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Erosión de suelos. Parte 2

Fecha de Publicación: 1/1/2000

Predicción de la erosión hídrica y eólica del suelo

RESUMEN


El clima, el suelo, la topografía, y las prácticas de conservación y manejo de cultivos, afectan la erosión del suelo. La habilidad para predecir estos efectos es una clave para el planeamiento de la conservación. Existen varios rnadelos simples y complicados para predecir la erosión a nivel de suelo, parcelas, campo y cuencas. Estos modelos varían en sus requerimientos de insumos y en su habilidad de predecir otros procesos agrícolas talas como hidrología, nutrientes, pérdidas por lixiviación u otros procesos y producción de cultivos. Este artículo describe brevemente varios de estos modelos y en otro documento se discute el uso de los Sistemas de Información Geográfica para facilitar su aplicación.


INTRODUCCION

Para resolver un gran número de problemas de cultivos, suelos y manejo de cuencas se requiere hacer estimaciones de la erosión (rendimiento de sedimento) en campos de cultivo o cuencas. Para responder a esta necesidad, se han desarrollado numerosos modelos para predecir la erosión. Algunos de estos modelos son simples ecuaciones que calculan el promedio anual de erosión en la desembocadura de una cuenca. Otros son modelos complejos que simulan la erosión diaria en lugar de la anual, y pueden aplicarse continuamente para calcular la erosión promedio en el largo plazo y las probabilidades de sus distribuciones. Las metodologías más elaboradas permiten subdivisiones de cuencas y encauzamiento de aguas, sedimento, y contaminantes tales como nitrógeno, fósforo y plaguicidas. Finalmente, el suelo puede ser removido por el viento tanto como por el agua, y se han desarrollado modelos para cuantificar los efectos del clima, suelo y manejo sobre la erosión eólica. Nuestro objetivo es describir varios de los métodos más importantes disponibles para estimar la erosión hídrica y eólica del suelo para predios desde menos de una hectárea hasta cuencas de varios cientos de kilómetros cuadrados.


EROSION LAMINAR Y EN SURCOS

Pueden usarse varios métodos empíricos para calcular la erosión total laminar y en surcos en un segmento de pendiente. Aquí se describen tres de ellos: la Ecuación Universal de Pérdida de Suelos (Universal Soil Loss Equation) (USLE, Wischmeier y Smith, 1978); el Método OnstadFoster (AOF), (Onstad y Foster, 1975), y la Ecuación Universal Revisada de Pérdida de Suelos (Revisad Universal Soil Loss Equation - RUSLE), (Renard et.al.,

C.A. Jones R.H. Griggs, J.R. Williams y R. Srinivasan

1991). Todos son modelos de parámetros "agrupados" que utilizan información promedio sobre suelos, cultivos, pendiente y manejo para un segmento de pendiente. El Método AOF también permite varios segmentos con diferentes características que se combinan en una pendiente compleja con el fin de calcular no sólo la erosión total sino también el rendimiento de sedimento.

Ecuación Universal de Pérdida de Sucios

USLE es un método que utiliza seis factores: erosividad de la lluvia (R), susceptibilidad de erosión del suelo (K), largo de la pendiente (L), magnitud de la pendiente (S), cubierta y manejo de cultivos y residuos (C), y prácticas de conservación (P), para estimar la pérdida de suelos promedio (A) por el paríodo de tiempo representado por R, generalmente un año.

A=R x K x L x S x C x P

A

Es la pérdida de suelos calculada por unidad de superficie, expresada en las unidades seleccionadas para K y el período seleccionado para R, generalmente toneladas (t) hectárea (ha)-1 año-1.

R

El factor lluvia y escurrimiento, es el número de unidades de indice de erosión pluvial (EI), más un factor para escurrimiento por derretimiento de nieve o aplicación de agua. El EI para una tormenta es el producto de la energía total de la tormenta (E) y su máxima intensidad en 30 minutos (I).

K

El factor susceptibilidad de erosión del suelo, es la tasa de pérdida de suelos por unidad EI para un suelo específico, medido en una porción de terreno estándar (22.13 m de largo, 9% pendiente, en barbecho y labranza continua).

