1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015

SEDIMENTOS DE LOS RÍOS PILCOMAYO Y BERMEJO EFECTO DEL CAMBIO CLIMÁTICO Irigoyen, Martín; Spalletti, Pablo; Brea, Daniel; Kazimierski, Leandro Laboratorio de Hidráulica - Instituto Nacional del Agua (INA). Ezeiza, Argentina (C.P. 1804) e-mail: [email protected]

Introducción Los ríos Pilcomayo y Bermejo forman parte de extensa cuenca del Plata. Ambos tienen sus nacientes en el noroeste de Argentina y sur de Bolivia donde, debido a una combinación de factores climáticos, topográficos y ambientales, la generación de sedimentos debida a la erosión superficial es muy alta. Como consecuencia de ello, las tasas de transporte que presentan ambos cursos de agua son también particularmente elevadas, con valores que superan las 100 millones de toneladas anuales.

Los factores climáticos, tales como la temperatura y la precipitación, pueden afectar de forma directa o indirecta a los fenómenos de generación y transporte de sedimentos. En este sentido, el objetivo del presente trabajo consiste en realizar una estimación de la cantidad de material que se genera en las extensas cuencas de aporte de los ríos Pilcomayo y Bermejo, y evaluar los efectos directos en dicho fenómeno, de las variaciones en los parámetros de temperatura y precipitación atribuibles al Cambio Climático. Los fenómenos sedimentológicos y geomorfológicos tienen una relevancia ineludible a la hora de planificar y gestionar la utilización del recurso hídrico en Latinoamérica debido a las particulares características geográficas y climáticas de la región. En este sentido, la determinación de una proyección futura de las tasas de generación de sedimentos de los ríos Bermejo y Pilcomayo resulta de trascendental interés, y se considera como un aporte relevante al conocimiento de los procesos involucrados, así como también para evaluar las afectaciones que generan los enormes volúmenes de material sólido trasportado por dichos cursos de agua en las intervenciones sobre los ríos de la cuenca del Plata.

Metodología A los efectos de estimar tendencias en los procesos de erosión superficial en la Cuenca alta del Plata, en el presente trabajo se ha aplicado una metodología basada en técnicas GIS. Mediante esta metodología se han estudiado los escenarios climáticos presente y futuro (Cambio Climático) de la tasa de generación de sedimentos. Dichos escenarios futuros consideran cambios en las variables climáticas pero mantienen constantes aquellos relacionados con el uso del suelo.

Ilustración 1- Ubicación de las cuencas

La producción de sedimentos a nivel de cuenca puede estudiarse de manera distribuida mediante diversas metodologías. En particular, la zona de estudio se caracteriza

1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015 por presentar zonas de alta pendiente por lo que, para su análisis, se optó por utilizar la expresión de Gavrilovic, desarrollada para zonas montañosas y que ha sido aplicada con buenos resultados en esta región de Latinoamérica (Brea et al., 1999).

Dónde: O = perímetro de la cuenca [km].

La metodología semi-empírica de Gavrilovic (Gavrilovic, Z., 1988) permite calcular el volumen de sedimentos producido por erosión superficial que es transportado a la sección de cierre de la cuenca (G), como el producto de la producción media anual de sedimento por erosión superficial (W) y del coeficiente de retención de sedimentos (R). [1] La expresión para determinar el volumen promedio anual erosionado de sedimento es: [2]

D = diferencia de nivel media en la cuenca [km]. D = Dm - Dc Dm = cota media de la cuenca Dc = cota mínima de la cuenca Li = longitud total de los afluentes fluviales laterales [km]. L = longitud de la cuenca por el talweg del cauce principal [km]. F = superficie de la cuenca [km²].

Dónde: T = coeficiente de temperatura, que se obtiene de: [3] t = temperatura promedio anual [°C]. h = precipitación media anual [mm/año]. F = superficie de la cuenca [km²].

Para aplicar la metodología de Gavrilovic de forma distribuida fue necesario, en primera instancia, generar un modelo digital del terreno (DEM) que involucró la totalidad de la superficie perteneciente a las cuencas altas de los ríos Pilcomayo y Bermejo. Para ello, se ha utilizado como información de base las elevaciones SRTM, con una resolución de 90m en el tamaño de celda. A partir del DEM, se delimitaron automáticamente las cuencas y subcuencas de aporte, así como también las longitudes de los cauces principales y tributarios.

