Comportamiento de la precipitación, intercepción y escurrimiento en una microcuenca de clima semiárido
Rainfall, interception and runoff
behavior in a semiarid microbasin
RESUMEN.
Con el propósito de conocer la dinámica
del proceso lluvia-escurrimiento en una cuenca natural de zona
semiárida, se realizó el monitoreo de la
precipitación y escurrimiento durante los periodos de
lluvia de los años 2005 y 2006 en la microcuenca "La
Barreta" ubicada en el Estado de Querétaro. De la misma
manera, se midió la intercepción ocurrida durante
cinco eventos de lluvia en el bosque de encinos
Quercus aff. castanea
presente en la microcuenca. En los resultados obtenidos
puede observarse que el periodo de lluvias se desarrolla entre
los meses de junio y octubre, y las láminas de
precipitación oscilan entre 0.3 y 56.6 milímetros,
presentando intensidades medias por evento menores a 6 mm/h. En
cuanto a su duración se observó que ésta es
muy variable ya que va desde los 10 hasta los 400 minutos. En el
caso de los escurrimientos, estos presentaron gastos pico en un
rango que va desde los 5 hasta los 1555 l/s, con un tiempo al
pico entre 0 y 260 minutos, mientras que los volúmenes de
escurrimiento ocurridos variaron entre 146 y 14,800
m3 con una tendencia a la ocurrencia de
volúmenes menores a 2500
m3.
En cuanto a la instrumentación utilizada se
observó que la intercepción puede variar desde 0
hasta 80% de la precipitación incidente a nivel puntual, y
entre 36 y 42% a nivel de cuadrante de muestreo.
Palabras clave: Precipitación,
intercepción, escurrimiento, microcuenca, clima
semiárido.
1.
INTRODUCCIÓN
Los estudios hidrológicos se basan frecuentemente
en cuencas experimentales donde se controlan las entradas
(precipitación, principalmente) y las salidas
(escurrimiento, evaporación, etc.), permitiendo valorar
los efectos de diferentes escenarios y las relaciones existentes
entre las variables involucradas (Serrano et al., 2005).
Las características climáticas, la
litología, las pendientes y la cubierta vegetal explican
gran parte de las diferencias de régimen
hidrológico entre cuencas, aceptándose hoy en
día que la vegetación y los usos del suelo son
responsables en gran medida de la cantidad y la calidad de los
recursos hídricos, y que los cambios que introduce el
hombre provocan alteraciones muy rápidas en el
régimen hidráulico y fluvial (Beguería
et al., 2003; Brown et al., 2005; Viramontes
et al., 2006).
Las zonas áridas y semiáridas ocupan en la
actualidad casi dos quintas partes de la superficie total de los
continentes y representa la base para el desarrollo de mas de mil
millones de personas (Reynolds, 2001; citado por Maestre, 2002).
Estas zonas se caracterizan por una alta variabilidad interanual
en la cantidad y distribución de las precipitaciones y la
presencia de lluvias torrenciales en cortos periodos de tiempo
(De Luis, 2000; citado por Maestre, 2002; García, 2006),
lo cual obliga a estudiar de forma detallada el funcionamiento
hidrológico de las cuencas de este tipo de zonas, en donde
juega un papel importante la precipitación, la
intercepción y el escurrimiento.
El estado de Querétaro, por su ubicación
en el parteaguas continental, su orografía,
climatología y la confluencia de las regiones
fisiográficas que comprende, tiene un alto nivel de
fragmentación natural de sus ecosistemas. Adicionalmente,
la presión sobre dichos ecosistemas es muy fuerte debido
al crecimiento poblacional y al estado de desarrollo actual. Los
recursos agua, suelo, así como los recursos forestales
están muy deteriorados en la zona sur del estado y se
encuentran bajo fuertes presiones en el área centro y
norte (Domínguez, 2002). Por esta razón el presente
trabajo tiene como objetivo estudiar el comportamiento
hidrológico de la microcuenca La Barreta, ubicada en el
Estado de Querétaro, a partir del monitoreo de variables
como lo son la precipitación, la intercepción y el
escurrimiento, las cuales serán la base para el desarrollo
futuro de procesos de modelación relacionados con el papel
que juega el bosque en procesos hidrológicos como la
relación lluvia-escurrimiento.
2. MATERIALES Y
MÉTODOS
2.1. Área de
estudio
La microcuenca "La Barreta" forma parte de la cuenca
Santa Catarina, que se encuentra ubicada en la Delegación
Santa Rosa Jáuregui en el municipio de Santiago de
Querétaro. Se localiza en la parte Noroeste entre las
coordenadas geográficas 20° 30' y 20° 54' de
latitud Norte y 100° 17' y 100° 36' de longitud Oeste
(Fig. 1). La microcuenca La Barreta se ubica también
dentro de la región hidrológica número 12
Lerma-Chapala.