L

El factor de largo de la pendiente, es la proporción de pérdida de suelos en el largo de la pendiente especifica con respecto a un largo de pendiente estándar (22,13 m).

S

El factor de magnitud de la pendiente, es la proporción de pérdida de suelos de una superficie con una pendiente especifica con respecto a aquella en la pendiente estándar de 9%, con todos los otros factores idénticos.

C

El factor cubierta y manejo, es la proporción de pérdida de suelo en una superficie con cubierta y manejo especifico con respecto a una superficie idéntica en barbecho, con labranza continua.

P

El factor de prácticas de apoyo de conservación, es la proporción de pérdida de suelo con una práctica de apoyo como cultivo en contorno, barreras vivas, o cultivo en terrazas, con respecto a aquella labranza en el sentido de la pendiente.

Wischmeier y Smith (1978) describen cada uno de estos factores y proporcionan métodos para evaluarlos. El USLE fue desarrollado para:

  • predecir el movimiento promedio anual de suelos desde una pendiente especifica, bajo condiciones de uso y manejo específicos.
  • orientar la selección de prácticas de conservación para localidades especificas.
  • estimar la reducción de pérdida de suelos que se puede lograr con cambios de manejo efectuados por el agricultor; y
  • determinar el largo máximo de pendiente tolerable para un sistema de cultivo determinado.
  • Las ventajas del USLE incluyen facilidad de uso, simplicidad, y una base de datos amplia sobre la cual fue desarrollado. Sin embargo, tiene varias limitaciones. Los métodos para estimar los seis factores no se encuentran disponibles en muchos lugares fuera de los

Estados Unidos de Norteamérica. Su aplicación en praderas es limitada. Está basado sobre el supuesto de pendiente de terreno, suelos, cultivo y manejo uniformes. Es un procedimiento estadístico (empírico o "agrupado") que no contempla los procesos físicos de separación, transporte y sedimentación en forma mecánica. Finalmente, no fue diseñado para estimar rendimientos de sedimentación en cuencas complejas.

Ecuación Universal Revisada de Pérdida de Sucios

La metodología RUSLE fue desarrollada para superar algunas de las limitaciones de USLE. Sus avances incluyen:

  • Computarización de algoritmos para facilitar los cálculos.
  • Nuevos valores de erosividad de lluvias-escurrimientos (R) en el oeste de los Estados Unidos (condiciones áridas), basado en más de 1 200 localidades.
  • Desarrollo de un término de susceptibilidad del suelo a la erosión estacionalmente variable (K) y métodos alternativos de estimación de K cuando el nomograma no es aplicable.
  • Un nuevo método para calcular el factor cubierta-manejo (C), utilizando subfactores que incluyen uso previo de la tierra, cubierta de cultivos, cubierta vegetal del suelo (incluyendo fragmentos de roca en la superficie), y rugosidad del terreno.
  • Nuevas formas de estimar los factores de largo y magnitud de la pendiente (LS) que consideran porcentajes de erosión en surcos e ínter-surcos.
  • La capacidad de ajustar el LS para pendientes de forma variable; y
  • Nuevos valores de prácticas de conservación (P) para cultivo en fajas alternadas, uso de drenaje subterráneo, y praderas.

RUSLE aún está siendo desarrollado, y tal vez se introduzcan otras modificaciones. Al igual que el USLE, el RUSLE no fue diseñado para estimar rendimientos de sedimento en pendientes complejas donde puede ocurrir sedimentación, ni en grandes cuencas.


RENDIMIENTO DE SEDIMENTO DE UNA PENDIENTE COMPLEJA

Onstad-Foster.

La metodología AOF es un procedimiento matemático para estimar los potenciales de desprendimiento y transporte del suelo, incluyendo las proporciones relativas de erosión en surcos e ínter-surcos, para laderas compuestas por uno o más segmentos con distintas características. Utiliza una versión modificada de USLE para estimar el desprendimiento de suelo.

