Evaluación de impactos ambientales en Cuencas Hidrográficas a través deSistema de Modelación Hidrológico Europeo (SHETRAN)...
los efectos negativos de las inundaciones.2.2. Objetivos específicos2.2.1.- Transferencia del modelo SHETRAN para proveer ...
PARAMETROS                                  UNIDAD DE MEDICIONArea de la cuenca                           35 há.Longitud c...
De flujo:Caída pluviométrica neta                           mm/hrEvaporación potencial                              mm/hrE...
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Gráfico Nº 1ª A Simulación              Gráfico Nº 1 B Simulación              sin intervención                      con i...
6.- CONCLUSIONES:6.1.- Aplicabilidad del modelo SHETRAN       El estudio de caso de la microcuenca La Reina está demostran...
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Bibliografía:Abbott, M.B., Bathurst, J.C., Cunge, J.A., O´Connell, P.E. y Rasmussen, J 1986. Aninstroduction to the Europe...
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Modelo shetran (2)

  1. 1. Evaluación de impactos ambientales en Cuencas Hidrográficas a través deSistema de Modelación Hidrológico Europeo (SHETRAN), en la Región de los Lagos del Sur de Chile.Héctor Adriazola Smith Samuel Francke CampañaIngeniero E. Agrícola Dr. Ingeniero Forestal1.- INTRODUCCIÓN: En el marco del convenio entre los Gobiernos de Chile y Gran Bretaña, “Manejo deCuencas Hidrogr áficas en Chile: Aplicación y Desarrollo del Sistema Hidrológico Europeo(SHE) a problemas de erosión e inundaciones en Cuencas Vulnerables de Chile”, a través de laUniversidad de Newcastle Upon Tyne y el Instituto de Hidrología, el convenio: CNTR 93 - 2083- A "RIVER BASIN MANAGEMENT, PROJECT CHILE". El Proyecto comprende la transferencia tecnológica del sistema de modelaciónhidrológico europeo y transporte de sedimentos (SHETRAN) a la Corporación Nacional Forestal(CONAF), por medio de las Instituciones Británicas mencionadas anteriormente. El Modelo SHETRAN funciona con parámetros de base física y espacialmentedistribuido, lo que objetiviza el proceso de medición, al utilizar leyes universales, a diferencia delos modelos empíricos tradicionalmente empleados. El modelo SHETRAN ha sido aplicado ampliamente en Cuencas Hidrográficas de lospaíses de la Comunidad Económica Europea y algunos Estados de Norteamérica, con el objeto decontar con una herramienta de apoyo a la toma de decisiones en evaluaciones de impactoambiental y en el monitoreo de medidas de mitigación ambiental en lo que respecta a procesos deescurrimiento superficial, erosión, sedimentación y eutroficación, entre otros. Además, secontempla los componentes de migración y transporte de contaminantes. Con el objeto de calibrar el modelo, lograr su desarrollo y validación en la zona sur delpaís, se seleccionó una Cuenca Experimental representativa, que servirá de modelo para evaluarimpactos ambientales de intervenciones forestales en el ciclo hidrológico de zonas de altapluviometría (2500 mm anuales), de suelos volcánicos frágiles y altamente susceptibles a laerosión.2.- OBJETIVOS DE LA MODELACION HIDROLOGICA FORESTAL MEDIANTESHETRAN2.1 Objetivos generales2.1.1- Apoyar los planes de desarrollo regional y nacional a través del uso de tecnologías de modelación de última generación.2.1.2.- Evaluar los impactos ambientales en cuencas hidrográficas con el objeto de mitigar, controlar y evaluar los procesos de erosión y sedimentación, así como también aminorar
  2. 2. los efectos negativos de las inundaciones.2.2. Objetivos específicos2.2.1.- Transferencia del modelo SHETRAN para proveer a la Corporación Nacional Forestal (CONAF) de la capacidad para simular y evaluar impactos de erosión e inundaciones en el manejo de cuencas.2.2.2.- Desarrollo de políticas y lineamientos para balancear los factores económicos y ambientales del manejo de cuencas hidrográficas.2.2.3.- Desarrollar un modelo de simulación de erosión por cárcavas.3.- MATERIAL Y METODOLOGÍA:3.1 MATERIAL: Se seleccionó una microcuenca hidrográfica demostrativa y representativa (55 Km.Noroeste de la ciudad de Osorno) de una superficie de 35 há., en la Cordillera de la Costa(40º20’Latitud Sur y 73º31´ Longitud Oes te), de la Comuna San Juan de la Costa, Provincia deOsorno, Región de Los Lagos, Chile. Los suelos del área corresponden a una transición de rojos arcillosos/volcánicos, quepertenecen a serie de suelos de la Unión y Ñapeco, de buen drenaje, profundos, texturasmoderadamente finas y de alta susceptibilidad a los procesos de erosión y que presentan un usode aptitud preferentemente forestal (clase VII de capacidad de uso). Bioclimáticamente pertenecen a un clima templado costero del tipo Cf según Köppen, conprecipitaciones