Impacto del cambio de coberturas en el rendimiento hídrico y la

Impacto del cambio de coberturas en el rendimiento hídrico y la

Impacto del cambio de coberturas en el rendimiento hídrico y la retención &
producción de sedimentos en 5 subcuencas de la cuenca baja del Río Paute:
análisis de escenarios utilizando el modelo InVEST
Juan Sebastián Lozano V.
The Nature Conservancy
Junio, 2011
¿Dónde trabajamos?
La cuenca del Río Paute es una de las más importantes de Ecuador porque abastece las represas que
mayor aporte realizan a la producción de energía hidroeléctrica del país. Se encuentra localizada al Sur
de los andes Ecuatorianos, en una región de depresión interandina, entre los paralelos 2º15' y 3º15' de
latitud sur y entre los meridianos 78º30' y 79º20' de latitud oeste. Esta cuenca se encuentra delimitada
hacia el norte por el nudo de Curiquingue, que divide la hoya del Cañar con la hoya del Paute; hacia el
Sur por el nudo del Portete, que divide la hoya del Jubones con la del Paute; hacia el Este por la
cordillera Oriental de los Andes, que divide la región del Oriente con la Sierra; y hacia el Oeste por la
cordillera Occidental de los andes, que divide la región de la Sierra con la Costa. El área de la cuenca
tiene una extensión de aproximadamente 5.100,00 km2 (cierre de la Cuenca en el Embalse Amaluza),
sus altitudes varían desde 1824 m.s.n.m. hasta 4680 m.s.n.m., a pesar de sus altas altitudes no presenta
nevados o glaciares, esto es debido a su proximidad al eje ecuatorial, el cual significa que las estaciones
se encuentran divididas en solamente dos estaciones: La seca y la húmeda (www.celec.com.ec).
Para este estudio nos concentramos en 5 subcuencas de la parte baja de la cuenca del Paute: Mazar,
Púlpito, Llavircay, Juval y Pindilig.
Figura 1 Área de estudio
¿Qué hicimos?
El objetivo general del trabajo fue determinar el rendimiento hídrico, producción y retención de
sedimentos en el área de estudio, utilizando el modelo InVEST, y comparar las condiciones actuales con
3 escenarios de cambio de coberturas, basados en tasas de deforestación calculadas en estudios
consultados por la Fundación Cordillera Tropical.
¿Cómo lo hicimos?
1. Recolección de información para correr InVEST
InVEST es una herramienta de modelamiento espacial que permite cuantificar, mapear y valorar
servicios ambientales. Dichos cálculos se realizan a partir de principios científicos bien conocidos, lo cual
robustece los resultados y disminuye el nivel de error.
Para este estudio se corrieron solo dos modelos del set de InVEST: 1) rendimiento hídrico (water yield) y
2) producción y retención de sedimentos. La información levantada para correrlos se resume en la Tabla
1.
Tabla 1 Requerimientos de información para correr InVEST
MODELO
RENDIMIENTO
HÍDRICO
NOMBRE
Modelo de Elevación
Digital (DEM)
DESCRIPCIÓN
Raster con un valor de elevación por cada celda.
Profundidad del suelo
Raster con la profundidad promedio del suelo.
Precipitación
Raster con valores de precipitación media anual.
Contenido disponible de
agua para plantas (PAWC)
Raster con el 'contenido disponible de agua para plantas'
(PAWC). Esto es la fracción de agua que puede ser guardada
en el perfil de suelo que está disponible para el uso de las
plantas.
Evapotranspiración
potencial media anual
Raster con la evapotransipiración potencial anual promedio.
Esto es la pérdida de agua del suelo tanto por evaporaciòn
como por transpiración en Alfalfa (o pasto), si hay suficiente
agua disponible.
Uso/cobertura del suelo
Raster con el uso y cobertura del suelo del área de estudio
Cuencas (watersheds)
Raster con las cuencas, de modo que cada cuenca contribuye a
un punto de interés donde se analiza la producción
hidroeléctrica.
Tabla biofísica
Tabla con clases de uso y cobertura del suelo, y atributos
fisicoquímicos de cada unidad. Este modelo requiere el
"coeficiente de evapotranspiración" y la "profundidad de
raíces".
