Estimacin del
factor topogrfico LS (RUSLE) mediante la aplicacin de sistemas de informacin
geogrfica
Caso subcuenca
Ichu, Huancavelica Per
Estimation of the topographic factor LS (RUSLE) through the application
of geographic information systems
Ichu sub-basin case, Huancavelica - Peru
Estimativa do fator topogrfico LS (RUSLE) atravs
da aplicao de sistemas de informao
geogrfica
Caso da sub-bacia de Ichu, Huancavelica - Peru
Correspondencia: maxh.alvarado@gmail.com
Ciencias
Tcnicas y Aplicadas
Artculos
de investigacin
*Recibido: 30
de agosto de 2021 *Aceptado: 20 de
septiembre de 2021 * Publicado: 04 de
octubre de 2021
I.
Magster en
Administracin de Empresas, Ingeniero Economista, Docente de la Escuela
Profesional de Economa de la Universidad Nacional de Huancavelica - UNH, Per.
II.
Magster en Gestin
Integral de Cuencas Hidrogrficas, Ingeniera Gegrafa, Docente de la Escuela
Profesional de Ingeniera Ambiental y Sanitaria de la Universidad Nacional de
Huancavelica - UNH, Huancavelica, Per.
III.
Doctor en Ciencias
Ambientales, Bilogo Microbilogo, Docente de la Escuela Profesional de
Ingeniera Ambiental y Sanitaria de la Universidad Nacional de Huancavelica -
UNH, Huancavelica, Per.
Resumen
El modelo paramtrico RUSLE sigue siendo uno de los modelos de mayor
aplicacin para determinar los efectos de la erosin hdrica en cuencas altoandinas. En este modelo, los efectos del factor
topogrfico sobre la prdida de suelo estn representado por el factor LS,
siendo este factor, uno de los ms complejos en su estimacin. El objetivo del
presente artculo es estimar el factor topogrfico (LS) en la sub cuenca Ichu de manera concreta y adecuada para su integracin en
los sistemas de informacin geogrfica, lo cual no solo permita una estimacin
ms precisa del factor LS, sino tambin un potencial uso de los modelos de
Elevacin Digital y de las herramientas de software Gis.
En ese sentido la estimacin del factor LS de la sub cuenca Ichu, varia de 0 a 500, el cual es un valor adimensional y
de acuerdo al anlisis espacial se discrimina que los rangos con mayor
porcentaje de superficie del rea se ubican en los 4 primeros rangos que varan
de 0 a 50, los cuales se relacin de manera directa con la pendiente del rea
de estudio.
Palabras claves: Factor topogrfico (LS); RUSLE; SIG; erosin; modelos de elevacin digital.
Abstract
The RUSLE parametric
model continues to be one of the most widely applied models to determine the
effects of water erosion in high Andean basins. In this model, the effects of
the topographic factor on soil loss are represented by the LS factor, this
factor being one of the most complex in its estimation. The objective of this
article is to estimate the topographic factor (LS) in the Ichu
sub-basin in a concrete and adequate way for its integration into geographic
information systems, which not only allows a more precise estimation of the LS
factor, but also a potential use of Digital Elevation models and Gis software tools.
In this sense, the
estimation of the LS factor of the Ichu sub-basin,
varies from 0 to 500, which is a dimensionless value and according to the
spatial analysis it is discriminated that the ranges with the highest
percentage of surface area are located in the first 4 ranges that vary from 0
to 50, which are directly related to the slope of the study area.
Keywords: Topographic factor (LS); RUSLE; S.I.G; erosion;
digital elevation models.
Resumo
O modelo paramtrico
RUSLE continua a ser um dos modelos mais amplamente aplicados para
determinar os efeitos da eroso
hdrica nas altas bacias
andinas. Neste modelo, os efeitos
do fator topogrfico na perda de solo so representados
pelo fator LS, sendo este um dos mais complexos na sua estimao.
