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Tierra Tropical (2006) 2 (2): 133-142
PROPUESTA METODOLÓGICA PARA MEDIR LA ESCORRENTÍA EN
SISTEMAS AGROPECUARIOS DEL CANTÓN DE GUÁCIMO, ZONA
DEL CARIBE DE COSTA RICA
D. da Silva, R. Vaquero1, J.C. Tejada
Universidad EARTH
Las Mercedes de Guácimo, Limón, Costa Rica
Recibido 16 de enero 2006. Aceptado 9 de septiembre 2006.
RESUMEN
Este trabajo propone una metodología para medir escorrentía bajo los diferentes sistemas
agropecuarios (SP) del trópico húmedo de Costa Rica, en el Cantón de Guácimo, Provincia de
Limón, sugiriendo un modelo conceptual de escorrentía que, al validarse con las mediciones,
permitirá generar una base de datos propia para la región. Con estos datos, los productores de
esta zona contarán con información para apoyar el diseño de los drenajes, las represas, los
métodos para la conservación del agua y el suelo, contribuyendo con el manejo apropiado de los
sistemas agropecuarios. Para esto, la metodología propuesta incluye el uso de criterios para
seleccionar los SP y los sitios en donde se localizarán las parcelas para medir escorrentía y señala
los lineamientos para establecer el número, el tipo y la forma de las parcelas, el diseño
experimental y los instrumentos de medición de la escorrentía y la precipitación.
Palabras clave: banano, Costa Rica, escorrentía, erosión, modelo, pecuaria, piña, precipitación.
ABSTRACT
The main goal of this project was to develop a methodology to generate runoff data related to the
main farming production systems (SP) of the humid tropics in Costa Rica. Guácimo, Limón was
used as a sample region. If the conceptual model is validated, it will generate a database for the
region. With this information, it will be easier to use and manage soil, as well as develop and
implement practices to control water, runoff, and erosion. The proposed methodology includes
the following: criteria to select SP and the sites where the plots will be located to measure runoff
and recommendations for the number, the type, and the form of the parcels, the experimental
design, and the measuring instruments of runoff and precipitation.
Key words: Banana, Costa Rica, runoff, erosion, model, livestock, pineapple, precipitation.
INTRODUCCIÓN
La comprensión de los procesos hidrológicos y del movimiento del agua en el campo permite al
agricultor una decisión más acertada acerca del uso y el manejo que se le debe dar a un suelo
(Silva, 1994), lo que favorece el desarrollo de mejores prácticas para el control del agua y de la
erosión (Enright y Madramootoo, 1994). Entre los factores principales que influyen la erosión
del suelo está la escorrentía, pues cuanto mayor es la intensidad de la misma, mayor es la
capacidad de generar erosión (Foster, 1982; Braida y Cassol, 1999) y aumentar su degradación
(Sánchez, 1981; Vahrson y Palacios, 1993; IPE, 2003). Por otra parte, valores altos de
escorrentía están asociados con el problema de las inundaciones (Schwab et al., 1990). Moreno
(1994) define la escorrentía como “la parte de la precipitación que fluye sobre la superficie del
1
Contacto: Roque Vaquero ([email protected])
ISSN: 1659-2751
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terreno con cauce definido o en el interior del mismo”. Esta se ve afectada por la cobertura del
terreno, la topografía, las características internas del suelo y el comportamiento de la lluvia
(Moreno, 1994; Villón, 2002).
La erosión es un proceso natural que se incrementa por el manejo inadecuado de los suelos en las
zonas rurales y urbanas (Sánchez, 1981; Hudson, 1982; Kirkby y Morgan, 1994). Bajo las
condiciones del trópico húmedo este proceso es aún más severo debido a que es afectado, no sólo
por las características de los suelos y la topografía, sino por la elevada intensidad de las lluvias
tropicales (Sánchez, 1981; Hudson, 1982; FAO, 1990; Kirkby y Morgan, 1994).
