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PROYECCIÓN DE LA DEMANDA HÍDRICA URBANA APLICANDO MODELOS DE USO DEL SUELO EN LA REGIÓN METROPOLITANA* Olga Lucia Puertas Orozco 1**, Cristián Henríquez2, Francisco Meza1 1 Departamento de Ecosistemas y Medio Ambiente, Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago de Chile. 2 Instituto de Geografía, Facultad de Historia, Geografía y Ciencia Política, Pontificia Universidad Católica de Chile, Santiago de Chile. Resumen El consumo de agua potable, está influenciado por procesos y patrones de urbanización. La expansión urbana se relaciona con incrementos de la población y de la demanda de agua que a la vez puede intensificar la competencia en la asignación del agua entre sectores (ej. industrial o agrícola). El propósito de esta investigación fue realizar un modelo de cambio de uso de suelo en Santiago de Chile y relacionar sus resultados con la demanda hídrica. Esta se llevó a cabo mediante cuatro etapas: i) Proyección espacial del uso de suelo al año 2035 para las categorías urbano, agrícola, vegetación natural y plantación forestal, mediante la aplicación de un modelo integrado de Autómata CelularCadenas de Markov y EMC en el SIG Idrisi; ii) Estimación del consumo hídrico mediante la cuantificación de densidades promedio de consumo de agua, según clases socioeconómicas (determinadas de acuerdo la clasificación Adimark); iii) Cálculo del consumo de agua potable futuro, el cual fue equivalente a la sumatoria de los consumos en cada clase socioeconómica obtenidos al multiplicar la densidad de consumo con el área urbanizable al año 2035 estimada en la primera etapa. iv) Análisis comparativo de los cambios estimados del crecimiento poblacional, la expansión urbana y el consumo de agua. Los resultados obtenidos a partir de la proyección del uso del suelo, al año 2035, proyectan un aumento de urbanización en 5.437 ha (15 %) respecto al 2010. Respecto a los niveles de consumo de agua urbana, la mayor densidad de consumo de 1,25 m3 de agua/m2 se estimó para la clase ABC1 (alta); sin embargo, debido a la mayor densidad poblacional, los mayores consumos netos anuales (actual de 231 millones m3) ocurren en la clase D (media). Las estimaciones obtenidas, indicaron que al año 2035, la expansión urbana horizontal del 15% y el incremento en 37% de la población (+2,5 millones de habitantes), podrá implicar un aumento en 9% (+47,23 millones m 3) del consumo de agua, con requerimiento medio de 62,8 m3/hab/año. Se concluye que existen relaciones no lineales entre patrones de urbanización y consumos de agua actuales y futuros, los cuales están ligados principalmente a la expansión urbana diferenciada por las clases socioeconómicas y la densidad poblacional en ellas. Así mismo, se destaca la importancia de analizar en futuros trabajos, la relación entre procesos de intensificación de urbanización con los niveles de consumo, estableciendo diferenciación y acentuación según clases socioeconómicas y escenarios de cambio climático. * 1 Proyecto FONDECYT Nº 1100657. **Autor de correspondencia: Tel/Fax: (56) 2-3541549 Universidad Católica de Chile, Santiago, correo electrónico: [email protected]. Introducción Los ecosistemas urbanos son sistemas complejos dominados por humanos, lo cuales generan alteraciones ecológicas (McDonnel et al., 1993) que simultáneamente afectan la demanda y la oferta de recursos naturales renovables. En el caso del consumo de agua potable, este es influenciado por procesos y patrones de urbanización, lo cual supone incrementos de competencia en la asignación del agua; las ciudades han crecido ampliamente en las últimas décadas y toda la población proyectada para el año 2030 (20 billones de habitantes) se concentrará en ciudades (UN, 2005), las cuales se verán forzadas a usar estrategias alternativas de administración y manejo por la creciente demanda hídrica. En la Región Metropolitana de Chile, se evidencia que la expansión urbana y el crecimiento de la población afectan de manera no lineal, la demanda hídrica por agua potable: mientras la población ha crecido a una tasa media de 1,9% anual (1982-2010) (OU-MINUV, 2010) y el área urbana- industrial incrementó a razón de 1,2% anual (15.527 ha entre 1985 y 2010); el consumo de agua potable aumentó en 2,8% por año entre 1990 (13,8 m3/s) y 2002 (18,5 m3/s) (Pizarro et al., 2002). Los factores detrás de esta presión van más allá de los meramente demográficos, como por ejemplo variables económicas, socioeconómicas y patrones de ocupación del suelo, que un escenario de cambio climático podrían influir en la intensificación del uso del recurso con repercusiones sobre el abastecimiento de agua en la región. Es por ello que resulta importante aplicar modelos que permitan realizar un seguimiento y predicción del cambio de uso de suelo asociado a las demandas hídricas. En décadas recientes un número de