O objetivo deste artigo estimar o fator topogrfico (LS) na sub-bacia do Ichu de forma concreta e
adequada para a sua integrao nos sistemas de informao
geogrfica, o que permite no s
uma estimativa mais precisa
do fator LS, mas tambm um uso potencial de modelos de elevao
digital e ferramentas de software Gis.
Nesse sentido, a estimativa
do fator LS da sub-bacia do
Ichu, varia de 0 a 500, que um
valor adimensional e de acordo com
a anlise espacial discriminou-se que as faixas com maior percentual
de rea de superfcie esto
localizadas em as 4 primeiras
faixas que variam de 0 a
50, que esto diretamente
relacionadas declividade da rea de estudo.
Palavras-chave: Fator topogrfico (LS);
RUSLE; S.I.G; eroso; modelos de elevao
digital.
Introduccin
El suelo es uno de los recursos ms importantes y vulnerables a sufrir
erosin pues ella conlleva no solo la disminucin de productividad agrcola,
sino tambin reduce la disponibilidad de agua, por lo que la evaluacin del
riesgo de erosin hdrica es esencial para gestionar tcnicas de conservacin.
La erosin implica una amplia gama de procesos que implican
desprendimiento y transporte del suelo debido a fuerzas que actan sobre la
superficie de la tierra, para cuantificar estos procesos se recurre a modelos
que permitan investigar los procesos fsicos y mecanismos que gobiernan las
tasas de erosin e identificar reas de alto riesgo de prdida de suelo, para
ayudar en la planificacin de la conservacin. (Mitasova
et al., 2013), citado por Escobar, M. (2019).
La Ecuacin Universal de Prdidas de Suelo (USLE) y su posterior
revisin, la Ecuacin Universal de Prdidas de Suelo Revisada (RUSLE), son los
modelos que usualmente se usan en todo el mundo para calcular prdidas de suelo
por erosin hdrica.
Los resultados de la forma de la topografa e hidrologa sobre la
prdida de suelo estn interpretados por el factor combinado LS, donde LS, es
uno de los cinco factores comprometidos en el modelo, ya sea USLE (Wischemeier y Smith, 1978) o RUSLE (Renard
et al., 1997).
El modelo RUSLE y su estudio en cuencas hidrogrficas tiene en consideracion la importancia de las caractersticas
topogrficas sobre la prdida de suelo y es descrita en la longitud de la
pendiente (L) y el grado de inclinacin de la pendiente (S).
El factor topogrfico (LS) caracteriza el tipo de relieve en que tendrn
lugar los procesos de prdida de suelo debido a la inclinacin, longitud,
adems de proporcionar informacin sobre la forma de la pendiente. Renard et al. (1997). Los mismos autores proponen que la
comprensin de las formas del paisaje sugiere un mejor entendimiento en la
caracterizacin de las rutas preferidas de los flujos de agua y la movilidad
espacial de las propiedades del suelo.
Moore y Wilson (1992) definen al factor LS como una medida de la
capacidad de transporte de sedimentos del flujo superficial y tambin reconocen
que la estimacin del factor LS posee ms problemas que cualquiera de los otros
factores del USLE/RUSLE, siendo adems complicada su aplicacin o adaptacin
sobre terrenos reales lo cual representa una gran dificultad en la prctica
debido a que el modelo no era capaz de diferenciar aquellas partes del paisaje
que experimentan erosin neta de aquellas con deposicin, como por ejemplo: las
laderas cncavas de las partes bajas de la cuenca. Todo ello conlleva a una
ruta de readaptacin de los mtodos tradicionales hacia el uso de geo
tecnologas para evitar complicaciones en el clculo de los factores comprometidos en los modelos. De todos ellos
el factor LS probablemente sea uno de los factores ms discutidos puesto que su
estimacin requiere del entendimiento previo del impacto de la convergencia del
flujo, el rea de contribucin aguas arriba.
Para incorporar el impacto de la convergencia del flujo, la longitud de
pendiente λ, es reemplazada por el rea de contribucin aguas arriba, A
(Desmet y Govers, 1996) ya que
de este modo permite extender la estimacin de la prdida de suelo a la
complejidad de los terrenos en 3D, lo que puede ayudar a distinguir reas que
experimentan erosin de las con deposicin (Moore y Wilson, 1992).
