Infiltración de agua y medición del caudal de arroyos en la Sierra de Quila

Water infiltration and flow measuring of streams in la Sierra de Quila

Raymundo Villavicencio García¹, Bárbara Romina Martínez Ramírez², Sandra Luz Toledo González¹, Rubén Darío Guevara Gutiérrez³ y Rosaura Ávila Coria¹

¹ Departamento de Producción Forestal, Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias, Universidad de Guadalajara. Correo-e: vgr02072@cucba.udg.mx

³ Departamento de Ecología y Recursos Naturales. Centro Universitario de la Costa Sur, Universidad de Guadalajara.

Fecha de recepción: 14 de abril de 2014;
Fecha de aceptación: 10 de junio de 2014.

RESUMEN

Con el objeto de determinar la capacidad de infiltración y calcular el caudal natural de los arroyos que abastecen de agua potable al poblado de Tecolotlán, Jalisco, se midió el escurrimiento máximo de cinco arroyos ubicados en tres microcuencas de la parte central y suroeste de la Sierra de Quila de mayo de 2012 a mayo de 2013 con el método Sección-velocidad. Para determinar la infiltración y el análisis del volumen medio anual de escurrimiento se utilizó el método indirecto Precipitación-Escurrimiento, según la NOM-011-CNA-2000. Se definieron siete sitios para el cálculo de las corrientes y dos más sobre las tomas de agua que suministran a los depósitos de Tecolotlán. Con base en la densidad de la cobertura forestal, la textura del suelo y las condiciones climáticas promedio de precipitación, temperatura y evapotranspiración, la infiltración promedio de agua de lluvia fue de 3 080, 2 935 y 1 821 m³ ha^-1 para las microcuencas La Campana, Santa Rosa y Corralitos. El cálculo de los caudales registró un flujo promedio de 2 527 L s^-1, de los cuales fluyeron 1 058 L s^-1 en los arroyos Salto Seco, La Campana y Betania; 1 283 L s^-1 en río Santa Rosa y 186 L s^-1 en el arroyo Corralitos. El estudio contribuirá al conocimiento del régimen hídrico de los arroyos que genera parcialmente la sierra, y precisará las recomendaciones para la gestión sobre el buen manejo y uso del recurso tanto para la autoridad administrativa y funcionarios públicos, como para los usuarios del área natural y habitantes de Tecolotlán.

Palabras clave: Escurrimiento, evapotranspiración, infiltración, precipitación, textura del suelo, velocidad de flujo.

In order to determine the infiltration capacity and the natural flow of the streams that nourish Tecolotlán town in Jalisco state with potable water, the maximum runoff of five brooks located in three microbasins of the central part and southwest Sierra de Quila from May 2012 to May 2013 with the Speed-Section Method were studied. For infiltration and the analysis of the annual mean runoff volume, the Runoff-Precipitation indirect method was used according to the NOM-011-CNA-2000. Seven sites were established to calculate flows and two more over the water sources that provide it to the deposits of Tecolotlán. Considering forest cover density, soil texture and the average climate conditions of precipitation, temperature and evapotranspiration, the average rain water infiltration was 3 080, 2 935 and 1 821 m³ ha^-1 for the La Campana, Santa Rosa and Corralitos microbasins. The determination of flows registered an average flow of 2 527 L s^-1, of which 1 058 L s^-1 flowed in the Salto Seco, La Campana and Betania streams; 1 283 L s^-1 in Santa Rosa river, 186 L s^-1 in Corralitos streams. The study will help to know the water regime of the streams that partially originates in the mountain range and will precise the recommendations for the good management and use of this resource for the administrative actors and public managers as well as for the users of the natural area and inhabitants of Tecolotlán.

Key words: Runoff, evapotranspiration, precipitation, infiltration, soil texture, flow speed.