La microcuenca esta conformada principalmente por
lomeríos y sierras. Litológicamente se compone de
conglomerados, calizas, esquistos y de rocas ígneas
extrusivas, siendo estas últimas las más
predominantes. Las elevaciones extremas de la microcuenca son
2100 y 2600 msnm. El clima predominante es templado, semiseco;
caracterizado por un verano cálido. La temperatura media
es de 18°C. Los meses más calurosos son mayo y junio,
con temperaturas máximas de 36°C y los más
fríos son diciembre y enero que registran una temperatura
mínima promedio de 3°C.
Dentro de la microcuenca se encuentran presentes
fragmentos de seis tipos de vegetación, entre ellas,
algunas de las áreas mejor conservadas de matorral
crasicaule y bosque de encinos del municipio de Santiago
de Querétaro. Se destaca la presencia de encinos
Quercus aff. Castanea y Quercus aff.
laeta en las partes más altas, formando un dosel
de hasta 8 metros de altura. Las especies arbóreas
asociadas son poco frecuentes y se pueden mencionar al
tepozán (Buddleja cordata) y al granjeno
(Condalia mexicana). Además, se pueden encontrar
especies como el huizache chino (Acacia schaffneri),
mezquite (Prosopis laevigata), tepehuaje (Senna
polyantha), ocotillo (Dodonaea viscosa), maguey
(Agave salmiana), nopal hartón (Opuntia
hyptiacantha), biznaga de huamiche (Ferocactus
histrix) y biznaga de chilitos (Mammillaria
magnimamma), entre otras.
Fig. 1 Ubicación del área
de estudio
2.2. Monitoreo de la
precipitación, intercepción y
escurrimiento
El monitoreo de la precipitación se
realizó de manera continua desde el mes de julio de 2005
hasta el mes de septiembre de 2006 con intervalos de 10 minutos.
Para ello, se instaló una red de 3 pluviógrafos
digitales de flujo continuo de la marca WatchDog, los cuales
mantuvieron un tiempo de operación sincronizado durante su
funcionamiento.
Para el monitoreo del escurrimiento se construyó
una obra de control la cual consiste de un vertedor compuesto del
tipo triangular-rectangular. La sección triangular
presenta una escotadura de 128°, una longitud de cresta de
3.0 m y un tirante máximo de 0.75 m, mientras que la
sección rectangular tiene como características: 7.0
m de longitud de cresta y 1.10 m de tirante máximo.
Además se instaló un sensor de niveles de la marca
global water, modelo WL15X para registrar de forma
automática los niveles del agua que pasa por la obra de
control, y con ellos determinar de forma indirecta el tirante
sobre el vertedor, y a partir de éste, calcular el gasto
con las siguientes formulas:
Para la sección triangular (Aguilar,
2001):
Para el monitoreo de la intercepción se
utilizó la instrumentación realizada por Santiago
(2006), la cual se enfoca en la medición y análisis
de la intercepción de lluvia en un bosque de encinos de la
microcuenca La Barreta. Para ello se seleccionó un
área representativa de una hectárea de bosque de
encino Quercus aff. castanea, la cual fue
dividida en cuadrantes de 100 m2 (10×10 m), las cuales fueron
seleccionadas nueve de ellas, posteriormente se instalaron 10
pluviómetros tipo botella por cada cuadrante seleccionado
(Wrage et al., 1994) para el registro del Flujo de
Traslocación. A partir de las mediciones del flujo de
traslocación se determinó de forma indirecta la
intercepción de la precipitación (Rutter, 1971) con
la siguiente expresión:
I = P – (T +
S )
(5)
Donde: I es la intercepción (mm), P
la precipitación (mm), T es el flujo de
traslocación (mm), y S es el flujo cortical
(mm).
3. RESULTADOS Y
DISCUSIÓN
3.1
Precipitación
La lluvia es la principal variable que afecta tanto a
los escurrimientos superficiales como a los subterráneos.
Los mecanismos característicos de las lluvias en la
microcuenca La Barreta son principalmente de dos tipos:
convectivo, a nivel local, y orográfico a nivel
regional.
El periodo de lluvias se desarrolla entre los meses de
junio y octubre, siendo agosto el mes más lluvioso y julio
el menos lluvioso. En la figura 2 se puede observar el
comportamiento del periodo de lluvias de los años 2005 y
2006.
