Calibración del número N de la curva de escurrimiento en una cuenca agropecuaria de 166 km2 de la provincia de Buenos Aires, Argentina
Runoff curve number calibration of a 116 km2 agricultural basin, Buenos Aires province, Argentina
M. Guadalupe Ares1,3*, Marcelo Varni1, Celio Chagas2, Ilda Entraigas1
1 Instituto de Hidrología de Llanuras. República de Italia 780 Azul, B7300, Buenos Aires, Argentina. (gares@faa.unicen.edu.ar). * Autor responsable
2 Facultad de Agronomía, Universidad de Buenos Aires. Avenida San Martín 4453 (1417) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina (chagas@agro.uba.ar).
]]> 3 Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Avenida Rivadavia 1917 (C1033AAJ) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.
Recibido: mayo, 2011.
Aprobado: agosto, 2012.
Resumen
En el área de las sierras bonaerenses argentinas, el aumento de las precipitaciones y de la superficie destinada a agricultura ha contribuido a la generación de excesos de escurrimiento de gran impacto en la región y a la erosión hídrica de las tierras. La relación lluvia–escurrimiento en esta región permitirá estimar los efectos de las crecidas. Se calcularon valores locales de Número de la Curva de Escurrimiento (N) para la cuenca del arroyo Videla (Buenos Aires, Argentina) y se estudió su relación con las precipitaciones a partir de datos de lluvia diaria y volúmenes escurridos. Se obtuvieron valores de 51 a 99 y los más frecuentes estuvieron entre 60 y 90. La relación entre N y precipitación mostró un patrón estándar que permitió ajustar un valor asintótico de 57. Lluvias menores que 15 mm se asociaron a N entre 85 y 90 y las de 15 a 85 mm se relacionaron con N de 60 a 85. Hubo concordancia entre los N intermedios observados y los valores tabulados de este parámetro asociados a cada cobertura vegetal. Así destaca la importancia de obtener valores locales de la variable estudiada para la implementación adecuada del método en cuencas de 100 km2.
Palabras clave: precipitación diaria, escurrimiento, número de la curva de escurrimiento, tamaño de cuenca, hidrogramas.
Abstract
]]> In the mountainous area of Buenos Aires, Argentina, an increase in precipitation and in cultivated area has contributed to generating excessive runoff that has had severe impact on the region and on soil water erosion. The rain–runoff ratio in this region can help estimate the effects of floods. The local values of the runoff curve number (N) were calculated for the basin of the Arroyo Videla (Buenos Aires, Argentina), and its relationship to rainfall events was studied parting from daily rain data and runoff volumes. Values of 51 to 99 were obtained, and the most frequent were between 60 and 90. The relationship between N and precipitation exhibited a standard pattern that allowed adjusting an asymptotic value of 57. Rains less than 15 mm were associated with N between 85 and 90, while rains between 15 and 85 mm were related to N of 60 to 85. There was concordance between intermediate observed N and tabulated values of this parameter associated with each plant cover. This highlights the importance of obtaining local values of the studied variable to appropriately implement the method in basins of 100 km2.Key words: daily rainfall, runoff, runoff curve number, basin size, hydrographs.
INTRODUCCIÓN
La Pampa Húmeda Argentina es una zona económicamente importante allí está la mayor producción agrícola del país. Un área de interés por su potencial productivo y su dinámica hidrológica corresponde a los sistemas serranos de la provincia de Buenos Aires, donde ha aumentado las precipitaciones (Saravia, 1987). Esto ha causado desbordes de ríos, arroyos y lagunas, entre ellos el arroyo del Azul y sus tributarios, lo que produce perjuicios económicos y sociales en los ámbitos rural y urbano. Estos fenómenos están asociados al aumento de la superficie destinada a la agricultura en deterioro de los pastizales naturales y las praderas implantadas. Por tanto es relevante conocer la respuesta lluvia–escurrimiento de precipitaciones de diferente magnitud para estimar los efectos de las crecidas en eventos extremos. El método del Número de la Curva de Escurrimiento (USDA SCS, 1985) se usa para predecir el volumen potencial de escurrimiento directo para un evento de lluvia en cuencas agrícolas, forestales y urbanas pequeñas, con la estimación de un solo parámetro: el N. Pero es necesario determinar los N con datos locales (Van Mullem et al., 2002), lo cual contribuirá a reducir la incertidumbre en la calibración de los modelos de simulación de crecidas. Ponce y Hawkins (1996) señalan algunas limitaciones en la aplicabilidad de este método y una de ellas es el tamaño máximo de las cuencas donde se puede implementar, el cual no está definido bajo un criterio claramente especificado. Simanton et al. (1996) estimaron los N para cuencas en Arizona, EE.UU. y registraron una disminución en N al aumentar la superficie de las cuencas.
Los objetivos del presente estudio fueron obtener valores de N con datos locales de lluvia–escurrimiento en una cuenca agropecuaria de 116 km2 perteneciente al sistema serrano bonaerense argentino, estudiar su respuesta hidrológica ante precipitaciones de distinta magnitud y discutir los alcances predictivos del método de N en relación a la extensión de dicha cuenca.