Entendiendo ello, el concepto de distribucin de rea requiere la
generacin de un mapa de flujo acumulativo. Para cada celda, se calculan la
pendiente, la direccin del flujo y la cantidad de lneas de flujo acumuladas
aguas arriba de esa celda, Por lo tanto, es un gran avance la aplicacin de
algoritmos asociados con los sistemas de informacin geogrfica (SIG), para
calcular el factor LS en el modelo de RUSLE.
La amplia gama de informacin de bases topogrficas digitales
disponible, junto con el uso de los SIG, ha estimulado el desarrollo de la
extraccin automtica de las variables topogrficas. En trminos operacionales
y desde el punto de vista econmico, con el uso de las geotecnologas
en la caracterizacin del factor LS, el trabajo de campo es menos intensivo,
ahorrando tiempo y recursos. Moore et al. (1992).
Por lo expuesto anteriormente, en esta investigacin se plantea llevar a
cabo la estimacin del factor LS, empleando las herramientas de Sistemas de
Informacin Geogrfica en la subcuenca Ichu.
Metodologa
DEM: Modelo Digital de elevacin ALOS PALSAR DEM en formato rster, obtenido de la Agencia Japonesa de Exploracin
Aeroespacial (JAXA) a una resolucin espacial de 12.5 m.
Software: Software Arc GIS, extensiones: 3D
Analyst for ArcGIS y Spatial Analyst for ArcGIS.
Hidrogrficamente la subcuenca del ro Ichu forma parte de la cuenca del Rio Mantaro,
polticamente se ubica entre las provincias de Huancavelica y Castrovirreyna Regin Huancavelica Per, su extensin es
de aproximadamente 1383.749658 km2, abarcando zonas que van desde los 2847
m.s.n.m. hasta las 5220 m.s.n.m., la cabecera de la cuenca. Sus lmites
naturales son: por el Norte con la cuenca del ro Mantaro, por el Oeste con la subcuenca del ro Vilca, por el este con la subcuenca del ro Urubamba y por el Sur con la cuenca del
ro Pisco.
Esta subcuenca se caracteriza por tener un
clima propio de puna y vertiente occidental; as mismo presenta variaciones por
la ubicacin geogrfica, altitud y topografa del lugar; la precipitacin total
anual vara desde 700 y 1000 mm. Escobar, M (2019).
Figura 1: Mapa de Ubicacin de la
Sub cuenca del Rio Ichu.
c) Factor topogrfico (LS)
Renard eat.,1997 define como
la distancia horizontal desde el punto ms alto, donde se origina el flujo
superficial al punto ms bajo donde comienza la deposicin que fluye por
escorrenta a un canal, mediante la ecuacin usada por RUSLE.
Adicionalmente a ello se
incorpor conceptos asociados a la escorrenta y al transporte de sedimentos
tales como que la escorrenta se genera
uniformemente sobre el rea de captacin, y que adems, la deposicin de
sedimentos no es tenida en cuenta, lo cual representa un gran problema en la
prctica debido a que el modelo no es capaz de diferenciar aquellas partes del
paisaje que experimentan erosin neta de aquellas con deposicin, como por
ejemplo las partes bajas de laderas cncavas (Moore y Wilson, 1992).
Para incorporar el
impacto de la convergencia del flujo, la longitud de pendiente, λ, es
reemplazada por el
rea de contribucin aguas arriba, A (Moore y Burch,
1986; Desmet y Govers,
(1996) permitiendo extender la estimacin de la prdida de suelo a la
complejidad de los terrenos en 3D.
-
Factor de longitud de la
pendiente (L)
La ecuacin para
obtener este factor es la descrita en la revisin de literatura por McCool, et al.
(1989)
(Ec. 1)
Donde:
L: Factor longitud de la pendiente.
