APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA PARA PLANIFICAR CUENCAS HIDROGRÁFICAS1

Alirio Aldana B² y Carlos A. González M³

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.

RED NACIONAL DE CONSERVACIÓN DE SUELOS Y AGUAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AGRÍCOLA

ABSTRACT

The proposal methodology combines three known quantitative models namely Universal Soil Loss Equation (USLE), runoff Soil Conservation Method (Curve Number) and Water Balance. They were used in order to evaluate the current state of natural resources of the municipality of Chaguani (Cundinamarca-Colombia), as well as to stablish future development.

It is was taking into account climatic spatial and time variation, Soill relief, surface water resource, spatial variation and Zone’s common products. The information was input into the Geographic Information data bases as map and relational data bases by using the geographic Information System ARC/INFO™ combined with the AUTOCAD™ and ACCESS™ software. The procedure implied the data input of:

Basin boundaries, Soil, Climatic and hydrological information, in order to build the topology and to be connected to the relational data base. Afterwards were analysed different scenarious of current and future agricultural development proposals.

Henceforth, it was used some tools from the ARC/INFO™ such as map algebra, surface funtions, operations among those maps, etc. In order to carry out the procedure were implemented different AML (Arc Macro Language) programs.

Finally it was obtained: the Map: of recommended conservation Practices, monthly water balance maps proposed and current soil use, maps of escorrentia monthly and annual runnoff for proposed and current use, growth crop maps for proposed current soil use, Digital Terrain Model. Finally an adaptability map for soil use was produced for the entire region.

Key Words: Basins planning, runnoff, Agricultural Planning using GIS.

1. RESUMEN

El presente trabajo desarrolla una propuesta metodologica que combina tres conocidos modelos cuantitativos implementados a través de AML: La ecuación Universal de Perdida de Suelo USLE⁴, el de escorrentia por Curva Número⁵ y el modelo de Balance Hídrico⁶, para cuantificar el estado actual de los recursos naturales del municipio de Chaguaní (Cundinamarca - Colombia) y deducir su comportamiento futuro ante posibles cambios de ordenamiento del territorio y de sus actividades productivas. Para tal efecto se consideró la variación espacio/temporal de los elementos climáticos, edáficos, relieve , recurso hídrico superficial y actividades productivas, implementando bases de datos geográficas y de atributos, usando el Sistema de Información Geográfica ARC/INFO™ estación de Trabajo y ARCVIEW™.

Se emplearon funciones de Superposición, operaciones de tabla y de redes en formatos vector y raster (con celdas de 50m * 50m); además se trabajaron las funciones de algebra de mapas y de superficie en formato raster. El proceso consistio en hacer un inventario edafoclimático de la cuenca hidrográfica, evaluando las condiciones actuales de pérdida de suelo, impedimentos agroclimáticos de las actividades productivas con los modelos USLE, escorrentía y Balance hídrico. Luego se evaluó la aptitud y adaptabilidad de la cuenca ante los sistemas de producción seleccionados, en función de las características climáticas de la región, obteniendo las zonas de alta adaptabilidad edafoclimática y tambien se determinaron las zonas que requieren protección boscosa para garantizar el equilibrio hídrico de la cuenca.

Los resultados fueron: Mapa de Practicas de conservación recomendadas, mapas de balances hídricos mensuales para uso actual y propuesto, mapas de escorrentia mensual y anual para uso actual y propuesto, mapas de isoperiodos de crecimiento para uso actual propuesto, modelo digital de terreno de la zona de estudio, mapas de adaptabilidad edáfica y climática de 20 cultivos propuestos para el municipio, mapa de adaptabilidad final para uso del suelo con ubicación de reforestación, y uso de suelo agrícola con recomendaciones de practicas de conservación para cada zona.

Palabras Clave: Planificación de cuencas Hidrográficas, conservación de suelos y Aguas, Ordenamiento territorial, Planificación Agrícola utilizando SIG.

