Erosión Cuenca Cañete: Python y ArcGIS Pro

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA
DEPARTAMENTO DE RECURSOS HÍDRICOS
IA 5002 : Métodos de análisis para hidrología
Trabajo Final
“CODIFICACIÓN CON PYTHON 3.0 EN ARCGIS PRO PARA OBTENER LA
EROSIÓN DE LA CUENCA CAÑETE ”
Presentado por:
Arias Malpartida, Jefferson
100%
Leiva Roncal Gonzalo
100%
Sandoval Sulca Leonidas Daniel
100%
Docente:
Ing. Quispe Ramos Pablo Leonardo
LA MOLINA – LIMA
2023
ÍNDICE
I. INTRODUCCIÓN
3
II. OBJETIVOS
3
2.1. Objetivos generales
3
2.2. Objetivos específicos
3
III. MARCO TEÓRICO
3.1. Cuenca Hidrográfica
4
4
3.1.1. Partes de una cuenca hidrográfica
4
3.1.2. División de una cuenca hidrográfica
5
3.2. Erosión
3.2.1. Tipos de erosión
3.3. Método RUSLE
6
6
8
3.3.1. Factor de erosividad R
8
3.3.2. Factor topográfico LS
9
3.3.3. Factor de prácticas de conservación P
10
3.3.4. Factor de erodabilidad K
10
3.2.5. Factor de cobertura vegetal C
12
IV. METODOLOGÍA
4.1. Descarga de data
12
12
4.1.1. Precipitación
12
4.1.2. Modelo de elevación digital
13
4.1.3. Mapas de suelos
14
4.1.4. Mapas de suelos
16
4.2. Generación de factores
18
4.2.1. Factor R
18
4.2.2. Factor LS
21
4.2.3. Factor K
21
4.2.4. Factor C
22
V. RESULTADOS
22
5.1. Factor R
22
5.2. Factor LS
23
5.3. Factor C
23
5.4. Factor K
24
5.5. Pérdida de suelo
24
5.6. Erosión hídrica potencial
25
VI. CONCLUSIONES
25
VII. BIBLIOGRAFÍA
25
I.
INTRODUCCIÓN
Los modelos de erosión y los Sistemas de Información Geográfica (SIG) son
considerados un conjunto de herramientas eficaces para los estudios de la pérdida de
suelo por erosión, el cual puede ser causado por la acción del viento, la lluvia, los
procesos fluviales, marítimos y glaciares, o por la acción de los seres vivos.
En nuestro país, el principal factor de degradación del suelo es la erosión hídrica,
sobre todo en el área perteneciente a cuencas hidrográficas. Este tipo de erosión en
cuencas es ocasionada por la dispersión y transporte del suelo a causa del impacto de
las gotas de lluvia conjuntamente con el escurrimiento superficial del agua.
El presente trabajo busca mostrar el manejo de la codificación a través de Python 3.0
en el software ArcGIS Pro, a través de la implementación de la aplicación práctica del
modelo RUSLE (Universal Soil Loss Equation) para el estudio de la erosión en la
cuenca del río Cañete. De esta forma, este método permitirá el cálculo de las tasas de
pérdida de suelo mediante la obtención de una cartografía de estados erosivos por
zonas, con lo cual se accederá a la identificación de las áreas de especial sensibilidad
a la erosión.
II.
OBJETIVOS
2.1. Objetivos generales
● Determinar la intensidad de pérdida de suelo por escurrimiento en la cuenca
Cañete en función de factores reflejados en la ecuación RUSLE.
2.2. Objetivos específicos
● Realizar la descarga y procesamiento de la data meteorológica de las
estaciones hidrometeorológicas correspondientes a la zona de la cuenca
Cañete.
● Calcular los factores implicados en la determinación de pérdida de suelo en el
área perteneciente a la cuenca de Cañete.
● Realizar la automatización de la determinación de la erosión de la cuenca
Cañete a través del software ERDAS.
III.
MARCO TEÓRICO
3.1. Cuenca Hidrográfica
Una cuenca hidrográfica es el área geográfica natural o unidad de territorio delimitada
por una divisoria topográfica (Divortium Aquarum), que capta las precipitaciones y
drena el agua de escorrentía hacia un colector común, denominado río principal.
También puede definirse como un sistema complejo, abierto donde ocurre el ciclo
hidrológico y cuyos elementos naturales, sociales, ambientales, económicos, políticos
e institucionales son variables en el tiempo; y se encuentran en estrecha interrelación.
