Medición del cambio de nivel de la superficie

Mario Rostagno, mayo 2014
A continuación se describen algunas técnicas para monitorear la erosión laminar, en
surcos y en cárcavas. Los párrafos fueron extraídos de la publicación de FAO:
N.W. Hudson. 1997. Medición sobre el Terreno de la Erosión del Suelo y de la
Escorrentía. Boletín de Suelos de la FAO – 68. FAO - Organización de las Naciones
Unidas para la Agricultura y la Alimentación Roma. Esta publicación está disponible en
internet.
Medición del cambio de nivel de la superficie
Mediciones localizadas y medidores transversales
La medición directa de los cambios en el nivel del suelo resulta adecuada cuando la
erosión está localizada, los índices de erosión son elevados y la posición de la erosión
es predecible, como en las tierras en pendiente deforestadas, o los pasos del ganado a
través de los pastizales. Esa medición no suele ser adecuada para las pérdidas de suelo
de tierras cultivables debido a que el nivel de la superficie se verá afectado por el
cultivo y los animales. Los cambios se pueden medir: a) en una dimensión (estacas) con
respecto al nivel de la superficie en un punto, o b) en dos dimensiones, para obtener
un perfil o sección transversal (puentes).
Mediciones localizadas
Los resultados de las mediciones individuales de los cambios de nivel en un punto
único varían considerablemente, pero este es un método sencillo y de bajo costo que
permite establecer una muestra de un gran número de puntos y obtener una
estimación válida.
Varillas para la medición de la erosión
Este método ampliamente utilizado consiste en clavar en el suelo una varilla medidora
de manera que en su parte superior se puedan "leer" los cambios en el nivel de la
superficie del suelo. Conocidas con diversos nombres como postes, estacas y otros, las
varillas pueden ser de madera, hierro o cualquier otro material que no se deteriore,
que sea fácil de obtener y barato. Las barras de hierro redondas utilizadas para
reforzar el hormigón pueden utilizarse a un costo reducido.
La varilla debe ser de una extensión que se pueda clavar en el suelo para obtener un
dato concreto: 300 mm es una longitud corriente, puede ser menor si se trata de un
suelo poco profundo o mayor si se trata de un suelo suelto. Es preferible que tenga un
diámetro de unos 5 mm, ya que un espesor mayor puede interferir con la corriente de
superficie y provocar su desgaste. Un dispositivo rectangular o cuadrado dará una
distribución al azar de puntos con un espaciamiento adecuado para la zona que se está
estudiando.
Un estudio realizado en el Japón ilustra el método de puntos, con la instalación de
estacas en redes cuadradas de 2 m situadas en tres parcelas de 100 m2 con una
pendiente de 30° en un bosque recientemente talado. Las mediciones de la altura de
las estacas se efectuaron cada mes durante diez años y mostraron que el ritmo anual
de erosión de cada parcela era casi uniforme, alrededor de unos 13 mm/año.
Varillas para medir el cambio del nivel de la superficie
En otro ejemplo, el método de las varillas dio inesperadamente una medición
cuantitativa del efecto de una fuerte tormenta en la región occidental de Colorado,
EEUU. Como parte de un estudio hidrológico a largo plazo en una cuenca de 5 ha, se
instalaron varillas a intervalos de 1,5 m en seis líneas de perfiles sobre el terreno. Toda
la escorrentía y los sedimentos de la cuenca van a parar a un embalse situado en la
desembocadura de la cuenca, de tal manera que las estimaciones de la pérdida que se
miden con las varillas podrán compararse con las mediciones de los sedimentos de los
estudios del embalse. Una fuerte tormenta, con un período de repetición estimado de
25 años, se produjo poco después de la instalación de las varillas y del primer estudio
del embalse, lo que permitió efectuar una evaluación del efecto aislado de esa
tormenta. La pérdida media de suelo calculada a partir de los resultados obtenidos con
las varillas alcanzaba a 2,7 mm, en comparación con la estimación del sedimento
retenido en el embalse que correspondería a una pérdida de 2,3 mm.
Algunos investigadores colocan una arandela de metal en la varilla para obtener una
base mejor de medición en su parte superior. Si es probable que existan ciclos de
erosión y de depósito como en el lecho de una cárcava, el método de la arandela
puede aportar información adicional útil al reducirse al nivel inferior de la erosión y al
estar cubierto por un depósito posterior que puede igualmente medirse. Por otro lado,
la presencia de la arandela puede provocar turbulencias y frotamientos, o podría
reducir la erosión por impacto de las gotas de agua y dejar la arandela asentada sobre
un pedestal del suelo. Todas estas variaciones y causas posibles de lecturas erróneas
aparecen en las publicaciones sobre la utilización del método de la varilla examinado
por Haigh (1977; Haigh M, J. 1977. The use of erosion pins in the study of slope evolution.