técnicas de modelación han sido desarrolladas para un mejor entendimiento y predicción del crecimiento urbano. Los primeros estudios de procesos urbanos usaron modelos de transporte y planeación de uso del suelo, basados en "teoría de gravedad" u optimización matemática, pero pronto se han integrado modelos espaciales dinámicos (Berling y Wu, 2004). Actualmente, la tendencia se centra en analizar parámetros para simular escenarios de cambios en los patrones de uso del suelo, cuyos avances entre otros, han sido usados en modelación de expansión urbana (eg. Carrion & Irwin, 2004; Irwin & Bockstael 2002) y de los efectos de políticas territoriales sobre patrones de urbanización (e.g., Irwin et al., 2003; Langpap et al., 2008). Sin embargo, en menor medida, estos modelos espaciales se han empleado para analizar implicaciones sobre la demanda hídrica y el diseño de estrategias de manejo del agua en zonas urbanas. En particular, los modelos Autómata Celular (AC), se clasifican como una técnica basada en transición discreta los cuales actualizan su estado para cada uno de los instantes de tiempo siguientes y cuya probabilidad de transición está basada en el estado inicial. Según lo señalado por Santé et al. (2010), los modelos AC definen el estado de cada celda según el estado previo de ella y de sus vecinas acorde a un conjunto de reglas de transición. El potencial de estos modelos, consiste en su habilidad para integrarlos a la simulación de dimensiones temporal y espacial de procesos de cambios en uso del suelo, y con teorías geográficas que proveen un mejor contexto teórico. En años recientes, investigadores se han enfocado sobre la calibración como un aspecto clave en la simulación así como, la aplicación de los AC en casos prácticos de planeación urbana. En este contexto, el objetivo de este trabajo fue cuantificar cambios en el consumo hídrico asociados a la expansión urbana actual (1985-2010) y proyectada al mediano plazo (año 2035) mediante un modelo integrado de AC-Cadenas de Markov y Evaluación Multicriterio (EMC) en Santiago y localidades de la Región Metropolitana. La hipótesis se refiere a que en el futuro se proyectarían mayores consumos y competencia hídrica debido a los patrones de urbanización actual en la Región Metropolitana de Chile. Datos y Métodos Los cambios en el consumo de agua potable, asociados a la urbanización actual (años 1985-2010) y futura (en el mediano plazo- año 2035), se estimaron en tres etapas: i. Proyección espacial del uso del suelo al año 2035: para lo cual se clasificó de manera supervisada coberturas de usos del suelo a partir de imágenes del sensor Landsat para los años 1985, 2003 y 2010. Luego, se realizó una EMC para estimar la aptitud de uso del suelo, considerando factores ambientales y socioeconómicos, así como restricciones en cada clase de uso del suelo: urbano, agrícola, vegetación natural y plantación forestal. Estas coberturas, se utilizaron para aplicar el modelo integrado de AC-Cadenas de Markov y EMC y se obtuvo un mapa de uso del suelo proyectado al año 2035. Los procedimientos de clasificación de imágenes y modelización del uso de suelo se realizaron en el SIG Idrisi. ii. Estimación del consumo hídrico: se realizó mediante la cuantificación de densidades promedio de consumo de agua, que se definieron como el cociente de consumo por unidad de área urbanizada y fueron clasificadas según clases socioeconómicas (determinadas según la clasificación Adimark en Santiago), según la ecuación 1: 𝐷_𝑎𝑔𝑢𝑎𝑖 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑗 ∑𝑛 ⁄𝐴 ) 𝑗=1( 𝑗 𝑛 (Ec. 1) Donde: 𝐷_𝑎𝑔𝑢𝑎𝑖 es la densidad de consumo media en la clase Adimark "i" (en m3 de agua/m2 urbano); 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑗 ⁄𝐴 es la densidad de consumo del sector "j" en el polígono de clase "i" y "n" es el 𝑗 número de sectores dentro de la clase "i". A continuación, se tomó como supuesto que las densidades de consumo de agua son constantes en el tiempo en cada clase socioeconómica. Con este supuesto, se pudo llevar a cabo el cálculo del consumo de agua potable futuro, el cual fue equivalente a la sumatoria de los consumos en cada clase socioeconómica obtenidos al multiplicar la densidad de consumo con el área urbanizable al año 2035 estimada en la primera etapa, según la ecuación 2: 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑡 = ∑𝑛𝑖=1 𝐷_𝑎𝑔𝑢𝑎𝑖 × 𝐴𝑖 (Ec. 2) iii. Se realizó un análisis comparativo al relacionar los porcentajes de cambio estimados en las variables de estudio que fueron el crecimiento poblacional, la expansión urbana y el consumo de agua. Resultados y Discusión En primer lugar se obtuvieron los mapas de usos de suelo mediante el procesamiento de las imágenes satelitales, según se muestra en la Figura 1. De estos mapas, se obtuvo las áreas de cambio según se muestra en la figura 2. Figura 1. Clasificación de usos del suelo a partir