medias anuales que superan los 2.500 mm. y temperaturas medias anuales de 7ºC. El uso actual del suelo del área: se encuentran cubiertos con plantaciones de Pinus radiatade 24 años de edad, con una altura promedio de 32 metros, de un rodal adulto con una densidadde 850 árboles por há., un área basal de 50 metros cuadrados por há. y sin manejo forestalsilvicultural, se exceptúa la inclusión de una poda de tránsito; esta especie que representan el79.6% de la Cuenca y el 20.4% restante corresponden a cubiertas nativas de protección. Las variaciones altitudinales de la microcuenca hidrográfica oscilan entre una cotamáxima de 253 m.s.n.m. y una cota mínima de 33 m.s.n.m., es decir, un rango de amplitudaltitudinal de 220 m. de desnivel. Las variaciones de las profundidades de los suelos del área, de acuerdo a lasprospecciones realizadas, oscilan entre rangos de 0.5 m a 1.9 m de profundidad, es decir, desuelos moderadamente profundos a muy profundos, respectivamente. Parámetros morfométricos de la microcuenca La Reina, Provincia de Osorno, Región deLos Lagos, 42º Latitud Sur, Chile:
  3. 3. PARAMETROS UNIDAD DE MEDICIONArea de la cuenca 35 há.Longitud cauce principal 1 Km.Pendiente media de la Cuenca 24%Pendiente media del cauce 15%Precipitación máxima en 24 hrs. 120 mmCoeficiente de escorrentía media 0.4Diferencia de cotas altitudinales 220 m.Tiempo de concentración Giandotti 0.52Tiempo de concentración USCS 0.14Caudal mínimo 4 l/seg.Caudal máximo medido 117 l/seg.Superficie cubierta c/pino 27.28 há.Superficie cubierta c/nativas 7.01 há. 3.2.METODOLOGIA 3.2.1.CAMPO: La recolección y obtención de información se lleva a cabo a través de estaciones de aforotipo “flumme”, estación metereológica total (weather station), estaciones de monitoreo desedimentos y limnigráficas, sonda de neutrones, entre otros. Se han efectuado prospecciones específicas de suelo, test de infiltrometría, análisisgranulométricos, determinaciones de niveles de humedad y alturas de napas freáticas. La información se obtiene a través de módulos de almacenamientos “storage model”, queextrae la información de los diversos instrumentos y equipos. 3.2.2 Procesamiento de datos. La información se traspasa a computadores personales y se procesa en estaciones detrabajo “workstation”, que requiere el ingreso de la siguiente información básica:- Soporte (altitudes, cobertura vegetacionles, tipos de suelos)- Intercepción del dosel (tipo de cultivos)- Evaporación (intercepción de Rutter y evapor. de ecuación de Pennam – Monteih).- Canales y escurrimientos (Ecuación de balances de masas y ley de Momentum/fricción).- Modelo unidimensional de zonas no saturadas (Ecuación de Richard).- Modelo de flujo saturado (Ecuación de Bucineg)- Modelo de derretimiento de nieve. En base a los input requeridos por el modelo SHETRAN, el modelo entrega alrededor de40 variables como output:
  4. 4. De flujo:Caída pluviométrica neta mm/hrEvaporación potencial mm/hrEvaporación actual mm/hrEvaporación desde la superficie del suelo mm/hr.Evaporación desde la intercepción almacenada mm/hr.Drenaje desde la intercepción almacenada mm/hrAlmacenamiento en la copa mm/hr.Infiltración mm/hr.Tasa de intercambio de almacenamientoen zona no saturada mm/hr.Profundidad del paquete de nieve metrosTemperatura del paquete de nieve ºCelciusProfundidad del nivel freático bajo lasuperficie metrosFlujo de zona saturada m3/segEscurrimiento superficial m3/segProfundidad del agua superficial metrosIntercambio de flujo entre el canal yacuífero m3/segCara de intercambio de flujo entre canal yacuífero m3/segIntercambio de flujo entre la zona nosaturada y el canal m3/segPresión de la cabecera de la zona nosaturada metrosContenido de agua en la zona no saturada m3/m3 De sedimentos:Profundidad de pérdida/ cama de sedimentos mmConcentración instantáneas de sedimentospromediado sobre el volumen de la superficie deagua en un elemento mg/lTasa de infiltración de partículas finas enla capa superior m3/segTasa de infiltración de partículas finas en lacapas inferior m3/segTasa de erosión superficial mm/díaTasa de erosión lateral de cada banco del arroyo mm/díaTasa de descarga de sedimentos kg/segDescarga neta de sedimentos desde un elemento kg/segFracción de la cama de sedimentos en un grupocontroladoConcentración de los sedimentos en el aguadescargada desde un elemento promediado sobre untiempo controlado mg/lTotal del área de sección cruzada de sedimentos
