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VALIDACIÓN DEL MODELO DE ESTIMACIÓN DE LA EROSIÓN
“WEPP” COMO HERRAMIENTA PARA LA EVALUACIÓN DE
ESTRATEGIAS DE GESTIÓN Y CONTROL DE LOS RECURSOS
NATURALES A DIFERENTES ESCALAS DE ACTUACIÓN.
De Regoyos Sáinz, M.1 ; García y García, A.I.2p; Ayuga Téllez. F.2 y Martínez
Álvarez, V.3 1 Ingeniero Agrónomo. Universidad Politécnica de Madrid.
2 Doctor Ingeniero Agrónomo. Universidad Politécnica de Madrid. 3 Doctor Ingeniero Agrónomo. Universidad de Cartagena, Murcia.
RESUMEN
Debido a las características del ecosistema mediterráneo, excesivamente frágil ante
todos los cambios que en él se producen, hay que intentar preservarlo previniendo
los posibles problemas ambientales que se pudieran producir como consecuencia de
los cambios en la situación social y económica de la población rural y la presión
urbana sobre el medio natural.
El aumento de modelos matemáticos para ser utilizados en conservación de suelos
tanto a nivel local, como regional o nacional, requiere una evaluación de los métodos
para determinar la escala de trabajo y la exactitud de los datos requeridos. Así, la
incertidumbre en los resultados de las evaluaciones y en la toma de decisiones a
diferentes escalas de interés será mínima, debido a la adecuación de los datos
utilizados, métodos de procesado y el modelo aplicado,.
El éxito usando modelos de predicción basados en procesos, para tomar decisiones
sobre el uso de los recursos naturales, no se puede encontrar en modelos que sólo
funcionan con un nivel y calidad de datos y que sólo pueden ser adquiridos in situ.
Normalmente hay datos disponibles sobre multitud de temas, pero raramente se
ajustan a los requerimientos para ser aplicados a los sofisticados modelos basados
en procesos. Resolver los problemas ambientales asociados a la degradación de los
recursos naturales como el agua y el suelo, normalmente no permiten retrasos
esperando a conseguir la cantidad de datos necesarios para satisfacer los
requerimientos del modelo. Por lo tanto, las herramientas de evaluación con un
mínimo de necesidades de calibración deben de ser evaluadas basándose en su
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potencial para proveer suficiente información para tomar decisiones con la fuentes
de datos más corrientes.
En esta comunicación se presentan los trabajos realizados con el modelo WEPP,
para conocer su capacidad de simulación de los procesos que generan la erosión
hídrica del suelo basándose en la posibilidad real de obtener los datos necesarios
para realizarla, y como se ve incrementada su capacidad de simulación y procesado
de datos cuando es asociado a un SIG, ajustándose más a la realidad.
VALIDATION OF THE WEPP MODEL FOR EROSION ESTIMATION AS AN
INSTRUMENT TO EVALUATE MANAGEMENTS STRATEGIES AND NATURAL
RESOURCES CONTROL ON DIFFERENT ACTING LEVELS
Due to the Mediterranean ecosystem characters, very delicate facing to every
changes on it, to preserve it is necessary to foresee all the ambient troubles that
could come as a consequence of different changes at the social and economic
situation of the rural population as well as the urban pressure over the natural
ambience.
The increasing of mathematics models to be used on soil conservation at local,
regional or national levels, is requiring an evaluation of the different methods to
define the scale to work with and the accuracy of the required data to minimize the
hesitancy on the evaluations results and in the taking decisions process at different
levels due to the fitting of the used data, the processing methods and the applied
model.
Using predictions models based on processes , to take decisions about the use of
the natural resources, the success can not be found on models that only work with a
data quality level that just can be got when are taken on site. Normally, there are
available data about many subjects, but rarely fit to be applied with the sophisticated
models based on processes. The solutions to ambient problems associated with
degradation of natural resources as soil and water, normally can not be delayed
awaiting for the necessary data collection to satisfy the model-input requirements.
So, the instruments to evaluate with a minimum of calibration have to be based on
the capacity to provide information enough to take decisions with commonly data
banks.