λ: Longitud de la pendiente, (m).
m: Exponente influenciado por la longitud y grado de
pendiente.
22.13: Valor que depende del tamao estndar de una
parcela de observacin.
El exponente m se calcula como:
(Ec.
2)
El valor de β se calcula como:
(Ec.
3)
Donde:
θ: ngulo de la pendiente que debe transformase
de grados a radianes.
La longitud de la pendiente se calcula segn Desmet y Govers (1996) citado por
(Gimnez Surez, 2008).
L(i,j) (Ec.
4)
Donde:
A(i,j) [m] = es
el rea de contribucin aguas arriba en la entrada de una celda rster con coordenadas (i,j)
D = Resolucin de
celda en metros
xi,j, (sen αi,j + cos αi,j)
αi,j, direccin de la orientacin para la celda
del rster con coordenadas (i,j).
-
Factor topogrfico, inclinacin
de la pendiente (S)
Segn Escobar, M (2019), el ngulo de la pendiente
modifica el tiempo de permanencia de la lmina de agua que circula por la superficie
del terreno. En los terrenos llanos o con poca inclinacin el agua tiene ms
posibilidad de infiltrarse que en las zonas inclinadas, en las que el
escurrimiento circula ms rpidamente hacia las zonas de menor cota.
RUSLE utiliza las ecuaciones de McCool
et al. (1997), para el clculo del factor de pendiente S, el cual se determina
a partir de la siguiente ecuacin:
en pendientes < 9.0%; y
en pendientes ≥ 9.0%, (Ec. 5)
Donde:
S: Factor de
inclinacin de la pendiente.
θ: ngulo de la
pendiente que debe transformarse de grados a radianes.
d) Modelo conceptual para estimar el factor LS
Se define como un
sistema matemtico o fsico que obedece a ciertas condiciones especficas y
cuyo comportamiento es utilizado para entender un sistema fsico, biolgico o
social. Portuguez,
M. (2015)
El modelado que se
plantea se usa como una herramienta predictiva y de simulacin para el proceso
de estimacin del factor adimensional LS.
Figura 2: Modelo Conceptual
para estimar el factor LS
Fuente: Elaboracin propia.
e) Modelo Digital de Elevacin (MDE).
La informacin
cartogrfica digital del modelo digital de Elevacin para la subcuenca del Ichu se obtuvo del
sensor ALOS PALSAR de la Agencia Japonesa de Exploracin Aeroespacial (JAXA),
el cual se descarg del sitio web de Alaska
Satellite Facility
(https://vertex.daac.asf.alaska.edu/#) en formato de archivo de informacin
etiquetado (TIFF) a una resolucin espacial de 12.5 m. Las cuatro escenas
descargadas que cubren el mbito la subcuenca fueron:
i.
AP_20714_FBS_F6920_RT1
ii.
AP_20714_FBS_F6930_RT1
iii.
AP_21137_FBS_F6920_RT1
iv.
AP_21137_FBS_F6930_RT1
Con el apoyo del
programa ArcGis conocido software SIG, se uni las cuatro
escenas en un mosaico, para luego extraer solo el rea de la subcuenca Ichu.
f) Proceso de estimacin:
En el clculo del factor L, fue necesario aplicar la
herramienta FILL, del software ArcGIS con el objeto
de rellenar y evitar vacos en el rster del DEM. Con
el rster resultante se creo
el rster de pendiente SLOPE el cual es insumo
necesario para crear el factor L utilizando las ecuaciones 2 y 3.
En el ArcMap con la
herramienta RASTER CALCULATOR, se emplea la siguiente formula
para obtener el parmetro .
Parmetro
=
((Sin (slope *0.01745) /0.0896) / (3*Power (Sin (Slope *0.01745)). Hace
referencia a la ecuacin 3.
Obteniendo el
parmetro , se procedi a
obtener el parmetro m, que es un dato adicional para obtener el factor L, para
ello se usa la ecuacin 2.
Parmetro
m =
Parmetro
/ (Parmetro +1)
Hace referencia a la ecuacin 2.
