Estudio morfométrico y fisiográfico de la subcuenca hidrológica del río

Quiotepec, Oaxaca (RH28Af), mediante el uso de SIG

Naranjo-Luna, Francisco1, Gorgonio-Ramírez, Montserrat2, Clark-Tapia, Ricardo2

Autor por Correspondencia:

naranjoluna@itsjc.edu.mx

924 24 4 09 94

Área Temática: Ciencias de la Tierra

1Jefatura de Ingeniería Forestal. Instituto Tecnológico Superior de Jesús Carranza. 2Profesor-Investigador en la Universidad de la Sierra Juárez.

Resumen:

Las cuencas hidrográficas son tema importante en lo económico, social y biológico. Por ser fuente y captación de agua, es preciso conocer su morfología y fisiografía como herramienta para plantear un manejo integral. El objetivo de este estudio es calcular los parámetros morfométricos y fisiográficos de la subcuenca del Río Quiotepec en la Sierra Juárez, Oaxaca, obteniendo como resultado un relieve de 5 a 3361 msnm. El área es de 4944.73 km2 y un perímetro de 435.73 km, lo cual la determina como una subcuenca grande. La longitud del cauce principal es de 123.17 km. Los coeficientes de forma son <1, considerándose como una subcuenca de forma alargada y dentro de ella sus microcuencas también. Se delimitaron siete microcuencas mediante el uso de un Modelo Digital de Elevación, la microcuenca menor tiene una superficie de 78 km2 y la mayor de 800 km2. La densidad hidrológica es de 1,090 corrientes distribuidas en nueve órdenes, lo que significa que hay altos niveles de escorrentías y de velocidad de desplazamiento. Es una subcuenca joven de acuerdo a su hipsometría (exponencial). Las pendientes van del 11% al 35%, considerando a estos indicadores erosivos, principalmente de arrastre de sedimentos. Esto permite plantear una recomendación para la gestión integral de esta subcuenca que posibilite el buen uso de los recursos naturales.

PALABRAS CLAVE: Curva hipsométrica, recurso hídrico, Sistemas de Información Geográfica, Modelo

Digital de Elevación.

Abstract:

Watersheds are an important issue in economic, social and biological context, due to they are a catchment water and biodiversity source, therefore it is important to know their morphology and physiographic as tool to propose an integral management. The aim was to calculated morphometric and physiographic parameters in Quiotepec River sub-watershed in Sierra Juarez, Oaxaca. The relief is from 5 to 3361 m. The area is 4944.73 km2 with a perimeter of 435.73 km, which is determined as macro watershed. The mainstream length is 123.17 km. The form factor is <1, therefore it is considered as elongated, as well as, seven micro watershed identified, which were delimitated using an DEM, the minor micro watershed has a surface of 78 km2 and the mayor is

800 km2. The hydrological density is 1090 streams in nine orders, this indicate there are high levels of runoff and displacement velocity. This is a young sub-watershed according to its hypsometry (exponential). The slope range is 11% to 35%, we consider these indicators as erosive, and mainly sediments drag. This study gives a recommendation about integral management in this sub- watershed.

KEYWORDS: Hypsometric curve, water resource, Geographic Information Systems, Digital Elevation

Model.