Following you will find the studies made with the WEPP model to know its simulation
capacity on the processes causing the water soil erosion, based on the real
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possibility of getting the necessary data and how increases its simulation and data
processing capacities link with a SIG, fitting more with the reality.
1.- INTRODUCCIÓN
La Unión Europea tiene como objetivo prioritario alcanzar un desarrollo sostenible en
cualquier actividad económica con influencia en el medio ambiente (M A). Entre las
cuatro áreas de actuación prioritarias del Sexto Programa de Medio Ambiente se
encuentra: “Naturaleza y biodiversidad: proteger un recurso único”. Su objetivo
es proteger y restaurar el funcionamiento de los sistemas naturales y detener la
pérdida de biodiversidad en la UE y en el mundo; proteger los suelos contra la
erosión y la contaminación. Con este fin hay que desarrollar herramientas capaces
de determinar la situación de calidad del suelo, entendiendo por calidad del suelo: “la
capacidad de un suelo de funcionar dentro de los límites del ecosistema para
sostener la productividad biológica, mantener la calidad medioambiental y promover
la salud de las plantas y animales. (Doran et al. 1994) ”, según la definición
adoptada por la Sociedad Americana de la Ciencia del Suelo (SSSA), en 1997.
Los estudios sobre la erosión hídrica y modelos para evaluar las pérdidas de suelo,
según los distintos tipos de erosión, comienzan prácticamente a principios del siglo
veinte, con las investigaciones del Forest Service de USA en 1915. Durante muchos
años, los técnicos en conservación del suelo han utilizado la Ecuación Universal de
Pérdida de Suelos (USLE), para seleccionar las prácticas de control de la erosión a
medida para un determinado agricultor y sus campos. “Pero, este método tiene
importantes limitaciones ya que en un área determinada, la producción de
sedimentos está controlada por el desprendimiento y la capacidad de transporte del
agua y éstos procesos dependen de factores como: la topografía, el suelo, la
cobertura vegetal, las características de la lluvia y la escorrentía. Los efectos de
estos factores cambian de estación a estación y de tormenta a tormenta, y por lo
tanto este método no es el más adecuado para simular estas situaciones
cambiantes. (Foster, Lane; 1981)”.
La USLE debido a su origen empírico y su estructura de caja negra (que no permite
establecer relaciones entre los procesos hidrológicos fundamentales y los procesos
erosivos fundamentales), limita gravemente su potencial para aumentar la precisión
con la que trabaja, es por esto que se considera una tecnología ya madura. Por lo
tanto, se necesitaban modelos de predicción de la erosión con mayor base física,
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aunque todavía se apoyen en ecuaciones empíricas para describir los procesos de
erosión.
En las últimas décadas, el conocimiento de los procesos erosivos ha avanzado
notablemente, lo que ha permitido desarrollar modelos con base física y de caja
blanca en un soporte digital, que permite el análisis de mucha más información de
forma más eficiente. Los esfuerzos se han dirigido a desarrollar modelos que
predigan, además de la escorrentía y pérdidas de suelo totales, la distribución
espacial de la escorrentía y sedimentación sobre la superficie del suelo durante una
tormenta aislada.
Para ser útil a los que toman las decisiones, la generación de la escorrentía
superficial y los modelos de predicción de la erosión del suelo, tienen que
considerar la variación espacial y temporal en los procesos hidrológicos y de
erosión del suelo, además deben poderse aplicar a cualquier tipo de región, con la
mínimas necesidades de calibración. Pero “La medida de la degradación de suelos,
y principalmente de la erosión de éstos, plantea una serie de problemas técnicos y
metodológicos en relación a la escala espacial y temporal” (Stocking,1987). Los
procesos de erosión se dan en grados, tasas y frecuencias variables en el tiempo y
en el espacio, por lo que, estos aspectos han de ser tenidos en cuenta en el diseño
del plan de medidas.