Se aprecia (Figura 2) que la cantidad de
precipitación diaria oscila en un rango que va de 0.3
hasta 56.6 milímetros, lo cual demuestra que los eventos
ocurridos son de magnitud variable, esto se ve reflejado en la
lamina media mensual, la cual presenta variaciones de 1 hasta 10
milímetros. Sin embargo, esta variación, en la
mayor parte de los casos es debida a eventos extremos, se observa
que la mayor parte de los eventos (89% en 2005 y 85% en 2006)
presentaron láminas menores a los 10 mm de lluvia. En
cuanto a su duración, se observó que el 54% de los
eventos registrados en el 2005 tuvieron una duración igual
o menor a una hora, el 74% igual o menor a 2 horas y el
84% igual o menor a 3 horas. En el caso del año 2006
se observó que el 47% fue igual o menor a una hora, el 63%
igual o menor a 2 horas y el 77% igual o menor a 3 horas, por lo
tanto la duración característica de una tormenta en
la microcuenca La Barreta puede ser definida entre una y tres
horas.
Fig. 2 Láminas de
precipitación ocurridas durante los periodos de lluvia
2005 y 2006
A los registros de precipitación obtenidos
durante los años 2005 y 2006 se les aplicó un
análisis estadístico descriptivo básico, el
cual consistió en determinar los valores mínimos y
máximos registrados durante el periodo de lluvias de los
dos años de monitoreo, así como su lamina media.
Los resultados obtenidos de este análisis se muestran en
la tabla 1 donde se aprecia que durante el 2005 el monitoreo no
fue continuo en todos los pluviómetros utilizados, lo cual
es debido a que éstos fueron instalados en diferentes
fechas. Para el 2006 el monitoreo se realizó de manera
continua a excepción del pluviómetro PV2 él
cual por problemas de vandalismo dejo de funcionar.
Tabla 1 Estadística
básica de los eventos de lluvia
monitoreados
ND*.- No existen datos disponibles debido
a problemas técnicos
Con respecto a la intensidad de la lluvia, se obtuvo el
valor medio para cada uno de los eventos registrados. Se
encontró que la intensidad media fue menor a 6 mm/h. Este
resultado se registró en el 86% de los casos durante el
año 2005 y en el 90% en el 2006. La intensidad más
frecuente en los dos años monitoreados resultó de 2
mm/h, la cual es clasificada por la Organización
Meteorológica Mundial como intensidad ligera. Por lo que
toca a la distribución espacial de la
precipitación, los resultados del monitoreo muestran que
la lluvia no se distribuye de manera uniforme sobre toda la
microcuenca y que el desarrollo de las tormentas sigue dos
patrones bien definidos, los cuales marcan trayectorias
Noreste-Suroeste y Norte-Suroeste tal como se observa en la
figura 3.
Fig. 3 Principales trayectorias de
desarrollo de los eventos de lluvia
3.2
Intercepción
La intercepción se determinó de forma
indirecta a partir de mediciones de la lluvia incidente (sobre la
vegetación) y de la lluvia directa (bajo la
vegetación). No se tomó en cuenta el escurrimiento
fustal debido problemas presentados en la instrumentación.
Se monitoreó la precipitación directa en cinco
eventos de lluvia de diferente magnitud, en ellos se
observó que la cantidad de lluvia interceptada en las
unidades de muestreo y para cada una de las condiciones de
vegetación existentes, presentó una alta
variación a nivel de punto de muestreo.
Tabla 2 Resumen de la
intercepción registrada durante los eventos de lluvia
monitoreados
A partir de los datos de intercepción
registrados, se hizo un análisis de correlación
entre la intensidad de la lluvia, la lámina de
precipitación incidente, y la duración del evento
con respecto a la intercepción; obteniendo resultados
favorables en los dos primeros casos, mientras que la
relación entre la duración del evento y la
intercepción no fue clara. En el caso de la
relación intensidad-intercepción se observó
un ajuste de tipo logarítmico tal como se muestra en la
figura 4 donde se presentan los casos de mejor y peor ajuste
obtenidos para esta relación. El ajuste
precipitación-intercepción observado fue de tipo
lineal; encontrando en todos los casos que el evento 5 (E5)
presentó un comportamiento anormal con respecto a los
demás eventos, de tal manera que al excluir su valor en el
análisis el ajuste mejoro significativamente como puede
ser observado en la figura 5.
Fig. 4 Relación existente
entre la intensidad de la lluvia y la lámina
interceptada
3.3
Escurrimiento
Con los registros del tirante de agua
obtenidos en la obra de control se calcularon los gastos
instantáneos en la salida de la microcuenca utilizando las
ecuaciones 1 y 4 descritas en la metodología del presente
trabajo. De los cálculos realizados se puede
observar que el total de eventos que presentaron escurrimiento
durante el periodo de monitoreo fueron diecisiete, los cuales
presentaron una gran variación en cuanto a su magnitud y a
su gasto pico.