1. Introducción

La delimitación de la cuenca hidrográfica es considerada la primera medida para el diseño de
programas para el aprovechamiento de los recursos naturales. De esta delimitación resulta un efecto sombrilla de las acciones sobre los ecosistemas presentes en el área de la cuenca. El hecho de tener documentadas las características que describen a una cuenca hidrográfica en cualquiera de sus niveles (cuenca, subcuenca, microcuenca), permite la toma de decisiones a las autoridades competentes (ejidal, comunal, municipal y/o estatal) (Cotler, 2004). En la actualidad se cuenta con un conjunto de herramientas que pueden ayudar a procesar información por medio de hardware, software, datos cartográficos y geográficos, todo esto es conocido como Sistemas de Información Geográfica (SIG) (Verdin & Verdin, 1999). En México se están desarrollando programas de manejo de cuencas, como los promovidos por la Word Wildlife Fund (WWF) y la Fundación Gonzalo Río Arronte (FGRA) en las cuencas de los ríos Conchos, Estado de Chihuahua; San Pedro Mezquital, Estado de Durango, y Copalita-Zimatán-Huatulco, en el Estado de Oaxaca, con el objetivo de elaborar un modelo de manejo del recurso agua, con el cual se reconozca a los ecosistemas y preserve o restaure su funcionamiento natural (Cuevas et al., 2010; IDB, 2015; Garay y Agüero, 2018). Por lo anterior surge el interés de estudiar las características de la subcuenca hidrológica del río Quiotepec, Oaxaca (RH28Af), mediante el uso de los insumos de SIG, los cuales permitirán proponer un manejo integral, principalmente por ser una subcuenca importante para la región de la cuenca del Papaloapan (RH28), considerando como objetivo de trabajo calcular y medir los parámetros morfométricos y fisiográficos, con el fin de analizar e interpretar la respuesta hidrológica de este sistema, a fin de contribuir con la gestión y manejo integral de cuencas hidrográficas.

2. Materiales y métodos

Descripción del área de estudio: La cuenca del río Quiotepec (RH28Af) se localiza en las coordenadas geográficas 95º 53’ 59’’ W y 17º 37’ 47’’ N en el Estado de Oaxaca (figura 1). Es una cuenca que se comparte con 66 municipios, pero su cauce principal es compartido con los municipios San Juan Bautista Atatlahuca, San Juan Bautista Cuicatlán, Abejones, San Juan Quiotepec, San Pablo Macuiltianguis, Santa María Jaltianguis, Santa Ana Yareni y Valerio Trujano (Botello et al., 2006; INEGI, 2003). La geología está representada principalmente por rocas sedimentarias arcillosas de baja permeabilidad (lutitas, limolitas y calizas), rocas volcánicas de permeabilidad media y alta (basálticas
y andesíticas), rocas metamórficas de permeabilidad baja (esquistos, cuarcitas y gneiss) y por rocas sedimentarias calcáreas de permeabilidad alta (calizas y areniscas) (Gallo, 1997; Ochoa, 2001; INEGI,
2003). Cabe mencionar que esta cuenca posee una topografía compleja al estar localizada entre tres provincias fisiográficas: Depresión del Balsas, Valle de Tehuacán y Serranías Meridionales (INEGI,
2003).

La parte baja del cauce principal presenta una predominancia de clima árido - cálido (BS0(h’)w) con una temperatura media anual mayor a los 22ºC, que desciende a los 18ºC durante el mes más frío. Se presentan lluvias de verano y un porcentaje de lluvia invernal del 5% al 10.2% del total anual.
Figura 1. Ubicación geográfica de la subcuenca del río Quiotepec, dentro de la cuenca del río
Papaloapan (RH28AF).
En la parte media del cauce principal se presenta un clima cálido (BS1(h’)w) con una temperatura media anual mayor a los 22ºC, y la temperatura del mes más frío es mayor de los 18ºC. En esta parte de la cuenca se presentan lluvias de verano con 5% al 10.2% de lluvia invernal del total anual. En la parte alta de la subcuenca se presenta un clima semicálido subhúmedo del grupo C ((A)C(wo)), donde la temperatura media anual es mayor a los 18ºC, la temperatura del mes más frío es menor de 18ºC y
del mes más cálido es mayor a los 22ºC. La precipitación del mes más seco es menor a los 40mm
(INEGI, 1991; Enge y Whiteford, 1989; García, 1998).

Insumos y requerimientos informáticos: Se utilizaron los softwares Arcview 3.2 y ArcGis 9.3 soportados en un equipo de cómputo portátil con la extensión Parallels 7.2 como plataforma de Windows 7. En cuanto a la información, se descargó cartografía vectorial a escala 1:250.000 de la página web del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) y de la Comisión Nacional de Biodiversidad (CONABIO) correspondientes a las características geográficas de la subcuenca. Para poder obtener imágenes satelitales del estado real (2012) de la subcuenca se consultó Google Earth Pro.