Extrapolar grados de erosión en grandes áreas, medidos o estimados por un
modelo, tiene limitaciones para usarse a nivel local. Esto es debido a que al
extrapolar los datos, no se identifica donde ocurren exactamente los problemas de
erosión, y no proporcionan suficiente información para guiar o evaluar los esfuerzos
para desarrollar usos del terreno sostenible en una localización concreta. Lo mismo
ocurre si se intentan extrapolar las observaciones realizadas en parcelas
experimentales para determinar medias anuales de tasas de erosión a escala
regional o nacional (Pimental et al. 1995; Boardman 1998).
Las investigaciones que pretenden predecir procesos naturales, requieren estudios
detallados de los procesos aislados de base, para comprender gradualmente la
interacción compleja de los múltiples procesos. Los modelos basados en
procesos representan el más detallado conocimiento científico a la escala
espacial y temporal más pequeña, pero están limitados por la gran cantidad de
datos requeridos. Los modelos empíricos son más aplicables a problemas a
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gran escala y donde hay menos datos disponibles, pero no ayudan a conocer
los procesos mecánicos.
La erosión hídrica se produce a lo largo de todo el año, intensificándose según sean
las estaciones en la zona de estudio. Luego para estudiar la producción de
sedimentos y las zonas erosionadas, habrá que disponer de datos climáticos de
largos periodos de años. Sin embargo también interesa poder simular eventos
únicos, especialmente dramáticos por sus consecuencias en las inundaciones y
avalanchas de lodos.
En cuanto a la escala de trabajo, no es lo mismo trabajar con un agricultor para
enseñarle como ayudarían ciertas prácticas culturales a controlar la erosión en una
finca o parcela, que conocer cuales son las causas de los problemas de erosión en
zonas más grandes, como pueden ser pequeñas cuencas hidrográficas, en las que
lo que ocurre aguas arriba, en los límites de la cuenca, influye determinantemente en
lo que ocurre a lo largo de toda la cuenca. Para solucionar los problemas de
depósitos de sedimentos o de contaminación, habrá que abarcar el problema erosivo
en toda la cuenca.
La escala de interés se puede definir mediante:
Ø la serie de datos climáticos:
Evento individual
Corto plazo
Varios eventos
Largo plazo
Datos históricos
Ø Por la superficie afectada:
Parcela de ensayo
Ladera
Finca
Cuenca
Región
De entre todos los modelos con base física que están apareciendo en los últimos
tiempos, se ha seleccionado el modelo “Water Erosion Prediction Project, WEPP”,
desarrollado por el USDA, como un conjunto de programas y modelos, capaces de
trabajar a diferentes escalas según la finalidad de la predicción. Y sobre todo, por
tener una última versión del modelo asociada a un SIG, con lo que se hace más
operativo a la hora de visualizar, analizar y generar nueva información a partir de la
información disponible.
Los parámetros distribuidos con los que trabaja son cantidad de lluvia e intensidad,
textura del suelo, crecimiento de las plantas, descomposición de los residuos, efecto
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de las labores de cultivo en la propiedades del suelo y cantidad de residuos, forma
de la ladera, pendiente y orientación y por ultimo parámetros de erosionabilidad del
suelo.
Los datos que genera el modelo están claramente orientados en dos tipos de
información; efectos de la erosión dentro de la cuenca y efectos de la erosión fuera
de la cuenca:
• Los efectos dentro de la cuenca incluyen la media anual del suelo que se
pierde en el total de la superficie de la cuenca. Este dato, es el más parecido
a los que proporcionan las estimaciones de erosión de la USLE y es el que
más orienta sobre la pérdida de productividad del suelo en la cuenca.
También da datos de la media de los depósitos de sedimentos dentro de la
cuenca.
• Los datos que se obtienen para valorar los impactos de la erosión fuera
de la cuenca, o erosión difusa, incluyen la estimación media anual de los
sedimentos que salen de la cuenca. Esta información puede ser útil para
determinar impactos potenciales por sedimentación en diferentes estructuras
que se colmatan o por producir la degradación de la calidad de las aguas.
