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Revista bio ciencias

versión On-line ISSN 2007-3380

Revista bio ciencias vol.7  Tepic  2020  Epub 28-Abr-2021

https://doi.org/10.15741/revbio.07.e900 

Artículos originales

Análisis de vulnerabilidad de la cuenca del río Misantla ante fenómenos hidrometeorológicos extremos

L.D. Rodríguez-Hernández1 
http://orcid.org/0000-0001-9214-3225

O.A. Valdés-Rodríguez2  * 
http://orcid.org/0000-0002-3702-6920

E.A. Ellis3 
http://orcid.org/0000-0001-8972-4846

S. Armenta-Montero4 
http://orcid.org/0000-0001-6316-9573

1Estudiante del Doctorado en Desarrollo Regional Sustentable, El Colegio de Veracruz, México.

2Colegio de Veracruz, México.

3Universidad Veracruzana, Centro de Investigaciones Tropicales. México

4Universidad Veracruzana, Centro de Investigaciones Tropicales México.


RESUMEN

La cuenca del río Misantla, Veracruz, es propensa a recibir el embate de fenómenos hidrometeorológicos extremos, con efectos desastrosos tanto para los sistemas naturales como para los humanos. Recientemente estos efectos se han incrementado por el mal manejo de la cuenca, el cambio de uso de suelo y la ausencia de prácticas de recuperación del paisaje. En esta investigación se analizó el impacto del cambio de uso de suelo en el balance hídrico de la cuenca del río Misantla y su relación con el incremento de la vulnerabilidad ante fenómenos meteorológicos. Se utilizó la Herramienta de Evaluación del Suelo y Agua integrada a la plataforma de Arcgis 10.1, con la cual se obtuvo una eficiencia del modelo de 0.61 y un coeficiente de determinación de 0.89. Los resultados reflejan que los bosques tienen un efecto directo sobre el ciclo hidrológico y el comportamiento de la cuenca; ya que en su ausencia, la cuenca se vuelve más vulnerable ante la llegada de fuertes lluvias, tormentas o huracanes; mientras que su presencia protege a la cuenca de estos eventos y disminuye el potencial de inundaciones y arrastre de sedimentos. Se concluye que para reducir la vulnerabilidad ante el cambio climático debe existir un manejo adecuado de la cuenca, por lo que se requiere recuperar y restaurar las áreas desprovistas de vegetación, así como regular el crecimiento de la mancha agrícola y pecuaria.

PALABRAS CLAVE: Vulnerabilidad; deforestación; balance hídrico; SWAT; servicios ambientales

ABSTRACT

The Río Misantla basin in Veracruz, Mexico is a region with high vulnerability to the impact of extreme hydrometeorological phenomena, with disastrous effects on both natural and human systems. Recently, these effects have been augmented by poor management within the basin, changes in land use and the lack of landscape recovery practices. This study analyzed the impact of changing land use on the hydric balance of the Río Misantla basin and its relationship to increased vulnerability to meteorological phenomena. We used the Soil and Water Assessment Tool integrated with Arcgis 10.1, obtaining a model efficiency of 0.61 and a coefficient of determination of 0.89. The results reflect the fact that forests have a direct effect on the hydrological cycle and the behavior of the basin. In the absence of forests, the basin becomes more vulnerable to the impact of heavy rains, storms or hurricanes while, in contrast, the presence of this vegetation protects the basin from these events and decreases the potential for flooding and sediment dragging. We conclude that appropriate management of the basin will reduce its vulnerability to climate change. Therefore, it is necessary to recover and restore deforested lands and to adequately regulate areas of agriculture and livestock production.