Delimitación de microcuencas hidrográficas: Para el análisis geoespacial se elaboró un Modelo Digital de Elevación (DEM por sus siglas en inglés: Digital Elevation Model). Se utilizaron las cartas topográficas digitales de curvas de nivel a escala 1:250.000, la cual fue cortada a la región de interés (espacio que ocupa la subcuenca). Teniendo como base el DEM se procedió a obtener una imagen Raster de acumulación, que indica las principales áreas donde puedan encontrarse sumideros o espacios de captación de agua, con base en la variación altitudinal, lo cual permite identificar el punto de salida y el parteaguas de la cuenca. Se identificó la dirección y la acumulación de los flujos, y de acuerdo con las ramificaciones primarias de la cuenca se fueron eligiendo puntos de salida. El programa genera un polígono, siendo cada polígono los límites de cada una de las microcuencas identificadas.

Análisis morfométrico: Para estimar las características morfométricas se empleó el polígono de la subcuenca del río Quiotepec (RH28Af) en formato vectorial descargado de la página web de INEGI, y con las funciones de medición, cálculos y las tablas de atributos fue posible determinar por medio de la aplicación de los métodos cuantitativos los parámetros morfométricos que se indican en la tabla

1.

3. Resultados y discusiones

Topografía y delimitación de las microcuencas: El DEM que se obtuvo para identificar el relieve

presente en la región de la subcuenca del río Quiotepec muestra que se tiene un rango altitudinal de los 5 a los 3361 msnm. Teniendo como altitud media un valor de 1885 msnm, con valor de desviación estándar de 602.55 (figura 2). Cabe señalar que la información generada con el DEM es de alta resolución, por lo que se pueden observar cada una de las variables altitudinales en la región.

Figura 2. Modelo Digital de Elevación (DEM) del terreno de la subcuenca del Río Quiotepec
(RH28Af).
En la determinación de las microcuencas dentro de la subcuenca del río Quiotepec se delimitaron siete microcuencas, por lo que se generó un polígono del parteaguas y dentro de ella la red hidrográfica que le corresponde a cada microcuenca (figura 3). Se puede observar que hay grandes diferencias en cuanto a la superficie que cada una de ellas ocupa (tabla 2). En el caso de la calidad y definición de los resultados obtenidos en la delimitación de las microcuencas con el uso de DEM, Delgado y Gaspari (2010) realizaron la delimitación de microcuencas probando tres métodos de SIG (a. Mediante una base de datos vectorial altimétrica; b. Usando como base el DEM; c. Mediante la base de un Raster altitudinal SRTM) y encontraron que el DEM proporciona una mejor información altitudinal, lo que permite distinguir mejor los detalles espaciales y como consecuencia una óptima descripción de cada elemento altitudinal. Lo mismo que sucedió al delimitar las cuencas del Río Quiotepec, donde es claro y de buena calidad la delimitación de las cuencas y óptimamente visibles los niveles altimétricos.

Figura 3. Delimitación de las microcuencas delimitadas dentro de la subcuenca del Río Quiotepec
(RH28Af).
Análisis morfométricos (cálculo del área, el perímetro, la anchura y la longitud del cauce principal): El área total de la subcuenca del Río Quiotepec ocupa una superficie de 4944.73 km2 por lo que es considerada como una cuenca de tamaño grande por estar entre el rango de los 2500 y 5000 km2 según la clasificación de Campos (1992), mientras que para las microcuencas las áreas calculadas se observan en la tabla 2. El área es una de las características más importantes en la estructura de una cuenca, ya que cuando son de una superficie grande se le atribuyen mayores crecidas (Jiménez, 1992; Garay y Agüero, 2018).
El perímetro determinado para la subcuenca del Río Quiotepec es de 435.73 km con una longitud del cauce principal de 123.17 km y un ancho promedio de 50.86 km, mientras que el perímetro de la microcuenca 5 es de 78 km siendo esta la más pequeña de las microcuencas delimitadas. La microcuenca con mayor perímetro es la 3 con un valor de 272 km (tabla 2). Las longitudes máximas y mínimas son de 89.36 y 21 mientras que los anchos promedios máximos y mínimos alcanzaron un valor de 4 y 19.42 km que corresponden a las microcuencas 2 y 5 respectivamente (tabla 2). Estas características son importantes ya que relacionándolas con el área pueden generar información de cómo es la forma de la cuenca (Docampo et al.,1989).
Tabla 2. Valores de las áreas, los perímetros, longitudes y anchuras calculados para cada una de las microcuencas y en general para la cuenca del río Quiotepec (RH28Af). Tabla de elaboración propia.