Y=W x K x L x S x C x P donde:

Y

es el rendimiento de sedimento en t ha-1

W

es un término de energía que es la suma de los componentes de energía pluvial y de escurrimiento. El componente de energía pluvial se deriva del índice de erosión pluvial (EI) de USLE, y el componente de energía de escurrimiento es una función de la tasa de escurrimiento de tempestad (qp, milímetros (mm) hora (hr)-1) y volumen (Q, mm). Los otros factores son iguales que en el USLE.

W = 0,646 EI + 0,45 x (Q x qp)0.333

El método AOF también proporciona un medio para estimar la proporción de erosión en surcos con la erosióf ínter-surcos, basado en el largo y magnitud de pendiente del segmento, intensidad de la lluvia, volumen de escurrimiento, tasa máxima de escurrimiento, y la proporción de susceptibilidad de erosión en surcos en relación a ínter-surcos, que varía de 0,5 en suelos resistentes al ensurcamiento a 2 en suelos altamente susceptibles al ensurcamiento.Un aspecto único del método

AOF es que limita el transporte del suelo pendiente abajo al máximo del sedimento desprendido y la capacidad de transporte (fc), expresada en kilogramos (Kg) de sedimento por metro de ancho de pendiente en cualquier punto x a lo largo de la pendiente.

Tc = 0,0054 x W x K' x S x C x P x x1.5

donde K' es el promedio del factor USLE, de susceptibilidad de erosión del suelo, ponderada en base a la contribución de cada suelo de la pendiente a la carga de sedimento. El valor de K' refleja la capacidad de transporte del suelo que viene de los segmentos más altos de la pendiente. Si Tc excede la carga desprendida del segmento más cualquier otra contribución desde aguas arriba, no ocurre sedimentación. Sin embargo, si Tc es menor que el total de suelo desprendido disponible para transporte, la sedimentación neta se supone ocurrirá en el segmento, y el rendimiento de sedimento es igual a Tc.

El método AOF tiene la ventaja de utilizar un componente de energía compuesto tanto por energía pluvial como de escurrimiento, estimando tanto la erosión en surcos como en ínter-surcos, considerando tanto el desprendimiento de suelos y el transporte como factores que limitan el rendimiento de sedimento, y siendo apto para estimar el rendimiento de sedimento de pendientes complejas. Además, Onstad y Foster (1975) describieron un método mediante el cual el método podía ser utilizado para estimar rendimientos de sedimento de cuencas complejas.


RENDIMIENTO DE SEDIMENTO DE CUENCAS

El USLE, RUSLE y el Método AOF fueron diseñados para predecir la erosión del suelo en pendientes como guía para la planificación de la conservación a nivel de predios. Sin embargo, combinándolos con proporciones de desplazamiento, pueden usarse para estimar el rendimiento de sedimento de cuencas. Las proporciones de desplazamiento de sedimento están definidas como el rendimiento de sedimento en cualquier punto a lo largo de un canal dividido por la erosión total más arriba de ese punto. Así, el rendimiento de sedimento promedio a largo plazo en la desembocadura de una cuenca puede predecirse con precisión si la erosión total y la proporción de desplazamiento han sido correctamente estimadas. Proporciones de desplazamiento pueden ser estimadas para cuencas especificas midiendo el rendimiento de sedimento y estimando la erosión total con métodos tales como USLE. Se han desarrollado ecuaciones para predecir las proporciones de desplazamiento de sedimento para uso en cuencas que no han sido medidas; sin embargo, debido a la poca información disponible sobre rendimiento de sedimento, tales ecuaciones de predicción están disponibles sólo para algunas regiones de los Estados Unidos. Para superar esta dificultad en la estimación de proporciones de desplazamiento, se han desarrollado varios modelos de rendimiento anual de sedimento a escala de cuencas, incluyendo el método Anderson (1954) para cuencas boscosas, la ecuación de Flaxman (1972) para cuencas en praderas, y el método del Comité Interagencial del Pacífico Sudoccidental (1968) para una variedad de condiciones en el sudoeste de los Estados Unidos. Estas ecuaciones fueron desarrolladas relacionando las características de la cuenca y del clima con el rendimiento de sedimento de la cuenca.

