Propuesta de Investigación: Evaluación del Impacto del Cambio de Uso de Suelo y la Variabilidad
Climática en el Régimen Hidrológico de la Microcuenca del Río Arenal (Caso de Estudio)
Fecha: 24 de mayo de 2024
Elaborado por: [Nombre del Investigador/Institución]
Duración propuesta: 18 meses
1. Título de la Investigación
Evaluación Integrada del Impacto del Cambio de Uso de Suelo y la Variabilidad Climática
en la Escorrentía Superficial y la Oferta Hídrica de la Microcuenca del Río Arenal, mediante
Modelación Hidrológica.
2. Planteamiento del Problema y Justificación
La creciente presión antrópica sobre los recursos naturales, manifestada principalmente a
través de cambios en el uso del suelo (deforestación, expansión agrícola y urbana),
sumada a los efectos palpables de la variabilidad y el cambio climático, constituye una de
las mayores amenazas para la seguridad hídrica a escala de cuencas. Alteraciones en la
cobertura vegetal modifican directamente los procesos del ciclo hidrológico superficial,
afectando la partición de la lluvia en infiltración y escorrentía, la evapotranspiración, y
consecuentemente, la cantidad y calidad del agua disponible.
La microcuenca del Río Arenal ha experimentado en las últimas tres décadas una
transición significativa de coberturas boscosas a pastizales y cultivos, además de un
incipiente crecimiento periurbano. Paralelamente, los registros climáticos locales indican
un aumento en la frecuencia de eventos extremos (sequías intensas y lluvias torrenciales),
generando conflictos por el agua en épocas de estiaje y problemas de inundación y
erosión en temporadas lluviosas.
Existe una necesidad urgente de cuantificar de manera científica y objetiva la contribución
relativa de cada factor (cambio de uso de suelo vs. clima) en la alteración del régimen
hidrológico. Esta investigación busca llenar ese vacío de conocimiento. Los resultados
serán fundamentales para que los tomadores de decisiones (municipios, comités de
cuenca, asociaciones de regantes) implementen estrategias efectivas de gestión integrada
del recurso hídrico, planes de ordenamiento territorial y medidas de adaptación al cambio
climático, asegurando la sostenibilidad del agua en la región.
3. Revisión de Literatura y Antecedentes
La hidrología superficial ha avanzado sustancialmente con el desarrollo de Modelos
Hidrológicos Distribuidos, que permiten simular espacialmente los procesos de la cuenca.
Herramientas como el Modelo Hidrológico SWAT (Soil & Water Assessment Tool) se han
convertido en un estándar para evaluar impactos ambientales en cuencas (Arnold et al.,
1998). SWAT es capaz de integrar información de suelos, uso de suelo, topografía y clima
para predecir respuestas hidrológicas.
Estudios seminales han demostrado la sensibilidad de los caudales a los cambios de
cobertura. Bosch y Hewlett (1982), en una revisión clásica, establecieron que la reducción
de la cobertura forestal generalmente aumenta el caudal anual. Investigaciones más
recientes, como las de Li et al. (2009), han utilizado escenarios de modelación para
separar los efectos climáticos de los antrópicos, encontrando que, en algunas cuencas, el
cambio de uso de suelo puede ser un factor de presión incluso más significativo que la
variabilidad climática.
A nivel nacional, existen estudios similares en grandes cuencas, pero hay un vacío en el
análisis de microcuencas, las cuales son las unidades fundamentales de gestión y las más
vulnerables a cambios abruptos. Esta investigación se basará en estos antecedentes,
aplicando una metodología robusta y probada a una escala de mayor detalle y relevancia
local.
4. Objetivos
Objetivo General:
Cuantificar el impacto individual y combinado del cambio histórico de uso de suelo y la
variabilidad climática en la escorrentía superficial y la oferta hídrica de la microcuenca del
Río Arenal, para el período 1990-2020, mediante la implementación y calibración del
modelo hidrológico SWAT.
Objetivos Específicos:
Caracterizar la dinámica espacio-temporal del uso de suelo y la cobertura vegetal en la
microcuenca para los años 1990, 2000, 2010 y 2020, utilizando técnicas de teledetección e
SIG.
Analizar las tendencias y la variabilidad de los parámetros climáticos clave (precipitación,
temperatura) en la zona de estudio para el mismo período.
Implementar, calibrar y validar el modelo hidrológico SWAT para la microcuenca del Río
Arenal, utilizando datos de caudal observado.
Diseñar y ejecutar escenarios de simulación para aislar y comparar los efectos hidrológicos
atribuibles al cambio de uso de suelo y a la variabilidad climática.