MATERIALES Y MÉTODOS
área de estudio
Está situada en el sector central de la provincia de Buenos Aires, Argentina, en la subregión de las sierras bonaerenses (Figura 1A) y pertenece a la cuenca del arroyo Videla, la cual incluye áreas de sierras, lomeríos y otras de pendientes menores del sector intraserrano. El arroyo Videla es afluente del arroyo del Azul y su cuenca tiene una superficie de 116.3 km2. La pendiente media es 2.8 %, su altitud máxima es 340 m y la mínima es 188 m.
]]> Los suelos predominantes son Argiudoles (55.5 %) y Hapludoles (28.1 %), además hay Natracualfes (9.2 %) y Paleudoles (5.8 %) y 1.4 % corresponde a afloramientos rocosos (INTA, 1992). Los suelos tienen capacidades de infiltración variables desde 60 mm h–1 en Argiudoles bien drenados hasta 24 mm h–1 en suelos de profundidad limitada por presencia de roca.Método del Número de la Curva de Escurrimiento
El método del N expresa el volumen de agua disponible para escurrir superficialmente como una función de la lluvia y el almacenamiento según:
mientras que Q=0 para P<0.25, donde Q= escurrimiento (mm),P= precipitación (mm), S= retención potencial máxima (mm). S se transforma en el parámetro adimensional N mediante:
donde 0 < N <100. Un valor de N=100 representa una condición donde toda la lluvia se transforma en escurrimiento, mientras que N=0 representa una cuenca con capacidad de retención infinita (Ponce y Hawkins, 1996). Si hay datos locales de precipitación y escurrimiento es posible determinar los N correspondientes a cada evento. De la Ecuación (1) se obtiene:
Entonces, cualquier par (P, Q) (0<Q<P) da una solución para S y mediante la Ecuación (2) un valor de N (Hawkins, 1993). Para obtener valores locales de N se seleccionaron y procesaron los datos de hidrogramas y de lluvias diarias correspondientes al arroyo Videla, como se describe a continuación.
1) Crecientes seleccionadas y su escurrimiento directo
]]> Se analizaron registros de altura del arroyo Videla correspondientes al periodo 2001 a 2007 obtenidos mediante un limnígrafo instalado en la estación ubicada a la salida de la cuenca (Figura 1B). Los niveles se transformaron en gastos por medio de la curva altura–gasto de la sección, obtenida a través de aforos realizados con molinetes hidrométricos. En el análisis ingresaron las crecidas con escurrimientos mayores que 10 000 m3. Los eventos menores se consideraron de poca envergadura y originados por tormentas pequeñas por lo que su inclusión conduciría a incrementar el error en las estimaciones (Feyereisen et al., 2008). Para estimar los volúmenes de escurrimiento superficial se separaron los mismos del gasto base a partir del hidrograma de cada crecida. Para ello, en cada hidrograma se trazó una recta uniendo el origen de la crecida con el fin del escurrimiento superficial, señalado por una ligera ruptura en la curva de descenso (Chow et al., 1994). Esta separación se realizó manualmente usando hoja de papel milimétrico y planilla de cálculo. Los resultados de estos procedimientos fueron finalmente expresados en lámina de lluvia (mm). Asimismo, se determinó la duración de las crecidas que fue considerada como el tiempo de duración del escurrimiento superficial obtenido del procesamiento de los hidrogramas.2) Datos de precipitación correspondientes
Las lluvias relativas a los eventos de crecida se obtuvieron a partir de la estimación de la precipitación diaria en el centro de gravedad de la cuenca, para lo cual se usaron los datos pluviométricos diarios disponibles correspondientes a las cinco estaciones de registro más cercanas (Figura 1) y distancia variable al centro de gravedad de la cuenca (Cuadro 1). Para la estimación se empleó el método de ponderación por el inverso de la distancia elevado al cuadrado (Dingman, 2002), en el cual los valores de precipitación se calculan a través de:
donde 
0: precipitación diaria estimada para el centro de gravedad de la cuenca, dg: distancia de cada estación al centro de gravedad de la cuenca, dg: precipitación diaria de cada estación g (g=1, 2...,G). En este caso se consideró b=2.
Una vez obtenida la información de escurrimiento superficial y lluvias diarias, se conformaron los pares precipitación–escurrimiento y se calculó primero el valor de S y luego el correspondiente N a través de las Ecuaciones (3) y (2).
