Revista Polo del Conocimiento


Polo del Conocimiento

 

Identificacin de zonas potenciales de recarga y descarga de agua subterrnea en la subcuenca del Ro Chambo mediante los sistemas de informacin geogrfica y el anlisis multicriterio

 

Identification of potential groundwater recharge and discharge areas in the Chambo River sub-basin through geographic information systems and multi-criteria analysis

 

Norma Ximena Lara-Vsconez I
norma.lara@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8381-0401

Identificao de reas potenciais de recarga e descarga de guas subterrneas na sub-bacia do rio Chambo por meio de sistemas de informao geogrfica e anlise multicriterio

 

 

Diego Francisco Cushquicullma-Colcha II
diego.cushquiculma@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-6265-8164

Guicela Margoth Ati-Cutiupala V
guicelaati@correo.ugr.es
https://orcid.org/0000-0002-9779-2758

,Jonny Israel Guaia-Yungn III
jonny.guaina@espoch.edu.ec 
https://orcid.org/0000-0003-0456-7429
Vctor Manuel Espinoza IV
victor.espinoza@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-6058-2274
 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

Ciencias tcnicas y aplicadas

Artculo de investigacin

 

*Recibido: 10 de abril de 2021 *Aceptado: 03 de mayo de 2021 * Publicado: 01 de junio de 2021

            I.            Magister en Ciencias, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Recursos Naturales (FRN), Riobamba, Ecuador.

         II.            Ingeniero en Ecoturismo, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo (ESPOCH), Instituto de Investigaciones (IDI), Riobamba, Ecuador.

      III.            Magister en Informtica Empresarial, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Recursos Naturales (FRN), Riobamba, Ecuador.

      IV.            Magister en formulacin, evaluacin y gerencia de proyectos para el desarrollo. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Recursos Naturales (FRN), Riobamba, Ecuador.

         V.            Ingeniera en Ecoturismo, Universidad de Granada (UGR), Facultad de Ciencias, Espaa.


Resumen

La recarga hdrica es un factor fundamental para el ciclo hidrolgico de una Subcuenca, la presente investigacin identifica espacialmente las zonas con potencial de recarga y descarga hdrica en la Subcuenca del ro Chambo cuya superficie de 3.580 Km2. La identificacin de un primer modelo se realiz mediante los Sistemas de Informacin Geogrfica (SIG) y el Anlisis Multicriterio (AMC) integrando los criterios: litologa (35%), topoforma (8%), pendiente (21%), textura de suelo (32%), cobertura vegetal y uso del suelo (4%) en formato raster con una resolucin de 20 m x 20 m con sus pesos respectivos, para el segundo modelo se aplic la herramienta de superposicin ponderada aadiendo la capa de precipitacin anual con un peso de 50%. Para determinar las zonas de descarga se calcul el ndice topogrfico de humedad (ITH).

El criterio permeabilidad de la capa de litologa identifica rocas con porosidad (26,8%), fisuracin(57, 1%) e impermeabilidad (17,3), respecto a las topoformas se presentan relieves escarpados y montaosos(49,2%) y planicies(14%), en la subcuenca el 50,7% presenta pendientes escarpadas (>30%); los suelos franco limosos se ubican en el margen occidental del rea de estudio(44,83%) seguido de suelos arenosos (37,54%); el 49,8% del suelo es utilizado para actividades agropecuarias y asentamientos humanos, los pramos y bosques (41,78%), finalmente la precipitacin mnima y mxima es de 515 y 1372 milmetros de lluvia anual respectivamente. Se evaluaron dos modelos con y sin precipitacin obteniendo reas de 13031,1 y 74030,2 hectreas con muy alto potencial de recarga hdrica, localizadas en el margen oriental de la Subcuenca del ro Chambo. Las zonas de mayor potencial (muy alto y alto) presentan rocas con permeabilidad de porosidad y fisuracin, con pendientes de 2%-5%, con relieve escarpado y montaoso, vertientes irregulares, piedemonte y laderas coluviales, corresponde a zonas de paramo y bosque, con suelos franco y limoso. El TH indica que las zonas con muy alto potencial de descarga poseen 15 a 23,54 unidades ubicadas en la zona media de la Subcuenca localizndolas en reas hmedas y lagunas.

Palabras clave: Recarga hdrica; descarga; anlisis multicriterio; sistemas; agua subterrnea.

 

Abstract

Water recharge is a fundamental factor for the hydrological cycle of a Sub-basin, the present investigation spatially identifying the areas with potential for water recharge and discharge in the Sub-basin of the Chambo River whose surface area of 3,580 km2. The identification of a first model was carried out using Geographic Information Systems (GIS) and Multicriteria Analysis (AMC) integrating the criteria: lithology (35%), topoform (8%), slope (21%), soil texture ( 32%), vegetation cover and land use (4%) in raster format with a resolution of 20 mx 20 m with their own weights, for the second model the weighted overlay tool was applied adding the annual precipitation layer with a weight of 50%. To determine the discharge zones, the topographic humidity index (ITH) was calculated.

The permeability criterion of the lithology layer identifies rocks with porosity (26.8%), cracking (57.1%) and impermeability (17.3), with respect to the topoforms there are steep and mountainous reliefs (49.2%) and plains (14%), in the sub-basin 50.7% have steep slopes (> 30%); silty loam soils are located on the western margin of the study area (44.83%) followed by sandy soils (37.54%); 49.8% of the soil is used for agricultural activities and human settlements, the moors and forests (41.78%), finally the minimum and maximum rainfall is 515 and 1372 millimeters of annual rainfall respectively. Two models with and without precipitation were evaluated, obtaining areas of 13,031.1 and 74030.2 hectares with very high potential for water recharge, located on the eastern margin of the Chambo River Sub-basin. The areas with the highest potential (very high and high) present rocks with porosity and cracking permeability, with slopes of 2% -5%, with steep and mountainous relief, irregular slopes, foothills and colluvial slopes, corresponding to areas of paramo and forest , with loamy and silty soils. The TH indicates that the areas with very high discharge potential have 15 to 23.54 units located in the middle area of the Sub-basin, locating them in humid areas and lagoons.