PRODUCCIÓN Y Modelo de Elevación
RETENCIÓN DE Digital (DEM)
SEDIMENTOS
Índice de erosividad de la
lluvia ( R)
Erodabilidad del suelo (K)
Raster con un valor de elevación por cada celda.
Raster con un valor del índice de erosividad. Esta variable
depende de la intensidad y duración de las lluvias en el área
de interés. Entre más grande sea la intensidad y duración de
una tormenta, más alta es la erosión potencial.
Raster con un valor de erodabilidad del suelo. K es la medida
de la susceptibilidad de las partículas de suelo al
desprendimiento y transporte por lluvia y escorrentía.
Uso/cobertura del suelo
Raster con el uso y cobertura del suelo del área de estudio
Sub-cuencas
Shapefile con la delimitación de subcuencas del área de
estudio
Raster con las cuencas, de modo que cada cuenca contribuye a
un punto de interés donde se analiza la producción
hidroeléctrica.
Tabla con clases de uso y cobertura del suelo, y atributos
fisicoquímicos de cada unidad. Este modelo requiere la
"eficiencia de retención de sedimentos de la cobertura
vegetal" y los "factores de uso y manejo del suelo" de la
ecuación universal de pérdida de suelos (USLE)
Cuencas (watersheds)
Tabla biofísica
2. Creación de los escenarios
Se crearon tres mapas potenciales de coberturas basados en las tasas de deforestación y
deparamización proporcionadas por la Fundación Cordillera Tropical. A continuación describo
brevemente el estudio realizado:
Un estudio utilizando imágenes satelitales realizado por Bridget Lair en 2002 calificó la pérdida del bosque entre
1987 y 1998 como 0.58% anualmente en 3 de los 6 subcuencas del Nudo del Azuay.
-
La ventaja de este estudio es su clasificación de vegetación pudo separar bosque del pino del bosque
nativo.
La desventaja es que el estudio es del pasado y tenemos que preguntar si el presente está igual que el
pasado. En una consulta con un experto de deforestación, Dr. Sven Wunder de CIFOR, él sugiere que hay
una disminución en deforestación después de la dolarización en Ecuador (en el año 2000).
Un estudio realizado por FCT utilizando imágenes satelitales entre 1991 y 2001 encontró:
Cobertura perdida
Ha perdido en 10 años
Ha perdida x año % perdido x año
Total del bosque perdido 1991-2001
6421,5731
642,15731
0,44%
Total del páramo perdido 1991-2001
1396,779
139,6779
0,09%
La creación de los nuevos mapas (escenarios) se realizó por medio de un simple geoprocesamiento:
aquellos pixeles de cobertura natural (bosques y páramo) que tuvieran una mayor vecindad con los
pixeles de coberturas transformadas (pastos y cultivos), serían convertidos a estos últimos hasta
alcanzar el umbral de transformación, que se calcula de la siguiente forma:
(𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑝𝑝é𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 %) 𝑥𝑥 (á𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛)𝑥𝑥 (𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎á𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙)
Los escenarios que creamos, muestran cómo se espera que sea la configuración del paisaje en nuestro
lapso de análisis (10 años), basado en las tasas que se muestran arriba, de la siguiente forma:
Escenario 1 (optimista): si la tasa de pérdida calculada se redujera a la mitad.
Escenario 2 (sin cambio): si la tasa de pérdida calculada se mantuviera igual.
Escenario 3 (pesimista): si la tasa de pérdida calculada se duplicara.
3. Correr InVEST
Cada modelo (rendimiento hídrico y producción & retención de sedimentos) se corrió 4 veces: 1) Línea
base (escenario 0), 2) Escenario 1, 3) Escenario 2, 4) Escenario 3.
Para descargar la herramienta y leer el manual de usuario, puede seguir el link a continuación:
http://invest.ecoinformatics.org/
Resultados
1. Mapa de coberturas
La Figura 2 muestra el mapa de coberturas del área de estudio. Se observan como coberturas
predominantes bosques, páramos y pastizales introducidos para la producción ganadera. El páramo se
encuentra en las zonas más altas, seguido por el bosque y se observa una expansión de la frontera
pecuaria desde los márgenes de los ríos, creciendo hacia las zonas boscosas.
