de las unidades espaciales en regiones: El problema de la determinación de regiones a través del agrupamiento de unidades elementales radica esencialmente en la determinación de la similaridad entre unidades que constituirán una región y en la selección de las técnicas de agrupamiento. Debido a que los vectores de variables que caracterizan cada elemento pueden adoptar toda una gama de valores, continuos o discretos, la similaridad total entre dos elementos cualesquiera puede variar entre un valor mínimo y uno máximo. Las técnicas de agrupamiento multivariable permiten determinar la similaridad entre todos los pares de elementos, para cada variable individual, para cualquier combinación de variables individuales o, simultáneamente, para todas las variables que constituyen los vectores. El agrupamiento resultante permite la identificación de una jerarquía de áreas o regiones, que comienza con los elementos, grupos de los elementos más semejantes, grupos de grupos, etc., hasta cubrir totalmente el territorio considerado.

Las áreas o regiones (o paisajes) obtenidas pueden ser caracterizadas por un perfil de valores promedio de las variables, por su grado de homogeneidad o heterogeneidad interna, o por cualquier otro indicador que se considere relevante. Como conclusiones, se puede mencionar que la metodología planteada por Gallopín es una estructura coherente y flexible que incluye técnicas de discriminación, caracterización, análisis e integración. La misma permite subdividir el espacio universal en unidades y reagruparlas en regiones homogéneas en distinto orden. La utilidad de la metodología para regionalización radica en la estructura metodológica total, más que en técnicas específicas, que han sido utilizadas previamente en diversos contextos. En los enfoques paisajísticos, la unidad homogénea es el sitio. Las unidades de paisaje representan grupos de sitios relacionados; los sistemas de paisaje representan patrones recurrentes de paisaje y son las unidades de mapeo. Por lo tanto, las áreas superiores a los sitios no son definidas en términos de homogeneidad, sino como complejos interrelacionados geomorfológica y geográficamente. El enfoque utilizado en este Capítulo 3 - Pág. 3

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trabajo puede ser calificado como paramétrico, con la particularidad que intenta definir a partir de unidades homogéneas, áreas de ambiente homogéneo a diferentes escalas, y en base a las mismas variables. De este modo, las áreas a nivel micro son homogéneas en las mismas variables que las áreas de nivel macro, aunque el grado de homogeneidad varía con las escalas. Esta homogeneidad no está necesariamente basada en inferencia de tipo genérico, aunque los factores genéricos pueden ser introducidos si son de interés en la planificación. La metodología descripta presenta una serie de ventajas en comparación con los métodos tradicionales de regionalización ambiental, pero también tiene una serie de limitaciones. La concepción más adecuada de las metodologías multivariables es la de un proceso de análisis por aproximaciones sucesivas, en varias dimensiones, más que como una herramienta para producir directamente una taxonomía final y única de regiones ambientales. Como en todos los casos, la selección y utilización de una metodología para regionalización debe efectuarse en función de los objetivos del estudio y los recursos disponibles . Conceptos y Criterios Básicos para Procesar el Ordenamiento EcológicoSánchez (1991,1993) Paisajístico. El estudio integrado de la diversidad paisajística y su zonificación (Ordenamiento espacial de restricciones y ventajas ecológica-paisajísticas para el desarrollo sustentado de unidades territoriales), se basa en la valoración y aplicación secuencial de numerosos conceptos y estrategias operativas; se destacan las siguientes: •

El ordenamiento ecológico del territorio dimensional explica la variable paisajística, asumiendo un alcance imperativo condicionado por la referencia escalar.

•

Asociando técnicas de teledetección y de reconocimiento en el terreno, se delimita el contorno de sistemas paisajísticos en los que coexiste la geoforma, el suelo, la comunidad de plantas y animales y la comunidad humana, con sus construcciones y actividades. Este escenario retrata algunas características propias de un cierto régimen actual de temperatura y humedad, ocasionalmente de un régimen climático del pasado y a veces de ambos, según una superposición o integración más o menos compleja de hechos morfo-fito-pedológicos.

•

Si el paisaje es considerado como una unidad, o bien como un sistema donde todos los componentes estructuran una red de interacciones, se está postulando un criterio de estudio y evaluación integrada de los paisajes. Si se va más lejos, y se visualiza la existencia de ciertas dinámicas interpaisajísticas, no hay dudas de que el análisis integrado debe evaluar las interacciones entre los diferentes paisajes y dimensionar adecuadamente el territorio sometido al proceso de zonificación. Los conceptos de cuenca, subcuenca y microcuenca, tienden a facilitar la asociación de paisajes y contornos espaciales que satisfacen esa exigencia. El régimen climático del sistema paisajístico introduce el punto de partida del análisis integrado de los paisajes. El clima no conforma un componente materializable y visible en la superficie terrestre, por lo tanto, debe ser asumido como un factor movilizador y controlador de los procesos y de la dinámica paisajística y no como un elemento integrante de la organización espacial.

•

La superficie del suelo, una interfaces que separa componentes subterráneos y subaéreos del paisaje, conforma una propiedad ecológico-paisajística, cuya Capítulo 3 - Pág. 4

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

estimación constituye un punto central del zoneamiento. Es encima y debajo de esa superficie que las comunidades de hombres, plantas y animales, estructuran su desarrollo y es a través de esa interfaces, identificada en la zonificación como una superficie morfopedológica, que se enhebran procesos fundamentales del ciclo del agua, la pedogénesis y el abastecimiento hídrico para consumo de las plantas. Por otro lado, es hacia esa superficie donde el suelo desarrolla las mejores propiedades y recursos, tanto para su aprovechamiento como para su autoconservación. •

El grado de estabilidad de esa superficie condiciona grandemente la conservación de la integridad del sistema paisajístico; recíprocamente, la resultante de integrar componentes, factores y procesos que hacen a la estructura y dinámica interna del sistema, es quien administra su resistencia frente a los diversos factores que producen inestabilidad de la interface y, consecuentemente, la degradación o la destrucción del sistema. Resumiendo a Tricart (1982), el autor que más intensamente ha discutido estos aspectos, vale reiterar que los procesos morfogenéticos constituyen una fuerte restricción para el desarrollo de los seres vivos y que, desde el punto de vista ecológico, la morfodinámica es una limitación: donde la morfodinámica es intensa, la vegetación resulta muy pobre y abierta, con pocas especies y una biomasa reducida. Por lo tanto, hay un efecto contrario entre la morfodinámica y el desarrollo de la vida.

•

La estabilidad absoluta no existe. Toda superficie morfopedológica, todo paisaje, ha estado sujeto a modificaciones naturales como consecuencia de procesos geomórficos modeladores, asociados a variaciones climáticas y ecológicas características de los tiempos cuaternarios. Pero si se hace abstracción de algunas modificaciones locales o regionales dignas de registro, en los últimos 5000-7000 años habría dominado un esquema global de paisajes zonales y azonales, muy próximo a las estructuras paisajísticas que aún hoy pueden ser reconocidas en algunos sectores poco artificializados de la superficie terrestre. Por lo tanto, conservar las propiedades que sustentan la estabilidad de las superficies morfopedológicas, o bien mejorar las condiciones y controles ecológicos de su estabilidad constituye uno de los desafíos centrales del desarrollo sustentable. Tratándose de una superficie más o mensos sensible frente a diferentes impactos naturales o antrópicos, es necesario comprender y evaluar dicha sensibilidad, para caracterizar su resistencia o grado de estabilidad ante diversas alternativas de uso y manejo de los paisajes.

•

Hilando una secuencia histórica de conceptualizaciones del problema que plantea la actividad morfogenética en relación al ordenamiento del territorio, puede establecerse que la estabilidad morfogenética es favorable a la pedogénesis y a la cobertura vegetal; contrariamente, la inestabilidad de la superficie geomórfica, se expresa a través de flujos de materia que tienen la tendencia a limitar aquellos procesos que favorecen la pedogénesis y el desarrollo del la cobertura vegetal. En consecuencia, evaluar los sistemas ecológicos en función de su mayor o menor actividad morfogenética, responde a una necesidad fundamental del zoneamiento. Los grados de estabilidad dependen del conjunto de factores responsables de la morfogenésis: fuerza del relieve, intervención de fuerzas internas (sismos, vulcanismos, etc.), influencias climáticas directas (tipo y energía potencial de los agentes geomórficos) e indirectas (ciertas características del suelo y la vegetación). Capítulo 3 - Pág. 5

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

En correspondencia con estos criterios, Tricart clasifica los sistemas en estables e inestables, interpretando entre esos dos casos extremos la existencia de un espectro de sistemas cuasi-estables (integrados), caracterizados por interferencias entre la pedogénesis y la morfogénesis, sin que ninguna de ellas predomine notoriamente. Basado en dichos principios, se define y utiliza un primer nivel de desagregación espacial con fines de ordenamiento del medio rural, estableciendo dos clases de sistemas paisajísticos: paisajes razonablemente estables, aptos para algún tipo de uso rural y paisajes frágiles sin aptitud para todo tipo de ocupación con fines de desarrollo rural. •

Si bien el análisis morfodinámico puede ser introducido en un primer nivel de evaluación de la dinámica de paisajes previamente delimitados, el análisis integrado exige conocer la globalidad de la dinámica paisajística. En consecuencia, luego de apreciar la morfodinámica, se analizan e inter-relacionan los aspectos hidrodinámicos (régimen de humedad del sistema; drenaje superficial e interno, etc.), biodinámicos (evolución de la biodiversidad ante impactos naturales y antrópicos, ritmos de reposición y crecimiento de las especies, etc.), pedodinámicos (ritmos de humificacion, lixiviación, pedometerorización, adsorción y liberación de nutrientes, etc) y socio-económicos (procesos de ocupación, transformación y reestructuración del paisaje, tendencia evolutiva, etc.).

3.1.2.2 Zonificación del Territorio para la Determinación de Riesgo a la Erosión Metodología para la definición de estados erosivos. ICONA (1982) El ICONA propone en su monografía 26 “Paisajes erosivos en el sudeste Español” una metodología para la definición de estados erosivos. Se establece el concepto de “paisaje erosivo” como aquella porción del terreno con un comportamiento similar frente a la erosión. La definición del estado erosivo de un territorio surge como la conjunción de dos matrices de evaluación: la matriz de protección del suelo por la vegetación y la matriz de susceptibilidad a la erosión (mapa geomorfológico). Esquema 3.2: Metodología propuesta ICONA Mapa de Vegetación Mapa de Protección del Suelo (por vegetación) Mapa de Pendientes

PAISAJE EROSIVO Mapa Geomorfológico (relieve)

Mapa de Litofacies

La primera de estas matrices está basada en una tabla de índices de protección del suelo por la vegetación, definida como matriz de doble entrada: tipo de vegetación (desde arbolado denso hasta improductivo) y pendiente (categorizada de 1 a 6 en rango del Capítulo 3 - Pág. 6

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

porcentaje). Con esta matriz se indica la mayor o menor protección frente a la erosión que produce una formación vegetal dependiendo de la pendiente del terreno, en valores de 0 (ninguna protección) a 1 (totalmente protegido). El mapa geomorfológico se obtiene de la intersección del mapa de pendientes y el mapa de las características litológicas del terreno de acuerdo con una matriz de susceptibilidad a la erosión que refleja el grado de estabilidad del suelo en función de la pendiente del terreno y de la constitución propia de los materiales que lo componen; los resultados son una caracterización de A2(pendiente alta y material poco resistente) a D (bajas pendientes y material muy resistente). De la combinación de las clases que resultan de los mapas geomorfológicos y de protección de la vegetación se deducen los estados erosivos de territorio analizado. En el caso del sudeste de España, donde se aplicó en carácter experimental esta metodología, el número de estados (o paisajes) erosivos definidos fueron siete, según se presenta en la matriz de paisaje. La definición de los siete paisajes es el siguiente: • Tipo 7: Paisaje con erosión controlada; vegetación arbórea densa; índice de protección del suelo por la vegetación, 1,0; cualquier aspecto geomorfológico, pero predominan fuertes pendientes, clase A. • Tipo 6: Paisaje de cultivos intensivos en pendientes generalmente > 5% pero que pueden llegar al 12%, cuando existen prácticas de defensa del suelo de manera integral. Índice de protección del suelo por la vegetación, 0,9; clase geomorfológica C. • Tipo 5: Paisaje definido por su litología de tipo plutónico moderno. Presenta escasa superficie dentro del área de estudio. • Tipo 4: Paisaje caracterizado por pendientes inferiores al 12%, suelo cubierto por cultivos de secano, a veces los cultivos han sido abandonados, áreas de matorral o pastizal de secano. Índice de protección del suelo por la vegetación oscilando entre 0,8 y 0,3 (este último son pastizales degradados), lo normal es 0,6. Suelos modernos. • Tipo 3: Paisaje formado por terrenos con pendientes comprendidas entre el 12% y el 18-24% de límites inferior y superior, respectivamente; éste último condicionando a la mayor o menor erosionabilidad de sus litofacies. Suelo protegido por matorrales, índice de protección oscilando entre 0,6 y 0,8, este último excesivo para el área a que se refiere. Clase geomorfológica B dentro del presente estudio. • Tipo 2: Las áreas de cultivo con pendientes superiores a 12% se agrupan en este tipo de paisaje erosivos. El paisaje puede estar fuertemente afectado por prácticas de conservación del suelo o labores agrícolas. Índices de protección del suelo por la vegetación 0,0; clase geomorfológica A o B, predominando la primera. • Tipo 1: Paisaje erosivo formado por todas aquellas superficies con pendientes superiores a la de arrastre total, clase geomorfológica A (que no están cultivadas o con arbolado denso, en cuyo caso están representadas en otros tipos). Su protección es la base de matorral o pastizal. Cuando el índice de protección del suelo por la vegetación no llegue a 0,4 este tipo de paisaje se extiende también a todas aquellas superficies de pendiente superior al 12%.

Capítulo 3 - Pág. 7

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Esquema 3.3: Matriz de Tipos de Paisajes Erosivos Protección del suelo por la vegetación 1,0

0,9

0,8-0,7

0,4-0,0

0,0

Código

8

7

654

321

0

A2

1

7

-

1

1

2

Geomor-

A3

2

7

-

3

1

2

fología

B

3

7

-

3

3

2

C

4

7

6

4

4

-

D

5

7

5

5

5

5

Método de Albaladejo et al. (1988) Este es un ejemplo representativo de las distintas metodología propuestas para la realización de la cartografía del riesgo de erosión basada en la definición previa de unidades homogéneas. Esquema 3.4: Metodología propuesta por Albaladejo Factores que afectan la Erosión

Relieve

Clima

Suelo

Vegetación y Uso del Suelo

Mapa de Pendientes

Mapa de Erosividad

Mapa de Erosionabilidad

Mapa de cubierta vegetal y uso del suelo

integración Unidades de Erosión

evaluación Mapa de Riesgos de Erosión

El método se basa en la preparación de una serie de mapas temáticos básicos que en una posterior integración, utilizando transparencias o medios automáticos, darán lugar a las unidades homogéneas buscadas. Para la delimitación y definición de las unidades homogéneas se propone un sistema jerarquizado en el que se distinguen cuatro categorías que se denominan: orden, suborden, gran grupo y subgrupo. Los órdenes constituyen la categoría más alta del sistema. Se definen en función del ángulo de la pendiente y la densidad de la cobertura vegetal o uso del suelo. La segunda categoría, los subórdenes, se constituyen a partir de los órdenes, añadiéndoles una nueva característica de diferenciación, que varía según el orden que trate. Las categorías posteriores, gran grupo y subgrupo, se construirían considerando los tipos y prácticas de cultivo, la longitud de la ladera, el tipo de vegetación, etc. El nivel de clasificación que se obtenga dependerá en gran medida de la escala de trabajo y de los objetivos del estudio que se esté realizando. Se puede, no obstante, considerar una clasificación a nivel de suborden como válida para la planificación de usos de suelo a escala regional. Capítulo 3 - Pág. 8

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Una vez delimitadas y definidas las unidades de erosión podemos cuantificar el grado de erosión actual del terreno mediante la utilización de modelos paramétricos. El modelo más utilizado para estos objetivos es la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo. Programa CORINE (1992) El proyecto “Riesgo de erosión de suelos y evaluación de tierras” (Soil erosion risk and land resources evaluation) CORINE 1992, dentro del programa CORINE, trata de crear un sistema de información sobre el estado del medio y de los recursos naturales en los estados de la Unión Europea. Dentro del programa, los objetivos del proyecto de riesgos de erosión y evaluación de tierras son los siguientes: • la recopilación de información referente a calidad de suelo y riesgos de erosión en los países del Sur de la Unión Europea, • la integración de esos datos en un sistema de información que permita evaluar y cartografiar la calidad de los terrazas y de los riesgos de erosión a una escala útil para las decisiones de política ambiental, • el desarrollo de un método de evaluación de tierras y de evaluación de los riesgos de erosión del suelo, que teniendo en cuenta la potencialidad de los sistemas de información geográfica, sirva de base para futuras investigaciones. Su aplicación a la evaluación de la erosión hídrica se realiza considerando dos índices: a) Índice de riesgo de erosión potencial PSER (Potential Soil Erosion Risk) que indica la susceptibilidad de los terrenos a la erosión, considerando los factores de suelo, clima y topografía. b) Índice de erosión real ASER (Actual Soil Erosion Risk) que muestra la erosión en las condiciones actuales de uso del suelo y de cobertura vegetal. El resultado de la aplicación del modelo permite la definición del área con elevado riesgo de erosión donde resultan necesarias prácticas activas de control, y áreas de bajo riesgo donde las prácticas agrarias no requieren medidas específicas de conservación. La evaluación se efectúa en dos etapas. En primer lugar se calcula el riesgo de erosión potencial adicionando los índices de erosionabilidad del suelo, erosividad climática y pendiente, obteniéndose la susceptibilidad inherente del terreno frente a la erosión sin considerar la cobertura vegetal, lo que correspondería al peor de los casos. A continuación el PSER se modifica según el índice de cobertura del suelo, obteniéndose el índice de erosión real ASER (según se presenta en el Esquema 3.5). El índice de erosionabilidad del suelo SEI (Soil Erosion Index) se evalúa considerando la granulometría, la profundidad y la pedregosidad superficial. A partir del diagrama de texturas del USDA se definen tres valores de erosionabilidad (de 1 a 3); la profundidad del suelo se establece como la distancia entre la superficie y la base del perfil (de 1 a 3). La pedregosidad está referida al porcentaje de piedras (material > 20mm) en superficie (de 1 a 2).

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Esquema 3.5: Etapas de evaluación. CORINE 1992 Textura del suelo Erosionabilidad del suelo "SEI"

Profundidad Pedregosidad

Riesgo de erosión potencial "PSER"

Indice "FI" Fournier

RIESGO DE EROSION REAL "ASER"

Erosividad climática "EI"

Indice "BGI" Bagnould-Gaussen

Pendiente "SI" Cobertura del suelo

El índice SEI se obtiene del producto: SEI= clase textural x clase por profundidad x clase de pedregosidad Donde cada uno viene definido en base a tablas que definen a las tres clases de erosionabilidad con índices de 1 a 3. Luego el SEI se clasifica nuevamente en bajo (0-3, moderado (3 a 6) y alto (>6). El índice de erosividad climática EI (Erosivity Index) se obtiene a partir del índice de Fournier-Arnoldus FI y del índice ombrotérmico de Bagnouls-Gaussen BGI. El índice de Fournier modificado por Arnoldus es un índice de agresividad climática que se obtiene por medio de la expresión: FI =Σ (pi2 / P)

sumatoria de i=I a i=XII

donde pi /es la precipitación en mm del mes i, y P la precipitación anual en mm. El valor de FI se clasifica en 5 clases desde muy bajo (< 60) hasta muy alto (>120) El índice ombrotérmico de Bagnouls-Gaussen, se calcula a partir del balance de humedad mes a mes, estimando la evapotranspiración a partir de la temperatura, por lo que constituye una estimación de la aridez climática. Se obtiene aplicando la formulación: BGI =Σ (2ti - pi) ki

sumatoria de i=I a i=XII

donde ti es la temperatura media del mes i (en °C), pi es la precipitación total del mes i (en mm) y ki es la porción del mes i en que (2ti - pi)>0 (se obtiene por interpolación lineal). El valor de BGI se clasifica en cuatro clases desde húmedo (rango 0) hasta muy seco (rango 130).

Capítulo 3 - Pág. 10

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

El valor de EI se obtiene del producto: EI = FI x BGI Asignándosele al índice EI los valores de bajo (< 4), moderado (3 a 8) y alto (> 8). El índice de pendiente SI (Slope Index) se establece a partir de datos topográficos, dividiendo el territorio en celdillas cuadradas de 1 km de lado, en las que se calcula el valor medio del ángulo de pendiente. A esta pendiente se le asigna el índice SI en función del rango desde suave o llano (30). Para la cubierta vegetal se efectúa una clasificación binaria en función del tipo de vegetación en completamente protegido (índice 1) y no completamente protegido (índice 2). El riesgo de erosión potencial PSER se evalúa por el producto: PSER = SEI x EI x SI El índice PSER se re-clasifica posteriormente en cuatro grados considerando ningún riesgo a erosión potencial con rango 0 hasta muy alto riesgo con rango mayor a 11. Finalmente el riesgo de erosión real ASER se obtiene a partir del índice PSER y de la cubierta vegetal, mediante la matriz presentada en el Esquema3.6. Esquema 3.6: Matriz de Riesgo de Erosión Real ASER PSER

0

1

2

3

1

0

1

1

2

2

0

1

2

3

Índice cubierta vegetal

Proyecto RUNOUT (Van Westen, 2000) El proyecto RUNOUT trata la evaluación del riesgo de deslizamientos de grandes volúmenes y el diseño y ajuste de nuevas técnicas para la estimación y mitigación de este tipo de fenómenos. Este proyecto fue financiado por la Comisión Europa dentro del Programa “FP4 Environment and Climate Programme, Natural Risks”. El objetivo del proyecto fue: 1) desarrollar modelos físicos para el fenómeno de grandes deslizamientos, 2) desarrollar un sistema de información geográfico dedicado al estudio de riesgo a deslizamientos, 3) desarrollar estrategias de diseño para optimizar redes de monitoreo y 4) desarrollar demostraciones de estudio de casos que sirvan de ejemplo para otras áreas de alto riesgo de deslizamiento. El “Institute for Aerospace Survey and Earth Science (ITC)” de Holanda publicó una edición especial del “International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation (JAG)” con trabajos presentados en el Simposio “Tools and techniques for risk mapping” realizado en La Haya en Abril de 1999, con avances de estudios hechos en el marco del proyecto RUNOUT. A continuación se presentan resúmenes de los trabajos presentados. •

Deslizamientos como determinación del factor geomorfológico de la cuenca Barranco de Tirajana en Gran Canaria – España (Quintana A. y Lomoschitz A, en Van Westen, 2000.): el estudio se realiza en la cuenca del Barranco de Tirajana que Capítulo 3 - Pág. 11

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es una depresión de 35 km2 localizada en la parte central meridional de Gran Canaria, una isla volcánica. Durante la pasada década se estudió el importante papel de los movimientos de laderas en el modelado de la cuenca del Barranco de Tirajana. El origen de la cuenca es tema de debate desde el siglo pasado, pero actualmente se acepta en modo general su génesis erosiva. Tanto su origen como su evolución morfológica estuvieron directamente relacionados con períodos erosivos del Cuaternario. Estos produjeron una erosión hacia atrás en el barranco y, como resultado, se generaron una enorme cantidad de deslizamientos en la cuenca superior. Desde el Pleistoceno medio hasta el Holoceno, la cuenca ha aumentado y el material de los deslizamientos fue transportado a través de un valle estrecho y depositado en forma de un ancho abanico de delta aluvial en la costa. En el estudio se presenta el mapeo de los deslizamientos, cortes geológicos mostrando la evolución del barranco durante el cuaternario, y el listado de las posibles causas de los deslizamientos. •

Comparación de técnicas heurísticas para determinación de riesgo de deslizamientos usando Sistema de Información Geográfico (SIG) en la cuenca Tirajana en Gran Canaria (Barredo J., Benavides A., Hervás J. y Van Wester C, en Van Westen, 2000): como parte del proyecto RUNOUT que trata de la modelación de deslizamientos del terreno de gran volumen, se ha recopilado una base de datos en un SIG, que se ha utilizado para producir mapas de riesgo de movimientos del terreno a escala media (1:25.000) en un área de grandes relieves en el centro de la isla de Gran Canaria. El área de estudio del Barranco de Tirajana es una gran depresión de 49 km2 compuesta de una serie de grandes masas deslizadas, procedentes del deslizamiento gravitacional de sucesiones de coladas de lava y de brechas de rocas volcánicas. Se cree que los deslizamientos se originaron durante períodos de intensa erosión en el Cuaternario, como consecuencia del rápido ahondamiento del barranco central. Estas grandes masas deslizadas han sufrido posteriormente varias reactivaciones desde el Pleistoceno medio hasta la actualidad, así como un ensanche retrógrado de la depresión. Actualmente los procesos más activos son los desprendimientos de rocas y la reactivación de las zonas de pie de los deslizamientos, debido además al socavado que realizan los arroyos. Para evaluar el riesgo actual del movimiento del terreno, se llevó a cabo un estudio utilizando SIG y dos tipos diferentes de métodos basados en el conocimiento: un método directo y un método indirecto. En el método directo se realizó una cartografía geomorfológica muy detallada, utilizando polígonos específicamente codificados, que fueron evaluados uno a uno por un experto para valorar el tipo y el grado de riesgo. El método indirecto se basó en una técnica de indización. En ésta, parámetros tales como la pendiente, actividad de deslizamiento, faces de deslizamiento, material implicado, proximidad de canales de drenaje y embalses y cambios de usos del suelo, se combinaron empleando técnicas de evaluación multicriterio. Con ambos métodos se generaron mapas de riesgo definiendo cuatro clases: muy bajo, bajo, moderado y alto riesgo de deslizamiento. Se presenta a continuación el detalle de las dos metodologías aplicadas en este trabajo: Método directo: Se representaron las unidades geomorfológicas como polígonos únicos con una evaluación de campo (uno por cada polígono); se asoció una magnitud del riesgo Capítulo 3 - Pág. 12

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como tabla de atributos. Las características más relevantes consideradas para la determinación del grado de riesgo fueron: evidencias de reciente actividad, tipo de material, pendiente, unidades adyacentes con procesos activos, geomorfología, presencia de riesgo en infraestructura, etc. En base a estos criterios se clasificó cada polígono con: muy bajo riesgo a deslizamientos (áreas donde no se esperan fenómenos extremos en los próximos años), bajo riesgo (áreas donde no se esperan fenómenos extremos en los próximos años, excepto si se realizan inadecuados cambios de infraestructura), moderado riesgo (moderada probabilidad de ocurrir fenómenos extremos que puedan dañar infraestructuras en los próximos años; riesgo es esperado en determinadas zonas y puede definir medidas de estabilización simples y económicas) y alto riesgo a deslizamiento (áreas donde existe una alta probabilidad de fenómenos destructivos a ocurrir en el futuro próximo. La construcción de obras de infraestructura no es recomendada en estas zonas, a menos de disponer de un estudio de detalle). Mapeo indirecto: El método indirecto se basa en una técnica de indización. Se desarrolla una base de datos generando una serie de parámetros locales que se consideran los más importantes para determinar el factor de inestabilidad de pendientes. Se consideran parámetros tales como la pendiente, actividad de deslizamiento, faces de deslizamiento, material implicado, proximidad de canales de drenaje y embalses y cambios de usos del suelo. Cada parámetro se clasifica en clases considerando su relativa influencia en el movimiento de masa. Subsecuentemente se asigna a cada clase un factor de peso. La integración de los distintos factores en un simple índice de riesgo se realiza utilizando el procedimiento basado en una suma lineal pesada que luego se reclasifica para la eventual subdivisión en cuatro clases de riesgos. En este procedimiento, la subjetividad está involucrada al definir los valores de peso, por lo que puede considerarse requerido el uso de un sistema experto. •

Uso del sistema de posicionamiento global (GPS) para monitorear una red de deformaciones dinámicas del suelo en deslizamientos potencialmente activos (Moss J., en Van Westen, 2000): El GPS tiene muchas ventajas con respecto a la topografía convencional para la prevención y mitigación de los desastres por deslizamientos. Una vez que se ha ubicado una red de referencia inicial de marcadores sobre el suelo, la nueva ocupación de las estaciones de reconocimiento determina la deformación del suelo. Esto verifica tanto el límite del bloque del corrimiento como los cambios en la superficie del suelo. Estos cambios pueden ser en forma de deslizamientos lentos a moderados o bien como fallos estructurales a gran escala. Se pueden producir deslizamientos como precursores del fallo de la ladera, ya sea en (i) laderas nuevas que no muestran evidencias de antiguos derrumbamientos, (ii) los corrimientos de tierras activos presentes y (iii) áreas adyacentes a derrumbamientos ya existentes. Las redes se miden empleando GPS estáticos rápidos. El método, que hace posible que se puedan medir muchas estaciones de vigilancia en poco tiempo, proporciona un medio rápido para determinar el mapa tridimensional de la superficie del suelo (del corrimiento de tierras). Un estudio realizado en Gran Canaria estableció una red de referencia inicial en el Barranco de Tirajana, una cuenca de Gran Canaria que contiene pruebas de corrimientos de tierras tanto antiguos como recientes. La reubicación de la red mediante GPS estático rápido reveló una exactitud del campo de aproximadamente

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

10 mm; los datos indicaron que el corrimiento de tierras más reciente es estable en la actualidad. •

Recolección de datos para definir futuros escenarios de riesgo en el deslizamiento Tessina – Italia (Montovani F., Pasuto A., Silvano S. y Zannoni A., en Van Westen, 2000): Se realizaron investigaciones para determinar si el corrimiento del deslizamiento estaba relacionado con factores hidrogeológicos o con estructuras o discontinuidades tectónicas profundas. El trabajo consistió fundamentalmente en el trazado de mapas geológicos y geomorfológicos, recogida de datos meteorológicos, hidrogeológicos y cinemáticos y modelación de datos. Se describió el sistema de monitoreo instalado en el corrimiento de tierras de Tessina y los análisis de los datos adquiridos desde el inicio del proyecto. El principal objetivo era apoyar al grupo que realizaba la modelación proporcionando medidas de los parámetros principales, tales como desplazamientos, variaciones de nivel de las aguas subterráneas, precipitaciones, etc., para mejorar los modelos utilizados para simular el comportamiento del corrimiento de tierras y pronosticar los escenarios de riesgo para los pueblos. Se estudió el período crítico de septiembre a octubre de 1998 y se propuso una posible evolución geomorfológica en el futuro del corrimiento de tierras basándose en el análisis de los datos recopilados. Se analizó la vigilancia en el mantenimiento de un sistema de alerta para la seguridad de la población amenazada por el corrimiento de tierras.

•

Mapa geomorfológico de riesgo de deslizamiento en el área italiana Alpago (van Western C., Soeters R. Y Sijmons K., en Van Westen, 2000): Los mapas geomorfológicos a gran escala de las zonas montañosas se hacen tradicionalmente empleando complicadas leyendas a base de símbolos. En este artículo se presentan dos métodos para la creación de mapas geomorfológicos digitales a gran escala utilizando SIG y un programa de cartografía digital. Los métodos se aplican a un área con un marco geomorfológico complejo en la zona de captación de Borsoia, localizada en la región de Alpago, cerca de Belluno en los Alpes italianos. La configuración de la base de datos del SIG se presenta con una visión general de las capas de datos que se han generado y cómo están interrelacionados. La base de datos SIG se convirtió además en un mapa sobre papel utilizando un paquete cartográfico digital. Se adjunta el mapa de riesgos geomorfológicos a gran escala que se ha obtenido. La base de datos SIG y el producto cartográfico obtenidos se pueden utilizar para analizar el tipo y el grado del riego para cada polígono y encontrar las razones par la clasificación de los riesgos.

3.1.3 Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Definición de Unidades del Paisaje Teniendo como base la revisión del conjunto de trabajos recopilados como antecedentes en el área de “Unidades de Paisaje en el Marco de Estudios de Procesos de Erosión” (Capítulos 2.1 y 2.5), se analizaron en detalle aquellos considerados relevantes para el presente trabajo de tesis. En el área de “Paisaje y Zonificación del Territorio para el Ordenamiento Ambiental y Ecológico-Paisajístico”, se han presentado dos estudios que han sido considerados de interés en el presente: Gallopín (1985) y Sánchez (1991, 1993). El primero es la presentación de una metodología multivariada que está definido por la etapa de discriminación de variables relevantes y definición de los rangos de variación, la etapa Capítulo 3 - Pág. 14

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de caracterización de esas variables, la etapa de reinterpretación y evaluación de las mismas para finalmente realizar el agrupamiento de las unidades espaciales en regiones. La ventaja de esta metodología es trabajar en varias dimensiones, mediante aproximaciones sucesivas. La selección de las variables está en función de los objetivos del trabajo y de los recursos disponibles para lograrlo. El segundo estudio de Sánchez (1991, 1993) define conceptos y criterios básicos para procesar el ordenamiento ecológico-paisajístico que sirven como marco de referencia de este tipo de estudios de zonificación. Si bien estos dos trabajos han sido desarrollados para un objetivo diverso al buscado en la presente tesis, los procedimientos empleados son válidos para determinar el paisaje erosivo en cuencas de montaña, ya que en estos estudios se indica claramente los lineamientos básicos para definir unidades homogéneas. Es motivo de desarrollo, adaptar estos lineamientos al fenómeno que nos ocupa en la presente formulación. Con respecto a las metodologías relevadas para la “Zonificación del Territorio para determinar Riesgo de Erosión”, se han identificdo de interés: ICONA (1982, 1989), Albadalejo et al. (1988), CORINE (1992) y RUNOUT (van Westen, 2000). Las variables consideradas en las tres primeras metodologías presentadas son básicamente las mismas: relieve, clima, suelo, vegetación y uso del suelo. En estos modelos, las variables son integradas y evaluadas en forma espacial, tendiendo siempre a determinar el riesgo a la erosión, con el interés principal basado en el uso agrícola del territorio. Se debe destacar que no se vislumbra que estas metodologías sean aplicables a zonas de montaña, ya que las pendientes por arriba de 30% (y el 60%) son agrupadas en una sola clase. Se trata de metodologías que sirven como marco de referencia pero que no son aplicables directamente a la presente tesis. Se destacan sin embargo los estudios realizados en el marco del proyecto RUNOUT, donde se evalúa el riesgo de deslizamientos utilizando los parámetros de pendiente, actividad de deslizamiento, fases de deslizamiento, material implicado, proximidad a canales de drenajes y cambios de usos de suelo, combinados empleando técnicas de evaluación multicriterio. La definición de unidades de paisaje es una metodología de remarcado interés en estudios de zonificación de riesgo a deslizamiento, donde se disponga de cartografía de detalle. En la presente tesis se define una nueva metodología para la determinación de unidades de paisaje en cuencas de montaña, combinando las técnicas presentadas en este desarrollo, e implementándolas en modo compacto en un sistema de información geográfica. En la prueba de concepto de la presente tesis se ejemplifica la aplicación del siguiente modo: se discriminan las unidades de estudio en función de los factores que intervienen en el proceso erosivo, combinando básicamente las propuestas metodológicas de Gallopín (1985), Albadalejo (1988) y RUNOUT (van Westen, 2000). Se reclasifica la cartografía existente y se realiza la etapa de integración mediante un modelo cualicuantitativo y un modelo probabilístico. El modelo probabilístico permite determinar las variables relevantes, a ser consideradas para la definición de la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. La formulación metodológica propuesta tiene una base causal ya que las variables que intervienen han sido seleccionadas como significativas en la producción de sedimentos. El ajuste realizado en la prueba de concepto es un ejemplo de aplicación pero este ajuste no puede ser generalizado ya que el método debe ser implementado/ajustado/verificado Capítulo 3 - Pág. 15

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en cada caso en particular; esto hace que no sea transferible el ajuste a cualquier otra región. Sin embargo, el modelo calibrado a nivel local/subcuenca será sencillamente extrapolado tanto horizontalmente (en la misma escala) como verticalmente (a nivel regional/cuenca) dentro de la misma zona de estudio. Resumiendo: queda planteado de este modo el primer eslabón metodologico para la zonificación del territorio con vistas a definir grados de susceptibilidad a la erosión, mediante la definición de paisaje erosivo, utilizando el método cuali-cuantitativo y un modelo probabilístico. La formulación metodológica y la prueba de concepto será realizada a nivel local/subcuenca y será transferida a nivel regional/cuenca, verificando la validez de la extrapolación. 3.2

EVOLUCIÓN DEL PAISAJE Y PARÁMETROS MORFOLÓGICOS

3.2.1

Introducción

La evolución del paisaje fluvial está controlada por la densidad y estructura de la red de drenaje, que mueve tanto el agua como el sedimento a través del territorio (Dietrich y Dunne, 1993). La ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento es una importante característica morfológica del paisaje ya que esta relacionada con la relativa magnitud del aporte de sedimentos y la erosión potencial debida al escurrimiento. Las fluctuaciones del clima y uso de suelo podrán cambiar significativamente la ubicación de la iniciación de los cauces y afectar las tasas de escurrimiento, erodibilidad superficial y aporte de sedimentos. Para analizar la evolución del paisaje se deben citar las primeras teorías que se basan en “la hipótesis de Gilbert” y “la hipótesis de Horton”, las cuales se presentan brevemente a continuación. En una serie de publicaciones de 1877 y 1909, Gilbert considera que la erosión de las cumbres es un proceso controlado solo por la pendiente tendiendo a una forma convexa, mientras que la evolución de los valles es función de la pendiente y del escurrimiento. Se puede expresar entonces que según Gilbert (1909), y estudios posteriores de Howard (1994), la evolución de la morfología del paisaje se desarrolla: -

desde las zonas altas, con perfiles convexos, donde predominan procesos dispersivos (o difusivos/divergentes) que dependen fundamentalmente de la pendiente,

-

hacia las zonas bajas, con perfiles cóncavos (o incisivos/convergentes) donde predominan procesos concentrados que están en función del caudal y la pendiente.

Horton en 1945 propuso, en cambio, que la erosión y subsecuentemente el desarrollo de los valles solo ocurre cuando el flujo superficial excede un umbral de resistencia de la superficie del suelo. Formuló entonces una teoría cuantitativa que predice esta distancia umbral xc desde la divisoria de agua a partir de la cual se inicia el proceso incisivo. A partir de dichos estudios realizados por Horton sobre la relación entre la ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento y la evolución morfológica, numerosos trabajos siguieron esta línea de investigación. Durante las últimas décadas, los trabajos desarrollados en este sentido han sido: Schafer (1979), Montgomery y Dietrich (1988), Montgomery (1991), Dietrich y Dunne (1993), Rigon et al. (1993), Howard (1994) y Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). A continuación son tratados en detalle aquellos considerados de mayor relevancia para la presente tesis. Capítulo 3 - Pág. 16

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La expresión de este fenómeno basado en parámetros morfológicos, fue presentada por Dietrich y Dunne (1993) como: qs = f(S) qs = f(S) + f(q,S)

xxc

por encima del inicio de cauces, y aguas abajo del inicio de cauces.

donde qs es el flujo de sedimento, S es la pendiente, q es el caudal líquido y xc es una distancia límite a partir de la cual se verifica el transporte de sedimento por procesos incisivo. Expresando el caudal qs y el umbral xc en función del área de aporte, las nuevas relaciones serían: qs = f(S) qs = f(S) + f(A,S)

AAc

por encima del inicio de cauces, y aguas abajo del inicio de cauces.

donde A es el área de aporte al sitio de estudio y Ac es el umbral del área para la iniciación del transporte de sedimento por proceso incisivo. Esto significa que, como concepto de base, se debe considerar que el área de aporte y la pendiente son parámetros morfológicos que expresan procesos erosivos en el paisaje, en función directa de la saturación del suelo, escurrimiento superficial e inestabilidad de la pendiente. Los parámetros morfológicos mencionados están asociados a cada elemento en que se subdivide el área de análisis. El Gráfico 3.1 representa el área de aporte que corresponde a un elemento determinado, mostrando además lo que se considera como tubo de flujo a nivel superficial y subsuperficial. Gráfico 3.1: Representación del área de aporte en función del elemento en estudio (Fuente: Wu y Sidle, 1995)

Con el objeto de investigar la relación entre área de aporte y pendiente local con la determinación del lugar de iniciación de cauces, Montgomery y Dietrich (1992) ilustraron datos de distintas cuencas ubicadas en la costa oeste de Estados Unidos. (Gráfico 3.2). El Gráfico 3.2 muestra claramente que la cabecera de los cauces puede ser definida por una función de estos valores topográficos (área de aporte y pendiente). La forma de esta Capítulo 3 - Pág. 17

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relación estará en función del proceso (escurrimiento superficial o movimientos de masa) mientras que la posición será función del clima y la vegetación. Gráfico 3.2: Relación entre área de drenaje y pendiente local; datos de campo en: (a) costa de Oregon, (b) norte de California y (c) sur de California. (d) diagrama representativo de la relación entre las variables analizadas y el tipo de escurrimiento. Signos: ○ valles sin cauces; ● iniciación de cauces; ∆ bajo orden de encauzamiento. (Fuente: Fractal River Basins, Rodríguez Iturbe y Rinaldo, 1997)

Existen numerosos mecanismos que generan la iniciación de los cauces. Una clasificación elaborada sobre este concepto fue presentada por Dietrich y Dunne en 1993. En forma simplificada se puede considerar la iniciación de los cauces en función del escurrimiento superficial y los movimientos de masa, según se presenta en la Gráfico 3.3. Este nuevo umbral en el gráfico area-pendiente estará determinado por el tipo de suelo y la vegetación. El desarrollo de modelos digitales del terreno ha permitido analizar cuantitativamente el paisaje, dando además la oportunidad de observar la relación entre procesos de transporte de sedimentos y forma del paisaje. Estudios simplificados (Dietrich et al., 1992, Montgomery y Dietrich, 1994) utilizan solamente el ángulo interno de fricción del suelo φ para delimitar entre escurrimiento superficial y movimientos de masa; en este caso el valor límite está definido por la pendiente igual a la mitad del ángulo de fricción interna. Gráfico 3.3: Ilustración de la relación área de aporte-pendiente (Fuente: Montgomery y Dietrich, 1994)

Capítulo 3 - Pág. 18

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Por otra parte, una de las conclusiones del trabajo de Dietrich y Dunne (1993) expresa que la simple relación entre el área de drenaje y la pendiente local parece dar una inmediata aproximación del proceso de la formación de cauces, principalmente en paisajes áridos. Este concepto es desarrollado con mayor detalle en estudios tales como Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Estos principios son la base de una línea de investigación dirigida a la zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que tienen en cuenta parámetros morfológicos tales como área de aporte y pendiente local. Como primera etapa se pueden citar las relaciones simplificadas entre estos parámetros morfológicos que son función del escurrimiento superficial y tensión de corte. Una formulación más elaborada, se basa en los umbrales de erosión que podrán definir zonas con movimientos de masa, erosión superficial y áreas estables, caracterizando los diferentes grados de susceptibilidad a distintos tipos de erosión. 3.2.2

Métodos de Interés

Las metodologías de interés para el análisis de evolución del paisaje y parámetros morfológicos con el objeto de estudios de procesos de erosión en cuencas de montaña son presentadas en el Esquema 3.7 y descriptas a continuación. Esquema 3.7: Metodología de interés utilizando parámetros morfológicos Objeto del Estudio

Estudios de Interés

Relaciones Simplificadas entre Área de Aporte y Pendiente Local

Dietrich y Dunne (1993), Montgomery y Dietrich (1989, 1992, 1994), Howard (1994) y RodríguezIturbe y Rinaldo (1997); Rafaelli et al.(2001).

Zonificación del Territorio en base a Umbrales de Erosión

Dietrich et al. (1992), Moore et al. (1988), Vertessey et al. (1990), Tarboton et al. (1991), Rafaelli et al.(2001).

3.2.2.1 Relaciones Simplificadas entre Área de Aporte y Pendiente Local Numerosos investigadores han desarrollado trabajos considerando la relación área de aporte-pendiente en cauces: Flint (1974), Gupta y Waymire (1989), Tarboton et al. (1989) y Willgoose et al. (1991). En general se trata de establecer una relación de la forma: A * Sα = constante donde A es el área de aporte al punto de interés, S es la pendiente media del área aguas arriba del punto de interés y α es un coeficiente de escala. Desde el punto de vista de morfología fluvial, se realizan trabajos tratando de determinar la intensidad de erosión y/o el inicio del transporte de sedimento por procesos incisivo. Los avances recientes han sido presentados por: Dietrich y Dunne (1993), Montgomery y Dietrich (1989, 1992, 1994), Howard (1994) y Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Montgomery y Dietrich (1994) afirman que el escurrimiento superficial hortoniano (definiendo que todo lo que escurre es agua precipitada) controla la formación de cauces en paisajes áridos y semiáridos. Teniendo como base esta formulación, la iniciación del encauzamiento debida a escurrimiento superficial puede ser generada bajo régimen Capítulo 3 - Pág. 19

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laminar o turbulento. Los autores consideran que en superficies no-encauzadas el escurrimiento superficial generalmente es laminar (Dunne y Dietrich, 1980; Ried, 1989) y que la iniciación de cauces puede estar asociada a régimen turbulento o condiciones de flujo supercrítico (Slattery y Bryan, 1992)1. A pesar de que flujos sobre suelo desnudo pueden ser turbulentos (Emmett, 1970), aun en altas velocidades de escurrimientos sobre pasto se encuentran flujos laminares (Dunne y Dietrich, 1980 y Reid, 1989). En consecuencia, se han desarrollado modelos para escurrimiento superficial bajo régimen laminar y turbulento. La formulación desarrollada por Montgomery y Dietrich (1994) para escurrimiento superficial - flujo hortoniano se puede presentar de la siguiente forma: 2τ cr2 a 2 RÉGIMEN LAMINAR S = b qc kν ρ w3 g 2

τ cr5 / 3 a 7/6 RÉGIMEN TURBULENTO S = 5/3 b q c (ρ w g ) n donde la relación a/b indica el área de aporte por unidad de ancho, S es la pendiente de la superficie del escurrimiento superficial, τcr es la tensión critica, n es el coeficiente de resistencia de Manning, k es el coeficiente de rugosidad superficial, ν es la viscosidad cinemática, qc es el escurrimiento critico, ρw es la densidad del agua y g es la aceleración de la gravedad. Por otra parte, se puede deducir una relación a partir de la tensión de corte crítica cuya expresión es τ = ρ g d S donde ρ es la densidad del fluido, g aceleración de la gravedad, d es la profundidad del escurrimiento superficial y S pendiente del escurrimiento. Considerando que la profundidad d puede ser calculada como el área transversal del escurrimiento divida el ancho b y que a su vez el ancho puede ser considerado como una función de la raíz cuadrada del área (función empírica de hidráulica geométrica: b=cte A0,5,siendo cte una constante), se puede deducir que

τ cr = ρ g cte A 0,5 S ⇒

A 0,5 S = f (τ cr )

Significa que el relación del A0,5*S dará un orden de magnitud de la tensión de corte para iniciar el encauzamiento del escurrimiento. Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997) demuestran con una formulación rigurosa que la tensión crítica en un sitio es función del área de aporte y de la raíz cuadrada del área. De este modo se puede concluir que las relaciones simplificadas para determinar la intensidad del fenómeno erosivo pueden ser presentadas como: • A * S2 ~ escurrimiento superficial – régimen laminar • A * S1 ~ escurrimiento superficial – régimen turbulento • A * S0,5~ tensión de corte crítica donde A es el área de aporte (que puede ser considerada también como área por unidad de ancho: a/b) y S es la pendiente local. 1

Esto abarca parte del espectro de situaciones profundidad-velocidad-régimen combinadas existentes en la naturaleza (Chow, 1959). Capítulo 3 - Pág. 20

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3.2.2.2 Zonificación del Territorio en Base a Umbrales de Erosión El desarrollo de modelos digitales del terreno ha permitido analizar cuantitativamente el paisaje, dando además la oportunidad de observar la relación entre procesos de transporte de sedimentos y formas del paisaje. Dietrich et al. (1992) propusieron una técnica gráfica para caracterizar el paisaje utilizando estos modelos digitales del terrenos y aplicando teorías de procesos de transporte de sedimentos y formas del paisaje (ej. Moore et al., 1988; Vertessey et al., 1990; Tarboton et al., 1991; Rafaelli et al., 2001). Esta metodología se basa en tres ecuaciones simples que predicen umbrales de saturación del suelo, inestabilidad de la pendiente y escurrimiento superficial en suelo saturado. Los valores umbrales se definen del siguiente modo: •

Saturación del suelo: considerando un escurrimiento subsuperficial poco profundo y paralelo a la superficie del suelo, el subsuelo estará saturado si la precipitación efectiva (descontada la evaporación y el drenaje profundo) q, sobre el área de aporte a, iguala o excede el máximo escurrimiento que puede conducir la capa superficial. Este escurrimiento puede ser calculado como el producto de la transmisividad T, la pendiente superficial S y la unidad de ancho del elemento a lo largo del cual la cuenca drena, b (O’Loughlin, 1986). a T ≥ S b q Los elementos en los cuales el área por unidad de ancho, a/b, iguale o exceda el termino de la derecha en la ecuación presentada, estarán saturados.

