1 Universidad de Chile Facultad de Ciencias FÍsicas y MatemÁticas Departamento de INGENIERÍA CIVIL INFLUENCIA DE LA COBERTURA DE BOSQUE NATIVO EN LA GENERACIÓN DE ESCORRENTÍA EN EL SUR DE CHILE: ESTUDIO COMPARATIVO DE MICROCUENCAS TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA, MENCIÓN RECURSOS Y MEDIO AMBIENTE HÍDRICO MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERÍA CIVIL CAMILA DESIRÉE ÁLVAREZ GARRETÓN PROFESOR GUÍA: JAMES MCPHEE TORRES MIEMBROS DE LA COMISIÓN: XIMENA VARGAS MESA ANTONIO LARA AGUILAR SANTIAGO DE CHILE JUNIO 2010
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Universidad de Chile
Facultad de Ciencias FÍsicas y MatemÁticas
Departamento de INGENIERÍA CIVIL
INFLUENCIA DE LA COBERTURA DE BOSQUE NATIVO EN LA GENERACIÓN DE ESCORRENTÍA EN EL SUR DE CHILE: ESTUDIO COMPARATIVO DE MICROCUENCAS
TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN
CIENCIAS DE LA INGENIERÍA, MENCIÓN RECURSOS Y MEDIO AMBIENTE HÍDRICO
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERÍA CIVIL
CAMILA DESIRÉE ÁLVAREZ GARRETÓN
PROFESOR GUÍA:
JAMES MCPHEE TORRES
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
XIMENA VARGAS MESA
ANTONIO LARA AGUILAR
SANTIAGO DE CHILE
JUNIO 2010
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RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERA CIVIL Y GRADO DE MAGÍSTER EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA, MENCIÓN RECURSOS Y MEDIO AMBIENTE HÍDRICO POR: CAMILA DESIRÉE ÁLVAREZ GARRETÓN FECHA: 29/06/2010 PROF. GUÍA: Sr. JAMES MCPHEE
“INFLUENCIA DE LA COBERTURA DE BOSQUE NATIVO EN LA GENERACIÓN DE ESCORRENTÍA EN EL SUR DE CHILE:
ESTUDIO COMPARATIVO DE MICROCUENCAS”
Los bosques nativos influyen de manera directa en los procesos de generación de escorrentía y otros servicios ecosistémicos tales como la conservación de suelos, diversidad biológica, oportunidades para el turismo y recreación. La creciente degradación de los bosques nativos ha generado la necesidad de una valoración y cuantificación de estos servicios, de manera de aportar con herramientas para las políticas y toma de decisiones asociadas al manejo y conservación de este recurso. Dentro de este marco, la presente investigación determina relaciones entre bosques nativos de distintas características y procesos de generación de escorrentía. Los resultados de esta tesis se basan en los registros instrumentales de cinco microcuencas (área menor a 80 ha) de la precordillera del sur de Chile (39.5° Lat S), en el predio San Pablo de Tregua de la Universidad Austral de Chile, que poseen distintas coberturas de bosque nativo. Estas coberturas incluyen bosques de diferente edad (bosque adulto y bosque de renovales), con distintos tipos de intervención (con y sin criterio silvícola), y una cuenca mayormente cubierta por praderas. Todas las cuencas poseen una geomorfología y composición de suelos similar, por lo que se espera que las diferencias encontradas en cuanto a los procesos de generación de escorrentía, se deban principalmente a las diferencias en la cobertura. Se desarrolla una metodología de análisis comparativo de los registros de caudal y precipitación de las distintas cuencas, a escala anual, estacional, mensual, en períodos de recesión y frente a eventos de tormenta. Los resultados coinciden con los encontrados por otros autores, y muestran que para bosques de la misma edad, una reducción del área basal producida por la intervención del bosque, resulta en una mayor generación de escorrentía anual, estacional y frente a eventos de tormenta. Sin embargo, las relaciones para caudales en los meses más secos (enero y febrero), cuya precipitación alcanza aproximadamente al 10% del total anual y que tienen asociada la mayor actividad biológica de los bosques, dependen de la edad y tipo de intervención del bosque. Para los bosques de renovales, la intervención silvícola induce una mayor producción de escorrentía en todo momento; en los meses de verano las diferencias se hacen máximas, llegando a órdenes de un 50%, lo que daría cuenta de que un manejo silvícola de bosque nativo de renovales constituiría una buena alternativa para producción maderera, al mismo tiempo asegurando una mayor disponibilidad hídrica durante los períodos de menor recarga. Por el contrario, la intervención sin criterio silvícola de un bosque adulto, resulta en una reducción de hasta un 25% en los caudales asociados a períodos de recesión de los meses secos. Al comparar cuencas de bosques de distinta edad, se observa que aún cuando el área basal del bosque adulto es mayor, el bosque de renovales, que tiene asociado un mayor consumo de agua debido a su fase de crecimiento, genera menos escorrentía. Para la cuenca con cubierta de praderas se observa en general, una mayor generación de escorrentía en comparación con las cuencas con cubierta de bosque, lo que se condice con las menores tasas de evapotranspiración e intercepción asociadas a la pradera. Las relaciones encontradas entregan nuevos antecedentes para la valoración y cuantificación de los servicios ecosistémicos asociados al bosque nativo en Chile. Además, sugieren que sería posible intervenir cuencas con criterio silvícola, tanto para producción maderera como de escorrentía.
1.2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................................. 8
2.1 GENERACIÓN DE ESCORRENTÍA ..................................................................................................................... 10
2.2 MODELO CONCEPTUAL DE GENERACIÓN DE ESCORRENTÍA .......................................................................... 11
2.2.1 MODELO DE HORTON ............................................................................................................................ 11
2.2.2 MODELO DE ÁREA VARIABLE ................................................................................................................. 11
2.3 ESTUDIO Y MODELACIÓN DE UN HIDROGRAMA ........................................................................................... 15
2.3.1 HIDROGRAMAS ANUALES Y ESTACIONALES .......................................................................................... 15
2.3.2 HIDROGRAMAS DE TORMENTA ............................................................................................................. 15
2.4 SEPARACIÓN COMPONENTES DE UN HIDROGRAMA ..................................................................................... 17
2.5 EL BOSQUE ..................................................................................................................................................... 20
2.5.1 PARÁMETROS DASOMÉTRICOS DE LOS BOSQUES ................................................................................ 20
2.5.2 EL BOSQUE NATIVO ............................................................................................................................... 21
2.5.3 SERVICIOS ECOSISTÉMICOS ASOCIADOS AL BOSQUE NATIVO .............................................................. 22
2.5.4 MANEJO DEL BOSQUE ........................................................................................................................... 23
2.5.5 RELACIÓN BOSQUES Y SUELOS .............................................................................................................. 24
2.5.6 RELACIÓN BOSQUES Y GENERACIÓN DE ESCORRENTÍA ........................................................................ 27
4.1 ANÁLISIS BASE DE DATOS ............................................................................................................................... 42
5.6.3 RESULTADOS COMPONENTES HIDROGRAMA EN EVENTOS DE TORMENTAS ....................................... 87
6 DISCUSIÓN 92
7 CONCLUSIONES 97
5
8 BIBLIOGRAFÍA 100
ANEXO A : ANÁLISIS CURVAS DE RECESIÓN Y AGOTAMIENTO 105
A 1. RESUMEN CURVAS DE DECAIMIENTO SELECCIONADAS ................................................................................... 106
A 2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ÍNDICE DE DECAIMIENTO K .......................................................................... 109
ANEXO B : SEPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TORMENTAS 112
B 1. DESCRIPCIÓN PROGRAMA DE SEPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TORMENTAS ........................................................ 112
B 2. RESULTADOS ETAPA 1 ...................................................................................................................................... 120
B 3. RESULTADOS ETAPA 2 ...................................................................................................................................... 123
B 4. RESULTADOS ETAPA 3 ...................................................................................................................................... 127
B 5. RESULTADOS ETAPA 4 ...................................................................................................................................... 129
B 6. CLASIFICACIÓN DE TORMENTAS ....................................................................................................................... 133
ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 2
FIGURA 2‐1: ESQUEMA CICLO HIDROLÓGICO (IARNA, 2009) .......................................................................................... 10
FIGURA 2‐2: ESQUEMA COMPONENTES ESCORRENTÍA (ELABORACIÓN PROPIA) .......................................................... 11
FIGURA 2‐3: ESQUEMA MODELO DE ÁREA VARIABLE. CORTE LONGITUDINAL. (ELABORACIÓN PROPIA) ...................... 13
FIGURA 2‐4: COMPONENTES DE UN HIDROGRAMA ........................................................................................................ 16
FIGURA 2‐5: ESQUEMA HIDROGRAMA (MUSY, 1998) ..................................................................................................... 16
CAPÍTULO 3 FIGURA 3‐1: ZONA DE ESTUDIO Y UBICACIÓN ESTACIONES METEOROLÓGICAS. ........................................................... 32
FIGURA 3‐2: GRADIENTE DE PRECIPITACIÓN ZONA DE ESTUDIO .................................................................................... 34
FIGURA 3‐3: DISTRIBUCIÓN MENSUAL DE PRECIPITACIONES ......................................................................................... 35
FIGURA 3‐4: TIPOS DE BOSQUE ....................................................................................................................................... 36
FIGURA 3‐5: ESPECIES DE BOSQUE NATIVO. CUENCAS EN ESTUDIO ............................................................................... 38
FIGURA 3‐6: CORRELACIONES ENTRE LA TRANSPIRACIÓN DIARIA Y FACTORES METEOROLÓGICOS DE N. OBLIQUA Y N.
DOMBEYI, SEGÚN HUBER ET AL. (1983). ......................................................................................................................... 39
CAPÍTULO 4 FIGURA 4‐1: CLASIFICACIÓN CUALITATIVA DE LOS BOSQUES ......................................................................................... 41
FIGURA 4‐2: PASOS 2, 3 Y 4. RECESS (RUTLEDGE, 2007) ................................................................................................. 45
CAPÍTULO 5 FIGURA 5‐1: PLUVIÓGRAFO ............................................................................................................................................. 51
FIGURA 5‐2: PERÍODO DE REGISTRO PLUVIÓGRAFOS ..................................................................................................... 51
FIGURA 5‐3: VERTEDERO TRIANGULAR ........................................................................................................................... 52
FIGURA 5‐4: PERÍODO DE REGISTRO: LECTURAS DIARIAS DE ALTURA SOBRE LA REGLETA (HD), REGISTRO HORARIO DE
ALTURA DE PRESIÓN COMPENSADA (HH) ....................................................................................................................... 53
6
FIGURA 5‐5: ESQUEMA OBTENCIÓN BASE DE DATOS CAUDAL ....................................................................................... 53
FIGURA 5‐6: COMPARACIÓN DIARIA REGLETA, ALTURA HORARIA. AÑO HIDROLÓGICO 2004‐2005. ............................. 55
FIGURA 5‐7: CORRELACIÓN H LECTURA DIARIA / H HORARIO PROMEDIO 8, 9, 10 AM .................................................. 57
FIGURA 5‐8: ERROR (95% CONFIANZA) ........................................................................................................................... 58
FIGURA 5‐9: ERROR DE CAUDAL ASOCIADO A LAS BASES DE DATOS DE LECTURAS DIARIAS DE LA REGLETA (HD) Y
ALTURA HORARIA REGISTRADA POR EL DATALOGGER (HH) ........................................................................................... 59
FIGURA 5‐10: HIDROGRAMA PERÍODO COMPLETO DE REGISTRO .................................................................................. 61
FIGURA 5‐11: HIDROGRAMA MENSUAL .......................................................................................................................... 62
FIGURA 5‐12: CUOCIENTE Q/PP ....................................................................................................................................... 62
FIGURA 5‐13: CURVA DOBLE ACUMULADA. .................................................................................................................... 63
FIGURA 5‐14: CURVA DOBLE ACUMULADA. .................................................................................................................... 64
FIGURA 5‐15: CURVA DOBLE ACUMULADA. .................................................................................................................... 64
FIGURA 5‐16: CURVA DOBLE ACUMULADA. .................................................................................................................... 65
FIGURA 5‐17: CURVA DE DURACIÓN (A) ANUAL, (B) ABR‐SEP, (C) OCT‐MAR .................................................................. 66
FIGURA 5‐18: CURVA DE DURACIÓN (A) ANUAL, (B) ABR‐SEP, (C) OCT‐MAR .................................................................. 67
FIGURA 5‐19: CURVA DE DURACIÓN (A) ANUAL, (B) ABR‐SEP, (C) OCT‐MAR .................................................................. 68
FIGURA 5‐20: CURVA DE DURACIÓN. (A) ANUAL, (B) ABR‐SEP, (C) OCT‐MAR ................................................................. 69
FIGURA 5‐21: CURVAS DE DECAIMIENTO ANALIZADAS ................................................................................................... 70
FIGURA 5‐22: CURVAS DE DECAIMIENTO Y MRC. ANÁLISIS ANUAL. ............................................................................... 74
FIGURA 5‐23: MRC. COMPARACIÓN BOSQUE ‐ PRADERAS ............................................................................................. 76
FIGURA 5‐25: MRC. COMPARACIÓN BOSQUE RENOVAL CON MANEJO (RCM) – SIN MANEJO (RSM). ........................... 78
FIGURA 5‐26: MRC. COMPARACIÓN BOSQUE RENOVAL CON MANEJO (RCM) – SIN MANEJO (RSM). ........................... 79
FIGURA 5‐27: ANÁLISIS ESTACIONAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ........................................................................... 81
FIGURA 5‐28: ANÁLISIS ESTACIONAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ........................................................................... 82
FIGURA 5‐29: ANÁLISIS ESTACIONAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ........................................................................... 83
FIGURA 5‐30: ANÁLISIS ESTACIONAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ........................................................................... 83
FIGURA 5‐31: ANÁLISIS MENSUAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ............................................................................... 84
FIGURA 5‐32: ANÁLISIS MENSUAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ............................................................................... 85
FIGURA 5‐33: ANÁLISIS MENSUAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ............................................................................... 86
FIGURA 5‐34: ANÁLISIS ESTACIONAL COMPONENTES HIDROGRAMA. ........................................................................... 87
FIGURA 5‐35: CORRELACIONES QT VS PP ........................................................................................................................ 88
FIGURA 5‐36: CORRELACIONES QB VS PP ........................................................................................................................ 88
FIGURA 5‐37: CORRELACIONES QD VS PP ........................................................................................................................ 89
FIGURA 5‐38: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA. 85% NIVEL DE CONFIANZA. .................................................................. 89
FIGURA 5‐39: COMPONENTES HIDROGRAMA EN EVENTOS DE TORMENTA. 85% NIVEL DE CONFIANZA. ..................... 90
CAPÍTULO 6 FIGURA 6‐1: CUADRO RESUMEN RESULTADOS ............................................................................................................... 93
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1 I N T R O D U C C I Ó N
Los estudios de efectos del cambio de uso del suelo en el ciclo hidrológico han ido adquiriendo mayor
importancia gracias a la creciente valoración de la disponibilidad del recurso hídrico, que se ha visto
afectada, entre otros factores, por la degradación de los recursos forestales (Lara et al., 2009). Estos
estudios están enfocados en desarrollar herramientas que permitan predecir cambios en los regímenes
hídricos, en función de cambios en la cobertura de suelo de la cuenca, de manera de contribuir con la
evaluación de impactos de proyectos de esta índole. Hasta ahora, los estudios disponibles se han
desarrollado principalmente en bosques de plantaciones exóticas, que corresponden al tipo de bosque
utilizado en los sectores productivos forestales, y han demostrado que la reducción en la cubierta de
bosques genera alteraciones al ciclo hidrológico, redistribución de las precipitaciones y un aumento de la
escorrentía superficial y en los procesos erosivos, ya que la vegetación actúa como un factor interceptor y
regulador de dichos procesos (Bosch y Hewlett, 1982).
En Chile, en las últimas décadas, se han desarrollado estudios que combinan y comparan los efectos que
provocan los cambios de cobertura de bosque nativo, de plantaciones exóticas y de cubiertas mixtas, en la
generación de escorrentía, redistribución de precipitaciones y propiedades del suelo, entre otros
(Schlatter, 1977; Huber, 1983; Ellies et al., 1993; Schlatter y Otero, 1995; Oyarzún y Huber, 1999; Iroumé y
Huber, 2002; Lara et al., 2005; Neira, 2005; Echeverría et al., 2007; Lara et al., 2009).
En los últimos 30 años, Chile ha experimentado un aumento significativo en cambios de uso de suelos, con
el reemplazo de bosques nativos a plantaciones forestales de especies exóticas, a cultivos agrícolas o a
praderas. Estos bosques nativos son en su mayoría de propiedad privada y han sido utilizados
principalmente para producción maderera, generalmente con técnicas de raleo no sostenibles (72% del
total, Lara et al., 2009). La degradación de estos bosques han tenido como consecuencia importantes
pérdidas de servicios ecosistémicos, tales como la disponibilidad y calidad del agua, el turismo, la pesca
recreacional y la conservación de la biodiversidad (Lara et al., 2003). Es por eso que se hace indispensable
contar con estudios que aporten con herramientas para establecer relaciones, y entender la dinámica,
entre la cobertura de bosque nativo y generación de escorrentía.
Esta tesis en particular, se enmarca dentro de las investigaciones del núcleo científico milenio FORECOS de
la Universidad Austral de Chile, y desarrolla un estudio de la relación que tienen bosques nativos de
diferentes características, en los procesos de generación de escorrentía. Las cuencas en estudio poseen
cubiertas de bosques nativos con distinto grado de intervención (con manejo silvícola y sin manejo, con
extracción maderera sin criterio silvícola y de bosque prístino) y de edades diferentes (renovales y
adultos). Además, se comparan los resultados de estas cuencas de bosque, con una cuenca aledaña con
cubierta de praderas. Al establecer las relaciones entre estas distintas coberturas y los procesos de
generación de escorrentía se pretende determinar si es posible compatibilizar la intervención del bosque
nativo para producción maderera con la generación hídrica de las cuencas afectadas, y ver cómo influye en
tipo de intervención y la edad del bosque.