2 SITUACIÓN GEOGRAFICA

El municipio de Chaguaní está localizado hacia el noroccidente del departamento de

Cundinamarca (Ver figura 1). Ocupa una extensión aproximada de 14200 ha. Su cabecera municipal se localiza a 4° 57" latitud norte y a 74°36" longitud oeste.

Figura 1. Ubicación geográfica del municipio de Chaguaní.

Figura 2. Metodología General de planeación

3. METODOLOGÍA SEGUIDA PARA LA PLANIFICACIÓN AGROHIDROLÓGICA.

La metodología utilizada en el presente proyecto se basa en la aplicación de conceptos y herramientas SIG a la planificación y ordenamiento territorial con un enfoque conservacionista tomando la cuenca hidrográfica como unidad de planificación. El proceso seguido incluyo definir los objetivos y metas que se pretendieron alcanzar en el análisis,

especificar las capas (coberturas) de datos necesarias para lograr los objetivos y recopilar la información necesaria, posteriormente se digitalizó en autocad la información geográfica y se tabuló en hoja electrónica para ingresar los datos atributo en el SIG ARC/INFO. El proceso completo se muestra en la figura 2.

La información usada para realizar el estudio, incluye aspectos agronómicos, hidrológicos, topográficos, meteorológicos y socioeconómicos. Aspectos geográficos y de atributos fueron obtenidos en entidades del estado como el Insituto de Hidrología Meteorología y

Figura 3. Metodología para Calcular la ETP usando SIG.

estudios Ambientales (IDEAM), Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), Departamento Nacional de Estadística (DANE), Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca (CAR), Comité de cafeteros de Cundinamarca, junto con otros estudios específicos del municipio.

3.1 CÁLCULO DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL EN LA CUENCA (ETo):

La Evapotranspiración Potencial (ETo) fue calculada por el método de Hargreaves y Samani (1985).

ETo = 0.0023 *Ra* TD^0.50 (TºC + 17.8) (1)

Donde:

ETo y Ra en mm de evaporación de agua, TD y T en grados centigrados.

Figura 4. Metodología para calcular la Escorrentia Superficial

Como la radiación solar extraterrestre (Ra) varía mensualmente en función de la distancia relativa al sol , declinación solar, ángulo solar, latitud, se construyeron poligonos de con las estaciones meteorológicas disponibles y se procedió a darle un valor igual de latitud a

cada una de las áreas de los polígonos

La temperatura media mensual se calculó en función de la altura utilizando un modelo lineal de variación con la temeperatura, Rojas et al (1996), Alvarez (1988). Ver ecuación 2. La ecuación utilizada es la misma empleada por Alvarez (1988).

T(° C) = 28.97 - 0.0063 * h (2)

Donde T(° C) es la Temperatura media anual en grados centigrados y h se obtiene del DEM desarrollado. A través de esta ecuación se procedió a asignarle a cada celda de 50*50m el valor correspondiente a la temperatura mediante el módulo GRID.

3.2 CÁLCULO DE ESCORRENTÍA

Se procedió a obtener la escorrentía mediante el método del SCS USA (1972), citado por Ritzema, 1994, para ello se obtuvieron los mapas de Cobertura del Suelo, Practicas de conservación, grupo Hidrologico de Suelo, condición hidrológica y pendientes, posteriormente se realizó un álgebra de mapas y se obtuvo el valor de la curva número (CN) con condición de humedad antecedente II, esta se modificó de acuerdo con la metodología para otras condiciones de humedad segun Bethencourt, (1993).

Después de obtener la curva número se procedió a calcular la infiltración potencial (S), está se halló con información de precipitación máxima en 24 horas, precipitación total mensual y número de días de precipitación del mes. Este cálculo se hizo para precipitación media mensual del 25% 50% y 75% de probabilidad de excedencia y luego usando la ecuación 3 se hallo la escorrentía media mensual. (ver figura 4).