Keywords: Water recharge; discharge; multi-criteria analysis; systems; groundwater.

 

Resumo

A recarga de gua um fator fundamental para o ciclo hidrolgico de uma Sub-bacia, a presente pesquisa identifica espacialmente as reas com potencial de recarga e descarga de gua na Sub-bacia do rio Chambo cuja superfcie de 3.580 km2. A identificao de um primeiro modelo foi realizada por meio de Sistemas de Informao Geogrfica (SIG) e Anlise Multicritrio (AMC) integrando os critrios: litologia (35%), topoforma (8%), declividade (21%), textura do solo (32%) , cobertura vegetal e uso do solo (4%) em formato raster com resoluo de 20 mx 20 m com seus respectivos pesos, para o segundo modelo foi aplicada a ferramenta de sobreposio ponderada adicionando a camada de precipitao anual com peso de 50%. Para determinar as zonas de descarga, o ndice de umidade topogrfico (ITH) foi calculado.

O critrio de permeabilidade da camada litolgica identifica rochas com porosidade (26,8%), fissurao (57,1%) e impermeabilidade (17,3), com relao s topoformas ocorrem relevos ngremes e montanhosos (49,2%) e plancies (14%), em a sub-bacia 50,7% tem declives acentuados (> 30%); solos franco-siltosos esto localizados na margem oeste da rea de estudo (44,83%), seguidos por solos arenosos (37,54%); 49,8% do solo usado para atividades agrcolas e assentamentos humanos, charnecas e florestas (41,78%), finalmente a precipitao mnima e mxima de 515 e 1372 milmetros de precipitao anual, respectivamente. Foram avaliados dois modelos com e sem precipitao, obtendo-se reas de 13.031,1 e 74030,2 hectares com altssimo potencial de recarga de gua, localizados na margem leste da Sub-bacia do rio Chambo. As reas com maior potencial (muito alto e alto) apresentam rochas com permeabilidade de porosidade e fissurao, com declives de 2% -5%, com relevo acentuado e montanhoso, taludes irregulares, contrafortes e taludes coluviais, correspondendo s reas de paramo e floresta, com solos argilosos e siltosos. O TH indica que as reas com potencial de descarga muito alto possuem de 15 a 23,54 unidades localizadas na zona mdia da Sub-bacia, localizando-as em reas midas e lagoas.

Palavras-chave: Recarga de gua; download; anlise multicritrio; sistemas; Agua subterranea

 

Introduccin

La identificacin de las zonas de recarga de agua subterrnea en un rea es importante para utilizar y salvaguardar adecuadamente los recursos de agua subterrnea (Anbarasu et al., 2020), pues constituyen un recurso estratgico en el contexto actual de crecimiento poblacional y cambio climtico(Daz-Alcaide and Martnez-Santos, 2019; UNESCO, 2021), el desarrollo adecuado de este recurso es esencial porque el agua subterrnea es una fuente importante de agua potable y agua para la agricultura (Lee et al., 2020; Yifru et al., 2020), la Unesco estima que casi la mitad de la humanidad (3 500 millones de habitantes) se abastece directamente del agua subterrnea y que los sectores que ms la consumen son: el domstico ( 67%), la industria (22%) y la irrigacin (11%)(Hatch Kuri, 2017; Zhu and Abdelkareem, 2021).

La importancia de las aguas subterrneas radica en la disponibilidad de agua a largo plazo, calidad natural para suministro de agua potable y un servicio a bajo costo que favorece a regiones con ausencia de sistemas de abastecimiento, por lo que se vuelve esencial monitorear y preservar estos recursos y tambin proteger su calidad (Herrera, 2017; Tiwari and Kushwaha, 2020). Sin embargo, en diferentes regiones del mundo las reservas de agua subterrnea estn bajo una intensa presin, estas zonas se ven afectadas por las distintas actividades que se realizan en el territorio, muchos de los principales acuferos del mundo estn experimentando aceleradas tasas de reduccin en sus reservas debido a la creciente demanda de agua(Roy et al., 2020). El agua subterrnea se extrae a tasas ms altas de las que se pueden reponer naturalmente (Hernndez et al., 2020), actualmente la contribucin para la gestin de los recursos de agua subterrnea es limitada(Yifru et al., 2020)

Las zonas de recarga hdrica renen una serie de caractersticas que propician la infiltracin del agua, (Hernndez-jurez et al., 2020; Sener et al., 2005) una de ellas es la conductividad hidrulica de la roca que permite la infiltracin del agua de lluvia hasta alcanzar el nivel fretico. En estas reas el nivel fretico es profundo, y el suelo es generalmente cido y poco desarrollado, con poca cantidad de materia orgnica y bajas concentraciones de sodio y sales.

Los estudios de zonas con potencial de recarga hdrica siguen siendo una gran incgnita para los responsables de la toma de decisiones (Hamdi et al., 2020). En Ecuador no existe una metodologa oficial para determinar las zonas de recarga hdrica, a esto se suma una reglamentacin deficiente y la prctica de actividades agrcolas y pecuarias sin las debidas medidas de conservacin de suelos (Berhe Zenebe et al., 2020; Chamorro, 2016; Elmahdy et al., 2020), factores que inciden negativamente en la preservacin de estas zonas. Adems la escasez general de conocimiento cientfico (Chidichimo et al., 2018a), limita la generacin de polticas pblicas orientadas a la gestin eficiente del recurso hdrico afectando la disponibilidad futura de agua en el centro de Ecuador.(Bustamante, 2017; Chidichimo et al., 2018a).