8
Para este propósito, se toma como supuesto que la escorrentía es principalmente función del clima y de
las características de la vegetación, y se considera la precipitación como variable representativa del clima.
Las características físicas de las cuencas a estudiar, tales como las propiedades del suelo y la topografía son
similares y se suponen constantes en el tiempo, por lo que su impacto sobre la generación de escorrentía
se considera uniforme a lo largo del análisis. A partir de esto se desarrolla un estudio hidrológico
comparativo de los registros de caudal y precipitación de las distintas cuencas, a escalas anuales,
estacionales, mensuales, en períodos de recesión y a frente de eventos de tormenta. Para lo cual se
implementan técnicas de análisis que involucran un estudio en detalle de los procesos de almacenamiento
de las cuencas y de los procesos de respuesta rápida frente a eventos de precipitación.
La estructura de este informe consiste en 8 capítulos: el capítulo 2 comprende una revisión bibliográfica de
los conceptos hidrológicos y forestales básicos que se analizan en esta investigación, así como una revisión
de estudios similares; el capítulo 3 describe el área de estudio en términos del clima, características
topográficas y cobertura; el capítulo 4 presenta un detalle de la metodología implementada; en el capítulo
5 se detallan los resultados de las técnicas de análisis descritas en el capítulo 4 y se comparan los
resultados en términos de las coberturas de cada cuenca; en el capítulo 6 se discuten los principales
resultados obtenidos en el capítulo 5; en el capítulo 7 se mencionan las conclusiones obtenidas a partir de
la investigación; el capítulo 8 corresponde a un listado de la bibliografía utilizada durante la investigación.
1 . 1 C O N T R I B U C I O N E S
La principal contribución de esta investigación es el desarrollo de una metodología para analizar distintos
procesos hidrológicos de una cuenca y relacionarlos con su cobertura de bosque nativo. De esta manera se
asocian condiciones hídricas a los distintos tipos de bosque nativo (renoval, adulto, intervenido, prístino),
tales como capacidad de almacenamiento, generación de escorrentía, efectos de la intercepción y
evapotranspiración, etc. Además, se generan avances en el entendimiento de cómo se traslada el agua a
través del manto poroso del suelo en cuencas de cubierta boscosa de montañas.
Una vez que se establecen relaciones y características para los tipos de bosque nativo y su grado de
intervención, se cuenta con nuevas herramientas que apoyan los estudios asociados a la evaluación de los
impactos en el recurso hídrico que tienen los cambios de cobertura de bosque nativo a plantaciones
exóticas, a la potencialidad de un manejo sustentable del bosque nativo para producción combinada de
madera y agua, a la conservación del bosque nativo, entre otros.
1 . 2 O B J E T I V O S
1 . 2 . 1 OB J E T I V O G E N E R A L
El objetivo general de esta investigación es establecer relaciones cuantitativas entre las características del
bosque nativo de una cuenca y la generación y composición de escorrentía de ésta.
9
1 . 2 . 2 OB J E T I V O S E S P E C Í F I C O S
1. Revisar el estado del arte en técnicas de análisis para el estudio de efectos de cambios de
cobertura vegetal en la generación de escorrentía.
2. Implementar una metodología de análisis de distintos procesos hidrológicos dentro de una cuenca.
3. Desarrollar cada una de las técnicas de análisis de procesos hidrológicos, implementando
programas computacionales en caso de ser necesario.
4. Establecer relaciones entre resultados del estudio hidrológico y las coberturas de las cuencas.
5. Hacer comparaciones cualitativas y cuantitativas entre cuencas de distintas cobertura boscosa.
10
2 R E V I S I Ó N B I B L I O G R Á F I C A
En el presente capítulo se revisan los principales temas a tratar en esta tesis, estableciendo el estado del
arte de los avances que existen en el mundo científico, asociados a esta investigación. También se hace
una revisión de los conceptos básicos a manejar para la comprensión de los procedimientos propuestos en
este trabajo, y de los resultados obtenidos.
2 . 1 G E N E R A C I Ó N D E E S C O R R E N T Í A
El término generación de de escorrentía corresponde al resultado de una serie de interacciones entre la
cobertura vegetal, el suelo y el agua que entra a un sistema a través de la precipitación líquida o sólida, y
se constituye básicamente de procesos de intercepción, infiltración, percolación, evapotranspiración y
escorrentía (Espíldora et al., 1975). Un esquema estos procesos se muestra en la Figura 2‐1.
Figura 2‐1: Esquema ciclo hidrológico (IARNA, 2009)
La escorrentía está constituida por cuatro componentes: escorrentía superficial, que corresponde a la
cantidad de precipitación que avanza a través del suelo hacía el cauce, sin infiltrarse en ningún momento;
la escorrentía subsuperficial o flujo Intermedio, que se define generalmente como el movimiento de aguas
que viajan a través de las capas superiores de suelo hacia el cauce en un determinado intervalo de tiempo;
la escorrentía subterránea, que corresponde a la descarga lenta por parte de almacenamientos de
acuíferos en la cuenca, y está sujeto también a factores tales como conexiones con lagos o humedales,
nieve, glaciares o almacenamientos temporales en las laderas de los cauces debido a eventos de tormenta
o crecidas; y la precipitación directa sobre los cauces (ver Figura 2‐2) (Ward y Trimble, 1995):
11
Figura 2‐2: Esquema componentes escorrentía (Elaboración propia)
2 . 2 MO D E L O C O N C E P T U A L D E G E N E R A C I Ó N D E E S C O R R E N T Í A
El estudio de los procesos hidrológicos asociados a la generación de escorrentía ha llevado a desarrollar
modelos conceptuales que proponen interacciones entre las distintas componentes de una cuenca. Entre
los modelos desarrollados se reconocen dos tendencias principales, que se basan en el modelo de Horton y
en el modelo de área variable.
2 . 2 . 1 MOD E L O D E HO R TON
El primer modelo, desarrollado por el ingeniero hidrólogo Robert Horton en la década de 1930, propone
que la escorrentía superficial se produce una vez que la intensidad de lluvia excede la capacidad de
infiltración del suelo. Así, la principal componente de una crecida sería la escorrentía superficial, y la curva
ascendente de un hidrograma se explicaría básicamente porque el suelo ha llegado a un nivel tal de
saturación que ha perdido la capacidad de infiltración y la precipitación por tanto escurre
superficialmente. Este concepto es aplicable a superficies impermeables en áreas urbanas y a superficies
naturales con capas delgadas de suelo y con baja capacidad de infiltración como ocurre en tierras áridas y
semiáridas (Chow et al., 1994).
2 . 2 . 2 MOD E L O D E Á R E A V A R I A B L E
Posteriormente, en la década de 1960, el ingeniero especializado en hidrología forestal John Hewlett llega
a la conclusión de que las tasas de infiltración son generalmente mayores a la mayoría de las tasas de
precipitación. A partir de esto propone que la precipitación infiltra a través del suelo, recargando al
almacenamiento de agua de éste, y se mueve a través del manto de suelo hacia el río en forma de flujo
subsuperficial. De esta manera, la escorrentía total sobre el cauce correspondería a escorrentía
subsuperficial, hasta que se evidencie la presencia de escorrentía superficial sobre las laderas (Ward y
Trimble, 1995).
Escorrentía
superficial Escorrentía
subsuperficial
Flujo
subterráneo
Infiltración
Percolación
Precipitación
directa
12
Hewlett estudia cuencas cubiertas de bosques, en zonas montañosas y húmedas, de área pequeña (hasta
5000 ha), en dónde el lecho de materia orgánica protege el suelo mineral, manteniendo altos niveles de
permeabilidad superficial (Hewlett y Hibbert, 1965).
Resumiendo, esta teoría plantea que frente a un evento de precipitación, la cuenca contribuye en la
escorrentía asociada a dicha tormenta, no a través de la totalidad de su superficie sino que a través de un
área dinámica. Esta área normalmente representa un pequeño porcentaje del área total de la cuenca y
varía en función de los aportes directos del flujo subsuperficial. Las partes bajas de una cuenca por lo
tanto, que normalmente exhiben niveles de humedad mayores a las partes altas, contribuirían a la
escorrentía más tempranamente durante una tormenta.
A continuación se detallan los procesos que involucra el modelo (Hewlett y Hibbert, 1965):
‐ Una unidad de precipitación cae sobre una unidad de área de la cuenca.
‐ Sobre esa unidad de área se produce una escorrentía subsuperficial, que es una fracción de la
escorrentía directa total de la salida del cauce principal.
‐ Cercano a los límites de la cuenca, si el suelo no está casi saturado a lo largo de toda la cuenca, la
fracción de aporte subsuperficial producido por una unidad de precipitación disminuirá, ya que el
agua viajará más lento a medida que el suelo esté más seco.
‐ El área aportante de la cuenca entonces crece o disminuye dependiendo de la cantidad de
precipitación y de la humedad antecedente.
‐ Las áreas cercanas a los límites de la cuenca retendrán la precipitación, de manera que el aporte a
la escorrentía directa será casi imperceptible, pero será el abastecimiento de la humedad del suelo
para mantener el flujo base o la evapotranspiración de las semanas siguientes.
‐ Si la lluvia continúa, una mayor proporción del área total de la cuenca será aportante de la
escorrentía directa.
‐ Esta expansión del área aportante puede derivar en la generación de cauces intermitentes, que se
producirían por la superación de la capacidad de transmisión del suelo. Podría decirse que la
aparición de estos cauces intermitentes es producto de escorrentía superficial, pero la mayoría, o
toda el agua podría estar entrando a estos cauces de manera subsuperficial.
El flujo subsuperficial sería entonces el factor principal de la escorrentía directa en las zonas cercanas al
cauce, y para las zonas altas se manifestaría como un pulso de humedad de suelo que va migrando
lentamente hacia el cauce. Con esto se explica el hecho de que tierras cubiertas de bosques puedan
producir grandes volúmenes de agua en una tormenta, sin una escorrentía superficial que sea
considerable. Y la escorrentía superficial que pueda observar, podría ser vista como una extensión del
sistema de canales de la cuenca, en zonas en que el suelo ya no puede transmitir más como flujo
subsuperficial.
El suelo de cuencas cubiertas de bosques generalmente contiene raíces entrelazadas, madrigueras de
animales, hoyos de gusanos, etc., lo que forma una red de canales interconectados, (macroporos) el cual
facilita el flujo rápido de agua. El agua también percola verticalmente a través de este medio y se topa con
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una capa de suelo más impermeable, generando un flujo lateral. De esta manera, se divide el flujo
subsuperficial en dos dominios: el flujo a través de macroporos interconectados y a través de la matriz de
suelo o microporos.
El tiempo de respuesta del flujo a través de estos dos dominios es diferente: el flujo a través de los
macroporos responde relativamente rápido a la precipitación, produciendo ascensos de consideración en
la escorrentía del cauce, pareciéndose a la respuesta que podría tener la escorrentía superficial en otros
tipos de suelo. En cambio, la respuesta del flujo a través de los microporos es más lenta y no siempre
alcanza a contribuir directamente a la escorrentía del mismo evento de tormenta. Esta respuesta lenta es
la que provee de humedad al suelo, generando el flujo base.
Un esquema de los procesos descritos, se muestra en la Figura 2‐3.
Figura 2‐3: Esquema modelo de área variable. Corte longitudinal. (Elaboración propia)
El concepto de área variable entonces, es una forma de interpretación del coeficiente de escorrentía, que
corresponde a la relación entre la escorrentía y la precipitación en un período de tiempo dado. Este
concepto tiene una base física más consistente que la hipótesis de que toda la cuenca contribuye a la
generación de escorrentía de una manera uniforme.
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Dickinson y Whiteley (1970), proponen que el área mínima que contribuye a la escorrentía en un evento
de tormenta será la dada por el cuociente entre el volumen total de escorrentía directa producido y la
precipitación efectiva total caída durante el evento, tal como muestra la Ecuación 2‐1.
Ecuación 2‐1
Donde:
R: Mínima área que, contribuyendo un 100% de la precipitación efectiva, produce la escorrentía
directa de la tormenta.
V: Volumen de escorrentía directa.
P: Precipitación efectiva total.
C: Coeficiente adimensional que determina las unidades de R.
El porcentaje que R constituya del área total de la cuenca corresponde al denominado coeficiente de
escorrentía directa, que relaciona la escorrentía directa con la precipitación efectiva de una tormenta. Un
coeficiente igual a 1 para un evento de tormenta, dará cuenta de que la cuenca completa estaría
aportando a la escorrentía directa sobre el cauce.
Otro término ampliamente descrito en la literatura, que se refiere a un área completa de la cuenca
aportando a la escorrentía, es el denominado tiempo de concentración. Este término se define como el
tiempo para el cual toda la cuenca empieza a contribuir con la escorrentía, y correspondería al tiempo de
flujo desde el punto más alejado hasta la salida de la cuenca. Según esta definición, la escorrentía
alcanzaría un máximo en el tiempo de concentración (Chowet al., 1994).
El concepto de un tiempo de concentración asociado a una cuenca concuerda con el modelo de área
variable, ya que contempla una variación del área aportante en función del tiempo. Sin embargo, al
considerar que un aporte fundamental de la escorrentía es el flujo subsuperficial, el cálculo de este
término se vuelve complejo. Las técnicas empíricas de cálculo del tiempo de concentración, en su mayoría
consideran factores de longitud del cauce, pendiente del cauce y del terreno, y características de la
cobertura vegetal, lo que podría ser insuficiente para representar la dinámica de la cuenca, en términos de
los procesos de generación y tránsito de la escorrentía subsuperficial (Chow et al., 1994).
Una vez que se adopta un modelo conceptual que se adapta a las características de la cuenca que se está
estudiando, es posible abordar de mejor manera el análisis y la modelación de los procesos hidrológicos de
ésta.
15
2 . 3 E S T U D I O Y MOD E L A C I Ó N D E U N H I D R O G R AM A
El hidrograma corresponde a un gráfico de la escorrentía total medida en una sección dentro un cauce, en
función del tiempo. Éste representa una expresión integral de las características fisiográficas y climáticas
que rigen las relaciones entre precipitación y escorrentía de una cuenca, y pueden estudiarse a nivel anual,
estacional o para eventos de tormentas (Chow et al., 1994).
Un parámetro altamente estudiado, característico de un hidrograma y que entrega importante
información acerca de los procesos hidrológicos de una cuenca, es el coeficiente de escorrentía. Este
coeficiente se obtiene comúnmente para escorrentía y precipitaciones de una tormenta, pero también
puede utilizarse para información de precipitación y caudales mensuales o anuales (Chow et al., 1994).
2 . 3 . 1 H I D ROG R AMA S ANUA L E S Y E S T A C I O N A L E S
El estudio de un hidrograma anual o estacional entrega información del balance hídrico de una cuenca y de
su régimen hidrológico (Chow et al., 1994). Otra herramienta comúnmente utilizada para el estudio del
régimen hidrológico de una cuenca es la curva de duración, que corresponde a una distribución de
frecuencia acumulada que indica el porcentaje del tiempo durante el cual los caudales han sido igualados o
excedidos. Este tipo de curvas permite combinar en una sola figura las características fluviométricas de un
cauce en todo su rango de caudales, independientemente de su secuencia de ocurrencia en el tiempo. La
curva de duración también aporta información acerca de la componente de flujo base del escurrimiento
de un cauce (Brodie y Hostetler, 2005).
2 . 3 . 2 H I D ROG R AMA S D E T O RM EN T A
El estudio de un hidrograma correspondiente a un evento de tormenta entrega información de la
naturaleza del sistema y de los procesos que generan la escorrentía en una cuenca: atmósfera, geología,
geomorfología, suelos, vegetación, actividades antrópicas, etc. Así, el estudio de los hidrogramas se
convierte en una herramienta importante para la comprensión de los procesos hidrológicos de una cuenca
(Maidment, 1993).
Al igual que la escorrentía total, un hidrograma tiene asociado componentes de precipitación directa sobre
el cauce, escorrentía superficial, flujo subsuperficial (rápido y lento) y flujo base. Se hace la distinción de
flujo subsuperficial rápido y lento ya que, como se vio en el capítulo 2.2.2, el suelo bajo cubierta de
bosque, forma una capa de raíces entrelazadas, madrigueras de animales, hoyos de gusanos, etc.
(macroporos) en donde el flujo avanza más rápido.
Para facilitar el estudio y modelación de los hidrogramas, la escorrentía total se divide en dos
componentes: la escorrentía directa y el flujo base. La escorrentía directa corresponde a la precipitación
directa sobre el cauce, a la escorrentía superficial y subsuperficial rápida, y se asocia a la escorrentía
producida por la precipitación durante el mismo evento de tormenta. El flujo base corresponde al flujo
subterráneo y a la escorrentía subsuperficial lenta, que tiene asociado aportes por parte de
almacenamientos previos al evento. Estas componentes se esquematizan en las Figura 2‐4 y 2‐5.
16
Figura 2‐4: Componentes de un hidrograma
Figura 2‐5: Esquema hidrograma (Musy, 1998)
La curva que da forma a un hidrograma se define como la composición de tres curvas: curva de
concentración, de recesión y de agotamiento (Figura 2‐5). Estas curvas se definen a continuación:
‐ Curva de concentración: corresponde a la curva creciente de un hidrograma. Esta curva es el
resultado de la liberación gradual de agua por parte de los distintos elementos de
almacenamiento. Y se debe a los distintos niveles de saturación que van experimentando los
elementos de suelo, cuando se someten a eventos de precipitación. Las características de esta
curva (tamaño, forma, pendiente) están influenciadas principalmente por la naturaleza de la
precipitación (intensidad y duración), por la variación de las capacidades de infiltración y
características de los elementos de almacenamiento de la cuenca (Jain y Srinivasulu, 2005).