  5. 5. netos depositados m2 Adicionalmente existe un módulo de migración de contaminantes, que caracteriza losprocesos que ocurren en los recursos suelos e hídricos.5.- ANALISIS DE RESULTADOS:5.1.- Precipitación y evaporación: Los registros de precipitaciones: 1996 965,4 mm; 1997 3.272,0 mm; 1998 1.619,4 mm. 1999 1.173,0 mm 2000 2.557,8 mmLos procesos de evaporación potencial para los períodos estudiados corresponden a 1996 904 mm. 1997 1.721 mm. 1998 2.240 mm.5.3.- Simulación a través del modelo Shetran: A manera de ejemplo de salida gráfica se presenta, en los gráficos adjuntos, los resultadosdel proceso de simulación empleando Shetran para las variables hidrológicas en el períodocomprendido entre 1996 y 1998, de las cubiertas de Pinus radiata sin intervención (gráfico 1° A)y con intervención a tala rasa (gráfico 1° B). Al comparar la situación de los rodales talados (simulaso) y sin talar, se puede observarque las tasas de evaporación desde la superficie del suelo resultan mayores en áreas intervenidasrespecto de las no intervenidas, lo que también se manifiesta en los niveles de precipitacionesnetas y en las variaciones que experimentan los niveles freáticos; lo que se asoc ia también conprocesos de escurrimiento superficial y de erosión en rodales sometidos a tala rasa. En el proceso de simulación a través del modelo Shetran, también se reflejaadecuadamente una mayor tasa de evapotranspiración en cubiertas vegetacionales de Pinusradiata (0,66 mm/hr.) al compararlo con tasas de rodales sometidos a tala rasa (0,05 mm/hr.),donde resultará necesario definir a futuro si los consumos de agua de plantaciones forestales, porevapotranspiración, podrían sobrepasar los aportes de las precipitaciones y las variaciones dealmacenamiento de agua en el suelo.
  6. 6. Gráfico Nº 1ª A Simulación Gráfico Nº 1 B Simulación sin intervención con intervención En gráfico N° 2 se presenta el resultado del proceso de simulación mediante Shetran parauna semana crítica del mes de julio de 1997, donde se representan las variaciones queexperimentan los sedimentos registrado en la desca rga de la microcuenca sometidas aintervención y sin intervención. Si bien los niveles de los caudales registrados en la descarga resultan levementesuperiores en la situación sin bosque, al comparalos con la situación con bosque. En lo querespecta a la carga de sedimentos en la situación con intervención, se registran diferenciasaltamente significativas, que en promedio corresponden a diferencias del órden del 100%,comparando las situaciones de simulación mediante Shetran. Gráfico Nº 2 Simulación de ls descarga de sedimentos
  7. 7. 6.- CONCLUSIONES:6.1.- Aplicabilidad del modelo SHETRAN El estudio de caso de la microcuenca La Reina está demostrando preliminarmente lacapacidad del modelo Shetran de evaluar variaciones climáticas, procesos hidrológicos, procesosde erosión, rendimiento de sedimentación e hídricos. Se ha logrado simular también tendenciasde impactos ambientales por intervenciones forestales en plantaciones de Pinus radiatacosechadas a tala rasa.6.2.- Representación espacial del modelo SHETRAN. En particular la flexibilidad del modelo permite realizar aplicaciones a diferentes escalasespaciales para la representación de mapas temáticos altitudinales, topográficos, edáficos,freáticos y de cobertura vegetacional; los que resultan de alta utilidad para concebir estudios,proyectos y evaluaciones de tipo ambientales.6.3.- Resultados de la simulación mediante Shetran.? El estudio ha demostrado la capacidad de SHETRAN para reproducir el efecto hidrológico, al modelar el caudal con cubierta boscosa tanto a nivel anual como en tormentas individuales, en una cuenca experimental de la Región de Los Lagos.? La utilización de este modelo requiere un adecuado entrenamiento y una mayor experiencia hidrológica que el uso de modelos tradicionales, ya sea para la preparación de datos, calibración del modelo o interpretación de los resultados obtenidos.? Atención considerable debe concentrarse en la provisión de información necesaria para la aplicación del modelo. Esto por que el nivel de certeza en las simulaciones depende de la calidad de la información, lo que involucra un gran número y bien detallado set de parámetros.? La experiencia de la utilización de SHETRAN en la microcuenca experimental, indica sin embargo que la mayoría de los anteceden requeridos por el modelo pueden obtenerse de tes estudios anteriores de similares características o bien desde mediciones de campo.? Los resultados del proceso de calibración señalan un coeficiente de determinación (r2) y un error medio cuadrático (EMC), de 0,9 y 99,3% respectivamente, entre los valores simulados y medidos de caudal.? En el periodo de validación, se determinó que los parámetros calibrados para la microcuenca experimental, sobrestiman el caudal en un 28,4%. Entre los meses de abril y septie mbre la sobrestimación llega a un 37,9%. Mientras que, entre octubre y marzo los parámetros calibrados subestiman el caudal en un 21,3%.