British Geomorphological Research Group Technical Bulletin 18: 31–49).
Medidores transversales
Para medir cambios pequeños en el nivel de la superficie a lo largo de una sección
transversal como un área con varios pasajes paralelos para el ganado, puede resultar
adecuado un medidor transversal. La necesidad de un medidor transversal estriba en
poder establecer una referencia a partir de la cual se puedan medir los cambios de
nivel a lo largo de una línea recta y que más adelante puedan restablecerse los mismos
puntos. Por lo común esto será una barra horizontal con varillas que pueden hacerse
descender sobre la superficie del suelo, partiendo del mismo principio utilizado para
medir la rugosidad del suelo en los estudios sobre la labranza y el cultivo. Un
dispositivo de ese tipo para medir con precisión los niveles de superficie en las tierras
de pastoreo fue concebido por Hudson en al año 1964. Se fijaron estacas de metal a
nivel del suelo en bloques de hormigón a intervalos de 2 m. Entre dos estacas
adyacentes se podía fijar una viga de aluminio ligero lo que daba un punto de
referencia firme desde el cual era posible medir con precisión el nivel de la superficie
del suelo en los puntos marcados en la viga. Entre las lecturas, la viga se retiraba para
que no obstaculizara el movimiento del ganado. Las mediciones se tomaban
redondeándolas al milímetro más próximo, lo que permitía apreciar claramente los
cambios anuales.
Algunos trabajos en los que han empleado estacas o puentes para determinar la
erosión laminar (se transcribe solamente la parte correspondiente a la descripción del
método).
1) Hancock, G. R., K. G. Evans, J. McDonnell and L. Hopp. 2012. Ecohydrological
controls on soil erosion and landscape Evolution. Ecohydrology 5: 478–490.
Erosion pins were installed in the catchment in 2002 as part of an assessment to
quantify annual erosion and deposition rates as well as gully erosion (Hancock and
Evans, 2006, 2010). Erosion pins are a simple and inexpensive method to quantify soil
loss and soil creep (Ireland et al., 1939; Emmett, 1965; Haigh, 1977; Loughran, 1989). A
pin or rod is inserted into soil leaving a known length protruding; repeated
measurements can then determine both soil erosion and deposition. Net erosion or
deposition at a site is calculated by determining the arithmetic mean of the measured
values. Disadvantages of the method are that insertion of pins can disturb the soil and
subsequently may be buried by deposition and/or disturbed by animal and human
activity”. Pag 5, Field measurement of erosion
2) Hancock, G.R., R.J. Loughran, K.G. Evans and R.M. Balog. 2008. Estimation of Soil
Erosion Using Field and Modelling Approaches in an Undisturbed Arnhem Land
Catchment, Northern Territory, Australia. Geographical Research 46:333–349.
Erosion pins are a simple and inexpensive method to quantify soil loss and soil creep
(Ireland et al., 1939; Emmett, 1965; Haigh, 1977; Loughran, 1989). A pin or rod is
inserted into soil leaving a known length protruding; repeated measurements can then
determine both soil erosion and deposition. Net erosion or deposition at a site is
calculated by determining the arithmetic mean of the measured values. Disadvantages
of the method are that insertion of pins can disturb the soil and they may be buried by
deposition and/ or disturbed by animal and human activity.
3) Patricia Fanning. 1994. Long-term contemporary erosion rates in an arid rangelands
environment in western New South Wales, Australia. Journal of Arid Environment
28:173-187.
In order to determine the rate of surface lowering and volume of soil loss from the
'badlands' area adjacent to the main channel of Homestead Creek, a grid system of
erosion pins was established on the eastern bank of the creek, approximately 1 "5 km
downstream of the divide (Fig. 1). It comprised a rectangular plot, 35 m × 15 m, in
which 198 thin steel rods (pins), 200 mm in length, were installed. The rods were
driven into the ground leaving 10 mm protruding above the surface. A galvanized
washer was placed over the rod head, which was split to prevent the washer from
slipping off.
4) Cingolani et al. 2013. Can livestock and fires convert the subtropical mountain
rangelands of central Argentina into a rock desert? The Rangeland Journal 35: 285297.