KEY WORDS: Vulnerability; deforestation; water balance; SWAT; environmental services

Introducción

El clima en la tierra ha variado continuamente desde hace más de 4,500 millones de años (Sánchez-Cohen et al., 2011). Sin embargo, desde la revolución industrial, la humanidad ha generado presiones sobre el ambiente y el clima, ocasionando una desestabilización de los distintos sistemas de soporte de la vida y como consecuencia se ha modificado drásticamente su estado de equilibrio (IPCC, 2014; Olabe-Egaña, 2016). Este desequilibrio, aunado a la exposición de fenómenos climáticos extremos, tales como ciclones tropicales y huracanes, entre otros; ha generado condiciones de alta vulnerabilidad ante el cambio climático en México (Conde-Álvarez & PalmaGrayeb, 2006; Monterroso & Conde, 2015). Esta situación se ha observado a lo largo de la historia por la pérdida de vidas humanas y los impactos económicos generados, y de continuar la tendencia se estima que los problemas se agudizarán con el incremento de la temperatura global del planeta (IPCC, 2014; SEDATU, 2016; SEMARNAT, 2013). En el país, tan solo del año 2000 al 2016, se han emitido 22,279 declaratorias de emergencias a nivel nacional, por distintos fenómenos relacionados con el cambio climático (CENAPRED, 2019).

A nivel de cuencas la vulnerabilidad ante el cambio climático se presenta por la falta de medidas preventivas, por la localización de asentamientos humanos irregulares y a orillas de ríos y por el mal manejo de las mismas (Bitrán, 2001; Olabe-Egaña, 2016). Esta vulnerabilidad puede incrementarse incluso por el efecto directo del cambio de uso de suelo (Ruiz-Barradas, 2012), lo que se traduce en la pérdida de servicios ambientales, tales como la protección que la cuenca hidrográfica puede brindar, la riqueza de la biodiversidad y la captura de carbono (Pagiola et al., 2003). De manera particular, la cuenca del río Misantla, ubicada en la zona montañosa central del Estado de Veracruz, se caracteriza por presentar una geomorfología accidentada y tener áreas desprovistas de vegetación; en ella se han registrado distintos eventos climáticos como el huracán Roxana en 1995, el huracán Stan en 2005, el huracán Karl y Matthew en 2010, y la tormenta tropical Barry y Fernand en 2013; los cuales han generado impactos por el arrastre de sedimentos aguas abajo, ocasionando inundaciones que han generado la perdida de cultivos, medios de vida, infraestructura y vidas humanas (Tejeda-Martínez, 2006; Tejeda-Martínez et al., 2012).

Al respecto, una forma de evaluar la vulnerabilidad en una cuenca hidrográfica expuesta a fenómenos climáticos extremos y observar el efecto que tienen las malas prácticas de manejo y su impacto en las características del paisaje, es a través de un modelo indirecto, que consiste en la obtención del balance hídrico con apoyo de herramientas informáticas de modelación (Benavides-Solorio et al., 2008; Logreira Rentería, 2009), las cuales utilizan variables temporales y espaciales para simular los flujos de agua y las entradas y salidas de un área determinada, considerándose el ciclo hidrológico en todas sus etapas (Abad, 2006; Isabel et al., 2004).

Por lo anterior, el objetivo de esta investigación fue analizar el impacto del cambio de uso de suelo en el balance hídrico de la cuenca del río Misantla durante el periodo 2000-2014 y su relación con el incremento de la vulnerabilidad ante fenómenos climáticos extremos.

Material y Métodos

Área de estudio

El estudio se realizó en la cuenca del Río Misantla, ubicada en la zona montañosa central del Estado de Veracruz, México; en la región hidrológica número 27 Tuxpan - Nautla. Esta cuenca presenta una superficie de 585.76 km2 y ocupa 12 municipios, todos en el Estado de Veracruz (Figura 1).

Fuente: INEGI (1990). División política estatal escala 1:4 000 000

INEGI (2010). Red Hidrográfica escala 1:50 000 edición 2.0

Figura 1 Ubicación de la cuenca del río Misantla. 

