VALIDACIÓN DEL MODELO DE ESTIMACIÓN DE LA EROSIÓN

“WEPP” COMO HERRAMIENTA PARA LA EVALUACIÓN DE

ESTRATEGIAS DE GESTIÓN Y CONTROL DE LOS RECURSOS

NATURALES A DIFERENTES ESCALAS DE ACTUACIÓN.

De Regoyos Sáinz, M.1 ; García y García, A.I.2p; Ayuga Téllez. F.2 y Martínez

Álvarez, V.3 1 Ingeniero Agrónomo. Universidad Politécnica de Madrid.

2 Doctor Ingeniero Agrónomo. Universidad Politécnica de Madrid. 3 Doctor Ingeniero Agrónomo. Universidad de Cartagena, Murcia.

RESUMEN

Debido a las características del ecosistema mediterráneo, excesivamente frágil ante

todos los cambios que en él se producen, hay que intentar preservarlo previniendo

los posibles problemas ambientales que se pudieran producir como consecuencia de

los cambios en la situación social y económica de la población rural y la presión

urbana sobre el medio natural.

El aumento de modelos matemáticos para ser utilizados en conservación de suelos

tanto a nivel local, como regional o nacional, requiere una evaluación de los métodos

para determinar la escala de trabajo y la exactitud de los datos requeridos. Así, la

incertidumbre en los resultados de las evaluaciones y en la toma de decisiones a

diferentes escalas de interés será mínima, debido a la adecuación de los datos

utilizados, métodos de procesado y el modelo aplicado,.

El éxito usando modelos de predicción basados en procesos, para tomar decisiones

sobre el uso de los recursos naturales, no se puede encontrar en modelos que sólo

funcionan con un nivel y calidad de datos y que sólo pueden ser adquiridos in situ.

Normalmente hay datos disponibles sobre multitud de temas, pero raramente se

ajustan a los requerimientos para ser aplicados a los sofisticados modelos basados

en procesos. Resolver los problemas ambientales asociados a la degradación de los

recursos naturales como el agua y el suelo, normalmente no permiten retrasos

esperando a conseguir la cantidad de datos necesarios para satisfacer los

requerimientos del modelo. Por lo tanto, las herramientas de evaluación con un

mínimo de necesidades de calibración deben de ser evaluadas basándose en su

2225

potencial para proveer suficiente información para tomar decisiones con la fuentes

de datos más corrientes.

En esta comunicación se presentan los trabajos realizados con el modelo WEPP,

para conocer su capacidad de simulación de los procesos que generan la erosión

hídrica del suelo basándose en la posibilidad real de obtener los datos necesarios

para realizarla, y como se ve incrementada su capacidad de simulación y procesado

de datos cuando es asociado a un SIG, ajustándose más a la realidad.

VALIDATION OF THE WEPP MODEL FOR EROSION ESTIMATION AS AN

INSTRUMENT TO EVALUATE MANAGEMENTS STRATEGIES AND NATURAL

RESOURCES CONTROL ON DIFFERENT ACTING LEVELS

Due to the Mediterranean ecosystem characters, very delicate facing to every

changes on it, to preserve it is necessary to foresee all the ambient troubles that

could come as a consequence of different changes at the social and economic

situation of the rural population as well as the urban pressure over the natural

ambience.

The increasing of mathematics models to be used on soil conservation at local,

regional or national levels, is requiring an evaluation of the different methods to

define the scale to work with and the accuracy of the required data to minimize the

hesitancy on the evaluations results and in the taking decisions process at different

levels due to the fitting of the used data, the processing methods and the applied

model.

Using predictions models based on processes , to take decisions about the use of

the natural resources, the success can not be found on models that only work with a

data quality level that just can be got when are taken on site. Normally, there are

available data about many subjects, but rarely fit to be applied with the sophisticated

models based on processes. The solutions to ambient problems associated with

degradation of natural resources as soil and water, normally can not be delayed

awaiting for the necessary data collection to satisfy the model-input requirements.

So, the instruments to evaluate with a minimum of calibration have to be based on

the capacity to provide information enough to take decisions with commonly data

banks.