In the 77 sites selected to measure post-fire surface erosion we used erosion pins to
estimate soil loss (Hudson 1993). In September 2009 (two months after fire, before the
onset of the rain season) in each site we hammered into the soil 12 to 16 iron pins of
0.4 cm in diameter, and 40 to 60 cm in length, leaving 10 cm of the pin out of the soil.
Iron pins were separated 1-2 m between each other. In September 2010, we measured
the length above the soil surface of all iron pins at each site, and then averaged per
site.
5) Sirvent , J., G. Desir, M. Gutierrez, C. Sancho, G. Benito. 1997. Erosion rates in
badland areas recorded by collectors, erosion pins and profilometer techniques (Ebro
Basin, NE-Spain). Geomorphology 18: 61-75.
The plot ground lowering was obtained by erosion pin measurements and
microtopographic profile gauge techniques (Sancho et al., 1991; Benito et al.,
1992). The recording period comprises from November 1991 to November 1993. The
erosion pins were constructed of steel rods covered by a coat of zinc to avoid
oxidation. The lengths are 30, 40 or 50 cm and 4 or 6 mm in section, depending on the
rock hardness. These were installed at 321 points covering a surface of 257 m2 in the
LNl plot and at 197 points in an area of 128 m* in the LN2 plot. Pins were situated at
the intersections of a 1 m grid pattern as well as along rill and interrill areas (Fig. 4).
The 1 m grid was selected for two main reasons: systematic location of measuring
points to determine spatial erosion distribution and as cartographic support. The
recordings were made every six months setting a metal washer on the ground and
taking measurements with a depth gauge. The erosion pin record was analysed by
computer, generating ground lowering contour lines.
6) Shakesby, R. A., C. O. Coelho, A. J. Ferreira and R. P. Walsh. 2002. Ground-level
changes after wildfire and ploughing in eucalyptus and pine forests, portugal:
implications for soil microtopographical development and soil longevity. Land
Degradation & Development 13: 111–127.
The erosion bridge has been described in detail elsewhere (Shakesby et al., 1991;
Shakesby, 1993). Along the device are 37 holes of 6mm diameter at 25mm intervals
(although for the first set of readings, the prototype instrument had 19 holes 50mm
apart). The erosion bridge was always aligned along the contour and, at most sites,
three rather than two mounting stakes were used, giving a near-continuous profile
comprising 19–37 points in year 1, but 37–74 points in succeeding years using the
modified version. Once set up, a 6mm diameter aluminum rod was lowered
sequentially through the holes on to the adjudged soil surface. Note was made of
stones >6mm intercepted by the rod.
Mediciones volumétricas (de Hudson 1997)
Las estimaciones de la pérdida de suelo basadas en mediciones tridimensionales del
volumen pueden ser utilizadas de diferentes maneras. En la erosión producida por
surcos o vías de escurrimiento, se miden la longitud de la sección erosionada y los
cambios en el área transversal. En la erosión producida por cárcavas, normalmente se
necesita información no sólo sobre la pérdida volumétrica, sino también sobre cuánto
ha crecido la cárcava, por lo que también hay que medir los cambios en la longitud a
medida que la cárcava se reduce. Otro método volumétrico consiste en medir o en
calcular el volumen depositado por ejemplo en un abanico aluvial, o en un pozo de
captación o embalse.
Surcos y vías de escurrimiento
La medición de la sección transversal de todos los surcos en una zona de muestreo o a
lo largo de un corte transversal es rápida y fácil, por lo que este método es adecuado
para medir los cambios en breves períodos, como el cambio causado por un fuerte
aguacero. La sección transversal puede volverse a calcular a partir de mediciones de la
anchura y la profundidad medias si la forma es bastante uniforme, o sumando la
superficie de los segmentos si la sección transversal del surco es irregular. La precisión
de los cálculos de la pérdida total de suelo basados sólo en mediciones de la erosión
en surcos dependerá de la cuantía de la erosión entre surcos debido al impacto del
agua y de que se esté produciendo también una erosión laminar. Cuando la erosión
entre surcos es reducida, la subestimación de la erosión en surcos puede por sí sola ser
de un 10% a un 30%.