Donde:

Qm75 = Esorrentia mensual para precipitación con el 75% de probabilidad de excedencia.

Qm50 = Escorrentia mensual para precipitación con el 50% de probabilidad de excedencia.

Qm25 = Escorrentia mensual para precipitación con el 50% de probabilidad de excedencia.

3.3 CÁLCULO DEL BALANCE HÍDRICO

En este modelo se asume que en el mes más lluvioso (octubre), el suelo se encuentra en contenido de humedad a capacidad de campo, es decir tiene el total de la capacidad de retención de humedad (CRH), el cálculo se inicia en el mes 11 y se continua nuevamente hasta llegar a este, hallando los déficit, contenido de humedad y excesos por percolación profunda (Martello,1995). Ver figura 5.

3.4.1Mapa de Isoperiodos de Crecimiento: Con el propósito de estimar el periodo de crecimiento potencial para cultivos en la zona de estudio a partir del modelo de balance hídrico se calculó el número de dias en que hay humedad disponible para el desarrollo de cultivos. Posteriormente se generó un mapa de periodo de crecimiento para cada semestre (Febrero a julio y Agosto a enero).

Despues de calcular el balance hídrico climático para el municipio, con el uso del suelo actual y propuesto, se procedió a calcular el balance hídrico agrícola para la opción propuesta, considerando los coeficientes de cultivo para las cuatro fases de desarrollo del

Figura 5. Metodología para calcular el balance hidrico.

cultivo. Y se determino nuevamente el balance hídrico a partir del mes de Enero tomando como humedad del mes de Diciembre la correspondiente a la humedad obtenida del Balance Hidrico Climatico

3.4 CÁLCULO DE ADAPTABILIDAD POR PÉRDIDAS DE SUELO ACTUALES Y POTENCIALES.

Dentro de los factores que gobiernan el proceso de erosión de suelos están la lluvia, la pendiente, el tipo de suelo, la cobertura vegetal y el manejo de la tierra. Para evaluar la pérdida de suelo (comúnmente utilizada en la planeación conservacionista de la tierra), se utiliza la ecuación universal de pérdida de suelo ) Albernethy, (1986).

Donde:

A, es la cantidad de erosión (ton/ha/año)

R, es el índice de erosividad pluvial (KJ*m^-2 /año*mm/hora)

K, es el índice de erodabilidad del suelo (ton* m²*hora/(ha*KJ*mm))

S, es el índice de pendiente

L, índice relacionado con la longitud media de la pendiente en el campo

C, es un índice de la cobertura del cultivo.

P, índice que representa el manejo de tierra o prácticas de conservación.

El proceso va encaminado a determinar la adaptabilidad por pérdida de suelo de los Típos de Uso del Suelo TUT (ver figura 6), para tal efecto se obtuvo por reclasificación un mapa de perdida de suelo permisible T (en función de la profundidad efectiva del suelo) y el mapa de pérdida de suelo en barbecho continuo (RKLS).

El factor R fue tomado de Montenegro et at (1994) el cual fue realizadopara una zona aledaña a la zona de estudio. Posteriormente se calculó el mapa de factor C para el uso actual y propuesto ponderando el factor C tomado de tablas, respecto al % de area de cada típo de cultivo en cada (TUT).

Figura 6. Metodología para calcular las pérdidas de suelo actuales y potenciales.

Para ubicar las posibles prácticas de conservación a realizar, se comparó la pérdida de suelo sin practicas de conservación (R*K*LS*C) contra la perdida de suelo permisible (T) y si la primera superaba a la segunda se adoptó una de las siguientes prácticas individuales o combinadas en función de la pendiente (cultivo en curvas a nivel, cultivo en fajas, terrazas y curvas de nivel), dependiendo de que práctica fue o no necesaria para llevar la pérdida hasta el nivel permisible. Cuando se necesitó utilizar terrazas para disminuir la pérdida de suelo, se recalculó el factor LS necesario para llevar la pérdida a la permisible (Reining et al, 1992).