La cuenca se localiza dentro de las subprovincias fisiográficas Sierra de Chiconquiaco y llanuras y lomeríos (INEGI, 2001). Dicha sierra presenta unidades abruptas y tendidas hasta una zona de lomeríos y colinas redondeadas, asociadas con cañadas y mesetas (Medina-Chena et al., 2010). La topografía de la cuenca es muy variada; presenta altitudes que van desde el nivel del mar hasta los 2,680 masl en un rango de 55.5 km. A lo largo de la cuenca se presentan 12 unidades edáficas diferentes (INEGI, 2013a).

La cuenca está conformada por múltiples arroyos y escurrimientos, donde los de mayor importancia corresponden al río Palmas, antes llamado río Grande, y al río Palchán, los cuales se unen para dar origen al río Misantla y cuyo nombre lleva la cuenca, para finalmente desembocar al Golfo de México en la Barra de Palmas. La temperatura promedio máxima es de 33.0 °C mientras que la mínima de 22.8 °C, con promedios de precipitación anual acumulada de 1,662 mm (CONAGUA, 2015a).

En la cuenca se presentan diversos ecosistemas, siendo el más importante el bosque mesófilo de montaña (INEGI, 2013b). De acuerdo con las últimas estadísticas del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI, 2010), la población total de la cuenca es de 59,956 habitantes, de los cuales 27,051 son hombres y 28,585 son mujeres, distribuidos en 202 localidades que en su mayoría presentan un índice de marginación medio y alto (CONAPO, 2010).

Obtención del balance hídrico y modelación

La obtención del balance hidrológico se realizó por medio de la herramienta SWAT (herramienta de evaluación del suelo y agua, por sus siglas en ingles). Los datos que requirió el modelo fueron topográficos (modelo de elevación), edafológicos (tipos de suelo y sus propiedades físico-químicas), uso de suelo y vegetación, hidrológicos y climáticos (Figura 2) (Arnold et al., 2012; Winchell et al., 2008).

Fuente: (Arnold et al., 2012; Winchell et al., 2008).

Figura 2 Diagrama de flujo para procesar la información en SWAT.  

Una vez categorizadas e ingresadas todas las capas de información, se generaron las bases de datos de entrada y se llevó a cabo la simulación para un periodo de 15 años (2000 - 2014), mismos con los que se crearon los datos de salida. Al finalizar la simulación, se llevó a cabo la validación de la eficiencia del modelo para verificar la certeza de los datos obtenidos mediante el cálculo del coeficiente de determinación R2 y el coeficiente de eficiencia (E) de Nash & Sutcliffe (1970) (Ecuación 1).

E=1-t=1TQ0t-Qmt2t=1TQOt-QO_2

Donde Qo representa el gasto observado o real, Qm el gasto simulado, T la suma de los tiempos analizados y t el tiempo de análisis.

A fin de evaluar el efecto que tiene el uso de suelo y la vegetación sobre el comportamiento de las variables hidrológicas en la cuenca del río Misantla, se creó un escenario deforestado y otro forestado.

Para el escenario deforestado se seleccionaron áreas de la parte alta y media de la cuenca con bosque mesófilo de montaña (FRSD) y pendientes menores al 40 %, mismas que se reclasificaron como zonas agrícolas (AGRL). La superficie de cambio de uso de suelo correspondió a 3,101.66 ha, equivalente a una reducción del 25.75 % de la superficie forestal inicial (Figura 3).

Fuente: ArcSwat.

Figura 3 Escenario de cambio de uso de suelo en SWAT. 

Por el contrario, a fin de analizar el efecto de la forestación en la parte alta de la cuenca, se seleccionaron áreas agrícolas (AGRL) y ganaderas (PAST) con pendientes superiores al 40 %, que pudiesen recuperar su cobertura arbolada. Estas áreas fueron reclasificadas como zonas forestales FRSD contribuyendo a un incremento en la superficie forestal de 3,362.38 ha equivalente al 27.91 % de la superficie inicial (Figura 4).

Source: ArcSwat.

Figura 4 Escenario forestado en SWAT. 