Por otro lado, una cuenca hidrográfica es un sistema abierto a flujos, influencias y
líneas de acción que atraviesan sus fronteras; es decir que puede recibir y dar; pues
una cuenca hidrográfica es solo una parte ínfima de la tierra. Además, se debe tener
siempre presente que no existe ningún punto de la tierra que no pertenezca a una
cuenca hidrográfica. (Vásquez et al., 2016, p.15)
3.1.1. Partes de una cuenca hidrográfica
Una cuenca hidrográfica alto andina normalmente consta de tres partes:
● Parte altas: Estas partes comprende altitudes superiores a los 3000 metros
sobre el nivel del mar, llegando en algunos casos hasta los 6500 msnm. En
tales áreas se concentra el mayor volumen de agua ya sea en forma de nevados
o de lluvia, dado que allí la precipitación pluvial es intensa y abundante; es
frecuente asimismo la formación de nevados. La topografía de estas zonas es
sumamente accidentada y escarpada; en consecuencia, su potencial erosivo es
sumamente alto, pero al mismo tiempo su potencial para la producción
hidroenergética también es alta. La precipitación total anual promedio alcanza
los 800 hasta 1600 mm por año. A estas partes altas también se le llama
“cabecera de cuenca”, que son las zonas de mayor disponibilidad de agua y de
muy buena calidad y que a partir de allí fluyen hacia las partes medias y bajas
de las cuencas, ya sea en forma superficial o subterránea. Estas partes altas son
claves para su preservación y protección por ser abastecedoras de agua para el
resto de la cuenca.
● Partes medias: Son las comprendidas entre los 800 y 3000 msnm. Las
precipitaciones promedio que caen en estas zonas varían entre los 100 – 800
mm/año. En estas zonas están los valles interandinos, caracterizados por el
clima benigno y variado. La función de estas partes de la cuenca está
relacionada fundamentalmente con el escurrimiento del agua, siendo frecuente
en dicho ámbito la presencia de pequeñas ciudades que la circundan, dando
además como característica, una gran actividad económica.
● Partes bajas: Abarcan desde el nivel del mar hasta los 800 msnm. La
precipitación promedio que cae en la zona es muy escasa (< 100 mm/año), su
pendiente es igualmente baja. En este ámbito están los amplios valles
costeños, donde se desarrolla una intensa actividad agropecuaria, así como
también se ubican las medianas y grandes ciudades consumidoras. En estas
zonas se ubican los grandes proyectos de irrigación con importantes sistemas
de embalse. El potencial de aguas subterráneas de estas zonas es alto.
Figura 1
Esquema donde se muestran las partes de una cuenca hidrográfica
Fuente. Vásquez et al., 2016.
3.1.2. División de una cuenca hidrográfica
Un tema de permanente discusión es lo referente a los conceptos de cuenca,
subcuenca y microcuenca. El punto de partida para dicho análisis es el grado de
ramificaciones de los cursos de agua que pueden existir; así por ejemplo se pueden
considerar como micro cuencas a los cursos de agua de primer, segundo y tercer
orden; a subcuencas, los cursos de agua de cuarto y quinto orden y a cuencas los
cursos de agua de sexto orden y más. El número de orden de un curso de agua o río se
inicia a partir del cauce más pequeño y teniendo como punto de referencia los límites
definidos por el “Divortium Aquarum”.
Dentro de las divisiones de una cuenca encontramos:
● Cuenca: Sistema integrado por varias subcuencas o microcuencas.
● Subcuenca: Conjunto de microcuencas que drenan a un solo cauce con caudal
fluctuante pero permanente.
● Microcuenca: Una microcuenca es toda área en la que su drenaje va a dar al
cauce principal de una Subcuenca; es decir, que una Subcuenca está dividida
en varias microcuencas.
● Quebrada: Es toda área que desarrolla su drenaje directamente a la corriente
principal de una microcuenca.
Tabla 1
División de una cuenca hidrográfica
Fuente. Vásquez et al., 2016.
3.2. Erosión
Es un fenómeno que se comprende de remoción, transporte y deposición de partículas
de suelo, materia orgánica y nutrientes, que es causada principalmente por las lluvias
y el escurrimiento. Este hecho se presenta en diversos grados de intensidad llegando
hasta en unos casos degradando la estructura del suelo.
En el momento de la acción de la erosión reduce la cantidad de nutrientes por lo que
tendríamos como consecuencia una reducción el crecimiento de cobertura vegetal.
Por lo que este fenómeno es una de las principales causas de la baja fertilidad y menor
producción agrícola (Sabino et al , 2017, p.4).