Actualmente, la estimación de los datos de escorrentía para el trópico húmedo se realiza
utilizando modelos empíricos específicos creados en otras zonas del mundo o a partir de los
resultados de otras investigaciones que soslayaron la importancia de algunos factores que
influyen en este fenómeno; por ejemplo: el tiempo de medición, el tamaño de las parcelas de
medición y el diseño estadístico, entre otros. Esto ha provocado que los resultados obtenidos no
tengan una amplia aplicación y sobre todo, se cuestione su validez científica (FAO, 1990; FAO,
1997). Esto señala la necesidad e importancia de preparar y validar los modelos apropiados para
cada región, de manera que permitan generar los datos necesarios y evitar las imprecisiones
implícitas en la extrapolación de los resultados de una región a otra.
Por lo anterior, este trabajo propone una metodología para medir la escorrentía superficial que
permita validar un modelo de predicción específico para los sistemas de producción
agropecuarios (SP) en el trópico húmedo de Costa Rica. Luego de ajustar el modelo a través de
su validación, se podrá generar una base de datos con validez científica, sobre la escorrentía en
los sistemas agropecuarios del trópico húmedo. Con esta base de datos, las empresas y los
agricultores podrán diseñar, más eficientemente los drenajes, las obras de infraestructura, los
métodos para la conservación de los suelos (Vahrson y Dercksen, 1992) y el uso eficiente del
agua.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para definir los criterios aplicados para la selección de los sistemas de producción (SP) a
investigar en el Cantón de Guácimo, se realizó un análisis conceptual de los factores más
relevantes en la generación de escorrentía bajo las condiciones del trópico húmedo de Costa
Rica. Luego, se valoró un conjunto de criterios para evaluar la prioridad de la investigación sobre
la escorrentía en un SP.
Para desarrollar los criterios técnicos aplicados para la selección de los sitios donde se realizarán
las mediciones, se procedió en dos etapas:
a) Se definió un modelo conceptual que expresa la relación entre los factores más relevantes en
la generación de escorrentía.
b) Se desarrolló un procedimiento para dimensionar las parcelas de medición, con base en el
modelo generado en el paso anterior y el método estadístico para determinar el tamaño de la
muestra.
La metodología específica utilizada para el desarrollo del modelo conceptual siguió los
siguientes pasos:
i. Observación de la relación precipitación/cultivos/escorrentía mediante visitas a las diferentes
áreas de producción agropecuaria dentro de la Universidad EARTH; por ejemplo: piña
(Ananas sativus), banano (Musa paradisiaca L.) y en la ganadería, donde la ratana
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(Ischaemun indicum) es la pastura que domina un 95% del área ganadera de la región Huétar
Atlántica de Costa Rica (MAG, 2003).
ii. Identificación de los factores climatológicos, edáficos, topográficos y antrópicos relevantes
en la generación de escorrentía dentro de un SP.
iii. Descripción de cada factor identificado, y su interacción con la generación de escorrentía.
iv. Formulación matemática del modelo, adoptando la lógica matemática para describir los
procesos identificados en los pasos anteriores.
En el desarrollo de la propuesta metodológica para medir la tasa de la escorrentía superficial en
el Cantón de Guácimo, se tomó como base: las recomendaciones para los diseños de
experimentos de escorrentía y erosión citados por el Boletín de Suelos Nº 68 de FAO (1997), el
modelo conceptual mencionado en el epígrafe anterior y las observaciones importantes tomadas
de las metodologías utilizadas en las investigaciones de escorrentía y erosión, por ejemplo: las
mencionadas por Apolo (1980), Vahrson (1991), Vahrson y Palacios (1993), Silva (1994) y
Cassol et al. (2004). De la recopilación y el análisis de la información, se establecieron los
fundamentos de la propuesta metodológica en los siguientes aspectos: los tipos de precipitación,
los tipos y las formas de las parcelas, la construcción de las parcelas, la ejecución de la
investigación, y el diseño experimental.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Criterios A: Selección del (de los) SP
Los criterios de la evaluación sugeridos para utilizarse con este propósito son: el manejo
agronómico, la topografía, el impacto sobre los recursos hídricos y la importancia económica del
SP para la región. Los primeros dos fueron seleccionados con base en la relevancia de los
factores que influyen en la generación de escorrentía bajo las condiciones del trópico húmedo de
la zona Huétar Atlántica de Costa Rica. Los criterios “impacto sobre los recursos hídricos” y la
“importancia económica del SP para la región”, fueron seleccionados en atención a la
recomendación de FAO y Banco Mundial (2001) para el desarrollo de los proyectos y las
investigaciones enfocados hacia el manejo sostenible de los recursos naturales y el incremento de
la competitividad del sector agropecuario. Por otro lado, no se consideraron los factores
meteorológicos como un criterio de selección de los SP, pues se parte de la premisa que las
condiciones climáticas son similares para todos los SP ubicados en la región tropical húmeda de
Costa Rica.