•

Inestabilidad de pendiente: considerando un simple modelo hidrológico acoplado a un modelo de estabilidad de pendiente propuesto por Dietrich et al. (1986) y modificado por Montgomery y Dietrich (1989), se puede definir: a ϕs ≥ b ϕw

 tan θ  T 1 −  S  tan φ  q

donde la inestabilidad de la pendiente ocurre cuando a/b iguala o excede el término de la derecha, el cual varía con la pendiente del suelo (tan θ ) con el ángulo de fricción interna (tan φ), la transmisividad T, la precipitación efectiva q y la pendiente S. Los valores ρs y ρw corresponden a la densidad del suelo y del agua respectivamente; Dietrich et al. (1992) considera ρs=2 ρw . El modelo hidrológico es hidrostático y por lo tanto considera que la excesiva presión de los poros no es tenida en cuenta y todas las pendientes menores de 0,5 tanφ son estables, aunque estén saturadas. Las áreas con valores de pendientes mayores al ángulo de fricción son consideradas incondicionalmente inestables. •

Escurrimiento superficial en suelo saturado: el modelo simplificado de escurrimiento superficial está dado por la diferencia entre qa y TSb; definiendo que toda el agua que no puede ser transportada como escurrimiento subsuperficial poco profundo es considerada como escurrimiento superficial. Para una determinada pendiente, esta ecuación puede ser resuelta cuando el escurrimiento alcanza una Capítulo 3 - Pág. 21

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profundidad que genera una tensión de corte mayor a la tensión de corte límite de la superficie. Para qa-TSb=udb, τc=ρwgdS, u=(2gdS/f)0.5, y f=Kν/ud, el umbral de erosión derivada es el siguiente: a α T ≥ 2 + M b qS q donde, α=2x10-4τc3K-1 , τc es la tensión critica de borde, K es la rugosidad que se relaciona entre el factor de fricción f, y el numero de Reynolds (velocidad, u, multiplicado por la profundidad, d, y dividido por la viscosidad cinemática ν que caracteriza el flujo laminar en praderas (Dunne y Dietrich, 1980; Wilson, 1988). La aceleración de la gravedad g, es una constante para la temperatura del agua 10°C. En el Gráfico 3.4 se representan los umbrales aquí definidos, evidenciando las siguientes zonas: • Zonas no saturadas -(a) zona no saturada estable -(b) zona no saturada con movimientos de masa • Zonas con suelo saturado (SOF: “Saturation Overland Flow”), que se dividen a su vez en: -(c)zona con suelo saturado sin erosión superficial -(d) zona con suelo saturado con erosión superficial -(e) zona con suelo saturado con erosión superficial y movimientos de masa. Gráfico 3.4: Definición de umbrales de erosión (a) zona no saturada estable, (b) zona no saturada con movimientos de masa, (c)zona con suelo saturado sin erosión superficial, (d) zona con suelo saturado con erosión superficial, (e) zona con suelo saturado con erosión superficial y movimientos de masa.

(Fuente: Dietrich et al., 1992)

Área de Drenaje (m2)

Pendiente (m/m)

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3.2.3

Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Evolución del Paisaje y Parámetros Morfológicos

Los métodos relacionados a parámetros morfológicos que se han considerado de interés, están basados en el principio de que la evolución del paisaje está controlada por la densidad y estructura de la red del drenaje. Siguiendo esta línea de pensamiento, la ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento es una importante característica morfológica del paisaje que está relacionada con la relativa magnitud del aporte de sedimentos y la erosión potencial debida al escurrimiento. Por esta razón, se investigó la relación entre área de aporte y pendiente local con el objeto de determinar la iniciación de cauces. Como consecuencia, surge una línea de investigación dirigida a la zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que tiene en cuenta los mencionados parámetros morfológicos. Como primera etapa se consideran las relaciones simplificadas entre pendiente local y área de aporte. Posteriormente, se presenta como formulación más elaborada, los umbrales de erosión que permiten definir zonas con movimiento de masa, erosión superficial y áreas estables, caraterizando los diferentes grados de susceptibilidad a distintos tipos de erosión. En detalle, se puede mencionar que la primera formulación presentada considera las relaciones simplificadas entre área de aporte y pendiente local, estableciendo la conexión entre estos parámetros morfológico y la iniciación del encauzamiento del escurrimiento, según los estudios de Dietrich y Dunne (1993), Montgomery y Dietrich (1994), Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Esta metodología es de simple implementación si se dispone de un modelo digital del terreno; en este caso los parámetros morfológicos son de directa determinación. El desarrollo de esta formulación fue realizado en ambientes con reducida variación de los parámetros de clima y uso del suelo, lo que evidencia una limitación fundamental para su aplicación directa en el presente trabajo de tesis. En consecuencia, se propone una modificación de los modelos mencionados, considerando la vegetación y permitiendo de este modo incorporar una nueva variable al análisis. La formulación con relaciones simplificadas está basada en relaciones causales (magnitud de la tensión de corte crítica para iniciar el encauzamiento del escurrimiento y formulación de escurrimiento superficial flujo hortoniano en régimen laminar y turbulento) y tiene la notable ventaja de admitir la transferencia a través de escalas por ser una formulación generalizada. La segunda metodología presentada se relaciona con los umbrales de erosión que permiten definir zonas con movimientos de masa, erosión superficial y áreas estables, caracterizando los diferentes grados de susceptibilidad de los distintos tipos de erosión (Dietrich et al., 1992). Además de los parámetros morfológicos de pendiente y área de aporte, este modelo requiere la determinación de parámetros que definen la saturación del suelo (ej. transmisividad), la inestabilidad de pendiente (ej. ángulo de fricción interna, densidad del suelo) y el escurrimiento superficial en suelo saturado (ej. tensión crítica, rugosidad, profundidad del suelo). La disponibilidad de esta información condiciona la posibilidad de aplicación. En la presente tesis se propone el análisis a escala local/subcuenca donde se dispone de información básica de detalle. Esta metodología genera resultados con información de detalle sobre los distintos tipos de erosión (deslizamiento, escurrimiento superficial, erosión superficial, etc.) pero es Capítulo 3 - Pág. 23

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necesario disponer de un mayor número de datos básicos para definir los umbrales de erosión; esto genera una acotada posibilidad de transferir la metodología a través de las escalas. Resumiendo: ambas metodologías serán utilizadas en la presente tesis. Las relaciones simplificadas serán implementadas tanto a nivel local/subcuenca como a nivel regional/cuenca, permitiendo verificar la validez de la extrapolación de la metodología. El modelo de umbrales sólo será implementado a nivel local/subcuenca debido a la restricción en la calidad de la información existente en la zona donde se realiza la prueba de concepto a nivel regional. Sin embargo, la aplicación a nivel local/cuenca permitirá observar la calidad de los resultados donde se pueden distinguir zonas con deslizamientos, zonas con escurrimiento superficial sin erosión, zonas con escurrimiento superficial y erosión, y zonas con erosión superficial y movimientos de masa. 3.3

EROSIÓN HÍDRICA:MÉTODOS Y MODELOS PARA SU ESTIMACIÓN

3.3.1 Introducción El estado del conocimiento de los métodos y modelos existentes para la estimación de erosión hídrica fue presentado en el capítulo 2.3. Teniendo el marco de la producción de sedimentos por erosión hídrica en cuencas de montaña, considerando como base las unidades de paisaje, se debe hacer referencia a los métodos de interés que consideren, por un lado la erosión superficial y por el otro los movimientos de masa. Como primera etapa se describen los métodos para la estimación de la degradación específica. Luego se hace una breve descripción de los modelos hidrológicosedimentológicos que existen en la actualidad, para finalizar con los modelos que se basan en la estabilidad de pendiente. Estos últimos son los modelos de especial interés en este estudio ya que el marco del análisis son áreas de montaña. 3.3.2Métodos de Interés A los efectos de ordenar la presentación, las metodologías de interés han sido agrupadas por métodos y modelos según se detalla en el Esquema 3.8. Esquema 3.8: Metodología de interés para la Modelación de la Erosión Hídrica Métodos-Modelos

Estudios de Interés

Métodos que tienen como principal elemento la Estimación de la Degradación Específica

Métodos Estadísticos: Fournier (1960, 1962) Jansen y Painter (1974) Dendy y Bolton (1976) Ciccacci et at. (1987) Das y Agarwal (1990) Almorox (1993) Métodos Paramétricos: Zingg (1940), Hudson (1961), Musgrade (1947). USLE (Wischmeier y Smith, 1978) (+) MUSLE (Williams, 1975) (+) RUSLE (Renard et al.,1991) (+) Gavrilovic (1959-1988) - Zemljic (1977) Djorovic y Gavrilovic (1974) Harris y Boardman (1998)

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Esquema 3.8 (continuación) Métodos-Modelos

Estudios de Interés

Unión de Modelos Hidrológicos y Modelos de WEPP - Water Erosion Prediction Project (Foster y Lane, 1987; Nearing et al., 1990; Flanagan y Erosión Hídrica Nearing, 1995; Soto y Dias Fierros, 1998; Brazier et al., 2001) (+) EUROSEM – European Soil Erosion Model (Quinton, 1997; Morgan et al., 1998; Folly et al., 1999) (+) Familia de Modelos MEDALUS: MEDBRUSH y CSEP. (Kirkby et al., 1998; Kirkby y Mc.Mahon, 1999) (+) EPIC – Environmental Policy Integrated Climate – antes conocido como Erosion Productivity Impact Calculator (Williams, 1995) (+) SWRRB – Simulator for Water Resources in Rural Basins (Arnold et al., 1995; Williams et al. 1985) (+) AGNPS – Agricultural Nonpoint Source Pollution Model (Young et al., 1987, Young et al., 1995, Theurer et al., 1999) (+) TAPES-G/EROS (Galland y Wilson , 1996; Wilson y Gallant, 1996) LISEM – Limburg Soil Erosion Model ( De Roo et al., 1996 y 1998; De Roo y Jetten, 1999) (+) ANSWERS soil erosion model (De Roo y Walling, 1994) GAMES (Rudra et al., 1986). SHE-SHESED (Bathurst et al., 1995; Lukey et al., 2000) GUEST – Griffith University Erosion System Template (Misra y Rose, 1990; Rose et al., 1998) Unión de Modelos Hidrológicos y Modelos de Estabilidad de Pendiente

(+)

SHALSTAB (Dietrich et al., 1993; Montgomery y Dietrich, 1994) (+) Modelo presentado por Wu y Sidle (1995)

Ver página WEB (Capítulo 7 – Direcciones visitadas en Internet)

3.3.2.1 Métodos que tienen como principal elemento la Estimación de la Degradación Específica Métodos Estadísticos para la Estimación de Degradación Específica Método de Fournier (1960, 1962) Este método trata de evaluar la degradación específica de una cuenca, con base en sólo dos factores que intervienen en el fenómeno de erosión hídrica: el clima (como precipitación y temperatura) y el relieve. Estudiando numerosas cuencas en todo el mundo concluyó que: •

la abundancia pluvial no es suficiente por sí sola para justificar la degradación específica de una cuenca; Capítulo 3 - Pág. 25

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•

una misma degradación puede ser debida a escorrentías muy diferentes;

•

las cuencas que registraban una degradación específica elevada tenían un desigual reparto de la precipitación y una concentración de la lluvia en un período corto. Sin embargo las cuencas con un régimen de precipitaciones más uniforme tenían degradaciones inferiores.

Después de estudiar varios coeficientes llego a la conclusión de que el índice que mejor se correlacionaba con la degradación específica era aquél que relaciona la abundancia con la concentración, estableciendo el “índice de agresividad climática de Fournier” F: F = p2/P donde p es la precipitación caída en el mes más lluvioso del año (en mm) y P es la precipitación anual (en mm). La evaluación del factor clima por medio del índice de Fournier se complementa con el tipo de clima de la cuenca según la clasificación de Turc. Según la clasificación de Turc, las zonas climáticas se establecen de acuerdo a ciertos criterios, definiendo desde zona húmeda (criterio P> 0,632 L) zona semiárida (criterio 0,316 L< P < 0,632 L) y árida (P< 0,316 L), donde P es la precipitación media anual (en mm), L= (300 + 25 tm + 0,05 tm3) y tm la temperatura media anual en °C. El relieve se caracteriza por medio del coeficiente orográfico (H*tg α), donde H es la altura media de la cuenca, siendo ésta la ordenada media de la curva hipsométrica referida a la cota mínima de la cuenca y tg α es un coeficiente igual a la altitud media dividida por la superficie de la cuenca. Según estos criterios, se definen cuatro clases de cuencas (de A a D) en función del coeficiente orográfico y el índice de agresividad climática de Fournier. Finalmente, la degradación específica en cada cuenca se obtiene mediante una correlación entre la degradación específica Y (en t/km2/año) y el factor de Fournier F (en mm). Con estos principios este autor también desarrolla una fórmula que predice el transporte de sedimentos (1962): Log10 DS = 2,65 log10 (p2/P) + 0,46 log10 (H2/S) - 1,56 donde DS es el aforo de sedimentos suspendidos (en t/km2/año), p es la precipitación caída en el mes más lluvioso del año (en mm) y P es la precipitación anual (en mm), H es el relieve medio de la cuenca o diferencia entre la altitud principal y la altitud media (en m) y S el área de captación (en km2). Fournier utilizó esta fórmula para computar las tasas de denudamiento continental y advirtió que puede llegarse a conclusiones engañosas en áreas en donde el deslave pluvial intensivo se acompaña de la formulación de extensas pendientes coluviales. Método de Jansen y Painter (1974) Se basa en cuatro ecuaciones de regresión para cuencas mayores de 5000 km2 que pueden ser aplicadas para diferentes climas y topografías. El volumen de sedimentos producidos se incrementa con la escorrentía, altitud, relieve, precipitación, temperatura y susceptibilidad del material. La longitud se evalúa considerando la longitud del cauce principal, el relieve se define como la diferencia en metros entre la altitud del punto de

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toma de sedimentos y la altitud de la divisoria de agua de la cabecera del cauce principal. Se definen 4 zonas climáticas: A) tropical lluvioso, el mes más frío tiene una temperatura media mayor de 18°C, B) seco, C) húmedo mesotérmico; el mes más frío tiene una temperatura media superior a los 0°C y el mes más cálido por encima de los 10°C, D) húmedo mesotérmico; el mes más frío tiene una temperatura media por debajo a los 0°C y el mes más cálido por encima de los 10°C. Las ecuaciones de regresión definidas en función de la zona climática, son: Clima A Clima B Clima C Clima D

log10 Y = 4,354 + 1,527 log10 D - 0,302 log10 A + 0,296 log10 Lr - 3,417 log10 T log10 Y = -10,133 - 0,34 log10 D + 1,59 log10 H + 3,704 log10 P + 0,936 log10 T - 3,49 log10 V log10 Y = -6,678 + 1,003 log10 D + 0,686 log10 Lr + 4,287 log10 T - 5,031 log10 V log10 Y = -5,073 + 0,514 log10 H + 2,195 log10 P - 3,706 log10 V + 1,449 log10 G

donde: Y es el sedimento (en tn/km2), A el área de la cuenca (en km2), D la escorrentía (en m3/km2), Lr la relación relieve-longitud (en m/km), T la temperatura media anual (en °C), H la altitud sobre el nivel del mar, P la precipitación media anual (en mm), V la protección de la vegetación (V=4:arbolado, V=3:pradera, V=2:estepa, V=1:desierto) y G la resistencia a la erosión según la litología (G=3: Paleozoico, G=5:Mesozoico, G=6:Cenozoico y G=2:Cuaternario). Método de Dendy y Bolton (1976) Se proponen relaciones entre volúmenes de sedimentos depositados, escorrentía y superficie. En las ecuaciones propuestas expresan la relación entre volumen de sedimentos producidos, escorrentía y superficie: • Para escorrentia inferior a 50 mm/año: S = (Q/50,8)0,46 . [1,43 - 0,26 log (A/2,59)] • Para escorrentía superior a 50 mm/año: S = 685,79 e-0,11(Q/50,8) . [1,43 - 0,26 log (A/2,59)] donde S es el volumen de sedimentos producidos en t/km2/año, Q es la escorrentía media anual en mm y A es el área de la cuenca en km2. El uso de la ecuación para diferentes áreas a las de diseño (800 embalses en EEUU) pueden dar valores erróneos, debido a la gran variabilidad causada por factores locales no considerados en las ecuaciones de base. Método de Ciccacci et al. (1987) Se presenta una ecuación de regresión base para determinar la degradación específica en función de la densidad de drenaje, que fue ajustada para cuencas italianas. Esta ecuación se modifica teniendo en cuenta otros parámetros de la cuenca, introduciendo el índice de Fournier y el caudal. La ecuación de regresión resultante propuesta por el autor es: log10 Tu = 1,52390 + 0,33708 D donde Tu es la degradación específica en t/km2/año, D la densidad de drenaje en km. La ecuación presentada se modifica teniendo en cuenta otros parámetros de las cuencas, notando un mejor ajuste en las siguientes aplicaciones: Capítulo 3 - Pág. 27

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• Introduciendo el índice de Fournier (p2/P), se tiene un parámetro geomorfológico y otro climático: log10 Tu = 1,47963 + 0,32800 D + 0,00200 p2/P • Considerando la descarga líquida Q en m3/s: log10 Tu = 1,53324 + 0,32327 D + 0,00430 Q Método de Das y Agarwal (1990) Se presenta una ecuación de regresión desarrollada en base a 15 hidrogramas sólidos y líquidos en una cuenca torrencial del Himalaya (India) ln I = 0,99 ln Q - 6,15 Los valores obtenidos con la ecuación se mostraron acordes con los observados, excepto cuando los valores de degradación específica eran elevados. Es importante destacar que los resultados de la aplicación de este método estadístico y el de los autores Dendy y Bolton son válidos en las condiciones locales donde fueron diseñados. Método de Almorox (1993) El estudio estadístico de parámetros climatológicos y geomorfológicos estudiados, concluye que la degradación específica depende de la pendiente media del cauce y las intensidades máximas de precipitación. Propone una ecuación de regresión en función del número de días de lluvias al año y de la precipitación máxima en 1 hora con período de retorno de 10 años. Llega a establecer que la pluviometría media anual no es suficiente para definir la degradación de una cuenca. El reparto de la lluvia afecta más a la erosión que el valor de la lluvia media anual, siendo mayor la degradación específica de una cuenca cuanto menor es el número de días de lluvia, a lo que contribuye no sólo la mayor intensidad de la lluvia sino también la falta de protección por la vegetación. La erosión alcanza un máximo donde la lluvia es intensa y la cubierta vegetal están desfasadas, como suele ocurrir en los climas semiáridos. La formulación es: S = e [10,475 + 2,795 ln (P1.10) - 3,16 (tm) - 1,788 (N)] donde S es la degradación específica de la cuenca en t/km2/año, tm es la temperatura media en °C, N es el número medio de días de lluvia anual y P1.10 es la precipitación máxima en 1 hora con período de retorno de 10 años; el coeficiente de regresión de 0,62 (significativo al 99%), como la más aproximada a los datos reales de degradación específica en las cuencas fluviales españolas. Métodos Paramétricos para la Estimación de Degradación Específica Metodologías Desarrolladas durante la Primera Mitad del Siglo: Zingg (1940), Hudson (1961), Musgrade (1947). El interés por conocer acerca de los peligros de erosión del suelo hizo que, ya a principios de siglo, se iniciaran los estudio en el tema. Sin embargo, los resultados de Capítulo 3 - Pág. 28

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las investigaciones científicas de tipo paramétrico se comenzaron a obtener recién en la década del `30. Durante este período, se obtuvo una noción elemental de los factores que afectaban a la erosión. La importancia del impacto de la gota de lluvia en el proceso de erosión no se apreció plenamente hasta que se publicaron estudios sobre precipitación pluvial natural y el análisis de la acción mecánica de las gotas de lluvia. Zingg en 1940 , por medio del uso de parcelas en condiciones simuladas de campo y de precipitación pluvial, demostró que al duplicar el grado de pendiente aumentaba la pérdida del suelo de 2,61 a 2,80 veces y duplicando la longitud horizontal de la pendiente aumentaba la pérdida del suelo por escurrimiento a 3,03 veces. Esta relación la expresó de la siguiente manera: A = C Sm Ln-1 donde A es la pérdida de suelo promedio por unidad de área en una pendiente de terreno de ancho único; C es una constante de variación; S es el grado de pendiente del terreno; L es la longitud horizontal de la pendiente del terreno; m y n son coeficientes. Zingg propuso valores de 1,4 y 1,6 para m y n respectivamente. La constante C, combina efectos de precipitación pluvial, suelo, cultivos y manejo de suelos. Una de las desventajas de la ecuación de la inclinación de la pendiente según Zingg fue que la pérdida de suelo en pendientes de menos del 4% tuvo una predicción inferior y la pérdida de suelo de cero se computó para una pendiente de 0%. A raíz de lo anterior, se propuso una ecuación de la siguiente forma: A = a + b Sn donde A es la pérdida de suelo promedio por unidad de área en una pendiente de terreno de ancho único; S es el grado de pendiente del terreno; a, b y n son constantes. Estos autores también presentaron un método para estimar la pérdida de suelo en suelos arcillosos (como los de Missouri), haciendo uso de los efectos de la pendiente, inclinación y longitud de ésta, rotaciones de cultivo, prácticas de conservación y grupos de suelos. La ecuación presentada fue: A=CSLKP donde; A es la pérdida anual promedio de suelo, C es la pérdida promedio de suelo por rotación anual en las parcelas y S, L, K y P son multiplicadores que ajustan la pérdida de suelos de las parcelas C, para la inclinación de las pendientes, longitud y grupo de suelo, así como práctica de apoyo para la conservación respectivamente. Es interesante hacer notar que esta ecuación es similar en forma a la Ecuación Universal de Suelos que se adoptará 11 años después. Sin embargo, la ecuación no contiene un factor de precipitación pluvial por separado. En 1956 se propuso un procedimiento para evaluar la pérdida de suelo haciendo uso de dos tablas de factores: una que incluía los efectos del tipo de suelo, pendiente, así como la utilización de prácticas mecánicas, y una segunda tabla incluía los efectos de la erodibilidad del suelo, la erosión previa, la rotación de cultivos, manejo e intensidad y frecuencia de una precipitación pluvial de 30 minutos.

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En 1954 la investigación para la predicción de erosión de suelos se consolidó en un esfuerzo cooperativo que tenía por objeto superar muchas de las desventajas inherentes a los proyectos de investigación local o regional. Se compilaron datos de investigación de la erosión en más de 8000 parcelas de 36 localidades de 21 estados. Se hizo una reevaluación de los diversos factores que afectaban la pérdida de suelo (Wischmeier y colaboradores, 1965) lo cual llevó a la formulación del método de predicción de pérdida de suelo de mayor uso, llamado la Ecuación Universal de Pérdida de Suelos. De manera concomitante, Hudson (1961) presentó una ecuación de erosión: E=TSLPMR donde E es la erosión y los factores restantes son funciones del tipo de suelo, gradiente de pendiente y longitud, práctica orgánica y agrícola, protección mecánica, y precipitación pluvial respectivamente. Los problemas de evaluar adecuadamente cada uno de estos factores los explicó Hudson y también informó sobre la extensa investigación que se llevara a cabo sobre la erosividad de la precipitación pluvial de la porción subtropical de África. Se puede afirmar que la formulación de las ecuaciones paramétricas de predicción ha sido por necesidad de carácter evolutivo. A medida que se dispuso de más datos, fue posible estimar un mayor número de condiciones y también, aumentó el área de aplicabilidad. La centralización de los datos condujo a una ecuación ampliamente aceptada en los EEUU y que ha sido adoptada en todo el mundo: la USLE. Musgrade en 1947 introdujo la relación de las características de precipitación con la cantidad de suelo erosionado. Tomando datos de varias estaciones, determina que la erosión era proporcional a la precipitación pluvial acumulada en 30 minutos, y presenta un procedimiento para calcular la pérdida de suelo para diversas cubiertas vegetales y para los suelos de muchas partes de los EEUU en su región Oriental y Central. E = 0,000527 I R S1,35 L0,35 P301,75 donde E es la pérdida de suelo en mm por año, I la erodibilidad inherente (en mm al año) de un suelo con una pendiente del 10% y una longitud de pendiente de 22 m, R un factor de cubierta vegetal, S pendiente en porcentaje, L longitud de la pendiente en metros y P3 el máximo de precipitación pluvial en mm. La ecuación de Musgrave se utilizó extensamente para estimar la erosión neta a partir de las cuencas acuíferas. En 1952 se proporcionó una solución gráfica de la ecuación de Musgrave para utilizarla en el Noroeste de los Estados Unidos. Universal Soil Loss Equation - USLE – Wischmeier y Smith (1978) Este modelo de estimación de pérdida de suelo tiene aún la mayor aceptación y aplicación a nivel mundial. Permite estimar cuantitativamente la erosión laminar de un campo. Se lo utiliza en la determinación de las medidas adecuadas para conservar y planificar el cultivo y para predecir las pérdidas indefinidas de sedimentos en programas de control de la erosión. Esta ecuación se desarrolló a partir de datos de más de 40 años que se obtuvieron en parcelas pequeñas localizadas en varios estados. A pesar de la simplificación de muchas variables implicadas, la ecuación universal ha sido el método más aceptado para estimar las pérdidas de sedimento. Se la llamó “universal” por estar exenta de algunas de las Capítulo 3 - Pág. 30

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generalizaciones y restricciones geográficas y climáticas inherentes de los primeros modelos; sin embargo, ha sido criticada por no cumplir con este atributo ya que los valores de los parámetros se presentaron condicionados a las dos terceras partes orientales de los Estados Unidos. A medida que se fueron acumulando los datos, los parámetros se fueron identificando para su uso en más regiones, incluyendo las de otros continentes, según se explica a lo largo de la siguiente descripción de los factores de la ecuación. La USLE es un modelo paramétrico totalmente empírico y su bondad depende del rigor con que los cinco multiplicandos que componen la ecuación reproduzcan las condiciones del medio. Se trata de una formulación empírica que pretende interpretar los mecanismos erosivos por sus causas y efectos. La expresión USLE es la siguiente: A = R K LS C P donde • A pérdida de suelo. • R factor de erosividad por precipitación pluvial: este factor tiene en cuenta el efecto del impacto de la gota de lluvia, así como el resultado del escurrimiento superficial; se concluyó que el mejor parámetro indicador de la capacidad erosiva de una tormenta era la energía cinética de la lluvia multiplicada por la intensidad máxima durante 30 minutos de precipitación; el valor medio para todas las tormentas del año será el factor resultante. • K factor de erodibilidad del suelo: este factor expresa la pérdida de suelo cuantificada por unidad de erosividad en la parcela estándard. Este factor se determina experimentalmente (con un simulador de lluvia, por ejemplo) y los valores son disponibles para cada tipo de suelo. • L factor de longitud de pendiente y S factor de gradiente de pendiente: estos dos factores son combinados en un factor simple denominado factor topográfico. La longitud de la pendiente se define como la distancia desde el punto de origen del flujo sobre la superficie hasta el punto donde la pendiente disminuye lo suficiente como para que ocurra la deposición o hasta el punto en que la escorrentía entra en un canal construido. El gradiente de pendiente es el segmento de ésta expresado generalmente en porcentaje. • C factor de manejo de cultivos: este factor tiene en cuenta tanto el tipo de cobertura vegetal como el manejo de suelos, combinando el efecto de las variables que intervienen, ya sea el tipo de vegetación, secuencia de cultivos y uso de residuos agrícolas, entre otros. • P factor del método de control de erosión: este factor expresa la relación entre la cantidad de suelo perdido considerando la práctica de conservación que se aborda, y la que se perdería labrando según la máxima pendiente. Modified Universal Soil Loss Equation - MUSLE - Modelo de Williams (1975) Con el fin de aplicar la USLE a cuencas, Williams en 1975 modifica el factor R obteniendo la MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation). La MUSLE evalúa el volumen de sedimento producido en una cuenca durante un determinado episodio tormentoso. Para su desarrollo se usaron datos de 18 cuencas pequeñas que explican el 92% de la variación de los sedimentos producidos. Capítulo 3 - Pág. 31

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La expresión en unidades del sistema internacional es: Y = 11,78 ( Q qp)0,56 K L S P donde Y es el rendimiento de sedimento de la cuenca en toneladas, Q el volumen de escurrimiento por una tormenta en metros cúbicos, qp el máximo caudal instantáneo en m3/s y LS, P y K factores iguales a los de la USLE. La utilización de la MUSLE está recomendada para cuencas de superficies de alrededor de 100 km2. La mayor ventaja del modelo consiste en la posibilidad de estimar la producción de sedimentos a partir de la determinación del caudal pico y del volumen de escurrimiento del hidrograma observado. Las limitaciones se relacionan a la disponibilidad de los parámetros empíricos definidos para un determinado tipo de región. Revised Universal Soil Loss Equation - RUSLE - Modelo de Renard et al. (1991) Esta Ecuación Universal Revisada de Pérdida de Suelos fue desarrollada para superar algunas limintaciones de la ecuación USLE. Sus avances incluyen: - computariza algoritmos para facilitar los cálculos - nuevos valores de erosividad de lluvia-escurrimiento (R) en el oeste de los Estados Unidos (condiciones áridas) - desarrollo de un término de susceptibilidad del suelo a la erosión estacionalmente variable (K) - un nuevo método para calcular el factor cubierta-manejo (C), utilizando subfactores que incluyen uso previo de la tierra, cubierta de cultivos, cubierta vegetal del suelo (incluyendo fragmentos de roca en la superficie), y rugosidad del terreno, - nuevas formas de estimar los factores de largo y magnitud de la pendiente (LS) que consideran porcentajes de erosión en surcos e inter-surcos, - la capacidad de ajustar el LS para pendientes en forma variable - nuevos valores de prácticas de conservación (P) para cultivos en fajas alternadas, uso de drenaje subterráneo y praderas. Al igual que la USLE, la RUSLE no fue diseñada para estimar producción de sedimento en pendientes complejas donde puede ocurrir sedimentación, ni en grandes cuencas. Método de Gavrilovic (1959, 1988) -Zemljic (1977) La metodología propuesta por Gavrilovic cuantifica el proceso erosivo en función de las características morfológicas, geolitológicas, vegetación y uso del suelo, distribución de precipitaciones y temperatura. Se define de este modo la descarga media anual de material erosionado (G) como el producto de la producción de sedimentos (W) y el coeficiente de retención (R). G=WR La producción media anual de sedimento por erosión superficial se determina como: W = T h π Z3/2 F siendo: W producción media anual de sedimento por erosión superficial, T coeficiente de temperatura definido como T= [(t/10)+0,1]1/2, t temperatura media anual, h precipitación media anual, F superficie de la zona de estudio, Z coeficiente de erosión definido como Z= X Y (ϕ+I1/2), X coeficiente de uso del suelo, Y coeficiente de resistencia del suelo a la erosión, ϕ coeficiente correspondiente al tipo de proceso erosivo observado, I pendiente superficial del terreno. Capítulo 3 - Pág. 32

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Los valores de los coeficientes X, Y y ϕ son propuestos por el autor de la metodología y representan respectivamente el grado de protección del suelo dado por la vegetación y la intervención antrópica, el grado de resistencia a la erosión del suelo considerando sus características geolitológicas y el estado de inestabilidad erosiva de la cuenca. Los mismos son definidos en el modelo original del siguiente modo: •

El coeficiente X relacionado al uso del suelo: suelo desnudo (1,0), suelo colinar arado (0,9), huerta y viñedo sin baja vegetación (0,7), campos (0,63), bosques degradado y arbustos sobre suelo erosionable (0,6), pasturas secas de montaña (0,6), praderas (0,4), pasturas (0,3), bosques con pendiente abrupta (0,2) y bosques con pendiente moderada (0,05).

•

El coeficiente Y relacionado a la resistencia del suelo a la erosión: arena, grava y suelo suelto (2,0), loes, suelo salino, estepas (1,6), calizas meteorizada y marga (1,2), areniscas rojas (1,1), podsol, esquistos desintegrados (1,0), caliza compacta (0,9), suelo marrón de bosque y suelo de montaña (0,8), suelo del valle pantanoso (0,6), depósitos aluviales de buena textura (0,5) y rocas ígneas compactas desnudas (0,25).

•

El coeficiente ϕ relacionado con el tipo de proceso erosivo: área por procesos de erosión severos (1,0), 80% de la zona presenta erosión encauzada (0,9), 50% de la zona presenta erosión encauzada (0,8), zona con erosión superficial de detritos, coladas, algunos surcos y erosión kárstica (0,7), toda la zona se ve atacada por erosión pero sin visibles efectos profundos (0,6), 50% del área con erosión superficial mientras que el resto se mantiene inalterado (0,3), 20% del área con erosión superficial mientras que el resto se mantiene inalterado (0,2), no se observan efectos visible de erosión, algunas caídas de rocas o deslizamientos en los cursos de agua (0,2), no se observan efectos visibles de erosión y la mayoría son campos de cultivo (0,15) y no se observan efectos visibles de erosión y la mayoría son bosques (0,1)

La ecuación del coeficiente de retención del sedimento de acuerdo a Zemlijc (1971) se determina como: R = [(O D)1/2 (L+Li)] / [(L+10) F] donde O es el perímetro de la cuenca, D diferencia media de nivel en la cuenca, Li longitud total de los afluentes laterales, L longitud de cauce principal (talweg), F superficie de la cuenca. La base para la implementación de esta metodología son las cartas temáticas y el modelo digital del terreno. La modelación se realiza en ambiente de un sistema de información geográfica y el resultado que se obtiene es la tasa de erosión y la producción media anual de sedimentos de cada subcuenca a nivel anual. Método de Djorovic y Gavrilovic (1974) Calcula la degradación específica mediante la evaluación de una serie de parámetros, los que establece como representativos de cada uno de los factores determinantes en el proceso erosivo: precipitación, clima, relieve, suelo y vegetación, incluyendo éste último, un parámetro para estimar la influencia del grado de intensidad que han alcanzado los procesos erosivos presentes en la cuenca y el tipo de erosión predominante.

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De la aplicación del método se obtiene el caudal sólido medio en m3/año como: W = T P Π Z3/2 F donde T es el factor de temperatura T= [(tm/10)+1]0,5 , tm es la temperatura media (en °C), P la precipitación media anual (en mm), F la superficie de la cuenca (en km2) y Z el coeficiente que refleja la intensidad y extensión del fenómeno erosivo, que valora la influencia de los factores de suelo, vegetación y relieve. F = y x (θ+s0,5) donde y es le coeficiente de erosionabilidad del suelo, x el coeficiente adimensional que cuantifica la vegetación, θ el coeficiente adimensional que cuantifica el estado erosivo y s la pendiente media de la cuenca. Los valores a asignar a los coeficientes de la ecuación de Djorovic se extraen de tablas, donde los suelos son clasificados con y desde 2,0 a 0,5, la cubierta vegetal con x desde 1,0 a 0,4 y el estado erosivo con θ desde 1,0 a 0,2. Sistemas Expertos y Redes Neuronales (Harris y Boardman, 1998) En contraste con el énfasis actual de desarrollar modelos de erosión basados en la descripción del proceso, esta nueva alternativa inductiva utiliza dos variantes de modelos: los sistemas expertos y las redes artificiales neuronales. Con base empírica, estos modelos ofrecen significativas ventajas para la predicción de erosión y conservación del suelo. En su construcción, y especialmente en su dependencia con la información de campo, estos modelos representan un entendimientos básico y representativo de los procesos relacionados con la erosión del suelo. En base a resultados obtenidos de la observación de campo o de ejemplos de procesos de erosión se desarrolla una serie de reglas inductivas. Los sistemas buscan relaciones lógicas entre los ejemplos de la base de datos y en una serie de ecuaciones matemáticas. Las redes neuronales tienen su estructura en base a los modelos biológicos del cerebro. Representan niveles de nodos (de entrada, salida e intermedios) con interconexiones controladas por pesos (Lippman 1987). Estas redes usan algoritmos de aprendizaje para cambiar los valores de peso de los conectores con el objeto de producir una aproximación al resultado simulado similar al observado. Las relaciones desarrolladas dentro de la red neural puede ser usada para construir el sistema experto inductivo. El sistema se ha implementado considerando una base de datos utilizada en el estudio de Harris y Boardman que contiene varios centenares de eventos de erosión durante 10 años en área de Brighton, Inglaterra (Boardman, 1988, 1990). Como ejemplo, se detalla a continuación los atributos seleccionados para la caracterización de los eventos de erosión en el mencionado estudio: Atributos relevados para eventos de erosión: a) Índice de la lluvia: característica de la lluvia responsable de la pérdida de suelo; es obtenida de los registros de lluvia en estaciones meteorológicas próximas b) Área de la cuenca: área que contribuye al escurrimiento del sitio erosionado (18 clases) c) Longitud de la pendiente: que contribuye al escurrimiento (15 clases) d) Tipo de erosión: en el valle, ladera o combinación de ambos e) Máximo ángulo: en la cuenca (4 clases) Capítulo 3 - Pág. 34

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f) Relieve de la cuenca: la diferencia de altura entre el punto más alto y el más bajo (9 clases) g) Morfología: la presencia o ausencia de áreas convexas o de cresta h) Dirección del encauzamiento: hacia abajo o cruzando la dirección de máxima pendiente i) Tipo de cultivo: cereales de invierno, verano, etc. j) Tipo de suelo: arenoso, arcilloso, etc. k) Si existen deslizamientos después del encauzamiento: si o no l) Medidas de pérdida de suelo. En este estudio se generaron árboles de reglas para considerar en la sección de inducción del sistema experto y las reglas subsecuentes fueron importadas dentro del cuerpo principal del sistema. Fue complicado realizar un análisis de sensibilidad de los parámetros y la calibración del dato de entrada dentro del sistema experto; por esta razón se sugiere el uso de una red neural para obtener aproximaciones más favorables. Una de las ventajas citada por los autores es la posibilidad de unir el riesgo con reglas de conservación y mitigación por sistemas inter-relacionados. 3.3.2.2 Unión de Modelos Hidrológicos, Modelos de Erosión Hídrica y Modelos de Estabilidad de Pendiente WEPP: USDA-Water Erosion Prediction Project (Foster y Lane, 1987; Nearing et al., 1990; Nearing y Nicks, 1997; Flanagan y Nearing, 1995; Soto y Dias Fierros, 1998; Brazier et al., 2001) El “Water Erosion Prediction Project (WEPP)” es un modelo de predicción de erosión del suelo basado en la descripción del proceso desarrollado por el “National Soil Erosion Research Laboratory from USDA-ARS-MWA” de los Estados Unidos. El modelo puede ser utilizado para laderas montañosas y para cuencas, basado en modelación con parámetros distribuidos y simulación continua. El programa puede simular un número de años continuos, considerando que eventos de lluvia pueden ser modelados con base de datos diarios. El modelo puede ser dividido en nueve componentes conceptuales: generación del clima (datos diarios que pueden ser desagregados en simples patrones de tormentas), procesos de invierno (bajo condiciones de heladas), irrigación (sistemas de riego por aspersión o por surcos), hidrología (infiltración, escurrimiento, evaporación del suelo, transpiración de plantas, percolación, intercepción, almacenamiento superficial y drenaje subsuperficial), suelo (manejo de cultivos), crecimiento de las plantas, descomposición residual, hidráulica de suelo saturado y erosión. El componente de erosión utilizado en el modelo utiliza una ecuación de continuidad del sedimento en situación de equilibrio para estimar el cambio de la tasa de transporte a lo largo del cauce. La pérdida de suelo entre surcos es modelada en función de la intensidad de lluvia y la tasa del escurrimiento, mientras que el aporte de este sedimento a los surcos es función de la pendiente y de la rugosidad. El aporte de sedimento en los surcos es estimado en función de la tensión de corte (si excede los valores críticos) y de las características del escurrimiento. El modelo también predice la erosión/deposición en canales, en función de la tensión crítica.

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La publicación reciente de Brazier et al. (2001) muestra la aplicación en Inglaterra de una nueva metodología de estimación de erosión superficial utilizando una version de WEPP que utiliza mínima información a nivel regional y nacional. Esta versión se denomina MIRSED. EUROSEM: European Soil Erosion Model (Quinton, 1997; Morgan et al., 1998; Folly et al., 1999) EUROSEM es un modelo desarrollado por varias universidades/institutos Europeos. Es un modelo distribuido dinámico, que simula erosión, transporte y deposición de sedimentos por procesos entre surcos y en surcos. Se puede aplicar para un evento individual (tormenta) y para una escala espacial, pudiendo modelar espacialmente desde parcelas hasta pequeñas cuencas. El modelo surgió por la necesidad de desarrollar una nueva generación de modelos basados en simulación de eventos ya que en muchas cuencas europeas la producción anual de sedimentos ocurre durante una o dos tormentas; en dicha situación, la implementación de modelos continuos no sería apropiada. Este modelo ha sido desarrollado desde 1993 como el modelo que contiene el estado del arte de los procesos de erosión al estimar los riesgos de erosión del suelo y la evaluación de medidas de protección del suelo. Mediante el modelo dinámico (en vez de la aproximación “steady-state”) EUROSEM da un mejor entendimiento de la distribución espacial y temporal del escurrimiento y la erosión, en una cuenta, durante una tormenta individual. EUROSEM inicia con datos discretos de precipitación durante una tormenta (idealmente resolución de 1 minuto). El modelo calcula: intercepción, escurrimiento superficial, degradación del suelo por el impacto de la lluvia y por el escurrimiento, capacidad de transporte del escurrimiento y la deposición del sedimento. EUROSEM usa las subrutinas del modelo KINEROS (Woolhiser et. al., 1990) para estimar el escurrimiento y traslación de agua y sedimento. El modelo simula tres tipos de topografía como pendientes planas individuales: superficies no encauzadas pero caracterizadas por algunas irregularidades (o rugosidades) y superficies con surcos con escurrimientos trasladados a través de los surcos. Los cambios en las dimensiones (ancho y profundidad) de los patrones de flujo como resultado de erosión y deposición son modelados para cada tormenta. La simulación de erosión y deposición se realiza del siguiente modo: •

Erosión por impacto de la lluvia: calculada como función de la energía cinética de la lluvia en el suelo, el grado de erodibilidad del suelo y la profundidad de la lámina superficial de agua.

•

Erosión por escurrimiento superficial: modelado en función de la teoría propuesta por Smith et al. (1995) que considera la concentración de sedimentos en función del balance entre la erosión-deposición.

•

Capacidad de transporte del flujo: EUROSEM usa dos relaciones de capacidades de transporte diferentes para surcos y para zonas entre surcos. El flujo en surcos es modelado considerando la capacidad de transporte en función de la energía unitaria de la corriente (ecuación de Govers, 1990). Para el flujo entre surcos se aplica la ecuación basada en el trabajo de Everaert (1991). Capítulo 3 - Pág. 36

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La simulación de erosión disponible en EUROSEM se anexa a la estructura de traslación de agua y sedimento del modelo KINEROS (Woolhiser et al., 1990); también se ha establecido la conexión con el modelo MIKE SHE (Danish Hydraulic Institute, 1993). MEDALUS (Kirkby et al., 1998; Lirkby y Mc.Mahon, 1999) MEDALUS III es un proyecto internacional que investiga los efectos de desertificación en el uso del suelo en la Europa Mediterránea. Se maneja con fondos de la “Commission of the European Communities, Directorate-General XII for Science, Research and Development under its Environment Programme”. MEDALUS III está formado por cuatro proyectos separados, dependiendo de los diferentes aspectos de desertificación Mediterránea. Fue desarrollado a partir del proyecto MEDALUS I durante el periodo Ene-91 a Dic-92 y Ene-96 a Dic-98. Kirkby (1998) presenta la “Familia de Modelos MEDALUS” que tienen como principal diferencia el factor de escalas de tiempo y espacio. En esta familia de modelos se encuentran el MEDRUSH como una generalización explícita del modelo MEDALUS Catena. MEDRUSH es una combinación de un sistema de información geográfica y un modelo distribuido a larga escala, construido para contemplar la dinámica “macro” desde el punto de vista espacial y temporal. El modelo que ha sido aplicado a cuencas de 5.000 km2 por períodos de 100 años, ha sido diseñado para simular distintos escenarios de vegetación, pronosticando escurrimiento y producción de sedimentos para secuencia de tormentas (short term), variaciones climáticas estacionales/anuales y tendencias de clima y uso de suelo a largo plazo( MEDRUSH en HydroGIS96- http://medalus.leeds.ac.uk/leeds/austria.html). Este modelo es innovativo, en particular con referencia a la escala de tiempo y espacio. Las escalas tienen tres niveles de generalización: subcuenca, tubos de corriente y sección. Cada subcuenca es analizada como elementos (tubos de corriente) definidos por su perfil morfológico, elementos que, en esta instancia, son la suma de laderas de variado ancho (tubos de corrientes que van desde la divisoria de agua hasta la desembocadura de cada subcuenca). Cada elemento es simulado en detalle, para generar el flujo de agua y sedimento a corta escala de tiempo. Esta parte de MEDRUSH es una generalización explícita de modelo MEDALUS Catena, simplificando componentes de humedad del suelo, vegetación y evapotranspiración. Los cálculos se realizan en un número limitado de secciones de los tubos de corriente, donde se utilizan funciones estadísticas para determinar el tamaño del sedimento, la micro-topografía y la intensidad de lluvia (inter-horaria). Los datos espaciales se manejan en ambiente SIG. La modelación de los tubos de corriente es integrada a nivel de subcuenca para generar la entrada para la red en sistema de cascada, donde el agua es trasladada hacia la salida de la cuenca. El cálculo del transporte de sedimento en los cursos de agua (acoplado al movimiento del agua) se estima utilizando el método de diferencias finitas. La evolución a largo plazo se pronostica en función de la distribución de frecuencia del flujo en conexión con las característica de la geometría del canal y de la planicie de inundación. Básicamente se puede distinguir que MEDALUS trata un tubo de corriente, con hasta 10 años de información con intervalos de 5-15min, mientras que MEDRUSH puede Capítulo 3 - Pág. 37

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considerar hasta 200 tubos de flujo, hasta 100 años de información con intervalos de 1 hora. EPIC: Environmental Policy Integrated Climate / Erosion-Productivity Impact Calculator -incluye GLEAMS (Williams et al., 1984; Williams, 1995) EPIC fue desarrollado para establecer el efecto de la erosión del suelo en la productividad del suelo (Williams et al., 1984). EPIC es un modelo de simulación continua que modela el efecto de las estrategias de manejo del recurso hídrico y del suelo en zonas con agricultura. El área de drenaje considerada por EPIC es generalmente menor de 100 Ha donde el tiempo, suelo y sistema de manejo se consideren homogéneos. Los principales componentes en EPIC son simulación del tiempo, hidrología, erosión-sedimentación, ciclo de nutrientes, pesticidas, crecimiento de las plantas, temperatura del suelo, tipos de cultivo y plantas de control ambiental. El modelo GLEAMS (Leonard et al., 1987) fue incorporado a EPIC para simular el transporte de pesticidas por escurrimiento, percolación, evaporación y sedimentos. El módulo de erosión en EPIC contempla la erosión hídrica (por el impacto de la gota de lluvia, el escurrimiento superficial y la irrigación) y la erosión por viento. Para simular la erosión por lluvia/escurrimiento, EPIC contiene seis ecuaciones del tipo USLE y MUSLE, estimando la producción de sedimentos a nivel anual. SWRRB : Simulator for Water Resources in Rural Basins - incluye CREAMS y GLEAMS (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1995) SWRRB fue desarrollado para simular hidrología y procesos en cuencas rurales (Williams et al., 1985). El objetivo del modelo fue estimar la influencia del manejo del agua y sedimento en cuencas sin datos en los Estados Unidos. El modelo hidrológico a paso diario CREAMS fue modificado para aplicarlo a grandes y complejas cuencas rurales (estimadas por subcuencas). El desarrollo de SWRRB se orientó a contemplar problemas con calidad de agua. Como ejemplo incluye el modelo GLEAMS (Leonard et al., 1987) incorporando componente de pesticidas. La simulación por eventos, incluye procesos de escurrimiento superficial, percolación, flujo retorno, evapotranspiración, reservorios, sedimentación, ciclo de nutrientes, influencia de pesticidas, crecimiento de los cultivos, entre otros. La estimación de producción de sedimentos en cada cuenca se calcula con la fórmula MUSLE. AGNPS: AGricultural NonPoint Source model Young et al., 1995; Theurer et al., 1999)

(Young

et

al.,

1987;

El modelo AGNPS (Agricultural NonPoint Source) fue desarrollado por “Agricultural Research Service (ARS)” en cooperación con “Minnesota Pollution Control Agency (MPCA)” y el “Soil Conservation Service (SCS)” de los Estados Unidos. AGNPS fue desarrollado para analizar y proveer estimaciones de calidad de agua de escurrimientos en cuencas bajo prácticas de agricultura. Es un modelo a parámetros distribuidos, que modela eventos y cuencas de hasta 20.000 km2.

