Iván M. Tovara, Edward J. Sánchez a, Jeannette Zambrano Nájerab, Jorge Julián Vélezb, Juan José Montoya Monsalvec Lilian Posada Garcíad, Claudia Yaneth. Contrerase, Nelson Omar Vargase
a Especialización en Ingeniería Hidráulica y ambiental, Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales.
b Universidad Nacional de Colombia -Sede Manizales.
c Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM.
d Universidad Nacional de Colombia -Sede Medellín.
e Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales – IDEAM.
PRESENTACIÓN.
El diseño de redes de monitoreo de sedimentos es estratégico para planificar y gestionar adecuadamente los recursos hídricos, lo que incluye el diseño de estructuras hidráulicas, el estudio del comportamiento de las corrientes, la estimación de tasas de erosión, transporte, depositación, la transferencia de sedimentos a otros cuerpos de agua, el transporte de contaminantes, el diseño de medidas de restauración de ríos degradados, entre otros. Por tal motivo en el presente documento se presentan los resultados de la investigación que trata de encontrar la influencia de las características geomorfológicas predominantes a lo largo de la red de drenaje en cuencas tropicales sobre la producción de sedimentos; y su incidencia directa en la ubicación de puntos de monitoreo sedimentológicos. Con la finalidad de construir una propuesta metodológica para el diseño de una red permanente y óptima que además sea idónea para zonas tropicales y sea basada en las características propias de las cuencas y las corrientes fluviales. De forma tal que el resultado sea una red de monitoreo que este en la capacidad de registrar variables hidráulicas, hidrológicas y de sedimentos en el sitio idóneo y que sea representativo y permita ser parte de una línea base y sirva para posteriores estudios.
OBJETIVOS
· Recopilación y Análisis de información geomorfológica de la cuenca y parámetros geomórficos del cauce.
· Identificación y análisis de características geomorfológicas en cuencas y su relación directa en la producción de sedimentos.
· Construcción de una metodología que permita ubicar puntos estratégicos de monitoreo de sedimentos fundamentados en las características físicas del sitio.
MARCO TEÓRICO
Para cuantificar los procesos de la dinámica de sedimentos es importante, implementar redes de monitoreo permanentes y en puntos estratégicos. Los beneficios a corto plazo de este tipo de redes incluyen contar con información disponible y relevante para determinar las cargas de sedimentos y la evaluación de los procesos de sedimentación en corrientes fluviales. Adicionalmente, a largo plazo se pueden identificar tendencias en lo relativo a los procesos de erosión.
El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia-IDEAM viene realizando el monitoreo de los sedimentos desde hace más de 40 años. La red existente ha sido desarrollada, algunas veces para atender necesidades de proyectos puntuales (Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, 2015), pero generalmente con base en experiencias extranjeras sin tener en cuenta condiciones propias de las regiones tropicales como la alta variabilidad de las características físicas del paisaje que a su vez determinan una alta variabilidad hidroclimatológica.
En Colombia, el programa de monitoreo de variables sedimentológicas está basado en normativas internacionales propuestas por la Organización Meteorológica Mundial (WMO, 2003) y otras entidades como el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS, 2015). Estas metodologías convencionales fueron evaluadas (EPAM, 2011a), donde se mencionan técnicas como las establecidas por la Organización Meteorológica Mundial (WMO, 2003), la que se basa en establecer un número de estaciones por área de influencia según su ubicación en zonas de costas, montañas, planicies, regiones montañosas/onduladas, islas y/o regiones polares; también se mencionan métodos estadísticos para el análisis de series históricas de variables climatológicas como el método de la Entropía o los métodos Geoestadísticos (EPAM, 2011b). La Organización Meteorológica Mundial también recomienda que cuando se disponga de datos, se apliquen técnicas de análisis matemático con el fin de optimizar el diseño de la red y que la labor de macrolocalización sea sistematizada en la medida de lo posible para evitar sesgos (WMO, 2003).
De manera, que esas metodologías deben ser adaptadas a las condiciones del trópico donde predomina la alta variabilidad morfológica y climatológica. Adicionalmente, deben considerar parámetros que reflejen la dinámica de los sedimentos que varía con la geomorfología de la cuenca, el uso y cobertura del suelo, la granulometría de los sedimentos, entre otros. Por tal motivo, surge un especial interés en la elaboración de una metodología que permita el rediseño de la red de monitoreo para variables sedimentológicas.
La metodología se fundamenta en el hecho de que la producción de sedimentos es función de la interacción entre parámetros geológicos, hidrológicos y climáticos, así como de los cambios introducidos por la actividad antrópica en el sistema fluvial (Knighton, 1998; Ludwig & Probst, 1998). A nivel internacional se ha intentado definir estos criterios, ante lo cual algunos autores coinciden en que la producción de sedimentos es controlada en su gran mayoría por la actividad tectónica y la configuración del relieve, mientras que parámetros climáticos como la precipitación, la escorrentía y la temperatura tienen un papel secundario.