INTRODUCCIÓN

La hidrología forestal se ocupa del estudio del comportamiento del ciclo del agua bajo el ámbito de los ecosistemas forestales, así como de las dinámicas en el mismo a partir de sus condiciones y sus variantes dentro de estos ecosistemas, producto de su manejo (uso, restauración o extracción de recursos) (INAB, 2005). Su estudio se origina a partir de los diversos roles que han sido atribuidos al bosque, entre los cuales destaca el efecto "esponja hídrica", que consiste en reducir la escorrentía proveniente de la precipitación durante el invierno, y mantener los caudales en el verano (agua proveniente de los mantos acuíferos). Según Benfelt (2000 citado por INAB, 2005), "recarga" es el nombre que se le da al proceso que permite que el agua alimente un reservorio natural. Lo anterior ocurre cuando la lluvia se filtra a través del suelo o roca. La deforestación y posterior cambio de uso del suelo de los terrenos de aptitud forestal disminuye la capacidad de infiltración.

Las cuencas son fundamentales como unidades de planeación y gestión ambiental, ya que tienen límites claramente definidos y todas las actividades humanas que se llevan a cabo dentro de ellas repercuten sobre el recurso agua (Cruz, 2003), además de desempañar otras funciones hidrológicas, ecológicas y socioeconómicas; asimismo para valorar esos servicios se deben tomar en cuenta aspectos relacionados con su delimitación, calidad, regulación y protección; la cuantificación de los corrientes de agua, vegetación, uso y erosión del suelo.

La Sierra de Quila es reconocida por contener una gran biodiversidad y regímenes hidrológicos importantes, ya que es el parteaguas de dos regiones del estado de Jalisco (Región Río Ameca, al norte y al sur y Región del Río Armería-Coahuayana), lo que le da una gran relevancia ecológica al área a nivel regional y estatal (SARH, 1993); los afluentes de la parte norte abastecen al río Grande mientras que los de la parte sur vierten al río Tecolotlán - Atengo (río Armería). Los que nacen en la parte alta de la sierra, como los ríos La Campana y Santa Rosa y el arroyo Corralitos son permanentes y de gran relevancia, ya que abastecen de agua al poblado de Tecolotlán. El objetivo del presente estudio consistió en estimar la infiltración por lluvias y evaluar el caudal de las corrientes naturales de tres microcuencas del área protegida Sierra de Quila por un año (2012-2013).

MATERIALES Y MÉTODOS

La Sierra de Quila es un parteaguas que, junto a su zona de influencia, aporta a dos sistemas fluviales del estado de Jalisco; al norte la región hidrológica Río Ameca (RH14A) y al sur la región del Río Armería-Coahuayana (RH16B). Al interior del área natural se originan varias microcuencas, de las cuales destacan nueve con ríos y arroyos permanentes, que abastecen de agua a las poblaciones colindantes. El área específica de estudio comprende las microcuencas de los ríos La Campana y Santa Rosa, así como la microcuenca del arroyo Corralitos, ubicadas en la parte centro-suroeste del APFFSQ, descienden por el valle de Tecolotlán y en particular proveen de agua a la cabecera municipal (Figura 1).

La delimitación de las microcuencas y el cálculo de las características hidrométricas de los arroyos se realizaron sobre un archivo raster del modelo de elevación del terreno (MET) con ancho de celda de 20 m, elaborado a partir de datos vectoriales de curvas de nivel a escala 1:50 000 de las cartas topográficas F13D73, F13D74, F13D83 y F13D84 del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI, 1999b). Se utilizó el software ArcMap 9.3 (ESRI, 2008) con las herramientas 3D y Spatial Analyst. La delimitación de las microcuencas se obtuvo a partir del MET con la extensión HEC-Geo HMS v. 4.2 (Flemming y Doan, 2009) con el criterio de identificar superficies no menores a 1 000 ha.

Para la medición del caudal natural de los arroyos se establecieron siete sitios fijos sobre el flujo de la corriente y dos más en lugares de canalización y almacenamiento de agua. La ubicación de los sitios de medición del gasto hídrico buscó cubrir de manera sistemática la red principal de drenaje de cada microcuenca, esto es, que a partir de la zona alta se designaron sitios sobre los arroyos tributarios permanentes y su cauce principal (S1, S2 y S4), así como en la parte media (S3, S5 y S7) y en la parte baja como punto de unión de las tres microcuencas (S8) (Figura 1); asimismo, se establecieron sitios de medición del caudal de manera directa en los lugares con infraestructura para la distribución de agua, administrados por el ayuntamiento de Tecolotlán (S6 y S9). Todos los sitios establecidos sobre los arroyos y ríos se caracterizaron por encontrarse en fragmentos rectos del caudal, por tener poca pendiente y un ancho de cause promedio, sin venidas de agua cercanas (desniveles o pequeñas cascadas), y tener un entorno de vegetación homogénea. El monitoreo del agua se programó de manera quincenal durante un año (mayo de 2012 a mayo de 2013).