FIGURA - Sencillo medidor de perfil para medir los cambios del nivel de la superficie
FIGURA - Establecimiento de una red de varillas para medir la erosión de las cárcavas
Un método sencillo de estimación inmediata de la pérdida de suelo con un mínimo de
cálculo se remonta a 1937, y fue propuesto por A.N. Alutin del Servicio de
Conservación de Suelos de los Estados Unidos. Se hace un corte (transecta) transversal
de una longitud determinada a través de la pendiente, se calcula la superficie
transversal de cada surco a lo largo de la línea a partir de la anchura media y la
profundidad media y se suman. Habitualmente los resultados de un número de cortes
transversales se promediarán. Este método parte del supuesto de una densidad
aparente del suelo de 1,4 t/m3, y de que los cortes transversales medidos sean
característicos de la zona que se va a estudiar.
Las estimaciones de la erosión a partir de las mediciones de los surcos se han
comparado en Inglaterra con estimaciones del volumen depositado en abanicos
aluviales por Evans y Boardman (1994), quienes notaron que había más coincidencia
cuando las mediciones eran efectuadas por trabajadores de campo experimentados.
Estos autores sugirieron que puede ocurrir que las estimaciones efectuadas por medio
de mediciones de los surcos estén en un rango comprendido entre el doble y la mitad
del valor real.
Es evidente que las cifras expresadas en t/ha resultantes de estos métodos no se
deben considerar como si fueran mediciones confiables exactas, pero pueden ser
útiles para efectuar una rápida comparación sencilla del efecto de diversas prácticas
agrícolas.
Cárcavas y márgenes de arroyos
Cuando se estudia el avance de la erosión por cárcavas, es preciso medir el crecimiento
horizontal de las mismas y sus cambios verticales. Para medir el área de la superficie y
los cambios debidos al descenso y al desmoronamiento de las orillas, se establece una
red de varillas para medir la erosión a intervalos adecuados de entre dos a cinco
metros, como en la figura de más abajo. De las mediciones a lo largo de las líneas de la
red desde la varilla más próxima al extremo de la cárcava, se puede representar el área
en papel cuadriculado. Las líneas de la red sirven también como cortes de las secciones
transversales a través de la cárcava. Se extiende un cordel sobre el suelo a lo largo de
la línea de la red con marcadores a intervalos fijos de aproximadamente un metro. En
cada marcador se mide la profundidad del suelo de la cárcava utilizando el personal
encargado del estudio o una mira topográfica, y luego se puede trazar la sección. El
volumen de la pérdida de suelo debido a la cárcava se calcula como en la Figura 11; las
mediciones posteriores servirán para cuantificar los cambios.
El lecho de una cárcava puede tener en cualquier punto aislado ciclos de reducción en
algunos momentos y de depósito en otros, por ejemplo cuando se produce un gran
derrumbamiento de la orilla y una gran cantidad de suelo cae en la corriente. El
empleo de varillas de medición de la erosión con arandelas puede aportar información
sobre esos cambios de nivel, tal como se describe en la sección Medición de los
cambios de nivel de la superficie.
Otro método para evaluar la dinámica de los márgenes de las cárcavas consiste en
enterrar horizontalmente varillas de metal de pequeño diámetro. Un aumento en la
longitud de la varilla expuesta muestra la extensión de la retirada de la orilla; la
medición se puede simplificar pintando collares alrededor de las varillas expuestas. Sin
embargo, esta técnica no se debe utilizar si la colocación de las varillas influye en la
resistencia del suelo a la erosión; en los suelos de grava, la colocación de las varillas
puede aflojarlos y aumentar su erosionabilidad, y en los suelos aluvionales con escasa
resistencia a la tensión, las varillas pueden actuar como una armadura y reducir el
derrumbe, el vuelco o la rotura de la pared.
FIGURA - Cálculo de las secciones transversales en una cárcava
Precisión y exactitud (de Hudson 1997)
Es preciso establecer una diferencia entre precisión y exactitud. La precisión es el
grado de afinamiento en la medición - de tal modo que el peso del suelo recogido en
un pozo captador medido al 0,1 kg es más preciso que un peso medido a 1 kg - pero
eso no hace la estimación más exacta, la cual ésta determinada por el diseño del
experimento y por las posibles causas de error. La exactitud no aumenta citando
resultados con más precisión de lo que está justificado. A título de ejemplo, la
profundidad de la pérdida de suelo puede medirse a un milímetro; como la técnica es
sencilla, se pueden efectuar muchas mediciones. La cifra media calculada será más
confiable, más creíble, y probablemente más exacta partiendo de 100 mediciones que
de 10, pero no más precisa. Es un error común medir con una precisión de un decimal
y luego citar la media con dos decimales.