Following you will find the studies made with the WEPP model to know its simulation

capacity on the processes causing the water soil erosion, based on the real

2226

possibility of getting the necessary data and how increases its simulation and data

processing capacities link with a SIG, fitting more with the reality.

1.- INTRODUCCIÓN

La Unión Europea tiene como objetivo prioritario alcanzar un desarrollo sostenible en

cualquier actividad económica con influencia en el medio ambiente (M A). Entre las

cuatro áreas de actuación prioritarias del Sexto Programa de Medio Ambiente se

encuentra: “Naturaleza y biodiversidad: proteger un recurso único”. Su objetivo

es proteger y restaurar el funcionamiento de los sistemas naturales y detener la

pérdida de biodiversidad en la UE y en el mundo; proteger los suelos contra la

erosión y la contaminación. Con este fin hay que desarrollar herramientas capaces

de determinar la situación de calidad del suelo, entendiendo por calidad del suelo: “la

capacidad de un suelo de funcionar dentro de los límites del ecosistema para

sostener la productividad biológica, mantener la calidad medioambiental y promover

la salud de las plantas y animales. (Doran et al. 1994) ”, según la definición

adoptada por la Sociedad Americana de la Ciencia del Suelo (SSSA), en 1997.

Los estudios sobre la erosión hídrica y modelos para evaluar las pérdidas de suelo,

según los distintos tipos de erosión, comienzan prácticamente a principios del siglo

veinte, con las investigaciones del Forest Service de USA en 1915. Durante muchos

años, los técnicos en conservación del suelo han utilizado la Ecuación Universal de

Pérdida de Suelos (USLE), para seleccionar las prácticas de control de la erosión a

medida para un determinado agricultor y sus campos. “Pero, este método tiene

importantes limitaciones ya que en un área determinada, la producción de

sedimentos está controlada por el desprendimiento y la capacidad de transporte del

agua y éstos procesos dependen de factores como: la topografía, el suelo, la

cobertura vegetal, las características de la lluvia y la escorrentía. Los efectos de

estos factores cambian de estación a estación y de tormenta a tormenta, y por lo

tanto este método no es el más adecuado para simular estas situaciones

cambiantes. (Foster, Lane; 1981)”.

La USLE debido a su origen empírico y su estructura de caja negra (que no permite

establecer relaciones entre los procesos hidrológicos fundamentales y los procesos

erosivos fundamentales), limita gravemente su potencial para aumentar la precisión

con la que trabaja, es por esto que se considera una tecnología ya madura. Por lo

tanto, se necesitaban modelos de predicción de la erosión con mayor base física,

2227

aunque todavía se apoyen en ecuaciones empíricas para describir los procesos de

erosión.

En las últimas décadas, el conocimiento de los procesos erosivos ha avanzado

notablemente, lo que ha permitido desarrollar modelos con base física y de caja

blanca en un soporte digital, que permite el análisis de mucha más información de

forma más eficiente. Los esfuerzos se han dirigido a desarrollar modelos que

predigan, además de la escorrentía y pérdidas de suelo totales, la distribución

espacial de la escorrentía y sedimentación sobre la superficie del suelo durante una

tormenta aislada.

Para ser útil a los que toman las decisiones, la generación de la escorrentía

superficial y los modelos de predicción de la erosión del suelo, tienen que

considerar la variación espacial y temporal en los procesos hidrológicos y de

erosión del suelo, además deben poderse aplicar a cualquier tipo de región, con la

mínimas necesidades de calibración. Pero “La medida de la degradación de suelos,

y principalmente de la erosión de éstos, plantea una serie de problemas técnicos y

metodológicos en relación a la escala espacial y temporal” (Stocking,1987). Los

procesos de erosión se dan en grados, tasas y frecuencias variables en el tiempo y

en el espacio, por lo que, estos aspectos han de ser tenidos en cuenta en el diseño

del plan de medidas.

