caracterizacin geomorfolgica e hidrodinmica de la cuenca san

CARACTERIZACIÓN GEOMORFOLÓGICA E HIDRODINÁMICA DE LA
SUBCUENCA SAN PEDRO DENTRO DEL COMPLEJO HIDROLÓGICO DEL
RÍO CONCHOS
Oscar A. VIRAMONTES OLIVAS1, Carmelo PINEDO ÁLVAREZ2, Victor M.
REYES GÓMEZ3, Carlos A. MUÑOZ ROBLES3 y Daniel NUÑEZ LÓPEZ3
Departamento de Recursos Naturales, Facultad de Zootecnia, Universidad
Autónoma de Chihuahua, Chih, México, Código Postal 31031, correo elecrónico:
[email protected]; [email protected] . Centro de investigación Sobre
Sequía, Instituto de Ecología A.C. Codigo Postal Km 33.3 Carretera AldamaOjinaga [email protected]
RESUMEN
Las características físicas en hidrología son las concernientes a la cuenca, red de
drenaje y al cauce principal. El estudio se desarrolló en la Sub-Cuenca San Pedro.
La metodología de parametrización, se derivó de modelos digitales de 1:50,000 y
1:250,000. Para Forma, se calculó índice de compacidad, coeficiente de
elongación y alejamiento medio. Para relieve, se desarrolló la curva hipsométrica,
pendiente, elevación media y diferencia de altitud. Para drenaje, densidad,
pendiente media del cauce principal; criterio dos del cauce principal, tiempo de
concentración, orden de la corriente, pendiente y centro de gravedad. En forma, se
obtuvo 2.41, siendo oval-oblonda a rectangular alargada, que índica que la
duración de escurrimiento, será menor al recorrer menos longitud en cauces
secundarios y su elongación fue .56, alargada, cuyos afluentes llegan rápido al
cauce principal, su longitud calculada fue 223 km. Para relieve, la curva
hipsométrica, indica un área en equilibrio y geológicamente madura, característico
de una cuenca de pie montañosa. La densidad .3980 Km./km2 pobremente
drenada, por la cobertura boscosa en la parte alta y media. La pendiente media
del cauce .67, siendo suave y el Criterio 2, fue 189.55 km. El orden fue seis y su
textura media, indicando una escorrentía superficial leve y permeabiliad del suelo
media. El tipo de drenaje es dentritico. Ya que denota homogeneidad en rocas y
ausencia de contorno estructural; el tiempo de concentración fue 519.94 h. Las
características morfométricas, no incrementan, sino que más bien atenúan los
efectos y la vigorosidad de las crecidas.
INTRODUCCIÓN
La hidrología es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y
distribución en la superficie terrestre y en el subsuelo; sus propiedades químicas y
físicas, su relación con el medio ambiente y los seres vivos. De esta manera, el
concepto de cuenca hidrológica se ha constituido en los últimos años como una
función importante en la planificación para el aprovechamiento, protección,
rehabilitación y conservación de los recursos naturales en la tierra, según lo
menciona García y Jiménez, 2000. Los fenómenos hidrológicos que ocurren sobre
un determinado espacio geográfico, suelen tener como referencia a la unidad
1
fisiográfica conocida como cuenca, cuyos aportes hídricos naturales son
alimentados exclusivamente por la precipitación y donde los excedentes de agua
convergen en un punto espacial único llamado cauce principal (Murillo y Sánchez
2002).
El presente trabajo, expone un análisis morfométrico que caracterizará la red
hidrográfica de la Subcuenca San Pedro y su dinamismo hidrológico superficial.
Esta subcuenca, está incluida en la gran Cuenca del río Conchos que abastece de
agua a la Presa las Vírgenes o Francisco I. Madero (CNA, 2001). En base a lo
anterior, el objetivo que se plantea en este trabajo es: emplear la tecnología geoespacial aplicando los procedimientos terrestres para funciones hidrológicas e
hidrodinámicas, por medio de los programas Arc Info, Arc Map, Arc Hidro con el fin
de delimitar la sub-cuenca y obtener algunos parámetros geomorfométricos que
condicionan el comportamiento hidrológico de la Sub Cuenca San Pedro,
desarrollando a través de métodos matemáticos, parámetros de forma, relieve,
drenaje, precipitación y aquellos relativos a la red de drenaje.