Para el cálculo físico de la infiltración y análisis del volumen medio anual de escurrimiento de las microcuencas, se utilizó el método indirecto Precipitación-Escurrimiento de la Norma Oficial Mexicana NOM-011-CNA-2000 (CNA, 2011). El método indirecto requirió de la recopilación y generación previa de información temática georreferenciada del medio biofísico correspondiente al área de estudio. Con el fin de obtener un mapa de valores de K, en función del tipo y uso del suelo, se digitalizaron mapas edafológicos de las cartas F13D73, F13D74, F13D83 y F13D84 del INEGI a escala 1:50000 (INEGI, 1999a); para obtener una carta de vegetación estratificada por densidad de cobertura (<25 %, 25-50 %, 50-75 % y >75 %) y otros usos de suelo. Una ortofotografía color-infrarrojo del año 2004 se interpretó y digitalizó a escala 1:5 000. Por último, se contó con capas digitales sobre la precipitación y temperatura promedio anual; los mapas fueron modelados por Ruiz et al. (2004) a partir de datos climatológicos de 40 años (1960-2000) para la clasificación climática del estado de Jalisco. Toda las capas se homogeneizaron en formato raster; posteriormente, con la función cálculo de mapas de ArcMap 9.3, se realizaron operaciones algorítmicas para obtener modelos digitales del valor de K a partir del tipo y uso del suelo, evapotranspiración (método de Turc), escurrimiento (Ce) e infiltración neta (In).

El cálculo del gasto que conduce la corriente de agua de los arroyos y ríos se determinó con el método "Sección-velocidad", el cual conlleva a estimar el área hidráulica de la sección, además de la ecuación de continuidad:

Q = V A

Donde:

Q = Gasto (m³ s^-1)

]]> A = Área de la sección (m²)

V = Velocidad (m s^-1)

Donde:

A = Área hidráulica de la sección (m²)

d = Ancho de las porciones (cm o m)

h_i,...h_n = Alturas intermedias (m)

he1, he2 = Alturas extremas medidas sobre el talud de la sección (m)

Σh1= Suma de alturas intermedias (m)

]]>

Donde:

V = Velocidad del flujo (m s^-1);

n = Número de registro de tiempos

t_i,...t_n = Tiempo que tarda flotador en recorrer un transecto sobre el caudal (m s^-1)

l = Longitud del transecto (m)

Σt_i= Suma de tiempos (m s^-1)

Para medir la velocidad del flujo de los arroyos se utilizó un dispositivo mecánico (flotador), que consiste en un objeto emergente simple o de superficie que adquiere la velocidad del agua que lo circunda; con el fin de reducir errores aleatorios y mejorar la calidad de la medición, se promedió el flujo de cada caudal con cinco repeticiones. Por otro lado, el método de medición directa se utilizó para los sitios con infraestructura (caja de agua y depósitos).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

A partir del modelo de elevación del terreno se obtuvo la delimitación de 24 microcuencas tributarias que intersectan con el polígono del área natural protegida Sierra de Quila y su zona de influencia. La microcuenca del río La Campana abarca una superficie de 15.8 km² (1 576.6 ha), tiene una elevación media de 1 679 m y una pendiente de 19.5 %. El cauce principal tiene una longitud de nueve kilómetros y un tiempo de concentración de 51 minutos. La microcuenca del río Santa Rosa en su contexto geométrico cubre una superficie de 14.9km² (1 486.9 ha), registra una elevación y pendiente media de 1 857 m y 14.1 %; su cauce principal tiene una longitud de 10.8 km con un tiempo de concentración de 56 minutos. Por último, la microcuenca del arroyo de Corralitos cubre una superficie de 19.6 km² (1 957.1 ha); posee una elevación y pendiente media de 1 502 m y 10.1 %. Su cauce principal es de 11.7 km con un tiempo de concentración de 69 minutos (Cuadro 1).