La alternativa sostenible para asegurar a mediano y largo plazo el suministro de la cantidad y calidad del agua para la economa, la sociedad y el medioambiente est dado en desarrollar una poltica nacional, regional y local del agua integral, encaminada al uso racional, productivo y eficiente del recurso, optimizando la gestin de riesgos asociados a su calidad y a los eventos extremos(Rodriguez and Prez, 2014).

Hasta el momento, las investigaciones hidrolgicas llevadas a cabo en la Subcuenca del ro Chambo se limitaron al equilibrio de las aguas superficiales, relegando la contribucin del agua subterrnea, por lo que el estudio resulta relevante si consideramos que las zonas de recarga hdrica provee agua a una regin densamente habitada, donde las infraestructuras de agua potable de las ciudades circundantes dependen exclusivamente del agua subterrnea(Chidichimo et al., 2018b). En tal sentido la Escuela Superior Politcnica de Chimborazo ejecuta el proyecto de Investigacin denominado Diseo e implementacin de un sistema de monitoreo ambiental por teledeteccin en zonas con alto potencial de recarga hdrica en el margen oriental de la subcuenca del Rio Chambo como estrategia para asegurar la provisin de los servicios ecosistmicos con el fin de contribuir a la conservacin y aseguramiento de la funciones ecolgicas de las zonas de recarga hdrica, los resultados de este estudio pueden contribuir el desarrollo sostenible de los recursos de aguas subterrneas mediante la identificacin de reas de alto potencial de aguas subterrneas.(Lee et al., 2020)

 

Antecedentes

Zonas de recarga y descarga

Las zonas de recarga agrupan una serie de particularidades que motivan la infiltracin de agua hasta alcanzar el manto fretico(Bardales Espinoza, 2007; Hernndez et al., 2020), est asociado a indicadores como la conductividad hidrulica de la roca (Berhe Zenebe et al., 2020)y la elevacin topogrficamente alta, el nivel fretico se encuentra profundo, el suelo es cido y poco desarrollado con poca cantidad de materia orgnica, baja concentracin de sodio y/o sales, la vegetacin es xerfita. Las zonas de recarga hdrica son un parte importante del sistema hidrolgico de una cuenca hidrogrfica por tanto cualquier alteracin podra causar afectacin a los acuferos y en consecuencia la calidad y cantidad del recurso hdrico(Bueso Campos, 2010).

Por otra parte, las zonas de descarga, cuyas propiedades son ms perceptibles, ocurre a una elevacin topogrfica ms baja que la zona de recarga, estas reas pueden estar representadas por un manantial o una laguna, los suelos tienden a ser ms salinos y alcalinos tornndose, en general, ms desarrollados, con mayor contenido de materia orgnica. La vegetacin asociada sobrevive en regiones indeleblemente inundadas y/o tolerantes a la salinidad (vegetacin halfila), y/o yeso (vegetacin gipsfila)(Hernndez et al., 2020; Peuela and Carrillo, 2013)

 

Materiales y mtodos

rea de estudio

La subcuenca del ro Chambo forma parte de la demarcacin hidrogrfica del Pastaza(Secretaria Nacional del Agua, 2010), su principal afluente es el ro del mismo nombre que nace en la cordillera central de los Andes ecuatorianos. La subcuenca cubre una superficie de 3.580 Km2 y un permetro de 339.38 Km, localizada entre las provincias de Chimborazo, Tungurahua y Bolvar, cuyas coordenadas son 159'42'' Latitud Sur 7829'40'' Longitud Oeste. La precipitacin promedio anual es de 872,078 mm, presentando una mayor precipitacin en el margen oriental de la Sub cuenca. (Andrade Valdospinoa, 2019; Chidichimo et al., 2018a).

Las pendientes en la subcuenca del ro Chambo varan desde 0% hasta 81.54%. Las pendientes extremadamente abruptas (75 81.54) %, representan el 0.08% del rea total de la subcuenca.(Naranjo Gaibor, 2013).

 

Hidrologa

La subcuenca est conformada de 21 microcuencas, las ms importantes son las microcuencas de los ros Cebadas, Guamote, Chibunga, Guano, Puela, Alao, Blanco y Uldn, ocupan aproximadamente el 85% de esta subcuenca, Las aportaciones medias anuales de las microcuencas alcanzan los 4,7 l/s/km2 en el ro Guamote y de 6,3 l/s/km2 en el ro Chibunga. (Chidichimo et al., 2018a)

El ro principal de esta subcuenca es el ro Chambo, que corre de sur a norte con una longitud (LRP) de 144.49 Km, el rea de la subcuenca (A) es de 3589.55 Km2, el permetro (P) es de 339.38 Km, su longitud axial (L) es de 106.77 Km y el ancho promedio (B) es de 33.62 Km. La longitud total de drenaje (LTD) es de 4604.14 Km.(Naranjo Gaibor, 2013). Los estudios hidrolgicos efectuados por la (Secretaria Nacional del Agua, 2010) visibilizan la existencia de 2 tipos de redes; la red hidrogrfica oriental y red hidrogrfica occidental siendo la primera la que aporta la mayor parte del recurso hdrico al Chambo.

Mapa ubicacion con escala

Figura 1: Lmites de la subcuenca del ro Chambo.

Fuente: Elaboracin propia con informacin de CONALI (2017), SENAGUA (2016).