MATERIALES Y MÉTODOS
El presente trabajo se realizó en el área de informática del Centro de Investigación
Sobre la Sequía (CEISS), perteneciente al Instituto de Ecología A.C., el cual se
encuentra localizado en el kilómetro 33.3 de la Carretera Chihuahua-Ojinaga en
coordinación con la Facultad de Zootecnia de la Universidad Autónoma de
Chihuahua, localizada en el Kilómetro 1 del Periférico Francisco R. Almada en la
ciudad de Chihuahua.
Área de Estudio
INEGI, 1999 menciona que la Cuenca San Pedro (Fig. 1), se encuentra limitada al
norte por la sierra Azúl, al noroeste por la de Bernabé, al oeste por las estaciones
de la Sierra Madre Occidental, al sureste
por la sierra La Cieneguilla, y al este por
la Presa Francisco I. Madero, cubriendo
una superficie de 12, 492.53 km2, que
representa 4.84 % del total del territorio
estatal y una pendiente general de media
y alta de 0.47 %, según lo informa CNA
(2002). Está integrada por los municipios
de Dr. Belisario Domínguez, Nonoava,
Gran Morelos y General Trías; de forma
parcial
por
los
municipios
de
Cusihuiriachi, Chihuahua, Riva Palacio,
San Francisco de Borja, Valle de
Zaragoza, La Cruz, San Francisco De
Conchos, Rosales y Satevó; así como de
una pequeña parte de los municipios de
Cuauhtémoc, Carichi, Delicias, Saucillo,
Figura 1. Localización del área de Meoqui. El clima según Köppen y
estudio, Cuenca San Pedro.
modificados por E. García, en la porción
2
occidental BS1 Kw (w) -semi-seco, templado, con lluvias en verano y un por ciento
de precipitación invernal menor de 5- En la porción central con clima BSo kw(w)seco templado, con lluvias en verano y un por ciento de precipitación invernal
menor de 5. En la porción oriental, el clima es BSo hw(w) -sea seco, semi-cálido
con lluvias en verano y un por ciento de precipitación invernal menor de 5. La
temperatura media anual para esta zona, es del orden de 15° a 16° C. La
precipitación media anual de 450 a 500 mm. Para esta área se ha considerado
una evaporación potencial media anual de 2400 mm (CNA, 2002).
La metodología de parametrización, se derivó a partir de modelos digitales de
elevación 1:50,000 y 1:250,000 (Chow et al. 1994) con el apoyo de los programas
ARC MAP y ARC INFO. Así mismo la superficie estará clasificada según lo
propone Ortiz, 2004. Para los parámetros de forma se calcularon el Índice de
compacidad o coeficiente de Gravelius (3); coeficiente de elongación; tamaño de
la cuenca; alejamiento medio. Para relieve, se calcularon: curva hipsométrica;
pendiente de la cuenca; elevación media y diferencia de altitud. Para drenaje, se
consideró: densidad de drenaje; pendiente media del cauce principal; criterio dos
de pendiente del cauce principal; tiempo de concentración; orden de la corriente;
pendiente del cauce principal; centro de gravedad del cauce principal.
Parámetros de forma. Para el calculo de Forma, se aplicó el Índice de Copacidad
a partir de la fórmula según Gravelius, 1914:
El Coeficiente o Razón de Elongación, se utilizó la fórmula propuesta por Shumm,
1956:
( 1 . 128 )( A )
Re =
Lc
El Alejamiento Medio, relaciona el recorrido de los cauces colectores del drenaje
en el interior de la cuenca:
Aj
=
Lc
A
Parámetros de relieve. La Curva Hipsomética permitirá caracterizar el relieve. Se
obtendrá a partir de las cotas de altitud registradas en los modelos digitales de
elevación 1:50,000 y complementado con la estimación de la superficie acumulada
por cada cota.
Pendiente de la Cuenca. Se calcula como la media ponderada de todas las
superficies elementales en las que la línea de máxima pendiente es constante y se
representa con la siguiente fórmula:
J = 100 *
( ∑ Li )( E )
A
Elevación Media. A partir de la curva hipsométrica, la elevación media, equivalente
al 50% del área de la cuenca, donde en el eje “X” del gráfico se aplicará dicho
porcentaje.
Diferencia de Altitud. La diferencia de altitud de la Cuenca es restando el punto
más alto menos el punto mas bajo de la misma.