Pp directa sobre el cauce
Flujo subterráneo
Escorrentía
subsuperficial rápida
Escorrentía superficial
Escorrentía
Total
Escorrentía
Directa
Flujo
Base
Escorrentía
subsuperficial lenta
Curva de recesión
Flujo subsuperficial
Curva de agotamiento
Flujo base
Curva de
concentración
EscorrentíaPrecipitación efectiva
Tiempo
Caudal
Precipitación
17
‐ Curva de recesión: corresponde al segmento del hidrograma donde la escorrentía directa
disminuye hasta que el flujo base se hace predominante. Se asocia al decaimiento de la escorrentía
superficial y de flujos subsuperficiales rápidos. Una vez que la escorrentía total coincide con la
componente de flujo base, la curva se denomina curva de agotamiento (Brodie y Hostetler, 2005).
‐ Curva de agotamiento: corresponde a la curva que comienza una vez que la escorrentía total
coincide con la componente de flujo base y dura hasta que el hidrograma comienza nuevamente a
aumentar debido a algún evento de precipitación. La forma de esta curva se puede asociar con el
proceso de liberación de agua por parte de los almacenamientos naturales característicos de una
cuenca, típicamente aportes de flujo subterráneo (Brodie y Hostetler, 2005). En el contexto de
cuencas pequeñas de montaña, con cubierta de bosque, esta curva estará representando la
liberación de escorrentía subsuperficial lenta.
Dada la interpretación física que hay detrás de cada una de las curvas descritas, es posible modelarlas a
partir de suposiciones del comportamiento de los sistemas de almacenamiento de la cuenca. De las tres
curvas asociadas a un hidrograma, generalmente se modela la curva de agotamiento. El estudio y
modelación de esta curva tiene diversas aplicaciones, entre las cuales se destacan: determinar las
componentes de flujo base y escorrentía directa de un hidrograma, evaluar las propiedades de un acuífero,
estimar la recarga y descarga del acuífero, aportar con antecedentes para modelos de precipitación –
escorrentía, análisis de hidrogramas, etc. (Brodie y Hostetler, 2005).
Existen diferentes técnicas para esta modelación, que dependen de los supuestos que se tomen sobre el
comportamiento de los almacenamientos de la cuenca, entre las más utilizadas se encuentran la
simulación del almacenamiento como embalse lineal y como embalse no lineal.
2 . 4 S E P A R A C I Ó N C OM P O N E N T E S D E U N H I D R O G R AM A
La separación de hidrogramas consiste en la identificación de la componente de flujo base, a partir de la
serie de caudales totales. Esta separación permite la identificación de las componentes de escorrentía que
provienen de distintas fuentes en el sistema estudiado, y que tienen una respuesta desfasada y suavizada
frente a un mismo evento de precipitación (Eckhardt, 2005).
Tal como se explica en el capítulo 2.3, el conocimiento de las distintas componentes de un hidrograma
entrega información importante sobre los procesos que rigen la generación de escorrentía en una cuenca.
La separación y estudio de la componente de flujo base es necesaria para entender la variabilidad espacial
y temporal de los procesos de escorrentía, y para tener herramientas para la toma de decisiones sobre el
manejo de la cantidad y calidad del agua en la misma. (Furey y Gupta, 2001).
El análisis de esta componente constituye una gran herramienta para entender la dinámica de los aportes
del escurrimiento subterráneo hacia el cauce. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el supuesto
de que el flujo base es igual a la descarga de aguas subterráneas no siempre es válida, ya que esta
componente está influenciada también por las pérdidas de agua por efectos de evaporación, transpiración
18
de la vegetación, uso y manejo de la cuenca, etc. Además, dependiendo de la técnica que se utilice para su
identificación, tendrá asociado también una componente de flujos subsuperficiales (Brodie y Hostetler,
2005). El flujo base está asociado a caudales en épocas secas, por lo que su estudio es de gran interés,
especialmente en zonas en que la disponibilidad hídrica en épocas estivales es crítica.
Existen variadas técnicas para separar el aporte del flujo base a la escorrentía total. Estas técnicas se
pueden agrupar en cuatro grandes grupos: geoquímicas, gráficas, filtros y analíticas. Los últimos tres
grupos en general, sólo requieren de estadística hidrológica (Furey y Gupta, 2001).
• Técnicas Geoquímicas
Estas técnicas consisten en la medición de la concentración de trazadores hidrológicos (isótopos
estables, colorantes, sales, etc.) de aguas de lluvia y de aguas previo al evento de lluvia, medidas
desde el cauce. A partir de estas mediciones y de la calibración de modelos que combinan una
deconvolución de los isótopos de entrada asociados a la precipitación con una función de
ponderación (asociada al sistema de respuesta de la cuenca), se estiman tiempos de salida de los
isotopos. Una vez que se calibra el modelo, es posible determinar tiempos de respuesta (o tiempos
de residencia o edad del agua) que se pueden asociar con las distintas componentes del
hidrograma y de esta manera, establecer cómo el agua se mueve a través de la cuenca. La
componente del hidrograma asociada al evento de tormenta (escorrentía directa) estará
representada por la composición isotópica de precipitación y escorrentía superficial, y la
componente asociada a agua pre existente estará representada por la composición isotópica del
agua del cauce previo al evento (T. Vitvar, 2005).
• Técnicas Gráficas
Las técnicas gráficas se basan en la identificación de los puntos en los que la escorrentía directa
empieza y termina (Furey y Gupta, 2001). El punto de partida se identifica como el instante en que
el flujo comienza a aumentar, mientras que el punto de término usualmente se toma como el
instante en que un gráfico del logaritmo del caudal total en función del tiempo se transforma en
una línea recta, es decir, suponiendo un comportamiento lineal del almacenamiento de la cuenca.
Una vez identificados el comienzo y el final del evento, son aplicables una variedad de reglas de
extrapolación gráfica para definir el flujo base entre estos dos puntos. Para el resto de la serie, se
supone que el flujo base coincide con el caudal total registrado. Estas técnicas se aplican a eventos
de tormenta individuales (Chapman, 1999).
• Técnicas analíticas
La técnica analítica más utilizada para separar flujo base se resume en el trabajo de Birtles (1978).
La aproximación analítica que se hace está basada en procesos físicos, y considera el flujo base de
una cuenca como la sumatoria de flujos bases de distintas áreas de la cuenca. Para cada
discretización de la cuenca, el flujo base se calcula a partir de ecuaciones de balance hídrico que
incluyen un término forzante de infiltración. A partir de este término de infiltración se define la
recarga de agua subterránea en función de una serie de parámetros. Luego, se ajusta una curva
para calibrar dicha ecuación con el registro de caudal, de manera de optimizar la simulación del
19
flujo base. La ventaja de este método es que está basado en procesos físicos, tanto para los
períodos de recesión como para eventos de tormenta, la desventaja es que involucra una gran
cantidad de parámetros (Furey y Gupta, 2001).
• Técnicas de filtro
En el espectro de frecuencias de un hidrograma, las mayores longitudes de onda estarán asociadas
al flujo base, y las cortas a la componente de escorrentía directa. A partir de esta observación se
crean los filtros de paso bajo, que suavizan el hidrograma. Una característica de la mayoría de los
filtros es que no tienen una base física detrás de ellos, pero establecen un algoritmo objetivo,
repetible y fácilmente automatizable, que puede ser relacionado con la respuesta del flujo base de
una cuenca.
A continuación se resumen algunas de las técnicas que se basan en procesar o filtrar la serie
continua de caudales (Brodie y Hostetler, 2005):
1. Smoothed minima technique: usa un mínimo de 5 días en que no hayan registros de crecida en el
hidrograma. El hidrograma de flujo base se genera conectando los subconjuntos de puntos
seleccionados con el criterio del mínimo. El programa de separación de hidrogramas HYSEP (USGS)
usa una variante de esta técnica llamada local‐minimun method.
2. Método del intervalo fijo: discretiza el hidrograma en intervalos incrementales de tiempo fijo. La
magnitud del intervalo fijo usado se calcula como el doble de la duración de la escorrentía directa,
calculada empíricamente como D = 0.827 A0.2 (D en días, A en km2, Linsley et al., 1958). El menor
valor de escorrentía registrado en un intervalo, se atribuye a la componente de flujo base de dicho
intervalo (Pettyjohn y Henning, 1979).
3. Método del intervalo móvil: asigna un valor de flujo base diario basado en el menor registro diario
entre un intervalo fijo de tiempo antes y después de ese día en particular (Pettyjohn y Henning,
1979).
4. Filtros digitales recursivos: rutinas que remueven las señales de alta frecuencia del hidrograma
asociadas a escorrentía directa para quedarse con las señales de baja frecuencia asociadas al flujo
base. Estos filtros son simples y robustos, pero los resultados son muy sensibles a los parámetros
que utilicen, los cuales necesitan calibración.
5. Streamflow partitioning method: usa registros diarios de precipitación y escorrentía. El flujo base
se iguala a la escorrentía medida de un día dado, si la precipitación en ese día y en un set dado de
días previos, es menor a un umbral definido de precipitación. La separación de la componente de
escorrentía directa se obtiene por interpolación lineal durante los eventos de alta precipitación
(Shirmohammadi et al., 1984).
20
2 . 5 E L B O S Q U E
Los bosques constituyen un ecosistema dominado por árboles que incluye a las comunidades vegetales y
animales, y suelos. Están influidos por el clima, la geología y la geomorfología. Cada bosque en un área
determinada es el resultado de una cadena de cambios climáticos, geológicos, desarrollo de suelos y
muchos otros factores y procesos ambientales que dan forma al paisaje y determinan las especies que lo
componen: tipo, número y tamaño de los árboles (Pacheco, 2001).
Desde tiempos prehistóricos, los bosques han jugado un rol esencial en la supervivencia, desarrollo y
crecimiento de la sociedad humana, constituyendo una fuente básica de materia prima, generación de
oxígeno, reducción y almacenamiento de dióxido de carbono. Debido a esto se ha desarrollado una gran
preocupación e interés en estudiar la ecología y dinámica de los bosques, de manera de poder planificar su
manejo de manera sostenible (Chang, 2005).
Un bosque se puede caracterizar según las especies que lo constituyen, a su vez, esta especie o árbol, se
caracteriza principalmente por su copa o dosel, tronco y sistema de raíces. La copa de los árboles está
compuesta de hojas, flores y frutos que se sujetan a través de ramas. En presencia de luz, estas hojas
convierten la energía solar en energía de enlaces químicos (carbohidratos) y liberan oxígeno, a partir del
consumo de dióxido de carbono del aire y agua del suelo. Este proceso se denomina fotosíntesis, y es
fundamental en materia biológica ya que provee el alimento de las plantas. En materia ambiental, provee
a los árboles la característica de actuar de sumideros de carbono, principal componente que afecta el
proceso de calentamiento global. El agua que se consume en este proceso, proviene del sistema de raíces
y se transmite a través del tronco, sin embargo, una gran fracción de esta agua es transpirada al aire a
través de las estomas, que son poros localizados en las hojas (Buell, 1949).
Las características del sistema de raíces influyen directamente en las propiedades del suelo, en los
procesos hidrológicos y en la estabilidad de las laderas. Las raíces crecen y mueren todos los años,
volviéndose parte importante de la materia orgánica del suelo. Proveen un ambiente físico adecuado para
una amplia variedad de plantas y organismos (Buell, 1949).
La gran presencia de microorganismos promueve la descomposición de materia orgánica y materia
inorgánica del suelo, con lo que se mejora las condiciones químicas y físicas de éste: aumenta la porosidad
del suelo, la capacidad de infiltración, la capacidad de retención de agua, y la transpiración de las plantas
(Chang, 2005).
2 . 5 . 1 P A R ÁM E T R O S DA SOM É T R I C O S D E L O S BO S QU E S
La dasomentría corresponde a la ciencia que se ocupa de la determinación de volúmenes y crecimientos
de los árboles y de las masas forestales, así como del estudio de las relaciones métricas y leyes que rigen
su desarrollo (Dieguez et al., 2003).
Los parámetros dasométricos asociados a un bosque se miden para una muestra representativa de árboles
y son dinámicos en el tiempo, aunque para el período de tiempo analizado en este estudio se pueden
21
considerar constantes. Para el caso de las cuencas en estudio, se tiene información de los siguientes
parámetros:
• Densidad del bosque: estimada como el número de árboles por unidad de superficie
• Área basal del bosque: superficie de la sección transversal del árbol, medida a 1.30 m de altura. Este
parámetro se relaciona con el volumen de los árboles de la muestra, con su biomasa y las
características de su copa. Y se calcula como la sumatoria de las secciones transversales de cada árbol
de la muestra:
Donde di = diámetro árbol i, medido a 1.30 m de altura
• Diámetro medio de los árboles: medido a 1.30 m de altura. El diámetro medio de un bosque se mide
generalmente como un promedio cuadrático medio de los diámetros de los árboles de la muestra. Este
diámetro tiene una fuerte correlación con el volumen de la muestra (Brack, 1999):
2 . 5 . 2 E L BO S QU E NA T I V O
Los bosques nativos de Chile abarcan desde formaciones arbóreas de ambientes semiáridos en el norte,
hasta los bosques húmedos templados lluviosos del extremo sur. Poseen más de 120 especies de árboles,
lo que hace a estos bosques uno de los más diversos del planeta (Pacheco, 2001).
El 78% del total de bosques nativos se presenta entre la VII y la XI Región. Estos bosques, en conjunto con
áreas adyacentes de Argentina, han sido clasificados dentro de la Eco‐región de los bosques valdivianos
lluviosos por la Iniciativa Global 200, emprendida por el Banco Mundial y el Fondo Mundial para la
Naturaleza. Más de un 30% de los géneros de árboles y arbustos del país vive exclusivamente en esta Eco‐
región. Estos ecosistemas incluyen además, diez especies leñosas en peligro de extinción y varias especies
de aves y mamíferos en categorías de conservación (Armesto et al., 1998).
Estos bosques autóctonos de Chile han sido explotados para producción de madera y leña durante más de
dos siglos, y han sido reemplazados de manera progresiva por otros usos de suelos, principalmente por la
habilitación de praderas, como terrenos para agricultura, ganadería, y plantaciones forestales exóticas
(pino radiata y eucaliptus en su mayoría) (Lara et al., 2003). Estas plantaciones forestales en general tienen
asociado un crecimiento más rápido que le bosque nativo, lo que permite una producción maderera más
eficiente, mayores tasas de evapotranspiración y sistemas más profundos de raíces, que les permite llegar
a reservas de agua más profundas (Pacheco, 2001).
á 4 Ecuación 2‐2
á á ∑
Ecuación 2‐3
22
Hoy en día los bosques nativos participan en una baja proporción dentro del sector forestal (20% de la
producción forestal nacional y 10% de las exportaciones). Sin embargo, sus posibilidades de desarrollo son
muy importantes, tanto por el valor que presentan sus maderas, que superan en cinco o más veces a las de
plantaciones forestales, como por el crecimiento que es posible obtener con un manejo adecuado y
sustentable. Este crecimiento, para algunas especies, puede alcanzar cifras similares a las de pino radiata
(Pacheco, 2001).
En términos de intercepción de la precipitación por parte del follaje de los árboles, se han registrado
diferencias importantes en el caso de bosques nativos y plantaciones exóticas. En el trabajo de Oyarzún y
Huber (1999) se estima una intercepción promedio anual de 4.4% y 3.8% para plantaciones jóvenes (0 a 5
años de edad) de pino radiata y eucalipto respectivamente, estos valores se contrastan con mediciones de
un 15.3% para plantaciones de pino radiata de 30 años de edad. Además, estimaciones de
evapotranspiración anual aumentaron de un 30% a un 58% en los primeros tres años de reforestación de
estas plantaciones forestales jóvenes. Esto da cuenta de que el consumo de agua y la intercepción de una
plantación forestal aumentan con su crecimiento. Iroume y Huber (2002) estiman que un bosque nativo
mixto de Coigüe, Raulí y Tepa de 80 años intercepta un 14% de la precipitación total durante 2 años de
mediciones, versus un 22% para una plantación de Pino Oregón de 27 años. Este estudio también
establece que a medida que aumenta la edad de un bosque nativo, su intercepción disminuye, y que en el
caso de plantaciones ocurre lo contrario. Rowe y Pearce (1999) reportan que el reemplazo de bosque
nativo por plantaciones de Pino en una cuenca en estudio en Nueva Zelanda causó un incremento de la
intercepción y de la transpiración, de un 15% y 30% respectivamente.
Estos resultados indican que la intercepción y evapotranspiración asociadas a plantaciones forestales sería
mayor que las asociadas a bosques nativos, especialmente en épocas secas, en donde los niveles de
evapotranspiración aumentan y las bajas precipitaciones conllevan a intercepciones porcentuales mayores.
Además, indican que el crecimiento de las plantaciones forestales tiene asociado un incremento de estas
dos variables, y que el crecimiento del bosque nativo tiene asociado una disminución de la
evapotranspiración.
2 . 5 . 3 S E R V I C I O S E C O S I S T ÉM I C O S A S O C I A DO S A L B O S QU E NA T I V O
Los servicios ecosistémicos se definen como aquellos servicios que los bosques proveen a las personas y la
sociedad tales como regulación de producción de agua (cantidad y calidad), conservación de suelos y de la
diversidad biológica, oportunidades para el turismo y la recreación (Lara et al, 2003).
En los últimos años, se ha progresado en determinar y comprender la relación entre la magnitud y calidad
de estos servicios con variables relevantes, tales como uso de suelo (bosque nativo, plantaciones de
especies exóticas, praderas y otros), estructura (bosque adulto o renoval), y estado de conservación e
intervención de los bosques. Además, se han realizado estudios que buscan desarrollar esquemas de
manejo que permitan compatibilizar la producción de madera con la mantención y restauración de
servicios ecosistémicos (Lara et al., 2005).