Si la distancia entre terrazas necesaria para llevar la pérdida de suelo a la permisible, era menor de 10 m se definió que el terreno deberia estar protegido necesariamente con bosque

protector. Finalmente el mapa de pérdidas de suelo para el uso propuesto fue calculado, considerando el factor P correspondiente a la práctica necesaria en cada sitio. El mapa de prácticas de conservación obtenido sirvió como entrada para el modelo de escorrentía.

3.5 CÁLCULO DE ADAPTABILIDAD EDAFOCLIMÁTICA E IDONEIDAD FINAL DE LOS TUT

Con el propósito de establecer la idoneidad potencial del Municipio para la actividad agrícola se adelantó una investigación preliminar de los principales cultivos que actualmente son la fuente de ingresos de sus habitantes (cultivos modales). La información fue tomada de las estadisticas URPA del municipio y de datos conseguidos en la UMATA del Municipio. Esta información permitió revisar el uso actual del suelo y observar los calendarios de siembra y cosecha, como también la variación en areas de siembra y sus producciones.

Establecidos los cultivos modales se identificaron cultivos potenciales, pretendiendo dar alternativas para la diversificación del cultivo de café que últimamente se ha ido reemplazando por pasturas únicamente. La información necesaria para establecer los requerimientos de los TUT con los cultivos identificados fue tomada de TERAN et al (1996) y LOPEZ, A. (1998). Con la base de datos de requerimientos de los TUT así preparada y el inventario Edafoclimático del municipio se preparó un programa en GRID para calcular la idoneidad del municipio para 20 cultivos.

El cálculo de adaptabilidad se hizo por enfrentamiento directo celda a celda de los requerimientos de los cultivos contra la oferta edáfica y climática del municipio. Los parametros usados para realizar la valoración fueron elementos nutrientes (N,P2O5, K, Ca, Mg, Na), pendiente , profundidad efectiva, PH y temperatura .

Luego de obtener un mapa de adaptabilidad para cada cultivo considerando estos parámetros, se preparó un solo mapa (denominado "Adcultivo"), combinando los 20 mapas anteriormente generados. Este mapa se superpuso con el mapa de rondas de protección (en función del número de orden de arroyos).

Seguidamente el Mapa de Adaptabilidad de Cultivos con rondas de protección se superpuso con el Mapa de Bosque propuesto por el Modelo de Pérdida de Suelo. Este mapa así obtenido representa el uso propuesto para explotar adecuadamente el suelo sin deteriorar el medio (Si se realizan las prácticas de conservación y reforestación propuestas).

Luego para poder manejar mejor este mapa en los modelos de pérdida de suelo, escorrentía y Balance Hídrico se reclasificó en Tipos de Uso de Suelo (Cultivos limpios, semilimpios, permanentes, etc.) El mapa así obtenido sirvió como dato de entrada al Modelo de Pérdida de Suelo y Escorrentía para el uso propuesto. Finalmente la adaptabilidad para cultivos se redujo, considerando el período de crecimiento calculado con el Balance Hídrico Agrícola y se preparó un Mapa con la Adaptabilidad de cultivos potenciales para el Municipio con recomendaciones de reforestación, conservación y prácticas de manejo.

Luego del análisis de consistencia y llenado de datos faltantes se obtuviron 3 estaciones con reportes de precipitación y la estación Honda con registros de temperatura (ver tabla 1):

Figura 7. Metodología para calcular la adaptabilidad final de los TUT.

Tabla 1. Estaciones seleccionadas para el estudio.

4.1 VARIACIÓN ESPACIAL Y TEMPORAL DE LOS ELEMENTOS CLIMÁTICOS.

Los métodos utilizados fueron poligonos de thiessen para la precipitación y variación altitudinal para la temperatura.

Figura 8. Variación temporal de la precipitación.