Ecuación Universal Modificada de Pérdida de Suelo

Otro enfoque para estimar el rendimiento de sedimento de cuencas fue adoptado por Williams (1975) quien desarrolló la Ecuación Universal Modificada de Pérdida de Suelo (MUSLE). MUSLE es un modelo de parámetros "agrupados" que estima el rendimiento de sedimento de cuencas para un evento pluvioso único. Utiliza un factor de escurrimiento para reemplazar el factor de energía pluviosa del USLE.

Y = 11,8(Q x qp)0.56 x K x L x S x C x P

Y

es el rendimiento de sedimento de la cuenca en t,

Q

es el volumen de escurrimiento por tormenta en metros cúbicos (m³)

qp

es la velocidad máxima de caudal en m³ segundo(s)-1, y los otros factores son iguales que en el USLE. Las unidades de Y se convierten en t ha-1 cuando Q es en mm y qp es en mm he-1. El factor de escurrimiento (Q x qp) proporciona una fuente de energía y, como la tasa de escurrimiento por unidad de superficie disminuye a medida que aumenta la superficie de drenaje, el modelo contiene una tasa de desplazamiento implícita. MUSLE es útil en cuencas con superficies de alrededor de 100 km².

EROSION EOLICA

Se han desarrollado varios métodos para estimar los efectos del clima, suelo y manejo sobre la erosión eólica. Un modelo propuesto por Woodruff y Siddoway (1965) uso la siguiente relación general para estimar el promedio anual potencial de erosión de suelos (WE).

WE = f(I, WK, WC, WL, VE)

I

es el factor de susceptibilidad de erosión del suelo

WK

es el factor de escarpado de los camellones del suelo

WC

es un factor climático

WL

es el promedio de distancia descubierta recorrida por el viento a través del campo; y

VE

es la cubierta vegetal equivalente

El modelo puede usarse para estimar el promedio anual de cantidad de erosión de un campo, o se puede especificar una cantidad aceptable de erosión y resolver la ecuación para determinar 1a cantidad de residuos, características de los camellones, y ancho de campo necesario para reducir la erosión a ese nivel.

La Ecuación de Erosión Eólica (WEQ) es una versión del modelo de Woodruff y Siddoway (1965) que fue convertida de predicción anual a predicciones diarias para hacer interfase con el Calculador de Impacto Erosión-Productividad (EPIC) y para obtener sensibilidad estacional de las condiciones de la superficie del suelo, cubierta vegetal, susceptibilidad a la erosión, y clima (Skidmore y Williams, 1991). Recientemente, el modelo de Simulación Continua de Erosión Eólica (WECS) fue desarrollado por Williams y Potter (en imprenta). El nuevo modelo está diseñado para proporcionar estimaciones con fundamentos físicos del potencial de erosión eólica para un suelo descubierto y plano, integrando la ecuación de erosión como función de velocidad del viento. La dirección diaria del viento y distribución de velocidad se generan para dirigir la ecuación de erosión. El diámetro medio de partículas erosionables es un insumo importante para determinar umbrales de velocidades eólicas. El contenido hídrico de la superficie del suelo se utiliza para modificar el umbral de velocidad del viento diariamente. Cuatro factores se usan para estimar la erosión efectiva: susceptibilidad del suelo a la erosión, rugosidad del terreno, cubierta vegetal, y distancia desprotegida de recorrido del viento a través del campo. El algoritmo de rugosidad del terreno toma en cuenta la dirección de los camellones, del suelo con respecto al viento. Un generador de vientos mejorado fue desarrollado para simular la distribución de la velocidad del viento durante el día. Las primeras pruebas del modelo indican que las estimaciones de erosión son más variables, tanto durante el año como entre años, que con el modelo más antiguo.