Extrapolar grados de erosión en grandes áreas, medidos o estimados por un

modelo, tiene limitaciones para usarse a nivel local. Esto es debido a que al

extrapolar los datos, no se identifica donde ocurren exactamente los problemas de

erosión, y no proporcionan suficiente información para guiar o evaluar los esfuerzos

para desarrollar usos del terreno sostenible en una localización concreta. Lo mismo

ocurre si se intentan extrapolar las observaciones realizadas en parcelas

experimentales para determinar medias anuales de tasas de erosión a escala

regional o nacional (Pimental et al. 1995; Boardman 1998).

Las investigaciones que pretenden predecir procesos naturales, requieren estudios

detallados de los procesos aislados de base, para comprender gradualmente la

interacción compleja de los múltiples procesos. Los modelos basados en

procesos representan el más detallado conocimiento científico a la escala

espacial y temporal más pequeña, pero están limitados por la gran cantidad de

datos requeridos. Los modelos empíricos son más aplicables a problemas a

2228

gran escala y donde hay menos datos disponibles, pero no ayudan a conocer

los procesos mecánicos.

La erosión hídrica se produce a lo largo de todo el año, intensificándose según sean

las estaciones en la zona de estudio. Luego para estudiar la producción de

sedimentos y las zonas erosionadas, habrá que disponer de datos climáticos de

largos periodos de años. Sin embargo también interesa poder simular eventos

únicos, especialmente dramáticos por sus consecuencias en las inundaciones y

avalanchas de lodos.

En cuanto a la escala de trabajo, no es lo mismo trabajar con un agricultor para

enseñarle como ayudarían ciertas prácticas culturales a controlar la erosión en una

finca o parcela, que conocer cuales son las causas de los problemas de erosión en

zonas más grandes, como pueden ser pequeñas cuencas hidrográficas, en las que

lo que ocurre aguas arriba, en los límites de la cuenca, influye determinantemente en

lo que ocurre a lo largo de toda la cuenca. Para solucionar los problemas de

depósitos de sedimentos o de contaminación, habrá que abarcar el problema erosivo

en toda la cuenca.

La escala de interés se puede definir mediante:

Ø la serie de datos climáticos:

Evento individual

Corto plazo

Varios eventos

Largo plazo

Datos históricos

Ø Por la superficie afectada:

Parcela de ensayo

Ladera

Finca

Cuenca

Región

De entre todos los modelos con base física que están apareciendo en los últimos

tiempos, se ha seleccionado el modelo “Water Erosion Prediction Project, WEPP”,

desarrollado por el USDA, como un conjunto de programas y modelos, capaces de

trabajar a diferentes escalas según la finalidad de la predicción. Y sobre todo, por

tener una última versión del modelo asociada a un SIG, con lo que se hace más

operativo a la hora de visualizar, analizar y generar nueva información a partir de la

información disponible.

Los parámetros distribuidos con los que trabaja son cantidad de lluvia e intensidad,

textura del suelo, crecimiento de las plantas, descomposición de los residuos, efecto

2229

de las labores de cultivo en la propiedades del suelo y cantidad de residuos, forma

de la ladera, pendiente y orientación y por ultimo parámetros de erosionabilidad del

suelo.

Los datos que genera el modelo están claramente orientados en dos tipos de

información; efectos de la erosión dentro de la cuenca y efectos de la erosión fuera

de la cuenca:

• Los efectos dentro de la cuenca incluyen la media anual del suelo que se

pierde en el total de la superficie de la cuenca. Este dato, es el más parecido

a los que proporcionan las estimaciones de erosión de la USLE y es el que

más orienta sobre la pérdida de productividad del suelo en la cuenca.

También da datos de la media de los depósitos de sedimentos dentro de la

cuenca.

• Los datos que se obtienen para valorar los impactos de la erosión fuera

de la cuenca, o erosión difusa, incluyen la estimación media anual de los

sedimentos que salen de la cuenca. Esta información puede ser útil para

determinar impactos potenciales por sedimentación en diferentes estructuras

que se colmatan o por producir la degradación de la calidad de las aguas.