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Los componentes básicos del modelo incluyen hidrología, erosión y transporte de sedimentos y nutrientes. El modelo se basa en la consideración que los nutrientes y sedimentos en el escurrimiento, infiltración o percolación resultante del manejo del suelo, genera el mayor impacto en la calidad de agua. El módulo de erosión utiliza la fórmula USLE modificada para estimar la producción de sedimentos para un evento de lluvia. TAPES-G y EROS (Wilson y Gallant, 1996; Gallant y Wilson, 1996) El programa TAPES fue desarrollado por el Prof Ian Moore en el “Center for Resource and Environmental Studies” en la “Australian National University”, desde 1980 con el objeto de estudios de erosión. El desarrollo original se basó en curvas de nivel de terreno, formulando el modelo denominado TOPO. Este modelo fue conectado a un programa de simulación hidrológica dinámica obteniendo el denominado THALES, diseñado para estudiar procesos de lluvia-escorrentía. Estos modelos fueron conectados con el modelo AGNPS de erosión de suelo. La última versión de TAPES-G contiene algoritmos más avanzados en el paquete de hidrología hasta la modelación del paisaje y ecología (Galland y Wilson, 1996). EROS es el módulo que estima la índices de erosión utilizando los resultados de TAPES-G (Wilson y Galland, 1996). LISEM: Limburg Soil Erosion Model (De Roo et al., 1996 y 1998; De Roo y Jetten, 1999) LISEM es un modelo hidrológico y de erosión (base física) desarrollado por el “Department of Physical Geography of Utrecht University” y “Soil Physics Division of the Winand Staring Centre in Wageningen” en Holanda. El modelo simula escurrimiento y erosión en cuencas durante e inmediatamente después de un singular evento de lluvia. Los procesos incorporados en la modelación son: precipitación, intercepción, escurrimiento superficial en microdepresiones, infiltración, movimiento vertical del agua en el suelo, escurrimiento superficial, escurrimiento en canales, erosión por efecto de la lluvia y por escurrimiento superficial y capacidad de transporte del flujo. Las estimaciones de erosión son las mismas utilizadas en EUROSEM. Desde la primera validación de los resultados, se ha verificado que aunque el modelo tiene diversas ventajas sobre otros modelos y que los patrones cualitativos de erosión y escurrimiento parecen plausibles, las predicciones cuantitativas de erosión y descarga estan lejos de ser perfectas (De Roo et al., 1998). ANSWERS: Areal Nonpoint Source Watershed Simulation (De Roo y Walling, 1994)

Environment

Response

ANSWERS fue desarrollado por Beasley y colaboradores (1980) como modelo de parámetros distribuido simulando escurrimiento superficial y erosión del suelo. El modelo ha sido diseñado para simular una cuenca que tenga la agricultura como uso principal del suelo, durante un evento de lluvia. El modelo está integrado a un sistema de información geográfica raster. El evento de lluvia puede ser simulado con un incremento de tiempo de un minuto, tomando en cuenta la variación espacial y temporal de la precipitación. Varias Capítulo 3 - Pág. 39

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relaciones matemáticas basadas en los procesos físicos son utilizadas para describir la intercepción, infiltración, retención superficial, drenaje, escurrimiento superficial y subsuperficial, escurrimiento en los cauces, desprendimiento por la lluvia o por escurrimiento superficial y transporte de sedimentos por erosión superficial. El proceso de transporte de sedimento se modela de modo que cuando el agua y sedimento alcanzan un elemento del modelo con encauzamiento, se los transporta hasta la salida de la cuenca. La sedimentación se produce en los canales cuando la capacidad de transporte es excedida. Una versión modificada de ANSWERS utiliza una base de datos geográficos para optimizar el ingreso de información. En esta versión es posible incorporar una extensa variabilidad espacial de tipos de suelos y producir mapas que muestran la variación espacial de la erosión, sedimentación y escurrimiento sobre la cuenca. GAMES (Rudra et al., 1986) GAMES es un modelo desarrollado en la Universidad de Guelph (Ontario) con el objeto de evaluar el efecto del manejo de la agricultura en la erosión y sedimentación en cuencas. La filosofía básica del modelo es la estimación de la erosión utilizando la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE) con el objeto de predecir la pérdida de suelo por erosión superficial y al subsecuente aporte de sedimentos suspendidos desde el terreno al cauce, y aguas abajo en las áreas de agricultura. Se pueden modelar unidades de suelo de varios tamaños y formas. Los procesos son estimados a nivel estacional. SHE/SHESED: Système Hidrologique Européen (Bathurst et al., 1995; Lukey et al., 2000) The SHE/SHESED es un modelo desarrollado por el “Departament of Civil Engineering, University of Newcastle upon Tyne (UK)”, basado en modelo hidrológico “Système Hidrologique Européen (SHE)”. SHE es una representación integrada del movimiento del agua a través del suelo y subsuelo, incorporando la mayor parte de los elementos del ciclo hidrológico. Es un modelo a parámetros distribuidos, basado en la descripción del proceso físico. La incorporación del componente de erosión y transporte de sedimento da lugar al módulo SHESED, generando un sistema de modelación de agua y sedimento a escala de cuenca. La distribución espacial de las propiedades de la cuenca se establece en horizontal a través de la representación de la cuenca por una grilla ortogonal y en vertical por columnas con distintos niveles (layers) en cada elemento de estudio. Las componenetes relacionadas con erosión son: erosión del suelo por impacto de las gotas de lluvia y por escurrimiento en troncos, y transporte de sedimentos por escurrimiento superficial y en cauces. Se modelan eventos en períodos cortos de tiempo (horas a minutos). GUEST: Griffith University Erosion System Template (Rose et al., 1998; Misra y Rose, 1990)

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El programa GUEST (Misra y Rose, 1990) fue desarrollado con el objeto de derivar el parámetro de erodibilidad para suelo desnudo, basado en mediciones de pérdida de suelo y escurrimiento. El programa se aplicó en Malasia, Tailandia, Filipinas y Australia. La metodología es a nivel de parcela, para determinación de erosión superficial bajo una lluvia estacionaria. SHALSTAB: Digital Terrain Model for Mapping Shallows Landslide Potential (Dietrich et al., 1993; Montgomery y Dietrich, 1994) SHALSTAB es un modelo hidrológico acoplado a un modelo de estabilidad de pendiente con el objeto de calcular la precipitación estacionaria uniforme crítica necesaria para provocar la inestabilidad del terreno, en cualquier lugar del paisaje. La propuesta original se basó en un modelo digital del terreno para el mapeo de patrones de áreas inestables con deslizamientos poco profundos (Dietrich et al., 1993; Montgomery y Dietrich, 1994), trabajando sobre la base del modelo TOPOG desarrollado por O´Loughlin (1986) y sus colegas de CSIRO en Australia. El modelo estima la estabilidad de una pendiente infinita proporcionando una aproximación uni-dimensional de falla para suelo poco profundo pudiendo determinarse en forma espacial áreas susceptibles a deslizamientos. dSLAM: Distributed Slope Stability Model (Wu y Sidle, 1995) dSLAM se trata de un modelo de estabilidad de pendiente, distribuido, con base física. Considera talud de pendiente finita, modela el movimiento del agua subterránea mediante onda cinemática y tiene en cuenta los cambios de vegetación. Esta integrado con un análisis de la topografía (curvas de nivel) y utiliza un sistema de información geográfico para la extracción y muestra de datos espaciales. El modelo es diseñado para analizar deslizamientos rápidos y poco profundos en zonas de montaña de pendientes pronunciadas. Considera el problema de estabilidad de pendiente en dimensiones temporales y espaciales. Resumen de las características de los modelos hidrológicos - modelos de erosión hídrica y los modelos hidrológicos - modelos de estabilidad de pendiente Se ha presentado la amplia gama de modelos que resultan de acoplar módulos de cálculo de erosión hídrica y estabilidad de pendiente a modelos hidrológicos. Seguramente esta recopilación no abarca todo el universo de modelos existentes ya que, como todos sabemos, hay “casi” tantos modelos como grupos de investigación en el tema. Sin embargo, se considera que las principales formulaciones están incluidas en este trabajo de recopilación y análisis. En la Tabla 3.2 se han resumido algunas características relevantes de cada una de estas formulaciones. Se destaca que la mayoría de los modelos existentes consideran “eventos diarios” en escala de tiempo y son definidos (y están siendo validados) a nivel “cuenca” en escala de espacio; dentro de los más renombrados en esta clasificación se encuentran AGNPS, TAPES-G Y SHESED. Los modelos WEPP y EUROSEM, de marcada popularidad, están desarrollados (hasta el momento) para modelación a nivel de subcuenca o parcela. Todos los modelos mencionados consideran erosión superficial y Capítulo 3 - Pág. 41

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erosión en surcos. Solamente se han encontrado dos modelos que simulan deslizamientos en áreas montañosas, modelados a escala de tiempo larga y cuenca como escala de espacio; los mismos son el SHALSTAB y el DSLAM. Estos últimos son considerados de real interés en el presente estudio por contemplar la fragilidad del territorio frente a los movimientos de masa. Tabla 3.2: Características de los Modelos Hidrológicos-Modelos de Erosión y Modelos Hidrológicos-Modelos de Estabilidad de Pendiente ESCALA TIEMPO MODELO

WEPP EUROSEM MEDALUS/MEDBRUS EPIC (incluye GLEAMS) SWRRB (incluye CREAMS-GLEAMS) AGNPS TAPES-G/EROS LISEM ANSWER GAMES SHESED GUEST SHALSTAB DSLAM

3.3.3

Continuo

Por Eventos

ESPACIO SubCuenca

Cuenca

PROCESO EROSIVO MODELADO Erosión

(Parcela)

superficial /surcos

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X X X X

Mov. de masa

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X X

X X

X

X

X

X

X

Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Fuente de Sedimentos por Erosión Superficial y Movimientos de Masa

El desarrollo del análisis de la información recopilada fue organizado considerando la producción de sedimentos por erosión superficial (degradación específica) y por movimientos de masa (deslizamientos). Con respecto a la estimación de la degradación específica, los métodos de cálculo se agruparon en métodos estadísticos y métodos paramétricos. Todos ellos son de origen causal ya que se basan en parámetros climatológicos y geomorfológicos. La mayoría han sido validados para distintos lugares, lo que permitiría definirlos como transferibles a zonas con iguales caracterísicas físico-climáticas; en particular, se debe mencionar el modelo USLE, y la familia de modelos derivados del mismo, tales como MUSLE y RUSLE. Dichos modelos son ampliamente utilizados y esto hace que sean validados día a día, lo cual destaca su aplicabilidad. Sin embargo, la mayoría de los modelos presentados han sido desarrollados con fines de desarrollo agrícola, en áreas con bajas pendientes. Esto condiciona la aplicabilidad en la presente tesis ya que se estudian zonas de montaña. Se relevó y analizó la metodología de Gavrilovic (1959, 1988) como la única que ha sido probada en zonas montañosas con pendientes complejas, como es la de interés en el Capítulo 3 - Pág. 42

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presente estudio de investigación. Si bien la misma fue desarrollada en zonas onduladas, se encontró que durante los últimos años ha sido utilizada en zonas alpinas y en estudios a nivel nacional (Peviani et al., 1994; Brea y Spalletti, 1998). La misma se incluirá en el presente desarrollo metodológico. Dentro de las metodologías recopiladas, la propuesta de sistemas expertos y redes neuronales resulta una alternativa innovadora en el tema de modelos de erosión superficial. Sin embargo se considera que la amplia información de campo requerida para su ajuste, hace que se considere inaplicable a estudios como en cuencas de montañas con datos escasos como es de interés en esta tesis. Como segundo tema de análisis en esta etapa, se define una amplia gama de modelos que resultan de acoplar módulos de cálculo de erosión hídrica y estabilidad de pendiente a modelos hidrológicos. Se citan y analizan modelos importantes, entre otros: el WEPP desarrollado por el USDA, el EUROSEM desarrollado por varias universidades europeas, la familia de modelos MEDALUS desarrollado en Europa con financiamiento de la Unión Europea. Cada uno de los modelos presentados pertenecen a grandes proyectos que tienden actualmente a validar la aplicación de estos modelos a escalas de cuencas / grandes cuencas, según se presenta en Boardman y Favis-Mortlock (1998). La mayoría de estos modelos consideran la estimación de la erosión superficial y en surcos (e inter-surcos). Los modelos que consideran movimientos de masa, estimando deslizamientos poco profundos, son SHALSTAB (Dietrich et al., 1992, 1993; Montgomery y Dietrich, 1994) y dSLAM (Wu y Sidle, 1995), ambos implementados en zonas montañosas. Los mismos se relacionan a modelos topográficos, asociados a modelos hidrológicos simples. Estos modelos son considerados de interés en el presente estudio por contemplar la fragilidad del territorio que incluye movimientos de masa. El modelo SHALSTAB será el utilizado en la formulación metodológica de la presente tesis. Resumiendo: para el análisis de las fuentes de sedimentos en la presente propuesta metodológica se utiliza la formulación de Gavrilovic para la estimación de degradación específica y el modelo SHALSTAB para la determinación de fragilidad del territorio frente a deslizamientos pocos profundos. 3.4

EXTRAPOLACIÓN EN MODELACIÓN DEL PAISAJE

3.4.1 Introducción Como ya se mencionó, la necesidad de generalizar técnicas de transferencia de información/metodologías a través de escalas es un tema de relevada importancia, como una necesidad pragmática más que una curiosidad puramente científica. Los temas fundamentales de interés son entendimiento y predicción de los procesos hidrológicos, los cuales son necesarios a lo largo de un amplio rango de escalas, cubriendo toda la gama del espacio y del tiempo. Bajo tales rangos, mediciones son difíciles de realizar debido al ruido y a la no-linealidad de los fenómenos. Por lo tanto es necesario rescatar en esa variación espacial y/o temporal el orden fundamental que manifiesta en sí mismo el fenómeno estudiado a lo largo del rango de escalas, como una propiedad invariable; debe así ser formulado matemáticamente y verificado empíricamente, considerando la presencia de esta propiedad.

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En países como la Argentina donde los datos son escasos y disponibles con una amplia diversidad de escalas, y donde se tiende a utilizar modelación distribuida que ha sido desarrollada, ajustada e implementada en el exterior, en áreas pilotos con información básica de detalle, es imprescindible tratar seriamente el tema de uso de metodologías con distintos niveles de precisión, definiendo el rango de la validez de la aplicación. Relacionado a este tema específico de zonificación de procesos erosivos, con las características de interés local mencionadas, se ha encontrado muy poca bibliografía. Sin embargo se relevaron trabajos de interés que servirán de base para la definición de la metodología a presentar/aplicar en el presente trabajo de investigación. 3.4.2

Metodogías de Interés

Las técnicas de interés para la transferencia de metodologías/información a través de las escalas, son presentadas en la siguiente tabla y descriptas a continuación. Esquema 3.9: Metodología de interés para Cambios de Escalas Objeto del Estudio

Estudios de Interés

Métodos de Extrapolación en el Marco de Ecología del Paisaje y de la Región

Matteucci y Buzai (1998)

Transferencia de Información a Través de Escalas desde la Perspectiva de la Modelación Hidrológica

Blöschl y Sivapalam (1995), Sivipalan y Kalma (1995), Bergström y Graham (1998), Becker y Broun (1999), Band y Moore (1995), Jetten et al., 1999, entre otros.

3.4.2.1 Métodos de Extrapolación en el Marco de Ecología del Paisaje y de la Región La extrapolación es un procedimiento aplicado para estimar valores desconocidos a partir de un conjunto conocido de condiciones. El proceso puede usarse para transferir información desde un paisaje de un conjunto de dimensiones a otro de dimensiones distintas (extrapolación a través de escalas) o desde un paisaje de referencia a otra área de iguales dimensiones (extrapolación horizontal). En el primer caso la extrapolación involucra el cambio de escala de las variables o del proceso. En segundo caso se extrapola dentro de la misma escala, extendiendo el valor de la variable media en una zona a otra similar pero disyuntas. La información extrapolada pueden ser datos o procesos/funciones. (Matteucci y Buzai, 1998). Extrapolación Horizontal En muchos trabajos ecológicos regionales, el objetivo de la regionalización es la estratificación del espacio en unidades comparables que permitan trasladar los resultados de experimentación o medición entre unidades de iguales características (ubicadas en el mismo estrato). La división de estratos se hace por métodos paisajísticos, sobre la base de fotografías aéreas o imágenes satelitales; o por métodos paramétricos basados en el análisis multivariado de matrices de datos ambientales para cada sitio, o mediante superposición de mapas temáticos con la ayuda de SIG. La validez de la extrapolación depende del grado de confiabilidad de la estratificación del área. Cuando la información a extrapolar es un proceso, el resultado de la estratificación se torna crítico; más aun, si va a ser usada con fines de planificación.

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Los métodos de análisis multivariado, que pueden ser de clasificación o de ordenamiento, proveen herramientas menos subjetivas para la regionalización. Sin embargo, tienen el inconveniente de requerir variables numéricas continuas o binarias para ser aplicados. Más recientemente se está usando la técnica de análisis denominada árbol de regresiones, que produce una estratificación jerárquica de la región y admite variables numéricas continuas, ordinales y categóricas. Esta técnica divide recursivamente (vuelve atrás después de cada iteración para probar todas la combinaciones posibles) una variable dependiente continua en subgrupos de homogeneidad creciente sobre la base de un conjunto de variables. Durante cada iteración, se genera la mejor partición de los datos sobre la base de la variable dependiente; es la partición que produce el máximo de reducción en la varianza media de la variable dependiente. Los puntos de ruptura se determinan usando como criterio los mínimos cuadrados. La media de todas las observaciones que siguen la misma serie de ramificaciones hacia el mismo conjunto final, representa el valor estimado de la variable dependiente. Luego de desarrollado, el árbol puede podarse eliminando divisiones que no contribuyen grandemente al valor predictivo del modelo. Los modelos basados en estos árboles son adecuados para situaciones en que los predictores incluyen variables cuantificadas por distintos tipos de escalas (continuas, ordinales, categóricas) y son útiles para investigar relaciones no lineales y no sistemáticas. Esta técnica fue empleada en el marco del FIS (First International Satellite Land Surface Climatology Project-Field Experiments), macroproyecto interdisciplinario cuyo objetivo fue generar un modelo de los intercambios gaseosos y energéticos entre la atmósfera y los ecosistemas. El primer experimento de campo estudió técnicas de extrapolación de procesos físicos y ecológicos que regulan los intercambios con la atmósfera, en el cual se compararon los resultados de una estratificación a priori con la obtenida con la técnica del árbol de regresiones. Para la regionalización a priori, se usó un enfoque paisajísico sobre la base de imágenes satelitales, fotos aéreas y mapas. Bajo el supuesto de que la diversidad topográfica (zona montañosa), la heterogeneidad en el manejo de las pasturas y de los tipos de vegetación serían los factores de la variación espacial de las tasas de intercambio gaseoso entre la atmósfera y el ecosistema, se identificaron 14 tipos de unidades que diferían en la cobertura vegetal (pastizales, bosques y cultivos). Los pastizales se dividieron en quemados y no quemados en 6 posiciones topográficas (ubicación en las laderas). En cada uno de los estratos se ubicaron estaciones en las que se median los flujos primarios (dióxido de carbono, calor sensible y calor latente). También se hicieron mediciones sistemáticas de biomasa, interceptación lumínica e intercambio gaseoso a nivel foliar. De las fotos satelitales se obtuvo el índice de verdor de la vegetación (GVI), que está altamente correlacionado con la biomasa, y con el índice de área foliar de los pastizales. El GVI es una variable continua y de cobertura total. Para estimar el valor de la estratificación se hizo un análisis de varianza de una vía (ANOVA) de los datos biológicos y meteorológicos coleccionados a campo y del GVI. El ANOVA demostró que si bien la estratificación a priori reducía la varianza intraestrato (CM dentro de estrato) en relación a la varianza total (calculada a partir de la media total), todavía quedaba un alto grado de variación no explicada. La estratificación cuantitativa se realizó con el GVI como variable continua dependiente. Se obtuvo una estratificación parecida a la anterior, pero con diferencias importantes. Por ejemplo, la nueva estratificación diferenció los parches de vegetación herbácea y arbustiva; la altitud resultó un mejor predictor que la posición topográfica; las divisiones de estratos se produjeron a altitudes que coincidían con los cambios de Capítulo 3 - Pág. 45

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tipo de suelo (los suelos no fueron considerados en la estratificación a priori porque no se contaba con la información para todo el área de estudio); la nueva estratificación no reconoció los cultivos, pero separó bosques abiertos de bosques densos. Con los 7 primeros estratos producidos por el árbol de regresiones se redujo la variabilidad del GIV un 30% más que con los 14 estratos de la regionalización a priori. La estratificación sobre la base de los datos satelitales tuvo algunas imitaciones: por ejemplo, no distingue los estrechos valles de mayor productividad; sin embargo, es una herramienta menos subjetiva que la estratificación paisajística (Schimel et al., 1993), además de que permite combinar datos satelitales con mediciones a campo e información cartográfica, combinando información a escalas diversas. Extrapolación a Través de Escalas Existen una cuantas razones que justifican el desarrollo de técnicas de transferencia de la información a través de escalas. Una de ellas, de carácter puramente práctico, proviene del hecho de que en los estudios ambientales, la información disponible frecuentemente se encuentra a niveles de resolución diversos; los datos deben compararse en regiones geográficas amplias y puede ser necesario extrapolar información desde escala local a escala regional o viceversa. La aplicación de los SIG frecuentemente también requiere la integración de datos obtenidos a diferentes escalas espaciales. En este proceso, pueden cometerse errores serios si se pierde el dato de la escala de observación del fenómeno y conviene tener presenta la necesidad de registrarlo y conservarlo (Allen et al., 1987). La búsqueda se dirige hacia el desarrollo de métodos que preserven la información a través de escalas o que cuantifiquen la pérdida de información al cambiar la escala. Así como para comprender el funcionamiento de un organismo se requiere información acerca de los órganos y de las poblaciones de dicho organismo, para comprender un paisaje se requiere información de la escala superior (región) y de la inferior (ecosistema). Los ecofisiólogos estudian los procesos fisiológicos a tres escalas y reconocen que la productividad de una comunidad vegetal depende de factores que operan al nivel de la hoja (fotosísntesis/respiración), a nivel individuo (circulación de agua y nutrientes) y a nivel de la comunidad (índice de área foliar/interceptación de la luz). A nivel de paisaje y de región, la situación se complica porque no existe instrumental que pueda tomar mediciones de todos los procesos en paisajes complejos, como se hace a nivel de órganos, individuos o comunidades. Para transferir la información lograda a nivel de los organismos a escala del paisaje o regional, se requieren reglas claras. Los procesos a gran escala (cambios globales o regionales de la biodiversidad, del clima o de la dispersión de la contaminación) se originan en, y son influidos por, procesos a escala de detalle. La percepción remota provee información a escala intermedia entre los procesos de circulación atmosférica a gran escala y los procesos a escala de detalle del funcionamiento de los organismos. Los modelos globales clasifican los datos detallados en clases perdiéndose gran parte del detalle. Para poder elaborar modelos que sirvan para el manejo de los ecosistemas o para predecir los efectos de cambios globales sobre los paisajes, es necesario elaborar reglas para intercambiar información entre escalas tan dispares, estudiando los problemas a distintos niveles. Variables y procesos que son importantes a una escala, pueden no tener importancia o valor predictivo a otra escala. Las variables que operan a distintas escalas pueden ser Capítulo 3 - Pág. 46

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las mismas o no, pero la importancia relativa de ellas cambia; incluso hasta podría ser necesario cambiar radicalmente los “modelos conceptuales” que tratan de explicar el fenómeno. Por ejemplo, la evapotranspiración está controlada por la diferencia de presión de difusión y los procesos estomáticos a nivel de la hoja, pero a nivel regional depende de la radiación. Lo mismo ocurre con la distribución de especies; por ejemplo, se ha demostrado en una región de los Estados Unidos que la mortalidad de las plántulas de roble a nivel local disminuye al incrementar la precipitación pero en el análisis a nivel regional la mortalidad es inferior en latitudes más secas. Un conjunto de variables puede ser evaluado experimentalmente a diferentes escalas para determinar su poder explicativo, mediante técnicas analíticas (ej. regresión) y variando la resolución o el tamaño del área en estudio. Se requieren experimentos multiescala, en los cuales la escala temporal o espacial es la variable independiente. Pero, dadas las dificultades logísticas de este tipo de experimentos, las predicciones con modelos teóricos pueden servir para formular las hipótesis correctas y diseñar los experimentos, con ahorro en tiempo y presupuesto. La necesidad de generalizar, pasando de la escala de detalle a una escala mayor, es inherente a la ciencia y se ha practicado en mucha de sus ramas. A escala de detalle, la variabilidad de los procesos es muy alta y resulta difícil la predicción (incrementa la incertidumbre). La dinámica local es predecible sólo tomando promedios de largo plazo (escala temporal grande). A medida que la escala (espacial o temporal) incrementa, la variabilidad disminuye y aumenta la posibilidad de predicción. En ecología esto también se cumple. Si se estudia el bosque andino patagónico, por ejemplo, a escala de detalle en un momento determinado, se ve que hay manchones muy heterogéneos de distintos tipos de bosques. Si se amplían las escalas temporal y espacial, se ve que a nivel regional, se explican los distintos tipos de bosque como estadios sucesionales del mismo ecosistema, con menor variabilidad y alto poder de predicción. (Constanza y Maxwell, 1994). Los autores definen la resolución óptima cuando se equilibran el beneficio del incremento de información con el costo de disminución del potencial predictivo del modelo. La ecología ha acumulado gran cantidad de información de detalle, que podría ser aprovechada para la generación de modelos a escala grande si hubiera reglas de extrapolación a través de escalas. La heterogeneidad del paisaje complica el proceso de cambio de escala. En un ambiente heterogéneo, las mediciones de los procesos a escala de detalle no pueden sumarse directamente para predecir el proceso a escala más amplia. Además, como la relación entre el proceso y el patrón no es lineal, no se pueden usar promedios ponderados. Hasta el presente, la manera más aceptada para transferir información entre escalas es a través del desarrollo de modelos, los cuales pueden ser de dos tipos: ascendentes (bottom-up) o de generalización (escala pequeña a escala grande) y los descendentes (top-down), de escala grande a pequeña. Los modelos ascendentes son determinísticos, basados en procesos, que predicen el funcionamiento de un sistema a una escala temporal y espacial, a partir de los conocimientos adquiridos a escalas espaciales más chicas y temporales más cortas. En general, la información proviene de la experimentación. Se corre el riesgo de errores porque no todos los procesos se conocen por experiencia empírica y los datos a escala inferior pueden provenir de hipótesis o supuestos ideados por el propio modelador, lo cual hace que el modelo encaje en sus preconceptos. Sin embargo estos modelos sirven como esquema en el cual pueden ir agregándose conocimientos de detalle a medida que Capítulo 3 - Pág. 47

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éstos se obtienen; esto significa que son modelos abiertos. Este tipo de modelos fueron desarrollados para cultivos y para bosques monoespecíficos, que son espacios relativamente homogéneos; la aplicación a ambientes heterogéneos es complicada. Los modelos descendentes tratan de obviar algunas de las limitaciones de los ascendentes. Son empíricos y se basan sobre el concepto de limitación para predecir fenómenos a escala de mayor detalle a partir de información a escalas más gruesas. Se trata de determinar experimentalmente la relación del proceso con alguna variable operativa. Esta relación impone restricciones al sistema y limita las predicciones, las cuales deben caer dentro del ámbito en que la variable operativa lo permite. La clave está en descubrir cuáles son las variables operativas importantes. La definición de los límites de la extrapolación es difícil. Se han planteado hipótesis al respecto: el error incrementa con relación a la cantidad de niveles alcanzados con la extrapolación, porque incrementan las posibilidades de llegar a un umbral a partir del cual no es válido la formulación propuesta (umbral crítico). Si se mide la varianza como función de la escala, el incremento de la varianza asociado al cambio de escala puede indicar una aproximación al umbral crítico. La extrapolación ascendente puede no ser simétrica con la descendente. Si se carece de información detallada, la extrapolación de escala grande a pequeña puede ser imposible, a menos que pueda aplicarse el concepto de autosimilitud. 3.4.2.2 Transferencia de Información a Través de Escalas desde la Perspectiva de la Modelación Hidrológica Hidrólogos han realizado un trabajo importante en el entendimiento y la cuantificación de procesos hidrológicos tanto locales como en conjunto en el ambiente. Sin embargo, la mayoría de las teorías de varios procesos tales como infiltración, evaporación, escurrimiento superficial, transporte de sedimentos y escurrimiento subsuperficial han estado en un continuo desarrollo en escalas espacio-temporal pequeñas. La implementación de estas teorías en modelos a amplias escalas (espacio-temporales) no ha sido igualmente buena. Del mismo modo, la extrapolación de estas teorías de procesos no-lineales a grandes escalas, así como a modelos tridimensionales a nivel de grandes cuencas continua siendo un tema por completar. A pesar de los numerosos trabajos realizados en esta dirección, sin duda el tema de conexión a través de “escalas” desde la perspectiva de la modelación hidrológica es aún un problema parcialmente resuelto. Cuando se menciona el termino “scaling” se entiende como la transferencia de información a través de escalas. En el contexto de la modelación hidrológica, podemos definir que: considerando g{s;θ;i} como la conceptualización de una respuesta hidrológica a escala de detalle, como una función de las variables de estado s, los parámetros θ y los datos i, y considerando G{S;θ;I} los correspondientes en una gran escala, la información de diferentes escalas consiste en el estado de las variables, parámetros y datos de entrada, tan bien conceptualizados como: s↔S; θ↔θ; i↔I; g{s;θ;i}↔ G{S;θ;I} Sin embargo, en la práctica, generalmente sólo una parte de la información mencionada es transformada en la escala, y el resto es implícitamente asumida como real en la nueva escala. Es claro que esto no es siempre apropiado. Tampoco, la definición de los Capítulo 3 - Pág. 48

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parámetros a gran escala tiene siempre sentido, aun cuando se llamen del mismo modo. Lo mismo puede suceder con las variables de estado. Por ejemplo, puede ser difícil (si no imposible) definir a gran escala el gradiente del suelo no saturado. Tratemos en especial algunos de los temas de mayor importancia. Agregación de los Parámetros (modelos ascendentes o generalización) Este estudio envuelve dos problemas: a) ¿pueden las ecuaciones definidas a microescala ser aplicadas a macro-escalas? b) si es así, cual es la regla de agregación para obtener los parámetros del modelo a macro-escala teniendo la distribución de los parámetros a la micro-escala. Los métodos que tratan de responder a las preguntas a) y b) utilizan definiciones que hacen coincidir los resultados de un sistema uniforme y heterogéneo. Si se puede obtener un adecuado ajuste, se puede efectuar tal transferencia de escalas. Las reglas para la agregación dependen básicamente de la heterogeneidad de la distribución de los parámetros. Los métodos utilizados incluyen aproximaciones analíticas (ej. Gutjahr et al., 1978), simulación Monte Carlo (ej. Binley et al., 1989) y mediciones (ej. Wu et al., 1982). Las reglas para esta agregación son de importancia conceptual más que práctica, ya sea en el marco determinístico como en el estocástico. En el marco determinístico, las reglas de agregación tiene un cierto dominio con el patrón del parámetro dado; en la aplicación práctica existe una clara información de la regla a ser usada para la agregación. En los métodos estocásticos, las reglas de agregación tienen en cuenta los momentos espaciales de los parámetros en las distintas escalas de análisis. Esto ha sido usado para determinar el espaciamiento del elemento o precisión para la calibración pero en la práctica, otras consideraciones, tales como la disponibilidad de datos, son generalmente más importantes. El uso de agregación de parámetros es particularmente cuestionado cuando los procesos cambian con la escala; por esto se recomienda un cuidadoso análisis de los fenómenos a ser considerados en la modelación. Desagregación de Variables de Estado y Datos de Entrada (modelo descendentes) El propósito de la desagregación (variables de estado y datos de entrada al modelo) es, dado un valor medio sobre un cierto dominio, derivar un patrón con mayor detalle. Basado en falta de información ante un estudio de detalle, los esquemas de desagregación se basan en aproximaciones estocásticas. Se presentan dos ejemplos de desagregación de datos de humedad de suelo en el dominio espacio y precipitación en el dominio de tiempo (ej Woolhiser y Osborne, 1985; Foufoula-Georgiou y Georgakakos, 1991). Desagregar la humedad de suelo para el cálculo de balance hídrico a nivel areal es un estudio muy frecuente. Generalmente el dato disponible es un promedio a macro-escala, como puede ser obtenido a partir de información satelital. Se han presentado investigaciones utilizando un índice de humedad y una variable espacial de radiación y vegetación; también se han considerado características topográficas y de uso del suelo. Los estudios realizados han ajustado y verificado la metodología, comparando los valores simulados y observados de escurrimiento para subcuencas individuales. La necesidad de desagregar datos de precipitaciones ocurre generalmente con el propósito de diseño. Específicamente, los esquemas de desagregación derivan de patrones temporales de precipitación dentro de una tormenta, con el promedio de Capítulo 3 - Pág. 49

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intensidad y duración de la tormenta dada. Generalmente se utiliza la curva de masa o se derivan las propiedades estadísticas de la lluvia horaria considerando la lluvia diaria. Las relaciones entre lluvia horaria y diaria son comúnmente basadas en ecuaciones de regresiones múltiples. Fractales y Transferencia de Información a Través de Escalas La noción de fractal, introducida por Mandelbrot (1982, 1987), se utiliza sobre todo para descubrir las estructuras invariables por dilatación de escala. Estas estructuras se caracterizan por su autosimilitud: cada una de sus partes, cualesquiera que sean sus dimensiones, es semejante al todo. Esto significa que si observamos tales objetos a distintos niveles o con grados de resolución diferentes se verá que sus características geométricas se preservan. Existe una invariancia de escala puesto que al mantenerse las propiedades geométricas, independientemente de la resolución de la visión, no hay una escala característica que permita describir dichos sistemas a partir de ella. Ésta es la propiedad más importante de los objetos de naturaleza fractal (Buzai et al., 1998). El uso de la dimensión fractal está siendo incorporada a los conceptos hidrológicos modernos. Específicamente se debe mencionar el estudio de generación de paisajes y canales de drenaje (llamado red óptima de canales OCN) y el desarrollo de su evolución geomorfológica (Rodríguez-Iturbe y Rinaldo, 1997, Becker y Braun, 1999). En el libro “Fractal River Basin” de Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997) se cita que los tratamientos modernos de los problemas en hidrología se mueven hacia las teorías de transformación de escalas. El libro trata especialmente el proceso que crea e interfiere en el crecimiento de las formas fractales; la complejidad de procesos relacionados con estructuras fractales y multifractales en cuencas hídricas favorece una nueva perspectiva de modelación, no basada en ecuaciones diferenciales no-lineales sino en conceptos diferentes capaces de explicar la dinámica de las formas fractales. Se menciona que resultados complejos no necesariamente deben ser resultado de un modelo complejo; en este caso, los fractales pueden describir potencialmente un fenómeno complejo con un mínimo número de parámetros; se basan en el reconocimiento de la variablilidad existente en el rango de las distintas escalas, pudiendo cuantificar dicha diferencia. Es importante mencionar que la utilización de la dimensión fractal está siendo incorporada a los conceptos hidrológicos modernos. Sin embargo, no se han encontrado trabajos relacionados con el análisis de paisaje erosivo a diferentes escalas pero se considera que la geometría fractal puede ser una herramienta útil para la extrapolación de escalas, basados principalmente en el principio de autosimilitud. Conexión de Modelos Hidrológicos y Atmosféricos Los modelos a escala continental ofrecen una resolución donde se puede superponer las escalas de los modelos de la atmósfera y los modelos hidrológicos. En este marco se encuentran los proyectos “Continental Scale Experiment (CSEs)” llevado a cabo bajo el proyecto marco “Global Energy and Water Cycle Experiment (GEWEX)”, con los programas: GCPI en la Cuenca del Mississippi, el LBA en la Cuenca del Amazonas, el MAGS en la Cuenca Mackenzie y el BALTEX en Cuenca del Océano Báltico (Bergström y Graham, 1998). Existen varios trabajos de investigaciones que tienen en cuenta la conexión de modelos hidrológicos y atmosféricos (Weater et al., 1993; Blöschl y Sivapalan, 1995; Wood, 1995; Dooge 1995; Kite et al., 1995; Becker, 1995), tratando de considerar las variaciones climáticas.

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En el marco de estudios de procesos de erosión en cuencas de montaña, la Unión Europea financió un estudio global sobre la influencia del cambio climático en la producción de sedimentos de una cuenca alpina italiana (1994-1996). Los resultados de estudios atmosféricos realizados a nivel de macro-escala debieron extrapolarse (downscaling) para ser utilizados como entrada a modelos hidrológicos (a parámetros concentrados y distribuidos), en conexión con modelos de producción de sedimentos (modelos morfológios de la red de drenaje y modelos de erosión superficial). El proyecto fue denominado “Flooding Risk in Mountain Areas” y se desarrolló bajo contrato de la Unión Europea. 3.4.3 Análisis y Discusión de las Metodologías relacionadas con Extrapolación en Modelación del Paisaje Erosivo En la bibliografía recopilada se definió claramente que una de las líneas de investigación actuales en hidrología se mueve hacia las teorías de transformación de escalas. Como primer paquete de trabajos recopilados/analizados, se encuentran aquellos que contienen métodos de extrapolación utilizados en el área de la ecología del paisaje y la región (Matteucci y Buzai, 1998). En este marco se define que no existe una escala óptima de estudio de un proceso, ni tampoco una escala exclusiva de operación de un fenómeno. Un mismo fenómeno puede ocurrir a distintas escalas y manifestarse de distinta manera en cada una de ellas. La selección de escala es algo más que la selección del nivel de resolución; implica conocer el punto de vista espacial y temporal del fenómeno que se estudia. El problema no está en elegir la escala adecuada, sino en reconocer la validez de los resultados obtenidos con distinta precisión. Esta línea de pensamiento es totalmente aplicable a los estudios de procesos de erosión que nos ocupan en esta tesis. En particular, se consideran como referencia los modelos ascendentes determinísticos, basados en procesos, que predicen el funcionamiento de un sistema a una escala temporal y espacial, a partir de los conocimientos adquiridos a escalas espaciales más chicas y temporales más cortas. Estos modelos sirven como esquema en el cual pueden ir agregándose conocimientos de detalle a medida que éstos se obtienen, dando el carácter de modelos abiertos. En el ámbito de la transferencia de información a través de escalas en el marco de los modelos hidrológicos, se presentaron las metodologías de agregación de parámetros y desagregación de variables de estado y datos de entrada mencionadas en la bibliografía, así como una breve introducción de fractales en el cuencas hídricas y referencia de proyecto que conectan modelos hidrológicos y atmosféricos (Blöschl y Sivapalam, 1995; Sivipalan y Kalma, 1995; Bergström y Graham, 1998; Becker y Broun, 1999; Band y Moore, 1995; Jetten et al., 1999; entre otros). Es importante mencionar que la utilización de la dimensión fractal está siendo incorporada a los conceptos hidrológicos modernos. Sin embargo, no se han encontrado trabajos relacionados con el análisis de paisaje erosivo a diferentes escalas pero se considera que la geometría fractal puede ser una herramienta útil para la extrapolación de escalas, basados principalmente en el principio de autosimilitud. La metodología a ser elaborada en el presente trabajo se nutrirá de todos los trabajos recopilados pero deberá ser desarrollada ad-hoc teniendo en cuenta la poca información básica sobre extrapolación de metodologías para determinar procesos erosivos en cuenca de montaña, en situaciones con información básica de poca precisión. Se Capítulo 3 - Pág. 51

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propone la extrapolación de las metodologías aplicadas para determinar unidades de paisaje erosivo y aquélla que considera relaciones simplificadas, las cuales son previamente ajustadas y verificadas a nivel local. Estas dos metodologías utilizan la información básica disponible a nivel regional que tiene con menor precisión a aquella obtenida a nivel local. La base de la extrapolación es lograr la adaptación de los límites de análisis de las variables utilizadas; de este modo se realiza la etapa de discriminación (con los nuevos límites) y la integración según la metodología aplicada a nivel local/ subcuenca. Se concluye con la verificación de la extrapolación, validando la propuesta metodológica global. 3.5

SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 3 Y BASES PARA LA PROPUESTA METODOLÓGICA

En este Capítulo 3 denominado “Metodologías Relacionadas con Zonificación del Territorio” se presentan los trabajos considerados de interés para formular la propuesta metodológica del presente estudio sobre los procesos de erosión en cuencas de montaña. Esta selección surge posterior al análisis de los documentos recopilados que sirvieron de base para definir el estado del conocimiento de los temas de interés en este estudio, presentado oportunamente en el Capítulo 2. Como estructura de análisis se consideran cuatro temas básicos que tienen relación a la problemática de esta tesis: definición de unidades de paisaje erosivo, evolución del paisaje y parámetros morfológicos, métodos y modelos para la estimación de fuentes de sedimentos y extrapolación de escalas en modelación del paisaje erosivo. Las metodologías recopiladas en cada uno de estos temas, han sido analizadas y discutidas independientemente en los Capítulos 3.1.3, 3.2.3, 3.3.3 y 3.4.3. A continuación se presenta la síntesis realizada para cada tema, definiendo las bases para la formulación de la propuesta metodológica del presente trabajo de tesis: •

Unidades del Paisaje La recopilación de antecedentes y el análisis de las metodologías de interés, permitió conocer los principios básicos de las dos líneas de investigación que se relacionan con la problemática de la tesis. La primera, “Paisaje y Zonificación con miras al Ordenamiento del Territorio” (Gallopín, 1982; Sánchez, 1991, 1993 y Matteucci y Buzai, 1998), considera que la zonificación explica la dinámica paisajística a través de un proceso de delimitación y evaluación integrada del comportamiento y naturaleza de la superficie geomórfica, la vegetación, el suelo y la actividad antrópica, entre otros. En el marco de la segunda línea de investigación relacionada, “Zonificación del Territorio para determinar Riesgo de Erosión basado en Cartografía Temática” (ICONA, 1982-1989; Albadalejo et al., 1988; CORINE, 1992; RUNOUT, Van Westen, 2000), se detectó que los trabajos consideran las variables de relieve, clima, vegetación, y uso del suelo integradas generalmente en una evaluación multicriterio. Combinando básicamente las propuestas metodológicas de Gallopín (1985), Albadalejo et al.(1988) y RUNOUT (van Westen, 2000), se propone la utilización de un modelo cuali-cuantitativo y un modelo probabilístico que permitan definir la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos.

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Como primer paso se propone discriminar las unidades de estudio en función de los factores que intervienen en el proceso erosivo (relieve, clima, suelo, vegetación y uso del suelo). Las cartas temáticas disponibles deberán ser reclasificadas y categorizadas con el objeto de agruparlas según un esquema coherente de homogeneidad. Mediante el modelo probabilístico se determinan las variables relevantes a ser consideradas para la definición de la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. La integración de estas variables significativas define la primera formulación matemática que responde a una regresión logística. Utilizando las variables significativas para explicar el proceso erosivo en la escala analizada, se aplica el modelo cuali-cuantitativo mediante la combinación de dichas variables, definiendo los grados de estabilidad del territorio. En principio, los modelos son ajustados en una cuenca piloto y extrapolados horizontalmente a toda nivel local/subcuenca, verificando la validez del ajuste. La formulación metodológica propuesta tiene una base causal ya que las variables que intervienen han sido seleccionadas como significativas para definir la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. El ajuste realizado en la prueba de concepto es un ejemplo de aplicación pero este ajuste no puede ser generalizado ya que el método debe ser implementado/ajustado/verificado en cada caso en particular; esto hace que no sea transferible el ajuste a cualquier otra región. Sin embargo, el modelo calibrado a nivel local/subcuenca será sencillamente extrapolado tanto horizontalmente (en la misma escala) como verticalmente (a nivel regional/cuenca) dentro de la misma zona de estudio. •

Evolución del Paisaje y Parámetros Morfológicos Los métodos relacionados a parámetros morfológicos que se han considerado de interés para el presente estudio, están basados en el principio de que la evolución del paisaje está controlado por la densidad y estructura de la red del drenaje. Siguiendo esta línea de pensamiento, la ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento es una importante característica morfológica del paisaje que está relacionada con la relativa magnitud del aporte de sedimentos y la erosión potencial debida al escurrimiento. La primera formulación que es considerada en esta tesis tiene en cuenta relaciones simplificadas entre área de aporte y pendiente local, estableciendo la conexión entre estos parámetros morfológico y la iniciación del encauzamiento del escurrimiento, según los estudios de Dietrich y Dunne (1993), Montgomery y Dietrich (1994), Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Esta formulación fue utilizada en ambientes de acotada superficie, con reducida variación de los parámetros de clima y uso del suelo, lo que evidencia una limitación fundamental para su aplicación directa en el presente trabajo de tesis. En consecuencia, se propone una modificación al modelo original, considerando otros parámetros que se consideran con posible relación causal (ejemplo: clima y vegetación) y permitiendo de este modo incorporar nuevas variables al análisis. La formulación con relaciones simplificadas está basada en relaciones causales (magnitud de la tensión de corte crítica para iniciar el encauzamiento del escurrimiento y formulación de escurrimiento superficial flujo hortoniano en régimen laminar y turbulento) y tiene la notable ventaja de admitir la transferencia a través de escalas por ser una formulación generalizada. En la presente aplicación se Capítulo 3 - Pág. 53

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realiza la extrapolación tanto horizontal (en la misma escala) como vertical (modelo ascendente), utilizando la formulación de transferencia de metodologías propuesta en esta tesis. La segunda metodología presentada se relaciona con los umbrales de erosión que permiten definir zonas con movimientos de masa, erosión superficial y áreas estables, caracterizando los diferentes grados de susceptibilidad de los distintos tipos de erosión (Dietrich et al., 1992). Además de los parámetros morfológicos de pendiente y área de aporte, este modelo requiere la determinación de parámetros que definen la saturación del suelo (ej. transmisividad), la inestabilidad de pendiente (ej. ángulo de fricción interna, densidad del suelo) y el escurrimiento superficial en suelo saturado (ej. tensión crítica, rugosidad, profundidad del suelo). La disponibilidad de esta información condiciona la posibilidad de aplicación. En la presente tesis se propone el análisis a escala local/subcuenca donde se dispone de información básica de detalle. Esta metodología propuesta genera resultados con información de detalle sobre los distintos tipos de erosión (deslizamiento, escurrimiento superficial erosión superficial, etc.) pero es necesario disponer de un mayor número de datos básicos para definir los umbrales de erosión; esto refleja la acotada posibilidad de transferir la metodología a través de las escalas. •

Fuente de Sedimentos por Erosión Superficial y Movimientos de Masa En esta etapa se realiza una recopilación de la información relacionada con los métodos-modelos desarrollados en el marco de estudio de erosión hídrica. Se analizan modelos hidrológicos en general, métodos cuantitativos de la degradación específica y unión de modelos hidrológicos y modelos de erosión en cuencas hidrográficas. El objetivo principal de esta etapa es determinar la metodología indicada para utilizar en esta tesis, para la estimación de las fuentes de sedimento por erosión superficial (degradación especifica) y por movimientos de masa (deslizamientos). Con respecto a la estimación de la degradación específica, los métodos de cálculo se agruparon en métodos estadísticos y métodos paramétricos. En particular, se analizó el modelo USLE, y la familia de modelos derivados del mismo (MUSLE y RUSLE). Estos modelos desarrollados con fines de desarrollo agrícola, en áreas con bajas pendientes, no son utilizadas para analizar degradación en áreas montañosas. Se relevó y analizó la metodología de Gavrilovic (1959, 1988) como la única que ha sido probada en zonas montañosas con pendientes complejas, como es la de interés en el presente estudio de investigación. Si bien la misma fue desarrollada en zonas onduladas, se encontró que durante los últimos años ha sido ampliamente utilizada en zonas alpinas y en estudios a nivel nacional (Peviani et al., 1994; Brea y Spalletti, 1998). Se ha determinado que la misma puede ser seleccionada para incluirla en el presente desarrollo metodológico. Como segundo tema de análisis en esta etapa, se define una amplia gama de modelos que resultan de acoplar módulos de cálculo de erosión hídrica y estabilidad de pendiente a modelos hidrológicos. Se citan y analizan modelos importantes, entre otros: el WEPP desarrollado por el USDA, el EUROSEM desarrollado por varias universidades europeas, la familia de modelos europeos MEDALUS. Cada uno de los modelos presentados pertenecen a grandes proyectos que tienden Capítulo 3 - Pág. 54

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actualmente a validar la aplicación de estos modelos a escalas de cuencas / grandes cuencas, según se presenta en Boardman y Favis-Mortlock (1998). La mayoría de estos modelos consideran la estimación de la erosión superficial y en surcos (e inter-surcos). Dentro de los modelos que consideran movimientos de masa, estimando deslizamientos poco profundos, se presenta el modelo SHALSTAB (Dietrich et al., 1993; Montgomery y Dietrich, 1994) como el adecuado para ser probado en la prueba de concepto de la presente tesis. El mismo relaciona modelos topográficos, asociados a modelos hidrológicos simples. La formulación se basa en el análisis de deslizamientos poco profundos, donde se requiere información de detalle para su implementación/calibración/validación. Estos modelos son considerados de interés en el presente estudio por contemplar la fragilidad del territorio frente a los movimientos de masa. La propuesta metodológica resulta entonces en la aplicación de la formulación de Gavrilovic para la estimación de degradación específica y el modelo SHALSTAB para la determinación de fragilidad del territorio frente a deslizamientos pocos profundos. El ajuste/verificación se realiza a nivel local/subcuenca, definiendo el significativo número de parámetros necesarios para la modelación. La formulación propuesta no es transferible a cualquier región ya que se debe realizar un ajuste en una zona piloto y validarlo a dicho nivel. La extrapolación ascendente no es recomendada por tratarse de modelos con mayor número de variables que deberán ser calibradas/validadas nuevamente en el nuevo nivel de análisis. •

Extrapolación en Modelación del Paisaje La presente tesis esta dirigida a la extrapolación a nivel regional/cuenca de las metodologías implementadas a nivel local/subcuenca. Este desarrollo tiene como marco de referencia una de las líneas de investigación actual en hidrología, relacionada con teorías de transformación de escalas. Como primer paquete de trabajos recopilados/analizados, se encuentran aquellos que contienen métodos de extrapolación utilizados en el área de la ecología del paisaje y la región (Matteucci y Buzai, 1998). En este marco se define que no existe una escala óptima de estudio de un proceso, ni tampoco una escala exclusiva de operación de un fenómeno. El problema no esta en elegir la escala adecuada, sino en reconocer la validez de los resultados obtenidos con distinta precisión. Esta línea de pensamiento es totalmente aplicable a los estudios de procesos de erosión que nos ocupan en esta tesis. En particular, se consideran los modelos ascendentes determinísticos que predicen el funcionamiento de un sistema a una escala espacial, a partir de los conocimientos adquiridos a escalas más chicas. Son modelos definidos como abiertos, donde pueden ir agregándose conocimientos de detalle a medida que éstos se obtienen. En el ámbito de la transferencia de información a través de escalas en el marco de los modelos hidrológicos, se presentaron las metodologías de agregación de parámetros y desagregación de variables de estado y datos de entrada mencionadas en la bibliografía. (Blöschl y Sivapalam, 1995; Sivipalan y Kalma, 1995; Bergström y Graham, 1998; Becker y Broun, 1999; Band y Moore, 1995; Jetten et al., 1999; entre otros). La metodología elaborada en el presente trabajo se nutre de todos los trabajos recopilados pero es desarrollada ad-hoc teniendo en cuenta la poca información Capítulo 3 - Pág. 55

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básica sobre extrapolación de metodologías para determinar procesos erosivos en cuenca de montaña, en situaciones con información básica de poca precisión. Se propone la extrapolación de las metodologías aplicadas para determinar unidades de paisaje erosivo y aquélla que considera relaciones simplificadas, las cuales son previamente ajustadas y verificadas a nivel local. Estas dos metodologías utilizan la información básica disponible a nivel regional que tiene con menor precisión a aquella obtenida a nivel local. La base de la extrapolación es lograr la adaptación de los límites de análisis de las variables utilizadas; de este modo se realiza la etapa de discriminación (con los nuevos límites) y la integración según la metodología aplicada a nivel local/ subcuenca. Se concluye con la verificación de la extrapolación, validando la propuesta metodológica global.