de imágenes Landsat y proyectado al año 2035 en la RM Figura 2. Áreas de usos del suelo clasificados y simulados (en hectáreas) De acuerdo a los resultados de las matrices de Markov se determinó que entre 1985 y 2010, 9.290 ha (21%) aumentaron en el área urbana, lo que significó en 63%, la pérdida de 5.852 ha de cultivos. De esto, se obtuvo evidencia que la expansión urbana interactúa principalmente con la ocupación de terrenos agrícolas. A continuación se aplicó la EMC para los cuatro usos de suelo principales de acuerdo a factores que fueron ponderados de acuerdo al método de jerarquía analítica (Saaty, 1980) consistente en una comparación por pares que se observa en la tabla 1. Para el caso de la aptitud del uso urbano está afectada principalmente por la accesibilidad a centros urbanos (40,8%) y vías (26%), luego, incide la probabilidad de cambio a urbano (17%) y en menor medida afectan el nivel socioeconómico según Adimark (8%) y la pendiente (8%). Tabla 1. Pesos ponderados de Evaluación Multicriterio de factores de uso del suelo en la Región Metropolitana (en porcentaje) CLASES USO DEL SUELO FACTORES FORESTAL VEGETACIÓN PLANTADO NATURAL URBANO AGRÍCOLA Accesibilidad a vías 26,0% - - - Accesibilidad a centros urbanos 40,8% - - - Nivel socioecioeconómico (adimark) 8,3% - - - Pendiente 8,3% 10,5% 8,3% 5,7% Probabilidad de cambio de uso 16,6% 25,8% 26,0% 19,6% Capacidad de uso del suelo - 63,7% 40,8% - Fragilidad del suelo (erosividad) - - 8,3% - Altitud - - 16,6% 19,6% Orientación de ladera - - - 8,2% Cercanía a cursos hídricos - - - 11,9% Cercanía a áreas protegidas - - - 35,1% A partir de la imagen de 2010 y la proyección del uso del suelo para ese mismo año (Ver figura 1), los resultados de la clasificación mostraron una validación, mediante el índice Kappa, de 0,74. De acuerdo al resultado de la modelación, aplicando las tres técnicas mencionadas (AC-Cadenas de Markov y EMC), se puede observar que al año 2035 los cambios de uso del suelo (respecto al 2010) proyectan una tendencia de urbanización creciente, con un aumento de 12.230 ha (22%), lo que se deberá a las pérdidas de 5.960 ha en cultivos (49% del cambio) y de 761 ha (6% del cambio) en vegetación natural. Respecto a los niveles de consumo de agua urbana, se observaron gradientes diferenciados según clases socioeconómicas Adimark: la mayor densidad de consumo de 1,25 m3 de agua/m2 se estimó en la clase ABC1 (alta); sin embargo, debido a la mayor densidad poblacional, los mayores consumos netos anuales (actual de 231 millones m3) ocurren en la clase D (media). Según se muestra en la figura 2 y la tabla 2, las relaciones obtenidas, indicaron que al año 2035, la expansión urbana horizontal del 22% y el incremento en 37% de la población (+2,5 millones de habitantes), podrá implicar un aumento en 9% (+47,23 millones m3) del consumo de agua, con requerimiento medio de 62,8 m3/hab/año. De este trabajo, se concluye que existen relaciones no lineales entre patrones de urbanización y consumos de agua actuales y futuros, las cuales están ligadas principalmente a la expansión urbana diferenciada por las clases socioeconómicas y la densidad poblacional en ellas. Así mismo, se destaca la importancia de analizar en futuros trabajos, la relación entre procesos de intensificación de urbanización con los niveles de consumo, estableciendo una diferenciación y acentuación según clases socioeconómicas y escenarios de cambio climático. Tabla 2. Resumen de cambios estimados y proyectados en la Región Metropolitana Variable/cambio Área Urbana (ha) Periodo de cambio Hectáreas % Población (Habitantes) Periodo de cambio Habitantes % Consumo Agua (mill. m3-año) Periodo de cambio Millones m3 / año % AÑO DE ESTIMACIÓN 1985 2010 2035 45.230 54.520 66.750 1985-2010 2010-2035 9.290 12.230 21% 22% 4.507.230 6,657,908 1985-2010 2.150.678.35 47,7% 9.088.044 2010-2035 2.430.136,42 36,5% 316,13 523,34 1985-2010 207,21 65,5% 570,57 2010-2035 47,23 9,0% Figura 2. Límite urbano y densidad de consumo de agua estimado y proyectado al año 2035 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS McDonnell MJ, Pickett STA, & Pouyat RV (1993) The application of the ecological gradient paradigm to the study of urban effects. Pages 175–189 in M. J. McDonnell, and S. T. A. Pickett (eds.), Humans as Components of Ecosystems: Subtle Human Effects and the Ecology of Populated Areas. SpringerVerlag, New York. Pizarro R, Salazar C, Soto M, Farías C, Jordan C & Vargas J (2002) Aguas Continentales. Páginas 69101 en Instituto de Asuntos Públicos Universidad de Chile (eds.), Informe País Estado del Medio Ambiente en Chile 2002. LOM Ediciones, Santiago. Saaty, T (1980). The analytical hierarchy process. New York: Mc Graw Hill. United Nations (2006). World Urbanization Prospects: The 2005 Revision. United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division, Working Paper No. ESA/P/WP/200.