Figura nº 1: Esquema de trabajo del modelo con el S.I.G (fuente: Renschler, C.S.et al.,2000 )
2.- SIMULACIONES REALIZADAS:
Las cuencas seleccionadas para realizar las simulaciones con el modelo, se
encuentran las dos situadas en la comunidad de Madrid:
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CUENCA: ARROYO DEL MONTE CUENCA: ARROYO DE VALDELAMASA
Localización T.M. de Dagazo de Arriba Finca: el Castillo de Viñuelas
T.M. Colmenar Viejo y Madrid
Superficie 7,088 km2 17,176 km2
Usos y cultivos
predominantes
Cereales de invierno Cereales de invierno y dehesa
El modelo GEOWEPP funciona asociado a un SIG que utiliza el Modelo Digital del
Terreno (MDT) para generar la información topográfica necesaria para realizar la
simulación. Tiene dos opciones de cálculo:
• “Watershed method”: en le que para cada subcuenca, configura un único perfil de
la ladera representativo. La ladera puede drenar a la izquierda, derecha o el inicio
del curso de agua calculado a partir del MDT.
• “Flowpath method”. Flowpath es la ruta que sigue el agua al circular de una celda
a otra. Un “flowpath” individual comienza en una celda donde no confluye ningún
flujo de otra celda y termina en el cauce. El modelo calcula la localización en que
cada “Flowpath” entra al cauce y se calcula la escorrentía y sedimentos liberados al
cauce en este punto. Pero este método no calcula la escorrentía del canal, ni los
desprendimiento y deposiciones que en éste se producen, con lo cual no es útil para
simular potenciales contaminaciones de agua.
Los resultados obtenidos con el GEOWEPP en la cuenca del arroyo de Valdelamasa
se representan en la fig. 2. El proceso es el siguiente: a partir del modelo digital del
terreno, el modelo calcula los cursos de agua existentes y divide la cuenca en
subcuencas. Se han utilizado para realizar las simulaciones dos tipos de cubiertas
vegetales: cebada, y sin cultivo pero con pastoreo. La tasa de erosión o pérdida
tolerable de suelo se ha ajustado a un valor de: T =1 t/ha y año, para que la
zonificación de la erosión sea más evidente. Como se puede apreciar, los resultados
son muy diferentes según el método de cálculo que se aplique, siendo mucho más
sensible el método “Flopath” que el “Watershed”.
Otra opción de cálculo de la erosión es trabajar con el Modelo WEPP en una ladera
con una pendiente representativa de esta. La introducción de datos como: tipo de
usos de suelo y tipos de suelo, puede cambiar a lo largo de la ladera lo que hace
que sea más versátil. En la fig. 3 se muestran los resultados obtenidos al aplicarlo a
la cuenca del Arroyo del Monte. (A lo largo de la ladera, se han diferenciado dos
tipos de suelo, pero un solo cultivo).
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Figura Nº 2: Simulación con GEOWEPP en la cuenca del Arroyo de Valdelamasa (Viñuelas). Métodos de
cálculo: “Flowpath” y “Watersehd”.
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Figura nº 3: Simulación del modelo WEPP en una ladera tipo, de la cuenca del Arroyo del Monte (Daganzo ).
Zonas rojas: erosión. Zonas verdes: deposición.
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3.- CONCLUSIONES
Aparte de la lluvia y la escorrentía, la cantidad de suelo erosionado en un área está
fuertemente relacionada con el suelo, la vegetación y las características
topográficas. En las situaciones reales, estas características varían de forma
importante de unas zonas a otras de la cuenca y de una estación a otra. De ahí la
necesidad e importancia de utilizar un S.I.G. que permita la representación
heterogénea de estas características. El modelo GEOWEPP consigue representar y
cuantificar perfectamente la heterogeneidad de las características topográficas y de
drenaje de la cuenca, mejorando así la situación de cálculo para cuencas que
presentaba el WEPP. Pero no consigue introducir en su proceso de cálculo, las
diferencias que existen en la cuenca de coberturas vegetales y tipos de suelo. Sólo
se puede hacer esta diferenciación por subcuencas, sin permitir diferenciaciones
dentro de ellas.