Por otra parte, también se ha podido establecer que las cuencas tropicales presentan magnitudes relativamente altas de producción de sedimentos, comparadas con los valores reportados en cuencas de otras zonas geográficas (Milliman & Syvitski, 1992). Así como el hecho de que la producción de sedimentos se caracteriza por una fuerte variabilidad espacial y temporal, relacionada con los procesos tectónicos, geomorfológicos y climáticos que identifican estas zonas y particularmente con la ocurrencia de eventos de alta intensidad (i.e. sismos, fenómenos de remoción en masa, tormentas torrenciales) (Stallard, 1988; Thomas, 1994).
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Por tanto, en el presente trabajo se propone una metodología que considera tres grupos de variables (Figura 1): 1) las asociadas a las condiciones naturales de la cuenca, 2) las asociadas a factores antrópicos y 3) las estaciones hidrológicas existentes (información de caudales líquidos). Figura 1. Parámetros que definen los procesos de producción, transporte y depositación de los sedimentos. (Elaboración propia)
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Los factores físicos tienen en cuenta la geomorfología de la cuenca, la densidad de drenaje, la topografía y la forma de la cuenca, los que están directamente involucrados con la capacidad de la cuenca de evacuar los flujos de escorrentía y por ende los sedimentos (Posada García, 1994; USDA, 1983).
Los factores antrópicos hacen referencia a aquellos factores de intervención del hombre que aceleran o desaceleran los procesos de producción de sedimentos y modifican la dinámica del mismo. Se analizarán factores a escala de cuenca y no aquellos puntuales como la minería o la urbanización.
Por último, se debe tener en cuenta que la red de monitoreo hidro-sedimentológico depende de los datos de caudales líquidos, de manera que se dará prelación a aquellas estaciones de monitoreo sedimentológico que estén cercanas o en el punto exacto de las estaciones hidrológicas.
ESTADO DE LA INVESTIGACIÓN
Metodología propuesta
Actualmente, la investigación cuenta con resultados preliminares ya que una vez definida la metodología esta se aplicó a doce subcuencas: Bajo Saldaña, Río Claro, Alto Cesar, Arroyo Corozal, Amaime, Nare, Tapias, Chicamocha, Fortalecillas, Yaguará, Coello y Fonce.
El procedimiento consiste en 6 pasos: 1) Procesamiento de la información e identificación de tributarios principales, 2) Definición de parámetros físicos y revisión de dinámica geomorfológica, 3) Accesibilidad a la estación, 4) Generación de mapas de actividad antrópica, 5) Localización de estaciones previas y comparación de ubicación, 6) Localización definitiva.
La metodología parte del procesamiento del Modelo de Elevación Digital (MED) de la subzona; en primer lugar se realiza el ajuste por medio del recondicionamiento del MED de forma tal que se corrijan los errores espaciales y de elevación. Posteriormente, se define la red de drenaje, los órdenes de la misma y el río principal, así como las pendientes, acumulaciones de flujo y direcciones de flujo. Con esta información se obtiene el perfil del río principal, sobre el cual se realizará el análisis en paralelo con la información de la cuenca. A partir de los órdenes identificados se definen los principales tributarios al río revisando la información de la cuenca por izquierda y por derecha (Figura 2,3 y 4)
El siguiente paso consiste en extraer la información de estos mapas y organizarla para lograr visualizar los parámetros. En lo relativo a los aspectos geomorfológicos se seleccionaron los parámetros: densidad de drenaje, pendiente media de la cuenca y del cauce principal y altura media de la cuenca. Par
a determinar la ubicación de la estación teniendo en cuenta los factores físicos, se observan cambios significativos en dichas propiedades como se observa en la figura 7.
De manera que se observan cambios significativos en las pendientes del cauce para los que han sido definidas de manera preliminar zonas con cambios mayores al 1%, también se analizan pendientes de cuenca mayores al 30% donde tradicionalmente se considera zonas de producción. De forma paralela se estudia el componente geológico de la corriente, ubicando los puntos dónde ocurren cambios litológicos significativos (Se buscan cambios significativos de la litología para determinar su tendencia a ser erosionada –Figura 8-9), así como las fallas
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geológicas. Una combinación de estos aspectos permite definir una ubicación preliminar de los puntos. Figura 8.