23
Con respecto a los servicios ecosistémicos asociados a la producción hídrica de cuencas con cubiertas de
bosque nativo, estudios en marcha del núcleo milenio FORECOS muestran estos bosques tienen un papel
clave en la acumulación y entrega gradual del agua a ríos y arroyos, produciendo en verano un flujo de
agua que es entre 3 y 6 veces más alto que el de cuencas con otros tipos de cobertura vegetal, tales como
praderas o plantaciones forestales de pino o eucaliptos (Lara et al., 2003).
La degradación de los bosques nativos, con la consecuente disminución de sus servicios ecosistémicos, se
debe en gran medida a que estos servicios no cuentan con una cuantificación física y económica clara, y
por lo tanto, no poseen un precio de mercado, tal como el que tiene la madera y otros productos del
bosque. Debido a esto es necesario avanzar en el estudio y cuantificación de estos servicios, de manera de
que puedan ser incluidos en las políticas del manejo y conservación del bosque nativo (Lara et al., 2009).
2 . 5 . 4 MAN E J O D E L B O S QU E
La silvicultura corresponde a la teoría y puesta en práctica del control, establecimiento, composición y
crecimiento de un bosque. El objetivo de esta disciplina es manejar un bosque de manera de que se
cumplan los propósitos de producción y sustentabilidad del recurso.
Una de las intervenciones más comunes en un bosque es el raleo, que consiste en la corta de árboles en
base a algún criterio de selección, lo que favorece el crecimiento más vigoroso y provechoso del bosque.
Los beneficios específicos más importantes de esta intervención son:
‐ Obtener árboles de mayor diámetro, y por ende, de mayor rendimiento aserrable
‐ Concentrar el volumen de madera en menos árboles
‐ Disminuir de la competencia por nutrientes, agua y luz
‐ Mejorar la forma y estado sanitario de los árboles.
Para esto es necesario clasificar los árboles, de manera de tener claridad de cuáles son los que se desean
dejar en pie. Esta clasificación generalmente se hace a partir de criterios de altura, estado sanitario y
forma. Una vez que ya se tienen clasificados los árboles dentro del bosque, el raleo se debe enfocar en
cortar los árboles de peores condiciones, considerando un espaciamiento homogéneo entre los árboles.
Una vez que se lleva a cabo el raleo del boque, los árboles ya no compiten por luz, nutrientes y agua. Y
quedan en el bosque sólo árboles de buena forma y en buen estado sanitario. El bosque sigue creciendo,
pero más rápidamente que antes del raleo. Los tocones que quedan de los árboles caídos, empiezan a
rebrotar, a no ser que se tomen medidas para evitarlo.
Se ha determinado que intervenciones silviculturales de diferente intensidad en plantaciones forestales de
crecimiento rápido (plantaciones exóticas como pino y eucalipto) afectan la redistribución de
precipitaciones, disminuyendo la capacidad de intercepción en los primeros años de intervención dada la
disminución del área basal (Neira, 2005).
24
2 . 5 . 5 R E L A C I Ó N BO SQU E S Y S U E L O S
El suelo forma parte del sistema ecológico que constituye un bosque y sus características están
fuertemente ligadas con el tipo de cobertura forestal de la cuenca. El espacio poroso del suelo afecta
directamente al crecimiento vegetal y al agua que entra o sale del sistema, ya que el flujo que circula a
través del suelo es proporcional al diámetro de los poros. En condiciones de saturación, la disminución de
velocidad del agua a través de poros de diámetros pequeños es aún mayor debido a un efecto de
adsorción entre las partículas de agua y de suelo (Ellies et al., 1993).
La distribución de tamaño de poros no sólo incide sobre la cantidad de agua que puede retener el suelo,
sino que regula la energía con que la misma está retenida. Esta energía regula el movimiento de agua hacia
la planta, hacia la atmósfera y hacia otras zonas del suelo (Gil, 2001).
En condiciones de saturación (o casi saturación), los suelos de textura gruesa presentan una mayor
conductividad, como consecuencia del mayor tamaño de sus poros, permitiendo una transmisión más fácil
del agua. Sin embargo, a potenciales mátricos1 bajos, las mayores conductividades se logran en suelos de
texturas finas, ya que poseen una sección efectiva de transmisión en esas condiciones, superior a los
suelos de textura gruesa. En condiciones de un suelo seco, la cantidad total de agua que entra es mayor,
no obstante, la velocidad de avance del agua a lo largo del perfil del suelo, es inferior que en el caso de un
suelo húmedo (Gil, 2001).
Para estudiar los procesos de retención de humedad por parte del suelo, generalmente se genera una
curva de retención, que relaciona porcentajes de humedad asociados a distintas tensiones del suelo. Para
generar y estudiar esta curva, es necesario conocer dos conceptos que se han establecido a partir de una
clasificación biológica de la humedad del suelo:
‐ Capacidad de Campo (CC): contenido de agua de un suelo, después que ha sido mojado
abundantemente y se ha dejado drenar libremente alrededor de 24 a 48 horas después del riego o
la lluvia. En este proceso se debe evitar las pérdidas por evapotranspiración. Corresponde
aproximadamente al contenido de agua del suelo a una tensión o potencial Mátrico del agua de –
0,33 bares (Gil, 2001).
‐ Punto de Marchitez Permanente (PMP): contenido de agua de un suelo al cual la planta se
marchita y ya no se recupera al colocarla en una atmósfera saturada durante 12 horas. Por
convención corresponde al contenido de agua a una tensión o potencial Mátrico de ‐15 bares. Este
punto marca el límite entre el agua disponible y el agua no disponible para la planta.
1 El potencial mátrico define la fuerza de retención del agua por el suelo. Corresponde a las fuerzas de capilaridad y
adsorción, que establecen las relaciones de energía entre el agua y las partículas de suelo. normalmente se mide en
centibares (cb) o kilopascales (kPa) (Bowen y Moreno, 2006).
25
La planta extrae agua desde la porción más fácilmente disponible (retenida por el suelo con menos
fuerza), es decir, aquella que ha permanecido en los poros de mayor diámetro. A medida que el
contenido de agua del suelo disminuye, se requerirá más energía para extraer el agua, llegando un
punto en que la planta ya no podrá generar la energía suficiente para hacerlo (Gil, 2001).
Se suele definir el porcentaje de agua disponible para las plantas como la resta aritmética del agua a
tensión de agua a CC menos PMP. Esta definición de agua disponible conlleva a errores puesto que los
límites están definidos pobremente y no son válidos para todas las plantas por igual.
La determinación de las curvas de retención se encuentra descrita en varios textos metodológicos (Hartge
y Horn, 1989). En general, este procedimiento implica una muestra no perturbada de suelo saturado, a la
cual se le aplica una presión externa conocida y se permite que el agua libre salga del sistema. Una vez que
se llega a un estado de equilibrio interno entre el sistema poroso de la muestra de suelo y la presión
externa, se determina el total de agua acumulada en el proceso. Este volumen de agua se asocia al agua
retenida por el suelo para la presión ejercida.
Por lo general se aplican presiones de aire de 6, 10, 33 y 150 kPa. A partir de sus resultados es posible
definir la distribución de poros por tamaño resumida en la Tabla 2‐1 (Cuevas, 1994):
Tabla 2‐1: Distribución tamaño de poros. Fuente: (Cuevas, 1994)
Poros Diámetro
equivalente (µm)
Tensión
(bares) Rango
Drenaje rápido > 50 0.06 Capacidad de campo CC
Drenaje lento 50‐10 0.06 – 0.33 Capacidad de campo CC
Agua útil 10‐0.2 0.33 – 15 Capacidad de campo CC
Agua inútil < 0.2 15 Punto marchitez permanente PMP
La curva de retención entonces, entrega información de tamaños y distribución de poros, lo que da cuenta
también de las condiciones del suelo en relación a los flujos subsuperficiales lentos y rápidos de la cuenca.
Existen varios estudios que analizan las relaciones entre las características del suelo y la cobertura de
bosque de éstos. Los resultados son bastante consistentes y coinciden en que el suelo de un bosque nativo
presenta una porosidad y una cantidad de microorganismos mayor, al compararlo con suelos de
plantaciones exóticas o praderas. Sin embargo, los estudios no son concluyentes en cuanto al manejo de
bosque nativo.
A continuación se resumen algunos de los resultados de los estudios revisados:
‐ “En los alrededores de la ciudad de Valdivia se encontraron diferencias en las poblaciones de
microorganismos del suelo bajo Pinus radiata, al compararlos con bosque nativo valdiviano. Este
último presentó una mayor cantidad de microorganismos en comparación con el pino, en el cual se
favoreció la proliferación fungosa en detrimento de la bacteriana. Bajo la cobertura de pino las
26
condiciones de pH de 3.6 a 3.9 fueron significativamente más ácidas que bajo el bosque natural
con pH entre 4.2 a 4.4, explicando con esto en parte el cambio en la población de
microorganismos” (Schlatter, 1977). La porosidad de suelo por su parte está directamente
relacionadas con la cantidad de microorganismos.
‐ “El suelo de una plantación de Pinus radiata de 18 años de la quebrada de Uraco en Vichuquén,
presentó un 75% de los organismos edáficos existentes bajo un renoval de Nothofagus leoni de 60
‐ 70 años de edad” (Schlatter, 1977).
‐ “Las reservas de agua del suelo en una pradera son marcadamente mayores que en plantaciones
de Pinus radiata, especialmente durante el período de primavera. Por tanto, es importante para
un adecuado manejo de cuencas conocer la redistribución de las precipitaciones y los montos de
uso‐consumo de una especie introducida, que puede alterar los ciclos hidrológicos y con ello, otras
actividades económicas. Los resultados obtenidos en rodales de Pinus radiata no deben
extrapolarse a bosques nativos, debido a que aparentemente en ellos el balance hídrico permite
un mayor reflujo de agua al ciclo hidrológico.” (Huber et al., 1985)
‐ “La disminución de la porosidad gruesa se debe, por lo general, a una acción mecánica. En cambio,
un incremento del espacio poroso grueso se produce con la incorporación al suelo de elementos
estabilizantes de la estructura y por el incremento de la actividad biológica” (Anderson, 1991).
‐ “Al eliminar el bosque nativo y reemplazarlo por otro de pino se observan modificaciones
estructurales en el suelo, disminuyendo el volumen total de poros y la porosidad gruesa, pero
aumentando las porosidades media y fina” (Ellies et al., 1993)
‐ “Los contenidos volumétricos de la materia orgánica en el suelo no se alteran significativamente
con los distintos manejos silvícolas” (Ellies et al., 1993).
‐ “El Pinus radiata puede recuperar suelos de dunas o suelos erosionados, mejorando su fertilidad y
acondicionando el sitio para otras especies. Sin embargo, su cultivo masivo exige que se logre un
adecuado dominio de la dinámica biogeoquímica en sus plantaciones.” (Schlatter et al., 1995)
‐ “La actividad agropecuaria modifica en el mediano plazo la estructura del suelo, la cual a su vez
depende de la intensidad de uso y del tiempo de utilización de éste. Junto con el cambio
estructural, debería cambiar la magnitud y dirección de los flujos de agua y aire” (Ellies et al, 1997).
‐ “Se debería esperar que los suelos bajo bosque manejado tengan una alta conductividad
hidráulica en fase no saturada en todos los rangos de tensiones, mientras que en los suelos bajo
pradera la conductividad será alta solamente donde domine determinada fracción de poros”
(Nissen et al., 2005).
27
‐ “En la zona de raíces de un suelo cubierto de bosque, el espacio poroso del suelo es mayor que en
una pradera y dominan las fracciones de poros gruesos” (Nissen et al., 2005).
‐ “La velocidad de desplazamiento del frente de agua a través de los cambios del potencial mátrico,
es mayor en los suelos con cubierta de bosque que en suelos bajo praderas, debido a la mayor
presencia de poros de drenaje en éstos” (Nissen et al., 2005).
2 . 5 . 6 R E L A C I Ó N BO SQU E S Y G E N E R A C I Ó N D E E S C O R R E N T Í A
La cobertura de bosque tiene una influencia directa en el ciclo hidrológico ya que interviene en los
procesos de intercepción de la precipitación, infiltración del agua en los suelos, percolación hacia las aguas
profundas, adsorción a través de las raíces y evapotranspiración, entre otros (Pacheco, 2001).
Cambios en la cobertura de bosque inducen alteraciones en la redistribución de las precipitaciones, origina
variaciones en la reservas de agua del suelo y determina los montos de agua involucrados en la
evapotranspiración (Echeverría et al., 2007).
Desde principios del siglo XX, se ha intentado establecer relaciones entre el porcentaje de cambio de
cobertura de bosque y el porcentaje de cambio en generación de escorrentía. Varios trabajos realizados
(Hibbert et al, 1967; Swift y Swank, 1981; Kuczera, 1987; Cornish y Vertessy, 2001; Jones y Post, 2004)
indican que al reducir la cobertura de bosque de una cuenca se produce un incremento en la generación
de escorrentía en el corto plazo, y en un mediano plazo se volvería a la condición inicial, o inclusive a una
condición de menor producción. Además, estas alteraciones provocan una disminución del tiempo de
concentración de la cuenca y un aumento de los caudales peak asociados a un evento de precipitación, lo
que conlleva a un deterioro en la calidad del agua debido al mayor transporte de sedimentos de las laderas
y al aumento de las fuerzas erosivas de los canales (Hubbart y Matlock, 2009).
Generalmente los estudios que analizan los efectos del cambio de cobertura vegetal en la generación de
escorrentía, se realizan usando escalas de tiempo anuales o estacionales. Sin embargo, el manejo y
planificación adecuada del recurso hídrico y forestal requieren de un entendimiento del problema a una
escala temporal más discreta, de manera de establecer relaciones de la cobertura de bosque con respecto
a caudales de crecidas, a almacenamiento y liberación de la humedad del suelo, etc. Debido a esto se hace
necesario conocer el efecto que tienen los cambios de cobertura vegetal en la distribución diaria de la
escorrentía (Brown et al., 2004). El método más utilizado para este tipo de estudios es el de cuencas
experimentales. En estos experimentos, cuencas son sometidas a intervención (a través de manejo
silvícola, reforestación, desforestación, alteraciones2, cambios de cobertura, incendios, etc.), y son
estudiadas y comparadas con una cuenca control. Esta cuenca control puede ser la cuenca existente, antes
de que se realice el cambio de uso de suelo (estudio de cuencas individuales), o una cuenca separada
(estudio de cuencas pareadas), o una mezcla de ambos (Brown et al., 2004):
2 Alteración de un bosque se refiere a la extracción de árboles sin criterio silvícola.
28
‐ Estudios de cuencas individuales: En este tipo de estudios los efectos del cambio de uso de suelo se
estiman comparando mediciones hechas antes y después del cambio. Una desventaja de este tipo de
experimentos es que requiere de una identificación y separación del efecto meteorológico en las
respuestas de la cuenca.
‐ Estudio de cuencas pareadas: En este tipo de estudios la cuenca control mantiene su cobertura de
suelo mientras la otra experimenta el cambio. La gran ventaja de este tipo de experimento es que
eliminan el factor de variabilidad climática, ya que se comparan cuencas de distinta cobertura vegetal,
sujetas a las mismas condiciones climáticas.
La técnica más común utilizada en estudios de cuencas pareadas, es la generación de una regresión lineal
entre la producción anual de las cuencas en un período de calibración (período previo a la intervención).
Esta regresión se usa posteriormente para predecir la producción hídrica de la cuenca manejada. Las
diferencias entre la respuesta dada por la regresión y la observada, se asumen como consecuencia del
cambio de cobertura vegetal. Este procedimiento comúnmente se usa para escalas anuales, sin embargo
ha sido utilizado también con datos mensuales, con componentes de escorrentía directa y flujo base (Bari
et al., 1996).
Los principales resultados de estudios revisados en donde se realizan balances hídricos anuales en cuencas
experimentales se detallan a continuación:
‐ Una reducción en la cobertura de bosque incrementa la producción hídrica y el reemplazo de una
cobertura de escasa vegetación, por bosque la disminuye. Se ha encontrado también que los impactos
de reducciones en cobertura boscosa menores a un 20%, aparentemente no pueden distinguirse a
partir de un análisis de la escorrentía medida anual. Sin embargo se hace necesario poder detectar
estos cambios, con algún otro análisis, ya que muchas veces ese 20% corresponde a un área
importante para el balance hídrico de una zona (Bosch y Hewlett, 1982).
‐ Estudios asociados a intervención de bosques muestran que si una cuenca de cobertura de bosque se
somete a manejo, la producción hídrica anual de ésta aumenta, y este aumento se puede prolongar si
se controla el crecimiento, lo que es análogo a un caso de cambio permanente de cobertura vegetal.
Cuando se permite la regeneración del bosque, el aumento de producción disminuye rápidamente, en
un rango de 3 ‐ 10 años aproximadamente. Los experimentos que involucran regeneración del bosque
tienen el potencial de investigar los cambios en evapotranspiración y escorrentía en función de la
edad de la especie. Son escasos los estudios que analizan los impactos a largo plazo de un cambio
permanente en la vegetación (Brown et al., 2004).
‐ El aumento en la generación media anual de escorrentía debido a una disminución de la cobertura de
bosque se vuelve más difícil de identificar a medida que la cuenca de estudio crece en tamaño. Esto
debido a que se vuelve más complejo identificar los efectos que tiene la heterogeneidad espacial de
las características que determinan los procesos de generación de escorrentía dentro de la cuenca
(Smakhtin, 2001).
29
‐ Al analizar el efecto de tratamientos silvícolas sobre la producción media anual de escorrentía,
Stoneman y Schofield (1989) encuentran que existe una relación inversa entre la cobertura de
copas y el área basal, sobre la escorrentía y la precipitación efectiva. Este resultado también es
señalado por Calder (1993).