Z = coeficiente de erosión, cuya expresión es: [4] X = coeficiente de uso del suelo. Y = coeficiente de resistencia del suelo a la erosión. φ = coeficiente que evalúa los procesos erosivos observados. I = gradiente de la pendiente superficial [en %]. Los valores de X, Y y φ son coeficientes que representan, respectivamente, el grado de protección del suelo dado por la vegetación y la intervención antrópica, el grado de erodibilidad del suelo y los fenómenos erosivos observados. En la metodología, el coeficiente R indica la relación entre el volumen de sedimento que efectivamente pasa por la sección de cierre de la cuenca y el volumen total de material producido por erosión superficial. La expresión para el coeficiente de retención de sedimentos es la siguiente (Zemlijc, 1971):

También se construyeron mapas que reflejan la distribución espacial de los parámetros X, Y, φ y la pendiente I, en las cuencas de estudio: El parámetro X, de cobertura vegetal y uso del suelo, se obtuvo a partir de la interpretación de imágenes satelitales LANDSAT 5. Los valores de los coeficientes φ e Y, que representan respectivamente los fenómenos de erosión observados y la susceptibilidad de los suelos a la erosión, surgieron de la información contenida en los mapas de suelos de la región. Finalmente, los valores de pendiente I y los parámetros fisiográficos de la cuenca que intervienen en el cálculo del coeficiente de retención R, se calcularon automáticamente para el DEM construido mediante herramientas GIS. Los valores de precipitaciones medias anuales y de temperaturas medias anuales para el escenario presente se calcularon para toda la cuenca interpolando las isohietas e isotermas en la totalidad de la superficie de las cuencas de análisis. Una vez definidos los mapas de cada uno de los parámetros que intervienen en el cálculo, se aplicó la metodología de Gavrilovic de forma distribuida, obteniéndose los volúmenes

1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015 generados de sedimento debidos a la erosión superficial, a nivel de subcuenca (W), y los parámetros de retención R de las mismas. Multiplicando los resultados de W y R correspondientes, se obtuvo el volumen de sedimentos que, se estima, es transportado por la red de drenaje a la salida de cada subcuenca (G). Los valores totales de G atribuibles a las cuencas altas de los ríos Pilcomayo y Bermejo surgieron como la suma de los valores de G correspondientes a las subcuencas que las conforman. Posteriormente, se aplicaron modelos climáticos regionales a efectos de estimar los cambios esperables en las distribuciones de temperatura y precipitación para el escenario futuro, y las consecuencias de dichos cambios en la producción de sedimentos de las cuencas estudiadas. Los modelos climáticos regionales (RCMs) son herramientas complementarias que permiten realizar modelaciones detalladas de procesos regionales y locales, utilizando los resultados de modelos climáticos globales (GCMs) como condiciones de borde. La aplicación de RCMs con resolución horizontal del orden de 50 km permite generar información adicional a la que surge de la implementación de modelos globales, en especial en regiones en las que los procesos climáticos locales son dominantes (por ejemplo, en las cuencas altas de los ríos Pilcomayo y Bermejo el mecanismo dominante es la precipitación orográfica). Con el objeto de evaluar el impacto del Cambio Climático en la cuenca alta del Plata (cambios en la precipitación y la temperatura), se ha utilizado una nueva serie de simulaciones de RCMs sobre Sudamérica disponibles en la base de datos del proyecto CLARIS-LPB. Los modelos climáticos regionales utilizados fueron: PROMES (Castro et al., 1993): GCM: HadCM3. LMDZ (Li, 1999; Hourdin et al., 2006): GCMs: ECHAM5 e LMDZ RCA3 (Samuelsson et al., 2011): GCMs: ECHAM5-1, ECHAM5-2 y ECHAM5-3. Se han utilizado las simulaciones del IPCC AR4 para los modelos climáticos regionales, considerando el escenario de emisiones A1B. Los resultados a futuro fueron agrupados en períodos de tiempo de 30 años: 2011-2040 (Futuro cercano), 2041-2070 (Futuro intermedio) y 2071-2100 (Futuro lejano); y en una serie completa 1960-2100. La Ilustración 2 muestra los campos de temperaturas observados en el período 1961-1990 y simulados mediante los modelos seleccionados. En comparación con los datos observados, los RCMs tienden a generar gradientes de temperatura mayores en las zonas de montaña.

Ilustración 2- Campos de temperatura para los modelos y la serie de datos observados1961-1990

Al comparar los resultados simulados de la Ilustración 3 con la información disponible respecto de la distribución de precipitaciones, se observa que la mayoría de los modelos logró localizar las máximas precipitaciones en las cuencas de forma consistente. Sin embargo, ningún modelo simula correctamente la extensión de dichas zonas de elevadas precipitaciones. La precipitación anual acumulada simulada,

1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015 en el área de mayores lluvias, se considera aceptable. En este punto cabe destacar que el mapa de precipitaciones observadas fue construido con la información disponible que, dada la extensión y la compleja topografía de las cuencas resulta muy

Resultados En la Ilustración 4 se han graficado los valores de producciones medias, para los períodos considerados, con los distintos modelos climáticos evaluados. En primer lugar, se observa que, para el futuro cercano, la tendencia es a mantener los valores de producción de sedimentos actuales, mientras que en el futuro intermedio existe una leve tendencia decreciente en la cuenca del Bermejo y más fuerte en la cuenca del Pilcomayo. Por último, en el futuro lejano, la tendencia se revierte y la mayoría de los modelos evaluados indica aumento en la producción en la cuenca del Bermejo, y mantención de las tasas actuales de producción de sedimentos en la cuenca del Pílcomayo. A medida que se analizan escenarios más lejanos en el tiempo, la dispersión de los resultados aumenta para ambas cuencas en forma semejante. Con los promedios anuales de temperatura y precipitación de 3 RCMs se construyeron series temporales de producción de sedimentos en ambas cuencas (Ilustraciones 5 y 6). Se observa en los resultados una marcada correlación entre las precipitaciones medias anuales y la tasa de generación de sedimentos anula para la cuenca del río Pilcomayo (Ilustración 7). En el caso de la cuenca del río Bermejo existe una mayor dispersión atribuible a las variaciones en la distribución espacial de las precipitaciones.