La morfometría de las microcuencas, según el coeficiente de compacidad (Kc), sugiere que las tres áreas son alargadas o bien, de oval oblongas a rectangular oblonga, sin embargo la microcuenca del arroyo Corralitos es la más irregular (2.6) (Cuadro 1). De acuerdo a los valores obtenidos del factor de forma (K_f), las tres microcuencas son muy poco achatadas, es decir, son menos tendientes a concentrar el escurrimiento de una lluvia intensa y formar fácilmente grandes crecidas (Cuadro 1). Los valores de la densidad de drenaje (D_d) para las microcuencas de los ríos La Campana y Santa Rosa resultaron de 3.3 y 3.1 km km^-2, lo que sugiere una densidad de drenaje moderada; la microcuenca del arroyo Corralitos presentó una densidad baja (1.9), y a esta última corresponden los volúmenes de escurrimiento bajos, al igual que velocidades menores de desplazamiento de las aguas. La densidad de corrientes para las microcuencas de los ríos La Campana y Santa Rosa fue de 4 arroyos km^-2, por lo que se considera como un drenaje eficiente (INE, 2004) (Cuadro 1).

La jerarquización de la compleja red de drenaje de las microcuencas se determinó con el método de Strahler (1957); el grado de estructura de la red para las microcuencas de los ríos La Campana y Santa Rosa es alto (cuatro órdenes) por lo que sugiere una red de drenaje mayor y de estructura definida. Por el contrario, la clase de orden en la microcuenca del arroyo Corralitos es media al presentar solo un intervalo de tres órdenes (Cuadro 2).

El tipo de suelo y la vegetación cumplen una función muy importante en la estimación del coeficiente de escurrimiento anual (Ce) e infiltración neta (IN); una vez categorizado el suelo en tres diferentes tipos: suelo permeable, medianamente y casi permeable, tomado en cuenta su uso actual; se obtiene el valor de K correspondiente, el cual se pondera por los diferentes tipos de vegetación y usos del suelo. El Cuadro 3 muestra los valores absolutos y relativos por tipo y usos del suelo por microcuenca; las de los ríos La Campana y Santa Rosa poseen una cubierta forestal de 92 y 98 %, compuesta principalmente por bosque de pino-encino, bosque de encino y selva baja caducifolia. La superficie forestal en ambas es densa, ya que 73 y 86 % tienen una densidad de cobertura mayor a 75 %; por el contrario, la del arroyo Corralitos solo tiene 30 % de su superficie cubierta de selva baja caducifolia, 57 % se destina al uso agrícola y pecuario y 13 % restante lo ocupa la superficie del poblado de Tecolotlán (Cuadro 3).

La capacidad de captación natural de agua de lluvia depende directamente de la extensión de la microcuenca y la precipitación promedio anual que en ésta se deposita; el coeficiente de disponibilidad de agua para la microcuenca del río La Campana se calculó en 13.9 Mm³año^-1, Santa Rosa en 13 Mm³año^-1 y Corralitos en 16.4 Mm³año^-1. Las microcuencas son fuente de agua potable para la población de Tecolotlán, ya que suministran este recurso a sus habitantes para el uso común, mientras que el arroyo de la microcuenca Corralitos distribuye su agua proveniente de un manantial perenne a algunas parcelas de uso agropecuario situadas en la parte noroeste de la cabecera municipal.

A las microcuencas de los ríos La Campana, Santa Rosa y arroyo Corralitos se les determinó un coeficiente de escurrimiento ponderado de 0.06, 0.05 y 0.14 (Cuadro 4); y al considerar la precipitación y el área drenada, en volumen, se traduce en un escurrimiento medio de 0.83, 0.65 y 2.29 Mm³ año^-1.