Capítulo 3 - Pág. 56

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

4.

FORMULACIÓN METODOLOGÍCA PARA DETERMINACIÓN DE PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA EXTENSAS (PECuME)

En éste Capítulo se presenta una formulación metodológica para el estudio del Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME). El PECuME define la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos, considerando niveles espaciales y categorías de análisis. En el Capítulo 4.1 se desarrolla una introducción de la formulación para luego en el Capítulo 4.2 presentar la propuesta metodológica propiamente dicha. La síntesis se detalla en el Capítulo 4.3. 4.1

INTRODUCCIÓN

La problemática que interesa desarrollar con la presente propuesta metodológica, se relaciona a experimentos multi-escala en estudios de fragilidad del territorio frente a procesos erosivos. Este tipo de estudios requiere un tratamiento a nivel científico/ingenieril que responda a una problemática del momento y que tenga como marco la línea de investigación actual de extrapolación de escalas en estudios hidrológicos. Se tratan modelos ascendentes o de generalización (up-scaling), donde la formulación sea ajustada en un área piloto con información básica de detalle (nivel local /subcuenca), para luego extrapolar dicha metodología a una amplia zona con menos precisión en los datos de entrada (nivel regional/cuenca), según se detalla en el Gráfico 4.1. Gráfico 4.1: Esquema de Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente ↑ escala ↑ tamaño grilla ↓ precisión Modelación a Nivel Regional / Cuenca Extrapolación Ascendente (Vertical)

⇑ Modelación a Nivel Local / Sub-Cuenca Ajuste y Extrapolación Horizontal

Capítulo 4 – Pág. 1

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La metodología está dirigida a estudios de cuencas extensas (caso típico de Argentina) donde los datos son escasos y están disponibles a escalas dispares. En estas situaciones, generalmente se tiende a utilizar modelación distribuida que ha sido desarrollada, ajustada e implementada en cuencas pilotos con información básica de detalle. Es imprescindible tratar seriamente el tema de uso de metodologías con distintos niveles de precisión, definiendo el rango de la validez de la aplicación. Esta propuesta trata de generar un sistema abierto, donde el enfoque sea adaptativo para facilitar la reformulación de la hipótesis a medida que se avance en la investigación y se acumule conocimiento. 4.2

PROPUESTA METODOLÓGICA

La propuesta metodológica trata la determinación del Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME), definiendo grados de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. Gráfico 4.2: PECuME – Esquema Metodológico Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas "PECuME"

NIVEL A: Local/Subcuenca Información Básica - Nivel Local Esc. < 1:100.000 (cartografía temática de las variables de interés en procesos erosivos)

CATEGORÍA 1: Unidades de Paisaje

NIVEL B: Regional/Cuenca

NO

Existe Análisis a Nivel Local/Subcuena?

SI

Información Básica - Nivel Regional Esc. < 1:250.000 (cartografía temática que incluye área de ajuste a nivel local/subuenca)

Etapa de Discriminación: Reclasificación/Categorización de Variables

Etapa de Discriminación: Ajuste de Límites de Categorización

Etapa de Agrupamiento: - Modelo Probabilístico - Modelo Cuali-Cuantitativo

Etapa de Agrupamiento: Modelo Cuali-Cuantitativo Determinación de Variables Significativas y Formulación Metodológica para la Extrapolación

CATEGORÍA 2: Morfología

CATEGORÍA 3: Fuente de Sedimento

- Modelo de Relaciones Simplificadas - Modelo de Umbrales

Modelo de Relaciones Simplificadas con Ajuste del Valor Umbral

- Modelo de Erosión Superficial - Modelo de Movimientos de Masa

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

La determinación del PECuME considera el análisis por Niveles Espaciales y Categorías de Análisis, según se detalla en el Esquema Metodológico presentado en el Gráfico 4.2. Los Niveles Espaciales definidos según el grado de precisión de la información de base son: Nivel A: Local/Subcuenca y Nivel B: Regional/Cuenca.

Capítulo 4 – Pág. 2

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Se plantea una generalización/extrapolación para estudios donde la cartografía temática a nivel local/subcuenca tenga una precisión de al menos escala 1:100.000 y a nivel regional/cuenca entre escala 1:100.000 y escala 1:250.000, por considerar estos valores típicos de la cartografía disponible en áreas extensas, a las cuales está dirigida la presente propuesta metodológica. Las Categorías de Análisis fluyen con la complejidad de la formulación a saber: Categoría 1: Unidades de Paisaje Categoría 2: Morfología Categoría 3: Fuente de Sedimento Se generan Módulos de Análisis con las combinaciones de Niveles Espaciales y Categorías de Análisis, según se desarrolla a continuación. Módulo 1-A: Unidades de Paisaje - Local/Subcuenca El estudio inicia con un análisis a nivel local/subcuenca partiendo de la base de que es fundamental disponer de una zona piloto para ajustar/verificar la modelación. El primer estudio propuesto es definir las Unidades de Paisaje considerando cartografía temática. El diagrama de este análisis se presenta en el Gráfico 4.3. Esta metodología tiene como base los conceptos recopilados y analizados de Gallopín (1982, 1985), Sánchez (1991, 1993), ICONA (1982, 1989), Albadalejo et al. (1988), CORINE (1992), RUNOUT (en Van Westen, 2000), presentados en el Capítulo 3.1. Para desarrollar este Módulo 1-A se proponen dos etapas de análisis: la etapa de discriminación donde se reclasifican/categorizan las variables temáticas disponibles y la etapa de agrupamiento donde se definen los parámetros. La información base consiste en cartografía temática de las variables que se consideran significativas para los proceso de erosión, con una precisión mayor a 1:100.000. Se debe intentar cubrir los cuatro factores relevantes para la estimación de los paisajes erosivos reflejados en las respectivas cartas temáticas según Tabla 4.1. Los datos base condicionan la cantidad de cartas temáticas que podrán ser establecidas. Se recomienda mínimamente disponer de una variable por cada factor. Tabla 4.1: Información Básica – Factores relacionados a Paisaje Erosivo Factores

Carta Temática (propuestas)

Relieve

Mapa de Pendiente

Clima

Mapa de Precipitaciones Erosividad Climática (función del índice de Fournier y del índice de Bagnould-Baussen),

Suelo

Mapa de Resistencia a la Erosión Tamaño del Sedimento Producido Erosionabilidad del Suelo (función de la profundidad, entre otras características de suelo)

Vegetación

textura,

Mapa de Cobertura Vegetal Grado de Protección

Uso del Suelo

Mapa de Uso del Suelo (indicando entre otros parcelas de cultivos, actividades antropogenéticas tales como picadas, desmontes, caminos, etc).

Capítulo 4 – Pág. 3

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Es necesario además disponer de una carta temática donde se muestren los fenómenos erosivos a predecir en una zona piloto, con el objeto de realizar el ajuste/verificación de la metodología. Esta información puede ser obtenida de un mapa geomorfológico, de interpretación de fotos aéreas o de relevamientos de campo, que permitan establecer zonas de variado riesgo a la erosión. La información cartográfica debe estar incorporada a un sistema de información geográfica. Gráfico 4.3: PECuME – Módulo 1-A Módulo 1-A en el Esquema Metodológico

Paisaje Erosivoen en Cuencas Montaña Extensas Paisaje Erosivo CUencas de de Montaña Extensas "PECUME" "PECuME"

Paisaje Erosivo en CUencas de Montaña Extensas "PECUME"

Información Básica - Nivel Local Esc. < 1:100.000 (cartografía temática de las variables de interés en procesos erosivos)

NO

Existe Análisis a Nivel Local/Subcuena?

SI

Etapa de Discriminación: Reclasificación/Categorización de Variables

Información Básica - Nivel Regional Esc. < 1:250.000 (cartografía temática que incluye área de ajuste a nivel local/subuenca)

Etapa de Discriminación: Ajuste de Límites de Categorización

Etapa de Agrupamiento: - Modelo Probabilístico - Modelo Cuali-Cuantitativo

MÓDULO 1-A Unidades de Paisaje - Nivel Local / Subcuenca

Etapa de Agrupamiento: Modelo Cuali-Cuantitativo Determinación de Variables Significativas y Formulación Metodológica para la Extrapolación

- Modelo de Relaciones Simplificadas - Modelo de Umbrales

Modelo de Relaciones Simplificadas con Ajuste del Valor Umbral

- Modelo de Erosión Superficial - Modelo de Movimientos de Masa

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

Información Básica Cartas Temáticas Esc. < 1:100.000

RELIEVE

CLIMA

SUELO

VEG y USO SUELO

Pendiente, etc.

Precipitación Erosividad Climática etc.

Resistencia Tamaño Sedimento etc.

Cob. Vegetal Grado de Protección etc.

- Índice de Resistencia - Índice de Tamaño del Sedimento, etc

- Índice dePendiente, etc.

Etapa de Discriminación

GEOMORFOLOGÍA

- Índice Cob. Vegetal - Índice de Grado de Protección, etc.

- Índice de Precipitación - Índice de Erosividad Climática, etc.

Erosión Intensa Erosión Ligera Zona Estable

VARIABLE DEPENDIENTE VARIABLES INDEPENDIENTES

MODELO PROBABILÍSICO - Ajuste/Calibración en Cuenca Piloto - Verificación o Extraplación Horizonal en otra Área de la Cuenca

Etapa de Agrupamiento

VARIABLES DEPENDIENTE RELEVANTES

MODELO CUALI-CUANTITATIVO - Ajuste/Calibración en Cuenca Piloto - Verificación o Extraplación Horizonal en otra Área de la Cuenca

Resultados

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

FORMULACIÓN METODOLÓGICA PARA EXTRAPOLACIÓN ASCENDENTE (MÓDULO 1-B)

Etapa de Discriminación: Cada variable será categorizada/indexada con el objeto del futuro agrupamiento en unidades que reflejen homogeneidad frente al proceso erosivo. Se propone dividir las variables cuantitativas (grado de pendiente, precipitación, etc.) en intervalos de amplitud fija, abarcando todo el rango de variación. Las Capítulo 4 – Pág. 4

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variables cualitativas deberán ser también categorizadas, si es posible en el mismo número de intervalos que las variables cuantitativas. Etapa de Agrupamiento: Como primera acción se propone realizar el análisis probabilístico para definir las variables relevantes en la determinación del grado de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos; por tratarse de variables categorizadas se debe utilizar un modelo de regresión logística. Es necesario disponer de una cartografía de detalle en el área de control para realizar el ajuste del modelo. De existir una carta geomorfológica, se puede reclasificar en modo de marcar zonas con erosión intensa y zonas con erosión ligera o sin erosión. Si esto no está disponible, se deberán analizar fotos aéreas o realizar trabajos de campo para definir tales características del terreno. En el modelo probabilístico esta será la variable dependiente. Las variables independientes serán todas aquellas definidas de interés en el estudio de procesos erosivos. El modelo probabilístico definirá aquellas variables relevantes para el análisis, dependiente directamente de la precisión de la información de base. También definirá una ecuación de predicción que podrá ser utilizada para validar la metodología a nivel local. Se debe verificar la formulación metodológica en el área local, mediante la extrapolación horizontal de la misma. Posteriormente, considerando las variables resultante del análisis estadístico, se propone el modelo cuali-cuantitativo que consiste en la superposición de las cartas temáticas con un método de agrupamiento definido en base a la lógica deductiva. También este método debe ser ajustado a la variable dependiente en una zona piloto y validado a nivel local después de una extrapolación horizontal. Comentario Final Módulo 1-A: La formulación metodológica propuesta tiene una base causal ya que las variables que intervienen han sido seleccionadas como significativas para la producción de sedimentos. Ambos modelos probabilístico y cuali-cuantitativo definen el paisaje erosivo en base a cartografía temática y es el primer eslabón de la gama de propuestas metodológicas de esta tesis. Las metodologías ajustadas en un ambiente definido no pueden ser generalizadas para cualquier región ya que la formulación requiere la implementación/ajuste/verificación en cada caso particular. Sin embargo, el modelo ajustado a nivel local será fácilmente extrapolado horizontalmente (en la misma escala) como verticalmente (a nivel regional/cuenca) dentro de la misma región de estudio (Módulo 1-B: Unidades de Paisaje – Región/Cuenca)

Capítulo 4 – Pág. 5

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Módulo 2-A: Morfología - Nivel Local/Subcuenca Los métodos relacionados a parámetros morfológicos están basados en el principio de que la evolución del paisaje está controlado por la densidad y estructura de la red del drenaje. Siguiendo esta línea de pensamiento, la ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento es una importante característica morfológica del paisaje que está relacionada con la relativa magnitud del aporte de sedimentos y la erosión potencial debida al escurrimiento. Por esta razón, se investigó la relación entre área de aporte y pendiente local con el objeto de determinar la iniciación de cauces. Como consecuencia, surge una línea de investigación dirigida a la zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que tiene en cuenta los mencionados parámetros morfológicos. Los conceptos base utilizados para la presente formulación metodológica, han sido presentados y analizados en el Capítulo 3.2; dentro de los artículos más relevantes se pueden mencionar Dietrich y Dunne (1993), Montgomery y Dietrich (1994), Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). El diagrama de este módulo se presenta en el Gráfico 4.4. Gráfico 4.4: PECuME – Módulo 2-A

Paisaje Erosivo Erosivo en CUencas Paisaje Cuencas de Montaña Montaña Extensas Extensas "PECUME" "PECuME"

Módulo 2-A en el Esquema Metodológico Paisaje Erosivo en CUencas de Montaña Extensas "PECUME"

Información Básica - Nivel Local Esc. < 1:100.000 (cartografía temática de las variables de interés en procesos erosivos)

NO

Existe Análisis a Nivel Local/Subcuena?

Información Básica - Nivel Regional Esc. < 1:250.000 (cartografía temática que incluye área de ajuste a nivel local/subuenca)

SI

Etapa de Discriminación: Reclasificación/Categorización de Variables

Etapa de Discriminación: Ajuste de Límites de Categorización

Etapa de Agrupamiento: - Modelo Probabilístico - Modelo Cuali-Cuantitativo

Etapa de Agrupamiento: Modelo Cuali-Cuantitativo

MÓDULO 2-A Morfología - Nivel Local / Subcuenca

Determinación de Variables Significativas y Formulación Metodológica para la Extrapolación - Modelo de Relaciones Simplificadas - Modelo de Umbrales

Modelo de Relaciones Simplificadas con Ajuste del Valor Umbral

- Modelo de Erosión Superficial - Modelo de Movimientos de Masa

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

RELIEVE

Parámetros Morfológicos

Pendiente, etc.

CLIMA

SUELO

VEG y USO SUELO

GEOMORFOLOGÍA

Precipitación Erosividad Climática etc.

Resistencia Tamaño Sedimento etc.

Cob. Vegetal Grado de Protección etc.

Erosión Intensa Erosión Ligera Zona Estable

Información Básica Cartas Temáticas Esc. < 1:100.000 NIVEL 1-A

Modelo de Relaciones Simplificadas y Modelo de Umbrales

VARIABLES SIGNIFICATIVAS

IMPLEMENTACIÓN MODELO DE RELACIONES SIMPLIFICADAS

IMPLEMENTACIÓN MODELO DE UMBRALES

AJUSTE Y EXTRAPOLACIÓN HORIZONTAL MODELO DE RELACIONES SIMPLIFICADAS

AJUSTE Y EXTRAPOLACIÓN HORIZONTAL MODELO DE UMBRALES

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

Resultados FORMULACIÓN METODOLÓGICA PARA EXTRAPOLACIÓN ASCENDENTE (MÓDULO 2-B)

Capítulo 4 – Pág. 6

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En base a la cartografía temática de relieve, se determina el modelo digital del terreno y los parámetros morfológicos de área y pendiente local. Estos son los parámetros básicos para esta segunda formulación metodológica planteada. Los resultados obtenidos en el Módulo 1-A (Unidades de Paisaje – Nivel Local) permiten definir qué factores (clima, suelo y/o vegetación) deben ser incorporados a este nuevo análisis que contempla hasta ahora solamente el relieve. Modelo de Relaciones Simplificadas: De acuerdo a lo presentado y analizado en la bibliografía citada, se definió que existe una línea de investigación dirigida a morfología fluvial y zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que tienen en cuenta parámetros morfológicos tales como área de aporte y pendiente local. En particular se pueden destacar relaciones simplificadas para determinar la intensidad del fenómeno erosivo, tales como: • • •

A S2 ~ escurrimiento superficial – régimen laminar A S1 ~ escurrimiento superficial – régimen turbulento A S0,5~ tensión de corte critica

donde A es el área de aporte (que puede ser considerada también como área por unidad de ancho: a/b) y S es la pendiente local. El detalle de esta metodología se ha presentado en Capítulo 3.2. Se define que la iniciación de encauzamiento puede ser establecida en función de estos valores topográficos (A y S). Sin duda que la forma de esta relación estará en función del proceso (escurrimiento superficial o movimiento de masa) mientras que la posición será en función del clima y la vegetación. Por tal motivo, se propone utilizar estas relaciones simplificadas para la definición de paisaje erosivo, estimando los umbrales de erosión en base a la calibración en el área piloto. Se deberá analizar la vinculación con el clima, suelo y la vegetación, tomando como base los resultados obtenidos en el Módulo 1-A donde se definieron las variables relevantes en los estudios de procesos de erosión en función de la precisión de la información base disponible. Se propone la implementación en toda la cuenca, con el ajuste en la zona piloto y la verificación (extrapolación horizontal) a nivel local. Esta formulación metodológica servirá de base para la extrapolación ascendente a realizarse a nivel regional/cuenca (Módulo 2-B), considerando el ajuste realizado en esta etapa a nivel local/subcuenca. Modelo de Umbrales: El desarrollo de modelos digitales del terreno ha permitido analizar cuantitativamente el paisaje, dando además la oportunidad de observar la relación entre procesos de transporte de sedimentos y formas del paisaje. Dietrich et al. (1992) propusieron una técnica gráfica para caracterizar el paisaje utilizando estos modelos digitales del terrenos y aplicando teorías de procesos de

Capítulo 4 – Pág. 7

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transporte de sedimentos y formas del paisaje (ej. Moore et al., 1988; Vertessey et al., 1990; Tarboton et al., 1991). Esta metodología se basa en tres ecuaciones simples que predicen umbrales de saturación del suelo, inestabilidad de la pendiente y escurrimiento superficial en suelo saturado, permitiendo definir las siguientes zonas: • •

Zonas no saturadas - zona no saturada estable - zona no saturada con movimientos de masa Zonas con suelo saturado, que se dividen a su vez en: - zona con suelo saturado sin erosión superficial - zona con suelo saturado con erosión superficial - zona con suelo saturado con erosión superficial y movimientos de masa.

El Modelo de Umbrales ha sido presentado en detalle en el Capítulo 3.2. Esta metodología genera resultados con información de detalle sobre los distintos tipos de erosión (deslizamiento, escurrimiento superficial erosión superficial, etc.) pero es necesario disponer de un mayor número de datos básicos para definir los umbrales de erosión; esto genera una acotada posibilidad de transferir la metodología a través de las escalas. Comentario Final Módulo 2-A: En este módulo de análisis se propusieron dos metodologías que consideran los parámetros morfológicos para establecer cualitativamente la relación entre procesos de erosión y formas del paisaje. La formulación con relaciones simplificadas está basada en relaciones causales (magnitud de la tensión de corte crítica para iniciar el encauzamiento del escurrimiento y formulación de escurrimiento superficial flujo hortoniano en régimen laminar y turbulento) y tiene la notable ventaja de admitir la transferencia a través de escalas por ser una formulación generalizada. Se propone agregar parámetros tales como clima y vegetación, según se haya definido su relevancia en el Módulo 1-A. La segunda metodología presentada se relaciona con los umbrales de erosión que genera resultados con información de detalle sobre los distintos tipos de erosión pero requiere de un mayor número de datos básicos; esto genera una acotada posibilidad de transferir la metodología a través de las escalas. La presente formulación metodológica propone implementar las relaciones simplificadas tanto a nivel local/subcuenca como a nivel regional/cuenca, permitiendo verificar la validez de la extrapolación de la metodología en todos los niveles. El modelo de umbrales sólo será propuesto para implementarlo a nivel local/subcuenca debido a la restricción en la calidad de la información necesaria. Sin embargo, la aplicación a nivel local/cuenca permitirá observar la calidad de los resultados donde se pueden distinguir zonas con deslizamientos, zonas con escurrimiento superficial sin erosión, zonas con escurrimiento superficial y erosión, y zonas con erosión superficial y movimientos de masa. Capítulo 4 – Pág. 8

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Módulo 3-A: Fuente de Sedimentos - Nivel Local/Subcuenca Como última etapa metodológica a nivel local/subcuenca, se propone la determinación de fuente de sedimentos por erosión superficial y por movimientos de masa, tomando como base los conceptos recopilados y analizados en el Capítulo 3.3. El diagrama de este módulo de análisis se presenta en el Gráfico 4.5. Gráfico 4.5: PECuME – Módulo 3-A Paisaje en CUencas Cuencasde deMontaña Montaña Extensas PaisajeErosivo Erosivo en Extensas "PECUME" "PECuME"

Módulo 3-A en el Esquema Metodológico Paisaje Erosivo en CUencas de Montaña Extensas "PECUME"

Información Básica - Nivel Local Esc. < 1:100.000 (cartografía temática de las variables de interés en procesos erosivos)

NO

Existe Análisis a Nivel Local/Subcuena?

Etapa de Discriminación: Reclasificación/Categorización de Variables

MÓDULO 3-A Fuente de Sedimentos - Nivel Local / Subcuenca

Información Básica - Nivel Regional Esc. < 1:250.000 (cartografía temática que incluye área de ajuste a nivel local/subuenca)

SI

Etapa de Discriminación: Ajuste de Límites de Categorización

Etapa de Agrupamiento: - Modelo Probabilístico - Modelo Cuali-Cuantitativo

Etapa de Agrupamiento: Modelo Cuali-Cuantitativo Determinación de Variables Significativas y Formulación Metodológica para la Extrapolación

- Modelo de Relaciones Simplificadas - Modelo de Umbrales

Modelo de Relaciones Simplificadas con Ajuste del Valor Umbral

- Modelo de Erosión Superficial - Modelo de Movimientos de Masa

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

RELIEVE

CLIMA

SUELO

VEG y USO SUELO

GEOMORFOLOGÍA

MÓDULO 2-A Modelo de Umbrales

Información Básica Cartas Temáticas Esc. < 1:100.000

Modelos para Estimar Fuente de Sedimentos

Resultados

Erosión Intensa, Ligera, Zona Estable Modelo Digital del Terreno Transmisividad Cohesión

Coeficiente del Uso del Suelo Coeficiente de Resistencia a la Erosión Coeficiente que Evalúa Procesos Erosivos

IMPLEMENTACIÓN MODELO DE ESTABILIDAD DE PENDIENTE (Modelo SHALSTAB)

IMPLEMENTACIÓN MODELO DE EROSIÓN SUPERFICIAL (Método de Gavrilovich)

A

A AJUSTE Y EXTRAPOLACIÓN HORIZONTAL MODELO DE ESTABILIDAD DE PENDIENTE

AJUSTE Y EXTRAPOLACIÓN HORIZONTAL MODELO DE EROSIÓN SUPERFICIAL

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

TASA DE PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS POR EROSIÓN SUPERFICIAL NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

Fuente de Sedimentos por Erosión Superficial: La estimación de la producción de sedimentos por erosión superficial considera el fenómeno generado principalmente por el impacto de las gotas de lluvia en el suelo y el escurrimiento laminar sobre la superficie de la cuenca; por lo tanto depende principalmente del régimen de lluvias, la geología, la morfología, el tipo de suelo y la cobertura vegetal. Por lo tanto, la información básica para su estimación incluye, relieve, clima, suelo, vegetación y uso del suelo. Para zonas de montañas, se propone utilizar la formulación de Gavrilovic (1959 y 1988) que presenta una metodología para estimar la descarga media anual de material erosionado, calculada como el producto de dos relaciones diferentes: el volumen promedio anual erosionado de sedimento y el coeficiente de retención de sedimentos, según se ha detallado en el Capítulo 3.3.

Capítulo 4 – Pág. 9

CAUDAL SÓLIDO

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Para ajustar/calibrar la metodología es necesario disponer de información base sobre la producción/transporte de sedimentos por erosión superficial. En el caso particular de la formulación de Gavrilovich se han utilizado mediciones de caudal sólido (Brea y Spalletti 1998). Otros análisis de validación de modelos de erosión han incorporado el uso del metal Cesio 137 (De Roo et al., 1994 y Walling y He, 1998, entre otros). Una vez cumplido con esta etapa de ajuste/calibración, podrá extrapolarse horizontalmente la metodología y verificarla a nivel local. La formulación propuesta no es transferible a cualquier región ya que se debe realizar un ajuste en una zona piloto y validarlo a dicho nivel. Fuente de Sedimentos por Movimientos de Masa: La bibliografía recopilada y analizada permitió definir una amplia gama de modelos que resultan de acoplar módulos de cálculo de erosión hídrica a modelos hidrológicos. La mayoría de estos modelos consideran la estimación de la erosión superficial y en surcos (e inter-surcos). Los modelos que consideran movimientos de masa, estimando deslizamientos poco profundos, son SHALSTAB (Dietrich et al., 1992, 1993; Montgomery y Dietrich, 1994, Rafaelli et al., 2001) y dSLAM (Wu y Sidle, 1995), ambos implementados en zonas montañosas. Los mismos se relacionan a modelos topográficos, asociados a modelos hidrológicos simples. La formulación se basa en el análisis de deslizamientos poco profundos, donde se requiere información de detalle para su implementación/calibración/validación. El modelo SHALSTAB es considerado uno de los modelos innovadores en estimaciones de fragilidad del territorio frente a deslizamientos; se basa en acoplar un modelo hidrológico a un modelo de estabilidad de pendiente con el objeto de calcular la precipitación estacionaria uniforme crítica necesaria para provocar la inestabilidad del terreno, en cualquier lugar del paisaje. El modelo hidrológico establece el patrón espacial de equilibrio del suelo saturado basado en el análisis del área de aporte, la transmisibidad el suelo y la pendiente local del terreno (O’Loughing, 1986). La metodología propone la implementación del modelo en toda la cuenca, con el ajuste en la zona piloto y la verificación (extrapolación horizontal) a nivel local. Comentario Final Módulo 3-A: Los modelos propuestos para esta etapa de análisis de fuente de sedimentos son la formulación de Gavrilovic para la estimación de degradación específica y el modelo SHALSTAB para la determinación de fragilidad del territorio a deslizamientos poco profundos. Para ambos modelos se propone el ajuste/verificación a nivel local/subcuenca, utilizando el significativo número de parámetros necesarios para la modelación. Se debe destacar que la posibilidad de extrapolación a nivel regional, con datos de menor precisión puede ser acotada. En principio la formulación propuesta no es facilmente transferible a cualquier región ya que se debe realizar un ajuste en una zona piloto y validarlo a dicho nivel; tampoco es recomendada la extrapolación ascendente por tratarse de modelos con mayor número de variables que deberán ser calibradas/validadas en cada nivel de análisis. Capítulo 4 – Pág. 10

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Esto significa que, si bien la metodología a nivel local ha permitido obtener resultados con distintas categorías de análisis, los mismos no podrán ser extrapolados a nivel regional en su totalidad debido a una limitación relacionada con la información básica. Sin embargo los alcances de la transferencia (unidades de paisaje y morfología) permitirán definir los riesgos generados por la fragilidad del territorio a los procesos erosivos como una primera etapa y desde allí se podrán definir zonas de interés donde será factible relevar información básica de detalle para completar el análisis. Nivel Espacial B (Regional/Cuenca): Como nueva etapa de análisis se propone el estudio a nivel regional/cuenca tomando como base los estudios realizados a nivel local/subcuenca. Se realiza en esta etapa la adaptación de la metodología, extrapolándola verticalmente y obteniendo el ajuste al nuevo nivel de análisis (Gráfico 4.1). La presente formulación metodológica se ha nutrido de todos los trabajos recopilados, analizados y presentados en el Capítulo 3.4, pero ha sido desarrollada ad-doc teniendo en cuenta la poca información básica sobre extrapolación ascendente para determinar procesos erosivos en cuencas de montaña extensas, en situaciones con información básica de poca precisión. Se definen como lineamientos base de estudios de extrapolación espacial ascendente a través de diferentes escalas, en cuencas de montaña extensas, las siguientes etapas: •

Dado el ajuste metodológico a el ámbito local/subcuenca, se plantea una extrapolación ascendente o de generalización hacia un nivel regional/cuenca donde existe información con menor precisión. Es necesario disponer del mismo tipo de información (cartas temáticas) a nivel regional que aquellas existentes a nivel local.

•

Se analizan las variables que intervienen en la formulación metodológica, tratando de ajustar/adaptar la reclasificación de las variables según se ejemplifica:

•

-

En el caso del modelo cuali-cuantitativo donde se disponen de variables temáticas categorizadas, se deben re-definir los límites de los intervalos de discriminación (para cada variable) con el objeto de mantener los porcentajes de área en cada intervalo.

-

En el caso del modelo utilizando relaciones simplificadas, se re-estima el umbral que define el agrupamiento, tratando de mantener los porcentajes de las zonas con cada grado erosivo existente en el área de ajuste.

Con el nuevo set de límites/umbrales adaptados, se implementa la metodología a nivel regional, previa verificación del ajuste en el área analizada a nivel local.

Se detalla a continuación la metodología propuesta de extrapolación para la determinación de unidades de paisaje y para el modelo con parámetros morfológicos.

Capítulo 4 – Pág. 11

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Módulo 1-B: Unidades de Paisaje - Nivel Regional/Cuenca La determinación de unidades de paisaje a nivel regional/cuenca se estructura de la misma forma que el desarrollo a nivel local/subcuenca, incorporando los resultados obtenidos en esa etapa previa. El diagrama de este nivel de análisis se presenta en el Gráfico 4.6. Gráfico 4.6: PECuME – Módulo 1-B

Módulo 1-B en el Esquema Metodológico

PaisajeErosivo Erosivo en en Cuencas CUencas de Paisaje de Montaña MontañaExtensas Extensas "PECUME" "PECuME"

Paisaje Erosivo en CUencas de Montaña Extensas "PECUME"

Información Básica - Nivel Local Esc. < 1:100.000 (cartografía temática de las variables de interés en procesos erosivos)

NO

Existe Análisis a Nivel Local/Subcuena?

SI

Etapa de Discriminación: Reclasificación/Categorización de Variables

Información Básica - Nivel Regional Esc. < 1:250.000 (cartografía temática que incluye área de ajuste a nivel local/subuenca)

MÓDULO 1-B Unidades de Paisaje - Nivel Regional / Cuenca

Etapa de Discriminación: Ajuste de Límites de Categorización

Etapa de Agrupamiento: - Modelo Probabilístico - Modelo Cuali-Cuantitativo

Etapa de Agrupamiento: Modelo Cuali-Cuantitativo Determinación de Variables Significativas y Formulación Metodológica para la Extrapolación

- Modelo de Relaciones Simplificadas - Modelo de Umbrales

Modelo de Relaciones Simplificadas con Ajuste del Valor Umbral

- Modelo de Erosión Superficial - Modelo de Movimientos de Masa

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

Información Básica Cartas Temáticas Esc. < 1:250.000

RELIEVE

CLIMA

SUELO

VEG y USO SUELO

Pendiente, etc.

Precipitación Erosividad Climática etc.

Resistencia Tamaño Sedimento etc.

Cob. Vegetal Grado de Protección etc.

MÓDULO 1-A Categorización de Variables - Índice de Resistencia - Índice de Tamaño del Sedimento, etc

- Índice dePendiente, etc.

Etapa de Discriminación - Índice de Precipitación - Índice de Erosividad Climática, etc.

- Índice Cob. Vegetal - Índice de Grado de Protección, etc.

MÓDULO 1-A Formulación Metodológica con Variables Significativas IMPLEMENTACIÓN MODELO CUALI-CUANTITATIVO NIVEL REGIONAL

Etapa de Agrupamiento MÓDULO 1-A Geomorfología con Grados de Erosión

VERIFICACIÓN A NIVEL LOCAL DEL MODELO CUALI-CUANTITATIVO IMPLEMENTADO A NIVEL REGIONAL

Resultados

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

La cartografía temática debe contener la información definida como relevante en el estudio a nivel local/subcuenca. La propuesta metodológica considera que la precisión de dicha cartografía debe corresponder a escala 1:100.000 a 1:250.000. Etapa de discriminación: Para el análisis regional, el método de extrapolación vertical o ascendente propone considerar las mismas variables establecidas como significativas a nivel local y adaptar los límites de los intervalos de discretización manteniendo los

Capítulo 4 – Pág. 12

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porcentajes de áreas incluidos en cada clase. Para cada variable se debe realizar esta adaptación. Etapa de agrupamiento El criterio de agrupamiento se mantiene uniforme al adoptado a nivel local / subcuenca. Se debe verificar el ajuste en la subcuenca local, considerando los datos disponibles para tal fin (ejemplo, carta geomorfológica categorizada con grados de erosión). La metodología así adaptada/ajustada se utiliza para la extrapolación a nivel regional/cuenca. En caso de disponer de información de campo relacionada con grados de erosión se debe realizar una verificación adicional a nivel regional. Módulo 2-B: Morfología - Nivel Regional/Cuenca La determinación de paisaje erosivo a nivel regional/cuenca mediante la utilización de parámetros morfológicos contiene información obtenida del ajuste a nivel local/subcuenca. El diagrama de este nivel de análisis se presenta en el Gráfico 4.7. En base a la nueva cartografía temática de relieve, se determina el modelo digital del terreno y los parámetros morfológicos de área y pendiente local. Estos son los parámetros básicos para la formulación metodológica de extrapolación. Del mismo modo, se consideran las variables adicionales a ser analizadas considerando otros factores (clima, suelo y/o vegetación), resultado del análisis local. Se implementa el modelo original (a nivel local/cuenca) y la adaptación para la extrapolación se realiza con la definición de grados de erosión. Para tal fin, se considera la zona piloto, estimando el valor umbral y verificando el ajuste en la zona local. La extrapolación del Método de Umbrales y de los modelos para determinación de Fuente de Sedimentos (erosión superficial y movimientos de masa) no es recomendable a la escala de precisión establecida para el Nivel B (1:100.000/1:250.000). Para desarrollar dichos modelos es necesario información básica de detalle. Se puede considerar los resultados obtenidos de los modelos implementados en el Nivel B (modelo cuali-cuantitativo o modelo de relaciones simplificadas) y aislar áreas de interés donde se pueden realizar relevamientos de detalle que permitan recopilar la información necesaria para ajustar los modelos de Umbrales y Fuente de Sedimentos. Comentarios Finales de los Módulos 1-B y 2-B: Se propone en esta etapa la extrapolación ascendente de las metodologías aplicadas para determinar unidades de paisaje erosivo y aquélla que considera relaciones simplificadas, las cuales son previamente ajustadas y verificadas a nivel local. Estas dos metodologías utilizan la información básica disponible a nivel regional que tiene con menor precisión a aquella obtenida a nivel local. La base de la extrapolación es lograr la adaptación de los límites de análisis de las variables utilizadas; de este modo se realiza la etapa de discriminación (con los nuevos límites) y la integración según la metodología aplicada a nivel local/ subcuenca. Se considera que la escala de análisis propuesta para este nivel de estudio (escala 1:100.000 a escala 1:250.000) permite mantener la estructura de la modelación sin variaciones. Esto se verificará en los resultados de la bondad del ajuste de la Capítulo 4 – Pág. 13

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metodología a los distintos niveles espaciales, etapa fundamental para determinar la validez de la formulación. Gráfico 4.7: PECuME – Módulo 2-B

Paisaje Erosivo en CUencas de Montaña Montaña Extensas Extensas Cuencas de "PECUME" "PECuME"

Módulo 2-B en el Esquema Metodológico Paisaje Erosivo en CUencas de Montaña Extensas "PECUME"

Información Básica - Nivel Local Esc. < 1:100.000 (cartografía temática de las variables de interés en procesos erosivos)

NO

Existe Análisis a Nivel Local/Subcuena?

SI

Etapa de Discriminación: Reclasificación/Categorización de Variables

Información Básica - Nivel Regional Esc. < 1:250.000 (cartografía temática que incluye área de ajuste a nivel local/subuenca)

Etapa de Discriminación: Ajuste de Límites de Categorización

Etapa de Agrupamiento: - Modelo Probabilístico - Modelo Cuali-Cuantitativo

MÓDULO 2-B Unidades de Paisaje - Nivel Regional / Cuenca

Etapa de Agrupamiento: Modelo Cuali-Cuantitativo Determinación de Variables Significativas y Formulación Metodológica para la Extrapolación

- Modelo de Relaciones Simplificadas - Modelo de Umbrales

Modelo de Relaciones Simplificadas con Ajuste del Valor Umbral

- Modelo de Erosión Superficial - Modelo de Movimientos de Masa

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL LOCAL / SUBCUENCA

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

Información Básica Cartas Temáticas Esc. < 1:250.000

RELIEVE

CLIMA

SUELO

VEG y USO SUELO

Pendiente, Parámetros Morfológicos

Precipitación Erosividad Climática etc.

Resistencia Tamaño Sedimento etc.

Cob. Vegetal Grado de Protección etc.

MÓDULO 2-A Formulación Metodológica con Variables Significativas

Modelo de Relaciones Simplificadas

IMPLEMENTACIÓN MODELO RELACIONES SIMPLIFICADAS NIVEL REGIONAL MÓDULO 2-A Geomorfología con Grados de Erosión AJUSTE (con redefinición de umbrales) Y VERIFICACIÓN A NIVEL LOCAL DEL MODELO RELACIONES SIMPLIFICADAS IMPLEMENTADO A NIVEL REGIONAL

UNIDADES DE PAISAJE EROSIVO NIVEL REGIONAL / CUENCA

Resultados

4.3 SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 4: FORMULACIÓN METODOLÓGICA PECuME Se ha presentado la metodología para definir Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME), que trata la determinación de la fragilidad del territorio frente a los procesos de erosión. El PECuME contempla niveles espaciales y categorías de análisis que permiten estimar mapas de susceptibilidad a la erosión con distintos grados de precisión y detalle. Los niveles espaciales definen el inicio del estudio en el ámbito local /subcuenca donde se trabaja con distintas categorías de análisis dependiendo de la precisión de la información básica. Se sugiere realizar el análisis con cartografía temática de precisión mayor al obtenido en escala 1:100.000. Seguidamente se propone transferir las metodologías así ajustadas y verificadas en el ámbito local, a zonas más extensas a nivel regional con información básica de menor detalle (escala 1:100.000 a 1:250.000). Los

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límites de escala han sido fijados en función de valores típicos de la cartografía disponible en áreas montañosas con información base escasa. La presente tesis está dirigida a este tipo de regiones extensas como caso típico de Argentina. El desarrollo de las etapas de implementación, ajuste y verificación de los modelos a nivel local puede ser considerado el usual en este tipo de estudios. Sin embargo, el esquema de desarrollo, estableciendo primero un nivel de unidades de paisaje, los modelos utilizando parámetros morfológicos para luego definir las fuentes de sedimento por erosión superficial y movimientos de masa, constituye una formulación original para definir el Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas. El método de extrapolación vertical desarrollado requiere disponer de información base en una zona piloto (nivel local), que permite validar la transferencia a través de las escalas. La forma de validación de la extrapolación propuesta en esta tesis es un resultado clave del estudio realizado que debe ser remarcado. Como prueba de concepto se analiza, en el próximo Capítulo 5, la Cuenca del Iruya como estudio a nivel local/subcuenca y la Cuenca Alta del Río Bermejo como el estudio regional/cuenca. El presente trabajo de investigación intenta proveer el conocimiento base para definir estrategias apropiadas de manejo integrado de cuencas de montaña y tiene la intención primaria de mostrar la necesidad de exigir rigurosidad científica a los trabajos realizados a nivel regional. Es fundamental que la comunidad científica pueda trasmitir a los órganos de decisión, la necesidad de validar las metodologías implementadas con una rigurosidad que permita confiar en los futuros lineamientos de manejo integral de cuencas.

Capítulo 4 – Pág. 15

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5.

PRUEBA DE CONCEPTO DEL PECuME

En este Capítulo se presenta la prueba de concepto de la formulación metodológica PECuME (Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas) propuesta en el Capítulo 4. Esta prueba de concepto sintetiza la aplicación singular del PECuME, que a nivel local/subcuenca se implementa en la Cuenca del Río Iruya y a nivel regional/cuenca se realiza en la Cuenca del Río Bermejo. El objetivo es probar la validez de la extensión metodológica en este caso prototipo. En el Capítulo 5.1 y 5.2 se presenta la descripción de las cuencas que serán utilizadas para el estudio. En el Capítulo 5.3 se describen las unidades del análisis espacial y en los Capítulos 5.4 y 5.5 se realiza la prueba de concepto. La síntesis se presenta en el Capítulo 5.6. 5.1

CUENCA DEL RIO IRUYA

5.1.1 General La Cuenca del Río Iruya esta emplazada en el ámbito de la Cordillera Oriental y las Sierras Subandinas, en la provincia de Salta y es la única red fluvial de la zona que cruza el cordón montañoso situado paralelamente al este de la Sierra de Santa Victoria, vinculando directamente esta extensa área oriental (puna) con el tramo medio del Río Bermejo en la Cuenca Alta. El Río Iruya nace en las estribaciones del Cerro Morado, por arriba de los 5000 m y desemboca en el Río Pescado a sólo 450 m; su recorrido total es de 125 km y el área de aporte es de aproximadamente 3040 km2. En la Figura 5.1 se presenta la ubicación de la cuenca, con la referencia de la red de drenaje, la ubicación de las principales ciudades y pueblos de la zona, así como las rutas de acceso. Originalmente el Río Iruya era tributario del Río Blanco, pero debido a los daños que producían sus crecidas en la ciudad de Orán, a fines del siglo pasado el Gobierno provincial decidió desviar sus aguas hacia una pequeña quebrada tributaria del Río Pescado. Dicho desvío se ha convertido en un profundo cañón muy estrecho, que luego se expande sobre una amplia planicie de inundación antes de la confluencia con el Río Pescado. Las precipitaciones en la zona disminuyen fuertemente de Este a Oeste (1200 a 400 mm/año) y se concentran en los meses de verano bajo la forma de lluvias torrenciales que dan lugar a la movilización de los productos de la remoción y provocan flujos de barro encauzados. El caudal medio anual del Río Iruya en San José es de 25,6 m3/s, con un caudal máximo medio diario de 457 m3/s (EVARSA,1994). La red de drenaje presenta una morfología muy accidentada con tramos de fuertes pendientes que superan el 10%. Esta característica provoca el transporte de grandes masas de detritos a través de los torrentes de barro, siendo este tipo de transporte de sedimentos el típico fenómeno de remoción en masa que se observa en la cuenca. Considerando volúmenes de material sólido transportados, el 50 % del total de los sólidos suspendidos del Alto Bermejo son el aporte del Río Iruya, que corresponden al 30 % del sólido transportado en suspensión por el Paraná en Corrientes (INCYTH, 1996).

Capítulo 5 - Pág. 1

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La subcuenca del Iruya hasta la confluencia con el Río Nazareno será analizada con mayor detalle ya que en esta zona se pueden observar la mayoría de los procesos de interés en este estudio; esta región será la unidad de análisis más pequeña (escala local). 5.1.2 Descripción de los principales procesos de producción de sedimentos1 El relieve en la Cuenca el Río Iruya se caracteriza por presentar dos zonas distintas en cuanto a las condiciones climáticas y como consecuencia presenta diferencias en la vegetación y en los procesos morfoclimáticos responsables del modelado y evolución del mismo. En la parte baja de la cuenca es posible distinguir el sector de selva donde la meteorización predominante es la química y la morfogénesis está controlada por el escurrimiento difuso, la remoción de suelos y la acción erosiva del colector principal y sus afluentes. En la alta cuenca, con el incremento de la altura, se registra una disminución de las precipitaciones y temperaturas; esto se traduce en una modificación de la cubierta vegetal, observándose una reducción en el número de especies. En los sectores más expuestos la vegetación tiende a desaparecer dejando la roca totalmente descubierta. Relieve y procesos morfogenéticos en la Alta Cuenca: Los mecanismos crioclastismo y termoclastismo juegan un papel destacado en la producción de detritos en la zona, que sumados a los generados durante el período más húmedo, constituyen la fuente de producción de sedimentos, facilitando la acción erosiva de los ríos y los diferentes procesos de remoción en masa, encargándose estos dos últimos de transportar los materiales sueltos disponibles en la cuenca. En la evolución del relieve es posible distinguir dos etapas netamente diferenciadas: • La más antigua está caracterizada por un clima frío y húmedo, coincidente con la glaciación emplazada en su momento en las Sierras de Santa Victoria y cumbres aledañas. Este período se caracterizó por una meteorización física intensa (crioclastismo), responsable en gran parte del modelado que se observa en las altas cumbres con rocas totalmente fracturadas y una producción elevada de material detrítico. • Superado el período más húmedo, del cual quedaron los depósitos mencionados y un espeso manto de material detrítico cubriendo los afloramientos rocosos y a su vez rocas in situ afectadas por el crioclastismo (el cual en muchos casos actuó ayudado por el diaclasamiento que tenían las rocas), se pasó a una condición climática más seca como la actual. La meteorización física sigue siendo el proceso más importante como fuente generadora de material suelto. Debido a que en estos momentos la meteorización actúa en forma alternada según la época del año, el crioclastismo tiene vigencia en los sectores más altos donde hay posibilidad de encontrar agua. Frente a esta situación el termoclastismo adquiere un papel preponderante, dadas las diferencias diarias de temperaturas, factor que en la mayor parte de la cuenca tiene mucha importancia e incidencia. 1

Información del estudio COREBE-UNSa(1998) realizado en el marco del Programa de Manejo Integrado de la Cuenca del Río Iruya, trabajo coordinado por la autora de esta tesis. Capítulo 5 - Pág. 2

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Procesos de Remoción: La remoción en masa, junto con la acción fluvial, es uno de los mecanismos de génesis morfológica más activos e importantes, sobre todo en lo que se refiere a transporte y desplazamiento de sedimento tanto en volumen como en la dimensión de la carga o materiales. En la región correspondiente a la alta cuenca actúan diferentes procesos de remoción en masa tales como: • Flujo Denso • Coladas de Barro – denominadas Volcanes en el Noroeste Argentino y Aluviones en la región Cuyana (mud flow): Este proceso de remoción encuentra a lo largo de la alta cuenca un ambiente apropiado para su generación debido a las características topográficas de la misma, traducidas en fuertes pendientes cubiertas de detritos, los que pueden desplazarse con facilidad en períodos de lluvia, cuando los materiales acumulados se saturan rápidamente de agua. Esto permite el desplazamiento de grandes volúmenes de sedimentos que en forma rápida se desplazan hacia los lugares más bajos aportando de esa manera una mayor carga a los cursos fluviales que conforman la red del Río Iruya. Como consecuencia de este aporte adicional significativo, que normalmente ocurre todos los años, la mayor parte de los cauces experimentan una acreción vertical, caracterizada por un aluvionamiento como consecuencia de la incapacidad de los cursos de agua en transportar toda la carga que reciben. Las coladas de barro, por la densidad que las caracterizan, transportan gran cantidad de bloques que luego abandonan en los cursos, permaneciendo como carga de fondo durante prolongados períodos, ante la imposibilidad de ser desplazados por el escurrimiento fluvial. Cuando los materiales transportados por una colada se depositan en la confluencia con otro curso, suelen provocar la obstrucción de uno de ellos, impidiendo de esa manera el normal escurrimiento, provocando de esta manera la acumulación temporaria de grandes volúmenes de agua, la que al cortar dicho cierre, produce un nuevo flujo denso a partir de su rotura; de este modo, se tiene una nueva colada a partir de un mecanismo totalmente diferente a los que normalmente producen este proceso de remoción. • Flujos detríticos (debris flow): En aquellos sectores donde la resistencia de la roca aflorante es baja y la meteorización produjo materiales de granulometría menor, se suelen observar los flujos detríticos con orígenes o mecanismos de formación similares a los de la colada, notándose una marcada diferencia en el diseño del depósito terminal o final (depósitos lobulados). Generalmente suelen ser de dimensiones menores a los de las coladas y menos frecuentes. Se caracterizan por el aporte de sedimentos finos que luego el escurrimiento fluvial transporta sin mayores inconvenientes a lo largo del río. • Deslizamiento Los deslizamientos ocupan un lugar importante entre los procesos de remoción. En especial se deben mencionar los deslizamientos de material suelto en las laderas

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inestables por su pronunciada pendiente y excesiva carga de detritos. No se observan en Iruya muchos casos de deslizamientos rotacionales. Los más frecuentes son los detritos desplazándose sobre la superficie de la roca infrayacente. • Desplomes Los desplomes se observan en depósitos inestables (terrazas, conos aterrazados) debido a la socavación basal de los mismos por la acción erosiva del agua de los cursos fluviales. La eliminación de los sedimentos correspondientes a los sectores más bajos desestabiliza la masa detrítica que cae por su propio peso y por la falta de apoyo basal. En algunos casos cuando el volumen caído lo permite, los desplomes interrumpen la circulación del agua por el cauce, dando lugar a la formación de un dique precario que al ser destruído por el agua genera flujos densos, transformándose de esa manera en el denominado proceso complejo o mixto de remoción. • Procesos de remoción de detritos y caída de bloques Este fenómeno tiene importancia en la alta cuenca como agentes modeladores, aunque en menor grado o intensidad. Acción del escurrimiento: Con respecto a la acción del escurrimiento, se pueden diferenciar dos mecanismos efectivos, el relacionado con la concentración de las lluvias que se observa en distintos sectores y el debido propiamente a la acción erosiva de los ríos. En el primer caso, cuando se concentra el agua de las lluvias en una zona de gran pendiente, se produce un efecto erosivo muy importante que se pone en evidencia por el intenso carcavamiento. En algunos lugares este mecanismo de escurrimiento concentrado y posterior carcavamiento se ve favorecido por las técnicas inapropiadas de labranza y riego utilizadas por los pobladores de la zona. La acción erosiva de los ríos se manifiesta de diferentes formas, a partir de la mencionada con respecto al socavamiento basal de los sedimentos ubicados en ambas vertientes de los mismos y en la eliminación gradual de los materiales que abandonan en sus lechos las coladas de barro u otros procesos de remoción. Los ríos encuentran dificultad para transportar la carga más gruesa (bloques), consecuentemente en busca de su perfil de equilibrio, eliminan considerables volúmenes de material más finos (arena-limo-arcilla) que son transportados a grandes distancias y finalmente evacuados de la Cuenca del Río Iruya. Luego de producido alguno de los flujos densos, es fácil de apreciar la acción erosiva de los ríos y la consiguiente eliminación de esos materiales. En la mayor parte de los casos, los flujos de barro ocupan la totalidad de la sección transversal del cauce, acto seguido el agua forma un nuevo canal que corta al depósito más reciente. En estos casos el agua transporta por rodamiento y suspensión, la máxima cantidad de material que le permite su caudal y velocidad. De acuerdo a observaciones realizadas en la vecindad de la localidad de Iruya, algunos de estos canales alcanzan profundidades que pueden superar los dos metros y con una sección transversal que fluctúa entre los 5 y 10 metros, con un fondo de cauce tapizado de bloques, que por sus dimensiones no puede desplazar aguas abajo. El resto del material más fino (grava-limos-arcillas) fue eliminado en su totalidad.