3
Da= Hmax-Hmin
Parámetros relativos a la red de drenaje. Para la red de drenaje, se consideran
los tipos de corrientes, modelos de drenaje, orden de las corrientes, densidad de
drenaje y frecuencia de corrientes y otras, las cuales se muestran a continuación:
Densidad de Drenaje. Está definida para una cuenca, como la longitud media de
curso por unidad de superficie. Se definió mediante la expresión:
D =
∑
L
A
Pendiente Media del Cauce Principal. Se expresa con “ i ” y se calcula como la
relación de la variación de la altura respecto a la longitud del cauce principal,
mediante la fórmula propuesta por Saavedra, 2001:
i =
H max − H min
Lc
Criterio Dos de Pendiente del Cauce Principal. Se aplicó este criterio, que consiste
en eliminar 15% de la longitud del cauce, desde el punto más alto ó punto superior
y 10% de la longitud del cauce desde la salida (punto inferior).
Criterio 2 = LCP-75% de su longitud
Tiempo de Concentración. El tiempo de concentración, es aquel que tarda en
llegar a la sección de salida la gota de lluvia caída en el extremo hidráulicamente
más alejado de la cuenca, determinándose mediante:
tc =
(4
S + 1 .5 L )
( 0 .8 H )
Orden de la Corriente. Horton (1945) clasificó en tres las corrientes; el “1” a las
más pequeñas (no están ramificadas); el “2” tienen ramificaciones o tributarios de
primer orden; el “3” con dos o más tributarios de orden dos o menor.
Pendiente del Cauce Principal. La longitud total del cauce principal (L) y el
parámetro (Lca) que toma en cuenta la forma de la cuenca, se ha correlacionado
entre sí y con el área de la cuenca. El parámetro Lca se define como la longitud a
lo largo del colector principal hasta un punto más cercano al centro de gravedad
de la cuenca.
Centro de Gravedad del Cauce Principal. Es la distancia media o punto medio del
cauce principal.
Lca 1 + Lca 2 )
Lca =
2
RESULTADOS
La Subcuenca San Pedro, como unidad dinámica natural, es un sistema
hidrológico en el que se reflejan acciones recíprocas entre parámetros y variables.
Las variables pueden clasificarse externas, conocidas como entradas y salidas al
sistema, tales como: precipitación, escorrentía directa, evaporación, infiltración,
4
transpiración y variables de estado (contenido de humedad del suelo, salinidad,
cobertura vegetal, entre otros) según lo menciona Ortiz (2004). Los parámetros en
cambio permanecen constantes en el tiempo y permiten explicar las
características fisiomorfométricas de las cuencas y por consiguiente de las sub
cuencas. En general, las variables del sistema hidrológico cambian de tormenta a
tormenta, según lo comentan Fernández et al. (1999) en contraste con los
parámetros que permanecen invariables. Para el presente estudio, se tomó en
cuenta la morfología de la Subcuenca San Pedro, en la que se obtuvieron los
parámetros de forma, relieve y aquellos relativos a la red hidrográfica.
Área.
En base a la superficie obtenida a partir del análisis del modelo digital de
elevación, cuya área es 12,492.53 km2 y según González (2004) a esta le
correspondería que se le llamara “cuenca” y no sub-cuanca, debido al tamaño en
km2. Sin embargo la CNA (2002) difiriendo de lo anterior, nombra a la cuenca en
estudio como Subcuenca en base a efectos de índole administrativo, concluyendo,
que la terminología en muchos de los casos es relativa, pues no existe una idea
exacta de lo que puede ser una micro, macro o una simple cuenca.
Parámetros de forma. Los resultados obtenidos de la Subcuenca, intervienen de
manera importante en las caracterísiticas del hidrograma de descarga en el río
Conchos, particularmente en los eventos de avenidas máximas. La influencia del
relieve sobre el hidrograma es evidente, ya que una mayor pendiente,
corresponderá una menor duración en la concentración de las aguas de
escorrentía en la red de drenaje y afluentes al curso principal y viceversa (Llamas
1993).
Coeficiente de Compacidad. Se
necesitaron datos como área,
obtenida a partir del modelo
digital
de
elevación
representando (12,492.53 km2)
y un perímetro de 956.12 km.
Es importante señalar que los
valores de éste índice, no
tienen unidades. El Coeficiente
de Compacidad tendrá como
límite inferior a la unidad,
indicando que la cuenca es
circular y conforme su valor
crece, indicará una mayor
distorsión en su forma, es decir,
se vuelve alargada o simétrica,
teniendo esta sub cuenca un
índice
de
2.41.
Figura 2. Representación de la cuenca en
representándose en la (Fig. 2)
base a su forma.
Los cálculos se desarrollaron a
partir de la fórmula anterior,
5
refiriendo que la Cuenca San Pedro tiene una forma oval-oblonda a rectangular
alargada, parámetro que índica que la duración de escurrimiento de la lámina de
agua será menor al tener que recorrer menos longitud en cauces secundarios. A
mayor coeficiente menos redonda es la forma de la cuenca y más rápidamente
alcanza la lámina de agua el cauce principal (Maldonado, 2001).