La capacidad de reflejar esta variabilidad en el WEPP para LADERAS está bastante
lograda con su opción “insert break” tanto en tipos de cultivos como en tipos de
suelo. El modelo es muy versátil, permitiendo simular rápidamente diferentes
situaciones y con unas representaciones en pantalla de los resultados muy gráficas
y perceptivas. Es una herramienta útil para describir los procesos de erosión y cómo
las practicas de conservación de suelos pueden influir en el control de la erosión,
producción de sedimentos y los depósitos de éstos. El inconveniente que presenta
es que la zona de trabajo es muy pequeña y no permite conocer realmente cuales
son los problemas de erosión que existen en la zona y por qué se producen.
En el WEPP para CUENCAS la introducción de toda esta variabilidad espacial de
datos queda muy mermada por su propia limitación para representar la cuenca con
su forma real.
Muy importante es la limitación que se ha encontrado al querer introducir el archivo
del clima representativo de la zona. Los datos de clima que requiere el modelo
WEPP incluye valores diarios de precipitación, temperatura, radiación solar y datos
de viento. Un programa autónomo llamado CLIGEN se usa para generar los archivos
de clima para simulaciones continuas o bien los archivos de clima para una tormenta
aislada. Pero obtener los datos que requiere el CLIGEN para localidades fuera de
los EEUU puede ser un problema insalvable. Otra forma de introducir los datos de
clima propios, es con un programa para generar el clima con datos puntuales
llamado “Breakpoint Climate Data Generator for WEPP”, es bastante más sencillo
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para trabajar y conseguir los datos, pero sigue siendo una forma poco ágil de
introducir una cantidad de datos muy importantes, con lo que los errores se
multiplican.
Una vez conseguido el archivo de clima, se descubre un grave problema, ya que el
modelo no detecta que se produzca escorrentía con las lluvias que se tienen en un
clima continental como el de Madrid, lo cual, comparando los resultados con otros
modelos de calculo de escorrentía y la realidad no es cierto. Esto quiere decir que si
no hay escorrentía, no hay erosión, pero por poca que sea, en el terreno hay huellas
de erosión.
El objetivo de los diseñadores de este modelo de cálculo de erosión era que fuera
de fácil uso y de fácil aplicación dentro del territorio de los EEUU y para ello se
esforzaron en desarrollar una base de datos para los factores más influyentes en el
proceso de la erosión hídrica: datos de clima de aprovechamientos y usos del suelo,
de tipos de suelos dentro de su territorio. Esta base de datos está a disposición de
cualquier usuario en la red. Y aunque también tienen como finalidad, su aplicabilidad
en el resto del mundo, los organismos que lo utilicen, tienen que crearse su propia
base de datos para estos factores determinantes de la erosión, lo que conlleva un
esfuerzo muy superior, tanto en personal, (necesariamente pluridisciplinar), como en
tiempo y por lo tanto en dinero.
Una vez obtenidos estos datos, es verdad que el modelo bajo Windows es fácil de
utilizar y fácil de entender (muy visual). Los resultados son muy variados y se
pueden sacar gráficas de cómo afectan unos factores a otros en el proceso de
erosión, con lo cual es fácilmente aplicable en los trabajos de planificación y
conservación de suelos con la población afectada.
No ocurre lo mismo, en cuanto a su manejo, con el modelo GEOWEPP, que al ser
un modelo beta, requiere primero: mucha paciencia por que ni siquiera hay un
manual completo de su manejo, y segundo: un ordenador muy potente para que no
se interrumpa el proceso de cálculo. Sin embargo como herramienta para el estudio
de los procesos de erosión en el sistema completo es muy potente. Puede ser
utilizada para proyectos de planificación, muy exigentes en datos y que demanda
gran exactitud en los resultados. También puede ser útil en trabajos de inventariado
y evaluación en grandes áreas, en los que los parámetros requeridos no exigen
tanta exactitud y pueden generarse a partir de datos ya existentes.
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5.- CORRESPONDENCIA
Marta de Regoyos Sáinz.
E.T.S.I.A. AV. Complutense S/N 28040 MADRID
Teléfono: 91.336.58.39 FAX 91.336.58.35
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