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5.1.3

Datos Disponibles y Estudios Básicos

Cartografía, Fotos Aéreas e Imágenes de Satélite La Cuenca del Río Iruya esta comprendida entre los 22°20’ y 23°05’ de latitud Sur y los 64°27’ y 65°20’ de longitud Oeste. Las cartas del Instituto Geográfico Militar (IGM) que abarcan la zona es estudio son: •

Escala 1:500.000: La Quiaca N° 2366

•

Escala 1:250.000: La Quiaca N° 2366-II; Lib. Gral San Martín N° 2366-IV; Tartagal N° 2363-I. Escala 1:100.000 (inéditas): Hojas N° 2366-11, 2366-17, 2366-18, 2366-23 y 236628.

•

La Dirección Nacional de Minería, Departamento Topografía dispone de la Hoja 3dIruya de Salta (provisoria) escala 1:100.000 y la Hoja 2c de Salta y Jujuy escala 1:200.000 (edición 1957). Fotos aéreas Se dispone de material fotográfico relevado por el IGM durante el año 1986. La escala aproximada es 1:80.000 y cubre toda la cuenca. Imágenes de satélite Se dispone de dos imágenes de satélite LANDSAT N° 231076. La primera, del 9 de noviembre de 1986, pertenece a la Universidad Nacional de Salta (UNSa). La segunda, del 2 de abril de 1997, fue adquirida en el marco del Programa Estratégico de Acción para la Cuenca del Río Bermejo (PEA, 2000). La segunda imagen está cubierta por nubes en un 40% de la cuenca (aproximadamente). Topografía Digital2 Se dispone de la cartografía digital georreferenciada de la Cuenca del Río Iruya hasta la confluencia con el Río Pescado. La información de base fue la cartografía del Instituto Geográfico Militar, hojas 2366-11. 12, 17, 18, 23 y 24, información no publicada y adquirida en acetato con coordenadas Gauss Krügger. A partir de esta información de base se procedió al armado del sector a estudiar, determinando los límites de la cuenca, definiendo el área de estudio y demarcando los puntos de control planimétrico necesarios para efectural el ajuste geométrico del sector a digitalizar. El análisis de la topografía característica de la región permitió la identificación de las curvas de nivel entre 500 y 5000 m con una equidistancia de 100 m, graficadas en la cartografía 1:100.000. Una vez compaginada esta información, se efectuó la digitalización de esta cartografía básica de la Cuenca del Río Iruya, en proyección Gauss Krügger, utilizando el software TOSCA, incorporanto las curvas de nivel abiertas y cerradas con equidistancia de 100 m 2

Información del estudio COREBE-FICH (1998) realizado en el marco del Programa de Manejo Integrado de la Cuenca del Río Iruya, trabajo coordinado por la autora de esta tesis. Capítulo 5 - Pág. 5

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entre las mismas, otorgándole el número identificador a cada ente digitalizado de manera coincidente al valor de cota en metros de cada curva de nivel. Se determinó el límite de la cuenca a través del análisis de las curvas de nivel y análisis de fotografías aéreas, el cual fue digitalizado, como así tambien el límite de la subcuenca del Río Iruya hasta la confluencia con el Río Nazareno. La unidad de medida asignada para este trabajo está expresada en metros, considerando que la imagen de satélite disponible ha sido georreferenciada tomando también una unidad de medida, facilitando de esta manera la integración entre la información en formato vectorial y en formato raster. En ambiente de diseño asistido por computadora (AutoCad) se efectuo la edición y corrección de los entes digitalizados. La información se agrupó en distintas capas o “layers” para facilitar la visualización y/o extracción de datos, asignando como nombre de cada layer el correspondiente al valor de cota referido al nivel medio del mar de cada una de las curvas de nivel existentes. Se efectuó la edición de la información correspondiente a las curvas de nivel digitalizadas, límites de cuenca y subcuenca solicitados, a los efectos de integrar la información en forma correcta, ya que no fue posible digitalizar cada curva como un ente íntegro por su gran desarrollo espacial, debiendo unir los distintos sectores para integración de la información. Se conformó un archivo de polígonos superpuestos desde el plano de comparación 435 metros constituyendo la cota más baja del sector, hasta el polígono cerrado constituído por el plano de comparación 5000 metros constituyendo la cota más alta del sector. La totalidad de la información procesada fue clasificada en distintas capas temáticas con los datos correspondientes a cada valor de altura del terreno por separados desde 435 a 5000, para facilitar el análisis y tratamiento de la misma. Desde este archivo generado en AutoCad se efectuó la exportación a formato dxf para facilitar el intercambio de este formato vectorial a raster. Utilizando el software Idrisi®, se efectuó la importación del archivo en formato dxf a formato Vec, para ser tratado directamente en Idrisi. La conversión vector-raster se realizó utilizando el módulo PolyRas de Idrisi una vez generada la imagen inicial en función de los límites de la imagen de satélite de la cuenca en estudio. El tamaño del pixel es de 30 metros y de 200 metros. En la Figura 5.3 se presentan los resultados obtenidos de la topografía digital. Red hidrográfica y subcuencas Tomando como base la topografía digital 1:100.000, se determinaron 11 subcuencas considerando los principales afluentes. Las mismas son detalladas en la Tabla 5.1 y presentadas en la Figura 5.4.

Capítulo 5 - Pág. 6

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Tabla 5.1: Subcuencas consideradas en el análisis Nro Subc.

Nombre del principal río / afluente / tramo

Areas Parciales (km2) 432

Area Acumulada (km2) 432

1

Viscarra

2

Poscaya- Nazareno hasta la confluencia con el Viscarra

266

699

3

Nazareno desde confluencia con Viscarra hasta confluencia con el Iruya

210

909

4

Iruya hasta confluencia con el Nazareno

350

1.259

5

Iruya desde confluencia con el Nazareno hasta confluencia con el Volcan Higueras

216

1.475

6

Volcan Higueras

378

1.853

7

Iruya desde confluencia con el Volcan Higueras hasta confluencia con el Astillero

356

2.208

8

Astillero

240

2.449

9

Cañas

237

2.685

10

Iruya desde confluencia con Cañas hasta el Pescado; incluye el Negro y excluye el Piedras Piedras

181

2.866

136

3.002

11

Cartas Temáticas de Vegetación y Uso del Suelo, Geología y Geomorfología. Se dispone de cartografía temática de vegetación, geomorfología y geología de la cuenca alta del Iruya, abarcando un 68% de la Cuenca del Río Iruya, cubriendo completamente de la Subcuenca 1 a la 6, y parte de la Subcuenca 7 (según Tabla 5.1). Los datos interpretados y comprobados en el terreno fueron transferidos de las fotos aéreas a láminas colocadas sobre el master de satélite mediante instrumentos de transferencia y corrección, generando mapas a escala 1:50.000 (Viera y Menéndez,1980). Esta información de base fue digitalizada e ingresada en primera instancia al Sistema de Información Geográfica “Genamap” donde se le incorporaron los atributos de cada unidad, trabajando en modo vectorial. Posteriormente se exportó esta información al SIG Idrisi® que opera en modo raster. Los resultados se presentan en Figura 5.5. Realizando un análisis exploratorio de los datos se obtiene la información sobre los porcentajes de cada categoría en las distintas cartas temáticas, según se detalla en la Tabla 5.2. Tabla 5.2: Mapas Temáticos en la Cuenca del Río Iruya Mapa de Vegetación Vegetación Bosque alta montaña

% de la superficie total (2.049 km2) 4,08

Veg arbustiva y boscosa

2,08

Veg. predom. arbustiva

1,26

Veg. herbácea-densa

22,33

Veg. herbácea-rala

40,43

Zona sin vegetación

29,82

Capítulo 5 - Pág. 7

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tabla 5.2: Mapas Temáticos en la Cuenca del Río Iruya (continuación) Mapa Geomorfológico Geomorfología

% de la superficie total (2.049 km2) 4,46

Regolito –Manto derrubial de cumbres Suelo sobre substrato rocoso

20,22

Suelo en área boscosa

3,64

Erosión con carcavamiento

22,82

Erosión enérgia - afloramiento de roca

38,28

Remoción en masa

0,31

Reptación de escombros de talud

2,58

Morenas glaciarias

5,78

Abanicos aluviales

0,53

Terrazas bajas

0,09

Terrazas altas

1,01

Áreas uso humano

0,27

Mapa de Geología Geología Cuartario

% de la superficie total (2.049 km2) 9,25

Terciario

0,05

Cretácico

1,60

Ordovícico

16,26

Cámbrico

21,20

Precámbrico (granito)

0,28

Precámbrico (pizarras)

51,36

Estudio Climatológico del Régimen de Precipitaciones3 Se estimaron los campos climatológicos de precipitación acumulada anual y estival en la Cuenca del Río Iruya, a partir de información de una red pluviométrica poco densa y de distribución muy irregular. Se contó con series de precipitación acumulada diaria en las doce estaciones pertenecientes o cercanas a la Cuenca del Río Iruya, cubriendo períodos variables para cada estación, entre 1982 y 1996. Esta información fue provista por la Subsecretaría de Recursos Hídricos de la Secretaría de Recursos Naturales y Desarrollo Sustentable. El listado de las estaciones, con su ubicación y su cota altimétrica se presentan en la Tabla 5.3. La ubicación de dichas estaciones se presentan en la Figura 5.6. La primera etapa consistió en un análisis de consistencia y depuración de los datos diarios disponibles. Se seleccionó el período enero 1983- febrero 1996 como Período de Análisis (quince años) ya que en el mismo la mayoría de las series tiene información simultánea, lo cual es condición necesaria en los estudios posteriores. La estación N°12 (Colanzulí) no se utilizó, ya que presenta registros de observaciones a partir de enero de 1994, siendo insuficiente para el análisis el período común con las restantes estaciones. Se realizó un análisis de consistencia mediante el desarrollo de algoritmos de cálculo y sus respectivos programas en lenguaje Fortran, comparando los datos con límites mínimos y máximos asignados. Se concluyó que los registros recibidos aparentemente 3

Información del estudio COREBE-UBA (1999) realizado en el marco del Programa de Manejo Integrado de la Cuenca del Río Iruya, trabajo coordinado por la autora de esta tesis. Capítulo 5 - Pág. 8

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han sido depurados y corregidos, ya que no contienen caracteres extraños ni valores fuera de los rangos esperados. Tabla 5.3: Listado de estaciones de medición de la precipitación Nro Nombre Estac. 1 SAN JOSÉ

Latitud Longitud Coor. G.-Krügger (coor geográf.) (coor geográf.) Este-Oeste 22 51 50 64 35 00 3.633,17

Coor. G.-Krüger Sur-Norte 7.472,19

Altura (m) 858

2

IRUYA

22 47 33

65 12 56

3.580,55

7.480,46

3

HIGUERA

22 45 02

65 06 05

3.592,30

7.485,04

2.730 1.950

4

SAN ANTONIO

22 50 00

64 56 00

3.609,50

7.475,75

1.400

5

SAN ISIDRO

22 45 28

65 14 26

3.578,00

7.484,32

3.000

6

NAZARENO

22 30 34

65 06 05

3.592,46

7.511,74

3.050

7

PALTORCO

22 24 00

65 05 00

3.594,40

7.523,85

3.800

8

TUC TUCA

22 24 56

65 15 27

3.576,45

7.522,22

3.950

9

POSCAYA

22 27 18

65 04 47

3.594,73

7.517,76

3.210

10

EL MOLINO

22 36 00

65 09 01

3.587,38

7.501,74

2.600

11

PABELLÓN

22 33 00

65 17 00

3.573,72

7.507,35

3.000

12

COLANZULÍ

22 53 19

65 13 24

3.579,30

7.471,80

3.500

A continuación se generaron series de precipitación acumulada mensual. Mediante una inspección visual de los totales mensuales, se concluyó que los datos pluviométricos contenidos en los registros no poseen inconsistencias físicas detectables mediante el examen de los mismos. Se encaró entonces el problema del relleno de información faltante en series de precipitación acumulada mensual, sobre un período común de al menos 10 años. Se tomaron como aptas para ser rellenadas aquéllas series mensuales que presentaban no más del 10% de datos faltantes en el período seleccionado. Con este criterio se determinó el período octubre/1984 - febrero/1996 (12 años y 13 veranos) denominado Período con Información Suficiente, como aquél válido para realizar análisis posteriores con las series rellenadas, y en el cual se estimaron los valores mensuales faltantes. En dicho período, 4 de las 11 estaciones seleccionadas resultaron estar completas; las 7 restantes debieron ser rellenadas (en proporciones menores al 10% en cada caso). A fin de estimar los valores mensuales faltantes se realizaron análisis estadísticos. Las regresiones lineales múltiples tuvieron mejor ajuste que las no lineales. Se tomaron, por lo tanto, como ecuaciones predictoreas las regresiones lineales múltiples, excepto en los casos de las estaciones San Antonio y Nazareno. Se utilizaron para estas dos estaciones las tres regresiones univariadas de mejor ajuste (lineales o cuadráticas) como ecuaciones predictoras y el valor de relleno del dato faltante para un mes en particular se calculó obteniendo las 3 estimaciones respectivas, y luego efectuando un promedio de éstas pesado con el porciento de varianza explicado por cada regresión. Se procedió al relleno de las series de precipitación mensual. Las ecuaciones predictoras en cada caso, y dos listados de totales mensuales (en décimas de mm) cubriendo las once estaciones estudiadas, uno con las series mensuales incompletas y otro con las series rellenadas o completas, se presentan en COREBEUBA (1999). A fin de realizar el estudio del régimen de precipitación en la Cuenca del Río Iruya, y su posible zonificación, se analizaron, por un lado, el grado de asociación de las estaciones

Capítulo 5 - Pág. 9

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pluvioméricas según los valores de sus series mensuales, y por el otro, las características topográficas de la cuenca y la ubicación de las estaciones. Se obtuvo la matriz de correlaciones entre pares de estaciones, para la precipitación acumulada mensual. Del análisis de correlaciones, de la ubicación de las estaciones y los cordones montañosos interiores a la cuenca, surgen, en un estudio preliminar, tres regiones con regímenes distintos de precipitación debido a la diferente disponiblidad de humedad atmosférica: •

•

•

La región comprendida entre el cierre de la cuenca y el cordón que, partiendo del cerro Vizcacha, se dirige hacia el Norte, separando las cuencas de los Ríos Astillero e Iscalla. Por el Norte, este límite se completa con la Sierra El Astillero. Ésta es la región que está abierta a la entrada de aire húmedo desde las planicies del Este, y por lo tanto la de mayores lluvias. Dentro de esta región está la estación 1 (San José). La región central comprendida entre el límite Oeste de la región Este, y el cordón montañoso que parte del cerro Fraile hacia el Norte, pasando por los cerros Morado y Pelado. Dentro de esta región está ubicada la estación 4 (San Antonio). La disponibilidad de humedad es menor y, por lo tanto, decrece la precipitación con respecto a la primera región. La región al Oeste de la región central, en donde están ubicadas las estaciones 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11. Los datos de la estación 6 (Nazareno) son, aparentemente, de menor calidad dada sus bajas correlaciones con las otras estaciones. En menor medida, la estación 9 (Poscaya) presenta un problema similar. Esta región es la más seca. El aire húmedo sólo puede entrar desde el Sur, principalmente por el valle del Río Iruya en la zona cercana a la estación 3 (Higuera), y en menor medida sobrepasando el cordón montañoso que une los cerros Fraile, Morado y Pelado, separando esta región de la central. Esto es así porque el límite de cuenca presenta elevaciones muy importantes, y el aire, al ascender por encima de 4.000 metros, pierde casi toda su humedad debido a la condensación durante el ascenso.

Las tres zonas identificadas en el punto anterior, responden a un único patrón anual de lluvias, con una estación húmeda de octubre a abril, y una estación seca el resto del año. Esto responde al régimen monzónico prevaleciente en la región, que provee advección de aire húmedo y potencialmente inestable desde el Norte en los meses estivales. Por lo tanto, la precipitación se debe fundamentalmente a procesos convectivos, y los campos climáticos de precipitación anual y estival son muy similares. En este estudio se ha considerado el período estival de octubre a abril. Tabla 5.4: Precipitación anual y estival observadas Nro Estación Nombre 1

SAN JOSÉ

Altura (m) 858

2

IRUYA

2.730

78,6

309,2

303,9

3

HIGUERA

1.950

71,1

328,2

326,2

4

SAN ANTONIO

1.400

50,5

590,3

564,5

5

SAN ISIDRO

3.000

82,8

626

611,8

6

NAZARENO

3.050

98,1

784,4

771,8

7

PALTORCO

3.800

110,3

556,1

546,9

8

TUC TUCA

3.950

118,3

478,7

475,9

9

POSCAYA

3.210

104,2

537,9

537,5

10

EL MOLINO

2.600

88,2

414

406,5

11

PABELLÓN

3.000

106,1

486,3

468,7

Capítulo 5 - Pág. 10

Distancia (km.) 26,9

PAO (mm) 1.981,2

PEO (mm) 1.814,7

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No fue posible construir diagramas de dispersión de precipitación versus altura de la estación para cada una de las 3 regiones, ya que en dos de ellas sólo se disponía de una estación. En consecuencia, se buscó una relación empírica que se ajustara con los valores anuales medios de precipitación en las 11 estaciones, en función de: a) La altura del terreno; y b) La distancia recorrida por las parcelas de aire desde el límite Este de la cuenca hasta el punto analizado. La distancia máxima es 125 Km. Los valores de precipitación anual observada (P.A.O.) y estival observada (P.E.O), ambos en mm, se muestran en la Tabla 5.4. Se consignan asimismo los datos de ubicación en km, distancia recorrida en km, y altura de las estaciones en m, a fin de hacer notar la fuerte dependencia de la precipitación con los parámetros mencionados. Para la determinación de la precipitación anual estimada (P.A.E.) a partir de la información de las 11 estaciones, se ajustaron varias expresiones matemáticas, siguiendo el criterio de selección de minimizar el error cuadrático medio de las estimaciones con respecto a las observaciones. La función empírica de mejor ajuste hallada fue el siguiente polinomio de grado 3. P.A.E.= -1,29653E-7 X3 + 0,001141 X2 - 3,07027 X + 2923,803 La variable independiente X es a su vez una función de la altura del terreno (Z) y de la fracción porcentual de camino recorrido (F): X = Z [1 - exp(-0,04425406 F)] El porcentaje de varianza explicado por dicho polinomio es de 98,3%. Para la precipitación estival media (P.E.E.), se halló una relación que la explica en función de la precipitación anual media y la fracción porcentual de camino recorrido, siendo ésta cero en el límite Este de la cuenca, y cien en la parte más lejana. P.E.E. = P.A.E. [(F + 0,5)/(F + 1,25)] 2 Los valores de precipitación anual y estival media estimados se muestran en la Tabla 5.5. Tabla 5.5: Precipitación anual y estival estimadas Nro Estación Nombre 1

SAN JOSÉ

Altura (m) 858

Distancia (km.) 26,9

PAE (mm) 1.991

PAE (mm) 1.852

2

IRUYA

2.730

78,6

415

404

3

HIGUERA

1.950

71,1

347

337

4

SAN ANTONIO

1.400

50,5

652

626

5

SAN ISIDRO

3.000

82,8

537

524

6

NAZARENO

3.050

98,1

565

553

7

PALTORCO

3.800

110,3

580

569

8

TUC TUCA

3.950

118,3

472

464

9

POSCAYA

3.210

104,2

557

546

10

EL MOLINO

2.600

88,2

452

441

11

PABELLÓN

3.000

106,1

477

468

Se aplicaron luego estas expresiones a todos los puntos de la cuenca, en discretización de 30m x 30m, a fin de obtener los campos de precipitación anual y estival. Para los puntos de la cuenca con fracciones de camino recorrido fuera del rango dado por las 11 estaciones, se hicieron ligeras correcciones a los valores dados por las funciones.

Capítulo 5 - Pág. 11

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El mapa con los campos de precipitación anual se presenta en la Figura 5.7. 5.2

CUENCA ALTA DEL RÍO BERMEJO4

5.2.1 General La Cuenca del Río Bermejo se ubica en el extremo austral de Bolivia, en el Departamento de Tarija, y en el Norte de Argentina abarcando parte de las provincias de Chaco, Formosa, Jujuy y Salta. La Figura 5.2 muestra la ubicación de la Cuenca Alta y Baja del Río Bermejo, en el marco regional. La Cuenca del Río Bermejo es un área importante de la macro-región de la Cuenca del Plata. Abarca una superficie de 123.162 km2 y su curso principal tiene una longitud de más de 1.300 km. Se divide por sus características en Cuenca Alta o Superior y en Cuenca Baja o Inferior. En Bolivia, la Alta Cuenca del Bermejo se localiza en el Departamento de Tarija y abarca área de 11.896 km2. El resto de la Alta Cuenca y la totalidad de la Baja Cuenca, se localizan en la Argentina ocupando parte de las provincias de Chaco, Formosa, Jujuy y Salta, con una superficie de 111.266 km2. Esta Cuenca Binacional se caracteriza por el protagonismo de activos e intensos procesos hidrológicos, geomorfológicos y ecológicos, con importantes potencialidades en términos de recursos naturales, variedad de ecosistemas y biodiversidad, pero también con fuertes restricciones y riesgos ambientales, tanto biogeofísicos como sociales. Hidrografía La Cuenca Alta o Superior (50.191 km²) representa la cuenca activa del Río Bermejo. Comprende específicamente la parte central y Sur del Departamento de Tarija en Bolivia, casi toda la provincia de Jujuy y las partes Norte y Oriental de la provincia de Salta hasta la confluencia del Río San Francisco con el Río Bermejo propiamente dicho. El 75,6% del área de esta parte de la Cuenca corresponde a territorio argentino y el 24,4% a territorio boliviano La red hidrográfica está formada por cuatro tributarios principales: el Río Grande de Tarija, el Río Alto Bermejo, que luego de las Juntas de San Antonio se denomina Bermejo, el Río Pescado y el Río San Francisco. A partir de Las Juntas de San Antonio, el Río Bermejo, íntegramente en territorio argentino, recibe por su margen derecha el aporte del Río Pescado y de los Ríos Blanco o Zenta y Colorado. Cabe señalar que la Cuenca del Río Pescado incluye desde el año 1865 los aportes de la Cuenca del Río Iruya, el cual fue desviado entonces para evitar inundaciones a la ciudad de San Ramón de la Nueva Orán, siendo esta cuenca una de las principales productoras de sedimentos. La Cuenca Baja o Inferior (72.971 km²), totalmente en territorio argentino, definida a ambos lados del divagante curso del río Bermejo5 se localiza en la parte Oriental de la 4

Información extraída del Estudio: Programa Estratégico de Acción para la Cuenca del Río Bermejo (2000). Comisión Binacional para el Desarrollo de la Alta Cuenca del Río Bermejo y el Río Grande de Tarija, Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, Organización de los Estados Americanos y Fondo para el Medio Ambiente Mundial (PEA, 2000)

5

La activa dinámica fluviomorfológica determina un conjunto de situaciones de difícil interpretación desde una óptica tradicional. Los cauces afluentes y los de desbordes frecuentes e imprecisos son variables en el espacio y en el tiempo, no siempre coincidentes por efecto de la singular topografía adyacente. Ello incluye cauces desactivados, taponados por los sedimentos o bien cursos intermitentes sin Capítulo 5 - Pág. 12

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provincia de Salta y luego de atravesar su límite se constituye como la frontera entre Formosa y Chaco hasta su desembocadura en el Río Paraguay. Geología y Geomorfología En Bolivia, se diferencian dos grandes estructuras: la Cordillera Oriental de los Andes y las Serranías del Subandino, que se continúan en Argentina, donde se presenta una tercera, la Llanura Chaqueña con la mayor superficie. En el sector argentino la Cordillera Oriental, se presenta la Sierra de Santa Victoria, que en el Sur es dividida por la Quebrada de Humahuaca. Se caracteriza por su litología, relieve abrupto y máximas alturas (6.200 m). Las Serranías Subandinas, se localizan entre la Cordillera Oriental al Oeste y la Llanura Chaqueña al Este, conformadas con dirección Norte-Sur y de alrededor de 2.000 msnm. Inicialmente se habría formado un antiguo conoide aluvial desde las Juntas de San Francisco hacia el Sudeste, cubriendo la Bajada del Chaco hasta mas allá de la Línea Barilari, en contacto con los conoides del Río del Valle y del Río Tartagal y por el Norte con el del Pilcomayo. Posteriormente, el río debe haber avanzado por sobre sus antiguos sedimentos y desde allí parece haber formado dos grandes conoides al Norte y al Sur del valle actual y que hemos denominado Conoide del Bermejo Salado y Conoide Bermejo Guaycurú. La Cordillera Oriental y las Sierras Subandinas contienen sectores sumamente activos desde el punto de vista geomorfológico. Los procesos de remoción en masa además de ser uno de los principales aportes de sedimentos de la cuenca, representan amenazas naturales que incrementan los riesgos ambientales para las poblaciones locales, muchas de ellas con alta vulnerabilidad social. Algunos sectores, por la complejidad e intensidad de los procesos que ocurren, son centro de atención de diversas investigaciones como el Valle Central de Tarija, la Cuenca del Río Iruya, y la Quebrada de Humahuaca. Los importantes volúmenes de material movilizados en la Alta Cuenca son transportados por el sistema fluvial hacia la Cuenca Baja, donde la Llanura Chaqueña se comporta como la principal receptora del material mediano y grueso, pues el fino es transportado aguas abajo, fuera de la cuenca. Si bien allí han actuado diferentes agentes formadores del relieve (llanura poligénica) dominan los asociados a la dinámica fluviomorfológica. Esto se evidencia en la compleja matriz de unidades geomorfológicas, cuya impronta se manifiesta sobre el drenaje, el suelo y la vegetación. En épocas muy recientes, el Río Bermejo realizó una serie de cambios de posición, labrando un área deprimida que denominamos planicie de divagación actual. Aún hoy, toda la llanura es muy activa desde el punto de vista fluviogeomorfológico. Clima La Cuenca se encuentra en una zona de transición climática6. Ello se hace muy evidente sobre la Alta Cuenca, donde en una corta distancia varía significativamente, desde un clima frío semiárido de altura al oeste, hasta tropical húmedo en el este. El relieve es un factor de importancia en la circulación regional de las masas de aire. Las máximas desagüe que terminan en bañados y extensas superficies de recepción y de evapotranspiración a través de la vegetación existente. 6 La región en su conjunto está influenciada por los anticiclones subtropicales y por las interrupciones que se producen con la formación del centro de baja presión, al Este de la Cordillera de los Andes

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precipitaciones se presentan en la región Subandina, con más de 2.200 mm anuales, disminuyendo hacia el Oeste hasta 200 mm (región de la Cordillera Oriental) y hacia el Este hasta 600 mm en el centro de la región del Chaco Semiárido; aumentando luego hasta los 1.300 mm en el sector de la confluencia con el río Paraguay, región del Chaco Húmedo. El gradiente altitudinal y longitudinal, desde la Alta Cuenca al Noroeste hacia la Baja Cuenca al Sudeste, determina una heterogeneidad climática, donde se tiene: 1)Zona Fría: ubicada por encima de la cota 2.700 msnm donde se identifican dos climas: Frío semiárido y Frío subhúmedo, 2)Zona Templada: entre las alturas de 1.500 a 2.700 msnm, con clima Templado árido, Templado semiárido, Templado subhúmedo, y Templado húmedo y 3) Zona cálida: ocupa toda el área oriental de la cuenca, el Subandino y la Llanura Chaqueña identificándose 4 tipos de climas: Cálido subhúmedo, Cálido húmedo, Cálido muy húmedo y Cálido semiárido Debe señalarse que existen importantes extensiones del territorio de la cuenca bajo condiciones de déficit hídrico, correspondiente a las Eco-regiones de la Cordillera Oriental (con bolsones de aridez como en el Valle Central de Tarija y especialmente en la Quebrada de Humahuaca) y del Chaco Semiárido. Esta restricción del medio natural, se superpone con la creciente estacionalidad y disminución de las precipitaciones desde la Eco-región del Chaco Húmedo hacia el oeste, con un creciente período con déficit hídrico. Esta condición climática determina restricciones para su uso productivo. Las condiciones de déficit hídrico y la torrencialidad de las precipitaciones junto a la dinámica de un relieve inestable potencian en la Alta Cuenca, particularmente en la Ecoregión de la Cordillera Oriental, la ocurrencia de eventos naturales como la remoción en masa en todas sus variantes (derrumbes, deslizamientos, torrentes de barro, etc.) además de los procesos de erosión hídrica superficial7 Hidrología El régimen hidrológico de los ríos es de control pluvial y como tal presenta una variabilidad estacional bien definida, con un período de grandes caudales en la época lluviosa, con hasta el 75% del escurrimiento entre enero y marzo (alcanzando hasta 85% en todo el período estival) y otro de caudales mínimos en la época seca (abril a septiembre, reduciéndose hasta el 11%). Los datos de caudales del sector boliviano o del compartido entre ambos países, medidos en las Estaciones de Aforo correspondientes se presentan en la Gráfico 5.1. En la Cuenca Baja, las evaluaciones del caudal mensual en El Colorado, con un módulo de 386 m3/s y un caudal específico de 5,88 l/s.km², hacen que el hidrograma indique un desplazamiento de la onda de crecida hacia los meses de febrero–abril y el estiaje entre los meses de junio y diciembre.

7

De la publicación Castro y Arzeno (1999). El riesgo ambiental en la Quebrada de Humahuaca: componentes, percepciones y respuestas. Instituto de Geografía. Universidad de Buenos Aires.

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Gráfico 5.1: Esquema de los aportes líquidos y sólidos en la Cuenca Alta del Río Bermejo Río Bermejo Superior (4.850 km2) Caudal Líquido: 88 m3/s (20%) Caudal Sólido Susp.: 8 106 tn/año (9%)

Río Grande de Tarija (10.460 km2) Caudal Líquido: 129 m3/s (29%) Caudal Sólido Susp.: 14 106 tn/año (16%)

Río Pescado (1.700 km2) Caudal Líquido: 50 m3/s (11%) Caudal Sólido Susp.: 5 106 tn/año (6%) Río Iruya (2.950 km2) Caudal Líquido: 57 m3/s (13%) Caudal Sólido Susp.: 35 106 tn/año (39%) Río Blanco (1.571 km2) Caudal Líquido: 20 m3/s (4%) Caudal Sólido Susp.: 7 106 tn/año (8%) Río San Francisco (25.800 km2) Caudal Líquido: 101 m3/s (23%) Caudal Sólido Susp.: 19 106 tn/año (21%)

Río Grande de Tarija Bermejo Superior Pescado Iruya Bermejo Superior San Francisco

Río Bermejo en Junta San Francisco (50.800 km2) Caudal Líquido: 445 m3/s (100%) Caudal Sólido Susp.: 89 106 tn/año (100%)

Fuente: EVARSA (1994) y AyEE (1990)

Tabla 5.6 : Información básica de caudal líquido Fuente: Estadística Hidrológica 1994. Tomo I. Evarsa(1994) Caudal Medio Estación Área de la Cuenca Anual (m3/s) (Nro de años con mediciones) (km2) Algarrobito/San Telmo (28) 10.460 129,00 Aguas Blancas (50) 4.850 88,10 P. Romero / Cuatro Cedros (38) 1.700 49,60 Anta Muerta/El Angosto (14) 2.950 57,30 Z. Tigre/P.Sarmiento (53) 25.000 344,00 Caimancito/ Pte. Carretero (44) 25.800 101,00

Tabla 5.7: Información básica de caudal sólido en suspensión Fuente: Estadística Hidrológica hasta 1990. Tomo II - AyEE (1990) Río Estación Área de la Cuenca Caudal sólido en suspensión (Nro de años con mediciones) (km2) (10 6 ton/año) Grande de Tarija Algarrobito/San Telmo (18) 10.460 14,48 Bermejo Superior Aguas Blancas (39) 4.850 8,34 Pescado P. Romero / Cuatro Cedros (15) 1.700 5,31 Iruya Anta Muerta/El Angosto (2) 2.950 35,34 Bemejo Superior Z. Tigre/P.Sarmiento (41) 25.000 70,58 San Francisco Caimancito/ Pte. Carretero (30) 25.800 18,90

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Suelos La fisiografía, génesis, el clima y el modelado fluvial, entre otros factores formadores del suelo han actuado con variable intensidad en diferentes sectores de la cuenca. En términos generales y a escala regional, la Alta Cuenca se manifiesta como una cuenca de aporte, generadora de sedimentos. Ello ha generado una alta heterogeneidad taxonómica de suelos, que se manifiesta también en su capacidad de uso. A esta variabilidad se superpone una diversidad de usos actuales y pasados que han determinado un mosaico de condiciones desde el punto de vista de su conservación. En territorio argentino de la Alta Cuenca, los suelos se presentan con mayor aptitud agrícola (clase II y III) en las llanuras aluviales, como las de los ríos Grande, Ledesma y San Francisco, alcanzando en su conjunto menos del 7% de la Cuenca. En la Baja Cuenca, los suelos con mayor aptitud agrícola (clases II y III) se localizan en su extremo Oriental, asociado a la dinámica fluviomorfológica pasada, con algo más del 10% de la superficie total. En resumen, los suelos presentan importantes superficies con restricciones para el desarrollo de actividades agropecuarias, muchos de ellas asociadas a diferentes grados de erosión actual o potencial. Vegetación La heterogeneidad de ambientes, climas y relieve se manifiesta en una gran diversidad de biomas y fisonomías de la vegetación. Las tipologías dominantes en la cuenca, con más del 47% (58.186 km²) de la superficie, son las de dominancia arbórea, que incluyen bosques xerófilos, subhúmedos o húmedos, siempreverdes, semicaducifolios o caducifolios y las unidades con mosaico de fisonomías con dominancia del bosque. Debe aclararse que se incluyen un amplio gradiente de coberturas de vegetación, desde alta a media. Sigue en importancia la selva montana con el 16,6% y luego los biomas con dominancia natural del estrato arbustivo con más del 10% (más de 12.000 km²) incluyendo arbustales y cardonales, matorrales montanos y caducifolios y mosaicos de fisonomías arbustivas. Los sistemas agroforestales implantados alcanzan más del 6,1% de la superficie. La distribución de los tipos de vegetación, que con diferente composición de especies se distribuyen en las diferentes Eco-regiones, se indica a continuación: 1) Cordillera Oriental: Arbustales, Cardonales, Estepas herbáceas, Estepas riparias, Matorral caducifolio, Matorral montano, Pastizales (pasturas nativas) serranos, Peladares, Sistemas agroforestales, Mosaicos, 2) Subandina: Selva montana, Bosque alto, Bosque interandino, Bosque bajo montano, Bosque bajo, Pajonal submontano, Pastizal serrano, Peladares, Sistemas agroforestales, Mosaicos, 3) Chaco Semiárido: Bosque alto, Bosque bajo, Bosque inundable, Palmares, Arbustales, Pastizales, Pajonales, Peladares, Sistemas agroforestales, Mosaico, 4) Chaco Subhúmedo Oriental: Bosque alto, Bosque bajo, Bosque inundable, Bajos inundables, Palmares, pastizales, Pajonales, Sistemas agroforestales, Mosaicos. 5) Chaco húmedo: Bosque alto, Bosque bajo, Bosque inundable, Bajos inundables, Palmares, Pajonales, Sistemas agroforestales, Mosaicos. En la Eco-región Subandina, las Selvas de las Yungas contienen un conjunto de hábitats de muy alta fragilidad (intrínseca y de origen antrópico) en la Alta Cuenca, representadas por selvas de transición, selvas montanas, bosques montanos y por pastizales de altura (pasturas nativas).

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5.2.2 Datos Disponibles y Estudios Básicos Imágenes de Satélite Las imágenes LANDSAT TM disponibles de abril de 1.997 (6 bandas) son las siguientes Nº 231-75, 231-76, 231-77, 230-75,230-76 y 230-77. Cartografía del IGM Las cartas del Instituto Geográfico Militar (IGM) que abarcan la zona en estudio, a escala 1:250.000 son: La Quiaca (2.366 II y 2.166 IV) Gral. San Martín (2.366 IV) Salta (2.566 II) Tartagal (2.363 I) San Ramón de la Nueva Oran (2.363 III) Las Lajitas (2.563 I). Cartografía Temática La cartografía temática disponible ha sido generada en el marco del conjunto de estudios preparatorios para la elaboración de un Programa Estratégico de Acción (PEA) para la Cuenca del Río Bermejo. En la ejecución de los trabajos comprometidos, participaron el Instituto de Suelos del Centro de Investigaciones de Recursos Naturales (INTA), la Estación Experimental Agropecuaria INTA Salta (Cerrillos), la Universidad Nacional de Salta (UNSa) y la Universidad Nacional de Jujuy (UNJu). Se elaboró la cartografía temática digitalizada, en forma preliminar (no supervisada), a partir de la información disponible y del procesamiento de imágenes LANDSAT TM. La documentación fue reelaborada por los especialistas sectoriales de UNSa, UNJu e INTA para generar la cartografía definitiva a escala 1:250.000, ingresada en un Sistema de Información Geográfica (en sistema de coordenadas Gauss Krügger correspondientes a faja 4). Productos disponibles: •

Mapa base: contiene límite de cuenca, división política, cabecera de departamento, líneas férreas, poliductos, líneas de alta tensión, pistas de aterrizaje, caminos y rutas, curvas de nivel, red de escurrimiento superficial y poblaciones. La información fue digitalizada a partir de la cartografía IGM a escala 1:250.000.

•

Carta temática de Geología: Este trabajo fue elaborado siguiendo las normas del Programa Nacional de Cartas Geológicas de la República Argentina (SEGEMAR, Instituto de Geología y Recursos Minerales). Se tomó como base topográfica la de las hojas del IGM con su toponimia completa y con sus datos topográficos y geográficos. Se ha usado como base los mapas geológicos de la Provincia de Jujuy, escala 1: 500.000 levantado por el Programa Volcanimo de la Puna Jujeña y el de la Provincia de Salta, ambos del SEGEMAR, como así también información propia que ha surgido de la interpretación de fotografías aéreas escala 1:50.000 y de las imágenes satelitales procesadas. Sobre la base de las imágenes satelitales (LANDSAT 742 RGB) impresas a escala 1:250.000, se confeccionaron a partir de compilación de datos geológicos

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disponibles y algunas corroboraciones de campo, la geología de la cuenca y estructuras. Se dividió la Alta Cuenca del Río Bermejo en las provincias geológicas de la Cordillera Oriental y Sierras Subandinas, se reconocen una serie de complejos rocosos diferenciables por su litología y posición estratigráfica. Dicha columna estratigráfica fue simplificada en el mapa por razones de escala, no incluyendo las subdivisiones realizadas por los diferentes autores que trabajaron en la región sino que fueron sintetizadas dentro de las unidades mayores definidas para el Noroeste Argentino. Productos: Carta Geológica y Mapa de Fallas, Sinclinales y Anticlinales. •

Carta temática de Geomorfología / Hidrografía: El trabajo ha sido realizado sobre la base de mapas bases, e imágenes satelitales (Esc. 1:250.000), complementados por material cartográfico del Instituto de Geología y Minería de la Universidad Nacional de Jujuy. La región de estudio contaba con escasa información geomorfológica. Los trabajos realizados anteriormente en el área fueron centrados en el sector occidental de la cuenca con trabajos geológicos y geomorfológicos regionales y sectores con estudios de detalles. En el sector oriental los estudios geológicos son, principalmente, de tipo regional con escasos trabajos de detalle. Productos: Carta Geomorfologia, Interfluvios y Direccion de Escurrimiento

•

Carta temática de Suelos: En base a la información existente (Carta de Suelos del INTA y de la UNSa) a escala 1:500.000 es transportada a la imagen satelital 1:250.000, con el correspondiente chequeo de campo en los sectores donde los límites de unidades no coinciden. Se confeccionaron leyendas de unidades cartográficas, taxonómicas, de aptitud y uso actual. Se utilizaron las imágenes procesadas para la ampliación de las áreas agrícolas y el relevamiento del uso actual. Producto: Carta de Suelos y Capacidad de Uso de los Suelos

•

Carta temática de Clima: Para la Carta Temática de lluvias, la información de isohietas anuales del NOA digitalizada fue controlada y ajustada sobre la imagen LANDSAT, realizándose las correcciones pertinentes. Se generaron mapas de temperatura media mensual del aire del sector argentino de la Alta Cuenca del Río Bermejo, escala 1:500.000. Los datos utilizados resultaron de la aplicación del modelo estadístico INTASAL-TEMP, el cual estima la temperatura media mensual de una localidad a partir de datos de altitud, latitud y precipitación. Debido al importante componente orográfico regional, se consideró a la variable altitud como la más importante para explicar las variaciones de las temperaturas medias mensuales en la región. En segundo lugar se consideró que un sobresaliente efecto sobre las temperaturas es ejercido por la nubosidad, la que por efecto orográfico se estaciona preferentemente sobre las laderas orientadas al este del relieve montañoso. Por contarse con mayor disponibilidad de información pluviométrica que de nubosidad, se ha considerado a la precipitación como una variable independiente en remplazo de la nubosidad por suponer que ésta aumenta en las zonas más lluviosas. Para la aplicación del modelo se utilizó el módulo "MODELER" del software “ERDAS Imagine 8.3.1.”, utilizando como entradas mapas raster continuos de

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altitud (curvas de nivel), lluvia (isohietas anuales) y latitud para generar los mapas de temperaturas medias correspondientes a cada mes del año. Los productos finales de estos procesos fueron tres mapas raster continuos, de altitud, isohietas y latitud, del área de estudio. Como resultado de los procesos realizados se obtuvieron 12 mapas de superficie continua correspondientes a las temperaturas medias mensuales estimadas para cada mes del año. Productos: Isohietas Anuales, Temperaturas Medias Mensuales, •

Cartografía temática de Vegetación: El ordenamiento y descripción de las unidades fisonómicas, basado en las afinidades florísticas de la vegetación, agrupa a los territorios fitogeográficos de acuerdo a sus relaciones taxonómicas. El área definida en la bibliografía recopilada está enmarcada en la siguiente categorización de unidades fitogeográficas: Región Neotropical Dominio Chaqueño Provincia Chaqueña Provincia de la Prepuna Dominio Amazónico Provincia de las Yungas Dominio Andino-Patagónico Provincia Altoandina Provincia Puneña La metodología se basó en el análisis del mapa de vegetación generado en la primera etapa, se procedió al ajuste de las unidades cartográficas mediante la superposición con la imagen y trabajo complementario de campo, con los resultados siguientes: Producto: Vegetacion

•

Cartografía temática de Uso Actual de los Suelos Para determinar el Uso Actal de la Tierra se utilizó la información cartográfica a escala 1:250.000, las imágenes de satélites y se realizó un recorrido de 3000 km por la zona obteniéndose información base. Se adoptaron los siguientes leyendas: Agricultura con riego: banano, citrus, caña de azúcar, hortalizas, tabaco, viñedos. Agricultura sin riego: algodón, maíz, pasturas, poroto, sorgo. Ganadería: tierra dedicada a la explotación de ganado mayor y menor sin diferenciar el tipo, se ubican en los pastizales naturales de altura entre los 2.500 y 4.500 m.s.n.m. Forestal: se trata de áreas de explotación que comprende desde rollos para madera hasta leña para estufas de tabaco o ladrilleras. Involucra tanto la tierra como cobertura arbórea y arbustiva (monte), como tierras con cobertura de bosques o selva. En relación a la leyenda utilizada, en cada sector mapeado existe entre 5 y 10% de superficie con otros cultivos que cartográficamente no son representativos por la escala de trabajo. Producto: Uso Actual De Los Suelos

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5.3

UNIDADES DEL ANÁLISIS ESPACIAL

5.3.1 Modelación a Nivel Local/Subcuenca: Cuenca del Río Iruya (Nivel A) El área de aporte de la Cuenca del Río Iruya hasta la confluencia con el Río Pescado es de 3.002 km2 (Figura 5.1). Se han individualizado 11 subcuencas considerando los principales afluentes, según se presentó en la sección 5.1.3 (Tabla 5.1). Se dispone de cartografía temática de un 68% de la cuenca (2.049 km2), hasta la localidad de Matancillas; esto abarca completamente las Subcuencas 1 a 6 y parte de la Subcuenca 7 (de ahora en más denominada Subcuenca 7a). La Subcuenca 4 desde las nacientes del Río Colanzulí-Iruya hasta la confluencia con el Río Nazareno, con una superficie de 350 km2, es tomada como unidad de análisis de detalle ya que se realizaron trabajos de reconocimiento in situ. La información disponible Nivel Local / Sub-cuenca:

permite

definir

las

Unidades

de

Análisis

•

Subcuencas 1 a 7a : implementación de las metodologías

•

Subcuenca 4: calibración de las metodologías

•

Subcuencas 1 a 7a , menos la Subcuenca 4: verificación de las metodologías.

a

5.3.2 Modelación a Nivel Regional/Cuenca: Cuenca Alta del Río Bermejo (Nivel B) El área total de la Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo es de 37.944 km2 e incluye la Cuenca del Río Iruya de 3.002 km2. Se dispone de cartografía temática a escala 1:250.000 generada en el marco del Programa Estratégico de Acción de la Cuenca del Río Bermejo. Las Unidades de Análisis a Nivel Regional / Cuenca, para realizar el análisis de escala, han sido definidas como: •

Cuenca Alta: implementación de las metodologías

•

Subcuenca 4 del Río Iruya: transferencia/adaptación de las metodologías desarrollada a Nivel Local / Sub-cuenca.

•

Subcuencas 1 a 7a, menos la Subcuenca 4: verificación de transferencia de metodologías.

•

Cuenca Alta: extrapolación/extensión de la metodología a toda la región.

En el Gráfico 5.2 se presenta esquemáticamente las distintas unidades de análisis, tanto a nivel local (Río Iruya) como a nivel regional (Río Bermejo).