 

Identificacin de las zonas de recarga y descarga

Las zonas de recarga renen caractersticas que favorecen la infiltracin de agua hasta alcanzar el nivel fretico, uno de los indicadores de estas zonas es la conductividad hidrulica de la roca que permite la infiltracin del agua de lluvia. Estas zonas se caracterizan por un nivel fretico profundo, suelos generalmente cidos y poco desarrollados, con baja cantidad de materia orgnica y poca concentracin de sodio y sales. (Peuela and Carrillo, 2013)

El agua proveniente de las precipitaciones y que alcanza la superficie de la cuenca, despus de saturar los espacios vacos; poros y/o fisuras de la superficie, y que se llenen de agua las pequeas depresiones superficiales, da inicio a dos tipos de movimiento: uno superficial siguiendo las lneas de mximo gradiente de energa y otro a travs de los espacios vacos del suelo y subsuelo de acuerdo con el gradiente piso-mtrico y con la permeabilidad del medio. (Bardales Espinoza, 2007; Chamorro, 2016)

Esta etapa consider la identificacin de criterios ligados a flujos de la subcuenca, ya que manifiestan mayor contraste con respecto a los flujos locales e intermedios (Peuela and Carrillo, 2013). Cabe destacar que las propiedades de las zonas de descarga se identificaron con mayor facilidad en comparacin con las de recarga y trnsito. Se us el anlisis multi criterio para delimitar las zonas de recarga de agua subterrnea utilizando las capas: litologa, topoforma, pendiente, textura de suelo, cobertura vegetal y uso del suelo(Anbarasu et al., 2020; Kadam et al., 2020). Estos datos se combinaron con el mtodo de superposicin ponderada para delimitar las zonas de potencial de agua subterrnea(Anbarasu et al., 2020). La identificacin de las zonas de descarga se efectu calculando el ndice topogrfico de humedad (ITH), aplicando la Teora de Sistemas de Flujo y su evaluacin mediante el AMC.

 

Determinacin de zonas de recarga hdrica

Preparacin de capas temticas

EL anlisis del potencial de recarga en el rea de estudio, const de tres pasos, la obtencin de la informacin vectorial oficial para el Ecuador (MAE and MAGAP, 2013), la construccin de bases de datos georreferenciadas y la elaboracin de capas temticas homogneas de cada criterio analizado. La elaboracin de estas capas se realiz mediante el geo procesamiento en el softwares ArcGis 10.8(Matomela et al., 2020), usando la proyeccin UTM, zona 17 SUR, Datum WGS84.


Figura 2: Diagrama de flujo para la evaluacin del potencial de recarga.

Fuente: Elaboracin propia.

 

La capa vectorial de litologa se obtuvo del Mapa Hidrogeolgico del Ecuador INAMHI-DGGM (Direccin General de Geologa y Minas (1983) Editado (2015), el potencial de recarga de las unidades litolgicas se evalu a travs de los indicadores de porosidad primaria intergranular, los valores generales de estos indicadores se obtuvieron de estudios similares. Los valores originales de cada criterio se evaluaron y reclasificaron en valores de contribucin a las zonas potenciales de recarga, considerando que una mayor porosidad efectiva y permeabilidad favorecen un mayor potencial de recarga (Abdalla et al., 2020; Kadam et al., 2020).

Las topoformas se identificaron al extraer la capa vectorial del mapa de unidades Geomorfologicas del Ecuador(Castro et al., 2013) a una escala de 1: 50000. El potencial de recarga se evalu considerando que las zonas de recarga y de descarga se asientan en zonas topogrficamente altas y bajas respectivamente.(Freeze and Cherry, 1979). El mapa de pendiente se elabor mediante las curvas de nivel que fueron tomadas de las cartas topogrficas del Instituto Geogrfico Militar (1991) a una escala de 1: 50000 con un intervalo de curvas a 40 metros. Las curvas de nivel se transformaron a un TIN - Triangular Irregular Networks por sus siglas en ingls, mediante la herramienta create TIN, posteriormente las redes irregulares se transformaron a un modelo digital de elevacin (DEM) utilizando la herramienta TIN to raster, con un tamao de celda de 20 x 20 metros.

El porcentaje de pendiente se obtuvo mediante la herramienta SLOPE, el cual se reclasific en cinco clases de acuerdo con(Food and Agriculture Organization [FAO], 2009) de 0 a 2%, 2 a 5%, 5 a 15%, de 15% a 30% y mayores a 30%. El potencial de recarga se valor considerando que las pendientes suaves promueven una menor velocidad y mayor tiempo de infiltracin, y las pendientes fuertes promueven una mayor velocidad y menor infiltracin. (Abdalla et al., 2020; Zhu and Abdelkareem, 2021)

El mapa de textura suelos se obtuvo del (MAE and MAGAP, 2013), el potencial de recarga de los suelos se evalu utilizando indicadores de textura y horizontes diagnsticos de los subgrupos de suelos, considerando la base referencial mundial del recurso suelo de (IUSS Working Group WRB, 2015), que permiten identificar rasgos fsico-qumicos indicativos del comportamiento hidrolgico del suelo (Peuela and Carrillo, 2013). Al evaluar el potencial de recarga se consider que una textura gruesa favorece la infiltracin y el drenaje del suelo (Anbarasu et al., 2020; Ortiz et al., 1999)(Anbarasu et al., 2020), por tanto se asignaron mayores valores a los rasgos y propiedades indicativos de zonas de recarga precedentemente descritos.

El mapa de cobertura y uso de suelo se obtuvo de la capa vectorial denominada Cobertura y uso de la tierra en el Ecuador para el ao 2018, elaborado por (MAE, 2013)Para la asignacin de la categora se utiliz la leyenda a nivel 1 y 2 basada en las categoras de cobertura de la tierra definidas por ( Panel Intergubernamental de Cambio Climtico), 2019), se clasificaron considerando que la vegetacin densa conservada cumple con las funciones ecolgicas normales, en cambio las zonas intervenidas con actividades antrpicas disminuyen deterioran y anulan los servicios eco sistmicos, en este contexto se dio mayor valor a zonas con cobertura vegetal.