Para conocer si existen diferencias en el comportamiento hidrológico de la cuenca entre escenarios simulados, se realizó un análisis de varianza de una vía (ANOVA) para siete variables hidrológicas con un nivel de significancia α = 0.05.

Resultados y Discusión

De acuerdo con los resultados del balance hídrico modelado por SWAT (Tabla 1), en la cuenca del río Misantla llueve un 16.51 % más que la media estatal anual (INEGI, 2015), un 57.81 % y 51.46 % más que la media nacional, según datos de Banco Mundial (2015) y la Comisión Nacional del Agua,(2015b), respectivamente. De los datos obtenidos, el 9.38 % de la precipitación se escurre superficialmente, el 1.13 % fluye hacia el océano a través de corrientes subterráneas (percolación profunda), el 84.31 % se evapotranspira; mientras que del total de agua producida en el sistema, el 63% se escurre superficialmente. La percolación es 0.34 % superior que la recarga total del suelo por lo que todo lo que se percola recarga los mantos acuíferos de la cuenca.

Tabla 1 Hidrología modelada por SWAT. 

YEAR PREC
(mm)
SURQ (mm) LATQ
(mm)
PERC
(mm)
SW
(mm)
ET (mm) PET
(mm)
WY
(mm)
SY
(ton-1ha-1
año-1)
2000 2,037.13 99.10 100.57 15.35 44.26 1,862.19 21,366.26 199.88 22.22
2001 1,902.66 132.50 110.95 22.51 11.44 1,671.38 21,717.89 244.85 8.77
2002 1,381.97 93.22 82.41 12.43 17.52 1,188.54 22,544.96 176.22 8.44
2003 1,469.64 117.53 89.17 11.71 18.50 1,249.41 22,576.97 207.31 12.32
2004 1,822.25 235.50 99.85 22.42 22.45 1,460.94 21,920.42 336.25 16.22
2005 2,198.82 294.16 118.43 31.12 31.44 1,744.97 20,908.04 413.81 27.45
2006 1,572.02 215.58 82.80 23.55 34.30 1,247.14 21,870.84 299.68 18.86
2007 1,938.66 144.88 98.21 23.71 29.44 1,675.99 21,602.77 244.45 13.52
2008 1,665.33 116.24 96.87 15.90 8.16 1,459.24 22,109.80 214.06 10.82
2009 1,946.54 193.27 100.83 26.00 55.79 1,576.77 21,486.01 294.85 17.04
2010 1,904.61 258.60 111.94 31.80 33.67 1,525.05 21,861.06 372.26 29.79
2011 1,871.64 236.16 105.84 22.93 43.89 1,495.76 21,706.99 343.27 32.21
2012 2,001.66 177.45 99.14 20.93 35.77 1,712.32 21,286.04 277.84 14.70
2013 1,703.84 156.83 88.46 14.51 26.31 1,454.58 21,607.43 246.10 15.02
2014 1,534.70 57.73 78.00 11.30 15.04 1,399.02 21,322.15 136.38 5.25
Mean
1,796.76 168.58 97.56 20.41 28.53 1,514.89 21,725.84 267.15 16.84

PREC = precipitación; SURQ = escorrentía superficial; LATQ = flujo lateral; PERC = cantidad de agua de filtración; SW = contenido de agua del suelo; ET = evapotranspiración real; PET = evapotranspiración potencial; WY = rendimiento de agua; SY = rendimiento de sedimentos.

Fuente: Base de datos de salida de SWAT.

Al comparar un año de baja precipitación con otro de alta precipitación producto del paso de fenómenos climáticos, como el huracán Stan y la tormenta tropical Bret que ocurrieron en el 2005, se observan diferencias en las variables predichas por el modelo para esta cuenca (Tabla 2), poniendo de manifiesto que la entrada de fenómenos hidrometerológicos por la costa del Golfo de México pone en riesgo a la población por el aumento en la escorrentía superficial y el arrastre y transporte de sedimentos en el agua hacia las partes bajas de la cuenca (Tejeda-Martínez, 2006), incrementando el riesgo de inundaciones (IPCC, 2001; SEDATU, 2016).