4.1.1 Precipitación:. La distribución espacial de la precipitación media total anual, casi no varia; por ser una zona tan pequeña. Los valores van de 1597 mm/año, hacia el norte en la estación guaduas, hasta 1303 mm/año en la estación Chaguaní, pasando por 1327mm/año, hacia el sur en San Juan. El regimen de lluvia es Bimodal (ver figura 8), presentando cuatro periodos claramente diferenciados. Dos lluviosos de Febrero a Mayo, con precipitaciones por encima de 125 mm/mes y de Septiembre a Noviembre, con valores por arriba de 150 mm/mes y dos periodos secos de Diciembre a enero con precipitaciones menores a 75mm/mes y de Junio a agosto con valores por debajo de 50 mm/mes.

4.1.2 Temperatura: El comportamiento espacial de la temperatura media anual en Chaguaní oscila entre 29 °C hacia el occidente en el rio Magdalena, hasta 17°C hacia el oriente en el cerro de pan de azucar .

Para cada subcuenca (ver figura 9), se determinaron algunas características morfométricas con el proposito de mirar la relación de esta respecto al comportamiento hídrico de la misma. Igualmente se hizo el Modelo Digital de Terreno (DTM) del municipio de chaguaní

La importancia del DTM en este estudio radica en la variación altitudinal de la temperatura y la influencia sobre las pérdidas de suelo que presenta el lugar por sus características de relieve. Este varía desde plano (con pendientes de 0 –3 %) a orillas del rio Magdalena hasta fuertemente inclinado (con pendientes mayores del 75%), en la parte occidental, formada por las veredas Retiro, Melgas, Montefrio, y alguna parte de Pedregal y Bramaderos. Esta gran variación en relieve permitió utilizar el DTM para generar el mapa de longitud de pendiente y mapa de factor LS para ser utilizados en la ecuación USLE.

2. evapotranspiración potencial: La evapotranspiración potencial anual en el municipio de chaguaní, tiene un valor promedio de 2100 mm/año en el valle del rio magdalena (200 m. s. n. m) a 1500 mm/año en la parte occidental sobre los 1800 m.s.n.m, como se muestra en la figura 10.

1. MODELO DE ESCORRENTIA:

Para calcular la escorrentia directa, antes de hacer el balance hídrico, se procedió a implementar el modelo de escorrentia por el método de curva numero del servicio de conservación de suelos de los estados unidos (SCS).

 

Figura 9 Modelo Digital de terreno (DTM) y subcuencas de la zona de estudio

Figura 10. Evapotranspiración potencial anual en mm.

Se utilizó la precipitación con un 75% de probabilidad de excedencia hallando la escorrentia mensual promedio, considerando el año seco, normal y húmedo; igualmente se obtuvo la precipitación efectiva mensual, para ser utilizada en el balance hídrico. Para considerar el efecto en el cambio de almacenamiento de la cuenca, variando el uso del suelo y las prácticas de manejo, fue computada la escorrentía con el uso actual y el propuesto (Ver figura 11). Para hacer esto se cálculó el número de curva en función de las diferentes prácticas de conservación (si existen o no), clase hidrológica del suelo, uso actual o potencial del suelo, condición hidrológica, pendiente y humedad del suelo en los cinco dias antecedentes de lluvia.

2. MODELO DE PÉRDIDA DE SUELO:

El objeto de este modelo es valorar la restricción por pérdida de suelo para la producción de cultivos, para tal efeco se cálculó la pérdida de suelo potencial en barbecho continuo (figura 12) y la perdida de suelo permisible en función de su profundidad efectiva. El mapa de perdidas en barbecho continuo se multiplicó por el factor c ajustado de tablas, en función del uso (actual y propuesto), generando el mapa de pérdida actual de suelo y pérdida para uso propuesto (figura 14).