Proponer lineamientos de gestión y manejo sustentable de la cuenca basados en los
resultados de las simulaciones.
5. Metodología
Área de Estudio: La microcuenca del Río Arenal (approx. 250 km²), localizada en [Región,
País]. Se seleccionó por su representatividad, disponibilidad de información y
problemática hídrica evidente.
1. Recolección de Datos:
Topografía: Modelo Digital de Elevación (MDE) de ALOS PALSAR o SRTM (12.5 m de
resolución).
Uso de Suelo: Imágenes satelitales Landsat para los años 1990, 2000, 2010 y 2020.
Clasificación supervisada en software SIG (QGIS/ArcGIS).
Suelos: Cartografía edafológica a escala 1:50,000 o base de datos global (FAOUNESCO/SoilGrids).
Clima: Datos diarios de precipitación y temperatura máxima/mínima (1990-2020) de
estaciones meteorológicas dentro y cerca de la cuenca.
Hidrometría: Datos de caudal diario de una estación de aforo en la salida de la cuenca
para calibrar/validar el modelo.
2. Procesamiento y Modelación:
Preprocesamiento: Todas las capas se reproyectarán a un sistema de coordenadas común
y se procesarán en ArcSWAT/QSWAT, la interfaz de SWAT.
Delimitación y HRUs: El MDE se utilizará para delimitar la cuenca y subcuencas. El modelo
se ejecutará definiendo Unidades de Respuesta Hidrológica (HRUs) a partir de la
combinación única de suelo, uso de suelo y pendiente.
Calibración y Validación: El modelo se calibrará (período 2005-2012) y validará (20132020) manual y automáticamente (con el algoritmo SUFI-2 en SWAT-CUP) comparando el
caudal simulado vs. observado. Se usarán estadísticos como el Coeficiente de NashSutcliffe (NSE) y el sesgo (PBIAS) para evaluar el desempeño.
3. Diseño de Escenarios:
Para aislar los efectos, se simularán cuatro escenarios:
Escenario 1 (Base): Uso de suelo de 1990 y clima de todo el período.
Escenario 2 (Solo Clima): Uso de suelo de 1990 constante, con series climáticas reales de
1990-2020.
Escenario 3 (Solo Uso de Suelo): Clima de un período de referencia estable, con la
secuencia histórica de mapas de uso de suelo.
Escenario 4 (Combinado): Uso de suelo y clima reales para cada año (escenario realista).
La comparación de los resultados de caudal superficial, evapotranspiración y recarga de
los escenarios 1, 2 y 3 permitirá discernir la contribución de cada factor.
6. Resultados Esperados e Impacto
Mapas detallados de cambio de uso de suelo para la microcuenca (1990-2020).
Un modelo hidrológico SWAT calibrado y validado para la microcuenca del Río Arenal, que
podrá ser usado para futuros estudios y proyecciones.
Una cuantificación porcentual de la contribución del cambio de uso de suelo y la
variabilidad climática en la alteración del caudal medio, máximo y mínimo.
Un artículo científico para ser publicado en una revista indexada en el área de hidrología o
ciencias ambientales.
Un documento técnico de divulgación con lineamientos de política pública y manejo de
cuencas, dirigido a autoridades locales y comunidades.
El impacto principal es proveer información científica robusta para la toma de decisiones,
promoviendo una gestión proactiva y adaptativa del agua que contemple los drivers de
cambio identificados.
7. Cronograma de Actividades
Actividad
Meses
1-3
Meses
4-6
Meses
7-9
Revisión Literatura y
Adquisición de Datos
✓
Procesamiento de
Imágenes (SIG)
✓
✓
Análisis de Datos
Climáticos
✓
Implementación del
Modelo SWAT
Calibración y Validación
del Modelo
✓
Meses
10-12
Meses
13-15
✓
✓
✓
Meses
16-18
Actividad
Meses
1-3
Meses
4-6
Meses
7-9
Meses
10-12
Simulación de
Escenarios y Análisis
Meses
13-15
Meses
16-18
✓
✓
Redacción de Informes y
Artículo
Total por Periodo
✓
3
3
3
3
3
3
8. Referencias Bibliográficas
Arnold, J. G., et al. (1998). Large area hydrologic modeling and assessment part I: Model
development. Journal of the American Water Resources Association.
Bosch, J. M., & Hewlett, J. D. (1982). A review of catchment experiments to determine the
effect of vegetation changes on water yield and evapotranspiration. Journal of Hydrology.
Li, Z., et al. (2009). Assessing the impact of climate variability and human activities on
streamflow from the Wuding River basin in China. Hydrological Processes.
Neitsch, S. L., et al. (2011). Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation
Version 2009. Texas Water Resources Institute.
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