La Figura 2 muestra las zonas de escurrimiento en un intervalo de cinco clases, a partir de cero, la cual podría considerarse la clase como de bajo escurrimiento; la zona de mayor escurrimiento de la microcuenca del río La Campana se sitúa en el paraje reconocido como Cuatro Caminos, es una de las intersecciones más importantes de la red de caminos del área protegida, su entorno arbóreo denota un bosque abierto de pino - encino y una alta degradación del sotobosque y del suelo de tipo Cambisol húmico, semipermeable y de textura fina. La microcuenca del río Santa Rosa presenta en su parte media - alta un paraje, La Génega, con un intervalo de escurrimiento entre 148.2 y 177.5 mm año^-1; este paraje es una zona húmeda y plana donde existe mantos de agua; su nivel freático es horizontal y muy cercano al suelo. Este nivel se localiza en la zona de saturación y cuando aflora a la superficie, surge la escorrentía (Duque, 2003).

El suelo que predomina en La Ciénega es el Leptosol, se caracteriza por ser un suelo endurecido, poco profundo, permeable y de textura media; sin embargo al encontrarse las aguas subterráneas tan cerca a la superficie, se supera la capacidad de infiltración del suelo y por ende aumenta el factor de escurrimiento. La microcuenca del arroyo Corralitos delimita su área de mayor escurrimiento sobre el poblado de Tecolotlán, la mayor superficie cubierta por infraestructura. Las microcuencas La Campana, Santa Rosa y Corralitos arrojaron por modelación una capacidad de infiltración de agua de lluvia promedio de 3 080, 2 935 y 1 821 m³ ha^-1 (Cuadro 4); la Figura 3 muestra las sitios de infiltración que ocurren de forma inversa al mapa de escurrimiento; esto es, que aquellos territorios de bajo escurrimiento son los de mayor infiltración.

La Figura 4 interpreta la red de corrientes naturales, sitios de medición de caudal, zonas de captación (represas y rompedoras), redes de canalización y distribución de agua. La suma del caudal de las tres microcuencas arrojó un flujo total de 2 527 L s^-1 durante el período de mayo de 2012 a mayo de 2013; el flujo promedio mensual más alto se registró durante agosto de 2012 con 442.3 L s^-1; por el contrario, el escurrimiento más bajo se presentó en abril de 2013 con 71.1 L s^-1 (Cuadro 5). Una vez iniciado el temporal de lluvia (junio de 2012), la microcuenca del río Santa Rosa aportó hasta el mes de noviembre más de 50 % del caudal, y, a pesar de las crecidas que este río pudo tener en otros eventos no registrados mantuvo un gasto promedio constante (Cuadro 5).

Las dos microcuencas que abastecen el depósito del poblado de Tecolotlán (S9) son la microcuenca del río La Campana (S3) que aportó, solo durante el período de lluvias (junio - septiembre), un promedio de 133.6 L s^-1; mientras que la del río Santa Rosa (S5 y S6) promedió 171.6 L s^-1.

El arroyo de la microcuenca Corralitos (S7) fue el de menor aporte; el arroyo nace de un manantial ubicado en la parte media del flanco sur del Cerrito Verde. Cabe mencionar que el cauce del río de esta microcuenca ha sido modificado en un canal perpendicular a su cauce natural, con el fin de distribuir el agua a una zona de uso agrícola y pecuario; el canal abastece dos bordos y posterior a estos, el agua excedente se infiltra. El gasto promedio anual de este arroyo fue de 15.5 L s^-1 y su gasto fue constante del mes de agosto de 2012 a abril de 2013 (Cuadro 5 y Figura 5); en mayo, temporada de estiaje, se registró un repunte en el caudal promedio de las microcuencas debido a que 2013 fue el cuarto año más lluvioso desde 1941, a pesar de que los dos años anteriores fueron de los más secos. Jalisco ocupó el quinto lugar de los estados más húmedos (CNA, 2013); en el centro-occidente del país, en enero se registraron lluvias intensas, mientras que en los siguientes meses ocurrieron precipitaciones intermitentes con algunas lluvias fuertes al final de mayo (Figura 5). Otra connotación es el volumen "excedente" por microcuenca calculado en relación con el gasto promedio total registrado en el sitio 8 (S8) - Casco I (caudal principal e intersección de las corrientes de las tres microcuencas), y la diferencia del gasto con respecto al subtotal mensual por microcuenca, lo anterior se atribuye al desvío de agua para el abastecimiento a la población, retención superficial, entre otros factores que intervienen en el ciclo hidrológico (Cuadro 5).