Para obtener finalmente el factor L, se cre el rea
de drenaje aportante con la ayuda del ArcMap se
gener primero el rster de Direccin de Flujo Flow direction y
consecutivamente el rster de acumulacin de flujo Flow accumulation. Obtenidos
estos dos rster se pudo estimar el factor L en raster calculator utilizando la
ecuacin 4, con el enunciado:
FACTOR_L= (Power ((Flow_acc+156.25),
(Parametro m+1)) - Power (flow_acc,
( Parametro m+1)))/Power (12.5, Parametro m+2))* Power (22.13 Parametro
m)). Hace referencia a la ecuacin 4.
De igual modo se obtiene el factor S, el cual mide la
pendiente del terreno, donde el ngulo θ se toma como ngulo medio a todos
los subgrids en la direccin de la mayor pendiente
segn (McCool et.al., 1987)
En el clculo del factor S, fue necesario aplicar la
ecuacin 5. En el ArcMap con la herramienta RASTER
CALCULATOR, se emplea el condicional en la ecuacin 5, considerando que el
ngulo de las ecuaciones citadas debe ser convertido a radianes (1 grado sexagesimal
equivale a 0.011745 radianes) para ser multiplicado por los dems componentes
de la ecuacin.
FACTOR_S = Con((tan(Slope*0.01745)<0.09),
(10.08*Sin(Slope*0.01745)+ 0.03),(16.8*Sin(Slope*0.01745)) -0.5)). Hace
referencia a la ecuacin 5.
As calculados el
factor L y factor S en formato rster se procedi a
calcular el factor LS tambin en formato rster, que es objeto de la
presente metodologa con la misma herramienta Raster Calculator del ArcGis, se
procede a hallar el producto.
Factor LS = FACTOR_L * FACTOR_S, Hace referencia
a la ecuacin 4 y 5.
Resultados
El modelo digital de elevacin generado con imgenes ALOS PALSAR, a una
resolucin espacial de 12,5 m. para la subcuenca del
ro Ichu, determina que la altitud vara desde los
2884 a los 5224 m.s.n.m.
La altitud mnima de 2884 msnm, se ubica en el punto de aforo de la subcuenca, polticamente en el distrito de Mariscal Cceres
provincia Huancavelica. La altitud mxima de 5224 msnm, se ubica en el distrito
de Santa Ana de la Provincia de Castrovirreyna.
Figura 3: Modelo Digital de
Elevacin del rea de estudio.
La sub cuenca posee una topografa accidentada donde la pendiente del
terreno vara desde 0 grados hasta mayor a 70 grados de inclinacin, hallndose
espacialmente con mayor porcentaje de superficie los rangos de pendiente que
van de 5 a 50 grados de inclinacin.
Tabla 1: Rango de pendiente y la
superficie de rea que ocupa
Rango de
pendiente |
Superficie_Km2 |
% rea |
0 -1 |
11.94 |
0.86 |
1 - 5 |
134.47 |
9.72 |
5 - 10 |
296.18 |
21.40 |
10 - 20 |
510.71 |
36.91 |
20 - 50 |
398.7 |
28.81 |
50 - 70 |
31.51 |
2.28 |
> 70 |
0.23 |
0.02 |
|
1383.74 |
100.00 |
Figura 4: Clasificacin estadstica
del mapa de pendientes, calculado en ArcGis, donde se
obtiene datos de mxima, mnima, media y desviacin estndar de la pendiente.
Figura 5: Mapa de pendientes de la subcuenca Ichu.
El factor LS, es un factor adimensional que se calcul para el rea de
estudio en el entorno GIS, segn las frmulas Mc Cool
y Foster y Desmet y Govers
(1996). Los valores del factor LS de la subcuenca en
estudio estn en un rango de 0 a 500 y espacialmente los rangos de valor entre
0 y 50 se encuentran en mayor proporcin en el rea de estudio, como se puede
observar en la Figura 7.
Figura 6: Histograma de Factor LS .