Análisis de la relación entre el N y la precipitación
]]> Los valores de N calculados a partir de los registros mencionados se relacionaron con las precipitaciones que le dieron origen mediante un gráfico que vinculaba ambas variables. A partir de esta información se caracterizó el tipo de patrón de respuesta de la cuenca estudiada que se clasifica en violenta, con decaimiento y estándar (Hawkins, 1993).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las 108 crecidas analizadas presentaron duración promedio de 69 h, máxima de 158 h y mínima de 22 h, mientras que la lámina escurrida promedio fue 3.3 mm, con valor máximo de 22 mm y mínimo de 0.1 mm. Los valores de N variaron entre 51 y 99 (media de 75) y esta diversidad de valores de N podría relacionarse primero con la capacidad de infiltración diferencial de los suelos, y luego con la humedad antecedente de cada tormenta la cual varió desde cero hasta más de 90 mm en los 5 días previos. A su vez, el uso y grado de cobertura del suelo presentaron cambios importantes en la cuenca. Cabe mencionar que la variabilidad espacial de las precipitaciones, como la trayectoria de las tormentas, si bien son factores no contemplados por el método, también inciden en la respuesta al escurrimiento. Cuadro 1
La relación gráfica entre los N calculados y la precipitación correspondiente (Figura 2) muestra la tendencia conjunta de estas variables para la cuenca del arroyo Videla. Los valores de N tienden a disminuir a medida que la lluvia aumenta y pueden ser ajustados a ecuaciones para hallar el valor de la asíntota según lo definido por Hawkins (1993). La tendencia muestra un patrón tipo estándar que ha permitido obtener el ajuste:
con r2=0.79. De esta manera, se obtiene N=57 para grandes eventos. Este valor describe la tendencia del N ante eventos lluviosos de magnitud importante (Hawkins, 1993). Además, lluvias menores que 15 mm se asocian a N entre 85 y 90, y precipitaciones entre 15 y 85 mm, a N de 60 a 85.
La presencia de valores de N mayores para los eventos de lluvia pequeños, se debe a que las precipitaciones de magnitud baja con N bajos no producen escurrimiento significativo y, por tanto, las únicas situaciones que causarían escurrimiento con lluvias pequeñas son aquellas que resultan en N altos (Hawkins, 1993). Crecidas con N>85 coincidieron en algunos casos con eventos en los que la lluvia de los 5 días previos era alta, y en la mayoría de los eventos que no presentaron humedad antecedente alta, correspondieron a los años 2001 y 2002 en los que las precipitaciones anuales superaron en 84 y 53 % el promedio anual histórico de 1901 a 2007, que fueron años muy húmedos.
]]> Los valores de precipitación intermedios representan las situaciones de ocurrencia más frecuente en la cuenca, y corresponden a N entre 60 y 85 (Figura 2). Estos resultados son comparables con aquellos que surgen de las estimaciones a través del uso de tabulaciones de N. Además, los N tendientes a 57 asociados a las lluvias de mayor magnitud, podrían considerarse bajos en relación a lo comentado anteriormente. En el presente estudio el tamaño de la cuenca es mayor al recomendado para estimar escurrimiento mediante el método del N lo cual produciría escurrimientos menores que los que predice el mismo. Ello se debe a que participan otros procesos que no son relevantes en cuencas pequeñas como el de transmisión del agua a través de cursos, almacenamiento en depresiones, o la detención asociada a la presencia de elementos introducidos por el hombre en el paisaje (alambrados, caminos, alcantarillas), los cuales implican una disminución del volumen de agua que sale de la cuenca respecto del escurrimiento potencial que estima el método. Por ello, para eventos de lluvia superiores a 85 mm en esta cuenca cuya superficie es del orden de los 100 km2, N debería tender a 57, independientemente de las condiciones de suelos, usos y humedad antecedente.
CONCLUSIONES
A través de los procedimientos presentados se caracterizó una relación estándar entre N y las precipitaciones asociadas en una cuenca agrícola de la Pampa Húmeda Argentina. Los valores tabulados del parámetro N resultarían adecuados en caso de lluvias comprendidas entre 15 y 85 mm. Para precipitaciones superiores a 85 mm los valores de N deberían ser menores que los propuestos en las tablas y relativamente independientes de las variaciones de cobertura y humedad edáfica de la cuenca. Esta respuesta podría deberse a la extensión del área estudiada, la que favorecería la infiltración en la cuenca. Los resultados obtenidos aportan elementos que permitirán hacer interpretar mejor la tendencia de los N en cuencas del orden de los 100 km2 y muestran la importancia de conocer esos valores.
LITERATURA CITADA
Chow, V. T., D. Maidment, y L. W. Mays. 1994. Hidrología aplicada. Mc Graw Hill. Bogotá, Colombia. 584 p. [ Links ]
Dingman, L. 2002. Physical Hidrology. 2nd Edition. Prentice Hall. New Jersey. pp: 115–116. [ Links ]
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Hawkins, R. 1993. Asymptotic determination of runoff curve numbers from data. J. Irrigation Drainage Eng. 19(2): 334–345. [ Links ]
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Van Mullem, J., R. Hawkins, A. Hjelmfelt, and Q. Quan. 2002. Runoff Curve Number method: Beyond the handbook. 2nd Federal Interagency Hydrologic Modelling Conference. Las Vegas, USA. [ Links ]
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