Con los anteriores mapas se estableció el criterio para ubicar practicas de conservación de suelos en función de la pendiente y el típo de cultivo (figura.13). Cuando la pérdida de suelo era menor que la permisible no se propuso práctica de conservación, pero cuando la pérdida actual o para uso propuesto superaba la permisible se adoptó en orden de prioridad curvas a nivel, cultivo por fajas, terrazas y cultivo en curvas a nivel entre terrazas y por último cuando la pérdida de suelo era grande, aun con práctica de conservación se propuso que el terreno deberia estar protegido por bosque para reducir las pérdidas de suelo al mínimo.

Figura 11. Variación espacial de la escorrentía anual actual y para el plan propuesto

Figura 12. Pérdidas de suelo en barbecho continuo R*K*L*S en Ton/ha/año.

Figura 13. Prácticas de conservación de suelos recomendada para el uso propuesto

3. MODELO DE BALANCE HÍDRICO:

El balance hídrico se realizó con la precipitación efectiva calculada con el modelo de escorrentia y produce la variación espacial y temporal de los excesos por percolación profunda para el estado actual y uso propuesto, contenido de humedad actual y uso propuesto y deficit actual y para uso propuesto. Adicionalmente se calculo el coeficiente Kc como la relación de evapotranspiración real (ET) a la Potencial(ETo), para uso actual y uso propuesto. Para agilizar los cálculos se escribió un macro en el módulo grid.

Para mirar el comportamiento espacial y temporal más aproximado de los anteriores parámetros, para los cultivos del plan propuesto, se hizo un balance hídrico agrícola, considerando cuatro fases de desarrollo del cultivo (establecimiento, desarrollo, floración , madurez y finalización del periodo vegetativo) para los cultivos semestrales(Máiz, tomate frijol), Cultivos comerciales(Algodón, sorgo) y un coeficiente promedio para los demas cultivos. Por último el balance hidrico calculo el periodo total de crecimiento, para los dos semestres agrícolas identificados(febrero a Julio y Agosto a Enero) para el estado actual, y para estado con uso de suelo prpopuesto.(figura 15).

Figura 14. Perdida de suelo actual y para uso propuesto en Ton/ha/año.

Figura 15.Distribución espacial del periodo de crecimiento en regimen de secano en los dos semestres agrícolas del municipio.

4. MODELO DE VALORACIÓN EDAFOCLIMÁTICA DE CULTIVOS:

El proposito del estudio fue planear desde el punto de vista biofísico el municipio, tratando de dar pautas para la correcta utilización de los recursos sin deteriorar el medio ambiente, pero propiciando un desarrollo socioeconomico de la región. Considerando que el municipio es netamente agrícola se implementó una valoración de adaptabilidad agrícola para 20 cultivos seleccionados. Para agilizar los cálculos se preparo un programa AML en el modulo GRID, y se agrupo la valoración por nutrientes, Pendiente, profundidad efectiva, Ph y temperatura. Finalmente combinando estas valoraciones parciales se obtuvo la valoración general para cada uno de los 20 cultivos (Figura 16)

Posteriormente los mapas de valoración general de cada cultivo se combinaron en el módulo GRID con el comando COMBINE. Este mapa fue reclasificado en el módulo GRID para 14 clases de cultivos. Para mejorar la condición hidrologica del municipio, fue

Figura 16. Valoración general edafoclimática para los 20 cultivos analizados.

superpuesto sobre este mapa el grid de rondas de protección generados alrededor de arroyos. Para localizar bosque protector por restricciones ambientales, a partir del modelo

de pérdida de suelo fue generado el mapa de bosque, necesario para disminuir las pérdidas de suelo a un nivel aceptable en los sitios donde por ninguna práctica de conservación se puede disminuir la pérdida y no es recomendable tener cultivos. El mapa final generado de los anteriores análisis se puede ver en la figura 17.

Figura 17. Propuesta de ordenamiento, uso y manejo del territorio en la cuenca hidrográfica de Chaguaní.