Tabla 2 Hidrología modelada por SWAT en años con distinta precipitación. 

Parameter 2002 (Low rainfall) 2005 (High rainfall) Variation % of change
PREC (mm) 1,381.97 2,198.82 816.85 59.11
SURQ (mm) 93.22 294.16 200.94 215.55
LATQ (mm) 82.41 118.43 36.02 43.71
PERC(mm) 12.43 31.12 18.69 150.36
SW (mm) 17.52 31.44 13.92 79.45
ET (mm) 1,188.54 1744.97 556.43 46.82
PET (mm) 22,544.96 20,908.04 -1,636.92 -7.26
WY (mm) 176.22 413.81 237.59 134.83
SY (ton/ ha-1/año-1) 8.44 27.45 19.01 225.24

PREC = precipitación; SURQ = escorrentía superficial; LATQ = flujo lateral; PERC = cantidad de agua de filtración; SW = contenido de agua del suelo; ET = evapotranspiración real; PET = evapotranspiración potencial; WY = rendimiento de agua; SY = rendimiento de sedimentos.

Fuente: Base de datos de salida de SWAT.

Los escenarios modelados (Tabla 3) demuestran que la vegetación en la parte alta de la cuenca del río Misantla es importante para mantener los procesos y el equilibrio del ciclo del agua al tener un efecto directo sobre su funcionamiento (Paré & Gerez, 2012), observándose que los bosques disminuyen de manera significativa la erosión del suelo, reducen el arrastre de sedimentos a los depósitos y el peligro de deslaves e inundaciones (Armenta-Montero, 2012; García-Chevesich, 2010; Manson, 2004); y con ello se reduce la vulnerabilidad de la población ante la llegada de fenómenos hidrometeorológicos.

Tabla 3 Hidrología modelada por SWAT por escenario. 

Parameter Real scenario Mean Deforested scenario Forested scenario
PREC 1,796.76 mm 1,796.76 mm 1,796.76 mm
SURQ 168.58 mm 190.34 mm 159.81 mm
LATQ 97.56 mm 71.55 mm 102.40 mm
PERC 20.41 mm 20.28 mm 21.50 mm
SW 28.53 mm 30.42 mm 27.61 mm
ET 1,514.89 mm 1,519.15 mm 1,517.78 mm
PET 21,725.84 mm 21,725.84 mm 21,725.84 mm
WY 267.15 mm 262.89 mm 263.26 mm
SY 16.84 ton-1ha-1 año-1 18.51 ton- 1ha-1 año-1 7.38 ton-1ha-1 año-1

PREC = precipitación; SURQ = escorrentía superficial; LATQ = flujo lateral; PERC = cantidad de agua de filtración; SW = contenido de agua del suelo; ET = evapotranspiración real; PET = evapotranspiración potencial; WY = rendimiento de agua; SY = rendimiento de sedimentos.

Fuente: Base de datos de salida de SWAT.

Al comparar siete variables hidrológicas modeladas por SWAT mediante un análisis de varianza, solo se encontraron diferencias estadísticamente significativas en el escurrimiento lateral (SURQ) y en la producción de sedimentos (SY) (Tabla 4).

Tabla 4 Cuadro comparativo de ANOVAs para siete variables hidrológicas de la cuenca del Río Misantla. 