3.2.1. Tipos de erosión
Según Senamhi (Sabino et al ,2017, p.6) se tiene 2 tipos de erosión de acuerdo a como
actúa la fuerza del suelo y el tiempo en que ocurre:
a. Erosión Natural
Es aquel fenómeno que ocurre debido a fuerzas naturales y cuyas tasas de
ocurrencias son de magnitud baja.
b. Erosión Inducida o acelerada
Es aquel hecho que ocurre debido a la acción del hombre más los agentes
naturales, donde se tiene un tipo de erosión.
Se tiene tipos de erosión de acuerdo al agente que interviene en caso si es agua sería
hídrica mientras que cuando es por fuerza del viento es eólica y por último provocado
por la intervención del hombre es antropogénica.
a. Erosión Eólica
El movimiento del viento ejerce fuerzas de fricción y levantamiento sobre las
partículas de suelo, desprendiéndose, transportándose y depositandose en una
zona (Ruiz, 2017, p.15).
b. Erosión hídrica
● Erosión Salpicadura
El salpicado de suelo se origina cuando las gotas de lluvia caen
directamente sobre las partículas de suelo provocando un movimiento
debido a la fuerza con la que impacta en la superficie.
● Erosión Laminar
La erosión laminar remueve uniformemente el suelo en estratos
delgados, como consecuencia del flujo superficial laminar que escurre
en capas delgadas sobre el terreno (Sabino et al, 2017, p.7).
● Erosión Surcos
Es cuando el agua actúa sobre el suelo desprendiéndose originando
canales o arroyos pequeños bien definidos.
● Erosión cárcavas
Se presenta cuando existe una excesiva concentración de escorrentía en
determinadas zonas del terreno y que posteriormente permite la
ampliación progresiva de la zanja (Sabino et al, 2017, p.8).
3.3. Método RUSLE
La metodología utilizada para estimar la pérdida de suelo está basada en el modelo de
la “Universal Soil Loss Equation” teniendo como autores a Wischmeier y Smith,
publicada en el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.
La estimación abarca pérdidas de suelos anuales que se producen en la superficie del
terreno debido a la erosión superficial , laminar y requeros , este método RUSLE
considera las precipitaciones como el factor relevante en la erosión superficial
(Sabino et al , 2017, p.16).
𝐴 = 𝑅 × 𝑘 × 𝐿𝑆 × 𝐶 × 𝑃
Donde:
● A : Es el cálculo del promedio espacial y temporal de la pérdida de suelo por
unidad de área.
● R: Factor de erosividad (MJ mm ha-1 h -1 año-1 ) de lluvia.
● K: Factor de erodabilidad del suelo, es la tasa de pérdida de suelo por unidad
del índice de erosión para un suelo determinado (ton ha h ha-1 MJ -1 mm-1).
● LS: L factor de longitud de la pendiente y factor S que nos dice que tan
escarpado se encuentra la pendiente que relaciona la pérdida de suelo con la
inclinación de la pendiente del terreno a estudiar.
● C: Factor de cobertura vegetal que se relaciona a las pérdidas de suelo de un
área con cobertura vegetal.
● P: Factor de prácticas de conservación o prácticas de apoyo de la pérdida de
suelo con una práctica de apoyo.
3.3.1. Factor de erosividad R
El factor de erosividad de las precipitaciones o también llamado factor lluvia y
escurrimiento (R) propuesto por Wischmeier, corresponde a un término de la ecuación
universal de pérdida de suelo RUSLE y es un factor de tipo climático, que indica el
potencial erosivo de las precipitaciones.
Este factor detalla cuantitativamente, a través de un índice, la capacidad erosiva de
una tormenta. Específicamente, este factor expresa el número de unidades de índice de
erosión pluvial (EI), más un factor para escurrimiento por derretimiento de nieve o
aplicación de agua. Así pues, el factor R se calcula a partir de la suma promedio anual
de la erosividad de las tormentas individuales, que se calcula como el producto de la
energía total de la tormenta y la intensidad máxima de 30 minutos de duración
(Valenzuela et al., s.f.).
Donde:
● R: Factor erosividad de lluvias está en MJ mm ℎ𝑎 . −1 ℎ−1𝑎ñ𝑜−1
● Pi: Precipitación mensual que está en mm.
● p: Precipitación anual en mm.
3.3.2. Factor topográfico LS
Está definido como la distancia horizontal desde el punto más alto, donde se origina el
flujo superficial hacia el punto más bajo, donde comienza la deposición que fluye por
escorrentía a un canal, mediante la ecuación usada por RUSLE. El factor de longitud
(L) de ladera es adimensional y se encuentra definido como el cociente en la tasa de
erosión anual de una parcela con una longitud de ladera previamente determinada. Por
su lado, el factor de pendiente (S) está definido como el cociente entre la tasa de
erosión de una determinada parcela con una pendiente (Alvarado et al., 2021).