ECUACIONES DE EROSION EN MODELOS DE SIMULACION

Las ecuaciones descritas arriba constituyen herramientas útiles para evaluar los efectos del clima, suelo, topografía, cultivos y prácticas de conservación en la erosión de una pendiente o en una cuenca. Sin embargo, no todas fueron diseñadas para simular erosión o rendimiento de sedimento a base diaria o entre tormentas. Tampoco son lo suficientemente sensibles a muchas prácticas de manejo de suelos y cultivos controladas por agricultores y que están consideradas en los modelos de simulación agrícola. Por lo tanto, han sido incorporados en modelos matemáticos a nivel de campo y de cuencas, capaces de simular una variedad de procesos biofísicos y sus interacciones con el manejo. Esta sección ilustrará cómo las ecuaciones de erosión se usan como componentes de modelos de simulación complejos tales como el Calculador de Impacto Erosión-Productividad (EPIC) y el Simulador para Recursos Hídricos en Cuencas Rurales (SWRRB).

Calculador de Impacto Erosión-Productividad

El modelo EPIC es un modelo a escala de campo, de tiempo continuo, diseñado para simular la respuesta de sistemas complejos de cultivo al clima, a los suelos y al manejo y conservación de suelos (Williams, et.al., 1984; Williams y Renard, 1985). Utiliza una escala de horario diaria para simular clima, hidrología, erosión hídrica y eólica del suelo, labranza, ciclos y pérdidas de nitrógeno y fósforo, ciclos y pérdidas de plaguicidas, temperatura del suelo, manejo de cultivos, crecimiento y rendimiento de cultivos, y economía.

  • Clima. La lluvia y nieve diaria, temperaturas máxima y mínima, radiación solar, viento y humedad relativa pueden ser leídas y/o generadas en forma estocástica.
  • Hidrología. El escurrimiento es computado con el enfoque de curva numérica (SolíConservation Service, 1972); la infiltración, flujo subterráneo lateral, y derretimiento de nieve son simulados. Se permiten cuatro métodos alternativos para estimar la evapotranspiración potencial.
  • Erosión. Erosión laminar y en surcos/sedimentación causada por escurrimiento por lluvia y riego son computados con modificaciones del USLE, AOF, y MUSLE diseñados para simular los procesos en base diaria. Una versión experimental de EPIC también utiliza RUSLE. La erosión eólica es simulada con el modelo WECS.
  • Ciclos de nutrientes. EPIC simula la fertilización de nitrógeno y fósforo con fuentes minerales u orgánicas; volatilización, nitrificación, denitrificación, mineralización, e inmovilización de nitrógeno; mineralización, inmovilización y fijación de fósforo; incorporación de cultivos, y pérdidas de nitrógeno y fósforo en solución o adherido a sedimento erosionado.
  • Temperatura del suelo. La temperatura del suelo se calcula diariamente en cada capa como función del clima, humedad del terreno y densidad aparente.
  • Labranza. Se calculan los efectos de mecanización de la labranza sobre la rugosidad del terreno, residuos de cultivos, hidrología, y ciclos de nutrientes. El usuario especifica las fechas y tipos de operaciones de labranza. Las características especÍficas de la mecanización de la labranza pueden ser modificadas por el usuario.
  • Crecimiento de cultivos. El modelo de cultivos EPIC es capaz de simular el crecimiento y rendimiento de varios cultivos anuales y perennes. Parámetros específicos para cultivos están disponibles para la mayoría de los cultivos y pueden ser ajustados por el usuario. El modelo también puede simular cultivos sembrados en rotaciones complejas.
  • Manejo de cultivos y suelos. EPIC simula una variedad de prácticas de manejo de cultivos, incluyendo diferentes fenotipos de cultivos, poblaciones de plantas, fechas de siembra y cosecha, fertilización, riego, sistemas de drenaje artificial, labranza, control de escurrimiento con riego en surcos y otros métodos, encalado, y control de plagas. Los cultivos pueden ser cosechados para granos o forraje, y pueden ser utilizados para pastura o ser quemados.
  • Plaguicidas. Aplicación, degradación y movimiento de plaguicidas agrícolas son simulados con una modificación del modelo GLEAMS (Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems) (Efectos de Acumulación de Aguas Subterráneas de los Sistemas de Manejo Agrícola) (Leonard et.al., 1987).
  • Economía. Se incluye un sencillo paquete de contabilidad para calcular costos de insumos y computar rendimientos.