La aplicación de los criterios es sencilla, basta comparar a través de los mismos si un SP podrá
producir más escorrentía bajo una determinada condición que otro SP. En caso afirmativo, se
dará la prioridad a iniciar los estudios en el SP de mayor potencial de generación de escorrentía.
Por ejemplo, si las condiciones económicas para financiar la investigación permiten estudiar sólo
un SP y se necesita escoger entre dos cultivos de piña, A y B, sembrados en condiciones
similares de manejo agronómico, tipo y labranza del suelo, pero en diferentes pendientes (el
cultivo A está sembrado en pendiente 3%, mientras B en 20%). Para esta situación, se
recomendaría iniciar los estudios en piña B, pues a mayor pendiente, mayor es la escorrentía y la
erosión (Kirkby y Morgan, 1994).
Los epígrafes que siguen detallan la influencia de cada uno de los criterios aplicados a la
estimación de la tasa de escorrentía. Los mismos están en orden decreciente de importancia.
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I. Manejo agronómico
a) Cuanto menor es la cobertura vegetal, mayor es el potencial de generación de escorrentía
y erosión (Kirkby y Morgan, 1994; Volk et al., 2004; Cassol et al., 2004).
b) A mayor movimiento de los suelos, mayor es la escorrentía y la erosión (Volk et al.,
2004).
c) A mayor “área continua” de producción, mayor es la magnitud de la escorrentía (Hudson,
1982; Villón, 2002).
II. Topografía
A mayor pendiente, mayor es el potencial de generar escorrentía y erosión (Hudson, 1982;
Villón, 2002). Es importante resaltar, que una mayor longitud de la pendiente no implica
necesariamente una mayor escorrentía, sin embargo sí influye directamente sobre el
incremento del potencial erosivo (Hudson, 1982).
III. Impacto sobre los recursos hídricos
Para los fines de estos estudios de escorrentía, se dará prioridad a los SP cuya aplicación de
los agroquímicos sea más intensa y ubicada cerca de los cuerpos naturales de agua.
IV. Importancia económica del SP en la región
a) Generación de empleo por área unitaria cultivada.
b) Posición de importancia del SP en la economía agrícola regional.
Criterios B: Selección del (de los) sitio(s) de medición
Se definió un modelo conceptual de la relación escorrentía-sistema de producción. El modelo
servirá de apoyo en la determinación de los criterios para la selección de los sitios donde realizar
las mediciones. La definición de la escorrentía utilizada en este estudio corresponde a la parte del
agua precipitada que se comporta como escurrimiento directo. Esta se ve afectada por la
cobertura del terreno, la topografía, las características internas del suelo y el comportamiento de
la lluvia (Moreno, 1994; Villón, 2002).