Capítulo 5 - Pág. 20

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Gráfico 5.2: Esquema de Modelación Espacial Nivel Local/Subcuenca (Nivel A) y Regional/Cuenca (Nivel B)

Modelación a Nivel Local / Sub-Cuenca: Cuenca del Río Iruya (3.002 km2) Extrapolación Horizontal

Subcuenca 4: 350 km2

Subcuencas 1 a 7a: 2.049 km2

Modelación a Nivel Regional / Cuenca: Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo (37.944 km2) Extrapolación de Escalas

Cuenca del Río Iruya Cuenca Alta Argentina del Bermejo

Capítulo 5 - Pág. 21

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5.4

MODELACIÓN A NIVEL LOCAL / SUB-CUENCA (NIVEL A) Propuesta Metodológica y Prueba de Concepto en la Cuenca del Iruya

En este Capítulo se realiza la aplicación de la propuesta metodológica presentada en el Capítulo 4. Se determina el Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME), para el Nivel A (Nivel Local / Subcuenca). La prueba de concepto se realiza en la Cuenca del Río Iruya. Se definen unidades del paisaje erosivo en base a un modelo cuali-cuantitativo y a un modelo probabilístico (Capítulo 5.4.1). Luego se determinan el grado de procesos erosivos y se evalúan patrones de erosión considerando parámetros morfológicos (Capítulo 5.4.2). Finalmente, considerando modelos de mayor detalle, se determina magnitud de erosión superficial y niveles de peligrosidad de áreas bajo movimiento de masa (Capítulos 5.4.3 y 5.4.4). La síntesis de la modelación a nivel local/subcuenca se presenta en el Capítulo 4.4.5. La prueba de concepto se realiza utilizando como herramienta de cálculo un Sistema de Información Geográfico (SIG) que permite capturar, almacenar, actualizar, manejar, analizar y desplegar eficientemente rasgos de información referenciados geográficamente. El software Idrisi® utilizado8, es un SIG y un procesador de imágenes desarrollado por la “Graduate School of Geography” en la Universidad de Clark, Worcester, Ma. USA (1997). Idrisi® utiliza la técnica raster que es un modo práctico de manejar la información aunque la capacidad de almacenamiento se incrementa notablemente comparado con aquellos software que trabajan en sistemas vectoriales. 5.4.1 Unidades de Paisaje (PECuME – Módulo 1-A) 5.4.1.1 General Considerando la formulación metodológica PECuME, se desarrolla como primera etapa el Módulo 1-A (Unidades de Paisaje – Nivel local/subcuenca), según se presentó en el Capítulo 4.2 (Gráficos 4.3). La definición de unidades de paisaje en el presente estudio tiene como objetivo identificar y enmarcar áreas vulnerables a los procesos de erosión en cuencas de montaña. Una vez delimitadas y definidas las unidades podremos detallar con mayor precisión el grado de erosión actual del terreno mediante modelos paramétricos, teniendo como marco el primer análisis de susceptibilidad a la erosión. Como base se debe armar un modelo mental del fenómeno de erosión, lo que significa una imagen o una concepción de los elementos que participan en el proceso, interpretando las vinculaciones entre los distintos factores. Luego de esta etapa, se puede pasar al modelo matemático, discretizando las variables que intervienen en el fenómeno para el posterior agrupamiento y definición de las áreas homogéneas. La identificación de los límites de las unidades del paisaje está referida a las variables que se pretende reflejen homogeneidad, y el objetivo principal es organizar los factores relevantes según esquemas coherentes de igualdad. Las componentes y cualidades del paisaje son analizadas e interpretadas para integrar características geomórficas, climáticas, biológicas y edáficas de los ecosistemas naturales que interactúan en el proceso hidro-sedimentológico en cuencas de montaña.

8

Software disponible en COREBE (Organismo donde se desarrolla el trabajo de tesis). Capítulo 5 - Pág. 22

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El agrupamiento resultante permite la identificación de una jerarquía de áreas o regiones con una determinada caracterización (en este estudio es grado de susceptibilidad a la erosión). Se trata (en lo posible) de generar un sistema abierto, donde el enfoque sea adaptativo para facilitar la reformulación de la hipótesis a medida que se avance en la investigación y se acumule conocimiento. Los distintos tipos de estudios y las escalas de los mismos se deberán ir combinando de acuerdo a las necesidades, a medida que surjan interrogantes. En los Capítulos 2.1 y 3.1 se han presentado los conceptos base para el desarrollo de la metodología que ha sido formalizada en el Capítulo 4.2 que trata con la definición del PECuME. La implementación de la propuesta metodológica se presenta a continuación. Etapa de Discriminación: Tomando como base los principios de Gallopín (1982) y el Método de Albadalejo et al. (1988), según se presentó en el Capítulo 3.1.2, se discriminan las unidades de estudio en función de los factores que intervienen en el proceso erosivo. En la presente propuesta metodológica se definen los factores según se detalla en el Gráfico 5.3. Cada uno de los factores que afectan el proceso de erosión deberá ser reclasificado generando la cartografía temática catergorizada (mediante índices). La definición de los rangos de los intervalos de categorización tiende a agrupar los factores relevantes según un esquema coherente de homogeneidad, tratando de establecer una metodología que pueda ser extrapolada a otros trabajos de investigación; se considera un razonamiento inductivo que es aplicado también en varios de los modelos relacionados a este tipo de estudios. Este principio metodológico ha sido utilizado actualmente en el proyecto RUNOUT (van Westen, 2000), como método indirecto basado en utilización de índices para evaluación del riesgo de movimientos del terreno. Gráfico 5.3: Propuesta Metodológica de Discriminación

Factores que afectan la Erosión

Relieve

Suelo

Clima

Vegetación

Precipitación

Cobertura Vegetal

Cartas Temáticas

Pendiente

Resistencia

Para la reclasificación de las cartas temáticas de pendiente y precipitación del Río Iruya, se proponen intervalos de amplitud fija, dentro del rango de valores típicos en áreas de montaña; se consideran límites que no generen intervalos vacíos. Para la carta de pendiente, se proponen 5 intervalos de amplitud 20%, tomando como umbral inferior 20% y umbral superior 80%. Para la carta de precipitación media anual, se proponen también 5 intervalos de 200 mm, considerando el umbral inferior de 200 mm y el superior 800 mm (Tabla 5.9). Capítulo 5 - Pág. 23

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La carta de vegetación es la más simple de reclasificar por disponer de tres zonas definidas considerando la cobertura vegetal. Quedan establecidas: zonas completamente protegidas, zonas parcialmente protegidas y zonas no protegidas. Para la carta temática de resistencia del material, se fija la descripción de cada intervalo en función de la influencia a los procesos de erosión. Se consideran 5 intervalos definiendo: muy alta, alta, media, media baja y baja resistencia a la erosión. El geólogo experto reclasifica el mapa geológico en función de la edad y tipo de material, y genera esta nueva carta temática. Se debe remarcar que la información temática disponible por subcuenca corresponde a un área de 2.049 Km2 (68% de la Cuenca del Río Iruya), según se detalla en la Tabla 5.8. En la Figura 5.5 se presenta el detalle de la cartografía temática. Tabla 5. 8: Información disponible por subcuenca Nro Subc. 1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11

Nombre del principal río / afluente / tramo

Cartografía Temática

Viscarra Poscaya- Nazareno hasta la confluencia con el Viscarra Nazareno desde confluencia con Viscarra hasta confluencia con el Iruya Iruya hasta confluencia con el Nazareno Iruya desde confluencia con el Nazareno hasta confluencia con el Volcán Higueras Volcán Higueras Iruya desde confluencia con el Volcán Higueras hasta confluencia con el Astillero 7a: Iruya desde desde confluencia con el Volcán Higueras hasta localidad de Matancillas Astillero Cañas Iruya desde confluencia con Cañas hasta el Pescado; incluye el Negro y excluye el Piedras Piedras

Relevamiento In-situ

X X X X X X

X

El detalle de la reclasificación se presenta en la Tabla 5.9. Tabla 5.9: Reclasificación de Cartas Tematicas de la Cuenca del Iruya Mapa de Pendientes Indice 1 2 3 4 5

Descripción Pendiente suave Pendiente baja Pendiente moderada Pendiente alta Pendiente muy alta

Pendiente (en %) < 20 20 – 40 40 – 60 60 – 80 > 80

Mapa de Precipitaciones Indice 1 2 3 4 5

Descripción Bajo Mediano bajo Mediano Mediano alto Alto

Indice 1 2 3

Descripción Completamente protegido Parcialmente protegido No protegido

Precipitación media anual (mm) < 200 200 – 400 400 – 600 600 – 800 > 800

Mapa de Vegetación Vegetación Bosque de montaña Vegetación herbácea - Vegetación arbustiva Zona desprovista de vegetación

Capítulo 5 - Pág. 24

X

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tabla 5.9: Reclasificación de Cartas Tematicas de la Cuenca del Iruya (continuación) Mapa del Resistencia a la Erosión (teniendo como base la litología)9 Indice 1

Descripción Muy alta resistencia a la erosión

2 3 4

Alta resistencia a la erosión Media alta resistencia a la erosión Media baja resistencia a la erosión

5

Baja resistencia a la erosión

Litología Terciario: Areniscas y conglomerados rosados Cretácico: Areniscas y conglomerados Cámbrico: Areniscas cuarcíticas grises y moradas Precámbrico: Granito de Tipayoc Cretácico: Calizas amarillas Ordovísico: Lutitas Precámbrico: Pizarras y filitas grises y moradas Cretácico: Pelitas rojas Cuartario: Cubierta de acarreos indiferenciados Cauce

En la Tabla 5.10 se presentan los porcentajes de superficie que ocupa cada clase de las cartas temáticas en la subcuenca de 350 km2 y de 2.049 km2. Tabla 5.10: Porcentaje de superficie de cada clase en las cartas temáticas Porcentaje del Área Total (350 km2) Indice (según Tabla 5.9)

Pendiente

Precipitación

Vegetación

Resistencia

1

16,00

2

28,05

0,02

0,00

17,24

8,19

62,89

3

0,00

31,65

38,83

37,11

1,41

4

17,10

49,06

56,08

5

7,20

3,90

25,26

Porcentaje del Área Total (2.049 km2) 1

11,39

0,48

5,98

20,39

2

25,24

26,89

65,07

0,27

3

34,15

37,65

28,95

4

19,98

32,89

68,31

5

9,25

2,09

9,49

1,53

En las Figuras 5.8.a y 5.8.b se presentan gráficos relacionando las cuatro variables de a pares para las subcuencas de 350 km2 y 2.049 km2 respectivamente. El análisis exploratorio de estos datos categorizados muestra que no existe una buena relación entre las variables; sin embargo se puede confirmar que no es tampoco un patrón aleatorio porque se nota cierta correlación de intensidades aunque no están perfectamente definidas. Un análisis riguroso de este tema se presenta en el desarrollo del modelo probabilístico. Etapa de Integración Como segunda etapa se realiza la integración de la información superponiendo los distintos mapas temáticos e identificando las áreas homogéneas, según las variables de interés. Según Gallopin (1982), el problema de la determinación de regiones a través del agrupamiento de unidades elementales radica esencialmente en la determinación de la similaridad entre unidades que constituirán una región y en la elección de las técnicas de agrupamiento. Como ejemplo se puede citar que en el proyecto ICONA (1982), la integración se obtiene mediante la combinación de matrices de evaluación basadas en 9

La reclasificación del mapa de geología y geomorfología para obtener los parámetros de resistencia a la erosión fue elaborada con la colaboración del Lic. Felipe Rivelli de la Universidad Nacional de Salta. Capítulo 5 - Pág. 25

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

tablas índices. Por otra parte, en el proyecto RUNOUT(van Westen, 2000) se utiliza como técnica heurística para la determinación de riesgo de deslizamiento en la cuenca Tirajana de Gran Canaria la integración de los factores con mapeo indirecto de un simple índice de riesgo que se realiza utilizando el procedimiento basado en una suma lineal pesada que luego se reclasifica para la eventual subdivisión en clases de riesgos. En la presente metodología, se propone el agrupamiento de las variables mediante dos modelos, a saber: •

Modelo Probabilístico

•

Modelo Cuali-cuantitativo

En la etapa de implementación y ajuste se trabaja en la subcuenca de 350 km2 (Subcuenca 4) y para la verificación en la subcuenca de 2.049 km2 (subcuencas 1 a 7a), según se presenta en las Figuras 5.1 y 5.4 . A continuación se presenta el detalle de la metodología implementada en la etapa de integración y los resultados para la metodología propuesta. 5.4.1.2 Determinación de Unidades de Paisaje utilizando el modelo probabilístico Con el objeto de ajustar un modelo probabilístico a la determinación de las unidades del paisaje, se implementó un modelo logístico de regresión. Esto permitirá definir las variables que estadísticamente son significativas para explicar los procesos erosivos dentro de la escala de análisis y establecer la relación probabilística. La regresión logística es un tipo especial de regresión múltiple, en la cual la variable dependiente es binaria o dicotómica. Considerando p variables independientes x=(x1, x2, ..,xp) y notando π(x)=P(y=1/x), donde y=1 representa la ocurrencia del evento de intensa erosión, la transformación Logit (x) como función lineal de los parámetros se define: Logit (x) = ln [π(x) / (1+ π(x))] = a + b1 x1 + b2 x2 +....+ bp xp donde: a intersección, b1,b2..bp coeficientes de la regresión y x1,x2..xp variables dependientes. En función de Logit (x), el modelo de regresión logística se expresa como: π(x) = P(y=1/x) = eLogit (x)/(1+ eLogit (x)) Se estudia la subcuenca de 350 km2, utilizando como variables independientes la pendiente, la precipitación, la resistencia y la vegetación. Para definir la variable dependiente se reclasificó la carta geomorfológica, agrupando las zonas con procesos de erosión intensa (erosión por carcavamiento moderado a severo, erosión enérgica con afloramiento de roca, remoción en masa y reptación de escombros de talud) y las zonas sin erosión o con erosión ligera (regolito, suelo sobre substrato rocoso, suelo del área boscosa, morenas glaciares, abanicos aluviales, terrazas bajas y altas y lechos fluviales). De este modo se generó una variable dependiente binomial. Se realizó el ajuste del modelo logístico, determinando que las variables significativas para explicar los procesos erosivos intensos son pendiente y vegetación. La categorización utilizada para estas variables se presenta en la Tabla 5.11.

Capítulo 5 - Pág. 26

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tabla 5.11: Reclasificación de Cartas Tematicas de la Cuenca del Iruya Mapa de Pendientes Var. Cualitativa 1 2 3 4 5

Descripción Pendiente suave Pendiente baja Pendiente moderada Pendiente alta Pendiente muy alta

Pendiente (en %) < 20 20-40 40 – 60 60 – 80 > 80

Mapa del Vegetación Var. Cualitativa 1 2

Descripción

Vegetación

Completa o parcialmente protegido No protegido

Bosque de montaña – Vegetación herbácea – Vegetación arbustiva Zona desprovista de vegetación

Dado que estas variables son cualitativas, son modeladas mediante variables ficticias (dummy). Si una variable cualitativa toma k valores, es representada en el modelo por k-1 variables ficticias. En la Tabla 5.12 se detallan los valores que toman las variables ficticias utilizadas en este caso. Tabla 5.12: Descripción de Variables Variables Cualitativas Pendiente Vegetación 1 1 1 2 2 1 2 2 3 1 3 2 4 1 4 2 5 1 5 2

Pend2 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0

Pend3 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0

Variables Ficticias Pend4 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0

Pend5 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

Veg2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Los parámetros de la regresión logística, estimados por el Método de Máxima Verosimilitud, fueron los siguientes: Intercepción Pend2 = pendiente baja Pend3 = pendiente moderada Pend4 = pendiente alta Pend5 = pendiente muy alta Veg2= No protegido

Coeficientes -1.25 0.46 1.38 1.87 2.30 0.57

Error Estándar 0.0098 0.0115 0.0112 0.0128 0.0176 0.0072

Valor t -126.78 39.83 123.15 145.25 131.01 78.31

Deviance nula (sin predictores): 87027.68 con 134 grados de libertad Deviance residual del modelo: 35129.93 con 129 grados de libertad La calidad del ajuste se evaluó mediante el análisis de la deviance10, la cual bajo la hipótesis nula (la pendiente y la vegetación no influyen en la erosión) tiene distribución Chi-cuadrado. El p-valor obtenido en este caso (menor que 0.001) indica que las variables son altamente significativas.

10 Deviance es el estadístico utilizado para determinar la bondad del ajuste en la regresión logística, que representa el mismo rol de la suma de cuadrados de los residuos en la regresión lineal. La deviance se calcula como: Deviance= -2 ln (verosimilitud del modelo propuesto/verosimilitud del modelo saturado) donde el modelo saturado es el que contiene tantos parámetros como número de datos.

Capítulo 5 - Pág. 27

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

La transformación Logit estimada es la siguiente: Logit (x) = -1,25 + 0,46 Pend2 + 1,38 Pend3 +1,87 Pend4 +2,30 Pend5 + 0,57 Veg2 El ajuste de la regresión incluyendo las cuatro variables de análisis, mostró resultados singulares en la información de precipitación y resistencia. Se obtuvo que una disminución de la resistencia del material o un aumento de la precipitación no correspondía, como se esperaba, con el aumento de la probabilidad de ocurrencia de erosión intensa. Esto indujo a desechar estas variables en la estimación de los parámetros del modelo logístico y obligó a un análisis de detalle e interpretación de los datos observacionales del área piloto de ajuste, que se presenta a continuación: • La resistencia del material fue determinada sobre la base de la carta geológica y la reclasificación fue realizada sobre la base de conocimientos teóricos fundados. Sin embargo cada unidad geológica contiene más de un proceso erosivo de distinta intensidad caracterizado principalmente por las pendientes, lo que significa que esta variable aislada no podría explicar el proceso en el modo aquí tratado. • Los valores medios anuales de precipitación no parecen corresponder con las zonas de erosión intensa; en especial, las mayores precipitaciones coinciden con zonas geológicamente resistentes. En especial se debe remarcar que los procesos erosivos están relacionados directamente a eventos intensos y no a valores medios anuales, razón principal para justificar la no-correspondencia observada. Por otra parte, la precipitación media estaría indirectamente incluida en la variable vegetación, con la cual está causalmente relacionada e incorporada en el análisis. Estos resultados merecen un análisis especial para definir las conclusiones generales de este tipo de situaciones, razón por la cual se decidió estudiar en detalle la distribución areal de la resistencia del material (generada a partir de la geología) y de la precipitación, en relación a las zona de erosión intensa definidas con el mapa geomorfológico, según se presenta a 5.4.1.5. Se desea destacar que los resultados obtenidos no implican que la resistencia y la precipitación no sean factores fundamentales para la predicción de procesos erosivos, pero con este análisis se ha verificado que la información brindada por estas variables, en la escala de este análisis (espacial o temporal), no es lo suficientemente precisa para definir el proceso que se desea modelar (intensidad de erosión). Los resultados obtenidos con este modelo probabilístico se presentan en la Figura 5.9. 5.4.1.3 Determinación de Unidades de Paisaje utilizando el Modelo CualiCuantitativo. La etapa de agrupamiento propuesta para determinar Unidades de Paisaje utilizando el modelo cuali-cuantitativo se basa en combinar las cartas temáticas, considerando los factores con relativa influencia en el proceso erosivo. Se definen 4 grados de erosión y se involucra subjetivamente las variables mencionadas. En la Tabla 5.13 se presenta la combinación de variables derivada de aplicar la lógica deductiva para su agrupamiento. Definida la metodología, se realiza la implementación del modelo en la subcuenca de 350 km2 , utilizando el software Idrisi® y realizando una clasificación no supervisada

Capítulo 5 - Pág. 28

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

mediante el análisis de cluster. Con este procedimiento se combinaron en primera etapa las cartas de pendiente, precipitación y resistencia (tres es el máximo número de capas que se pueden tratar con esta opción de Idrisi®); posteriormente mediante un análisis cruzado (crosstab) se incorporó la información de vegetación. En esta etapa, el tamaño del pixel se expandió a 300 metros debido a la necesidad del procesamiento externo al SIG (en planillas de cálculo). Se obtuvieron de este modo cuatro unidades de paisaje con un determinado grado de estabilidad del territorio en función de las características geomórficas, climáticas y edáficas, teniendo como marco de referencia los procesos de producción de sedimentos. Los resultados obtenidos se sintetizan en la Tabla 5.13. Se destaca que aproximadamente un 48% del área corresponde, según esta clasificación, a zonas inestables, evidenciando la situación real de alta susceptibilidad a la erosión de esta subcuenca. A continuación se realizó el ajuste con el modelo cuali-cuantitativo considerando las dos variables (pendiente y vegetación) definidas como relevantes según el análisis probabilístico. La integración se realiza según se detalla en la Tabla 5.14. Con este ajuste el 50% de la superficie quedó caracterizada con erosión intensa. Los resultados se presentan en la Figura 5.10. Tabla 5.13: Unidades de Paisaje según el Grado de Estabilidad Unidad de Paisaje

Pendiente

Resistencia

Precipitación

Vegetación

Tipo 1: ESTABLE

Suave-Baja

Muy Alta

Media Baja

Parc.ProtegidoNo Protegido

Tipo 2: MEDIANAMENTE ESTABLE

Suave-Baja

Muy Alta

Media-Media Alta

Parc.Protegido

Suave-Baja

Muy Alta

Media-Media Alta

No Protegido

Moderada-Alta

Muy Alta

Media-Media Alta

Parc. Protegido

Moderada-Alta

Muy Alta

Media-Media Alta

No Protegido

Suave-Baja

Media BajaBaja

MediaMedia Alta

Parc. Protegido

ModeradaMuy Alta

Muy AltaMedia Baja

Media BajaMedia

Parc. Protegido

Suave-Baja

Media BajaBaja

MediaMedia Alta

No Protegido

ModeradaMuy Alta

Muy AltaMedia Baja

Media BajaMedia

No Protegido

Moderada-Alta

Media Baja-Baja

Media-Media Alta

Parc. Protegido

Moderada-Alta

Media Baja-Baja

Media-Media Alta

No Protegido

Muy Alta

Media Baja

Media Alta

Parc. Protegido

Muy Alta

Media Baja

Media Alta

No Protegido

Tipo 3: MEDIANAMENTE INESTABLE

Tipo 4: INESTABLE

Capítulo 5 - Pág. 29

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Tabla 5.14: Unidades de Paisaje según el Grado de Estabilidad Unidades de Paisaje

Pendiente

Vegetación

Suave

Completamente y Parc. Protegido

Suave y Baja

Completamente Protegido

Moderada

Completamente Protegido

Baja

Parcialmente Protegido

Suave

No Protegido

Alta

Completamente Protegido

Baja

No Protegido

Muy Alta

Completamente Protegido

Moderada, Alta y Muy Alta

Parcialmente y No Protegido

Tipo 1: ESTABLE Tipo 2: MEDIANAMENTE ESTABLE

Tipo 3: MEDIANAMENTE INESTABLE Tipo 4: INESTABLE

5.4.1.4 Verificación del ajuste mediante comparación con el mapa geomorfológico Para verificar la aptitud de los modelos para la explicación y predicción de los fenómenos erosivos de interés, se compararon los resultados obtenidos con los patrones de erosión disponibles en el mapa geomorfológico. Tanto los mapas construidos en base a las predicciones como el mapa geomorfológico fueron divididos en dos zonas: áreas con erosión intensa y áreas sin erosión o con erosión ligera, generando variables dicotómicas que permitirán la evaluación de correspondencia según se presenta en la Tabla 5.15. La información del mapa geomorfológico representa el valor verdadero con el cual se contrastan los resultados obtenidos. La reclasificación del mapa geomorfológico (Figura 5.11) se realizó del mismo modo que para definir la variable dependiente en el modelo probabilístico, es decir: •

Áreas sin erosión o con erosión ligera: regolito, suelo sobre substrato rocoso, suelo del área boscosa, morenas glaciares, abanicos aluviales, terrazas bajas y altas y lechos fluviales.

•

Áreas con procesos de erosión intensa: erosión por carcavamiento moderado a severo, erosión enérgica con afloramiento de roca, remoción en masa y reptación de escombros de talud.

Tabla 5.15: Metodología aplicada para la comparación Mapa Geomorfológico

Área sin erosión o con Erosión ligera

Áreas con Erosión intensa

Áreas sin erosión o con Erosión ligera

EROSIÓN LIGERA estimada por el modelo

EROSIÓN INTENSA no estimada por el modelo

Áreas con Erosión intensa

EROSIÓN LIGERA no estimada por el modelo

EROSIÓN INTENSA estimada por el modelo

Modelos

Capítulo 5 - Pág. 30

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

La reclasificación de los modelos de explicación/predicción se realizó del siguiente modo: Modelo cuali-cuantitativo11: • Áreas sin erosión o con erosión ligera: corresponde a las zonas clasificadas como: Tipo 1 (estable), Tipo 2 (medianamente estable) y Tipo 3 (medianamente inestable) de los ajustes con cuatro variables y con dos variables según detallado en 5.4.1.3. • Áreas con procesos de erosión intensa: corresponde a las zonas clasificadas como Tipo 4 (inestable) de los ajustes mencionados. Modelo probabilístico: • Áreas sin erosión o con erosión ligera: corresponde a las zonas con probabilidad por debajo del umbral 50%. Este valor es comúnmente utilizado para este tipo de análisis (Hosmer y Lemeshow,1989). • Áreas con procesos de erosión intensa: corresponde a las zonas con probabilidad por encima del umbral 50%. Los modelos fueron aplicados para la subcuenca de 2.049 km2, extrapolando los ajustes realizados en la subcuenca de 350 km2. Los pruebas realizadas y resultados obtenidos, según se presenta en la Tabla 5.16, son clasificados por modelos y por áreas de análisis del siguiente modo: Por modelos: • Modelo cuali-cuantitativo – 4 variables: corresponde a modelo presentado en trabajos anteriores, donde se determinan grados de estabilidad del territorio considerando la integración de cuatro variables (pendiente, resistencia del material, precipitación y vegetación). corresponde al modelo antes • Modelo cuali-cuantitativo – 2 variables: mencionado, considerando solamente las variables de pendiente y vegetación según el criterio definido en la Tabla 5.14 (Figura 5.10). • Modelo probabilístico – 2 variables: corresponde al modelo de regresión logística, considerando las variables de pendiente y vegetación (Figura 5.9). Por áreas de análisis: • Subcuenca de 350 km2: área de ajuste/calibración de los modelos • Subcuenca de 1.699 km2 (2.049-350 km2): área de verificación de los modelos • Subcuenca de 2.049 km2: área total con cartografía temática disponible (área de ajuste/calibración y área de verificación de los modelos) La discretización de las cartas temáticas fue realizada con un tamaño de pixel de 30x30 metros en todos los casos, excepto en el estudio realizado precedentemente con el modelo cuali-cuantitativo para la subcuenca de 350 km2 con 4 variables (Rafaelli y Pérez Ayala, 2000). En la Figura 5.12 se presentan los resultados de la verificación del ajuste de los modelos de unidades de paisaje, para la subcuenca de 2.049 km2. 11

Los resultados obtenidos con el modelo cuali-cuantitativo permiten una discretización de cuatro grados de estabilidad pero a los efectos de evaluar la bondad de la predicción deben transformarse en variables dicotómicas, perdiendo cierto detalle de la información generada con esta metodología.

Capítulo 5 - Pág. 31

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Tabla 5.16: Evaluación de las Predicciones MODELO CUALI-CUANTITATIVO 4 variables

Subcuenca de 350 km2

Subcuenca de 1.699 km2

Subcuenca de 2.049 km2

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA correctamente predicha por el modelo

29 %

30 %

27 %

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA no correctamente predicha por el modelo

21 %

12 %

16 %

EROSIÓN INTENSA correctamente predicha por el modelo

27 %

23 %

27 %

EROSIÓN INTENSA no correctamente predicha por el modelo

23 %

35 %

30 %

% de áreas estables o con erosión ligera correctamente predichas

58 %

57 %

63 %

% de áreas con erosión intensa correctamente predichas

54 %

40 %

48 %

Subcuenca de 350 km2

Subcuenca de 1.699 km2

Subcuenca de 2.049 km2

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA correctamente predicha por el modelo

30 %

22 %

23 %

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA no correctamente predicha por el modelo

20 %

20 %

20 %

EROSIÓN INTENSA correctamente predicha por el modelo

36 %

40 %

40%

EROSIÓN INTENSA no correctamente predicha por el modelo

14 %

18 %

17 %

% de áreas estables o con erosión ligera correctamente predichas

60 %

52 %

53 %

% de áreas con erosión intensa correctamente predichas

72 %

69 %

70 %

Subcuenca de 350 km2

Subcuenca de 1.699 km2

Subcuenca de 2.049 km2

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA correctamente predicha por el modelo

28 %

19 %

21 %

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA no correctamente predicha por el modelo

22 %

23 %

22 %

EROSIÓN INTENSA correctamente predicha por el modelo

36 %

42 %

41 %

EROSIÓN INTENSA no correctamente predicha por el modelo

14 %

16 %

16 %

% de áreas estables o con erosión ligera correctamente predichas

56 %

45 %

49 %

% de áreas con erosión intensa correctamente predichas

72 %

72 %

72 %

MODELO CUALI-CUANTITATIVO 2 variables

MODELO PROBABILÍSTICO 2 variables

Capítulo 5 - Pág. 32

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Los resultados obtenidos permiten extraer las siguientes conclusiones: •

El porcentaje de áreas con erosión intensa correctamente predichas utilizando el modelo cuali-cuantitativo, tanto en la subcuenca de 350 km2 como en la de 2.049 km2, es mayor cuando se utilizan dos variables explicativas (pendiente y vegetación). Esto es coherente con las conclusiones obtenidas del ajuste del modelo probabilístico. Los porcentajes de áreas con erosión intensa correctamente predichas, utilizando el modelo de dos variables, son 72% para la subcuenca de 350 km2 y 70% para la de 2.049 km2, mientras que los porcentajes de áreas estables o con erosión ligera correctamente predichas son 60% y 53% respectivamente.

•

Utilizando el modelo probabilístico, los porcentajes de áreas con erosión intensa correctamente predichas son satisfactorios (72% para ambas subcuencas). La predicción de áreas estables o con erosión ligera tiene menor precisión (56% para la subcuenca de 350 km2 y 49% para la subcuenca de 2.049 km2).

5.4.1.5 Análisis específico de la variable resistencia del material y precipitación Los resultados del modelo probabilístico definieron que las variables resistencia del material y precipitación no eran significativas para la determinación de los procesos erosivos en la zona de análisis. El mejor ajuste se verificó utilizando las variables pendiente y vegetación. Se realizó un análisis especial para definir las conclusiones generales de este tipo de situaciones, donde el mejor modelo contempla menos variables de aquellas disponibles. Se estudió en detalle la distribución areal de la resistencia del material (generada a partir de la geología) y de la precipitación, en relación a las zona de erosión intensa definidas con el mapa geomorfológico. Considerando que el modelo cuali-cuantitativo de 4 variables (pendiente, resistencia, precipitación y vegetación) generaba resultados menos precisos que el modelo utilizando 2 variables (pendiente y vegetación), se analizaron en detalle los errores generados con el primero. Se seleccionaron los resultados del modelo cuali-cuantitativo de 4 variables implementado en toda el área de estudio (2.049 km2) para analizar las zonas no correctamente predichas por el modelo. Se aislaron las zonas con erosión intensa (según el mapa geomorfológico) que no fueron ajustadas y se observó que un 60% de esta superficie corresponde a la clasificación geomorfológica de “suelo sobre substrato rocoso”. Como primer paso, se analizaron todas las áreas sobre substrato rocoso y se localizó el material con alta resistencia a la erosión (ej. zona noroeste), y con baja/media resistencia a la erosión (ej. zona sur-oeste). En la Figura 5.13a se presenta el mapa respectivo de la zona completa con suelo sobre substrato rocoso y en la 5.13b las zonas con errores según el modelo de 4 variables, dentro de áreas sobre substrato rocoso. De esta última superficie (con errores), el 97% corresponde a resistencia media y baja. En general, las zonas con resistencia alta fueron correctamente predichas. Se deduce que las zonas con suelo sobre substrato rocoso (20% del total de la cuenca) son un buen ejemplo para explicar que cada unidad definida en esta escala de análisis

Capítulo 5 - Pág. 33

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

contiene más de un proceso erosivo de distinta intensidad y puede no ser explicativa de ese fenómeno. El mismo procedimiento se utilizó para analizar la variable precipitación. Se aislaron todas las áreas sobre substrato rocoso y se encontró que 80% corresponde a precipitación entre 400 y 800 mm (Figura 5.13c). Se analizaron además los errores en la misma zona (Figura 5.13d), definiendo que el 57% de los mismos corresponden a zonas con precipitaciones entre 600 y 800 mm. En este caso, se verifica que la variable precipitación no explica la intensidad de erosión definida en el mapa geomorfológico (suelo sobre substrato rocoso). Este análisis no significa que la resistencia y la precipitación no sean factores fundamentales para la predicción de procesos erosivos, pero se ha verificado que la información brindada por estas variables, en la escala de este análisis (espacial o temporal), no es lo suficientemente precisa para definir el proceso que se desea modelar (intensidad de erosión). 5.4.1.6 Análisis y Discusión de los resultados obtenidos en el PECuME–Módulo 1-A Como primer eslabón metodológico del PECuME, para la zonificación del territorio con vistas a determinar grados de susceptibilidad a la erosión, se definieron e implementaron los modelos probabilístico y cuali-cuantitativo que permitieron obtener unidades del paisaje erosivo a nivel local /subcuenca, con la validación de la extrapolación horizontal en la cuenca de 2.049 km2 partiendo del ajuste realizado en la subcuenca de 350 km2. La formulación metodológica propuesta tiene una base causal ya que las variables que intervienen han sido seleccionadas como significativas por su relación causa-efecto con la producción de sedimentos. En la prueba de concepto se obtuvo un resultado muy importante al verificarse que algunas variables consideradas de interés en el primer análisis, no resultaron estadísticamente significativas. En detalle se puede mencionar que el ajuste de la regresión logística incluyendo las cuatro variables de análisis en el modelo cualicualitativo (pendiente, precipitación, resistencia del material y vegetación), mostró resultados singulares en la información de precipitación y resistencia. Se obtuvo que una disminución de la resistencia del material o un aumento de la precipitación no correspondía, como se esperaba, con el aumento de la probabilidad de ocurrencia de erosión intensa. Esto indujo a desechar estas variables en la estimación de los parámetros del modelo logístico y a reformular el modelo cuali-cuantitativo. Este análisis no significa que la resistencia y la precipitación no sean factores fundamentales para la predicción de procesos erosivos, pero se ha verificado que la información brindada por estas variables, en la escala de este análisis (espacial o temporal), no es lo suficientemente precisa para definir el proceso que se desea modelar (intensidad de erosión). Es fundamental remarcar la importancia de determinar una verificación del ajuste, que en el presente estudio consideró la información disponible en la cartografía temática de geomorfología. El ajuste realizado en la prueba de concepto (Cuenca del Río Iruya) es un ejemplo de aplicación pero no puede ser generalizado ya que el método debe ser implementado/ajustado/verificado en cada caso en particular; esto hace que no sea transferible el ajuste a cualquier otra región. Sin embargo, el modelo calibrado a nivel Capítulo 5 - Pág. 34

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

local/subcuenca fue extrapolado horizontalmente (en la misma escala) y será extrapolado verticalmente (a nivel regional/cuenca) dentro de la misma zona de estudio. 5.4.2 Evolución del Paisaje y Parámetros Morfológicos (PECuME - Módulo 2-A) Siguiendo el desarrollo metodológico propuesto en esta tesis (PECuME), se analizan en esta etapa modelos que consideran parámetros morfológicos tales como pendiente local y área de aporte. En primer lugar se analizan relaciones simplificadas entre los mencionados parámetros, para luego considerar un modelo de mayor complejidad basado en umbrales de erosión. 5.4.2.1 Relaciones simplificadas entre área de aporte y pendiente local vinculadas a la vegetación La zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que tienen en cuenta parámetros morfológicos tales como área de aporte y pendiente local (Dietrich y Dunne, 1993; Montgomery y Dietrich, 1994; Rodríguez-Iturbe y Rinaldo, 1997), se ha presentado en detalle en el Capítulo 3.2.2.1. En el presente desarrollo de la metodología PECuME se consideran las relaciones simplificadas para determinar la intensidad del fenómeno erosivo, que tienen en cuenta el área de aporte (A), que puede ser considerada también como área por unidad de ancho, (a/b) y la pendiente local (S). Se define que la iniciación de encauzamiento puede ser establecida en función de estos valores topográficos (A y S). Sin duda que la forma de esta relación estará en función del proceso (escurrimiento superficial o movimiento de masa) mientras que la posición será en función del clima y la vegetación. Los modelos ajustados para la definición de unidades de paisaje (Capítulo 5.4.1.3) verificaron la vinculación de los fenómenos erosivos a la vegetación, motivo por el cual se decide incluir esta variable en la definición de ésta nueva formulación. Se propone en esta etapa adoptar las relaciones simplificadas vinculadas a la vegetación mediante la siguiente expresión: relación = A Sn Veg donde n es el exponente de la pendiente y Veg es el índice de la vegetación que requiere de un especial ajuste. Teniendo en cuenta que las relaciones ASn han sido desarrolladas para ambientes áridos, se puede definir el valor de Veg igual a 1 para las zonas donde el mapa de vegetación indica suelo “no protegido”. Queda entonces por determinar el valor de Veg para las zonas donde la vegetación corresponde a suelo “parcialmente y totalmente protegido”. Se analiza en detalle la subcuenca de 350 km2, definiendo la correlación cruzada entre tipo de vegetación y tipo de erosión (según el mapa geomorfológico), y se determina el valor medio de la relación AS2 en cada zona, según se detalla en la Tabla 5.17. Se seleccionó el valor n=2 para el análisis, considerando escurrimiento superficial bajo régimen laminar. Se destaca que en la zona de estudio, no existe suelo totalmente protegido.

Capítulo 5 - Pág. 35

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tabla 5.17: Valor medio de la relación A S2 Para cada zona que incluye Vegetación y Tipo de Erosión (según mapa geomorfológico) Tipo Erosión

Sin Erosión o Erosión Ligera

Erosión Intensa

No Protegido

4612

7359

Parcialmente Protegido

6582

7401

Relación: No Prot. / Parc. Prot.

0,70

0,99

Vegetación

Se puede observar en la Tabla 5.17 que la relación AS2 para las zonas sin erosión o con erosión ligera y para zonas con erosión intensa, considerando suelo no protegido y suelo parcialmente protegido es de 0,70 y 0,90 respectivamente. Considerando que el suelo con erosión intensa corresponde a un 50% del total de la cuenca (al igual que el suelo sin erosión o con erosión ligera), se puede calcular una media ponderada de la relación “no protegido/parcialmente protegido”, obteniendo un valor de 0,85 para definir la influencia de la vegetación sobre la relación estudiada. Si consideramos deductivamente una relación lineal de extrapolación, se puede establecer un valor de 0,70 para suelo totalmente protegido. Quedaría entonces definida el nuevo índice de vegetación, según se detalla en la Tabla 5.18. Tabla 5.18: Índice de Vegetación Tipo de Vegetación

Índice

Suelo No Protegido

1

Suelo Parcialmente Protegido

0,85

Suelo Totalmente Protegido

0,70

Implementación de la Metodología en la Cuenca del Río Iruya (de 2.049 km2) Se calcularon las tres relaciones ASn para toda la Cuenca del Río Iruya y se obtuvieron patrones de intensidad de erosión muy similares. Se consideró para presente análisis el exponente que representa el escurrimiento superficial bajo régimen laminar (n=2) para el cual se dedujo el Índice de Vegetación. Se determinó la relación modificada AS2Veg y se ajustó el umbral para la zonificación de grados de erosión en la subcuenca de 350 km2. Partiendo de que existe un 50% con suelo sin erosión o con erosión ligera y el 50% con erosión intensa (según el mapa geomorfológico), se subdividió el mapa con los valores de AS2Veg con el umbral de 2.350 m2 que corresponde con los porcentajes mencionados. Posteriormente, se aplica este valor umbral a la subcuenca de 2.049 km2 obteniendo los resultados según se presentan en la Figura 5.14. Interpretación gráfica de los resultados Los resultados son de especial interés por indicar el grado de encauzamiento, que permite analizar el escurrimiento superficial. El modelo detecta las zonas con erosión por escurrimiento superficial y la erosión por surcos observada en las nacientes del Iruya, en proximidad del poblado de Colanzulí.

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Verificación del ajuste de los resultados obtenidos, en función de la geomorfología Con el objeto de verificar el ajuste se comparan los resultados obtenidos con la información disponible en el mapa geomorfológico. Se divide el territorio en dos zonas: 1) áreas sin erosión o con erosión ligera y 2) áreas con erosión intensa. Se evalúa entonces el grado de certeza de los resultados obtenidos con los modelos, comparándolos con la información del Mapa Geomorfológico. Una representación del test aplicado se presentó en la Tabla 5.14. Para implementar la comparación, se reclasificó en primer término el Mapa Geomorfológico (Figura 5.11) definiendo: •

Áreas sin erosión o con erosión ligera: regolito, suelo sobre substrato rocoso, suelo del área boscosa, morenas glaciares, abanicos aluviales, terrazas bajas y altas y lechos fluviales

•

Áreas con erosión severa/intensa: erosión por carcavamiento moderado a severo, erosión enérgica con afloramiento de roca, remoción en masa, y reptación de escombros de talud.

El pensamiento utilizado para agrupar las unidades geomorfológicas, fue identificar aquellas zonas definidas con erosión severa/intensa; por exclusión se genero el grupo de erosión ligera/sin erosión. Los resultados de la modelación utilzando la relación simplificada AS2Veg, se reclasificaron teniendo en cuenta el umbral que logre el mejor ajuste en la Subcuenca de 350 km2, extrapolando luego el umbral para toda la cuenca: •

Área sin erosión o con erosión ligera cuando valores de AS2Veg se encuentran por debajo de 2350 m2.

•

Área con erosión severa/intensa cuando valores de AS2Veg se encuentran por encima de 2350 m2.

Los resultados son presentados en la Tabla 5.19. Tabla 5.19: Correspondencia de los resultados obtenidos de la modelación con Relaciones Simplificadas (AS2Veg) y los datos disponibles en el Mapa Geomorfológico Subcuenca de 350 km2

Subcuenca de 1.699 km2

Subcuenca de 2.049 km2

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA correctamente predicha por el modelo

31 %

24 %

25 %

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA no correctamente predicha por el modelo

19 %

17 %

18 %

EROSIÓN INTENSA correctamente predicha por el modelo

32 %

35 %

34 %

EROSIÓN INTENSA no correctamente predicha por el modelo

18 %

24 %

23%

% de áreas estables o con erosión ligera correctamente predichas

62 %

57 %

58%

% de áreas con erosión intensa correctamente predichas

63 %

59 %

60%

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Se puede observar que los resultados obtenidos son satisfactorios, con porcentajes de aproximadamente 60% en la predicciones con certeza de áreas con erosión intensa. El método utilizado es causal, semi-empírico. El modelo original ASn es transferible ya que es una relación simplificada de parámetros morfológicos locales. En el caso de zonas extensas con variedad de vegetación y clima, se propone incorporar nuevas variables que reflejen la influencia de esos factores, como se ha realizado en la presente prueba de concepto. Esto requiere una definición de los valores a utilizar para variable, ajustados para la zona de análisis. 5.4.2.2 Zonificación del Territorio en Base a Umbrales de Erosión Como base del estudio se calculó el modelo digital del terreno para toda la cuenca. Se estimó el área de aporte y la pendiente en cada elemento de análisis (pixel de 30 m. de lado). Cada pixel esta identificado en el mapa y en el gráfico de área de aporte y pendiente. El procedimiento para establecer los umbrales consiste en definir los parámetros (T/q , τcr, φ ) entre los rangos de variación posible para el paisaje modelado, reproduciendo los fenómenos erosivos conocidos en la zona de ajuste. La teoría asociada a esta definición se presentó en el Capítulo 3.2.2. Implementación de la Metodología en la Subcuenca de 350 km2 Se determinó para cada elemento la característica divergente, convergente o plano, estableciendo principalmente la división de las zonas altas (cumbres-divergentes) y las zonas bajas (valles-convergentes). Esta parte del estudio se realizó utilizando las funciones específicas del software Arc-Info del Departamento de Geología de la Universidad de Washington. En base al gráfico de los elementos con valores convexos (zonas altas) en función del área de drenaje y la pendiente, se fijó el valor de T/q = 1.000 para el umbral de saturación del suelo, considerando que las cumbres no están saturadas durante un evento estacionario uniforme (los pixeles que corresponden a cumbres deben quedar por debajo del umbral de saturación del suelo). Para determinar el umbral de escurrimiento superficial, se estimaron los valores de precipitación y se ajusto la tensión de corte crítica. Para la estimación de la precipitación, se asumió un valor de 0,03 mm/día, tomando como base los valores utilizados en el modelo hidrológico para la subcuenca de 350 km2, calculados en función de datos pluvioméntricos, durante los eventos de crecidas del 27/03/95 y del 12/01/91 (estudio realizado por COREBE-INA en 1999). Se desarrollaron simulaciones considerando valores de tensión critica (τcr) de 160 y 320 dinas/cm2. El valor de τcr =160 dinas/cm2 fue adoptado para la modelación, por reproducir la erosión por escurrimiento superficial observada en las zonas con terrazas en proximidad del poblado de Colanzulí (Figura 5.22) y por estar en el rango de valores experimentales obtenidos por Prosser y Dietrich (1995) en el Valle del Tennessi, al norte de California. El estudio de Prosser y Dietrich (1995) determina valores de tensión critica de 200+ dinas/cm2 para zonas con praderas mantenidas (“clipped grassland”), como la vegetación esparza y discontinua que se observa en la subcuenca de 350 km2 del Río Iruya. Con el objeto de definir el umbral de inestabilidad de pendiente, se consideraron los valores de ángulo de fricción interna (φ) de 33° y 45° , seleccionándose el valor de

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φ = 33° que reproduce zonas con deslizamientos de acuerdo a lo esperado en base a las observaciones de las fotos aéreas en la zona recorrida durante los trabajos de campo. El diagrama área de drenaje-pendiente con los umbrales de erosión y la representación areal de los distintos procesos erosivos se presenta en la Figura 5.15. Cuenca del Río Iruya (3.002 km2) Tomando en cuenta la calibración realizada para la subcuenca de 350 km2, se determinó la zonificación de toda la Cuenca del Río Iruya, considerando los umbrales de erosión definidos. Los resultados son presentados en la Figura 5.16. Interpretación gráfica de los resultados Se verifica una correspondencia entre los patrones de erosión definidos por la modelación y los relevados en los trabajos de campo. De especial interés es la zona de las nacientes del Río Iruya, en proximidad del poblado de Colanzulí donde se observaron erosión en surco y cárcavas que coinciden con los resultados el modelo implementado. Por otra parte, las zonas de erosión intensa en proximidad de la desembocadura del Río Iruya al Río Nazareno son perfectamente reproducidas. Verificación del ajuste de los resultados obtenidos, en función de la geomorfología Con el objeto de verificar el ajuste se comparan los resultados obtenidos con la información disponible en el mapa geomorfológico, según la metodología empleada anteriormente para la modelación con relaciones simplificadas. Los resultados de la zonificación usando umbrales de erosión se reclasificaron como: •

Área sin erosión o con erosión ligera: incluye las zonas estables, las zonas con escurrimiento superficial sin erosión y las zonas con escurrimiento superficial con erosión.

•

Área con erosión severa/intensa: incluye las zonas con movimientos de masa y con escurrimiento superficial con erosión y movimientos de masa.

Se realizó el test para la Subcuenca de 350 y 2.049 km2, presentando los resultados gráficos en la Figura 5.17. En la Tabla 5.20 se pueden observar los valores cuantitativos de los resultados del test, con estimaciones de aproximadamente 70% de precisión, lo que se considera un ajuste aceptable de la metodología. En las nacientes del Río Iruya, en proximidad del poblado de Colanzulí, se observa que el modelo detecta erosión por surcos, cárcavas y escurrimiento superficial. Sin embargo estos valores no están reflejados en el mapa geomorfológico. Se puede verificar que varias zonas, donde la modelación no coincide con las características del mapa geomorfológico, se encuentran en las cumbres o en los valles; esto se debe fundamentalmente a que los modelos topográficos se basan en la información de cada elemento de análisis (pixel) mientras que el mapa geomorfológico sintetiza valores areales en grandes unidades.

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tabla 5.20: Correspondencia de los resultados obtenidos con el modelo de umbrales y los datos disponibles en el Mapa Geomorfológico Subcuenca de 350 km2

Subcuenca de 1.699 km2

Subcuenca de 2.049 km2

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA correctamente predicha por el modelo

28 %

18 %

20 %

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA no correctamente predicha por el modelo

16 %

22 %

22 %

EROSIÓN INTENSA correctamente predicha por el modelo

39 %

42 %

41 %

EROSIÓN INTENSA no correctamente predicha por el modelo

17 %

18 %

17 %

% de áreas estables o con erosión ligera correctamente predichas

63 %

45 %

48 %

% de áreas con erosión intensa correctamente predichas

69 %

70 %

70%

Los resultados de la modelación fueron también analizados según el Gráfico 5.4 donde se representaron las dos zonas erosivas del Mapa Geomorfológico (según reclasificación ya presentada), para cada zona definida por los umbrales de erosión . Gráfico 5.4: Comparación del Modelo de Umbrales con el Mapa Geomorfológico

25 20 15 10 5

MODELO → MAPA GEOMORLOLÓGICO →

0

mov de masa eros. sup. y mov de masa

erosion superficial

suelo sat. sin erosion

zonas con erosion ligera o sin erosion

estable

zonas con erosion intensa

Se puede observar lo siguiente: • las zonas con movimientos de masa y escurrimiento superficial con erosión superficial y movimientos de masa según el modelo corresponden mayormente a zonas con erosión intensa en el Mapa Geomorfológico, • las zonas saturadas sin escurrimiento superficial y zonas con erosión superficial corresponden mayormente a zonas con erosión ligera o sin erosión según el Mapa Geomorfológico, • las zonas estables según la modelación no tienen un patrón erosivo definido según el Mapa Geomorfológico. Esto permite concluir que el patrón erosivo estimado por la modelación es coherente con los resultados observados en el Mapa Geomorfológico.