EPIC tiene varias ventajas con respecto al uso de modelos de parámetros "agrupados" tales como USLE, AOF y MUSLE. La capacidad del modelo para simular las alternativas de manejo de cultivos y suelos detalladamente, permite al usuario evaluar los efectos de rotaciones de cultivos, mecanización de la labranza, manejo de residuos, prácticas de control de escurrimiento, estrategias de riego y otros factores. Además, su capacidad para simular rendimiendos de cultivos, ciclos de fertilización y nutrientes, y dinámica de los plaguicidas permite al usuario evaluar las relaciones entre economía, conservación de suelos, y contaminación de aguas superficiales y subterráneas por nutrientes y plaguicidas. Algunos mejoramientos futuros incluirán una versión que simula procesos hidrológicos, erosión y otros sobre pendientes complejas con variaciones en las características del suelo y en el manejo de suelos y cultivos.

Simulador de Recursos Hidráulicos en Cuencas Rurales (Simulator for Water Resources in Rural Basins).

SWRRB fue desarrollado para simular hidrología, rendimiento de sedimentos y procesos relacionados en cuencas rurales (Williams, et. al., 1985; Arnold y Williams, 1987). Los tres componentes más importantes del modelo son clima, hidrología y sedimentación. Los cómputos se efectúan diariamente hasta para diez sub-cuencas, cada una de las cuales tiene diferentes características climáticas, de suelos, uso de la tierra, manejo de cultivos e hidráulicas. Los procesos principales contemplados son escurrimiento superficial, afluente subterráneo, almacenamiento en estanques y embalses, pérdidas por transmisión, crecimiento de cultivos y movimiento de erosión y sedimentación de suelos en cursos de agua, estanques y embalses. Puede simularse la precipitación y temperatura un generador climático interno o pueden ser leídos en registros históricos externos.

odos los componentes principales del modelo son ejecutados en forma independiente y simultánea para cada una de las sub-cuencas. El volumen de escurrimiento superficial se predice con el método de curva numérica del Servicio de Conservación de Suelos (Soil Conservation Service, 1972) como una función de contenido diario de humedad del suelo. El afluente subterráneo se calcula con el contenido de humedad del suelo y la velocidad del afluente subterráneo. El componente infiltración utiliza un modelo de dirección de almacenamiento. La evapotranspiración se estima con la evaporación potencial, el contenido de humedad del suelo, y el índice de superficie foliar. Las pérdidas por transmisión en el canal se calculan como una función de las dimensiones del canal, duración del caudal, y conductividad hidráulica efectiva del lecho del canal. El almacenaje en estanques está basado en una ecuación de balance de aguas que toma en cuenta entrada, salida, evaporación y filtración. El componente balance en embalses es similar al componente estanques, excepto que contempla la entrada desde aliviaderos principales y de emergencia.

El modelo de crecimiento de cultivos computa la biomasa de la superficie cada día durante la estación de crecimiento como función de la radiación solar y del indice de superficie foliar. El estrés a causa de agua y temperatura puede limitar la acumulación de biomasa.

El rendimiento de sedimento es computado con el MUSLE. El modelo del cauce del sedimento por canal y llanura aluvial está compuesto por componentes de deposición y degradación, que operan simultáneamente. La degradación está basada en un concepto de energía del curso de agua, y la deposición está basada en la velocidad de caída de las partículas de sedimento. El sedimento también es encauzado a través de estanques y embalses.

El SWRRBWQ, una versión del modelo diseñado para simular la aplicación y transformaciones de nutrientes y plaguicidas, ha sido lanzado recientemente. Con el fin de acomodar las simulaciones de calidad de agua, el modelo de cultivos fue modificado para permitir una rotación de tres cultivos con hasta cinco aplicaciones de plaguicidas por cultivo, por cada subcuenca. El componente plaguicida es una mod