Los principales resultados de estudios revisados en donde se realizan balances hídricos estacionales en
cuencas experimentales se detallan a continuación:
‐ Para cuencas pareadas (una con reducción de cobertura de bosque y la otra como cuenca control)
con un régimen pluvial, la diferencia absoluta de caudal total es mayor en los meses de invierno,
mientras que la diferencia porcentual es mayor en los meses de verano, siendo la cuenca
intervenida la que produce mayor escorrentía. Esto se debe principalmente a la disminución en
intercepción y evapotranspiración de la cuenca intervenida (Brown et al., 2004).
Los principales resultados de estudios revisados en donde se analizan caudales de crecidas en cuencas
experimentales se detallan a continuación:
‐ En el trabajo de Austin (1999) se estudian los porcentajes de cambio de caudales de crecida (o
caudales peak) frente a una disminución en la cobertura de bosque, en términos de máximos
instantáneos anuales, máximos diarios anuales, máximos en épocas de crecimiento vegetacional,
máximos en épocas de dormancia (meses del año asociados a condiciones climáticas no
apropiadas para el crecimiento como días cortos, temperaturas bajas o disminución de
precipitaciones). Se encuentra que frente a una disminución en la cobertura de bosque de una
cuenca, los caudales peak bajos (asociados a períodos de crecimiento del bosque) muestran un
aumento relativo, más significativo que los caudales peak altos. La diferencia poco significativa de
los caudales peak altos podría deberse a que en los períodos en que éstos ocurren los niveles de
humedad del suelo son altos, independiente de la cobertura de bosque.
‐ En una cuenca cuyo régimen hidrológico es principalmente nival, la relación entre los caudales de
crecida y la disminución de cobertura de bosque será altamente variable, ya que el efecto en el
descenso en la acumulación y derretimiento de nieve provocado por la disminución de copas de
árboles, se compensa con un efecto de disminución de evapotranspiración y de aumento de la
humedad del suelo (Smakhtin, 2001).
Los principales resultados de estudios revisados en donde se hace un análisis de caudales base en cuencas
experimentales se detallan a continuación:
‐ En una cuenca con régimen hidrológico pluvial, en donde los caudales base están asociados a
períodos continuos sin precipitaciones, generalmente durante los meses de verano, la
evapotranspiración juega un rol muy importante ya que la radiación es mayor y por ende el nivel
de energía también, lo que aumenta el consumo de agua por parte del bosque. Asimismo, la
30
menor intensidad y magnitud de las precipitaciones en esta época aumentan la capacidad de
intercepción de la cubierta (Neira, 2005).
‐ Varios estudios han demostrado que experimentos que involucran un aumento en la cobertura de
bosque, tienen un efecto de disminución mayor para caudales base que para caudales totales
(Smakhtin, 2001).
‐ Estudios de reforestación de plantaciones exóticas han encontrado reducciones de caudales base
que llegan hasta un 100%, siendo las plantaciones de eucaliptos las que generan los cambios más
fuertes (Smakhtin, 2001).
‐ Si debido a una intervención en la cobertura, la capacidad de infiltración del suelo disminuye hasta
un nivel en que la cantidad de agua que libera una unidad de área en forma de escorrentía directa
es mayor a la ganancia en flujo base asociada a la disminución de la evapotranspiración, entonces,
la generación de escorrentía en épocas estivales decrecerá. Si la capacidad de infiltración se
mantiene, la reducción en evapotranspiración provocará un aumento en los caudales base (Bosch
y Hewlett, 1982).
Los principales resultados de estudios revisados que analizan los regímenes hidrológicos a través de curvas
de duración en cuencas experimentales se detallan a continuación:
‐ El régimen de una cuenca está definido por la magnitud, frecuencia, duración, tiempos y tasas de
cambio de la escorrentía en un punto. Las curvas de duración entregan un resumen gráfico y
estadístico de la variabilidad de escorrentía. Por lo que las diferencias en forma y magnitud de
estas curvas, entregará información de los impactos que tiene el cambio de cobertura en el
régimen hídrico de la cuenca intervenida (Brown et al., 2004).
‐ Para determinar los impactos que tiene el cambio de cobertura vegetal en las componentes de la
escorrentía, a partir de un análisis de curvas de duración, es necesario diferenciar caudales peak
de los caudales base. Existen diversas expresiones que diferencian los caudales base y peak dentro
de una curva de duración. Entre estas se encuentra el definir el caudal base como todo caudal que
sea excedido un 70 – 90 % del tiempo, y el caudal peak como todo caudal que sea excedido un 1 –
5 % del tiempo (Smakhtin, 2001).
‐ Se han encontrado resultados que muestran que al analizar las curvas de duración de la cuenca
intervenida y la cuenca control a nivel anual, puede no haber mayores diferencias, pero que si se
separa el análisis a nivel estacional, éstas podrían ser más notorias, sobre todo si se analiza la parte
baja de la curva, que corresponde a los caudales base, sujeto al tipo de cobertura y clima del área
de estudio (Brown et al., 2004).
En cualquier tipo de experimento que se realice, es necesario medir y estimar los errores experimentales
que se cometen en función de la variable que se quiere estudiar. Muchos estudios experimentales de este
31
tipo han arrojado resultados poco concluyentes debido a que los errores experimentales son del mismo
orden que los efectos medidos. Además, sin el conocimiento específico de todos los procesos que están
involucrados en las cuencas estudiadas, es difícil extrapolar los resultados a otras zonas, por lo tanto los
resultados serán aplicables a situaciones donde opera el mismo set de procesos (Brown et al., 2004).
En general, la mayoría de los estudios revisados indican que el aumento de pérdidas de agua por efectos
de evapotranspiración asociado a un aumento en la cobertura de bosques, se refleja en una menor
producción de escorrentía en una cuenca (y viceversa). Cabe destacar que estos estudios generalmente
trabajan con tipos de bosques que corresponden a plantaciones exóticas nuestras. Y como se vio en el
capítulo 2.5.2, entre las plantaciones exóticas y los bosques nativos existen diferencias importantes, entre
las cuales se encuentra: la configuración de copas de árboles, sistemas de raíces, características de los
suelos, procesos de intercepción y tasas de evapotranspiración, entre otras. Debido a esto, los resultados
encontrados en la mayoría de los estudios revisados, no son directamente extrapolables a casos en que la
cobertura sea bosque nativo chileno.
Estudios recientes en Chile (Lara et al., 2009) han comparado cuencas cubiertas combinadas de bosque
nativo y plantaciones forestales, y han encontrado que un aumento del porcentaje de cobertura de bosque
nativo y una disminución del porcentaje de plantaciones forestales, tienen asociado una mayor generación
de escorrentía en los meses de la época seca de verano. Este aumento de escorrentía puede explicarse por
las mayores tasas de intercepción y de evapotranspiración de las plantaciones, disminuyendo la cantidad
de agua que llega al suelo y al subsuelo y que finalmente llega a los arroyos, ríos (Oyarzún y Huber, 1999;
Oyarzún et al, 2004). Estos resultados muestran que los ecosistemas constituidos por los bosques nativos
tienen un papel clave en la acumulación del agua en el suelo y subsuelo, así como en la entrega gradual del
agua a los arroyos y ríos. Esto ha llevado al concepto de “bosque‐esponja”, que evita las crecidas en
invierno, y en forma más importante en verano asegura la mantención de un cierto nivel de caudales y de
las napas freáticas que alimentan los pozos en las zonas rurales en la época cuando la escasez de agua se
hace crítica (Lara et al, 2003).
32
3 Á R E A D E E S T U D I O
El área de estudio comprende cinco microcuencas localizadas en el predio San Pablo de Tregua, 39°35’ S,
71°45’ W. Este predio es propiedad de la Universidad Austral de Chile, y se encuentra a unos 30 km de
Panguipulli, Región de los Ríos (ver Figura 3‐1). Las cuencas forman parte del diseño experimental del
proyecto FORECOS (Núcleo de investigación patrocinado por la iniciativa científica Milenio de MIDEPLAN).
Figura 3‐1: Zona de estudio y ubicación estaciones meteorológicas.
33
3 . 1 C L I M A
La zona de Panguipulli pertenece al tipo climático templado lluvioso con influencia mediterránea (DGAC,
2010), y se caracteriza por tener temperaturas medias de 11°C, con una temperatura mínima promedio en
el mes más frio (agosto) de 5°C y una máxima promedio del mes más cálido (febrero) de 20°C.
Para hacer una caracterización de las condiciones climáticas de la zona de estudio en particular, se analiza
la información disponible de estaciones cercanas de la Dirección General de Aguas (DGA), en el período
común coincidente con el estudio (Abril 2003 ‐ Febrero 2007) y en el período de registro de cada estación.
En la Figura 3‐1 se muestra la ubicación de las estaciones meteorológicas, y en la Tabla 3‐1 su promedio
anual. Algunas estaciones no se incorporan en el análisis ya que no se cuenta con información del período
común.
Además de las estaciones de la DGA, se cuenta con dos estaciones pluviográficas en el predio San Pablo de
Tregua, denominadas Praderas y Profesores. Estas estaciones son las que se utilizan en el presente
estudio, y sus valores anuales se presentan en la Tabla 3‐1.
Tabla 3‐1: Precipitación anual estaciones meteorológicas.
Estación Período de registro Altura
(m s.n.m.)
PP anual (mm)
período registro estación
PP anual (mm) promedio
período mar 2003 ‐ feb 2007
Lago Calafquén Jul 1986 ‐ Ago 2007 385 2113 2263
Lago Riñihue Abr 1985 ‐ Ago 2007 120 2279 2569
Pirihueico en Pto. Fui Nov 1999 ‐ Ago 2007 600 4467 4498
Lago Neltume Dic 1976 ‐ May 1986 260 3426 ‐
Praderas Ene 2003 ‐ Feb 2007 650 3577 3577
Profesores Ene 2003 ‐ Feb 2007 700 3998 3998
A partir de información resumida en la Tabla 3‐1, se observa que existe un aumento de la precipitación
anual en función de la altura de la estación. Este gradiente (ver Figura 3‐2) 3 se explica por el efecto
orográfico que experimentan los frentes de precipitación al acercarse a la Cordillera de los Andes. A partir
de este gradiente se verifica que existe consistencia entre los datos de las estaciones meteorológicas de la
DGA y las estaciones del estudio.
A partir de la información del período total de registro de las estaciones de la DGA se observa que los años
del estudio poseen una precipitación anual levemente mayor que el promedio anual del total del registro
(11%, 1% y 7% para las estaciones Lago Calafquén, Lago Riñihue y Pirihueico en Pto. Fui respectivamente).
3 La estación Lago Neltume se grafica para el período completo de registro, ya que no se cuenta con información para el período concurrente.
34
Figura 3‐2: Gradiente de precipitación zona de estudio
Un análisis de los datos mensuales de precipitación de las estaciones resumidas en la Tabla 3‐1, muestra
que más de un 65% de la precipitación total del año cae en los meses de otoño‐invierno (abril‐septiembre).
Asimismo, se obtiene que los meses de mayor precipitación corresponden a mayo, junio y julio, en los
cuales llueve entre un 40% y un 46% del total anual, y los meses de menor precipitación son enero y
febrero, que abarcan entre un 4% y un 6% de la precipitación total anual.
La distribución mensual se grafica en la Figura 3‐3 y se resume en la Tabla 3‐2.
Tabla 3‐2: Precipitación mensual estaciones meteorológicas.
Mes Lago
Calafquén
Lago
Riñihue
Pirihueico
en Pto. Fui Praderas Profesores
Abril 160 217 278 237 230
Mayo 242 245 445 359 393
Junio 526 576 1063 706 715
Julio 281 337 583 461 554
Agosto 223 272 436 318 358
Septiembre 183 194 340 366 394
Octubre 164 163 307 321 343
Noviembre 161 196 366 282 310
Diciembre 109 155 267 237 304
Enero 77 72 159 101 138
Febrero 50 41 54 42 56
Marzo 87 101 201 148 204
Anual 2263 2569 4498 3577 3998
Abr‐Sep 1615 1841 3145 2447 2644
Oct‐Mar 648 729 1354 1130 1354
(Abr‐Sep)/Anual 71% 72% 70% 68% 66%
(Oct‐Mar)/Anual 29% 28% 30% 32% 34%
y = 2.2396x + 2570R2 = 0.655
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 200 400 600 800Cota (m s.n.m.)
PP a
nual
(mm
)
Lago Riñihue Puerto Fui Lago Neltume Praderas Profesores
35
Figura 3‐3: Distribución mensual de precipitaciones
Las características climáticas de la zona de estudio, para el período de tiempo analizado, consisten en una
precipitación anual media entre 3500 y 4500 mm, con veranos muy cortos concentrados en los meses de
enero y febrero, en donde la precipitación corresponde a un 5% aproximadamente del total anual, y con
inviernos húmedos y extensos.
En un estudio realizado en 1975 en el predio San Pablo de Tregua, se estimó un número de heladas al año
que varía entre 30 y 50 días, y se estableció que sobre los 800 m s.n.m. la mayor parte de la precipitación
en invierno cae en forma de nieve (Schlatter, 1975).
3 . 2 C A R A C T E R Í S T I C A S T O P O G R Á F I C A S C U E N C A S E N E S T U D I O
La nomenclatura de las cuencas a estudiar se presenta en la Tabla 3‐3:
Tabla 3‐3: Nombre cuencas en estudio Cuenca Nomenclatura
Praderas Prad
Renovales con manejo Rcm
Renovales sin manejo Rsm
Tranque Tran
Encuentro Enc
La información disponible de las cuencas se obtiene de diversos estudios de FORECOS. Esta información
consiste principalmente en áreas, cotas máximas y mínimas, y pendiente media. Para dos de las cinco
cuencas en estudio (Rcm y Rsm), se cuenta con un levantamiento topográfico con curvas de nivel
interpoladas a 1 m a partir del cual se hizo la delimitación de estas dos cuencas. Para el resto de las
cuencas, la delimitación del área se efectuó a partir de una inspección y trazado en terreno de la divisoria
de aguas, registrado por un GPS.
0
200
400
600
800
1000
1200
abr
may jun jul
ago
sep
oct
nov
dic
ene
feb
mar
Pp (m
m)
Lago Calafquén Lago Riñihue Puerto Fui PP Prad PP Prof
36
Además, se cuenta con la información de la elevación máxima y mínima, y de la pendiente media de todas
las cuencas, menos Prad. Un resumen de las características disponibles de cada cuenca se resume en la
Tabla 3‐4.
Tabla 3‐4: Área cuencas en estudio Cuenca Área
(ha)
Elevación
(m s.n.m.)
Pendiente
(%)
Prad 12.3 ‐ ‐
Rcm 12.6 601‐719 27
Rsm 7.4 602‐718 13
Tran 7.5 730‐850 26
Enc 72.1 800‐925 12
3 . 3 C O B E R T U R A
3 . 3 . 1 E D A D E I N T E R V E N C I Ó N D E L O S BO S QU E S
Las cuencas Prad, Rcm y Rsm eran parte de un mismo paño de bosque nativo, que en la década del 40
sufrió de un incendio que arrasó con el bosque. En la década del 50 comenzó el establecimiento de nuevos
individuos de Roble y Raulí en las cuencas Rcm y Rsm. En la cuenca Prad se establecieron pocos árboles,
dejando a la cuenca cubierta principalmente de praderas (aproximadamente un 90%). En el año 2002, la
cuenca Rcm fue sometida a manejo silvícola, en donde se extrajo un 35% de su área basal, para producción
maderera.
Las cuencas Tran y Enc están cubiertas de bosque nativo adulto, de unos 400 años. Enc es un bosque
prístino (sin ningún tipo de intervención), en cambio Tran es una cuenca alterada. Esta alteración está
relacionada con extracciones de árboles sin criterios silvícolas, para la producción maderera. No se tiene
información de las condiciones de esta alteración.
En resumen, se tiene 2 tipos de bosque: renovales de segundo crecimiento (bosque joven de unos 50 años)
y bosque adulto, con distintos tipos de intervención: manejo silvícola, alteración, prístino. Un esquema de
esta configuración de tipos de cobertura se muestra en la Figura 3‐4
Figura 3‐4: Tipos de bosque
Bosque adulto
Bosque renoval
de 2° crecimiento
Pradera
Alterado
Prístino
Sin manejo
Manejado
Enc
Tran
Rsm
Rcm
Prad
37
3 . 3 . 2 E S P E C I E S DOM I NAN T E S
La cobertura vegetal de las cuencas está dominada por diferentes especies de bosque nativo. La
información de las especies de cada cuenca se resume en la Tabla 3‐5, y sus características se resumen a
continuación.
Tabla 3‐5: Especies dominantes cuencas en estudio Cuenca Especie Nombre Tipo
Prad ‐ ‐ ‐
Rcm Nothofagus obliqua/Nothofagus alpina Roble /Raulí de hoja caduca
5 . 6 . 2 . 3 C OMP A R A C I Ó N R E NOV A L : C ON MAN E J O ( R CM ) ‐ S I N MAN E J O ( R SM )
En la Figura 5‐33 se grafican las componentes mensuales de los hidrogramas de las cuencas con cubierta
de bosque de renovales con manejo (Rcm) y sin manejo (Rsm) y su diferencia porcentual. A partir de estos
gráficos se observa que tanto el caudal total como el caudal base y de escorrentía directa de la cuenca
manejada supera al de la cuenca control en todos los meses del año. Las menores diferencias son del
orden de un 10% para los meses de marzo y abril. En los meses más secos (diciembre, enero y febrero) hay
un incremento en la diferencia del caudal base, llegando a valores de un 50%. Este incremento se ve
directamente reflejado en el caudal total de las cuencas durante esos meses, ya que en épocas de escasa
recarga la componente de caudal base corresponde al principal aporte a la escorrentía total.
Figura 5‐33: Análisis mensual componentes hidrograma.
Comparación bosque renoval con manejo (Rcm) – sin manejo (Rsm)
5 . 6 . 2 . 4 C OMP A R A C I Ó N B O S QU E A D U L T O ( E N C ) ‐ R E NO V A L ( R SM )
En la Figura 5‐34 se grafican las componentes mensuales de los hidrogramas de las cuencas con cubierta
de bosque adulto prístino (Enc) y bosque de renovales sin manejo (Rsm) y su diferencia porcentual. A
partir de estos gráficos se observa que en general, la cuenca de bosque adulto posees un mayor caudal
total, caudal base y de escorrentía directa. Esto se explicaría por el mayor consumo de agua asociada a
bosques jóvenes en comparación con los bosques adultos. Las mayores diferencias se dan en los meses de
marzo y abril.