La Figura 6 muestra la relación porcentual del gasto promedio mensual captado de los sitios S3 (Represa La Campana), S5 (Puerta Colorada) y S6 (El Zapote), mismas que suministran el depósito de agua del poblado de Tecolotlán, con capacidad de almacenamiento de 297 m³ (297 000 L). Este depósito recibió un promedio anual de 26 L s^-1 (17 %) del total del gasto que generaron los ríos La Campana y Santa Rosa; durante julio y agosto (período de lluvia intensa), solo se captó 9 % (35.2 L s^-1) del gasto total por mes, situación que incluso llegó a superar la capacidad de almacenamiento del depósito y, por consecuencia, hubo pérdida de agua por derrame. Durante el tiempo de estiaje, la demanda en mayo y junio de 2012 fue de 34 y 45 %; en abril de 2013, 35 % del gasto registrado (Figure 6).

Una de las fuentes naturales de agua de mayor reconocimiento que brota de la tierra en la Sierra de Quila es el manantial La Ciénega que emerge a los 2 100 msnm de manera perenne de un curso subterráneo que proviene de la parte alta del cerro El Huehuénton, a los 2 560 m; junto a dos afloramientos efímeros, los arroyos Los Guayabos y La Fragua, conforma al río Santa Rosa. El volumen promedio de agua que descargó de mayo de 2012 a mayo de 2013 fue de 57.4 L s^-1 (Figura 7), el cual puede ser categorizado como de tercera magnitud (entre 28 y 280 L s^-1) (Meinzar, 1923), en un intervalo de uno a ocho; mientras que el manantial que provee al arroyo Corralitos registró un gasto promedio anual de 14. L s^-1, y estaría clasificado como de cuarta magnitud (entre 6.3 y 28 L s^-1); en contraste, el del río La Campana y el arroyo Betania presentaron una marcada fluctuación que es influenciada por la precipitación, ya que alcanzan sus valores máximos durante el verano, lo que supone que están relacionados con el régimen de lluvia, y mínimos durante la temporada de secas (Figura 7).

CONCLUSIONES

El balance hídrico promedio anual tuvo un comportamiento similar en las dos microcuencas de la parte alta y en la meseta de la Sierra de Quila; por un lado, del total de agua de lluvia que captan, en la microcuenca del río La Campana se evapora 61.4 %, se escurre 3.6 % y se infiltra 35 %; mientras que en la del río Santa Rosa se presentan los siguientes valores respectivos: 61.3 %, 5.2 % y 33.5 %; por el contrario, en la parte baja, que corresponde a la zona del valle de Tecolotlán, la microcuenca del arroyo Corralitos registró 63.5 % de evaporación, 14.7 % de escurrimiento y solo 21.8 % de infiltración.

El modelaje geográfico de la infiltración permitió no sólo definir las zonas potenciales de recarga, sino también aquellas de menor intervalo de infiltración de agua; para ambos casos, se sugiere evaluar los recursos in situ y realizar acciones de manejo.

Los manantiales que dan origen a los ríos de las microcuencas se localizan en zonas potencialmente propicias para alimentar áreas de recarga hídrica, por lo que es conveniente mejorar el vínculo hidrológico-forestal a fin de garantizar la sostenibilidad del recurso.

El flujo promedio anual registrado en el depósito de Tecolotlán fue de 26 L s^-1; esto es, 17 % del total que proviene de las microcuencas La Campana y Santa Rosa. Durante la época de estiaje, el caudal promedió 21 L s^-1, y en la época de lluvias, 33.5 L s^-1, cantidad de agua, esta última, que supera la capacidad de almacenamiento de los depósitos.

En general, la infraestructura de la red de canalización, captura, concentración y distribución del agua al poblado es deficiente e inadecuada, por lo que es inexcusable aplicarle mejoras.

Es necesario implementar una estrategia participativa entre la autoridad municipal, los responsables administrativos y los usuarios del área natural protegida así como con los habitantes del poblado de Tecolotlán para unir sinergias e impulsar procesos sociales, ambientales y de gestión para manejar y proteger correctamente el componente hidrológico de la región.

AGRADECIMIENTOS

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