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Puede remarcarse que el presente modelo requiere de un ajuste más elaborado ya que el número de parámetros necesarios es considerablemente mayor. Sin embargo los resultados obtenidos permiten determinar mayor discriminación en el proceso erosivo analizado. Este modelo causal, no es de carácter transferible ya que requiere un ajuste en cada área de análisis. 5.4.2.3 Análisis y Discusión PECuME - Módulo 2-A

de

los

resultados

obtenidos

en

el

Como segundo eslabón metodológico del PECuME para la zonificación del territorio con vistas a determinar grados de susceptibilidad a la erosión, se definieron e implementaron los modelos utilizando Relaciones Simplificadas y Umbrales de Erosión, los cuales permitieron obtener Unidades del Paisaje Erosivo a nivel local /subcuenca, con la validación de la extrapolación horizontal en la cuenca de 2.049 km2 partiendo del ajuste realizado en la subcuenca de 350 km2. Los parámetros morfológicos utilizados de pendiente local y área de aporte, dan el carácter causal a la modelación. El modelo utilizando relaciones simplificadas fue modificado incorporando la variable vegetación al análisis. Se obtuvieron resultados satisfactorios, con aproximadamente 60% de certeza en las predicciones de erosiones intensas. El modelo de umbrales mejoró en un 10% los resultados de la primera formulación mencionada. El primer modelo implementado con relaciones simplificadas tiene menor número de parámetros para calibrar y es más sencillo de ajustar/calibrar que el modelo de umbrales. Sin embargo los resultados del modelo de umbrales definen en detalle los fenómenos erosivos y permiten determinar una mayor discriminación los procesos involucrados. No hay duda de que este tipo de modelación es recomendado en caso de disponer la información requerida. El carácter de transferible es viable con el modelo original de relaciones simplificadas siendo no válido en el caso de la modelación con umbrales, que requiere de parámetros específicos locales del estilo, transmisividad, profundidad del suelo, etc.. 5.4.3 Fuente de Sedimentos por Erosión Superficial (PECuME – Módulo 3-A) El presente capítulo trata la estimación de la producción de sedimentos por erosión superficial, fenómeno generado principalmente por el impacto de las gotas de lluvia en el suelo y el escurrimiento superficial en la cuenca; por lo tanto depende principalmente del régimen de lluvias, la geología, la morfología, el tipo de suelo y la cobertura vegetal. La recopilación y análisis de información presentada en el Capítulo 3.3 y el análisis realizado en el desarrollo del PECuME (Capítulo 4.2) ha permitido definir la metodología presentada por Gavrilovic (1959, 1988) como la única que ha sido probada en zonas montañosas con pendientes complejas, como es la de interés en el presente estudio de investigación. Si bien esta metodología fue desarrollada en zonas onduladas, la misma ha sido ampliamente utilizada en zonas alpinas y en estudios a nivel nacional durante los últimos años.

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Por tal motivo se adopta esta formulación de Gavrilovic para estimar la producción de sedimentos por erosión superficial en la subcuenca de 350 km2, de la Cuenca del Río Iruya. 5.4.3.1 Formulación de la Metodología (breve reseña) La metodología desarrollada por Gavrilovic (1959 y 1988) se presentó en detalle en el Capítulo 4.2. Se desea remarcar en esta etapa, que la mencionada formulación estima la descarga media anual de material erosionado, calculada como el producto de dos relaciones diferentes: el volumen promedio anual erosionado de sedimento y el coeficiente de retención de sedimentos. Con este procedimineto se cuantifica el proceso erosivo en función de las características morfológicas, geolitológicas, vegetación y uso del suelo, distribución de precipitaciones y temperatura. La producción media anual de sedimento por erosión superficial se determina como: W = T h π Z3/2 F [m3/año] siendo: W la producción media anual de sedimento por erosión superficial, T coeficiente de temperatura definido como T= [(t/10)+0,1]1/2, t temperatura media anual, h precipitación media anual, F superficie de la zona de estudio, Z coeficiente de erosión definido como Z= X Y (ϕ+I1/2), X coeficiente de uso del suelo, Y coeficiente de resistencia del suelo a la erosión, ϕ coeficiente correspondiente al tipo de proceso erosivo observado, I pendiente superficial del terreno. Los valores de los coeficientes X, Y y ϕ son propuestos por el autor de la metodología y representan respectivamente el grado de protección del suelo dado por la vegetación y la intervención antrópica, el grado de resistencia a la erosión del suelo considerando sus características geolitológicas y el estado de inestabilidad erosiva de la cuenca. Los coeficientes del modelo original se incluyeron en el Capítulo 4.2. La base para la implementación de esta metodología son las cartas temáticas y el modelo digital del terreno. La modelación se realiza en ambiente de un sistema de información geográfica y el resultado que se obtiene es la tasa de erosión y la producción media anual de sedimentos de cada subcuenca a nivel anual. 5.4.3.2 Implementación de la Metodología en la Subcuenca de 350 km2 En la subcuenca de 350 km2 se dispone de topografía, precipitación, vegetación y tipo de suelo con el detalle que permite la estimación de los parámetros definidos en la metodología de Gavrilovic, con el objeto del cálculo de la tasa de producción anual de sedimentos por escurrimiento superficial. Los valores de los coeficientes utilizados en el análisis se presentan en las Tablas 5.21, 5.22 y 5.23. En base a la definición de los X, Y y ϕ, se ingresó esta información como nuevas capas temáticas y se calcularon las estimaciones de producción de sedimentos, utilizando como base estudios antecedentes (Spalletti y Brea, 1997). Los resultados de producción media anual de sedimento por erosión superficial son representados en la Figura 5.18. Se puede observar que los resultados indican que la zona de mayor producción de material sólido se encuentra en la zona centro-noroeste de la cuenca, con suelo no protegido y baja resistencia a la erosión. No se detecta producción significativa en la subcuenca del Río

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Blanco (en la zona sur-este), donde se han observado grandes aportes de material en suspensión durante los trabajos de campo. Tabla 5.21: Coeficiente del uso del suelo “X” Zonas desprovistas de vegetación o con vegetación exigua Vegetación herbácea de cobertura rala Vegetación herbácea de cobertura semidensa a densa Vegetación predominantemente arbustiva Vegetación arbustiva y boscosa mezclada Bosque de alta montaña – alta densidad Bosque de alta montaña – media densidad Bosque de alta montaña – baja densidad Bosque de alta montaña – porte achaparrado Áreas de actividad agropecuaria

1,0 0,6 0,4 0,7 0,6 0,2 0,4 0,6 0,6 0,8

Fuente: Spalletti y Brea (1997)

Tabla 5.22: Coeficiente de resistencia a la erosión del suelo “Y” Cuartario – Cubierta de acarreos indiferenciados Terciario – Areniscas y conglomerados rosados Cretácico – Areniscas, conglomerados y pelitas rojas - Calizas amarillas Ordovícico – Lutitas y areniscas verdosas Cámbrico – Areniscas cuarcíticas grises y morados Precámbrico – Granito de Tipayoc Precámbrico – Pizarras y filitas grises y morados

1,8 0,25 0,9 1,1 0,5 0,5 1,1

Fuente: elaboración del Lic. Felipe Rivelli, basado en los valores presentados en Gavrilovic (1989)

ϕ“ Tabla 5.23: Coeficiente que evalua los procesos erosivos observados “ϕ Regolito – Manto derrubial de cumbres Suelos sobre sustrato rocos Suelo del área boscosa Erosión por carcavamiento moderado a severo Erosión enérgica - Afloramiento de roca Remoción en masa menos reptación de escombros de talud Reptación de escombros de talud Morenas glaciares y acumulaciones derrubiales Abanicos Aluviales Terrazas bajas - Abanicos aluviales aterrazados Terrazas altas Lechos fluviales Areas de uso humano

0,6 0,7 0,4 0,9 1,0 0,8 0,8 0,6 0,7 0,7 0,7 0,2 0,6

Fuente: Spalletti y Brea (1997)

5.4.3.3 Análisis y Discusión de los resultados obtenidos en el PECuME Módulo 3-A: Fuente de Sedimentos por Erosión Superficial La estimación realizada mediante esta formulación de Gavrilovic (1959) para la estimación de producción de sedimentos por erosión superficial es el único cálculo cuantitativo realizado en esta tesis, pero al mostrar magnitud de la erosión puede ser simplemente transformado en datos cualitativos. Sin embargo, los resultados cuantitativos no pueden ser validados ya que no existen aforos sólidos en la zona analizada. No es posible hacer afirmaciones sobre si el ajuste obtenido es satisfactorio o no debido a la falta de información de base. Teniendo en cuenta la situación presentada, no se considera oportuno extrapolar horizontalmente la formulación a la subcuenca de 2.049 km2 y se deja planteada como una metodología a ser validada. De todos modos, se debe destacar que la presente metodología fue probada en ambientes alpinos lo que justifica su aplicabilidad/extrapolación a ambientes andinos. Los trabajos a nivel nacional en esa dirección (Spalletti y Brea, 1997) han verificado el ajuste con

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mediciones de caudal sólido en suspensión aforados en distintos lugares de las cuencas modeladas. Puede destacarse que la presente metodología es considerada como transferible ya que los coeficientes de uso del suelo, resistencia a la erosión y procesos erosivos observados tienen un espectro importante de alternativas. Trabajos futuros deben tender a desarrollar una metodología para validar estas aplicaciones en cuencas con datos escasos como es el presente caso de estudio. 5.4.4 Fuente de Sedimentos por Movimientos de Masa (PECuME – Módulo 3-A) El presente capítulo trata la estimación de la producción de sedimentos por movimientos de masa, que son una importante fuente de sedimentos en áreas de montaña, definido como Módulo 3-A en el PECuME. La bibliografía recopilada y analizada en el Capìtulo 3.3 permitió definir una amplia gama de modelos que resultan de acoplar módulos de cálculo de erosión hídrica a modelos hidrológicos. En la propuesta metodológica desarrollada en el Capítulo 4.2 se definió que los modelos que consideran movimientos de masa, estimando deslizamientos poco profundos, son SHALSTAB (Dietrich et al., 1992, 1993; Montgomery y Dietrich, 1994) y dSLAM (Wu y Sidle, 1995), ambos implementados en zonas montañosa. Los mismos se relacionan a modelos topográficos, asociados a modelos hidrológicos simples. La formulación se basa en el análisis de deslizamientos poco profundos, donde se requiere información de detalle para su implementación/calibración/validación. El modelo SHALSTAB será el utilizado en la formulación metodológica de la presente tesis, por considerarlo uno de los modelos innovadores en estimaciones de fragilidad del territorio frente a deslizamientos. 5.4.4.1 Formulación de la Metodología – Modelo SHALSTAB La descripción del Modelo SHALSTAB se incluyó en el Capítulo 4.2; sin embargo se agregan a continuación algunos conceptos básicos de interés en esta etapa para facilitar el desarrollo de la implementación que se realiza a continuación. El método SHALSTAB se basa en acoplar un modelo hidrológico a un modelo de estabilidad de pendiente con el objeto de calcular la precipitación estacionaria uniforme crítica necesaria para provocar la inestabilidad del terreno, en cualquier lugar del paisaje. El modelo hidrológico establece el patrón espacial de equilibrio del suelo saturado basado en el análisis del área de aporte, la transmisibidad el suelo y la pendiente local del terreno (O’Loughing, 1986). Gráfico 5.5: Elemento topográfico definido como la intersección de las líneas de flujoy las curvas de nivel (Fuente: O’Loghlin, 1986)

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Se asume que el flujo infiltra a una capa de conductividad menor y se desplaza paralelo a la superficie dada por topografía. El índice de humedad local W es calculado como el radio del escurrimiento local para una precipitación dada hasta el límite de saturación completa del perfil del suelo: W =

qa b T senθ

donde q es la precipitación neta, a es el área de aporte, b es el ancho a través del cual escurre el flujo, T es la transmisibidad del suelo, integrada en toda su profundidad y θ es la pendiente local. Adoptando la simplificación que la conductividad saturada no cambia con la profundidad, la ecuación se reduce a: W =

h Z

para W ≤ 1

donde h es el espesor del suelo saturado sobre el substrato impermeable y Z es el espesor total del suelo. Combinando las dos ecuaciones presentadas, se puede expresar la saturación relativa del perfil del suelo como: qa h = Z b T senθ que predice la humedad relativa del suelo en función de la precipitación estacionaria uniforme (q), del área específica de la cuenca (a/b), la transmisividad del suelo (T) y la pendiente local (sen θ). El modelo de estabilidad de una pendiente infinita proporciona un modelo unidimensional de falla para suelo poco profundo que no tiene en consideración la efecto de la vegetación. Asumiendo este criterio, la pendiente de falla puede ser expresada (Selby, 1982) como:

ρ s g Z sin θ cosθ = C ' + [ρ s − (h / Z )ρ w ] g Z cos 2 θ tan φ donde ρs y ρw son la densidad del suelo y del agua respectivamente, Z es el espesor del suelo, C’ es la cohesión efectiva del suelo incluyendo el efecto de la vegetación que penetra hasta el substrato impermeable, φ es ángulo de fricción del suelo. Combinando la ecuación que expresa la saturación relativa del perfil del suelo con la ecuación de pendiente de falla, y reacomodando los términos en modo de establecer la precipitación critica (qc) necesaria para desencadenar la estabilidad de la pendiente, se obtiene: qc =

ρ T sin θ  C' + s  2 (a / b )  ρ w g Z cos θ ρ w

 tan θ  1 −   tan φ 

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Para el caso de suelo no cohesivos (C’=0) el modelo se reduce al presentado por Montgomery & Dietrich (1994): qc =

T sin θ  ρ s  tan θ  1 −  (a / b )  ρ w  tan φ 

Esta ecuación es la que se utiliza en el modelo para zonificación del territorio en base a umbrales de erosión, para una densidad del suelo igual al doble que la densidad del agua (ρs/ρw =2). La interpretación física de W mayor o igual a 1 es que el exceso escurre como flujo superficial; mientras que no hay mecanismo implementado en el modelo para general la presión de poros en exceso a la presión hidrostática. Pendientes que son estables aunque W sea igual a 1 son interpretadas como incondicionalmente estables. La condición de pendiente incondicionalmente estable para la pendiente puede se expresada como: tan θ <

 ρ  C' + 1 − s  tan φ 2 ρ s g Z cos θ  ρ w 

De igual modo, se puede predecir pendientes inestables aún cuando estén secas (W=0), en aquellos casos donde la pendiente y la acumulación del suelo son tan importante que gobierna el fenómeno de deslizamiento. La condición de pendientes incondicionalmente inestables es tan θ ≥ tan φ +

C' ρ s g Z cos 2 θ

Los valores de precipitación crítica pueden ser calculados para todos los sitios con pendientes entre los márgenes fijados por las dos últimas ecuaciones. El modelo puede ser implementado usando cualquier elemento topográfico definido entre líneas de nivel y líneas de flujo, o por una celda cuadrada típica de los modelos digitales del terreno. El modelo descripto se basa en varias suposiciones que deben tenerse en cuenta al analizar los resultados. Tales supuestos son: • Escurrimiento subsuperficial paralelo al escurrimiento subterráneo, sobre una pendiente infinita: : El modelo se basa en el desarrollo unidimensional de estabilidad de pendiente sobre una pendiente infinita. Esta es la formulación más simple para representar el fenómeno que mantiene la descripción física del proceso, la cual ha sido ampliamente utilizada, mencionando entre otros O’Loughlin, (1974), Wu et al. (1979), Sidle and Swanston (1982) y Selby (1993). • Precipitación estacionaria uniforme: El modelo considera que todo el sistema está en equilibrio bajo la precipitación estacionaria uniforme. Esta es una fuerte suposición que permite llegar a deducir la precipitación crítica, que dará luego los resultados de valores relativos de susceptibilidad del territorio. Se destaca que no se pueden comparar los valores obtenidos del modelo con valores reales de precipitación diaria porque la formulación se basa en un sistema esta en equilibrio (situación que no

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

•

•

ocurre ante un evento de precipitación). Registros de precipitación asociados a movimientos de masa pueden ser analizados estadísticamente para relacionar los valores medidos de precipitación con los críticos obtenidos en esta modelación. Profundidad del suelo: Este parámetro generalmente es considerado como constante dada la falta de información de campo o la incertidumbre de la extrapolación de mediciones puntuales a valores medios de los elementos en estudio. Trabajos de Dietrich y Montgomery (1995) muestran resultados de un modelo de predicción de profundidad del suelo. Este modelo ha generado resultados satisfactorios solamente en algunas de las cuencas analizadas. Cohesión del suelo: a) La iniciación de movimientos de masa poco profundo modelados corresponden a suelos con material grueso y suelos arenoso con baja cohesión; b) En el caso de áreas con escasa vegetación (zonas áridas) el termino que incluye la cohesión, no es significativamente importante y la precipitación critica tiende a ser función del ángulo de fricción interna del material. En el caso de zonas con vegetación la influencia de la cohesión es importante para la determinación de la precipitación critica. Actualmente se realizan numerosos estudios para determinar valores de cohesión en función de imágenes de satélite que permitirá obtener valores medios espaciales de interés para la modelación.

Las líneas de investigación actual están centradas en los parámetros de profundidad del suelo y estimaciones de cohesión debida a la vegetación. 5.4.4.2 Implementación de la Metodología Ajuste en la subcuenca de 350 km2 Con el objeto de implementar este modelo SHALSTAB, se deben definir los siguientes parámetros: •

Trasmisividad: Se estima un valor de T=30 m/s en función del parámetros T/q=1000 y q=0.03m/s considerados en la zonificación en base a umbrales de erosión. (ver Capítulo 5.4.2.2)

•

Angulo de fricción interna, φ : El valor ajustado para la zonificación en base a umbrales de erosión fue de 33°. Trabajos anteriores indican que el ángulo de fricción interna en modelo de umbrales debería ser mayor que el utilizado para la presente formulación, con el objeto de compensar la fuerzas cohesivas. Por tal motivo se analizó la sensibilidad de este parámetro utilizando también el valor de 25°, quedando entonces como valores de ajuste del ángulo de fricción interna 33° y 25°.

•

Profundidad del suelo, Z : se definieron los valores de 1 m y 0,5 m por considerarse valores típicos de deslizamientos poco profundos (que es la clase de fenómeno que se desea modelar). Sin embargo, se mencionó en la descripción del modelo que la profundidad del suelo es uno de los parámetros actualmente en análisis.

•

Cohesión C’: los valores de cohesión fueron estimados en función de los datos de geología y vegetación. La estimación de los valores de cohesión del suelo en función de la geología fueron fijados como una primera aproximación, con valores entre 1 y 3 Kpa.

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Este parámetro es difícil de estimar, no solamente porque no se dispone de mediciones de campo, sino porque se debe ingresar un valor medio que represente una área de 900 m2 (pixel de 30m de lado). Para estimar la cohesión por el efecto de las raíces, se consultaron trabajos anteriores tales como: Buchanon y Savigny (1990), Burroughs y Thomas (1977), Waldron (1977), Waldron y Dakessian (1982) y Waldron et al. (1983). Los valores utilizados para la reclasificación de los mapas, se presentan en la Tabla 5.24. El valor de cohesión definitivo se estimo como la suma de la cohesión debida al tipo de suelo y a la vegetación, estimada en forma espacial. Los resultados se presentan en la Figura 5.19. Se modelaron las distintas alternativas presentadas Æ φ = 33° y 25° y Z = 1m y 0.5 m, con los valores de cohesión resultantes de la reclasificación según la Tabla 5.22. El mejor ajuste se obtuvo para φ=33° y Z=1m, representando arealmente una distribución de los procesos de erosión de acuerdo a lo esperado en base a las observaciones de las fotos aéreas en la zona recorrida durante los trabajos de campo. Verificación en la subcuenca de 2.049 km2 Tomando en cuenta la calibración para la subcuenca de 350 km2, se determinó los valores de precipitación crítica para toda la subcuenca hasta la localidad de Matancillas. Los resultados se presentan en la Figura 5.20. Tabla 5.24: Valores de cohesión utilizados para la reclasificación Valor de Cohesión (KPa)12

Geology Cuaternario (excepto las terrazas)

1

Terciario, Cretácico, Ordovícico y Precámbrico.

2

Cuaternario (terrazas) y Cámbrico

3

Vegetation

Valor de Cohesión (KPa)

Zona desprovista de vegetación o con vegetación exigua

0

Vegetación herbácea de cobertura rala

1

Vegetación herbácea de cobertura semidensa a densa

2

Vegetación predominantemente arbustiva

3

Vegetación arbustiva y boscosa mezclada

5

Bosque de alta montaña

10

12

Los valores utilizados han sido sugeridos por el autor del modelo (Dr. David Montgomery de la Universidad de Washington). Ensayos convencionales de Geotecnia definiendo condiciones de rotura de los suelos (diagrama de rotura de Morhr y ecuación de Coulomb) indican valores de cohesión con un rango de variabilidad superior al utilizado en la formulación presentada. Los valores incorporados al modelo corresponden, según la autora de esta tesis, a cohesiones de suelos granulares friccionales, con un estado de humedad próximo a la saturación. En tales circunstancias, los valores consignados en el modelo parecen hacer referencia a influencias de la succión y las condiciones resistentes del suelo. Esta influencia se manifiesta, en forma simplificada en el modelo, a través de una cohesión aparente del material. Capítulo 5 - Pág. 48

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Interpretación gráfica de los resultados Los resultados del SHALSTAB se deben interpretar como áreas con igual control topográfico para la iniciación de deslizamientos poco profundos. Es posible determinar un patrón relativo de susceptibilidad a movimiento de masa, en base a datos topográficos. La ventaja del SHALSTAB sobre el modelo utilizando valores basados en umbrales está regido en la incorporación de la cohesión y la posibilidad de distinguir la zonificación del riesgo, en aquellas zonas sujetas a potenciales movimientos de masa. Verificación del ajuste de los resultados obtenidos, en función de la geomorfología Aplicando la misma metodología utilizada para verificar el ajuste de la metodología de la zonificación del territorio en base a umbrales de erosión (Capítulo 5.4.1.4), se reclasificó los resultados obtenidos por el modelo SHALSTAB del siguiente modo: •

Área sin erosión o con erosión ligera donde la precipitación crítica es menor o igual a 50 mm. Este valor umbral fue seleccionado considerando valores estándares utilizados en cuencas americanas para delimitar procesos intensos.

•

Área con erosión severa/intensa donde la precipitación crítica es mayor a 50mm.

Se realizó el test para la Subcuencas de 350 y 2.049 km2. En Figura 5.21 se presenta arealmente el resultado de la verificación del ajuste. En la Tabla 5.25 se pueden observar los valores cuantitativos de los resultados del test, con estimaciones de aproximadamente 70% de precisión, lo que se considera un ajuste aceptable de la metodología. Las conclusiones obtenidas para el ajuste de la zonificación del territorio utilizando umbrales de erosión son también válidas para esta modelación ya que se puede verificar que en las zonas donde la modelación no coincide con las características del mapa geomorfológico, estas se encuentran en las cumbres o en los valles; esto se debe fundamentalmente a que los modelos topográficos se basan en la información de cada elemento de análisis (pixel) mientras que el mapa geomorfológico sintetiza valores areales en grandes unidades. Tabla 5.25: Correspondencia de los resultados obtenidos de la modelación SHALSTAB y los datos disponibles en el Mapa Geomorfológico Subcuenca de 350 km2

Subcuenca de 1.699 km2

Subcuenca de 2.049 km2

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA correctamente predicha por el modelo

26 %

21 %

22 %

ÁREA ESTABLE o con EROSIÓN LIGERA no correctamente predicha por el modelo

18 %

19 %

20 %

EROSIÓN INTENSA correctamente predicha por el modelo

40 %

38 %

38%

EROSIÓN INTENSA no correctamente predicha por el modelo

16 %

22 %

20%

% de áreas estables o con erosión ligera correctamente predichas

59 %

52 %

53 %

% de áreas con erosión intensa correctamente predichas

71 %

63 %

66 %

Capítulo 5 - Pág. 49

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

En la zona con bosque de montaña en proximidad del poblado de Matancillas, se observa un mejor ajuste que el obtenido con la zonificación del territorio en base a umbrales de erosión, dado por la incorporación del parámetro de cohesión. Sin embargo, la zona con dicha vegetación abarca menos del 10% del área total y no es posible realizar ajuste de detalle o extrapolar conclusiones. 5.4.4.4 Análisis y Discusión de los resultados obtenidos en el PECuME Módulo 3.A: Fuente de Sedimentos por Movimientos de Masa Se ha implementado un modelo de estabilidad de pendiente acoplado a un modelo hidrológico simple que establece el patrón espacial de equilibrio del suelo saturado basado en el análisis del área de aporte, la transmisividad del suelo y la pendiente local del terreno. Este eslabón final de la propuesta metodológica nivel local / subcuenca de la presente tesis, es la etapa que considera una formulación de mayor detalle. Se ha verificado que este modelo requiere variada información que ha sido estimada satisfactoriamente mediante la integración de la escasa información de base disponible de la zona con la experiencia de los autores del modelo. Los resultados obtenidos con esta modelación son realmente satisfactorios, con estimaciones de áreas de erosión intensa con aproximadamente un 70% de precisión. En realidad, el nivel de detalle de la información requerida hace que la metodología propuesta limite su aplicabilidad a cuencas con buena información de base. Por este motivo, no es posible pensar en extrapolar esta metodología a una escala ascendente porque la precisión de los datos a nivel local / subcuenca en la prueba de concepto realizada era la mínima necesaria. Con respecto a la transferencia a otras regiones, se debe destacar que esta metodología requiere de un ajuste/verificación en cada zona que se desea implementar. 5.4.5 Síntesis de la Modelación a Nivel Local / Sub-cuenca (PECuME – Nivel A) Los modelos presentados en el marco del “PECuME – Nivel A” han permitido definir espacialmente la susceptibilidad a procesos erosivos, mediante metodologías innovadoras en estudios de zonas montañosas de difícil acceso y con escasa información básica, cumpliendo con los requisitos de la explicación y la predicción de todo método científico. Se utilizaron dos modelos desarrollados para definir unidades de paisaje, el primero cuali-cuantitativo y el segundo probabilístico (Capítulo 5.4.1). Los mismos permitieron definir el poder explicativo de la pendiente y la vegetación en la determinación de grados de procesos erosivos. La verificación de las metodologías se realizó mediante la comparación de los resultados obtenidos con el mapa geomorfológico elaborado en base a fotos aéreas y trabajo de campo. La evaluación de las predicciones de áreas con erosión intensa ha sido satisfactoria, con porcentajes de estimaciones acertadas por encima del 70%. Como segunda etapa se implementaron modelos teniendo como base los parámetros morfológicos de área de drenaje y pendiente local. El primer modelo utilizado se basa en relaciones simplificadas entre estos dos parámetros vinculadas además a la vegetación y estima la variabilidad de la intensidad de la erosión superficial en función de la iniciación del escurrimiento (Capítulo 5.4.2.1). El segundo modelo tiene en cuenta umbrales que permiten definir patrones del territorio marcando zonas con movimiento Capítulo 5 - Pág. 50

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

de masa, erosión superficial y áreas estables, que se generan a partir de una precipitación uniforme estacionaria (Capítulo 5.4.2.2). Los resultados verificados con el mapa geomorfológico, son considerados satisfactorios, con porcentajes de estimaciones acertadas de erosión intensa de aproximadamente 60-70%. Seguidamente se trabajó con la cálculo de la erosión superficial (Capítulo 5.4.3), realizando la estimación de tasa de producción anual considerando con mayor detalle la estimación de los parámetros utilizados en la formulación de Gavrilovic, en una subcuenca de menor tamaño. Sin embargo queda la inquietud de un mayor esfuerzo en la recopilación de información básica para su validación. Finalmente y como modelo de detalle, se aplicó una formulación donde se estratifica el nivel de peligrosidad de las áreas bajo movimiento de masa, evaluando posibles deslizamientos poco profundos, incorporando las fuerzas cohesivas a la modelación; se estima de este modo la variabilidad de la intensidad de la erosión superficial en función de parámetros que caracterizan la iniciación del escurrimiento (modelo Shalstab). Para comentar los resultados obtenidos por los diferentes modelos con fotos del paisaje en tres zonas de la cuenca, se presentan las Figuras 5.22, 5.23 y 5.24: •

•

•

En la Figura 5.22 se muestra la zona de las nacientes del Río Colanzulí; se puede observar que la erosión ligera que se verifica en las terrazas es detectada por la mayoría de los modelos mientras que para la zona de las laderas se identifica un mejor ajuste con el Modelo de Umbrales y el Modelo SHALSTAB. En la Figura 5.23 se muestra la zona de la confluencia del Río Iruya con el río Nazareno; esta zona se caracteriza por pendientes muy altas (como se observa en la foto); todos los modelos presentan un buen ajuste. En la Figura 5.24 se muestra una zona en la cuenca media, con bosques de alta montaña; el Modelo Cuali-cuantitativo y el SHALSTAB dan los mejores ajustes.

Las distintas etapas de elaboración permitieron asistir al entendimiento del fenómeno de producción de sedimentos en áreas de montaña, en el marco de cada una de las fases de modelación. La implementación y verificación de una variada gama de modelos para la determinación de fragilidad del territorio montañoso frente a los procesos erosivos, permitió integrar las variables del sistema natural en distintas formulaciones de variada complejidad, obteniendo resultados consistentes y de relevada importancia predictiva, con la validación de la extrapolación horizontal. 5.5

MODELACIÓN A NIVEL REGIONAL / CUENCA (PECuME – NIVEL B) Propuesta Metodológica y Extrapolación de Escalas desde la Cuenca del Río Iruya a la Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo

En este Capítulo se implementa la formulación propuesta para el PECuME – Nivel B, donde se realiza la extrapolación espacial ascendente de la metodología ajustada y verificada a nivel local/subcuenca. Se elaboran reglas metodológicas de transferencia para determinar unidades de paisaje erosivo (Capítulo 5.5.2) y grado de fragilidad considerando parámetros morfológicos (Capítulo 5.5.3) en la Cuenca Argentina del Río Bermejo, partiendo del estudio realizado a nivel local en la Cuenca del Río Iruya (Capítulo 5.4). Se incluye la síntesis de la modelación a nivel regional/cuenca en el Capítulo 5.5.4.

Capítulo 5 - Pág. 51

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

5.5.1 Introducción El desarrollo de técnicas de transferencia de información/metodologías a través de escalas es un tema de fundamental importancia, especialmente en países como los nuestros con una amplia diversidad de información básica y con una inmensa necesidad de tratar problemas definidos a nivel de cuenca. Una gama de los trabajos recopilados y analizados contiene métodos de extrapolación utilizados en el área de la ecología del paisaje y la región (Matteucci y Buzai, 1998). En este marco se define que no existe una escala óptima de estudio de un proceso ni tampoco una escala exclusiva de operación de un fenómeno. El problema no esta en elegir la escala adecuada, sino en reconocer la validez de los resultados obtenidos con distinta precisión. Esta línea de pensamiento es totalmente aplicable a los estudios de procesos de erosión que nos ocupan en esta tesis, en particular, se consideran los modelos ascendentes determinísticos que predicen el funcionamiento de un sistema a una escala espacial, a partir de los conocimientos adquiridos a escalas más chicas. Son modelos definidos como abiertos, donde pueden ir agregándose conocimientos de detalle a medida que éstos se obtienen. Por otra parte, se encuentran los trabajos en el ámbito de la transferencia de información a través de escalas en el marco de los modelos hidrológicos. Se presentaron las metodologías de agregación de parámetros y desagregación de variables de estado y datos de entrada mencionadas en la bibliografía. (Blöschl y Sivapalam, 1995; Sivipalan y Kalma, 1995; Bergström y Graham, 1998; Becker y Broun, 1999; Band y Moore, 1995; entre otros). Tomando como base los conceptos mencionados, en el Capítulo 4.2 se presentaron reglas para intercambiar información entre escalas dispares, dentro del marco de la extrapolación ascendente, las cuales serán en este capítulo implementadas en la prueba de concepto. En la primera parte del presente estudio (Capítulo 5.4), se implementó la metodología para la determinación de unidades de paisaje erosivo a escala local (Cuenca del Río Iruya), que permitió asistir al entendimiento del fenómeno de producción de sedimentos en áreas de montaña, en el marco de diversas fases de modelación para la determinación de la fragilidad del territorio montañoso frente a los procesos erosivos. Los modelos utilizados permitieron definir espacialmente la susceptibilidad a procesos erosivos, mediante metodologías innovadoras en estudios de zonas montañosas de difícil acceso y con escasa información básica, cumpliendo con los requisitos de la explicación y la predicción de todo método científico. La prueba de concepto se realizó en la Cuenca del Río Iruya, calibrando la metodología en una subcuenca de 350 km2 para luego extrapolar horizontalmente la metodología a la subcuenca de 2.049 km2 (área con información temática disponible), con la verificación del ajuste satisfactoria. La escala de análisis fue 1:100.000, con un tamaño de la grilla de estudio de 30x30 metros. (Gráfico 5.6). En esta nueva parte del estudio se propone implementar la metodología formulada en el Capítulo 4.2, para determinar unidades de paisaje erosivo a nivel regional, basada en transferencia metodológica ajustada a nivel local. La metodología implementada en el Río Iruya (nivel local) será ahora extrapolada hacia la Cuenca Alta del Río Bermejo (nivel regional), donde se dispone de información básica de menor detalle, según se detalla en el Gráfico 5.6.

Capítulo 5 - Pág. 52

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

El área total de la Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo es de 37.944 km2 e incluye la Cuenca del Río Iruya de 3.002 km2. Se dispone de cartografía temática a escala 1:250.000 generada en el marco del Programa Estratégico de Acción de la Cuenca del Río Bermejo. Las Unidades de Análisis a Nivel Regional / Cuenca, para realizar la extrapolación de escala, han sido definidas como: •

Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo: implementación de las metodologías

•

Subcuenca 4 del Río Iruya (350 km2): transferencia/adaptación de las metodologías desarrolladas a Nivel Local / Sub-cuenca.

•

Subcuencas 1 a 7a, menos la Subcuenca 4 (1.699 km2): verificación de las metodologías transferidas.

•

Cuenca Alta: extrapolación/extensión de la metodología a toda la región. Gráfico 5.6: Esquema de Extrapolación Cuenca Alta Río Bermejo (37.994 km2) ↑ escala ↑ tamaño grilla ↓ precisión Modelación a Nivel Regional / Cuenca Extrapolación de Escalas Esc. Bermejo 1:250.000 – Tamaño grilla 100x100m

⇑

Cuenca Río Iruya (3002 km2)

Modelación a Nivel Local / Sub-Cuenca Extrapolación Horizontal Esc. Iruya 1:100.000 – Tamaño grilla 30x30m

Los modelos a ser implementados/adaptados/verificados/extrapolados en esta nueva etapa son: •

Modelo cuali-cuantitativo que utiliza las variables pendiente y vegetación (desarrollado para la Cuenca del Río Iruya en el Capítulo 5.4.1)

•

Modelo utilizando relaciones simplificadas que tienen en cuenta parámetros morfológicos de área de aporte y pendiente local, con el anexo de la variable vegetación (desarrollado para la Cuenca del Río Iruya en el Capítulo 5.4.2).

A continuación se detalla el trabajo realizado para cada una de las metodologías propuestas.

Capítulo 5 - Pág. 53

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5.5.2 Unidades de Paisaje utilizando el Modelo Cuali-Cuantitativo (PECuME – Módulo 1-B) El modelo cuali-cuantitativo se basa en la determinación de las unidades de paisaje erosivo mediante la integración de los distintos factores que resultan relevantes para explicar el fenómeno en estudio. Para el estudio de la Cuenca del Río Iruya se consideraron las variables pendiente y vegetación como aquéllas relevantes para la determinación del paisaje erosivo (determinadas mediante análisis probabilístico). Siguiendo los lineamientos aplicados para la Cuenca del Río Iruya (Capítulo 5.4.1), se desarrollan a continuación para la extrapolación a la Cuenca del Río Bermejo, las etapas de discriminación (que induce a la adaptación de la metodología), integración y posterior verificación de la misma. La información básica disponible a nivel regional en la Cuenca Alta del Río Bermejo (37.944 km2) es cartografía a escala 1:250.000 y tamaño del pixel 100x100 metros. Se define la subcuenca de 350 km2 para la adaptación de la metodología y las subcuencas 1 a 7a (menos la subcuenca 4) para la verificación de la misma, tal como se había utilizado en el estudio a nivel local. Etapa de discriminación / Adaptación de los límites de los intervalos: •

Pendiente: Se analiza en detalle la distribución de los histogramas de pendientes obtenidos para la subcuenca de 350 km2 de la Cuenca del Río Iruya a escala 1:100.000 (grilla 30x30m) y 1:250.000 (grilla 100x100m), según se presenta en el Gráfico 5.7. Se verifica un mayor porcentaje de áreas con pendiente suave/moderada con la cartografía 1:250.000, con porcentajes superiores a los esperados; esto representaría la baja confiabilidad de la información de la base cartográfica. Con el objeto de adaptar la metodología desarrollada, se definen los límites de los intervalos de pendientes en modo de mantener los porcentajes del área de la cuenca para cada intervalo (Gráfico 5.8), siempre considerando la subcuenca de 350 km2. Los límites de los intervalos son ahora definidos según la Tabla 5.26. Posteriormente, los porcentajes en cada intervalo obtenidos para la subcuenca de 2.049 km2 utilizando la cartografía 1:250.000 con los nuevos límites, son similares a los obtenidos para la cartografía 1:100.000 (Tablas 5.10 y 5.27).

•

Vegetación: Utilizando la discriminación aplicada a nivel local, se verifica que los porcentajes en cada grupo coinciden razonablemente con los obtenidos a escala local (Tablas 5.10 y 5.27).

Capítulo 5 - Pág. 54

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Gráfico 5.7: Relación de distribución de la pendiente en la Subcuenca de 350 km2

% del área total de la cuenca

100 80 60 40 20

esc 1:250.000 esc 1:100.000

0 0

20

40

60

80

100

pendiente (%)

Tabla 5.26: Reclasificación de Cartas Temáticas de la Cuenca del Río Bermejo Escala 1:250.000 Mapa de Pendientes Indice 1 2 3 4 5

Descripción Pendiente suave Pendiente baja Pendiente moderada Pendiente alta Pendiente muy alta

Indice 1 2 3

Descripción Completamente protegido Parcialmente protegido No protegido

Pendiente (en %) 60

Mapa del Vegetación Vegetación Bosque de montaña Vegetación herbácea - Vegetación arbustiva Zona desprovista de vegetación

Gráfico 5.8: Relación de distribución de la pendiente en la Subcuenca de 350 km2

% del área total de la cuenca

100 80 60 40 esc 1:100.000

20

esc 1:250.000

0 0

1

2

3

índice de pendiente

Capítulo 5 - Pág. 55

4

5

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tabla 5.27: Porcentaje de superficie de cada clase en las cartas temáticas Porcentaje del Área Total de Subcuenca 4 Iruya (350 km2) Indice (según Tabla 5.24)

Pendiente

Vegetación

1

20,56

0,00

2

22,97

73,89

3

31,12

26,11

4

17,98 7,34

5

Porcentaje del Área Total de Subcuencas 1 a 7ª Iruya (2.049 km2) Indice (según Tabla 5.24)

Pendiente

Vegetación

1

17,94

11,38

2

19,90

65,23

3

37,56

23,39

4

17,50

5

7,09

Porcentaje del Área Total Cuenca Alta Río Bermejo ( 37.499 km2) Indice (según Tabla 5.24)

Pendiente

Vegetación

1

37,50

39,15

2

20,69

49,68

3

30,94

11,17

4

8,52

5

2,33

Las cartas temáticas utilizadas se presentan en la Figura 5.25. Etapa de Integración Para integrar la cartografía a nivel regional se utiliza el mismo procedimiento presentado a nivel local, según se detalla en la Tabla 5.15, presentada también en forma matricial en el Gráfico 5.9. Se obtienen cuatro unidades de paisaje con determinado grado de estabilidad del territorio, según se detalla en la Figura 5.26. Gráfico 5.9: Unidades de Paisaje según el Grado de Estabilidad (basado en Tabla 5.15) Pendiente

Suave

Baja

Moderada

Alta

Muy Alta

Complet. Protegido

E

E

ME

MI

I

Parcialmente Protegido

E

ME

I

I

I

ME

MI

I

I

I

Vegetación

No Protegido

Donde: E: Tipo 1 - Estable ; ME: Tipo 2 - Medianamente Estable MI: Tipo 3 - Medianamente Inestable; I: Tipo 4 - Inestable.

Capítulo 5 - Pág. 56

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

Etapa de verificación del ajuste Siguiendo los lineamientos utilizados a nivel local, se plantea verificar el ajuste del modelo, comparando los resultados obtenidos con los patrones de erosión disponibles en el mapa geomorfológico para la Cuenca del Río Iruya a escala 1:100.000. Se reclasifican los resultados obtenidos en el modelo y la carta geomorfológica de la misma manera en que se hizo el análisis a nivel local (Capítulo 5.4.1.4), según se detalla a continuación: Mapa Geomorfógico (escala 1:50.000; tamaño del pixel 30x30 metros): •

Áreas sin erosión o con erosión ligera: regolito, suelo sobre substrato rocoso, suelo del área boscosa, morenas glaciares, abanicos aluviales, terrazas bajas y altas y lechos fluviales. • Áreas con procesos de erosión intensa: erosión por carcavamiento moderado a severo, erosión enérgica con afloramiento de roca, remoción en masa y reptación de escombros de talud

Modelo cuali-cuantitativo (escala 1:250.000, tamaño del pixel 100x100 metros): • Áreas sin erosión o con erosión ligera: corresponde a las zonas clasificadas como: Tipo 1 (estable), Tipo 2 (medianamente estable) y Tipo 3 (medianamente inestable) del ajuste de cuatro variables definido en Tabla 5.15 /Gráfico 5.8. • Áreas con procesos de erosión intensa: corresponde a las zonas clasificadas como Tipo 4 (inestable) del ajuste mencionado. No es posible realizar la correlación cruzada de los resultados obtenidos con la cartografía geomorfológica (detallada en la Tabla 5.14) debido a la diferencia de escala. Por tal motivo, se consideran las subcuencas definidas en la Cuenca del Río Iruya (Tabla 5.8 y Figura 5.4). La comparación se realiza entre porcentajes de áreas estimadas/reales con erosión intensa y erosión ligera o estable. Los resultados obtenidos son presentados en la Tabla 5.28, pudiéndose observar las siguientes conclusiones: •

La Subcuenca 4 fue utilizada como área de ajuste/adaptación de la metodología y tiene buen ajuste, con un error del 6%.

•

Los errores obtenidos en las cuencas de verificación de la metodología son inferiores al 15%, excepto para la Subcuenca 7a, donde llega al 39%. La subcuenca 7a tiene gran parte de su superficie totalmente protegida por vegetación, lo que puede indicar un problema en la etapa de agrupamiento de este tipo de zonas. Un mayor análisis se presenta en la próxima sección donde se plantea un modelo modificado para mejorar el ajuste.

•

El ajuste obtenido se considera aceptable y la metodología válida para la Cuenca del Río Iruya.

Capítulo 5 - Pág. 57

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tablas 5.28 a-b: Resultados obtenidos con el Método Cuali-Cuantitativo Comparación con el Mapa Geomorfológico MODELO ORIGINAL Escala 1:250.000 5.28 a Subcuencas Iruya 1 2 3 4 5 6 7a

Modelo cuali-cuantitativo (nro. pixeles) Est./Er.ligera Eros. intensa 19.831 22.159 12.778 14.885 7.287 13.590 15.150 19.638 7.829 13.126 13.173 26.964 16.291 2.579

Modelo cuali-cuantitativo (%) Est./Er.ligera Eros. intensa 47 53 46 54 35 65 44 56 37 63 33 67 86 14

ÁREA TOTAL Nro. pixeles 41.990 27.663 20.877 34.788 20.955 40.137 18.870

Mapa Geomorfológico Modelo cuali-cuantitativo (%) (%) Est./Er.ligera Eros intensa Est./Er.ligera Eros intensa 50 50 47 53 37 63 46 54 34 66 35 65 50 50 44 56 24 76 37 63 40 60 33 67 47 53 86 14

ERROR (%) real-calc +/03 09 01 06 13 07 39

km2 420 277 209 348 210 401 189 2.038

5.28 b Subcuencas Iruya 1 2 3 4 5 6 7a

Definición de un Modelo Modificado Se analizó en detalle la subcuenca 7a donde se detectaron los mayores errores, tratando de identificar las zonas que no fueron predichas incorrectamente. Se consultaron fotos aéreas para observar en detalle aquellas zonas predichas incorrectamente. Se pudo apreciar que las zonas con mayores errores correspondían a la clase de pendiente alta y completamente protegida por vegetación; esta clase estaba definida como área sin erosión o con erosión ligera según los resultados del modelo pero correspondía a área con erosión intensa en el mapa geomorfológico. Se modificó la definición de las unidades, denominándolo como “modelo modificado”, introduciendo esta clase a erosión Tipo 4 (intensa) y se recalculó el mapa de susceptibilidad y se realizó una nueva comparación. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 5.29 donde se observa una mejora en las estimaciones realizadas, pero no se dispone de mayor superficie para verificar el nuevo ajuste. Como parámetro de comparación adicional, se definió en modo global el porcentaje de áreas sin erosión y con erosión ligera, y de áreas con erosión intensa según se detalla en la Tabla 5.30. Se puede observar que los porcentajes obtenidos por los modelos son muy similares a los obtenidos en el mapa geomorfológico, con un error global de +/- 1%.