87
Figura 5‐34: Análisis estacional componentes hidrograma.
Comparación bosque renoval con manejo (Rcm) – sin manejo (Rsm)
5 . 6 . 3 R E S U L T A DO S C OMPON EN T E S H I D R OG R AMA E N E V E N TO S D E
T O RM EN T A S
Como se establece en el capítulo 4.6, la identificación de eventos de tormentas a partir de la serie continua
de caudales se hace a través de un tiempo característico de cada cuenca, que se establece como el tiempo
mínimo de independencia entre un evento y otro. Para realizar esta separación de eventos se implementa
un programa en MATLAB que consta de diversas etapas, las cuales se detallan en el Anexo B.
De manera de analizar las componentes de los hidrogramas de tormentas de cada cuenca en relación a la
precipitación asociada a cada evento, se analizan los coeficientes de escorrentía resumidos en la Tabla 4‐2.
Estos coeficientes se calculan como la pendiente de la regresión lineal entre las variables QT vs PP, QD vs
PP y QB vs PP (ver análisis completo en Anexo B). En la Figura 5‐35 se grafican estas regresiones.
Además, de manera de analizar las componentes de flujo base y de escorrentía directa de una tormenta en
relación al caudal total, se establecen las regresiones entre las variables QD vs QT y QB vs QT de todas las
tormentas analizadas, cuya pendiente será representativa de los aportes de cada componente a la
escorrentía total.
88
Figura 5‐35: Correlaciones QT vs PP
Figura 5‐36: Correlaciones QB vs PP
89
Figura 5‐37: Correlaciones QD vs PP
De los gráficos de las Figura 5‐35 a 5‐37 se observa que para las 5 cuencas existen fuertes correlaciones,
con coeficientes de determinación mayores a 0.76 en todos los casos, siendo la cuenca Tran la que
muestra la mejor correlación. Para relacionar los resultados entre las distintas cuencas, en la Figura 5‐38 se
comparan las pendientes de las correlaciones lineales mostradas en las Figura 5‐35 a 5‐37, graficándose
con un nivel de confianza de un 85%.
Figura 5‐38: Coeficientes de escorrentía. 85% nivel de confianza.
90
Para relacionar los resultados con respecto a los aportes de cada componentes (flujo base y escorrentía
directa) a la escorrentía total en un evento de tormenta entre las distintas cuencas, en la Figura 5‐39 se
comparan las pendientes de las correlaciones lineales entre el caudal base total versus el caudal total de
cada tormenta (pendiente QB vs QT), y el caudal de escorrentía directa versus el caudal total de cada
tormenta (pendiente QD vs QT), graficándose con un nivel de confianza de un 85%.
Figura 5‐39: Componentes hidrograma en eventos de tormenta. 85% nivel de confianza.
5 . 6 . 3 . 1 C OMP A R A C I Ó N B O S QU E ( R CM / R SM ) – P R A D E R A S ( P R A D )
Los gráficos de coeficientes de escorrentía (Figura 5‐38) muestran que la cuenca con cubierta de praderas
(Prad) muestra mayores valores de coeficientes de escorrentía que las cuencas de bosque (Rcm y Rsm), lo
que significaría que una mayor fracción de la precipitación se transformaría tanto en escorrentía directa
como en flujo base en la cuenca Prad, sin embargo, estas relaciones tienen errores asociados a un 85% de
confianza mayores a las diferencias de los valores de los coeficientes, por lo que se consideran poco
significativas.
Los gráficos de las componentes de los hidrogramas de todas las tormentas analizadas (Figura 5‐39)
muestran que existen diferencias entre la cuenca Prad y la cuenca con bosque manejado Rcm, tanto para
la componente de escorrentía directa sobre la escorrentía total, en donde Prad tiene un valor menor en un
5% y para la componente de flujo base, en donde Prad tienen un valor mayor en un 6%. Un
comportamiento similar se obtiene al analizar las tormentas ocurrentes en épocas en en que los árboles de
las cuencas de bosque tienen hojas (meses octubre‐mayo, ver resultados de clasificación por fecha de
tormentas en Anexo B 6) y al analizar tormentas asociadas a una precipitación acumulada durante los 10
días previos al inicio de la tormenta menor a 100 mm (ver Figura B. 20 del Anexo B 6).
Sin embargo, al hacer un análisis de estas mismas componentes para tormentas ocurrentes en épocas en
que los árboles de las cuencas de bosque no tiene hojas (meses junio‐septiembre, ver resultados de
clasificación por fecha de tormentas en Anexo B 6), que coincide también con los meses de mayor
precipitación, se observa que la cuenca Prad tiene una contribución de caudal base 22% y 16% menor y
una contribución de escorrentía directa 15% y 11% mayor que las cuencas Rcm y Rsm respectivamente
(ver Figura B. 15 del Anexo B 6). Un comportamiento similar se obtiene al analizar las tormentas asociadas
a una precipitación acumulada durante los 10 días previos al inicio de la tormenta mayor a 100 mm (ver
Figura B. 19 del Anexo B 6).
91
5 . 6 . 3 . 2 C OMP A R A C I Ó N B O S Q U E A D U L T O : P R Í S T I N O ( E N C ) ‐ A L T E R A DO
( T R A N )
Los gráficos de coeficientes de escorrentía (Figura 5‐38) muestran que la cuenca de bosque adulto alterado
(Tran) genera en promedio un 20% mayor caudal total, base y de escorrentía directa que la cuenca de
bosque adulto prístino frente a eventos de precipitación. Esta misma configuración se da al analizar las
tormentas asociadas a una humedad antecedente menor a 100 mm (ver Figura B. 20 del Anexo B 6). Sin
embargo, la contribución de las componentes de flujo base (0.47) y escorrentía directa (0.54) sobre de la
escorrentía total generada en eventos de tormenta presentan diferencias menores a un 2%.
5 . 6 . 3 . 3 C OMP A R A C I Ó N R E NOV A L : C ON MAN E J O ( R CM ) ‐ S I N MAN E J O ( R SM )
Los gráficos de coeficientes de escorrentía (Figura 5‐38) muestran que la cuenca de bosque de renovales
con manejo (Rcm) genera entre un 5% y un 15% mayor caudal total, base y de escorrentía directa que la
cuenca control (Rsm) frente a eventos de precipitación, lo que significaría que una mayor fracción de la
precipitación se transformaría tanto en escorrentía directa como en flujo base en la cuenca Rcm. Sin
embargo, estas relaciones tiene un error asociado a un 85% de confianza mayor a las diferencias de los
valores de los coeficientes, por lo que se consideran poco significativas.
Con respecto a la contribución de las componentes de flujo base y escorrentía directa sobre de la
escorrentía total generada en eventos de tormenta (Figura 5‐39), se observa que la cuenca manejada tiene
una mayor contribución de escorrentía directa (superior en un 5%) y una menor de flujo base (menor en
un 7%). Esta configuración se mantiene para los distintos análisis y clasificaciones efectuadas (resultados
Anexo B 6).
5 . 6 . 3 . 4 C OMP A R A C I Ó N B O S QU E A D U L T O ( E N C ) ‐ R E NO V A L ( R SM )
Los gráficos de coeficientes de escorrentía (Figura 5‐38) muestran que las cuencas de bosque adulto (Enc)
de renovales (Rsm) poseen un coeficiente de escorrentía directa similar (0.42), lo que da cuenta de que
ambas cuencas generarían una misma cantidad de escorrentía directa a partir de un evento de
precipitación. Con respecto a la generación de flujo base sin embargo, la cuenca de bosque adulto
presenta un coeficiente mayor en un 20% que la cuenca de bosque de renovales. Esto indica que la cuenca
de renovales tendría una mayor pérdida de agua, asociada a un mayor consumo por parte de los arboles, o
una mayor intercepción, etc.
Con respecto a la contribución de las componentes de flujo base y escorrentía directa sobre de la
escorrentía total generada en eventos de tormenta (Figura 5‐39), ambas cuencas presentan valores de
0.45 para la componente de flujo base y 0.55 para la componente de escorrentía directa.
92
6 D I S C U S I Ó N
Para analizar los principales resultados de esta investigación, en el cuadro de la Figura 6‐1 se resumen los
distintos análisis efectuados, con las distintas comparaciones y los resultados más importantes de cada
ítem. En el cuadro resumen, los símbolos Δ+ y Δ‐ corresponden a diferencias positivas y negativas
respectivamente.
Principales resultados comparación bosques ‐ praderas:
Un análisis comparativo entre la cuenca con cubierta de praderas (Prad) y las cuencas de bosque nativo de
renovales (Rcm y Rsm) (paneles A‐F 1 del cuadro resumen de la Figura 6‐1) muestra consistentemente una
mayor generación de escorrentía para Prad, salvo para períodos sin recarga de los meses abril‐septiembre
(panel C1) en donde la cuenca manejada la supera en un 10%.
El análisis de producción mensual de escorrentía muestra que la cuenca de praderas supera en un 12% y
25% a las cuencas Rcm y Rsm respectivamente (panel A1); el análisis de caudales diarios asociados a todo
el rango de probabilidades de excedencia muestra que la cuenca de praderas supera en un 14% y 33% a las
cuencas Rcm y Rsm respectivamente (panel B1); el análisis de curvas de recesión y agotamiento muestra
que para épocas en que el caudal total de las cuencas en estudio corresponde principalmente a flujo base
(octubre‐marzo) Prad presenta 40% y 80% mayor caudal en relación a las cuencas con cubierta de bosque
Rcm y Rsm respectivamente, lo que se explicaría por el mayor consumo de agua de los árboles en este
período, para los meses entre abril y septiembre Prad supera a Rsm en un 35%, pero presenta caudales
menores a Rcm en un 10%, además, Rcm muestra la menor tasa de decaimiento, lo que se podría explicar
por una menor evapotranspiración en comparación con la cuenca control (Rsm), y una mayor capacidad de
almacenamiento en la zona de macroporos y zona radicular en comparación con la cuenca de praderas
(Prad) (panel C1); el análisis de las componentes estacionales del hidrograma entrega diferencias máximas
de un 30% en verano (diciembre‐enero‐febrero) al comparar Prad con la cuenca control Rsm (panel D1); el
análisis de las componentes mensuales del hidrograma presenta diferencias máximas de 50% para la
componente de flujo base y de 30% para la escorrentía directa en el mes de enero en comparación con la
cuenca Rsm (panel E1); y el análisis de las componentes del hidrograma frente a eventos de tormenta
muestra que para los meses en que los bosques botan sus hojas (junio‐septiembre) y para tormentas con
humedades antecedentes superiores a 100 mm, la cuenca Prad posee una contribución de escorrentía
directa a la escorrentía total un 15% mayor y una contribución de flujo base un 20% menor en
comparación a las cuencas Rcm y Rsm, además, se observan mayores coeficientes de escorrentía (de la
componente de flujo base y de escorrentía directa) para la cuenca Prad, sin embargo, la dispersión de los
datos no permite establecer relaciones consistentes entre los coeficientes (panel F1).
A partir de estos análisis se comprueba que una cuenca con cubierta de praderas, dadas las menores
pérdidas por intercepción y evapotranspiración, favorecería los procesos de infiltración y por lo tanto, a la
generación de escorrentía subsuperficial rápida, que constituye la fuente principal de aporte a la
escorrentía total, especialmente en las épocas de verano, tal como se ha encontrado en la literatura (Swift
y Swank, 1981; Kuczera, 1987; Bari et al., 1996; Cornish y Vertessy, 2001; Jones y Post, 2004; Brown et al.,
2004; Hubbart y Matlock, 2009).
Figura 6‐1: Cuadro resumen resultados
Principales resultados comparación bosques renovales con manejo ‐ sin manejo:
A partir de los 5 análisis efectuados (paneles A‐F 3 del cuadro resumen de la Figura 6‐1), se observa que al
hacer comparaciones entre cuencas con cubierta de bosques de renovales con y sin manejo, se da una
relación inversa entre el área basal del bosque y la generación de escorrentía, lo que es consistente con
resultados encontrados en los estudios revisados en el capítulo 2.5.6 (Jones y Post, 2004; Swift y Swank,
1981; Kuczera, 1987; Cornish y Vertessy, 2001, Hubbart y Matlock, 2009) y que se asocia a una reducción
en la intercepción y evapotranspiración debido a la disminución en la cobertura de copas de los árboles en
la cuenca raleada.
Estas diferencias se observan en el análisis de producción mensual de escorrentía, en donde la cuenca
manejada (Rcm) supera en un 15% a la cuenca sin manejo (Rsm) (panel A3); en el análisis de caudales
diarios asociados a todo el rango de probabilidades de excedencia, con diferencias que crecen a medida
que la probabilidad aumenta, llegando a valores de un 50% (panel B3); en el análisis de curvas de recesión
y agotamiento en períodos sin recarga, en donde las diferencias llegan a un 60% en los meses entre
octubre y marzo, y además se observa una menor tasa de decaimiento del caudal para la cuenca manejada
(panel C3); en el análisis de las componentes estacionales del hidrograma, llegando a diferencias de un
30% en verano (diciembre‐enero‐febrero) para la componente de flujo base y para el caudal total (panel
D3); en el análisis de las componentes mensuales del hidrograma, llegando a valores de un 50% en febrero
para las componentes de flujo base y escorrentía directa (panel E3); y en el análisis de las componentes del
hidrograma frente a eventos de tormenta, en donde se observan mayores coeficientes de escorrentía (de
la componente de flujo base y de escorrentía directa) para la cuenca manejada, sin embargo, la dispersión
de los datos no permite establecer relaciones consistentes entre los coeficientes (panel F3).
Los resultados muestran que la cuenca manejada presenta consistentemente una mayor generación de
escorrentía que la cuenca control, sin embrago, la magnitud de estas diferencias depende de la escala
temporal, la época del año y el tipo de análisis efectuado. Se observa que existe un aumento de estas
diferencias en los meses de verano y al analizar los caudales bajos de la serie (entre un 30% y un 60%
dependiendo del análisis que se realice). Esto indica que mediante esquemas adecuados de manejo, se
lograría compatibilizar la producción maderera de un bosque nativo de renovales con la producción hídrica
de la cuenca, asegurando el abastecimiento de caudales en épocas de poca recarga. Además, este
aumento en producción no sería tan notorio en épocas de invierno, cuando se producen las mayores
crecidas (las diferencias varían entre un 5% a un 15% dependiendo del análisis que se realice).
La disminución de diferencias en la generación de escorrentía en los meses de invierno podría estar
asociada a que los bosques pierden sus hojas en este período, produciendo una mayor similitud de las
cuencas de renovales en términos de intercepción, y por lo tanto de precipitación efectiva, de infiltración,
almacenamiento y niveles de humedad del suelo. Además, la evapotranspiración en estos meses de
dormancia disminuye con respecto a los meses de verano. En verano en cambio, las diferencias en
términos de intercepción y evapotranspiración aumentan, desfavoreciendo la generación de escorrentía
de la cuenca control.
95
Principales resultados comparación bosque adulto alterado ‐ prístino:
En relación a las comparaciones realizadas para las cuencas con cubierta de bosque adulto (paneles A2, B2,
C2, D2, E2 y F2 del cuadro resumen de la Figura 6‐1), se observa una relación inversa entre el área basal
del bosque y la generación de escorrentía para todos los análisis realizados salvo para los análisis asociados
a caudales bajos de la serie de tiempo, a los meses de verano y a períodos sin recarga.
El análisis de la producción mensual de escorrentía muestra que la cuenca intervenida (Tran) supera en un
14% a la cuenca de bosque adulto prístino (Enc) (panel A2); el análisis de caudales diarios asociados a todo
el rango de probabilidades de excedencia muestra mayores caudales para la cuenca intervenida (Tran) en
el rango entre 0% y 50%, con diferencias de hasta un 30%, y mayores caudales para la cuenca de bosque
prístino (Enc) en el rango entre 50% y 100%, con diferencias de hasta un 60% (panel B2); el análisis de
curvas de recesión y agotamiento en períodos sin recarga muestra caudales de Tran 25% menores a los
caudales de Enc y una mayor tasa de decaimiento (panel C2); el análisis de las componentes estacionales
del hidrograma entrega mayores caudales para la cuenca alterada, con diferencias de entre un 0% a 5% en
verano (diciembre‐enero‐febrero) para las componentes de flujo base y escorrentía directa, y hasta 30%
en invierno y primavera (panel D2); el análisis de las componentes mensuales del hidrograma muestra la
máxima diferencia (45%) de caudales total, base y de escorrentía directa de Tran con respecto a Enc en el
mes de octubre y la máxima diferencia (40%) de caudales de Enc con respecto a Tran en los meses de
enero y febrero (panel E2); y el análisis de las componentes del hidrograma frente a eventos de tormenta
entrega coeficientes de escorrentía de caudal base y escorrentía directa 25% mayores para la cuenca
alterada (panel F2).
Al igual que para el análisis comparativo de las cuencas de bosque de renovales, la magnitud de las
diferencias encontradas depende de la escala temporal, la época del año y el tipo de análisis efectuado,
pero además, el signo de estas diferencias también depende de estos factores. Se observa que la cuenca
alterada genera mayores caudales de crecida (paneles B2, F2) y durante los meses de invierno y primavera
(paneles D2, E2), lo que constituye una relación inversa entre el área basal del bosque y la generación de
escorrentía en estos períodos, sin embargo, para rangos altos de probabilidad de excedencia, en períodos
de recesión y en épocas de verano, los caudales de la cuenca de bosque prístino superan a los de la cuenca
alterada (paneles B2, C2, E2), lo que constituye una relación positiva entre el área basal del bosque y la
generación de escorrentía en estos períodos. Esto indica que una alteración sin criterio silvícola de un
bosque nativo adulto no lograría compatibilizar la producción maderera con la producción hídrica de la
cuenca, ya que se experimentaría una disminución de caudales en épocas de menor recarga.