Conceptualmente se identificaron siete factores relevantes que influyen directamente sobre el
“volumen potencial” de escorrentía (e) en las condiciones climáticas del Cantón de Guácimo
(trópico húmedo). Estos factores fueron: (v) velocidad de la infiltración del agua en el suelo, (p)
la intensidad de la lluvia, (c) cobertura vegetal, (h) humedad del suelo, (α) la pendiente del
terreno, (k) rugosidad de la superficie del terreno, (A) área del terreno y (t) la duración de la
lluvia. De manera que el volumen potencial de escorrentía queda expresado como:

e(t )  
e(t ) 
tf
tm
tf
t1
. f (, k ).A , si   p(t)  c(t)dt  0
 p(t )  v (t ) dt f (  k ).A   p(t )  c(t )dt  0
, si
 p(t )  vi (t ) dt
e(t )  0 si
Siendo:
t2
o
t2
i
o
  p(t )  c(t )dt  0
t2
o
vi (t )  a(t  h.i)b
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0
   00sixpendiente
1 si pendiente  0
superficies uniformes .
k  10para
x 1 para superficies desuniformes .
a: es un coeficiente, el cual representa la velocidad de infiltración en t=1, expresado en
L/tiempo.
α: es un coeficiente positivo sin dimensión que representa la pendiente del terreno (L/L), con
valores entre cero y 1.
b: es un exponente negativo sin dimensión, con valores entre cero y -1.
c(t): función o coeficiente sin dimensión que representa la capacidad de interceptación de la
cobertura vegetal.
e(t): lámina de escorrentía generada entre tm y t o t1 y t, expresada en unidades lineares.
f(α,k): coeficiente adimensional que representa la interacción entre α y k.
h: es un coeficiente positivo adimensional que representa la humedad del suelo en el momento
inicial de la tormenta (t1).
i: factor de cambio para h (adimensional) a h (tiempo) en el momento inicial de la tormenta (t1).
k: es un coeficiente positivo sin dimensión que representa la rugosidad de la superficie del
terreno, con valores entre cero y 1.
p(t): función de intensidad de la precipitación, expresada como longitud/tiempo
t: tiempo.
v1(t): función de la velocidad de infiltración del suelo explicita a la influencia de h en t0,
expresada en longitud/tiempo.
Las parcelas de medición deberán ser seleccionadas para permitir la toma de los datos que
permitan validar y ajustar el modelo conceptual descrito anteriormente. Para esto, las parcelas de
medición deben estar ubicadas dentro de las áreas específicas. Para los fines de este trabajo, un
“área específica” se denomina a un sitio que cumple con los siguientes requisitos:
2

El sitio de medición debe estar ubicado dentro de un área de concentración del SP meta.

El manejo agronómico debe ser representativo del SP de interés; por ejemplo: el
movimiento del suelo, las labranzas, la aplicación de los abonos y de los agroquímicos, el
cultivo, la densidad de siembra, etc.

La pendiente del terreno debe ser uniforme, y estar entre los citados del Ámbito A.

La textura del suelo hasta 12 cm de profundidad2 debe estar entre los citados del
Ámbito B.

El área cultivada con el SP debe tener un tamaño que permita la instalación de, al menos,
tres parcelas similares (repeticiones) y sus respectivos equipos de medición de escorrentía

Debe estar en un sitio de fácil acceso durante todo el año.
Según USDA (1993), la capa arable se encuentra entre 12 cm - 25 cm.
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
Debe existir una estabilidad relativa del SP en el tiempo. Esto significa, que el uso de la
tierra no cambie durante un determinado tiempo o durante el tiempo en el que se
planifican realizar las mediciones. FAO (1997) señala que no existe una regla para definir
el tiempo mínimo necesario para llevar a cabo una investigación de escorrentía o erosión.
Para la obtención de datos con una mayor solidez científica, se recomienda que el estudio
sea realizado a largo plazo.
Ámbitos sugeridos
Con el propósito de validar y ajustar el modelo conceptual descrito anteriormente a las
condiciones edáficas, topográficas y de los sistemas de producción considerados, las parcelas de
escorrentía deberán representar “una” combinación de los siguientes ámbitos de los factores:
pendiente, textura del suelo, rugosidad de la superficie y sistema de producción.
Ámbito A: Pendiente3
i.
Suave: 0-4%
ii.