Figura 2 Mapa de coberturas
2. Escenarios
La Figura 3 muestra la línea base y los tres escenarios de cambio de cobertura realizados para el
estudio. El cuadrante rojo en cada mapa hace un acercamiento a una de las zonas donde se observa la
transición entre la cobertura de bosque y la de pasto.
Figura 3 Escenarios de cambio de coberturas
3. Rendimiento hídrico
La Figura 4 muestra los resultados de InVEST para el rendimiento hídrico en m3/ha. Se puede observar
que el orden de magnitud entre subcuencas se mantiene para la línea base y para todos los escenarios,
sin embargo, los valores cambian.
Figura 4 Rendimiento hídrico
4. Exportación de sedimentos
La exportación de sedimentos se define como la cantidad de sedimento que cada subcuenca le aporta al
cuerpo de agua en su salida (outlet). El cálculo de este valor incorpora la retención llevada a cabo por la
vegetación (Figura 5).
Figura 5 Exportación de sedimentos
5. Retención de sedimentos
La retención de sedimentos se entiende como la cantidad de sedimentos retenidos por la vegetación en
cada subcuenca, es decir, la cantidad de sedimentos que la vegetación previene que sean depositados
en los cuerpos de agua a la salida de la subcuenca. La Figura 6 muestra la retención de sedimentos en las
subcuencas de estudio para los escenarios creados.
Figura 6 Retención de sedimentos
Análisis de resultados
1. Escenarios
En los escenarios creados, la cobertura de pastos introducidos reemplaza a bosques y páramos a las
tasas calculadas por el estudio citado previamente. La Figura 7 muestra gráficamente la reducción en el
área de las coberturas naturales, áreas que han sido reemplazadas por pastos.
51.000,00
50.034,16
49.809,01
49.583,85
49.000,00
49.133,55
47.000,00
45.000,00
43.000,00
41.000,00
39.000,00
39.103,72
Bosque
38.243,44
37.000,00
Páramo
37.383,16
35.662,60
35.000,00
Área línea
Área en 10 Área en 10 Área en 10
base (ha) años (ha) (esc años (ha) (esc años (ha) (esc
1)
2)
3)
Figura 7 Cambio de coberturas en cada escenario
Se observa cómo, en la medida en que el escenario es más “pesimista”, la cobertura es menos en ambos
casos (páramo y bosque). Sin embargo, en el caso del bosque hay una reducción mucho más dramática,
que se puede explicar por la mayor tasa de deforestación (0.44 %/año), comparada con la de
deparamización (0.09 %/año).
2. Rendimiento hídrico
InVEST mostró que las subcuencas que más aportan agua por hectárea son, en orden descendente:
Púlpito, Llavircay, Pindilig, Mazar y Juval. La razón para expresar este valor en m3/ha es conocer el
aporte promedio de cada subcuenca, lo cual es un indicador de su estado general de conservación. Si se
analizara sobre el valor absoluto del aporte de cada subcuenca, habría un sesgo dada el área (es más
probable que las subcuencas más grandes aporten más agua).
La Figura 8 muestra un fenómeno interesante. En la medida que el escenario es más “pesimista”, el
rendimiento hídrico crece; en otras palabras, a menos ecosistemas naturales (bosque y páramo), más
agua. Aunque es un mensaje contradictorio, tiene su explicación en el diseño del modelo. Todos los
datos que reciben los modelos Nivel I de InVEST, son anuales. En este sentido, tiene toda la lógica que
un paisaje con menor área de cobertura boscosa, cuyas raíces absorben gran cantidad de agua y sus
estructuras tienen una alta evapotranspiración, exporte más agua en un periodo anual. El beneficio real
de los bosques, y en general de los ecosistemas naturales, con respecto al rendimiento hídrico no es la
producción sino la regulación. Es de esperarse que en una cuenca con una buena cobertura de
vegetación natural haya una balanceada provisión del recurso hídrico en un periodo de un año, lo que se
traduce en oferta suficiente durante el verano, y ausencia de inundaciones o crecidas de ríos en
invierno. En cuencas altamente intervenidas sucede exactamente lo contrario: durante el invierno toda
el agua baja, produciendo riesgo de inundaciones en eventos de extrema precipitación, y durante el
verano hay escasez.