Principales resultados comparación bosque adulto ‐ bosque de renovales:
Al contrario de las relaciones encontradas en las comparaciones entre cuencas con cubiertas de bosque de
la misma edad, las comparaciones efectuadas entre la cuenca de bosque adulto prístino (Enc) y la cuenca
de bosque de renovales sin manejo (Rsm) (paneles A4, B4, C4, D4, E4 y F4 del cuadro resumen de la Figura
6‐1) entregan en general una relación inversa entre el área basal del bosque y la generación de
escorrentía. Así, la cuenca Enc, cuya área basal es un 61% mayor a la cuenca Rsm, presenta mayores
caudales para todos los análisis efectuados. Esto se explicaría por el mayor consumo de agua asociado a
bosques jóvenes en comparación a bosques adultos.
96
Los resultados de este análisis comparativo muestran que la producción mensual de escorrentía del
bosque adulto Enc supera en un 18% al bosque de renovales Rsm (panel A1); el análisis de caudales diarios
asociados a probabilidades de excedencia muestra caudales entre 0 y 25% mayores para la cuenca de
bosque adulto Enc, para todo el rango de probabilidades salvo para ciertos días asociados a probabilidades
entre 90% y 100% (panel B1); el análisis de curvas de recesión y agotamiento en períodos sin recarga
muestra caudales mayores para Enc, con diferencias de un 15% en los meses de abril‐septiembre y de
hasta un 60% en los meses de octubre‐marzo, y una menor tasa de decaimiento (panel C1); el análisis de
las componentes estacionales del hidrograma entrega mayores caudales para la cuenca de bosque adulto,
con diferencias de un 5% en invierno (diciembre‐enero‐febrero) para las componentes de flujo base y
escorrentía directa, y hasta 30% en verano (panel D1); el análisis de las componentes mensuales del
hidrograma muestra la máxima diferencia (55%) de caudales total, base y de escorrentía directa de Enc con
respecto a Rsm en el mes de febrero y la mínima diferencia (10%) en marzo y abril (panel E1); y el análisis
de las componentes del hidrograma frente a eventos de tormenta entrega coeficientes de escorrentía de
caudal base 20% mayores para la cuenca de bosque adulto (panel F1).
A partir de estos resultados se comprobaría que aún cuando el bosque adulto presenta una mayor área
basal y diámetro medio, la alta densidad asociada al bosque de renovales, junto con la mayor demanda de
agua que estos árboles presentan en su etapa de crecimiento (Iroumé y Huber, 2002), conlleva a una
mayor producción de escorrentía superficial mensual del bosque adulto, especialmente en los meses de
verano y en períodos sin recarga, en donde las diferencias llegan a órdenes de un 60%. Con esto también
se establece que la relación entre el área basal de bosques de distinta edad y la generación de escorrentía
superficial mensual no es consistente con las relaciones que se dan al analizar bosques de la misma edad,
bajo distintos tipos de manejo.
97
7 C O N C L U S I O N E S
La creciente preocupación por la disponibilidad y el manejo sustentable de los recursos hídricos, así como
la imperativa necesidad de conservar los bosques nativos, al tiempo de seguir desarrollando la actividad
forestal de nuestro país, posicionan la línea de investigación desarrollada de esta tesis en un ámbito en
donde confluyen diversas disciplinas e intereses.
Uno de los objetivos principales de la línea de investigación dentro de donde se enmarca esta tesis, es
ampliar la valoración del bosque nativo a disciplinas como la hidrología y colaborar con un entendimiento
transversal de la interacción entre la cobertura de bosque y el ciclo hidrológico, de manera de avanzar
hacia la cuantificación de los servicios ecosistémicos asociados al bosque nativo. Para esto, en la presente
investigación, se desarrollaron técnicas que buscan caracterizar hidrológicamente las cuencas con distintas
coberturas de bosque nativo, de manera de poder atribuir los resultados en cuanto a la generación de
escorrentía total, directa y flujo base, a las características que diferencian estas coberturas. Esta atribución
única a las características de los bosques que cubren cada cuenca, tiene una hipótesis fuerte que es el
suponer que los pares de cuenca con cubierta de bosques de la misma edad, producirían la misma
escorrentía si no estuviesen intervenidas. Este supuesto no se puede verificar ya que no existen registros
previos a las intervenciones realizadas.
Durante la investigación se desarrolló un análisis de los errores asociados a las bases de datos diarias y
horarias de caudal, a partir del cual se decidió descartar la base de datos horarios por tener asociados
errores muy altos (capítulo 4.1). Esto implicó desechar datos que hubiesen aportado valiosa información
en los análisis efectuados, especialmente en los análisis de eventos de tormentas, en donde la variación
diaria del caudal juega un rol fundamental en la cuantificación de las componentes de la escorrentía.
Además, se desaprovecha el material, el tiempo y los fondos invertidos en el monitoreo de estas cuencas.
Es por esto que se recomienda encarecidamente elaborar programas de monitoreo que cuenten con una
calibración periódica de los instrumentos de medición mediante aforos. Los análisis mensuales,
estacionales y de curvas de recesión y agotamiento sin embargo, se considera que no están fuertemente
influidos por la variabilidad diaria de los caudales, por lo que sus resultados se consideran consistentes,
aún al estar efectuados en base a caudales instantáneos.
Con respecto a las técnicas implementadas para el análisis hidrológico de las cuencas, se distinguen tres
procedimientos fundamentales que determinan directamente los resultados analizados: el análisis de
curvas de recesión y agotamiento, la separación de la componente de flujo base de la serie de caudales
totales, y la separación de tormentas.
La principal debilidad del proceso de análisis de curvas de recesión y agotamiento, es la distinción del
punto asociado al fin de una curva y el comienzo de la otra. Para lidiar con esta dificultad, y dado que en
las curvas de decaimiento seleccionadas no se distinguía claramente un cambio de pendiente que indicara
la posición de este punto, se optó por respetar la cuasi‐linealidad de las curvas de decaimiento, y hacer un
análisis estacional de los índices de decaimiento, duraciones, y días después del peak asociados al inicio de
cada curva. De esta manera se estableció que las curvas representativas del descenso del flujo base (curvas
98
de agotamiento) de una cuenca eran las del período de primavera‐verano, y las representativas del
descenso de la escorrentía directa (curvas de recesión), las del período de otoño‐invierno.
Con respecto a la separación de la componente de flujo base, la técnica utilizada tiene la ventaja de que se
aplica directamente a la serie completa de caudales totales. Esto se hace a partir de la constante calibrada
en el análisis de curvas agotamiento, para el período de primavera‐verano. El gran inconveniente que tiene
el filtro implementado, es la suposición de un comportamiento lineal del almacenamiento de la cuenca. Y
si bien las curvas de agotamiento modeladas para el período de primavera‐verano presentan un
decaimiento prácticamente lineal, se recomienda hacer un modelamiento como embalse no lineal, de
manera de implementar un filtro de separación de flujo base bajo este supuesto. Así se podría hacer una
comparación de resultados y estimar de esta manera, qué supuesto es más adecuado para la modelación
de estas cuencas.
Con respecto a la técnica de separación de tormentas, se estableció una metodología en donde la
separación quedó sujeta únicamente al análisis de almacenamiento de las cuencas. Para esto se relacionó
el tiempo de duración de las recesiones de invierno, con un tiempo característico de cada cuenca, que
indicara la independencia entre dos eventos de tormenta. Este tiempo característico es determinante en
las tormentas resultantes. A pesar de la subjetividad inherente en la metodología propuesta (en cuanto a
la elección del tiempo característico, y a la posibilidad que tiene el usuario de modificar tormentas a partir
de un análisis visual), se estima que la metodología implementada llevó a buenos resultados en cuanto a
las tormentas seleccionadas. Sin embargo, la falta de datos horarios obligó a determinar coeficientes de
escorrentía a partir de datos instantáneos (obtenidos de la lectura diaria de la regleta del vertedero
triangular), perdiendo la información de la variabilidad diaria de los caudales.
Los resultados de esta investigación son consistentes con los encontrados en diversos estudios en donde
se ha concluido que una disminución de la cobertura de bosque produciría un aumento en la generación
de escorrentía de cuencas experimentales. Esta consistencia se observa en las relaciones inversas
encontradas entre el área basal de los bosques y las componentes de caudal total, base y de escorrentía
directa durante eventos de tormenta, a nivel mensual y estacional, para las comparaciones entre cuencas
de bosques de la misma edad con distinto tipo de intervención, y entre la cuenca de praderas y de bosque
de renovales.
Sin embargo, estos resultados difieren de los encontrados en la literatura al hacer las comparaciones entre
cuencas con bosques nativos de distintas edades. Por ejemplo, el bosque de renovales sin intervención,
con menor área basal, tiene asociado una menor generación de escorrentía que el bosque adulto, lo que
entrega una relación positiva entre área basal y generación de escorrentía. Así, se incorpora la edad del
bosque como factor determinante en el análisis, dadas las diferencias significativas en intercepción y
evapotranspiración asociadas a las distintas edades. También se encuentran nuevos resultados al reducir la
escala temporal de análisis, ya que al analizar los caudales bajos de la serie asociados a períodos continuos
sin recarga de los meses de verano, para ambas cuencas de bosque adulto, la cuenca alterada presenta
una menor generación de escorrentía que la cuenca de bosque adulto prístino, que tiene asociada una
mayor área basal. Estas nuevas relaciones encontradas tienen que ver con el carácter innovador de esta
99
investigación en Chile, que consiste en realizar comparaciones entre cuencas experimentales pequeñas, en
régimen natural, con cubierta de bosques nativos de distinta edad, y en analizar los resultados en escalas
temporales menores a las usualmente estudiadas.
De esta manera se colabora con el avance en la comprensión de los procesos de generación de escorrentía
relacionados con la cobertura de bosque nativo de distintas edades, y permite sentar antecedentes para
futuras investigaciones. Además, se contribuye con un mayor entendimiento de la dinámica que se da en
las cuencas de montañas con cubierta de bosque, las que generalmente corresponden a cuencas
cabeceras, que constituyen una de las fuentes principales de agua de cuencas más grandes, con posibles
asentamientos humanos que dependen fuertemente abastecimiento de agua.
Las relaciones encontradas entre las cuencas de renovales muestran que el manejo forestal de la cuenca
Rcm, además de mejorar la calidad del bosque y producir recurso maderero, aumenta la cantidad de agua
producida por la cuenca, principalmente en épocas verano. Esto se puede utilizar, por ejemplo, de base
argumental para estudios de factibilidad de producción maderera a partir de bosque nativo de renovales
mediante un manejo silvícola y asegurando su conservación, en comunión con una generación de
escorrentía que permita la disponibilidad de agua en épocas estivales. Esta alternativa de producción se
perfila como una buena opción para resolver el conflicto de intereses entre producción y desarrollo, versus
conservación.
Si bien esta investigación aporta con nuevas relaciones que ayudan a una mejor valoración de los servicios
ecosistémicos de los bosques nativos de nuestro país, es necesario realizar más estudios con cuencas
experimentales de pequeña, mediana y gran escala, de manera de establecer relaciones más consistentes,
y así contribuir con herramientas robustas para la toma de decisiones que involucren un manejo
sustentable de los recursos hídricos y forestales.
100
8 B I B L I O G R A F Í A
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ANEXOS
106
Anexo A : ANÁLISIS CURVAS DE RECESIÓN Y AGOTAMIENTO A 1. RESUMEN CURVAS DE DECAIMIENTO SELECCIONADAS
Tabla A. 1: Resumen curvas de decaimiento Prad. ID
decaimiento Fecha peak R2
D (Días)
Prom log(Q) (L/s)
log (Q) inicial (L/s)
DDP (Días)
1 23‐04‐2003 20.051 0.995 13 0.628 0.934 1
2 20‐07‐2003 13.056 0.984 10 1.249 1.547 3
3 23‐08‐2003 18.843 0.993 10 1.011 1.246 1
4 22‐09‐2003 32.104 0.950 12 1.070 1.258 1
5 19‐11‐2003 16.674 0.982 12 1.104 1.396 1
6 11‐12‐2003 21.790 0.998 12 1.003 1.253 1
7 29‐12‐2003 58.603 0.969 26 0.117 0.362 14
8 07‐09‐2004 11.885 0.994 9 1.153 1.500 1
9 16‐11‐2004 17.399 0.995 11 0.791 1.093 2
10 04‐12‐2004 55.989 0.973 16 0.215 0.362 27
11 18‐04‐2005 40.139 0.991 7 0.328 0.398 3
12 06‐06‐2005 10.875 0.973 7 1.345 1.563 6
13 04‐07‐2005 20.309 0.990 11 0.894 1.149 12
14 08‐09‐2005 31.346 0.977 8 0.550 0.681 11
15 24‐11‐2005 8.474 0.995 7 1.440 1.807 3
16 09‐12‐2005 32.806 0.981 14 0.403 0.623 11
17 07‐01‐2006 35.707 0.993 26 0.275 0.653 14
18 12‐08‐2006 10.023 0.998 11 1.220 1.705 1
Tabla A. 2: Resumen curvas de decaimiento Rcm.
ID recesión Fecha peak R2 D
(Días) Prom log(Q)
(L/s) log (Q) inicial
(L/s) DDP (Días)
1 22‐04‐2003 30.804 0.977 8 0.205 0.322 8
3 20‐07‐2003 11.892 0.985 8 1.243 1.490 3
4 22‐08‐2003 18.623 0.993 10 0.953 1.217 1
5 21‐09‐2003 27.328 0.983 13 0.990 1.238 2
6 26‐10‐2003 19.142 0.996 10 0.804 1.025 1
7 19‐11‐2003 15.401 0.989 13 0.973 1.340 1
8 28‐12‐2003 39.653 0.993 20 0.321 0.556 4
10 26‐09‐2004 25.503 0.993 9 0.797 0.968 1
11 03‐12‐2004 27.849 0.998 11 0.604 0.792 1
12 17‐12‐2004 47.249 0.971 8 0.312 0.380 9
14 26‐01‐2005 46.404 0.977 17 0.015 0.204 5
15 12‐04‐2005 36.402 0.968 13 0.186 0.362 3
16 06‐06‐2005 12.453 0.960 9 1.339 1.580 4
17 03‐07‐2005 27.831 0.946 18 1.031 1.258 5
18 08‐09‐2005 33.965 0.960 9 0.645 0.785 9
19 13‐10‐2005 42.791 0.997 13 0.493 0.633 2
20 09‐12‐2005 34.252 0.984 17 0.504 0.771 7
21 10‐01‐2006 44.221 0.991 32 0.221 0.602 10
23 24‐04‐2006 24.397 0.997 7 0.957 1.086 9
107
Tabla A. 3: Resumen curvas de decaimiento Rsm.
ID recesión Fecha peak R2 D
(Días) Prom log(Q)
(L/s) log (Q) inicial
(L/s) DDP (Días)
1 20‐07‐2003 8.900 0.990 10 0.939 1.433 1
2 22‐08‐2003 14.021 0.992 10 0.636 0.987 1
3 21‐09‐2003 20.769 0.992 7 0.539 0.672 8
4 09‐12‐2003 15.234 0.983 11 0.467 0.839 4
5 28‐12‐2003 32.152 0.935 17 ‐0.256 0.000 9
6 04‐05‐2004 18.600 0.974 14 0.214 0.633 1
8 07‐09‐2004 9.004 0.982 8 0.717 1.152 1
9 26‐09‐2004 18.957 0.996 10 0.421 0.663 1
10 16‐11‐2004 14.916 0.979 10 0.251 0.591 3
11 03‐12‐2004 20.114 0.991 10 0.258 0.462 1
12 12‐04‐2005 28.629 0.943 14 ‐0.082 0.176 4
13 09‐09‐2005 24.674 0.947 11 0.144 0.380 6
14 08‐12‐2005 20.028 0.967 14 0.133 0.519 5
15 07‐01‐2006 31.671 0.977 30 ‐0.199 0.342 9
16 21‐04‐2006 23.162 0.991 8 0.475 0.623 9
17 12‐08‐2006 21.623 0.940 10 0.310 0.580 7
18 17‐11‐2006 20.494 0.944 12 0.179 0.462 1
Tabla A. 4: Resumen curvas de decaimiento Tran.
ID recesión Fecha peak R2 D
(Días) Prom log(Q)
(L/s) log (Q) inicial
(L/s) DDP (Días)
3 20‐07‐2003 7.976 0.998 5 0.900 1.146 6
4 07‐08‐2003 9.719 1.000 6 0.789 1.045 3
5 21‐09‐2003 18.608 0.995 6 0.587 0.716 9
6 19‐11‐2003 9.845 0.994 8 0.577 0.934 6
7 12‐12‐2003 15.594 0.999 11 0.714 1.041 1
8 29‐12‐2003 14.768 0.997 13 0.179 0.556 1
9 06‐08‐2004 18.018 0.987 8 0.516 0.699 1
10 07‐09‐2004 8.896 0.990 10 0.784 1.318 1
11 26‐09‐2004 16.296 0.997 10 0.532 0.799 1
12 16‐11‐2004 10.972 1.000 10 0.367 0.778 2
13 03‐12‐2004 15.113 0.994 9 0.225 0.491 2
14 19‐12‐2004 28.778 0.966 12 ‐0.012 0.146 5
15 06‐06‐2005 6.360 0.993 5 0.951 1.253 8
16 08‐09‐2005 7.401 0.993 10 0.755 1.356 1
17 15‐10‐2005 27.638 0.968 12 ‐0.029 0.204 5
18 09‐12‐2005 13.362 0.997 9 0.124 0.431 7
19 07‐01‐2006 33.007 0.937 18 ‐0.343 ‐0.046 19
21 12‐08‐2006 19.069 0.956 6 0.541 0.690 6
108
Tabla A. 5: Resumen curvas de decaimiento Enc.