Una vez definida una ubicación tentativa de la red, se analizan los factores antrópicos, donde se agrupan los criterios asociados a los procesos erosivos como el uso y la cobertura del suelo y las prácticas agrícolas. Estos factores permiten evaluar la tendencia de un suelo a ser erosionado por causas hídricas (Figura 10). |
Por último, se debe tener como base la existencia de estaciones hidrológicas o de sedimentos ya que la red de monitoreo de sedimentos debe ser paralela a la red hidrológica. La ubicación final de las estaciones estará determinada por dichas estaciones.
APORTES DE LA INVESTIGACIÓN A LA TOMA DE DECISIONES
La metodología fue aplicada mediante el análisis descriptivo y geomorfológico de las doce Subzonas que forman parte de la cuenca Magdalena-Cauca en Colombia descritas anteriormente. A continuación se presentan los resultados de dos Subzonas que cuentan con una buena representación de la variabilidad altimétrica y climatológica de la cuenca Magdalena-Cauca.
Las 12 subzonas seleccionadas presentan características bastante variables, lo que permite incluir un rango amplio de característica El análisis permite definir el perfil del cauce principal (Figura 11), en el cual se ubica información sobre las estaciones existentes, así como las estaciones propuestas, las cuales están ubicadas teniendo en cuenta los cambios de pendiente, las variaciones litológicas importantes, la presencia de fallas geológicas y en los cambios más significativos en las propiedades geomorfológicas entre afluentes, y con especial atención en los puntos de confluencia.
Del trabajo preliminar realizado, al cual aún le falta el proceso de validación, se observa que el número de estaciones existentes de sedimentos es bajo aún, de manera que si se tienen en cuentas las zonas de producción y transporte en la mayoría de los casos se requiere por lo menos el doble de estaciones de las actuales (Figura 12).
APORTES DE LA INVESTIGACIÓN A LOS TEMAS DE LA REGIÓN
La aplicación de esta metodología dio como resultado un red de monitoreo de sedimentos basada en el estudio de parámetros geomorfológicos y antrópicos. Específicamente el resultado son puntos ubicados a lo largo del perfil del río principal que permiten un análisis fractal para estudiar con la misma metodología las intercuenca resultantes.
De esta manera, el trabajo aporta una metodología que permite diseñar de manera óptima una red de monitoreo de sedimentos para el control y seguimiento de cuencas. Esta incluye un proceso de análisis hidrológico mediante herramientas SIG y el estudio e investigación de la influencia de factores antrópicos, factores naturales y la preexistencia de estaciones hidrometeorológicas en el diseño de la red de monitoreo. Esta metodología es versátil porque al tener criterios establecidos con una metodología de cálculo clara puede ser implementada por diversos actores según sus objetivos de diseño de la red.
Es una metodología práctica que requiere información accesible como los modelos de elevación digital, así como también la herramienta principal para la construcción de la metodología es de fácil manejo, que en conjunto con el criterio y la investigación conforman una red de monitoreo sedimentológica ligada a las características físicas propias de las regiones, dado que el número de estaciones resultado de la aplicación de esta será el adecuado para las variaciones climáticas, topográficas y propias del lecho.
BIBLIOGRAFÍA
EPAM. (2011a). Propuesta metodológica y resultados para la reingeniería de la red nacional de monitoreo del recurso hídrico. Bogotá.
EPAM. (2011b). Diagnóstico de la red de monitoreo del recurso hídrico. Bogotá.
Knighton, D. (1998). Fluvial forms and processes- a new perspective. In O. U. Press (Ed.), (pp. 383).
Ludwig, W., & Probst, J. L. (1998). River sediment discharge to the oceans; present-day controls and global budgets. American Journal of Science, 298(4), 265–295.
Milliman, J. D., & Syvitski, P. M. (1992). Geomorphic/Tectonic control of sediment discharge to the ocean : The importance of small mountains rivers. Journal of Geology, 525–544.
Posada García, L. (1994). Hidráulica Fluvial. (1st ed.). Medellín.
Stallard, R. (1988). Weathering and erosion in the humid tropics. In A. M. Lerman, M, pp. 225–246). (Ed.), Physical and Chemical Weathering in Geochemical Cycles: Hluwer Academic Publishers.
Thomas, M. (1994). Geomorphology in the tropics: a study of weathering and denudation in low latitudes. Chichester: Wiley.
Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. (2015). Informe 2 Avance red de monitoreo de sedimentos. Manizales-Bogotá, Colombia: IDEAM.
USDA. (1983). Section 3. Sedimentation National Engineering Handbook. Washington, DC: United States Department of Agriculture, USDA – Soil Conservation Service.
USGS. (2015). 2015, from http://water.usgs.gov/edu/sediment.html
WMO. (2003). World Meteorological Organization operational hydrology report no. 47 manual on sediment management and measurement.