El método RUSLE reúne los factores de longitud (L) y el factor pendiente (S)
aportados por la topografía. De esta forma, al multiplicar ambos factores pueden
generar el factor final LS.
𝐿𝑆 = 1. 07( 20λ )0.28( 10α𝑎 )1.45
Donde:
● L: Factor de longitud pendiente.
● S: Factor de inclinación de pendiente.
● λ: Longitud de pendiente a lo largo de la proyección horizontal (m).
● α: Ángulo de inclinación en grados.
El factor LS es adimensional y se encuentra en un rango de 0 a 152.
3.3.3. Factor de prácticas de conservación P
La influencia que presentan las prácticas de conservación del suelo sobre la amplia
tasa de erosión, influyen en la disminución de la fuerza erosiva que tiene la
escorrentía.
La siembra de vegetación siguiendo las curvas de nivel, construcción de zanjas de
infiltración y la restauración hidrológica forestal son prácticas de conservación que
permiten abolir en cierta medida la erosión hídrica Sabino et al , 2017, p.22.
Tabla 2
Valores del factor de cobertura vegetal (C)
Nota. Sabino et al , 2017.
3.3.4. Factor de erodabilidad K
El factor de erodabilidad o factor K, es una medida de la susceptibilidad del suelo al
desprendimiento y transporte de sus partículas, la cual está determinada por
propiedades intrínsecas del suelo, tales como textura, estabilidad estructural,contenido
de materia orgánica, mineralogía de arcillas y constituyentes químicos, entre otros.
El factor de erodabilidad (K) representa el grado de resistencia natural que ofrece el
suelo a ser erosionado, al actuar sobre éste los otros factores erosivos. Asimismo, este
factor refleja la erosión que presentan distintos suelos a diferentes tasas, cuando los
demás factores que afectan la erosión son los mismos (Ramírez, 2009).
Este factor se califica en una escala de 0 a 1, donde 0 indica baja susceptibilidad a la
erosión, mientras que, 1 indica alta susceptibilidad a la erosión por agua.
En la actualidad, existen diferentes métodos para estimar el factor K. Wischmeier &
Smith, 1978 proponen una ecuación para lograr determinar este factor K, en el cual se
incluyen los siguientes factores: porcentaje de limo + arena fina; porcentaje de arena;
contenido de materia orgánica (%); estructura y permeabilidad (Loredo Osti et al.,
2007).
Donde:
Siendo:
Figura 2
Diagrama triangular de las clases texturales básicas del suelo según el tamaño de
partículas
3.2.5. Factor de cobertura vegetal C
La cobertura vegetal es el elemento fundamental para proteger el suelo de la erosión
producto de las constantes precipitaciones que dan origen a la escorrentía superficial y
que esta, se intensifica cuando la energía potencial y cinética aumentan a medida que
se desplazan en su trayectoria producto de la gravedad.
La estimación de la cobertura vegetal se puede estimar mediante un análisis de las
imágenes satelitales, donde se identifica y desarrolla gracias a los sensores (Sabino et
al , 2017, p.21).
Tabla 3
Valores del factor de cobertura vegetal (c)
Nota. Adaptado de (Sabino et al , 2017, p.22).
IV.
METODOLOGÍA
4.1. Descarga de data
4.1.1. Precipitación
La data de precipitación se puede obtener de diferentes maneras. Se puede obtener el
registro de precipitación de las diferentes estaciones meteorológicas a lo largo del
territorio nacional. Para el informe extrajimos los datos hidrológicos de la página web
icha información se puede extraer de la página web del Servicio Nacional de
Meteorología e Hidrología (Senamhi), además, esta información es más confiable.
Figura 3
Página web del servidor Análisis de Datos y Recursos Estadísticos del
Agua-ANDREA
Tabla 4
Data de precipitaciones acumulada totales mensual de las estaciones cerca a la
Cuenca Cañete
Fuente. Elaboración propia.
4.1.2. Modelo de elevación digital
Los Modelos de Elevación Digital se pueden obtener en diferentes resoluciones, en
diferentes servidores web, entre las plataformas más utilizadas tenemos SRTM 90m
DEM Digital Elevation Database, Geoservidor ASTER GDEM y ASF Data Search
Vertex - ALOS PALSAR, con una resolución de 90m x 90m, 30m x 30m y 15m x
15m respectivamente.
Figura 4
Servidor Geoservidor ASTER GDEM y DEM de la cuenca Sama
4.1.3. Mapas de suelos
La data de mapa de suelos global se puede obtener del servidor de la Organización de
las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO, por su abreviación
en inglés). En ella podremos obtener el mapa en diferentes extensiones para usarlo en
diferentes softwares para su procesamiento.