Conclusiones Los cambios en las forzantes meteorológicas de temperatura y precipitación atribuibles al cambio climático se manifiestan en una variación de las tasas de producción de sedimentos en los ríos Pilcomayo y Bermejo. Los resultados obtenidos mediante la implementación de los modelos climáticos regionales adoptados muestran una tendencia a mantener las tasas actuales en los próximos 30 años y una disminución para el período 2041 al 2070 en ambas cuencas, aunque de mayor importancia para la cuenca del Pilcomayo. En un escenario de futuro lejano, se observa una ligera tendencia hacia un aumento en las tasas de generación de sedimentos para el Bermejo y una tendencia constante en el río Pilcomayo. En este trabajo no se ha estudiado el efecto del cambio en la variable “uso del suelo”. Spalletti y Brea (2006) estudiaron la sensibilidad del modelo empleando también la metodología de Gavrílovic, ante cambios en la cobertura vegetal del terreno, concluyendo que la producción de sedimentos de una de las cuencas estudiadas (Bermejo) puede verse afectada de manera significativa ante cambios en la vegetación de la zona.

escasa. Ilustración 3- Precipitaciones para los modelos y para la serie de datos observados 1961-1990

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Ilustración 3-- Producción media anual de sedimentos Pilcomayo Ilustración 2- Producción media anual de sedimentos Bermejo

1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015 HOURDIN, F., MUSAT, I., BONY, S., BRACONNOT, P., CODRON, F., DUFRESNE, J.L., FAIRHEAD, L., FILIBERTI, M.A., FRIEDLINGSTEIN, P., GRANDPEIX, J. Y., KRINNER, G., LEVAN, P., LI, Z.X., LOTT, F. (2006). The LMDZ4 general circulation model: climate performance and sensitivity to parametrized physics with emphasis on tropical convection, Climate Dynamics, Ed.Springer Berlin, Vol. 27, Núm. 7, pp. 787-813. SAMUELSSON P, JONES C, WILLEN U, ULLERSTIG A, GOLLVIK S, HANSSON U, JANSSON C, KJELLSTROM E, NIKULIN G, WYSER. K (2011) The Rossby Centre Regional Climate Model RCA3: Model description and performance. Tellus 63A. doi:10.1111/j.1600-0870.2010. 00478.x SPALLETTI, P.D., BREA, J.D., (2006). Efecto de cambios de la cobertura vegetal en la producción de sedimentos. Caso de la Alta Cuenca del río Bermejo. III Congreso Iberoamericano sobre Control de la Erosión y los Sedimentos (CICES 2006). Buenos Aires, Argentina, 9-11 de agosto. Ilustración 4- Relación entre la producción anual de sedimentos y la precipitación media anual en a) cuenca del río Bermejo y b) cuenca del río Pilcomayo

Referencias BREA, J.D., SPALLETTI P., BUSQUETS M., (1999); Generación y transporte de sedimentos en la Alta Cuenca del Río Bermejo. Impacto en el Sistema Paraguay-Paraná-Río de la Plata, y el Delta del Paraná. Programa Estratégico de Acción para el Desarrollo Sustentable de la Cuenca del Río Bermejo, Fondo para el Medio Ambiente Mundial – FMAM (Global Environmental Fund - GEF), OEA. Instituto Nacional del Agua y del Ambiente – Laboratorio de Hidráulica y del Ambiente, Informe LHA 177-04-99. CASTRO M, FERNANDEZ C, GAERTNER M.A. (1993) Description of a meso- scale atmospheric numerical model. In: Diaz JI, Lions JL (eds) Mathematics, climate and environment (ISBN: 2-225-84297-3), Masson, p 273. GAVRILOVIC, Z. (1988) The use of an empirical method (erosion potential method) for calculating sediment production and transportation in unstudied or torrential streams. Paper presented at the international conference on river regime Institute for the Development of Water Resources, ‘‘Jaroslav Cerni’’, Belgrade LI, L. (1999). Ensemble Atmospheric GCM simulation of climate interannual variability from 1979 to 1994, Journal of Climate, 12, pp. 986–1001.

ZEMLJIC, M. (1971) Calcul du debit solide. Evaluation de la vegetacion comme un facteurs antierosif (Calculation of sediment load. Evaluation of vegetation as anti-erosive factor). Paper presented at the international symposium interpraevent, Villach (Australia) LEVI, E. Tratado elemental de hidráulica. Segunda edición. Jiutepec, México: Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, 1996, 303pp.