Fuertemente inclinado: 4-16%
iii.
Moderadamente escarpado: 16-30%.
Ámbito B: Textura del suelo
i.
Moderadamente gruesa: franco arenoso.
ii.
Mediana: franco, franco limoso y limoso.
iii.
Moderadamente fina: franco arcilloso, franco arcillo arenoso y franco arcillo limoso.
Ámbito C: Rugosidad de la superficie
i.
Con malezas
ii.
Sin malezas
Ámbito D: Sistema de producción meta
i.
Bosque (testigo)
ii.
Otros a seleccionar
Propuesta metodológica para medir la tasa de la escorrentía superficial en sistemas de
producción del Cantón de Guácimo.
Luego de revisar los epígrafes anteriores, se preparó la metodología para medir la tasa de la
escorrentía en los tres pasos principales:
1.
Aplicación de los Criterios A para seleccionar los SP meta.
2.
Aplicación de los Criterios B para seleccionar las áreas específicas, la ubicación y la
dimensión de las parcelas.
3.
Consideración de las siguientes recomendaciones en la conformación de las parcelas para
la medición de la escorrentía:
i.
Utilización de la precipitación natural.
ii.
Parcelas limitadas (bordes).
3
Clases adaptadas de USDA (1993).
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iii.
Diseño experimental adecuado para cada situación en la que se encuentren los SP y que los
datos obtenidos puedan relacionarse entre sí.
iv.
Datos medidos con el mayor número de repeticiones y de la forma más precisa posible.
Para las mediciones se sugiere la siguiente instrumentación (Figura 1):
-Una parcela con límites físicos definidos que permita aislar el proceso.
-Cisterna para el almacenamiento del agua de escorrentía.
-Tuberías o canales para conducir la escorrentía de las parcelas hacia las cisternas.
-Equipo de medición de las alícuotas de escorrentía.
-Divisores de aguas para las zonas o los eventos de alta precipitación.
-Pluviógrafo4.
-Limnígrafo para la cisterna.
Figura 1. Ejemplo de la disposición del equipo para medir la escorrentía.
En la Figura 2, se presenta el flujograma sugerido para la aplicación de la propuesta
metodológica, partiendo desde la selección del SP hasta la implementación de la investigación.
4
Un pluviógrafo puede cubrir las mediciones de la precipitación para varias parcelas de escorrentía dentro de un
área específica.
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Figura 2. Propuesta metodológica para desarrollar el estudio de la tasa de escorrentía en el
Cantón de Guácimo, zona Caribe de Costa Rica.
CONCLUSIONES
El manejo agronómico, la topografía, el impacto sobre los recursos hídricos y la importancia
económica para la región, son los criterios sugeridos para seleccionar en cuál(es) sistema(s) de
producción se iniciarán los estudios de la escorrentía. Mientras los sitios donde se realicen las
mediciones de la escorrentía deben estar ubicados en una zona de concentración del sistema
agropecuario meta y además cumplir con los requisitos siguientes: manejo agronómico
representativo del sistema de producción meta, pendiente uniforme, suelo con textura uniforme,
tamaño adecuado del área, variaciones mínimas en la cobertura vegetal inferior (malezas) y en
el microrelieve, fácil acceso y estabilidad relativa en el uso de la tierra.
La metodología propuesta considera mediciones de la escorrentía en parcelas ubicadas en los
diferentes sitios de interés, en los sistemas agropecuarios de la región Huétar Atlántica de Costa
Rica, con el propósito de validar y ajustar un modelo de predicción de este proceso que permita
generar una base de datos para la región. El modelo conceptual de predicción de escorrentía
propuesto para las condiciones tropicales húmedas, relaciona los factores: (v) velocidad de la
infiltración del agua en el suelo, (p) la intensidad de la lluvia, (c) la cobertura vegetal, (h) la
humedad del suelo, (α) la pendiente del terreno, (k) la rugosidad de la superficie del terreno, (A)
el área del terreno y (t) la duración de la lluvia.
LITERATURA CITADA
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