ID recesión Fecha peak R2 D
(Días) Prom log(Q)
(L/s) log (Q) inicial
(L/s) DDP (Días)
2 20‐07‐2003 14.778 0.974 5 1.916 2.059 4
3 19‐11‐2003 14.281 0.998 9 1.601 1.877 5
4 12‐12‐2003 19.875 0.994 11 1.649 1.913 1
5 11‐07‐2004 14.711 0.995 7 1.807 2.006 4
6 04‐08‐2004 19.547 0.994 7 1.370 1.535 4
7 08‐09‐2004 9.974 0.993 6 1.915 2.180 1
8 15‐11‐2004 15.952 0.980 11 1.359 1.610 3
9 09‐04‐2005 27.510 0.966 15 0.975 1.255 6
10 06‐06‐2005 11.477 0.996 4 1.694 1.828 10
11 10‐07‐2005 22.342 0.996 4 1.158 1.228 12
12 09‐09‐2005 17.357 0.991 10 1.143 1.420 9
13 07‐01‐2006 31.283 0.993 40 0.712 1.425 11
14 10‐03‐2006 21.870 0.998 13 1.105 1.377 17
15 21‐04‐2006 19.469 0.996 14 1.421 1.760 7
16 12‐08‐2006 11.608 0.990 10 1.989 2.358 1
18 15‐10‐2006 15.724 0.998 12 1.575 1.921 1
19 04‐11‐2006 24.671 0.961 25 0.814 1.322 16
20 03‐01‐2007 24.913 0.983 20 0.728 1.117 6
21 17‐02‐2007 36.372 0.968 16 0.315 0.556 1
109
A 2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ÍNDICE DE DECAIMIENTO K
(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
Figura A. 1: Relación (a) K vs promedio log(Q),
(b) K vs log(Q) inicial, K vs Duración. Prad
Figura A. 2: Relación (a) K vs promedio log(Q),
(b) K vs log(Q) inicial, K vs Duración. Rcm
R2 = 0.789
0
20
40
60
80
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0P ro medio lo g(Q) (L/ s)
R2 = 0.7618
01020304050
0.0 0.5 1.0 1.5P ro medio lo g(Q) (L/ s)
R2 = 0.8228
0
20
40
60
80
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0lo g(Q) (L/ s) inic ia l
R2 = 0.7658
01020304050
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0lo g(Q) (L/ s) inicial
R2 = 0.4138
0
20
40
60
80
0 10 20 30D uración (D ía)
R2 = 0.2344
01020304050
0 10 20 30 40D uración (D ía)
110
(a) (a)
(b) (b)
(c) (c) Figura A. 3: Relación (a) K vs promedio log(Q),
(b) K vs log(Q) inicial, K vs Duración. Rsm
Figura A. 4: Relación (a) K vs promedio log(Q),
(b) K vs log(Q) inicial, K vs Duración. Tran
R2 = 0.7813
0
10
20
30
40
-0.5 0.0 0.5 1.0P ro medio lo g(Q) (L/ s)
R2 = 0.6823
0
10
20
30
40
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5P ro medio lo g(Q) (L/ s)
R2 = 0.8286
0
10
20
30
40
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0lo g(Q) (L/ s) inic ia l
R2 = 0.7893
0
10
20
30
40
-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5lo g(Q) (L/ s) inic ial
R2 = 0.3931
0
10
20
30
40
0 10 20 30 40D uración (D ía)
R2 = 0.4276
0
10
20
30
40
0 5 10 15 20D uración (D ía)
111
(a)
(b)
(c)
Figura A. 5: Relación (a) K vs promedio log(Q),
(b) K vs log(Q) inicial, K vs Duración. Enc
R2 = 0.8551
0
10
20
30
40
0.0 1.0 2.0 3.0P ro medio lo g(Q) (L/ s)
R2 = 0.7623
0
10
20
30
40
0.0 1.0 2.0 3.0lo g(Q) (L/ s) inic ia l
R2 = 0.4546
0
10
20
30
40
0 20 40 60D uración (D ía)
112
Anexo B : SEPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TORMENTAS B 1. DESCRIPCIÓN PROGRAMA DE SEPARACIÓN Y ANÁLISIS DE TORMENTAS
Selección inicio/fin de cada tormenta
Como se mencionó en el capítulo 4.6, la independencia entre un evento de tormenta y otro se define en
relación a un tiempo mínimo de ocurrencia entre ambos, denominado tiempo característico de la cuenca
(T):
“Dos eventos son independientes, si el tiempo entre un peak local de la serie de caudales y el comienzo de
la curva concentración asociada al siguiente peak es mayor al tiempo característico de la cuenca”.
En base al análisis de curvas de recesión y agotamiento (capítulo 5.5) se concluye que las curvas
seleccionadas en el período abril‐septiembre son representativas de curvas de recesión (decaimiento de
escorrentía directa) y que las curvas seleccionadas en el período octubre‐marzo son representativas de
curvas de agotamiento (decaimiento de flujo base). A partir de esto se propone que el tiempo
característico que determina la independencia entre un evento de tormenta y otro para cada cuenca, se
establezca como un tiempo asociado a las duraciones de las curvas de decaimiento analizadas para el
período abril‐septiembre.
En forma gráfica esto se puede esquematizar como:
Figura B. 1: Independencia entre dos eventos de tormenta
El programa implementado en MATLAB para la selección de inicio y fin de los eventos de tormenta se
denomina ETAPA 1 y tiene las siguientes características:
ETAPA 1
Esta etapa consiste seleccionar las fechas de inicio y fin de los eventos de tormenta, para cada cuenca, a
partir de la serie de caudales totales diarios. Los pasos específicos a seguir se detallan a continuación:
peak local
min local
minlocal
peak local
ΔT > T ? ΔT > T ?
113
1. Utiliza como input: una base de datos de caudal total diario (L/s), una base de datos de caudal base
diario (L/s), una base de datos de precipitación diaria (mm), el área de cada cuenca (ha), el tiempo
característico de cada cuenca (Días).
2. El usuario debe ingresar las bases de datos de caudal, precipitación, áreas y tiempos característicos.
3. Se grafican todos los máximos y mínimos locales de cada una de las series de caudales, y se destacan
los mínimos que son candidatos a ser “fin de tormenta”, es decir, que cumplen con la condición de
estar T días después del último peak. Los gráficos generados se guardan en la carpeta
“I_MinMax_SerieCompleta”.
114
4. Una vez que se tienen los “fin de tormenta” seleccionados, una tormenta se define como el hidrograma
que queda entre dos “fin de tormenta” consecutivos. El usuario debe decidir si quiere hacer un análisis
visual de las tormentas seleccionadas.
Este análisis permite modificar el fin seleccionado de cada tormenta o derechamente eliminar la
tormenta. El programa recorre la serie completa de caudales destacando la tormenta que se está
analizando y da la opción de conservar la tormenta.
Si se decide conservar la tormenta, el programa ofrece cambiar el final por algún candidato a fin de
más adelante.
5.
Un esq
El criterio u
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116
Modificación tormentas seleccionadas
El procesamiento y modificación de las tormentas seleccionadas en la ETAPA 1, se desarrollan en las ETAPA
2, 3 y 4 del programa. A continuación se describe cada una de ellas:
ETAPA 2
Esta etapa consiste en generar los hidrogramas de tormentas asociados a los puntos de inicio y fin
determinados en la ETAPA 1 y calcular sus parámetros asociados. Los pasos específicos a seguir se detallan
a continuación:
1. Utiliza como input: los resultados de la ETAPA 1, una base de datos de caudal total diario (L/s), una base
de datos de caudal base diario (L/s), una base de datos de precipitación diaria (mm), el área de cada
cuenca (ha), el tiempo característico de cada cuenca (Días). En esta etapa se podrá trabajar con la base
de datos diarios que se desee (lecturas diarias, filtro diario, etc.).
2. A partir de los datos de inicio/fin heredados de la ETAPA 1, se recorre la base de datos ingresada y se
grafican las tormentas resultantes por separado. Estos gráficos que se guardan en las carpetas
“II_Tormentas_iniciales_#nombrecuenca#_#tipo de variable Q#_T_#valor de T#_días”. De esta manera,
para cada cuenca se genera una carpeta que contiene todas sus tormentas inicialmente seleccionadas.
Adicionalmente, se calculan los parámetros descritos en la Tabla 4‐2 asociados a cada tormenta, se
117
grafican y se guardan en la carpeta “II_Parametros_Tormentas_iniciales_#nombrecuenca#_#tipo de
variable Q#_#nombre arreglo *.mat heredado de la etapa 1#”. El usuario debe decidir si guardar las
variables calculadas en esta etapa (en un arreglo *.mat), para su posterior análisis en la ETAPA 3.
ETAPA 3
Esta etapa consiste analizar la consistencia de las tormentas seleccionadas y almacenadas en la ETAPA 2.
Esto se hace a partir de un análisis del comportamiento del flujo base dentro de la tormenta, de la
existencia de datos de precipitación, etc. Los pasos específicos a seguir se detallan a continuación:
1. Utiliza como input: los resultados de la ETAPA 2. Este arreglo contiene todas las variables almacenadas
en la ETAPA 2. En esta etapa no se pide al usuario que cargue una nueva base de datos de caudales, ya
que ésta estará dada por lo resultados de la etapa anterior.
118
2. Primer procesamiento de las tormentas seleccionadas inicialmente, consistente en verificar la relación
entre el caudal total y el caudal base, al final de cada tormenta. Se pide al usuario ingresar una
diferencia mínima aceptable entre estos valores (DifMaxQTQB). A partir de este criterio, se ofrece al
usuario modificar el final de una tormenta, de manera de unirla con la tormenta siguiente. Esta
modificación se haría en el caso de que el flujo base vaya por debajo del caudal, más de lo aceptable, lo
que daría cuenta de una tormenta que, en términos de caudal de escorrentía directa, aún no ha
terminado.
El programa en este punto recorre cada tormenta seleccionada, para cada cuenca, y verifica si cumple
la condición: QT‐QB < DifMaxQTQB. En caso de que no cumpla esta condición, se ofrece unir la
tormenta analizada, con la tormenta siguiente, en el caso de que éstas sean consecutivas. El valor de la
diferencia máxima aceptable queda a criterio del usuario, pero se recomienda probar con distintos
valores.
Una vez que se recorren todas las tormentas de cada cuenca, se almacenan los nuevos datos y se
grafican las nuevas tormentas, incorporando las modificaciones que se hayan hecho.
ETAPA
Segund
de elim
una an
posteri
propon
‐
‐
‐
Un esq
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120
Análisis parámetros tormentas
En las etapas 2, 3 y 4 descritas anteriormente, para cada set de tormentas seleccionado, se determinan los
parámetros resumidos en la Tabla 4‐2. Esta parte del proceso consiste en el análisis de dichos parámetros.
B 2. RESULTADOS ETAPA 1
A partir de la metodología expuesta en el Anexo B 1, y utilizando el programa denominado ETAPA 1, se
determinan los puntos de inicio y fin de los eventos de tormentas de cada una de las cuenca, para los
tiempos característicos asociados a la mínima duración de las curvas de decaimiento del período abr‐sep
(Tmín) y para el promedio de las duraciones (Tmed). Este proceso se desarrolla para la serie de caudales
diarios filtrados con una media móvil de 5 días. Se opta por no modificar los finales de las tormentas en
esta etapa.
En la Figura B. 2 se muestran las series completas con los máximos y mínimos seleccionados por cuenca y
por tiempo característico utilizado.
Figura B. 2: Máximos y mínimos seleccionados.
121
Continuación Figura B.2: Máximos y mínimos seleccionados.
122
Continuación Figura B.2: Máximos y mínimos seleccionados.
123
B 3. RESULTADOS ETAPA 2
A partir de la metodología expuesta en el Anexo B 1, y utilizando el programa denominado ETAPA 2, se
generan las tormentas asociadas a los puntos de inicio y fin de la ETAPA 1 y se determinan los parámetros
correspondientes. Esto se hace para cada cuenca, para cada base de datos, y para cada T utilizado (Tmín,
Tmed).
En la Tabla B. 1 se resume el número de tormentas generadas a partir de los resultados de la ETAPA 1,
para cada tiempo característico utilizado.
Tabla B. 1: Número de tormentas seleccionadas inicialmente. Resultados ETAPA 2
Cuenca Número de tormentas
seleccionadas T mín T med
Prad 43 9Rcm 39 10Rsm 24 12Tran 30 20Enc 37 12
El número de tormentas seleccionadas en esta etapa es independiente a la base de datos que se utilice, ya
que las fechas de inicio y fin vienen dados por el análisis de la ETAPA 1. Pero los sets de tormentas
generados sí son distintos, ya que provienen de distintas bases de datos. En la Tabla B. 2 se resumen los
sets generados en esta etapa.
Tabla B. 2: Set de de tormentas ETAPA 2. Set Tcarac asociado (días) Q asociado (L/s) Nomenclatura
Parámetros Tmed Qfiltrado IV_Etapa3_Tmed_Qfiltrado 7 9 11 18 11* Para las cuencas Prad y Rcm la nomenclatura es Parámetros Tmin Qdiario Etapa 2 y Parámetros Tmin
Qdiario Etapa 3 según el set que se esté analizando
** Para las cuencas Prad y Rcm la nomenclatura es Parámetros Tmin Qfiltrado Etapa 2 y Parámetros Tmin
Qfiltrado Etapa 3 según el set que se esté analizando
El color indica que se trata del mismo set de parámetros.
El análisis de los sets de parámetros resumidos en la Tabla B. 5 permite estudiar el comportamiento de
respuesta de cada cuenca frente a eventos de precipitación, lo que da indicios de los mecanismos que
rigen sobre cada cuenca, que pueden ser asociados a la diferencia de cobertura de bosque.
Para analizar los parámetros de las tormentas de las distintas, primero es necesario analizar cada cuenca
por separado, y verificar si es que existen correlaciones significativas entre parámetros. Una vez se tengan
establecidas estas relaciones, que físicamente tienen que ver con los mecanismos de respuesta, se pueden
establecer comparaciones entre las distintas cuencas.
Como primer análisis se propone relacionar los parámetros de la Tabla 4‐2: QT, QB, QD, PP y D. Se opta por
no relacionar parámetros en función de la intensidad de la tormenta (I), ya que este parámetro, calculado
como el cuociente entre la precipitación total (PP) y la duración de ésta (D) esconde el efecto separado que
puede tener la magnitud de PP y de D.
Este análisis se hace gráficamente para tríos de parámetros, para cada set de datos, para cada cuenca. Una
vez que se establecen las relaciones y se analizan los comportamientos de los parámetros, se analizan
relaciones entre dos variables, de manera de establecer correlaciones lineales simples, comparables entre
las distintas cuencas.
En las Figura B. 10 y B. 12 se muestran los gráficos generados para los sets Parámetros Tmin Qdiario para la
cuenca Rsm a modo de ejemplo. En general, la relación entre parámetros es consistente para todas las
cuencas.
131
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura B. 10: Gráficos 3D‐Burbujas: QT ‐QB ‐QD vs D vs PP, QT/PP‐QB/PP‐QD/PP vs D vs PP
Set Parámetros Tmin Qdiario Rsm.
132
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura B. 11: Gráficos 3D‐Burbujas: QT ‐QB ‐QD vs D vs PP, QT/PP‐QB/PP‐QD/PP vs D vs PP
Set Parámetros Tmin Qdiario Rsm.
133
A partir de un análisis de los gráficos de las Figura B. 10 y B. 12 se observa que el cuociente de caudal y
precipitación en función de los parámetros D y PP (paneles (b), (d) y (f)) no entregan buenas correlaciones.
Los paneles de la izquierda ((a), (c) y (e)) sin embargo, entregan buenas correlaciones para los caudales en
función de los parámetros D y PP, siendo éste último parámetro el que genera la mejor correlación. En los
paneles (a), (c) y (e) de la Figura B. 11, se ve que existe una fuerte correlación lineal para los tres caudales
analizados en función de PP, y que al mismo tiempo, se da una configuración de tamaños y colores que
indica que también existe una correlación lineal positiva con D. Sin embargo, en los paneles (a), (c) y (e) de
la Figura B. 10 se observa que dicha correlación no es tan fuerte. El caudal total, base y el de escorrentía
directa tienen una relación principalmente lineal con la precipitación, lo que es coherente con los modelos
conceptuales más utilizados en la generación de escorrentía. Esto se desprende del análisis de los gráficos
del resto de las cuencas también.
Debido a todo lo anterior se opta por comparar las relaciones lineales entre QT, QB y QD con la PP, para las
todas las cuencas estudiadas.
B 6. CLASIFICACIÓN DE TORMENTAS
Para fortalecer el análisis y estudio de las componentes de los hidrogramas de tormenta, para distintas
épocas del año (clasificación por fecha) y para distintas condiciones iniciales de humedad (clasificación por
humedad antecedente), se propone estudiar los parámetros que relacionan los caudales base y de
escorrentía directa, con el caudal total asociado a la tormenta (QB/QT y QD/QT respectivamente). Estos
parámetros tienen la ventaja de que son independientes del área de la cuenca, lo que elimina un fuente de
error importante, y los hace directamente comparables entre las distintas cuencas.
1. Clasificación por fecha
La clasificación según la época del año (o clasificación por fecha), tiene por objetivo relacionar las
respuesta de las cuencas con la caída de las hojas de los árboles (en el caso de bosques de hoja caduca),
que se produce en los meses de junio, julio, agosto y septiembre, y con las características climáticas de
esos meses. Así, esta clasificación tiene incorporada un análisis estacional de las tormentas.
Esta clasificación agrupa las tormentas en dos grupos: período octubre‐mayo y período junio‐septiembre.
El número de tormentas que caen dentro de cada grupo se resume en la Tabla B. 6.
Tabla B. 6: Número de tormentas seleccionadas clasificación por fecha.