Coeficiente de forma, índice de alargamiento, coeficiente de compacidad y la densidad de drenaje: El coeficiente de forma obtenido para la subcuenca del río Quiotepec (RH28Af) es de 0.32. Para cada una de las microcuencas delimitadas se obtuvieron los siguientes valores: 0.20, 0.32, 0.25, 0.24, 0.17,

0,17 y 0.24 (tabla 3). Las cuencas que tienen un coeficiente de forma menores a uno, por lo general su forma es alargada y sujeta a pocas avenidas, mientras que cuencas con el coeficiente de forma mayor a uno son de forma redonda lo cual las haría susceptibles a avenidas rápidas o intensas (Guido y Busnelli, 1993; Horton, 1945). Por otra parte, una cuenca con un coeficiente de forma bajo está menos propensa a crecientes que una cuenca con un factor alto (Méndez et al., 2007).
Para comparar los valores de coeficiente de forma se calculó el índice de alargamiento, obteniendo un valor para la subcuenca de 1.65 y los valores determinados para las microcuencas (tabla 3). En cuanto al coeficiente de compacidad de Horton (l) valor de la subcuenca es de 1.73 que le destina una forma oval-oblonga a rectangular-oblonga, que coincide con los valores propuestos por la tabla de compacidad Gravelius (Strahler, 1952).
El coeficiente de drenaje para la subcuenca toma un valor 0.02, y el valor máximo para las microcuencas es de 0.27 y el mínimo es de 0.04 (tabla 3). Horton (1945) propone que cuando los valores del índice de alargamiento son mayores a una unidad se trata de cuencas alargadas y valores cercanos a uno, se trata de cuencas con una densidad de drenaje en forma de abanico con un cauce principal corto. Es por ello que el valor de la cuenca del Río Quiotepec presenta un índice de alargamiento mayor a uno, lo que reafirma la forma que indicó el coeficiente de forma. Al igual que indica que es una cuenca resistente a torrenciales (Horton, 1945).
Tabla 3. Valores obtenidos para el coeficiente de forma, coeficiente de compacidad, el índice de alargamiento y la densidad de drenaje calculadas para cada una de las microcuencas y en general para la cuenca del río Quiotepec (RH28Af). Tabla de elaboración propia.

Red de drenaje: Con la metodología descrita fue posible calcular cada uno de los órdenes a partir del cauce principal, para lo cual se encontraron 6 órdenes de ramificación en la red hídrica (tabla 4). Las ramificaciones de segundo orden son las que presentan un mayor número de corrientes (608 corrientes) en comparación con las de quinto orden (126 corrientes) y la red hídrica clasificada por

los órdenes a partir de su cauce principal para cada una de las microcuencas que anteriormente fueron delimitadas (figura 3). El INE en el 2004 define a la red de drenaje (red hídrica) como aquel sistema que ordena de manera jerárquica los cauces por niveles, es decir, desde los ríos pequeños hasta los grandes, que se van uniendo entre ellos hasta llegar al cauce principal. En este estudio el total de corrientes es de 1090, lo cual significa que su red de corriente presenta altos niveles de escorrentías y velocidades moderadamente altas de desplazamiento del agua (INE, 2004).
Tabla 4. Principales características de la clasificación en órdenes de la red hídrica. Tabla de elaboración propia.

Curva hipsométrica: La menor área acumulada (10%) es representada por el valor altitudinal de 200 msnm, el punto en el cual se inició a delimitar la cota mínima siendo la cota máxima de 3300 msnm representada por un 100% del área acumulada sobre esa cota (figura 4). La tendencia de la forma de la curva hipsométrica indicó que se trata de una cuenca de edad o estado joven, debido a su creciente y a que su curva tiende a ser representativa de una función cuadrática (Llamas, 1993). Las diferentes formas que se pueden obtener en una curva hipsométrica es una actividad diferencial entre los procesos de construcción tectónica y la degradación causada por la erosión (Guerra y González, 2002). Desde otro contexto, la curva también indica el área drenada variando con la altura de la superficie de la cuenca (Aparicio, 1987, Ramírez et al., 2016).