Figura nº 1: Esquema de trabajo del modelo con el S.I.G (fuente: Renschler, C.S.et al.,2000 )

2.- SIMULACIONES REALIZADAS:

Las cuencas seleccionadas para realizar las simulaciones con el modelo, se

encuentran las dos situadas en la comunidad de Madrid:

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CUENCA: ARROYO DEL MONTE CUENCA: ARROYO DE VALDELAMASA

Localización T.M. de Dagazo de Arriba Finca: el Castillo de Viñuelas

T.M. Colmenar Viejo y Madrid

Superficie 7,088 km2 17,176 km2

Usos y cultivos

predominantes

Cereales de invierno Cereales de invierno y dehesa

El modelo GEOWEPP funciona asociado a un SIG que utiliza el Modelo Digital del

Terreno (MDT) para generar la información topográfica necesaria para realizar la

simulación. Tiene dos opciones de cálculo:

• “Watershed method”: en le que para cada subcuenca, configura un único perfil de

la ladera representativo. La ladera puede drenar a la izquierda, derecha o el inicio

del curso de agua calculado a partir del MDT.

• “Flowpath method”. Flowpath es la ruta que sigue el agua al circular de una celda

a otra. Un “flowpath” individual comienza en una celda donde no confluye ningún

flujo de otra celda y termina en el cauce. El modelo calcula la localización en que

cada “Flowpath” entra al cauce y se calcula la escorrentía y sedimentos liberados al

cauce en este punto. Pero este método no calcula la escorrentía del canal, ni los

desprendimiento y deposiciones que en éste se producen, con lo cual no es útil para

simular potenciales contaminaciones de agua.

Los resultados obtenidos con el GEOWEPP en la cuenca del arroyo de Valdelamasa

se representan en la fig. 2. El proceso es el siguiente: a partir del modelo digital del

terreno, el modelo calcula los cursos de agua existentes y divide la cuenca en

subcuencas. Se han utilizado para realizar las simulaciones dos tipos de cubiertas

vegetales: cebada, y sin cultivo pero con pastoreo. La tasa de erosión o pérdida

tolerable de suelo se ha ajustado a un valor de: T =1 t/ha y año, para que la

zonificación de la erosión sea más evidente. Como se puede apreciar, los resultados

son muy diferentes según el método de cálculo que se aplique, siendo mucho más

sensible el método “Flopath” que el “Watershed”.

Otra opción de cálculo de la erosión es trabajar con el Modelo WEPP en una ladera

con una pendiente representativa de esta. La introducción de datos como: tipo de

usos de suelo y tipos de suelo, puede cambiar a lo largo de la ladera lo que hace

que sea más versátil. En la fig. 3 se muestran los resultados obtenidos al aplicarlo a

la cuenca del Arroyo del Monte. (A lo largo de la ladera, se han diferenciado dos

tipos de suelo, pero un solo cultivo).

2231

Figura Nº 2: Simulación con GEOWEPP en la cuenca del Arroyo de Valdelamasa (Viñuelas). Métodos de

cálculo: “Flowpath” y “Watersehd”.

2232

Figura nº 3: Simulación del modelo WEPP en una ladera tipo, de la cuenca del Arroyo del Monte (Daganzo ).

Zonas rojas: erosión. Zonas verdes: deposición.

2233

3.- CONCLUSIONES

Aparte de la lluvia y la escorrentía, la cantidad de suelo erosionado en un área está

fuertemente relacionada con el suelo, la vegetación y las características

topográficas. En las situaciones reales, estas características varían de forma

importante de unas zonas a otras de la cuenca y de una estación a otra. De ahí la

necesidad e importancia de utilizar un S.I.G. que permita la representación

heterogénea de estas características. El modelo GEOWEPP consigue representar y

cuantificar perfectamente la heterogeneidad de las características topográficas y de

drenaje de la cuenca, mejorando así la situación de cálculo para cuencas que

presentaba el WEPP. Pero no consigue introducir en su proceso de cálculo, las

diferencias que existen en la cuenca de coberturas vegetales y tipos de suelo. Sólo

se puede hacer esta diferenciación por subcuencas, sin permitir diferenciaciones

dentro de ellas.