9000
8500
8000
Juval
7500
Mazar
7000
Pindilig
6500
Llavircay
6000
Pulpito
5500
5000
Línea base
Escenario 1
Escenario 2
Escenario 3
3
Figura 8 Rendimiento hídrico en los tres escenarios (m /ha)
3. Exportación de sedimentos
El aporte de sedimentos por subcuenca, en orden descendente, es: Llavircay, Mazar, Pindilig. Púlpito y
Juval. Esta tendencia se conserva para 4 subcuencas, excepto para Púlpito, cuyos valores de exportación
incrementan a una mayor tasa que las demás, ubicándola en la segunda subcuenca con mayor aporte en
el escenario 3 (Figura 9). La hipótesis más fuerte que explica este fenómeno es que la deforestación
propuesta en los escenarios esté ocurriendo, para la subcuenca Púlpito, en las zonas con mayor riesgo
de erosión (altas y largas pendientes).
En términos generales, entre más “pesimista” es el escenario, mayor exportación de sedimentos habrá a
los cuerpos de agua en la parte baja de las subcuencas, incluidos embalses y represas.
4
3,5
3
Juval
2,5
Mazar
2
Pindilig
1,5
Llavircay
1
Pulpito
0,5
0
Línea base
Escenario 1
Escenario 2
Escenario 3
Figura 9 Exportación de sedimentos en los tres escenarios (tons/ha)
4. Retención de sedimentos
La Figura 10 muestra la retención de sedimentos en cada subcuenca. El orden de las subcuencas, de las
que más a las que menos retienen, es: Púlpito, Llavircay, Mazar, Juval y Pindilig. Se observa una ligera
reducción de la retención en la medida que el escenario es más “pesimista”, sin embargo dicha
reducción no parece ser significativa (sería necesario llevar a cabo una prueba estadística para confirmar
esta afirmación).
350
330
310
290
Juval
270
Mazar
250
Pindilig
230
Llavircay
210
Pulpito
190
170
150
Línea base
Escenario 1
Escenario 2
Escenario 3
Figura 10 Retención de sedimentos en los tres escenarios (tons/ha)
Conclusiones
-
-
-
-
-
Para el análisis de escenarios, el reemplazo de coberturas se da únicamente de páramo>pastos y
bosque>pastos.
La reducción del bosque es mucho más dramática (rápida) que la del páramo, a medida que el
escenario es más “pesimista”. Esto se puede explicar porque la frontera pasto-bosque es mayor que
la de pasto-páramo.
El aporte de las subcuencas al rendimiento hídrico (m3/ha), de mayor a menor, fue: Púlpito,
Llavircay, Pindilig, Mazar y Juval.
El modelo de rendimiento hídrico arroja resultados totales anuales, por lo cual entre más
“pesimista” es el escenario, mayor rendimiento hídrico hay (mensaje contradictorio). La eliminación
de coberturas naturales no reduce la cantidad de agua que baja por la cuenca, pero altera el efecto
regulador, de forma que en invierno puede aumentarse el riesgo de inundaciones, y en verano el
riesgo de sequías.
La cantidad de sedimentos exportados en las subcuencas (tons/ha), de mayor a menor, fue:
Llavircay, Mazar, Pindilig, Púlpito y Juval en la línea base. Entre más pesimista era el escenario,
Púlpito aumentaba sus valores a una tasa mayor que las demás subcuencas ubicándose en el
segundo lugar con mayor aporte en el escenario 3.
El incremento anormal (comparativamente con las otras subcuencas) en la tasa de exportación de
sedimentos para Púlpito, puede obedecer a un fenómeno de reemplazo de coberturas naturales en
zonas con altos riesgos de erosión.
La retención de sedimentos por subcuenca (tons/ha), de mayor a menor, fue: Púlpito, Llavircay,
Mazar, Juval y Pindilig.
Aunque las curvas de retención de sedimentos entre cada escenario muestra valores más bajos en
escenarios pesimistas, dicha reducción no parece ser significativa, aunque habría que realizar una
comprobación estadística para confirmar esta hipótesis.