Figura 5
Servidor de la FAO para Digital Soil Map of the World
Una vez descargada en el formato ESRI shapefile podremos usarla en el ArcGIS Pro.
Figura 6
Mapa de suelos de Sudamérica de la FAO
4.1.4. Mapas de suelos
Para poder estimar el factor de cobertura vegetal; es decir, el Factor C, es necesario
saber qué tipo de cobertura abarca nuestra área de estudio, cada tipo de cobertura
tiene un valor, pero estos valores podrían ser atribuidos sí se hizo estudio de campo.
Sin embargo, en el Atlas de Producción de sedimentos en el Perú: Una evaluación
presente y futura, se postula un método nuevo para estimar la cobertura vegetal
haciendo uso de imágenes satelitales. Página 17 de 42 En este caso haremos uso de la
metodología propuesta en el Atlas de Producción de sedimentos, pues supone una
facilidad al no tener que estar evaluando en campo y por la brevedad del proceso.
Earth Explorer es una plataforma o servidor del Servicio Geológico de Estados
Unidos que brinda un repositorio de miles de imágenes satelitales, haremos uso de
algunas de estas imágenes satelitales, aquellas que abarquen nuestra área de estudio
para poder estimar el Factor C.
Figura 7
Servidor del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS, por sus siglas en inglés)
para la descarga de imágenes satelitales
El método para estimar la cobertura vegetal utilizando imágenes satelitales es el más
adecuado, puesto que nos brinda mayor información en nuestra área de estudio, los
resultados son más confiables, pero el proceso para obtener dichos resultados es
tedioso, pues debemos recortar nuestra área de estudio, hacer mosaicos de ser
necesario, calcular el NDVI y el factor C. Sin embargo, otro método sería utilizar el
shapefile de cobertura vegetal del MINAM, este no supone un proceso tedioso, solo
cortar el shapefile con nuestra área de estudio, asignar los valores adecuados de
acuerdo al tipo de cobertura y convertirlo el shapefile a raster.
Figura 8
Shapefile de cobertura de suelo de todo el Perú.
4.2. Generación de factores
4.2.1. Factor R
En las siguientes imagenes se muestran la codificación con la que se obtuvo el factor
R de la cuenca Cañete:
4.2.2. Factor LS
En las siguientes imagenes se muestran la codificación con la que se obtuvo el factor
LS de la cuenca Cañete:
4.2.3. Factor K
En las siguientes imagenes se muestran la codificación con la que se obtuvo el factor
k de la cuenca Cañete:
4.2.4. Factor C
V.
RESULTADOS
5.1. Factor R
5.2. Factor LS
5.3. Factor C
5.4. Factor K
5.5. Pérdida de suelo
5.6. Erosión hídrica potencial
VI.
CONCLUSIONES
● Se logró procesar información de la precipitación, y demás factores que nos
permitieron determinar la erosión en la cuenca Cañete a través del método RUSLE
propuesto por el ser ANDREA. De esta forma, se obtuvo que en dicha cuenca se
cuenta con una erosión ligera y moderada en las zonas baja y media, pero en las zona
alta con una erosión alta.
● En el modelamiento en Python 3.0 con ArcGIS Pro, se permite ejecutar el trabajo en
menor tiempo, lo que es una ventaja con el método RUSLE aplicado en el ArcMap,
ya que su ejecución ahorraría tiempo.
VII.
BIBLIOGRAFÍA
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topográfico LS (RUSLE) mediante la aplicación de sistemas de información
geográfica, caso subcuenca Ichu, Huancavelica – Perú[Archivo PDF].
https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/8094627.pdf
Ayllón Misari, V. A. y Ccenhua Yapia, A. (2021). Estimación del riesgo de erosión del
suelo utilizando el modelo RUSLE-GIS: Un estudio de caso de la cuenca del
Río Cañete[Tesis para optar el título profesional de Ingeniero Civil,
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas].
https://repositorioacademico.upc.edu.pe/handle/10757/663458
Blas Valenzuela B., Luis Morales S. (s.f.). Estimación del Factor de Erosividad de las
Precipitaciones en la Región de Coquimbo[Archivo PDF].
https://bit.ly/3VAqCrl
Ramírez F., Hincapié E., Sadeghian S. (2009). Erodabilidad de los suelos de la zona
central cafetera del departamento de Caldas[Archivo PDF].
https://biblioteca.cenicafe.org/bitstream/10778/157/1/arc060(01)58-71.pdf