La capacidad de reflejar esta variabilidad en el WEPP para LADERAS está bastante

lograda con su opción “insert break” tanto en tipos de cultivos como en tipos de

suelo. El modelo es muy versátil, permitiendo simular rápidamente diferentes

situaciones y con unas representaciones en pantalla de los resultados muy gráficas

y perceptivas. Es una herramienta útil para describir los procesos de erosión y cómo

las practicas de conservación de suelos pueden influir en el control de la erosión,

producción de sedimentos y los depósitos de éstos. El inconveniente que presenta

es que la zona de trabajo es muy pequeña y no permite conocer realmente cuales

son los problemas de erosión que existen en la zona y por qué se producen.

En el WEPP para CUENCAS la introducción de toda esta variabilidad espacial de

datos queda muy mermada por su propia limitación para representar la cuenca con

su forma real.

Muy importante es la limitación que se ha encontrado al querer introducir el archivo

del clima representativo de la zona. Los datos de clima que requiere el modelo

WEPP incluye valores diarios de precipitación, temperatura, radiación solar y datos

de viento. Un programa autónomo llamado CLIGEN se usa para generar los archivos

de clima para simulaciones continuas o bien los archivos de clima para una tormenta

aislada. Pero obtener los datos que requiere el CLIGEN para localidades fuera de

los EEUU puede ser un problema insalvable. Otra forma de introducir los datos de

clima propios, es con un programa para generar el clima con datos puntuales

llamado “Breakpoint Climate Data Generator for WEPP”, es bastante más sencillo

2234

para trabajar y conseguir los datos, pero sigue siendo una forma poco ágil de

introducir una cantidad de datos muy importantes, con lo que los errores se

multiplican.

Una vez conseguido el archivo de clima, se descubre un grave problema, ya que el

modelo no detecta que se produzca escorrentía con las lluvias que se tienen en un

clima continental como el de Madrid, lo cual, comparando los resultados con otros

modelos de calculo de escorrentía y la realidad no es cierto. Esto quiere decir que si

no hay escorrentía, no hay erosión, pero por poca que sea, en el terreno hay huellas

de erosión.

El objetivo de los diseñadores de este modelo de cálculo de erosión era que fuera

de fácil uso y de fácil aplicación dentro del territorio de los EEUU y para ello se

esforzaron en desarrollar una base de datos para los factores más influyentes en el

proceso de la erosión hídrica: datos de clima de aprovechamientos y usos del suelo,

de tipos de suelos dentro de su territorio. Esta base de datos está a disposición de

cualquier usuario en la red. Y aunque también tienen como finalidad, su aplicabilidad

en el resto del mundo, los organismos que lo utilicen, tienen que crearse su propia

base de datos para estos factores determinantes de la erosión, lo que conlleva un

esfuerzo muy superior, tanto en personal, (necesariamente pluridisciplinar), como en

tiempo y por lo tanto en dinero.

Una vez obtenidos estos datos, es verdad que el modelo bajo Windows es fácil de

utilizar y fácil de entender (muy visual). Los resultados son muy variados y se

pueden sacar gráficas de cómo afectan unos factores a otros en el proceso de

erosión, con lo cual es fácilmente aplicable en los trabajos de planificación y

conservación de suelos con la población afectada.

No ocurre lo mismo, en cuanto a su manejo, con el modelo GEOWEPP, que al ser

un modelo beta, requiere primero: mucha paciencia por que ni siquiera hay un

manual completo de su manejo, y segundo: un ordenador muy potente para que no

se interrumpa el proceso de cálculo. Sin embargo como herramienta para el estudio

de los procesos de erosión en el sistema completo es muy potente. Puede ser

utilizada para proyectos de planificación, muy exigentes en datos y que demanda

gran exactitud en los resultados. También puede ser útil en trabajos de inventariado

y evaluación en grandes áreas, en los que los parámetros requeridos no exigen

tanta exactitud y pueden generarse a partir de datos ya existentes.

2235

4.- REFERENCIAS

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5.- CORRESPONDENCIA

Marta de Regoyos Sáinz.

E.T.S.I.A. AV. Complutense S/N 28040 MADRID

Teléfono: 91.336.58.39 FAX 91.336.58.35

mregoyos@ppr.etsia.upm.es

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