Para el mapa de precipitacin se obtuvo informacin raster de la base de datos de la plataforma Word Clim(Varela et al., 2015) , se tomaron datos de un periodo histrico de 1970-2000, con una resolucin de 30 segundos. Se extrajeron y sumaron los datos de los promedios mensuales utilizando el software Arc Gis 10.8, obteniendo as la capa de precipitacin anual, la misma que fue reclasificada en cinco clases, considerando que, a mayor volumen de precipitacin, mayor ser la recarga. (Sener et al., 2005; Zhu and Abdelkareem, 2021)

 

Anlisis de decisiones de criterios mltiples

El anlisis multicriterio (AMC) se fundamenta en el concepto de escalas de relacin de conduccin de la comparacin pareada propuesto por (Saaty, 1987), tiene una precisin superior en el mapeo del potencial de aguas subterrneas, AMC es prometedor y reconoce de manera eficiente las regiones adecuadas para la recarga de agua subterrnea sobre otras tcnicas convencionales. (Kadam et al., 2020; Singh et al., 2018). En este trabajo, se utiliza un AMC basado en SIG para integrar capas temticas de variables que influyen en el almacenamiento natural y el movimiento de agua, dado que la comparacin pareada es vital en la aplicacin del AMC(Yifru et al., 2020), la asociacin de criterios se pondera de acuerdo con su contribucin a la presencia de agua subterrnea basada en la escala de (Saaty, 1987).

 

Tabla 1: Indicadores superficiales y clases utilizados en la evaluacin del potencial de recarga.

Escala

Intensidad de importancia

Definicin

1

Igual

Ambos factores contribuyen igualmente al objetivo

3

Moderado

Experiencia y conocimiento favorecen a un factor ligera a moderadamente sobre otro

5

Fuertemente

Experiencia y conocimiento favorecen a un factor moderadamente a fuertemente sobre el otro

7

Muy fuertemente

Un factor es fuertemente favorecido sobre otro y su dominancia se observa en la realidad.

9

Extremadamente

La evidencia favorece a un factor sobre otro y es del mayor grado de afirmacin posible

2,4,6,8

Valores intermedios

Se usa para representar prioridades intermedias entre 1, 3, 5, 7 y 9.

Fuente: Elaboracin propia con informacin de (INAMHI, 2015; MAE and MAGAP, 2013)

 

La priorizacin de criterios se realiz en dos fases; la primera basada en la experiencia de los autores considerando especialmente la funcin de cada criterio para delimitar zonas de recarga hdrica subterrneas, en un segundo momento se realiz una revisin bibliogrfica exhaustiva (Yifru et al., 2020)para recalificar los criterios y finalmente obtener los pesos. Se evalu la consistencia: una medida de dependencia dentro y entre los conjuntos de capas temticas de su estructura, es importante en AHP (Saaty, 1987). La relacin de consistencia (CR), principal, se calcul el valor propio (λ max) y el ndice de consistencia (IC) usando las siguientes ecuaciones de CI de Saaty:

Donde:

n es el nmero de datos considerados y RCI es aleatorio valor del ndice de consistencia (Podvezko, 2009). Un CR de 10% o menos es satisfactorio para proceder con el anlisis (Saaty, 1987). La integracin de los criterios y sus prioridades se realiz mediante el mtodo de combinacin lineal ponderada. El modelo para evaluar el potencial de recarga se muestra en la ecuacin:

Donde:

PR = Potencial de recarga

Pi = Peso o prioridad de cada criterio

Se utiliz la herramienta de superposicin ponderada para integrar los criterios y pesos y obtener como resultado el mapa de recarga hdrico con cinco clases: 1) muy bajo, 2) bajo, 3) moderado, 4) alto y 5) muy alto para facilitar su interpretacin y su anlisis con otras fuentes de informacin. (Hernndez-jurez et al., 2020).

Una vez obtenido el primer mapa, se corri nuevamente la herramienta de superposicin ponderada integrando el criterio de precipitacin asignando igual prioridad a los dos mapas. La validacin del modelo se realiz por medio de la sobreposicin con otras fuentes de informacin, como presencia de corrientes y cuerpos de agua perennes y visitas in situ (Hernndez-jurez et al., 2020)

 

Determinacin de zonas de descarga

El ndice topogrfico de humedad (ITH) (Arteaga Delgado et al., 2020) permiti identificar los potenciales lugares donde se concentra la humedad o las zonas de acumulacin de agua superficial como zonas topogrficamente bajas y planas, y con presencia de vegetacin. (Roy et al., 2020; Zhu and Abdelkareem, 2021). Se analiz utilizando el modelo de elevacin digital(MDE) y el ITH (Bhner et al., 2002, p. 214), el cual se reclasific en cinco clases, considerando que los valores altos del ndice indican sitios de acumulacin con mayor proximidad del nivel fretico, por tanto, mayor potencial de descarga (Hernndez-jurez et al., 2020)

EL ITH se calcul con la direccin de flujo, acumulacin de flujo y la pendiente, se aplicaron las frmulas:

 

Resultados y discusin

Priorizacin de criterios

Se consideraron los criterios que presentan mayor accesibilidad y relevancia para evaluar el potencial de recarga en el rea de estudio, fundamentados en la revisin bibliogrfica se obtuvo la prioridad de cada variable y un mejor conocimiento sobre su funcin e interrelacin con las otras variables. El CR fue de 0,0735, indicando una consistencia admisible de la matriz (Tabla 2).

Se consider a la litologa como el criterio ms importante ya que la recarga depende fuertemente de las principales hidrogeolgicas del subsuelo(Anbarasu et al., 2020; Lee et al., 2020; Yifru et al., 2020), que permiten la infiltracin de agua, obtuvo un peso de 35%. La textura de suelo fue la segunda variable ms importante alcanz un peso de 32%, su estructura, composicin y humedad, son fundamentales para la escorrenta de agua en una zona y depende de caractersticas como; el tamao de grano, porosidad y densidad aparente.