Capítulo 5 - Pág. 58

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tablas 5.29 a-b: Resultados obtenidos con el Método Cuali-Cuantitativo Comparación con el Mapa Geomorfológico MODELO MODIFICADO Escala 1:250.000 5.29 a Subcuencas Iruya 1 2 3 4 5 6 7a

Modelo cuali-cuantitativo (nro. pixeles) Est./Er.ligera Eros intensa 19.831 22.159 12.778 14.885 7.287 13.590 15.150 19.638 6.179 14.776 12.827 27.310 13.657 5.213

Modelo cuali-cuantitativo (%) Est./Er.ligera Eros intensa 47 53 46 54 35 65 44 56 29 71 32 68 72 28

ÁREA TOTAL Nro pixeles 41.990 27.663 20.877 34.788 20.955 40.137 18.870

Mapa Geomorfológico (%) Est./Er.ligera Eros intensa 50 50 37 63 34 66 50 50 24 76 40 60 47 53

Modelo cuali-cuantitativo (%) Est./Er.ligera Eros intensa 47 53 46 54 35 65 44 56 29 71 32 68 72 28

ERROR (%) real-calc +/03 09 01 06 05 08 25

km2 420 277 209 348 210 401 189 2.038

5.29 b Subcuencas Iruya 1 2 3 4 5 6 7a

Tabla 5.30: Comparación en Nro. de Pixeles de los resultados obtenidos (escala 1:250.000) con el mapa geomorfológico (escala 1:100.000) Subcuencas Iruya

Mapa Geomorfológico

Modelo Cuali-Cuant. (original)

Escala 1:100.000 Est./Er.ligera

Modelo Cuali-Cuant. (modificado)

Escala 1:250.000

Eros intensa

Est./Er.ligera

Escala 1:250.000

Eros intensa

Est./Er.ligera

Eros intensa

1

240.921

239.554

19.831

22.159

19.831

22.159

2

108.080

185.381

12.778

14.885

12.778

14.885

3

79.215

155.292

7.287

13.590

7.287

13.590

4

193.228

190.385

15.150

19.638

15.150

19.638

5

57.039

178.185

7.829

13.126

6.179

14.776

6

168.522

250.516

13.173

26.964

12.827

27.310

7a

102.086

115.930

16.291

2.579

13.657

5.213

Total % del Total Subcuenca

949.091

1.315.243

92.339

112.941

87.709

117.571

42

58

45

55

43

57

Análisis y Discusión de la Extrapolación del Método Cuali-Cuantitativo El método de extrapolación propuesto se basó en la adaptación de los límites de los intervalos para la discriminación de las cartas temáticas obtenidos con el ajuste a nivel local, tratando de mantener los porcentajes en cada clase de cada carta (cartografía 1:100.000). La etapa de integración se mantiene sin cambios en una primera etapa y el ajuste se considera aceptable (con errores de menos del 10% en el 90% de la superficie y error global de +/- 3%; Tablas 5.28 y 5.30). Los resultados obtenidos son satisfactorios excepto en zonas con mayor cobertura vegetal que cubren 10% de la zona de verificación (subcuenca 7a). Considerando que en el área de ajuste (subcuenca 4), no está presente este tipo de cobertura, se modifica la estructura de reclasificación y se

Capítulo 5 - Pág. 59

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

muda el grupo con pendiente baja y vegetación completamente protegido a la clase de erosión intensa (Gráfico 5.8), generando un nuevo mejor ajuste (denominado Método Modificado). Se puede afirmar que la metodología ajustada y verificada a nivel local (Cuenca del Río Iruya) ha sido adaptada satisfactoriamente a nivel regional (Cuenca del Río Bermejo), considerando la precisión de los resultados obtenidos. Esta extrapolación a nivel regional (37.449 km2) queda verificada cuantitativamente en el ámbito del Río Iruya (2.049 km2). A nivel cualitativo, se dispone de un mapa de susceptibilidad a los movimientos de masa para la Cuenca Alta Argentina del Río Iruya generada en el marco del Programa Estratégico de Acción en la Cuenca del Río Bermejo (PEA) (Figura 5.27 – Mapa PEA). No se dispone de la cartografía digital y solamente se puede hacer una comparación visual entre los resultados obtenidos en este estudio y los producidos en el marco del PEA, pudiendo detectarse que cualitativamente la correlación es significativamente buena. Si se adopta un criterio conservador se puede reducir la validez de la extrapolación realizada a las áreas con suelo completamente y parcialmente protegido con vegetación, que es el ambiente de ajuste de la metodología en la subcuenca de 350 km2 en el Río Iruya. Sin embargo, la comparación cualitativa de los resultados obtenidos por el modelo Cuali-Cuantitativo Modificado con el Mapa PEA muestra un buen patrón de ajuste en toda la Cuenca Alta del Río Bermejo. 5.5.3 Unidades de Paisaje utilizando relaciones simplificadas entre área de aporte y pendiente (PECuME – Módulo 2-B) Como segunda metodología para la determinación del paisaje erosivo en la Cuenca del Iruya se utilizó una formulación que trata relaciones simplificadas entre área de aporte y pendiente local, considerando la conexión entre estos parámetros morfológicos y la iniciación del encauzamiento del escurrimiento. La formulación original fue modificada en este estudio, agregando el factor vegetación que tiene una significativa variación en la zona de estudio. Implementación y Ajuste de la Metodología Se propone adoptar la relación simplificada vinculadas a la vegetación mediante la siguiente expresión: relación = A S2 Veg donde A es área de aporte, S la pendiente local y Veg es el índice de la vegetación, según se definió en la Tabla 5.18. La adaptación de la metodología se realiza nuevamente en la subcuenca 4, ajustando un nuevo valor umbral para la delimitación de zonas con intensa erosión en la subcuenca 4. Dado que el modelo detecta básicamente las zonas con erosión por escurrimiento superficial y la erosión por surcos se observa especialmente la zona en las nacientes del Iruya, en proximidad del poblado de Colanzulí donde se reconocen fenómenos de este tipo, con el objeto de verificar el ajuste. Siguiendo los lineamientos utilizados a nivel local, se plantea verificar el ajuste del modelo, comparando los resultados obtenidos con los patrones de erosión disponibles en

Capítulo 5 - Pág. 60

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

el mapa geomorfológico (Cuenca del Río Iruya a escala 1:100.000). Se reclasifican los resultados obtenidos en el modelo y la carta geomorfológica del mismo modo utilizado para el análisis a nivel local, según se detalla a continuación: Mapa Geomorfógico (escala 1:50.000; tamaño del pixel 30x30 metros): •

Áreas sin erosión o con erosión ligera: regolito, suelo sobre substrato rocoso, suelo del área boscosa, morenas glaciares, abanicos aluviales, terrazas bajas y altas y lechos fluviales. • Áreas con procesos de erosión intensa: erosión por carcavamiento moderado a severo, erosión enérgica con afloramiento de roca, remoción en masa y reptación de escombros de talud

Modelo de relación simplificada AS2Veg, teniendo en cuenta el umbral que logra el mejor ajuste en la Subcuenca 4, y extrapolando luego el umbral para toda la cuenca (escala 1:250.000, tamaño del pixel 100 metros de lado): • Áreas sin erosión o con erosión ligera: valores de AS2Veg por debajo de 190 m2. • Áreas con procesos de erosión intensa: valores de AS2Veg por encima de 190 m2. Tablas 5.31 a-b: Resultados obtenidos con el Método de Relaciones Simplificadas Comparación con el Mapa Geomorfológico Escala 1:250.000 5.31 a Subcuencas Iruya 1 2 3 4 5 6 7a

Relaciones Simplificadas (nro. pixeles) Est./Er.ligera Eros intensa 22.329 19.661 13.903 13.760 9.653 11.224 17.122 17.666 6.250 14.705 12.500 27.637 7.879 10.991

Relaciones Simplificadas (%) Est./Er.ligera Eros intensa 53 47 50 50 46 54 49 51 30 70 31 69 42 58

ÁREA TOTAL Nro pixeles 41.990 27.663 20.877 34.788 20.955 40.137 18.870

km2 420 277 209 348 210 401 189 2.038

5.31 b Subcuencas Iruya 1 2 3 4 5 6 7a

Mapa Geomorfológico Relaciones Simplificadas (%) (%) Est./Er.ligera Eros intensa Est./Er.ligera Eros intensa 50 50 53 47 37 63 50 50 34 66 46 54 50 50 49 51 24 76 30 70 40 60 31 69 47 53 42 58

ERROR (%) real-calc +/03 13 12 01 06 09 05

La verificación de la validez del valor umbral ajustado se realiza en las subcuencas 1 a 7a (excluyendo la subcuenca 4). Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 5.31 y en la Figura 5.28. Se obtienen resultados satisfactorios, con errores menores del 13% en toda la subcuencas del Río Iruya (Tabla 5.31) y errores globales del +/- 2% (Tabla 5.32).

Capítulo 5 - Pág. 61

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente Tabla 5.32: Comparación en Nro. de Pixeles de los resultados obtenidos con el modelo de Relaciones Simplificadas (escala 1:250.000) con el Mapa Geomorfológico (escala 1:100.000) Subcuencas Iruya

Mapa Geomorfológico

Modelo Relaciones Simplificadas

Escala 1:100.000 Est./Er.ligera

Escala 1:250.000

Eros intensa

Est./Er.ligera

Eros intensa

1

240.921

239.554

22.329

19.661

2

108.080

185.381

13.903

13.760

3

79.215

155.292

9.653

11.224

4

193.228

190.385

17.122

17.666

5

57.039

178.185

6.250

14.705

6

168.522

250.516

12.500

27.637

7a

102.086

115.930

7.879

10.991

949.091

1.315.243

89.636

115.644

42

58

44

56

Total % del Total Subcuenca

Análisis y Discusión de la Extrapolación del Método de Relaciones Simplificadas El ejercicio de realizar la extrapolación de un segundo método de cálculo permitió corroborar el lineamiento base para esta transferencia de información/metodología a través de escalas. En el caso del método de relaciones simplificadas el parámetro de ajuste fue el umbral límite para definir las áreas de erosión intensa. El ajuste se realiza en la subcuenca 4 (350 km2), la validación en las subcuencas 1 a 7a (excluyendo la 4) comparando los resultados obtenidos en la nueva escala (1:250.000) con el mapa geomorfológico (1:100.000). Se obtiene un ajuste satisfactorio con errores menores del 13% en toda la subcuencas y errores globales del +/- 2% (Tablas 5.31 y 5.32). Se extiende la extrapolación a toda la Cuenca Alta del Río Bermejo y se verifica cualitativamente el ajuste de los resultados con el Mapa PEA (Figuras 5.27 y 5.28). 5.5.4 Síntesis de la Modelación a Nivel Regional/Cuenca (PECuME–Nivel B) La extrapolación ascendente o de generalización de dos metodologías para la estimación de mapas de susceptibilidad a la erosión realizada en esta etapa de la tesis, ha permitido verificar los lineamientos base para este tipo de estudios de transferencia de información a través de diferentes escalas presentados en el Capítulo 4.2. La idea de base fue transferir metodologías ajustadas y verificadas a nivel local, a zonas más extensas a nivel regional con información básica de menor detalle. La prueba de concepto consideró a la Cuenca del Iruya de 3.002 km2 como el estudio local y la Cuenca Alta del Río Bermejo de 37.944 km2 como el estudio regional (cuenca). El primer método extrapolado fue el modelo cuali-cuantitativo que utiliza el poder explicativo de la pendiente y la vegetación en la determinación de grados de procesos erosivos. Básicamente el ajuste se realizó en los límites de los intervalos de reclasificación de las cartas temáticas, tratando de mantener los porcentajes obtenidos para el ajuste a nivel local (Capítulo 5.5.2).

Capítulo 5 - Pág. 62

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

La segunda metodología extrapolada fue el modelo de relaciones simplificadas que utiliza parámetros morfológicos relacionados con la iniciación del encauzamiento del escurrimiento. El ajuste en este caso se realizó en el valor umbral de discriminación de los fenómenos erosivos (Capítulo 5.5.3). Se obtuvieron resultados satisfactorios, que permitieron verificar cuantitativamente la extrapolación de las dos metodologías en el área del estudio a nivel local (Tablas 5.30 y 5.32). El área regional fue verificada de modo cuantitativo mediante la comparación con el mapa de susceptibilidad a los movimientos de masa, generado en el marco del Programa Estratégico de Acción para la Cuenca del Río Bermejo (Figura 5.27). Por otra parte, el evento aluvional ocurrido en abril de 2001 en el Departamento Santa Bárbara de Jujuy, permitió verificar el aceptable ajuste de los modelos en dicha zona. Los resultados a nivel regional muestran la zona alta de la cuenca afectada por los deslizamientos, como área medianamente inestable e inestable, con erosión intensa (Figura 5.26 y 5.28). En las dos extrapolaciones realizadas se verificó la necesidad de disponer de información base de un estudio piloto (nivel local), que permite validar la transferencia a través de las escalas. La forma de validación de la extrapolación es un resultado clave que debe ser remarcado del estudio realizado. 5.6

SÍNTESIS DEL CAPÍTULO 5: PRUEBA DE CONCEPTO DEL PECuME

Se ha presentado en este Capítulo la prueba de concepto de la formulación metodológica para definir el Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME), con vistas a definir la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos con distinto nivel de precisión y detalle. La aplicación se ha realizado en un área importante de la macro-región de la Cuenca del Plata. Se consideró a nivel regional la Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo (37.944 km2) que aporta en promedio unos 100 millones de toneladas anuales de sedimento en suspensión al sistema Paraguay-Paraná. La Cuenca del Río Iruya (3.002 km2) fue el área analizada como ambiente local/subcuenca; la misma esta incluida en la Cuenca Alta del Río Bermejo y produce aproximadamente el 40% del sedimento transportado por el Bermejo. Mediante la implementación de la formulación PECuME se han desarrollado los niveles de análisis tanto espacial como metodológico y se han obtenido una variada gama de resultados con distinto nivel de precisión y detalle según lo previsto. En el ambiente local, se implementaron satisfactoriamente los modelos de unidades de paisaje, relaciones simplificadas, umbrales de erosión, degradación específica y estabilidad del territorio. El desarrollo de cada uno de ellos genera resultados con mayor detalle dependiendo del nivel metodológico considerado. Teniendo el ajuste y verificación a nivel local/subcuenca, se desarrolla la extrapolación ascendente tratando de transferir metodológicamente los resultados a nivel regional/cuenca. La precisión de la información de base es la limitante para dicha generalización. Considerando las escalas de análisis propuestas (nivel local mayor que 1:100.000 y nivel regional de 1:100.000 a 1:250.000), la extrapolación se realiza para la definición de unidades de paisaje y relaciones simplificadas. La implementación de la metodología de

Capítulo 5 - Pág. 63

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

generalización se ajustó a los lineamientos base propuestos obteniendo resultados satisfactorios. Se verificó la necesidad de disponer de información base de un estudio piloto (nivel local), que permite validar la transferencia a través de las escalas. La forma de validación de la extrapolación es un resultado clave que debe ser remarcado. De este modo se concreta satisfactoriamente la aplicación de la propuesta metodológica PECuME, que define las unidades del paisaje como marco de análisis de los procesos de erosión integrando la dinámica de las unidades territoriales. La misma ha permitido desarrollar la modelación asistiendo el entendimiento del fenómeno de producción de sedimento en áreas de montaña a distintos niveles (espaciales y metodológicos), definiendo la extrapolación ascendente que permita validar estudios a nivel regional, necesaria en el mundo actual de las ciencias de la ingeniería. Sin duda los resultados obtenidos proveen el conocimiento de base para definir estrategias apropiadas de manejo de sedimentos en áreas de montaña, teniendo en cuenta la potencial conservación de los sistemas paisajísticos.

Capítulo 5 - Pág. 64

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

6.

CONCLUSIONES

6.1

PLANTEO Y ALCANCE DE LA TESIS

Objetivo de la Tesis La determinación de la zonificación del territorio en base a grados de susceptibilidad a la erosión constituye un elemento fundamental de la planificación para el desarrollo, identificando áreas vulnerables y generando cartografía especializada que permite caracterizar cualitativamente la variación espacial de los procesos erosivos. Disponer de esta información significa tener la base del conocimiento para definir estrategias de mitigación de los procesos erosivos en el marco de la planificación para el desarrollo integrado del territorio, así como la formulación e implementación de proyectos de inversión. El presente estudio se basó en la intención primaria de encuadrar los modelos que definan la variación espacial de los diferentes procesos de erosión en zonas de montaña. Se consideró como primera etapa la definición de unidades de paisaje y el análisis de parámetros morfológicos para luego focalizar la investigación en la zonificación del territorio en base a las fuentes de sedimentos. Se trató con detalle la transferencia de información y metodologías a través de distintas escalas espaciales. Esto constituye un aspecto relevante de la presente tesis. El objetivo principal de la presente tesis fue la determinación del paisaje erosivo en cuencas de montaña extensas en función de la fragilidad del territorio, desarrollando una metodología que permite la modelación con extrapolación espacial ascendente. Los objetivos específicos del estudio fueron: • Definir las unidades del paisaje como marco de análisis de los procesos de erosión. • Desarrollar una modelación que permita asistir al entendimiento de los fenómenos de producción de sedimento en áreas de montaña. • Desarrollar una metodología de extrapolación ascendente que permita validar estudios a nivel regional. • Proveer el conocimiento de base para definir estrategias de manejo de sedimentos en áreas de montaña, teniendo en cuenta la potencial conservación de los sistemas paisajísticos. Aspectos Innovadores • El desarrollo de una metodología global para definir y calificar la fragilidad del medio frente a los procesos de erosión. Se incluyó la definición de un mecanismo de transferencia de metodologías en diferentes escalas, con una verificación de la validez de la extrapolación. • La posibilidad de incluir información sobre parámetros paisajísticos y morfológicos en el estudio hidro-sedimentológico de cuencas de montaña. • La integración de modelos de producción de sedimentos por erosión superficial y por movimientos de masa a nivel local, creando un sistema que analiza la problemática general del paisaje y que define los niveles necesarios del estudio de erosión. Esta metodología provee una herramienta matemática que define los niveles de

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PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

susceptibilidad a la erosión en las distintas unidades de paisaje, evaluando en cada caso y a diferentes escalas la producción de sedimentos en modo cuali-cuantitativo. • El análisis, aplicación y verificación de una variada gama de modelos para la determinación de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. Es una aplicación innovadora en estudios de zonas montañosas de difícil acceso y con escasa información básica, y cumple con los requisitos de la explicación y la predicción del método científico. • La utilización de cartografía geomorfológica para la verificación del ajuste de las metodologías implementadas, desarrollo innovador en estudios de susceptibilidad de procesos erosivos. • La determinación de la validez de extrapolación de una metodología para zonificación del territorio en base a la fragilidad del medio frente a los procesos erosivos, para distintas escalas de análisis (local/subcuenca y regional/cuenca). Alcance y aplicaciones • Se desarrolló una investigación que profundiza las líneas de estudio referidas a los tipos de erosión predominantes en zonas de montaña, y que define una metodología para determinar la fragilidad del medio frente a procesos de erosión en zonas de montaña. • Se realizó una aplicación como prueba de concepto en una cuenca andina, Cuenca del Río Iruya de 3.002 km2, en el Noroeste Argentino. Se implementaron, calibraron y verificaron modelos matemáticos para la determinación de unidades de paisaje erosivo, para el análisis de parámetros morfológicos y para estudio de producción de los sedimentos a nivel local/subcuenca donde se dispuso información básica de detalle. A nivel regional se destaca que aproximadamente 36 millones de toneladas de sedimentos por año son aportados por el Río Iruya al Sistema Bermejo-ParaguayParaná, representando el 40% del total de sólidos en suspensión transportados de la Cuenca del Río Bermejo. • Transferencia/adaptación/extrapolación de metodologías para la determinación de unidades de paisaje erosivo y análisis de parámetros morfológicos a nivel regional extendiendo los resultados a toda la Cuenca Alta del Río Bermejo de 37.944 km2. Esta cuenca es de marcado interés a nivel nacional por su alta producción/transporte de sedimentos. Por tal motivo, se destaca la utilidad de los resultados obtenidos en esta tesis, tanto a nivel científico como para aplicaciones prácticas en los campos de la ingeniería fluvial, hidráulica y portuaria, y en el campo de la hidrología. Metodología •

Definición del Estado del Conocimiento (Capítulo 2): Se relevó información de los distintos temas involucrados en el estudio: definición de unidades del paisaje, evolución del paisaje y parámetros morfológicos, erosión hídrica y extrapolación en modelación hidrológica.

•

Análisis de las Metodologías de Interés (Capítulo 3): Las metodologías de interés en el presente estudio fueron revisadas en detalle, analizando la validez de aplicación a los fines del trabajo planteado.

•

Formulación Metodológica (Capítulo 4): En base al análisis de detalle del estado del conocimiento y de las metodologías de interés, se definió una metodología para Capítulo 6 – Pág. 2

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

cumplir con los objetivos propuestos. La formulación metodológica para la determinación del Paisaje Erosivo en Cuencas de Montañas Extensas (PECuME), se presenta en este capítulo. El esquema metodológico del PECuME considera niveles espaciales y categorías de análisis para la definición de grados de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. •

Prueba de Concepto (Capítulo 5): Se realizó la prueba de concepto del PECuME con la implementación/ajuste de la metodología propuesta en Subcuenca del Río Iruya (Salta), para luego realizar la extrapolación espacial ascendente a la Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo.

Difusión de los Resultados Los resultados obtenidos en esta tesis se transfieren a la sociedad científica e ingenieril por medio de publicaciones en congresos y revistas internacionales. Durante el desarrollo de la tesis se han elaborado los siguientes trabajos: • “Estudio de Producción de Sedimentos en la Cuenca Montañosa del Río Iruya”. XVIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Oaxaca. México. Rafaelli S., Peviani M., Perez Ayala F.(1998). • “Paisaje Erosivo en la Cuenca Montañosa del Río Iruya”. XVII Congreso Nacional del Agua. Santiago del Estero. Argentina. Rafaelli S., Perez Ayala F. (2000). • “Paisaje Erosivo: Dos Metodologías para su Caracterización”. XIX Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Córdoba. Argentina. Rafaelli S., Perez Ayala F.(2000). • “A comparison of thematic mapping of erosional intensity to GIS-deriven process models in an Andean Drainage Basin”. Journal of Hydrology 244. Rafaelli S., Montgomery D, Greenberg H. (2001). • “Modelo de Evaluación del Paisaje Erosivo en la Cuenca Alta del Río Bermejo”. Seminario Internacional sobre Manejo Integral de Cuencas Hidrográficas (SIMICH) – Rosario, Santa Fe. Rafaelli S., Reyna S., Zeballos M. (2001). • “Riesgo Aluvional en una Subcuenca del Río Iruya (Salta-Argentina)”. HIGHSUMMIT 2002. Multiconferencia Transcontinental a través de las Montañas. Mendoza. Argentina. Rafaelli S., Reyna S. y Brieva C. (2002). • “Mapa de Susceptibilidad a la Erosión a Nivel Regional Utilizando Extrapolación Espacial Ascendente. Cuenca Alta del Río Bermejo”. Ingeniería del Agua. Rafaelli S., Reyna S., Zeballos M. (2001). Los seis primeros trabajos han sido publicados y se presenta una copia en el Anexo IV. El restante ha sido presentado y está en proceso de aceptación. Se están elaborando dos nuevos documentos a ser presentados en el “Journal of Hydrology” y “Water Resource Research” respectivamente: • “Metodological Formulation for the Determination of Erosive Landscape in Extensive Mountainous Basins (ELEMBa). Rafaelli S., Reyna S. • “Aplication of ELEMBa Metodology to a Mountainous Basin of Bermejo-Paraguay Paraná River System”. Rafaelli S., Reyna S. Actualmente se desarrolla la transferencia de los resultados de la tesis a la comunidad científica local y a la sociedad en general, mediante un programa de participación social Capítulo 6 – Pág. 3

PAISAJE EROSIVO EN CUENCAS DE MONTAÑA Modelación con Extrapolación Espacial Ascendente

que incluye seminarios en universidades regionales y encuentros en municipalidades y escuelas de la zona. Esta actividad se desarrolla desde la Comisión Regional del Río Bermejo y la Comisión Binacional para el Desarrollo de la Alta Cuenca del Río Bermejo y el Río Grande de Tarija, en el marco del Programa Estratégico de Acción para la Cuenca Binacional del Río Bermejo. 6.2

CONCLUSIONES DE LOS CONCEPTOS BÁSICOS CONSIDERADOS PARA LA FORMULACIÓN METODOLÓGICA

El desarrollo de la tesis comienza con la recopilación de información en el área de los procesos de erosión en cuencas de montaña y el análisis de las metodologías de interés para la formulación metodológica que determinará los grados de fragilidad del territorio frente a los procesos de erosión, considerando distintas escalas de análisis. La estructura del estudio considera cuatro temas básicos que tienen relación a la problemática de esta tesis: definición de unidades de paisaje erosivo, evolución del paisaje y parámetros morfológicos, métodos y modelos para la estimación de fuentes de sedimentos y extrapolación de escalas en modelación del paisaje erosivo. A continuación se detallan las conclusiones del análisis de las metodologías relevadas en cada módulo de estudio: Definición de Unidades del Paisaje La recopilación de antecedentes y el análisis de las metodologías de interés, permitieron conocer los principios básicos de las dos líneas de investigación que se relacionan con la problemática de la tesis: •

Paisaje y Zonificación del Territorio para la Ordenación Ambiental y EcológicoPaisajístico: En el marco de esta línea de investigación se han presentado dos estudios que han sido considerados de interés en el presente: Gallopín (1985) y Sánchez (1991, 1993). Gallopín (1985) presenta una metodología multivariada definida por la etapa de discriminación de variables relevantes y definición de los rangos de variación, la etapa de caracterización de esas variables, la etapa de reinterpretación y evaluación de las mismas para finalmente realizar el agrupamiento de las unidades espaciales en regiones. La ventaja de esta metodología es trabajar en varias dimensiones, mediante aproximaciones sucesivas. La selección de las variables está en función de los objetivos del trabajo y de los recursos disponibles para lograrlo. En Sánchez (1991, 1993) se definen conceptos y criterios básicos para procesar el ordenamiento ecológico-paisajístico que sirven como marco de referencia de este tipo de estudios de zonificación. Si bien estos dos trabajos han sido desarrollados para un objetivo diverso al buscado en la presente tesis, los procedimientos empleados son válidos para determinar el paisaje erosivo en cuencas de montaña, ya que en estos estudios se indican claramente los lineamientos básicos para definir unidades homogéneas. Es motivo de desarrollo, adaptar estos lineamientos al fenómeno que nos ocupa en la presente formulación.

Capítulo 6 – Pág. 4

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•

Zonificación del Territorio para determinar Riesgo de Erosión: En el marco de esta segunda línea de investigación han sido seleccionadas cuatro metodologías de interés: ICONA (1989), Albadalejo et al. (1988), CORINE (1992) y RUNOUT (van Westen, 2000). Las variables consideradas en las tres primeras metodologías presentadas son básicamente las mismas: relieve, clima, suelo, vegetación y uso del suelo. En estos modelos, las variables son integradas y evaluadas en forma espacial, tendiendo siempre a determinar el riesgo a la erosión, con el interés principal basado en el uso agrícola del territorio. Se debe destacar que no se vislumbra que estas metodologías sean aplicables a zonas de montaña, ya que las pendientes por arriba de 30% (y el 60%) son agrupadas en una sola clase. Se trata de metodologías que sirven como marco de referencia pero que no son aplicables directamente a la presente tesis. Se destacan sin embargo los estudios realizados en el marco del proyecto RUNOUT, donde se evalúa el riesgo de deslizamientos utilizando los parámetros de pendiente, actividad de deslizamiento, fases de deslizamiento, material implicado, proximidad a canales de drenajes y cambios de usos de suelo, combinados empleando técnicas de evaluación multicriterio. Se destaca la definición de unidades del paisaje como una metodología de remarcado interés en estudios de zonificación de riesgo a deslizamiento, donde se disponga de cartografía de detalle.

En la presente tesis se define una nueva metodología para la determinación de unidades de paisaje en cuencas de montaña, combinando las técnicas presentadas en este desarrollo, e implementándolas en modo compacto en un sistema de información geográfica. En la prueba de concepto de la presente tesis se ejemplifica la aplicación del siguiente modo: se discriminan las unidades de estudio en función de los factores que intervienen en el proceso erosivo, combinando básicamente las propuestas metodológicas de Gallopín (1985), Albadalejo et al. (1988) y RUNOUT (van Westen, 2000). Se reclasifica la cartografía existente y se realiza la etapa de integración mediante un modelo cuali-cuantitativo y un modelo probabilístico. El modelo probabilístico permite determinar las variables relevantes, a ser consideradas para la definición de la fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos. La formulación metodológica propuesta tiene una base causal ya que las variables que intervienen han sido seleccionadas como significativas en la producción de sedimentos. El ajuste realizado en la prueba de concepto es un ejemplo de aplicación pero este ajuste no puede ser generalizado ya que el método debe ser implementado/ajustado/verificado en cada caso en particular; esto hace que no sea transferible el ajuste a cualquier otra región. Sin embargo, el modelo calibrado a nivel local/subcuenca será sencillamente extrapolado tanto horizontalmente (en la misma escala) como verticalmente (a nivel regional/cuenca) dentro de la misma zona de estudio. En síntesis ha quedado planteado de este modo el primer eslabón metodológico para la zonificación del territorio con vistas a definir grados de susceptibilidad a la erosión, mediante la definición de paisaje erosivo, utilizando el método cuali-cuantitativo y un modelo probabilístico. La formulación metodológica y la prueba de concepto fue

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realizada a nivel local/subcuenca y fue transferida a nivel regional/cuenca, verificando la validez de la extrapolación. Análisis de Parámetros Morfológicos Los métodos relacionados a parámetros morfológicos que se han considerado de interés, están basados en el principio de que la evolución del paisaje está controlada por la densidad y estructura de la red del drenaje. Siguiendo esta línea de pensamiento, la ubicación de la iniciación del encauzamiento del escurrimiento es una importante característica morfológica del paisaje que está relacionada con la relativa magnitud del aporte de sedimentos y la erosión potencial debida al escurrimiento. Por esta razón, se investigó la relación entre área de aporte y pendiente local con el objeto de determinar la iniciación de cauces. Como consecuencia, surgió una línea de investigación dirigida a la zonificación del territorio en base a modelos topográficos, que tiene en cuenta los mencionados parámetros morfológicos. Como primera etapa se han considerado las relaciones simplificadas entre pendiente local y área de aporte. Posteriormente, se presentó como formulación más elaborada, los umbrales de erosión que permiten definir zonas con movimiento de masa, erosión superficial y áreas estables, caraterizando los diferentes grados de susceptibilidad a distintos tipos de erosión. En detalle, se puede mencionar que la primera formulación presentada considera las relaciones simplificadas entre área de aporte y pendiente local, estableciendo la conexión entre estos parámetros morfológicos y la iniciación del encauzamiento del escurrimiento, según los estudios de Dietrich y Dunne (1993), Montgomery y Dietrich (1994), Rodríguez-Iturbe y Rinaldo (1997). Esta metodología es de simple implementación si se dispone de un modelo digital del terreno; en este caso los parámetros morfológicos son de directa determinación. El desarrollo de esta formulación fue realizado en ambientes con reducida variación de los parámetros de clima y uso del suelo, lo que evidencia una limitación fundamental para su aplicación directa en el presente trabajo de tesis. En consecuencia, se propuso una modificación de la metodología, considerando la cobertura vegetal y permitiendo de este modo incorporar una nueva variable al análisis. La formulación que considera relaciones simplificadas está basada en relaciones causales (magnitud de la tensión de corte crítica para iniciar el encauzamiento del escurrimiento y formulación de escurrimiento superficial flujo hortoniano en régimen laminar y turbulento) y tiene la notable ventaja de admitir la transferencia a través de escalas por ser una formulación generalizada. La segunda metodología presentada se relaciona con los umbrales de erosión que permiten definir zonas con movimientos de masa, erosión superficial y áreas estables, caracterizando los diferentes grados de susceptibilidad de los distintos tipos de erosión (Dietrich et al., 1992). Además de los parámetros morfológicos de pendiente y área de aporte, este modelo requiere la determinación de parámetros que definen la saturación del suelo (ej. transmisividad), la inestabilidad de pendiente (ej. ángulo de fricción interna, densidad del suelo) y el escurrimiento superficial en suelo saturado (ej. tensión crítica, rugosidad, profundidad del suelo). La disponibilidad de esta información condiciona la posibilidad de aplicación. En la presente tesis se ha propuesto el análisis a escala local/subcuenca donde se dispone de información básica de detalle. Esta metodología genera resultados con información de detalle sobre los distintos tipos de erosión (deslizamiento, escurrimiento superficial, erosión superficial, etc.) pero es

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necesario disponer de un mayor número de datos básicos para definir los umbrales de erosión; esto genera una acotada posibilidad de transferir la metodología a través de las escalas. En síntesis, ambas metodologías fueron utilizadas en la presente tesis. Las relaciones simplificadas fueron implementadas tanto a nivel local/subcuenca como a nivel regional/cuenca, permitiendo verificar la validez de la extrapolación de la metodología. El modelo de umbrales sólo fue implementado a nivel local/subcuenca debido a la restricción en la calidad de la información existente en la zona donde se realiza la prueba de concepto a nivel regional. Sin embargo, la aplicación a nivel local/cuenca permitió observar la calidad de los resultados donde se pueden distinguir zonas con deslizamientos, zonas con escurrimiento superficial sin erosión, zonas con escurrimiento superficial y erosión, y zonas con erosión superficial y movimientos de masa. Estudio de la Fuente de Sedimentos por Erosión Superficial y Movimientos de Masa El desarrollo del análisis de la información recopilada fue organizado considerando la producción de sedimentos por erosión superficial (degradación específica) y por movimientos de masa (deslizamientos). Con respecto a la estimación de la degradación específica, los métodos de cálculo se agruparon en métodos estadísticos y métodos paramétricos. Todos ellos son de origen causal ya que se basan en parámetros climatológicos y geomorfológicos. La mayoría han sido validados para distintos lugares, lo que permitiría definirlos como transferibles a zonas con iguales caracterísicas físico-climáticas. En particular, se debe mencionar el modelo USLE, y la familia de modelos derivados del mismo, tales como MUSLE y RUSLE. Dichos modelos son ampliamente utilizados en la práctica ingenieril y esto hace que sean validados día a día, lo cual destaca su aplicabilidad. Sin embargo, la mayoría de los modelos presentados han sido desarrollados con fines de desarrollo agrícola, en áreas con bajas pendientes. Esto condicionó la aplicabilidad en la presente tesis ya que se estudiaron zonas de montaña. Se relevó y analizó la metodología de Gavrilovic (1959, 1988) como la única que ha sido probada en zonas montañosas con pendientes complejas, como es la de interés en el presente estudio de investigación. Si bien la misma fue desarrollada en zonas onduladas, se encontró que durante los últimos años ha sido ampliamente utilizada en zonas alpinas y en estudios a nivel nacional. Se ha determinado que la misma puede ser seleccionada para incluirla en el presente desarrollo metodológico. Dentro de las metodologías recopiladas, la propuesta de sistemas expertos y redes neurales resulta una alternativa innovadora en el tema de modelos de erosión superficial. Sin embargo se considera que la importante información de campo requerida para su ajuste, hace que se considere inaplicable a estudios como en cuencas de montañas con datos escasos como es de interés en esta tesis. Como segundo tema de análisis en esta etapa, se definió una amplia gama de modelos que resultan de acoplar módulos de cálculo de erosión hídrica y estabilidad de pendiente a modelos hidrológicos. Se citaron y analizaron modelos importantes, entre otros: el WEPP desarrollado por el USDA, el EUROSEM desarrollado por varias universidades europeas, la familia de modelos europeos MEDALUS. Cada uno de los modelos presentados pertenecen a grandes proyectos que tienden actualmente a validar la Capítulo 6 – Pág. 7

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aplicación de estos modelos a escalas de cuencas / grandes cuencas, según se presenta en Boardman y Favis-Mortlock (1998). La mayoría de estos modelos consideran la estimación de la erosión superficial y en surcos (e inter-surcos). Los modelos que consideran movimientos de masa, estimando deslizamientos poco profundos, son SHALSTAB (Dietrich et al., 1993; Montgomery y Dietrich, 1994) y dSLAM (Wu y Sidle, 1995), ambos implementados en zonas montañosas. Los mismos se relacionan a modelos topográficos, asociados a modelos hidrológicos simples. La formulación se basa en el análisis de deslizamientos poco profundos, donde se requiere información de detalle para su implementación/calibración/validación. Estos modelos son considerados de interés en el presente estudio por contemplar la fragilidad del territorio frente a los movimientos de masa. El modelo SHALSTAB fue el utilizado en la formulación metodológica de la presente tesis, por considerarlo uno de los modelos innovadores en estimaciones de fragilidad del territorio frente a deslizamientos. Resumiendo: para el análisis de las fuentes de sedimentos en la presente propuesta metodológica se utilizó la formulación de Gavrilovic para la estimación de degradación específica y el modelo SHALSTAB para la determinación de fragilidad del territorio frente a deslizamientos pocos profundos. Extrapolación en Modelación del Paisaje En la bibliografía recopilada se nota claramente que una de las líneas de investigación actuales en hidrología se mueve hacia las teorías de transformación de escalas. Como primer paquete de trabajos recopilados/analizados, se encuentran aquellos que contienen métodos de extrapolación utilizados en el área de la ecología del paisaje y la región (Matteucci y Buzai, 1998). En este marco se define que no existe una escala óptima de estudio de un proceso, ni tampoco una escala exclusiva de operación de un fenómeno. Un mismo fenómeno puede ocurrir a distintas escalas y manifestarse de distinta manera en cada una de ellas. La selección de escala es algo más que la selección del nivel de resolución; implica conocer el punto de vista espacial y temporal del fenómeno que se estudia. El problema no está en elegir la escala adecuada, sino en reconocer la validez de los resultados obtenidos con distinta precisión. Esta línea de pensamiento es totalmente aplicable a los estudios de procesos de erosión que nos ocuparon en esta tesis. En particular, se consideraron los modelos ascendentes determinísticos, basados en procesos, que predicen el funcionamiento de un sistema a una escala temporal y espacial, a partir de los conocimientos adquiridos a escalas espaciales más chicas y temporales más cortas. Estos modelos sirven como esquema en el cual pueden ir agregándose conocimientos de detalle a medida que éstos se obtienen, dando el carácter de modelos abiertos. En el ámbito de la transferencia de información a través de escalas en el marco de los modelos hidrológicos, se presentaron las metodologías de agregación de parámetros y desagregación de variables de estado y datos de entrada mencionadas en la bibliografía, así como una breve introducción de fractales en el cuencas hídricas y referencia de proyecto que conectan modelos hidrológicos y atmosféricos (Blöschl y Sivapalam, 1995; Sivipalan y Kalma, 1995; Bergström y Graham, 1998; Becker y Broun, 1999; Band y Moore, 1995; Jetten et al., 1999; entre otros). Es importante mencionar que la utilización de la dimensión fractal está siendo incorporada a los conceptos hidrológicos modernos. Sin embargo, no se han encontrado trabajos relacionados con el análisis de

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paisaje erosivo a diferentes escalas pero se considera que la geometría fractal puede ser una herramienta útil, basados principalmente en el principio de autosimilitud. La metodología elaborada en el presente trabajo se nutre de todos los trabajos recopilados pero es desarrollada ad-hoc teniendo en cuenta la poca información básica sobre extrapolación de metodologías para determinar procesos erosivos en cuenca de montaña, en situaciones con información básica de poca precisión. Se propone la extrapolación de las metodologías aplicadas para determinar unidades de paisaje erosivo y aquélla que considera relaciones simplificadas, las cuales son previamente ajustadas y verificadas a nivel local. Estas dos metodologías utilizan la información básica disponible a nivel regional que tiene con menor precisión a aquella obtenida a nivel local. La base de la extrapolación es lograr la adaptación de los límites de análisis de las variables utilizadas; de este modo se realiza la etapa de discriminación (con los nuevos límites) y la integración según la metodología aplicada a nivel local/ subcuenca. Se concluye con la verificación de la extrapolación, validando la propuesta metodológica global. 6.3

CONCLUSIONES DE LA FORMULACIÓN METODOLÓGICA Y LA PRUEBA DE CONCEPTO

Se desarrolló una propuesta metodológica para la determinación del Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME), definiendo grados de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos, según se detalló en el Esquema Metodológico presentado en el Gráfico 4.2 del Capítulo 4. El PECuME contempla niveles espaciales (local/subcuenca y regional/cuenca) y categorías de análisis (unidades de paisaje, morfología y fuentes de sedimentos) que permiten estimar mapas de susceptibilidad a la erosión con distintos grados de precisión y detalle. Los niveles espaciales definen el inicio del estudio en el ámbito local /subcuenca donde se trabaja con las categorías de análisis dependiendo de la precisión de la información básica. Se sugiere realizar el análisis con cartografía temática de precisión mayor al obtenido en escala 1:100.000. Seguidamente se propone transferir las metodologías así ajustadas y verificadas en el ámbito local, a zonas más extensas a nivel regional con información básica de menor detalle (escala 1:100.000 a 1:250.000). Los límites de escala han sido fijados en función de valores típicos de la cartografía disponible en áreas montañosas con información base escasa. La presente tesis está dirigida a este tipo de regiones extensas como es el caso típico de Argentina. El desarrollo de las etapas de implementación, ajuste y verificación de los modelos a nivel local puede ser considerado el usual en este tipo de estudios. Sin embargo, el esquema de desarrollo, estableciendo primero un nivel de unidades de paisaje, los modelos utilizando parámetros morfológicos, para luego definir las fuentes de sedimento por erosión superficial y movimientos de masa, constituye una formulación original para definir el Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas. El método de extrapolación vertical desarrollado requiere disponer de información base en una zona piloto (nivel local), que permite validar la transferencia a través de las escalas. La forma de validación de la extrapolación propuesta en esta tesis es un resultado relevante y novedoso que debe ser remarcado.

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La prueba de concepto se ha realizado en un área importante de la macro-región de la Cuenca del Plata. Se consideró a nivel regional la Cuenca Alta Argentina del Río Bermejo (37.944 km2) que aporta en promedio unos 100 millones de toneladas anuales de sedimento en suspensión al sistema Paraguay-Paraná. La Cuenca del Río Iruya (3.002 km2) fue el área analizada como ambiente local/subcuenca; la misma esta incluida en la Cuenca Alta del Río Bermejo y produce aproximadamente el 40% del sedimento transportado por el Bermejo. Mediante la implementación de la formulación PECuME se han desarrollado los niveles espacial y las categorías de análisis y se han obtenido una variada gama de resultados con distinto nivel de precisión y detalle según lo previsto. En el ambiente local, se implementaron satisfactoriamente los modelos de unidades de paisaje, relaciones simplificadas, umbrales de erosión, degradación específica y estabilidad del territorio. El desarrollo de cada uno de ellos genera resultados con mayor detalle dependiendo del nivel metodológico considerado. Teniendo el ajuste y verificación a nivel local/subcuenca, se desarrolla la extrapolación ascendente tratando de transferir metodológicamente los resultados a nivel regional/cuenca. La precisión de la información de base es la limitante para dicha generalización. Considerando las escalas de análisis propuestas (nivel local mayor que 1:100.000 y nivel regional de 1:100.000 a 1:250.000), la extrapolación se realiza para la definición de unidades de paisaje y relaciones simplificadas. La implementación de la metodología de generalización se ajustó a los lineamientos base propuestos obteniendo resultados satisfactorios. Se verificó la necesidad de disponer de información base de un estudio piloto (nivel local), que permite validar la transferencia a través de las escalas. La forma de validación de la extrapolación es un resultado clave que debe ser remarcado. De este modo se concreta satisfactoriamente la aplicación de la propuesta metodológica PECuME, que define las unidades del paisaje como marco de análisis de los procesos de erosión integrando macroexpresiones de calidad, interacción y dinámica de las unidades territoriales. La misma ha permitido desarrollar la modelación asistiendo el entendimiento del fenómeno de producción de sedimento en áreas de montaña a distintos niveles (espaciales y metodológicos), definiendo la extrapolación ascendente que permita validar estudios a nivel regional, necesaria en el mundo actual de las ciencias de la ingeniería. Sin duda los resultados obtenidos proveen el conocimiento de base para definir estrategias apropiadas de manejo de sedimentos en áreas de montaña, teniendo en cuenta la potencial conservación de los sistemas paisajísticos. 6.4

CONCLUSIONES GENERALES DE LA TESIS

•

Se desarrolló una propuesta metodológica para definir Paisaje Erosivo en Cuencas de Montaña Extensas (PECuME), que trata la determinación de la fragilidad del territorio frente a los procesos de erosión en zonas con información básica de escasa precisión.

•

Se realizó satisfactoriamente una prueba de concepto de la metodología propuesta, definiendo unidades del paisaje erosivo en una importante región Argentina que aporta cerca del 40% de los sólidos en suspensión transportados por el sistema Bermejo-Paraguay-Paraná. De este modo se ha verificado que el avance científico

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obtenido en esta tesis fue trasmitido a una práctica ingenieril de marcado interés nacional. •

Se implementaron y verificaron una variada gama de modelos para la determinación de fragilidad del territorio frente a los procesos erosivos, innovando su aplicación en estudios de zonas montañosas extensas de difícil acceso y con escasa información básica, cumpliendo con los requisitos de la explicación y la predicción del método científico.

•

La generalización de técnicas de transferencia de información/metodologías a través de las escalas es un tema de relevada importancia en la hidrología actual. En esta línea de desarrollo del conocimiento, la presente tesis ha generado una formulación metodológica (con una prueba de concepto) que incluye el análisis multi-escala a nivel espacial del fenómeno erosivo, transfiriendo metodologías con modelos ascendentes.

•

La formulación metodológica presentada tiene carácter de un sistema abierto donde en el futuro se pueden agregar conocimientos/modelos de detalle, a medida que ellos se obtengan. Es importante respetar la etapa de verificación del nuevo análisis (tanto a nivel local como la extrapolación a la región) para asegurar la validez del ajuste.

•

Se ha iniciado la transferencia de los conocimientos obtenidos a la comunidad científica mediante cuatro publicaciones y actualmente se organiza un programa de participación social que incluye seminarios en universidades y encuentros en escuelas de la zona de la Cuenca Alta del Río Bermejo.

•

El presente trabajo de investigación provee el conocimiento base para definir estrategias apropiadas de manejo integrado de cuencas de montaña y tiene la intensión primaria de mostrar la necesidad de exigir rigurosidad científica a los trabajos realizados a nivel regional.

6.5

RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Recomendaciones •

La definición de los límites de la extrapolación debe ser siempre analizada en detalle. Se debe reconocer la validez de los resultados obtenidos con distinta precisión.

•

Es fundamental que la comunidad científica pueda trasmitir a los órganos de decisión, la necesidad de validar las metodologías implementadas con una rigurosidad que permita confiar en los futuros lineamientos de manejo integral de cuencas.

Trabajos Futuros •

Dado que la formulación metodológica presentada tiene carácter de un sistema abierto, se pueden implementar nuevos modelos de análisis respetando el esquema general de estudio a nivel local y regional, realizando siempre la validez del ajuste y extrapolación.

•

La línea de investigación que se considera muy interesante es continuar con el análisis de los umbrales críticos para definir los límite admisibles de extrapolación. Esto significa definir las variables significativas para explicar los procesos erosivos

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a distintos nivel de análisis, especialmente los que superan los límites fijados en esta tesis (1:250.000). •

En general para todos los modelos, se debe mencionar que un mejor conocimiento de los fenómenos erosivos en área piloto ayuda al ajuste y verificación de la metodología.

•

En el caso de disponer información de eventos de precipitación, se sugiere incorporar análisis de distribución espacial de saturación del suelo en función de sucesión de eventos hidrológicos extremos, buscando establecer criterios de similitud dinámica asociados a fragilidad del territorio frente a procesos erosivos.

•

Puede ser de interés considerar líneas alternativas de análisis de extrapolación a través de escalas, que han sido desarrolladas en distintos ambientes científicos (ej. geometría fractal).

•

Recopilar información base con mayor detalle que permita validar metodologías que cuantifiquen la producción/transporte de sedimentos en cuencas de montaña.

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7.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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AGNPS: AGricultural Non-Point Source model Introduction to AGNPS AGNPS-GRASS Interface Source Code (96K), Sample Data (62K), required Auxillary Program (7K) References The primary authors of the AGNPS-GRASS interface are Raghavan Srinivasan and Bernie Engel . The text describing the interfac 1/28/2001 http://soils.ecn.purdue.edu/~aggrass/agnps

AGNPS-GRASS Interface AGNPS-GRASS Interface There are three basic modules in AGNPS-GRASS: r.agnps.input , r.agnps.run , and r.agnps.viz . Each of these are discussed in detail below. Input Interface AGNPS Model Output Interface 1/29/2001 http://pasture.ecn.purdue.edu/~aggrass/models/agnps/interface.html

AGNPS: Register of Ecological Models General Model Information Name: Agricultural Non-Point Source pollution model Acronym: AGNPS Main medium: terrestrial Main subject: hydrology, biogeochemistry Organization level: landscape Type of model: not specified (2D) Main application 9/20/2000 http://www.wiz.uni-kassel.de/model_db/mdb/agnps.html

CLIMATE CHANGE AND SOIL EROSION CLIMATE CHANGE AND SOIL EROSION URL http://www.wspc.com.sg/books/environsci/p154.html

CORINE COORDINATION OF INFORMATION ON THE Ref. No. ENVIRONMENT 2 1280 CORINE COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES ENV 8/26/1996 http://www.gsf.de/UNEP/corine.html

EPIC - Register of Ecological Models General Model Information Name: Erosion-Productivity Impact Calculator Acronym: EPIC Main medium: terrestrial Main subject: biogeochemistry, hydrology Organization level: landscape Type of model: not specified Main application: research Keywor 10/5/2000 http://www.wiz.uni-kassel.de/model_db/mdb/epic.html

Erosion Control – Official Journal of the International Erosion Control Association. http://www.forester.net/ec.html

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EUROSEM - European soil erosion model School University. The European Soil Erosion Model (EUROSEM) is the result of European Commission funded research involving scientists from Europe. URL: http://www.silsoe.cranfield.ac.uk/eurosem/eurosem.htm

Fito J., Marauri, P y Merino A. Aplicaciones de los SIG en los estudios geomorfológicos y medioambientales: El Mapa Sintético de Riesgos Potenciales y El Mapa de Erosión. http://200.10.250.34/eswww/fulltext/publica/manevarp/eprfig38.htm

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LISEM Homepage Welcome to the LISEM website The LImburg Soil Erosion Model (LISEM) is a physically-based soil erosion model, which can be used for research, planning and conservation purposes in drainage ba 12/29/2000 http://www.frw.ruu.nl/lisem http://www.geog.uu.nl/lisem

MEDALUS I http://www.medalus.leeds.ac.uk/medalus.html

MEDALUS III MEDALUS III This version of the medalus pages expects a frame capable browser. If your browser is pre-frame go to the frameless version Summary: MEDALUS III is an international research project to investigate the effects of desertification on land 12/1/1999 http://www.cost623.leeds.ac.uk/

MEDRUSH en HydroGIS96. http://medalus.leeds.ac.uk/leeds/austria.html

Nearing M.A. and A.D, Nicks (1997) Evaluation of the water erosion prediction project (WEPP) model for hillslopes. http:/soils.ecn.purdue.edu/~nearing/oxford.htm.

SHALSTAB Download (zip file with code and documentation for use with ArcView) Preface Background Conceptual Framework Theory Application Testing Prescriptive Use Conclusion References 6/7/2000 http://garnet.berkeley.edu/~geomorph/shalstab

Soil Erosion Technology http://soils.ecn.purdue.edu/~wepphtml/wepp/wepptut/jhtml/prevtch.html en esta pagina estan todos los modelos: USLE Universal Soil Loss Equation RUSLE Revised Universal Soil Loss Equation CREAMS A field scale model for Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems EPIC Erosion/Productivity Impact Calculator SWRRB Simulator for Water Resources in Rural Basins ANSWERS Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulator AGNPS Agricultural Nonpoint Source Pollution Model

SWRRB: Description of SWRRB-WQ (Simulator for Water Resources in Rural Basins) TITLE: Simulator for Water Resources in Rural Basins-WQ (SWRRBWQ) IDENTIFICATION NUMBER: EPA 823-C-94-002. ABSTRACT.URL http://www.epa.gov/docs/SWRRB_WINDOWS/metadata.txt.html

SWRRB SWRRB. The SWRRB model provides the efficient computation of sediment yield from small to large, complex watersheds. As a modification of CREAMS URL: http://soils.ecn.purdue.edu/~wepphtml/we...html/swrrb.html

SWRRB SWRRBWQ. Soil and Water Integrated Model. Simulate hydrologic, sedimentation, and nutrient and pesticide transport in a large, complex rural URL: http://web.aces.uiuc.edu/sriit/watershed/model/SWRRB.htm

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SWRRB - Simulation for Water Resources in Rural Basins, Windows Simulation for Water Resources in Rural Basins, Windows (SWRRB) Description of SWRRB-WQ (Simulator for Water Resources in Rural Basins) (Text to HTML) Simulator for Water Resources in Rural Basins(SWRRB),Windows Interface(swrrb1.zip) 7/20/1999 http://www.epa.gov/docs/SWRRB_WINDOWS

WEPP Water Erosion Prediction Project (WEPP) model http://topsoil.nserl.purdue.edu/nserlweb/weppmain/wepp.html EROSION: NSERL: USDA-ARS National Soil Erosion Research Laboratory: redirect 11/22/2000 http://spc3.ecn.purdue.edu/weppmain/wepp.html

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