Fig. 5 Relación existente entre
la precipitación incidente y la lámina
interceptada
En la tabla 3 se presenta un resumen de los eventos con
escurrimiento registrados durante el periodo de monitoreo. En
ella se puede observar que el gasto pico osciló en un
rango que va de 5.47 a 1555.29 l/s y el volumen escurrido entre
146.62 y 14,807.98 m3, en tanto que el tiempo pico del hidrograma
ocurrió entre los 10 y 260 minutos. De la misma manera,
podemos apreciar que durante los dos años de monitoreo,
los escurrimientos se presentaron durante los meses de julio,
agosto y septiembre principalmente. Debido a que gran parte de
los gastos registrados fueron pequeños (74% < 200 l/s),
se decidió utilizar como unidad base para expresar esta
variable, los litros por segundo (l/s).
De la figura 6 se dedujo que los escurrimientos
producidos por la microcuenca son de baja magnitud, ya que en el
70 % de los casos, los volúmenes de escurrimiento fueron
menores a 2500 m3; así mismo, el régimen de los
escurrimientos es muy variado pero con una tendencia a la
ocurrencia de gastos instantáneos menores a los 500 l/s,
lo cual en parte puede ser explicado por las condiciones
climáticas presentes en la microcuenca, donde al igual que
en otras zonas semiáridas las lluvias son pequeñas
y no uniformes.
Fig. 6 Frecuencia de los eventos de
escurrimiento ocurridos durante el periodo de
monitoreo
De acuerdo a la magnitud de su gasto pico,
los escurrimientos fueron agrupados en tres clases para analizar
su comportamiento: 1) los que presentaron un gasto pico menor a
100 l/s, 2) los que presentaron gastos pico entre
100 y 200 l/s y 3) los que presentaron un gasto pico mayor
a 200 l/s. Los eventos del primer grupo se caracterizaron por
producir volúmenes de escurrimiento en un rango que va de
146.62 a 1,426.36 m3, mientras que en el segundo y tercer grupo
se pueden observar volúmenes de escurrimiento que van de
los 1,800 hasta los 14,800 m3. Con excepción del evento
ocurrido el 26 de agosto de 2005.
Tabla 3 Resumen de los eventos de
escurrimiento registrados en la obra de control instalada en la
microcuenca La Barreta
4.
CONCLUSIONES
La precipitación de la microcuenca La Barreta se
caracterizó por la ocurrencia general de eventos de baja
magnitud, sin descartar por esto, la presencia de eventos
extremos. Así mismo, la distribución espacial de la
lluvia no fue uniforme durante la mayor parte de los eventos. Lo
cual de acuerdo con García (2006) es característico
de los climas semiáridos.
En el caso del escurrimiento, éste
se presenta de forma intermitente. Es decir, que las corrientes
sólo transportan agua durante el periodo de lluvias, una
vez que el déficit de humedad del suelo ha sido
satisfecho, razón por la cual los
escurrimientos no inician a la par del periodo de lluvias. La
respuesta de la cuenca es rápida y la magnitud de los
eventos ocurridos en general es baja, siendo influenciada
directamente por la condición de humedad antecedente a
cada uno de los eventos de escurrimiento.
Por lo que toca a la intercepción, es necesario
continuar con el monitoreo de la misma, ya que los resultados de
cinco eventos no son suficientes para definir el comportamiento
de la intercepción del bosque de encinos de la
microcuenca, así mismo, es necesario tomar en cuenta el
comportamiento de este proceso en la vegetación tipo
matorral la cual cubre gran parte de la microcuenca.
Como puede observarse en el desarrollo del presente
trabajo, el objetivo no es explicar la causalidad del
régimen hidrológico presente en la microcuenca La
Barreta. Sino más bien, presentar parte del trabajo que se
desarrolla en el Laboratorio de Hidráulica de la
Universidad Autónoma de Querétaro; él cual,
si bien pudiera parecer sencillo; es sin embargo la base para el
desarrollo y calibración de modelos hidrológicos.
Lo cual resulta de singular importancia en nuestro país,
donde la información de origen hidrometeorológica
es escasa (Avila et al., 2002; Carriozosa y
Domínguez, 2002) debido al costo elevado que implica
instrumentar las cuencas y mantener en operación la
infraestructura.
5. AGRADECIMIENTOS
Los primeros autores desean agradecer el apoyo otorgado
por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT)
para la realización de sus estudios de maestría.
Así como a la Dirección de posgrado de
Ingeniería y al Laboratorio de Hidráulica por todas
las facilidades otorgadas para la realización del presente
trabajo.
6.
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Autor:
Leonilo Santiago
Hernández
Gerardo Núñez
González
Estudiantes del posgrado en
Hidráulica de la Facultad de Ingeniería de la
Universidad Autónoma de Querétaro
Miguel A. Domínguez
Cortazar
Profesor de la Facultad de
Ingeniería de la Universidad Autónoma de
Querétaro.