La pendiente se considero la tercera variable en importancia, ya que las tasas de escorrenta e infiltracin estn controladas fundamentalmente por la pendiente de la superficie en reas de pendiente pronunciada la recarga es menor en comparacin con reas de pendiente menor, finalmente los criterios topoformas y cobertura vegetal y uso del suelo aportan con pesos bajos.

 

Tabla 2: Determinacin de pesos por el mtodo de Saaty (AMC)

 

 

C1

C2

C3

C4

C5

Wi

Ci

LAMDAi

 

C1

1,00

1,00

1,00

2,00

3,00

1,43

0,21

0,81

 

C2

1

1,00

1,00

6,00

8,00

2,17

0,32

1,05

 

C3

1

1

1,00

9,00

9,00

2,41

0,35

1,14

 

C4

1/2

1/6

1/9

1,00

4,00

0,52

0,08

1,39

 

C5

1/3

1/8

1/9

1/4

1,00

0,26

0,04

0,95

 

Pi

3,83

3,29

3,22

18,25

25,00

6,78

 

5,35

λmax

 

PESOS

 

CRITERIO1

Pendiente

 

 

0,21

C1

 

CRITERIO2

Textura de suelo

 

 

0,32

C2

 

CRITERIO3

Litologa

 

 

0,35

C3

 

CRITERIO4

Topoformas

0,08

C4

 

CRITERIO5

Cobertura vegetal y uso del suelo

0,04

C5

 

1,00

Ci=

0,08736554

 

Rci=

1,188

 

CR=

0,0735

Consistente

 

 

Tabla 3: Criterios superficiales y clases utilizados en la determinacin del potencial de recarga hdrica.

Factor de influencia

Categora

Potencialidad

Clasificacin

Peso

Litologa

Permeabilidad muy alta

Permeabilidad alta

Permeabilidad media

Impermeable

Muy alto

Alto

Moderado

Muy bajo

5

4

3

1

35

Pendiente

0 a 2%

2,01% a 5%

5,01 a 15%

15,01% a 30%

> 30,01%

Muy alto

Alto

Moderado

Bajo

Muy Bajo

5

4

3

2

1

21

Topoformas

Relieve escarpado/Relieve montaoso/Vertientes irregulares/Piedemonte coluvial/Laderas coluviales

 

Colinas, medianas/Valles Interandinos/Vertientes convexas/Vertientes concavas/Talud de derrubios

 

Nieve/Superficies de aplanamiento/Cuerpos de agua/Zonas Urbanas

Muy alto

 

Moderado

 

 

 

Muy Bajo

5

 

3

 

 

 

1

8

Textura de suelo

Gruesa

Media

Fina

Muy alto

Alto

Muy Bajo

5

4

1

32

Cobertura y uso del suelo

Paramo y bosque

Vegetacin arbustiva y herbcea

reas sin cobertura vegetal

Tierra agropecuaria

Zona antrpica

Muy alto

Alto

Moderado

Bajo

Muy Bajo

5

4

3

2

1

4

 

Total

100

 

Tabla 4: Criterio precipitacin y clases para Modelo de determinacin de zonas de recarga hdrica potencial

Factor de influencia

Categora

Potencialidad

Clasificacin

Peso

Precipitacin

900 a 1372 mm

800 a 900 mm

700 a 800 mm

600 a 700 mm

515 a 600 mm

Muy alto

Alto

Moderado

Bajo

Muy Bajo

5

4

3

2

1

50

 

Anlisis de criterios

Litologa

Las caractersticas litolgicas son significativas, ya que la infiltracin del agua precipitada a el acufero subterrneo se rige por la porosidad y permeabilidad de la capa superficial (Zhu and Abdelkareem, 2021), en el rea de estudio el 26,8% de la Sub cuenca presenta rocas con permeabilidad de tipo porosidad intergranular que se considera de permeabilidad muy alta, representadas en 94043,4 hectreas formadas por material geolgico del Cuaternario compuesto por rocas de tipo sedimentos fluviales, toba, lahares, prioclastos, tillitas, morreras y limolitas, junto con las unidades de basalto, basalto-andesita, tobas rioltica, calizas y conglomerado polignico-arenisca del Terciario Superior, (Hernndez et al., 2020; Kadam et al., 2020), Esta caracterstica se presenta principalmente en la parte central de la Subcuenca en la parroquias de Licto, Flores, Calpi, San Luis, y en las cabeceras cantonales de Riobamba y Guano, al suroeste de la matriz en el cantn Guamote.

Se consideran de permeabilidad media o fisuracin los depsitos detrticos del Terciario, como conglomerado-polignico, arenisca-toba rioltica, basalto, andesita-basalto, andesita, brecha volcnica andestica, toba andestica-toba rioltica, toba rioltica, caliza y granito-granodiorita(Roy et al., 2020); todas estas unidades se caracterizan por una fisuracin moderada o alta corresponden al 57,1 % del reas de estudio, ubicadas en el margen oriental de la subcuenca en las parroquias de Bilbao, Puela, El Altar, cabecera cantonal de Penipe, La Candelaria, Quimiag, cabecera cantonal de Chambo, al Norte de Pungala, y al sur de Cebadas; en la zona occidental se ubica en las parroquias de San Andres, San Juan, Villa la Unin, Cacha, Punin, Santiago de Quito; Columbe y la cabecera cantonal de Guamote.

El 17,3 % presenta rocas con reducida permeabilidad, los cuerpos granticos, las riolitas, andesita-dacita, caliza-lutita, lutita-caliza y arenisca-lutita, localizadas al sur de Pungala, al norte de Cebadas y al este de la cabecera cantonal de Guamote.

Litologia tipo permeabilidad

Figura 3: Litologa en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboracin propia.