Relación o Razón de Elongación. La elongación se evaluó mediante el índice
propuesto por Shumm (1956) es la mejor correlación que guarda con la hidrología
de la cuenca (Lopez, 1988). Los valores inferiores a la unidad, implicarán formas
alargadas coincidiendo con lo mencionado por González, 2004 de tal manera, esta
razón de elongación atiende a la relación del área con el cauce principal que la
drena. El dato obtenido para este parámetro indica un valor menor a 1 (.56) por lo
que la subcuenca tiene forma alargada, hecho que corrobora lo señalado por
Senciales y Ferre, 1992 respecto a que los índices más bajos a la unidad, son
aquellos que se dan en áreas con relieve y pendientes pronunciadas.
Alejamiento Medio (Aj). Coeficiente que relaciona el curso del agua más largo, con
la superficie de la cuenca, teniendo que la longitud del río San Pedro, el afluente
mas importante del la subcuenca en estudio es de 223 km y el área de 12,492.53
km2 y el Aj fue de 1.95.
Parámetros de Relieve.Curva Hipsométrica (Ch). Los datos de elevación son
significativos
sobre
todo para considerar
la acción de la altitud
80%
en el comportamiento
Altura media
60%
de la temperatura y la
1,879 msnm
precipitación. La Ch,
40%
refleja con precisión
50% del área
20%
el
comportamiento
acumulada
global
de la altitud de
0%
9
1
2
3
4
5
6
7
8
la
cuenca.
De
acuerdo
con
la
Figura 3. Curva Hipsométrica de la Subcuenca.
clasificación
de
Stahler (Llamas, 1993
y Campos, 1992) la Ch obtenida, corresponde a un área en etapa de equilibrio, y
además es geológicamente madura y característico de una cuenca de pie de
montaña como se observa en la (Fig. 3)
100%
Altura Media. A partir de la curva hipsométrica se obtiene el valor de 50% del área
acumulada como lo señala Campos (1999). De acuerdo con Llamas (1993) las
variaciones de altitud en el interior de la cuenca, así como su altitud media, son
datos esenciales para el estudio de la temperatura y la precipitación. En este
sentido, las diferencias de temperatura, como consecuencia de la altitud, tienen un
efecto importante en las pérdidas de agua por evaporación.
6
Diferencia de altitud. La Diferencia de altitud de la Subcuenca San Pedro, se
estimó de acuerdo a la fórmula representada los materiales y métodos y cuyo
resultado fue 1879 m, medida entre el punto más alto en la divisoria de la cuenca
a 2996 msnm y la desenbocadura del cauce principal cuya altitud es de 1117
msnm.
Parámetros relativos a la red de drenaje. La red de drenaje de la Subcuenca, es
un sistema jerarquizado de cauces, desde los pequeños surcos hasta los ríos, que
confluyen
unos
y
otros,
configurando
un
colector
principal de toda una cuenca.
Su función es el transporte de
materia y energía en el interior
de la misma (Fig. 4). Para
realizar la contabilización, se
han tenido en cuenta la
configuración de la red de
drenaje del espacio cubierto por
el agua de la cuenca,
basándose en los modelos
digitales de elevación previa a
su construcción.
Densidad de drenaje. Para poder
determinar la densidad de
Figura 4. Distribución de la red de drenaje
drenaje, se tuvo que calcular la
longitud total de los cursos de agua y junto con su área total, permitieron tener un
conocimiento de la complejidad y desarrollo del sistema de drenaje de la citada
cuenca. Desde un principio y sin tener en cuenta otros factores del medio físico de la
cuenca, cuanto mayor sea la densidad de drenaje, más rápido será la respuesta de la
cuenca frente a una tormenta, evacuando el agua en menos tiempo.
Figura 5. Representación gráfica del
cauce principal.
Para fin de catalogarla, se
consideró que valores de densidad
próximos al 0.5 km/km2 corresponden
a una cuenca pobremente drenada.
mientras que de 3.5 km/ km2 o
mayores indican una red de drenaje
eficiente. Al ser la densidad de drenaje
baja (.3980 km/ km2), con un total de
1369 cauces y una longitud de
4973.54 km, la cuenca San Pedro es
pobremente drenada. Este valor de la
densidad de drenaje (textura gruesa)
pudiera explicarse inicialmente por la
cobertura boscosa en la parte alta y
media de la cuenca.