Parameter Mean Standard deviation Degrees of freedom F P
Surface runoff (SURQ) 172.9 69.18 2 0.7665 0.47102
Lateral flow (LATQ) 90.51 17.41 2 34.178 0.00000
amount of water percolating (PERCOLATE) 20.73 6.72 2 0.1447 0.86567
soil water content (SW) 28.85 13.1 2 0.1715 0.84297
Actual evapotranspiration (ET) 1517 191.8 2 0.002 0.99815
Water yield (WYLD) 264.4 75.53 2 0.0140 0.98612
Sediment Yield (SYLD) 14.24 8.566 2 10.5724 0.00019

Validación del modelo SWAT

Los valores obtenidos en la validación del modelo para la cuenca del río Misantla arrojaron un coeficiente de determinación (R2) = 0.89 y una Eficiencia del modelo (ENS) = 0.61; datos que, de acuerdo con Ramanarayanan et al. (1997), representan un modelo que se considera aceptable o satisfactorio, si R2 > 0.6 y el ENS > 0.5. Por su parte, Moriasi et al. (2007) clasifican la eficiencia del modelo SWAT como aceptable cuando el valor de ENS se encuentra entre 0.50 y 0.65 e insatisfactorio cuando ENS es menor a 0.50 (Barrios & Urribarri, 2010). Por lo que se considera que el modelo SWAT obtenido en esta investigación es confiable para esta cuenca.

Estos resultados nos indican que los modelos hidrológicos implementados mediante los sistemas de información geográfica (GIS) nos permiten estudiar las relaciones causales del comportamiento hídrico de una cuenca, obteniéndose resultados confiables aun cuando se carece de información e infraestructura adecuada para la obtención de datos en campo (Barrios & Urribarri, 2010; Hernández, 2014).

El ajuste (R2 = 0.89; ENS = 0.61) demuestra una confiabilidad alta (Tabla 5), de acuerdo con investigaciones anteriores. Sin embargo, es importante tener en cuenta la obtención de datos en campo para calibrar y obtener valores más altos al momento de validar el modelo, aumentando el grado de confianza de las predicciones.

Tabla 5 Ajustes en la modelación hídrica con la herramienta SWAT. 

Year Basin Country R2 ENS Author
2014 Río Atulapa Guatemala 0.86 0.6 (Hernández, 2014)
2014 Santa Catalina Argentina 0.82 0.66 (Guevara et al., 2014)
2014 Santa Catalina Argentina 0.86 0.74
2014 Río Mixteco México 0.93 - (Salas-Martínez et al., 2014)
2010 Taquiña Bolivia 0.77 0.54 (Zarate, 2010)
2010 Tolomosa Bolivia 0.84 0.63
2010 Río Chama Venezuela 0.88 0.76 (Barrios & Urribarri, 2010)
2008 Tapalta México 0.85 - (Benavides-Solorio et al., 2008)
2008 Río Amajac México 0.59 0.94 (Mata-Espinoza, 2008)
2005 Río La Laja México 0.82 - (Torres-Benites et al., 2005)
2004 El Tejocote México 0.93 0.85 (Torres-Benites et al., 2004)

ENS = eficiencia del modelo.

Conclusiones

La vegetación de la parte alta de la cuenca del río Misantla tiene un efecto directo sobre el ciclo hidrológico y el comportamiento de la cuenca, protegiéndola del embate de fenómenos hidrometerológicos extremos; lo que nos lleva a reflexionar que es posible reducir la vulnerabilidad ante el cambio climático en estas áreas con el manejo adecuado, la recuperación y restauración de áreas desprovistas de vegetación y con la regulación del crecimiento de la mancha agrícola y pecuaria.

Con herramientas como SWAT es posible crear una línea base de conocimientos que permitan la modelación de escenarios de cambio climático, para apoyar la creación de políticas ambientales que permitan la conservación, restauración y reducción de la vulnerabilidad en la cuenca del río Misantla.

REFERENCIAS

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Como citar este artículo: Rodríguez-Hernández, L.D., Valdés-Rodríguez, O.A., Ellis, E.A., Armenta-Montero, S. (2020). Analysis of vulnerability of the Río Misantla basin to extreme hydrometeorological phenomena. Revista Bio Ciencias 7, e900. doi: https://doi.org/10.15741/revbio.07.e900

Recibido: 10 de Diciembre de 2019; Aprobado: 29 de Agosto de 2020; Publicado: 15 de Septiembre de 2020

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