Figura 4. Curva hipsométrica de la subcuenca Río Quiotepec (RH28Af).
Se determinaron los porcentajes de las pendientes de la cuenca, las cuales van de un rango de 0 al
33.35%, siendo las pendientes en un rango de 11.40 a 33.35 % las más representadas en esta cuenca, con un área acumulada del 100% (figura 5). La pendiente de la cuenca tiene una importancia relevante, principalmente para los indicadores de infiltración, escurrimiento superficial, humedad del suelo y con la contribución del agua subterránea al flujo de los cauces (Campos, 1992). Esta curva brinda información de la distribución de la superficie de acuerdo con la pendiente, en una relación con las altitudes. Las pendientes medias van a variar de acuerdo con las geoformas y con las características propias del sistema de avenamiento (Strahler, 1952). La curva de pendientes indica que un 50% del área posee vertientes y cauces con pendientes pronunciadas y el otro 50% presenta pendientes suaves, resultado de menores alturas. Pendientes sobre la media son indicadores de procesos erosivos (transporte y depósito) consecuencia por las velocidades de escorrentía del agua que son mayores en las áreas montañosas (Méndez et al., 2007).

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

PENDIENTE(%)


Figura 5. Curva de porcentaje de pendientes presentes en la subcuenca Río Quiotepec (RH28Af).
Las áreas a conservar son aquellas que presentan una mayor cobertura vegetal y se encuentran al contorno del cauce principal. Estas áreas estarán efectuando la función de captación y recarga de los mantos acuíferos de la red de drenaje; sin embargo, no es su única e importante función, sino que además estas áreas conservadas actúan como filtros de contaminación, hábitat y medio de control de inundaciones, entre otros (Benegas, 2009).
Otras áreas consideradas en esta propuesta son las que están siendo ocupadas para satisfacer la necesidad hídrica de las comunidades establecidas a lo largo del cauce principal, ya que son estas áreas donde es más intensa la actividad humana y como consecuencia, también es mayor la contaminación del agua (Benegas, 2009).
Para poder llevar a cabo el manejo integral a partir de este estudio, sería necesario realizar una evaluación de los componentes que propone Benegas (2009) y Ramírez y col. (2016) como son el Hidrológico/físico (evaluando el índice de escasez: a mayor escasez, mayor prioridad), Tecnológico/económico (balances de oferta y demanda: a mayor déficit entre oferta y demanda, mayor prioridad), Físico/biótico (Presencia/ausencia: a mayor presencia de ecosistemas estratégicos, mayor prioridad), Sociocultural (número de conflictos y grado de afectación del recurso: a mayor número de conflictos por uso, mayor prioridad) y Político/institucional (a mayor proporción de recursos disponibles, mayor prioridad).

4. Conclusiones

Se logró determinar parámetros e índices morfométricos de la cuenca del río Quiotepec mediante el
uso de SIG. Se puede aseverar que la utilización de estas herramientas tecnológicas es de gran ayuda en el estudio morfométrico de cuencas hidrográficas, concretamente los MDE, generados a partir de
la captura de información mediante Sensores Remotos, los cuales junto con las herramientas de Procesamiento Hidrológico de MDE disponibles bajo ambiente SIG, conforman una combinación eficaz para el desarrollo de estudios de morfometría en sistemas hidrológicos complejos. Así también, esta información puede servir para la toma de decisiones por las personas locales o bien por autoridades para la ejecución de mejores prácticas, pero sobre todo para el mejor establecimiento de las comunidades humanas y actividades de conservación de los recursos forestales en comunidades que se rigen por el modelo de gobernanza de usos y costumbres. De manera particular con los resultados obtenidos la cuenca de río Quiotepec se concluye que se trata de una subcuenca grande de acuerdo a la clasificación de Horton, considerando que esta subcuenca contribuye significativamente a la recarga de mantos acuíferos de la cuenca del Papaloapan, priorizando la necesidad de la conservación de la cobertura vegetal y memorizando el cambio de uso de suelo del territorio comprendido dentro de la subcuenca.

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