7
Pendiente Media del Cauce Principal. Este parámetro definido como la corriente
de mayor longitud dentro de la cuenca, medida desde su inicio, tomando en
cuenta la altura máxima hasta la finalización del cauce, osea la altura mínima, en
este caso del río San Pedro que inicia en la zona denominada “La Providencia” a
2700 msnm y concluye en el vaso de la Presa las Vírgenes a 1200 msnm con una
longitud total de 223 km como se representa en la (Fig. 5) y calculado con la
fórmula propuesta.
El valor obtenido de .57, coincide con lo reportado por el INEGI, 1999, el cual
menciona que la pendiente medial del cauce principal es de .47%.
Criterio 2 de Pendiente del cauce principal. Tomando en cuenta que la longitud del
cauce principal es 223 km y aplicando este criterio de eliminar 15% de la longitud
del cauce principal desde el punto más alto o punto superior y 10% de su parte
más baja o punto de salida, tenemos que el cauce principal, bajo este criterio tiene
189.55 km.
Orden de la Corriente. Refleja el grado de ramificación o bifurcación dentro de
una
cuenca.
Se
ha
considerado ríos de primer
orden, segundo, tercer y así
sucesivamente hasta seis,
como se observa en la
(Fig.5)
Finalmente
la
clasificación jerárquica es de
orden seis y de textura
media lo que indica una
escorrentía superficial leve
lo que le da a traducir que la
permeabiliad de los suelos
es media. El model o tipo de
drenaje es Dentritico, osea
Figura 5. Orden de las corrientes.
en forma de hoja. Este tipo
denota homogeneidad de las
rocas y ausencia de contorno estructural (no tiene fallas) (Campos, 1992).
Tamaño de la Cuenca San Pedro. En base a la clasificación propuesta por
Campos, 1992 y los datos obtenidos gracias a la delimitación de la Sub-cuenca
San Pedro cuya superficie es de 12,492.53 km2 , el tamaño considerado es de
una subcuenca muy grande.
Tiempo de concentración. El tiempo de concentración obtenido fue de 519.94
horas, esto significa que el tiempo que tarda en llegar a la sección de salida la
gota de lluvia caida en el extremo hidráulicamente más alejando de la cuenca fue
de 21. 6 días.
Promedio de Ambos y Centro de Gravedad del Cauce Principal. Para la
Subcuenca San Pedro, el parámetro Lca, es aquel que indica la longitud a lo largo
del colector principal hasta un punto que es el más cercano al centro de gravedad
8
que para la cuenca en estudio es en el kilómetro 116.5, como se muestra en la
Figura 6 y cuyo promedio de ambos es de 1.28 km.
DISCUSIÓN
Del análisis morfométrico de la cuenca San Pedro y la red de drenaje se
desprende que la lentitud en la concentración de las aguas se ve favorecida
especialmente por las pendientes, más que por los índices de compacidad y
elongación, de manera que son las cabeceras de las subcuencas del río San
Pedro presentan crecidas en verano de mayor peligrosidad debido a esas
pendientes superiores que facilitan una rápida concentración de las aguas. En
este sentido, la interpretación de los índices de compacidad y elongación, debe de
tomarse con cautela, sin embargo la información aportada por la razón de
bifurcación confirman lo concluido, siendo esas zonas las de mayor torrencialidad.
En el resto de la cuenca, la vigorosidad de las crecidas es menor, indicando
crecidas de tipo de fondo de valle. En el caso de forma de la cuenca el hecho de
ser una cuenca alargada y la de menor razón de bifurcación, que al tener unas
bajas pendientes favorece la concentración de las aguas y la generación de
crecidas. En las zonas de confluencia, los afluentes muestran mayor vigorosidad
de sus crecidas que el colector principal. La densidad de drenaje indica una amplia
cobertura vegetal y litología dura, además de regular tasas de infiltración y
alimentación del flujo subsuperficial, que favorece el incremento del tiempo de
concentración y el atenuamiento del caudal punta. De manera que puede
concluirse que las características morfométricas, en general, no incrementan, sino
que más bien atenúan los efectos y la vigorosidad de las crecidas.
AGRADECIMIENTOS
Un agradecimiento al personal de investigadores del Centro de Investigación
Sobre la Sequía del Instituto de Ecología A.C. y al Departemento de Recursos
Naturales de la Facultad de Zootecnia de la Universidad Autónoma de Chihuahua,
por el apoyo recibido para la realización de este trabajo de investigación, así como
todas aquellas personas que estuvieron involucradas. Además al PROMEP, por el
importante apoyo económico recibido para el desarrollo de esta investigación.
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