 

Topoformas

El 14% de la Sub cuenca presenta superficies de aplanamiento, cuerpos de agua y zonas urbanas, aluden a caractersticas del relieve en trminos de amplitud altitudinal o altura relieve asociadas a zonas de descarga en San Juan, San Andrs, la cabecera cantonal de Riobamba, San Isidro de Patul, Quimiag, Guano La Matriz, Pungala y al Este de Cebadas. Las clases morfolgicas correspondientes a colinas medianas, valles Interandinos, vertientes convexas, vertientes cncavas y talud de derrubios ocupa el 39,3% de se ubican en la parte central de la Sub cuenca en las parroquias de San Andres, Calpi, Lican San Juan, Riobamba La Matriz, Guano La matriz, San Luis, Cubijies, Columbe, Flores y al Noreste de Guamote La matriz, definidos como zonas de trnsito. (Hernndez et al., 2020)

El 49,2% de la superficie total registra topoformas con relieve escarpado, montaoso, vertientes irregulares, piedemonte y laderas coluviales, localizadas en las cadenas montaosas de oriente y occidente de la Subcuenca del ro Chambo. Estas clases morfomtricas aluden a las caractersticas del relieve en trminos de su amplitud altitudinal o altura relativa entre el punto ms bajo y el ms alto de una unidad, y proveen informacin sobre la energa del relieve.

topoformas

Figura 4: Topoformas en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboracin propia.

 

Pendiente

El rea de pendiente alta da como resultado una escorrenta rpida y un perodo de retencin bajo para infiltrar el agua y, por lo tanto, se considera "pobre" para la recarga del agua subterrnea (Kadam et al., 2020), debido a la presencia de un sistema montaoso en la Subcuenca y a la presencia de topoformas irregulares 50,7 % presenta pendientes escarpadas (>30%) que se localizan en el margen oriental de la Subcuenca en las zonas circundantes a los volcanes El Altar y Sangay, adems en el occidente en el nevado Chimborazo. Por otra parte 83204,28 hectreas presentan pendientes inclinadas (15%-30%) se ubican principalmente en la zona central y occidental de la Subcuenca en zonas donde se asientan ciudades y pueblos. Las pendientes moderadamente inclinadas (15%-5%) se registran en ciudades como Riobamba y Guano y parroquias como San Luis y Calpi ubicado en la zona Norte de la Sub cuenca abarcan 38834,52 hectreas(ha)

Mientras que la pendiente suave tiene un potencial de agua subterrnea alto(Anbarasu et al., 2020) alto (2% y 5%) se presentan en zonas cntricas de Riobamba, Lican y Calpi con terrenos ligeramente inclinados se registran 10035,44 ha, en cuanto a las pendientes moderadamente inclinadas e inclinadas (<2%) se presentan en 48679,04 ha, ubicadas en zonas pobladas de Riobamba y Guano. El mayor potencial de recarga se otorg a las pendientes moderadamente inclinadas e inclinadas, al ser las superficies donde el flujo superficial tendr la mayor distribucin espacial.

Pendiente

Figura 5: Pendientes en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboracin propia.

 

 

 

Textura del suelo

El suelo controla la infiltracin de agua en un rea y depende de varias caractersticas como el tamao del grano, la forma del grano, la textura del suelo. (Anbarasu et al., 2020) en el rea de estudio los suelos francos y limosos son los suelos dominantes y cubren 44,83% de la superficie total, ubicados en las zonas occidental y oriental, el primero en las parroquias de San Juan, Villa La Unin, Columbe; el segundo en las parroquias del Altar, Matus, la Candelaria, Quimiag, Chambo, Pungala y Cebadas, entre tanto que los suelos arenosos representan el 37,54% de la superficie, presentes en la zona media de la Subcuenca en las cabeceras cantonales de Guano, Guamote y Riobamba.

Los suelos arcillosos y con presencia de rocas (20,21%), es el tercer suelo dominante de la Subcuenca, estas zonas se encuentran dispersas al norte de San Andrs; Pelileo, Quero, al este de La candelaria y Quimiag, Chambo y Pungal.

Textura del suelo

Figura 6: Textura en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboracin propia.

 

Cobertura y uso de la tierra

La cobertura y uso del suelo es uno de los factores esenciales que afectan la escorrenta y el potencial de RWH de un rea (Matomela et al., 2020), existe una relacin espacial positiva entre los cambios de LULC y la recarga de aguas subterrneas, la descarga de aguas subterrneas y el nivel de las aguas subterrneas(Elmahdy et al., 2020). El uso del suelo se caracteriza por una mezcla de cobertura forestal, actividades agrcolas, asentamientos humanos (Sener et al., 2005), basados en el mapa de cobertura y uso de suelo (MAE and MAGAP, 2013), en el rea de estudio se observa 4 tipos de coberturas y usos de suelo; la actividad agropecuaria constituye la mayor superficie (49,8%) y se encuentra ubicada en la zona media de la subcuenca en las cabeceras cantonales de Riobamba, Chambo, Guano y Guamote; los pramos y bosques conservados (41,78%) estn localizados al extremo del margen oriental y occidental de la Subcuenca.

Como tercer tipo de cobertura y uso de suelo se identifica a la vegetacin no muy densa y poco conservada que agrupa el 5,6% de la superficie total y se localiza en la zona media, se distinguen pequeos parches de vegetacin. Se registran adems reas sin cobertura vegetal( 3%) y estn localizadas al alrededor del nevado Chimborazo con mayor presencia en las parroquias de Puela y Bilbao, finalmente se registran asentamientos humanos (2,3%) que se ubican principalmente en Riobamba, Guano y Lican, Calpi.

 

cobertura y uso del suelo 2

Figura 7. Cobertura y uso de suelo en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboracin propia.