  8. 8. ? Se comprobó la capacidad del modelo de simular la tendencia en el comportamiento de la descarga, tanto en tiempo como en dinámica, de eventos de precipitación individual, entregando una razonable y adecuada representación física del régimen hidrológico de la cuenca estudiada.? Los parámetros más influyentes en las simulaciones del modelo son aquellos que describen las características físicas del suelo. Entre estos destacan la conductividad hidráulica del suelo no saturado (Kuz), la conductividad hidráulica de la zona saturada (Ksz) y el coeficiente de Strickler (Strk ). Los parámetros que describen las características de la vegetación no presentan gran influencia en la sensibilidad de las simulaciones.? Se recomienda la obtención de los primeros por medio de mediciones directas o bien de valores referenciales muy cercanos al área en estudio. Para los parámetros vegetacionales, es factible utilizar solo valores de referencia, los cuales pueden obtenerse en estudios de características similares realizados con anterioridad.? La relación utilizada en el cálculo de evapotranspiración puede originar una variación en los resultados entre caudal simulado y medido. Se sugiere determinar esta relación, tanto para especies nativas como exóticas de importancia forestal en nuestro país.? SHETRAN demuestra la capacidad de proveer una evaluación de los efectos originados en el caudal por cambios en el uso del suelo, ya sea, a nivel anual o bien en eventos individuales. De esta manera se esperan mayores caudales en la situación sin bosque, tanto a escala anual como en tormentas individuales, situación que ha sido confirmada por otros estudios.? El presente estudio se considera satisfactorio y es factible concluir que SHETRAN entrega una representación física razonable del régimen hidrológico, prediciendo el impacto de posibles cambios futuros en esta condición para una microcuenca experimental ubicada en la Región de Los Lagos.6.4.- Etapa actual del Proyecto. El proyecto que se está desarrollando, a contar de mediados de 1996, inicialmente seencuentraba realizando las fases de obtención de muestras, calibración de instrumentos,determinación de parámetros de la cuenca, caracterización de información vegetacional ydasométrica, con el objeto de examinar y caracterizar la línea base de la cuenca hidrográfica sinintervención forestal. Durante 1999 se intervino a tala rasa con, actualmente esta se encuentrareforestada con Eucaliptos Nitens y se esta evaluando computacionalmente las transformacionesocurridas.6.5.- Manejo Hidrológico forestal sostenible. A través del empleo de la herramienta de modelación ambiental, SHETRAN, aplicada aestudios hidrológicos forestales, se busca evaluar los impactos de intervenciones forestales, de talforma de modificar a futuro los sistemas de cosechas de bosques, que logre un equilibrio entre eldesarrollo económico y el desarrollo sostenible de los recursos naturales.
  9. 9. Bibliografía:Abbott, M.B., Bathurst, J.C., Cunge, J.A., O´Connell, P.E. y Rasmussen, J 1986. Aninstroduction to the European Hydrological System – Systeme Hydrologique Europeen, “SHE”Hystory and philosophy of physicalli based distributed modelling system. Journal of Hydrology,Adriazola, H. Francke, S. Moraga, F. Williams, E. Proyecto Shetran, Chile Forestal 260.Bathurst, J.C., O´Connell, P.E. 1992. Future of distributed modelling: The Systeme HydrologiqueEuropeen. Hidrological ProcessCorporación Nacional Forestal. 1992 Aplicación y desarrollo del Sistema Hidrológico Europeo(SHE) a problemas de erosión e inundación de cuencas vulnerables de Chile. Santiago, Chile.Corporación Nacional Forestal. 1997. Informe de reentrenamiento Sistema Hidrológico Europeoen la Universidad de Newcastle upon Tyne. Osorno, Chile.Francke, S. 1996. Medida inglesa para el agua. Chile Forestal 242Francke, S. 1997. Avances y desarrollo en la aplicación de Shetran, Chile Forestal 250Himmelblau, M.D., Bischoff, BK. 1976. Análisis de simulación de procesos. Barcelona, España.Naylor, T. Balintfly, J. Burdick, Chu, 1982. Técnicas de simulación en computadoras.Saez G, Jaime, 1999. Caracterización de la microcuenca Experimental “La Reina”, provincia deOsorno y su apliación al Sistema Hidrológico Europeo (SHETRAN) 105

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