 

Precipitacin

Las precipitaciones totales anuales en la Subcuenca del ro Chambo, registran una mnima de 515mm. y una mxima de 1372 milmetros de lluvia anual, las zonas ms lluviosas se ubican en el margen oriental de la Subcuenca y se registra menor pluviosidad en las zonas con ciudades grandes y el margen occidental.

precipitacin

Figura 8: Precipitacin en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboracin propia.

 

Descripcin de zonas de recarga

El modelo sin precipitacin delimita 13031,1 ha con muy alto potencial de recarga hdrica, mientras que el modelo con precipitacin determina que existen 74030,2 ha que se localizan en el margen oriental de la Subcuenca del ro Chambo obteniendo una diferencia significativa respecto a las zonas con alto, moderado, bajo y muy bajo potencial de recarga(Akter et al., 2020).

 

Tabla 4: Comparacin de la superficie por clase del potencial de recarga (PR).

Potencia de recarga

Modelo sin precipitacin

Modelo con precipitacin

Superficie (Hectreas)

Porcentaje (%)

Superficie (Hectreas)

Porcentaje (%)

Muy Alto

13031,1

3,636

74030,2

20,658

Alto

175534,3

48,983

171894,6

47,967

Moderado

134262,2

37,466

100660,0

28,089

Bajo

32762,6

9,142

11760,6

3,282

Muy Bajo

2767,4

0,772

12,2

0,003

TOTAL

358357,6

100,0

358357,6

100,0

Fuente: Elaboracin propia.

 

En el mapa de potencial de recarga se observa que 20,6% de la superficie presenta muy alto potencial de recarga; 47%, potencial alto; 28%, potencial moderado; 3,2%, potencial bajo, y 0,003%, muy bajo (Tabla 4). Las zonas de mayor potencial (muy alto + alto) se ubicaron en las parroquias de Cebadas, Pungala, Columbe, Guamote La Matriz, San Juan, Villa La Union, Quimiag, Chambo entre otros. (Figura 10). Estas zonas se conforman de rocas de tipo sedimentos fluviales, toba, lahares, prioclastos, tillitas, morreras, limolitas, lavas altamente fisuradas, clsticas, piroclsticas, tobas, rocas porfiriticas, diabasas y cuarcitas diaclasadas, en pendientes de 2% y 5% con relieves escarpado y montaoso, vertientes irregulares, piedemonte coluvial y laderas coluviales principalmente corresponde a zonas con vegetacin paramuna y bosque, con suelos franco y limoso.

Las zonas de moderado potencial se ubicaron en las parroquias de Guamote , Guano, , Riobamba, Colta, Chambo, poseen suelo de tipo rocosos con lavas altamente fisuradas, clsticas, piroclsticas, tobas, rocas porfiriticas, diabasas y cuarcitas diaclasadas, son reas con poca cobertura vegetal y suelos arenosos, en pendientes de 5%-15%, en zonas de colinas valles con vertientes convexas y cncavas.

Las zonas de potencial bajo y muy bajo se ubicaron en las cabeceras cantonales de Guano, Riobamba, Penipe y Chambo y en las parroquias de Palmira, San Juan, Columbe, San Andres, Cotalo, Santiago de Quito, La Providencia entre otros, se presenta en sus territorios superficies de aplanamiento, cuerpos de agua y zonas urbanas con tierras agropecuarias, compuestas por rocas metamrficas, intrusivos, lutitas y areniscas, con suelos arcillosos con presencia de rocas, con pendiente de 0% a 15%.

Mapa recarga y descarga

Figura 10: Zonas potenciales de recarga (a) con base en la precipitacin (b).

Fuente: elaboracin propia.

 

Descripcin de zonas de descarga

El ndice Topogrfico de Humedad (ITH, TWI o CTI)

Al calcular el ITH de obtuvieron valores entre 3,49 y 23,54, se reclasificaron en muy bajo potencial (3,49- 6), bajo (6-9), moderado (9-12), alto (12-15) y muy alto potencial de descarga (15-23,54).

Indice topografico de humedad

Figura 11: ndice topogrfico de humedad en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: Elaboracin propia.

 

La zona de descarga permite identificar el funcionamiento de las aguas subterrneas, ya que es el sitio donde emerge el agua y constituye la fase final del recorrido del flujo. (Peuela and Carrillo, 2013). El mapa de potencial de descarga muestra las reas con mayor presencia de indicadores regionales asociados con zonas de descarga del agua subterrnea ubicada en la zona media de la Subcuenca en las parroquias de San Luis, Lican, Calpi, San Andrs y el cantn Riobamba, adems de la parroquia La Matriz en Guamote y en la parroquia Santiago de Quito en la laguna de Colta, en la parte baja las zonas de descarga se localizan en el cantn Penipe (Figura 10).

 

Conclusiones

Los resultados de la integracin de criterios incorporados a la teora de los sistemas de flujo desarrollada en el estudio demostraron la confiabilidad de los mismos para obtener una adecuada aproximacin del funcionamiento hidrolgico de la subcuenca ya que relaciona la respuesta de la dinmica de las precipitaciones y las implicaciones en el agua subterrnea. El anlisis multicriterio result ser una herramienta til para identificar zonas potenciales de recarga y descarga hdrica, se obtuvo que las reas con relieve escarpado, montaoso con vertientes irregulares contribuyen a delimitar zonas de recarga hdrica con potencialidad muy alto, alto, moderado, bajo y muy bajo, con porcentajes de 20,6%, 47 %, 28%, 3,2 % y 0,003% respectivamente, las condiciones litolgicas que favorecen la presencia de zonas de recarga estn asociadas a rocas fisurada y con porosidad, con suelos de texturas gruesa en zonas de paramo y bosque.

El ndice topogrfico de humedad permiti delimitar las zonas con muy alto potencial de descarga hdrica (rango de 15 a 23,54), ya que identifica la concentracin de humedad en la totalidad del rea de la subcuenca, la mayor parte de estas se localizan en planicies y lagunas.

 

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