Tabla 2: Rangos de valor del factor
LS en relacin con la superficie que ocupa.
Rango Valor
de LS |
% rea |
Superficie_Km2 |
0 - 1 |
13.58 |
184.51 |
1 - 5 |
66.10 |
920.81 |
5 - 20 |
19.82 |
271.65 |
20 - 50 |
0.40 |
5.3 |
50 - 150 |
0.09 |
1.36 |
150 - 500 |
0.01 |
0.11 |
> 500 |
0.00 |
0.0028 |
|
100.00 |
1383.74 |
Figura 7: Mapa de distribucin
espacial del factor LS en la subcuenca Ichu.
Discusin
La funcin de un algoritmo de flujo en un SIG es transferir flujo, ya
sea agua, sedimentos o nutrientes, a puntos o reas adyacentes de menor altitud
(Desmet y Govers1996). La eleccin de un algoritmo es
importante y afecta la estimacin del valor del rea aguas arriba, as como de
otros atributos topogrficos como el rea especfica de captacin (Suet-Yan Lam, 2004), citado por Gimnez, M (2008).
Existen muchos algoritmos desarrollados para el clculo del flujo
acumulado por celda con la correccin del tamao de la celda, todos ellos
basados en un modelo de elevacin digital - DEM para determinar la longitud del
flujo superficial acumulado y, por consiguiente, el factor LS. Estas nuevas
relaciones basadas en la teora del poder de la corriente unitaria Unit Stream Power,
es la ms correcta para paisajes con topografa compleja que la ecuacin
emprica original dada por Wischmeier y Smith (1978),
porque cuenta de forma explcita con el flujo de convergencia y divergencia.
Adicionalmente, fueron aplicadas por Pelton et al.
(2012) y Ashiagbor et al. (2013), reemplazando la
longitud de la pendiente (L) por el rea de distribucin ascendente por unidad
de ancho. De igual modo, el concepto de distribucin de rea requiere la
generacin de un mapa de flujo acumulativo. Para cada pxel, se calculan la
pendiente, la direccin del flujo y la cantidad de lneas de flujo acumuladas
aguas arriba de ese pxel. Escobar, M (2019)
La subcuenca Ichu
por ser una cuenca altoandina con topografa compleja
tambin se incluy el impacto de la convergencia del flujo, la longitud de
pendiente, reemplazada por el rea de contribucin aguas arriba, generando
inicialmente el mapa de pendientes, mapa de direccin de flujo con el mtodo
D8, mapa de acumulacin de flujo, todo ello nos permite establecer relaciones
entre las celdas y estimar el factor L.
Por referencia de Wongchuig et al. (2016) en Soil erosion risk
associated with climate change at Mantaro River basin, Peruvian
Andes, citado por Escobar, M (2019), El factor topogrfico LS tiene mayor
valor en zonas con mayores accidentes topogrficos, reafirmando esa apreciacin
se puede percibir que los valores obtenidos para la subcuenca
del ro Ichu, se encuentran dentro de un margen muy
prximo al de dicho estudio, lo que nos muestra un buen resultado en su
estimacin.
Conclusiones
El modelo digital de elevacin es la referencia bsica para estudios
relacionados al factor LS. Para la sub
cuenca Ichu, se utiliz el DEM, el cual se obtuvo del
sensor ALOS PALSAR de la Agencia Japonesa de Exploracin Aeroespacial (JAXA)
con una resolucin espacial de 12.5 m.
La percepcin de distribucin de rea requiere la generacin de un mapa
de acumulacin de flujo. Para cada pxel o celda, se calcul la pendiente, la
direccin del flujo y la cantidad de lneas de flujo acumuladas aguas arriba de
ese pxel. Por lo tanto, la aplicacin de algoritmos asociados con los sistemas
de informacin geogrfica (SIG) es un gran progreso para estimar el factor LS
en el modelo de RUSLE.
De acuerdo a la estimacin del factor LS de la sub cuenca Ichu, el factor LS, varia de 0 a 500, el cual es un valor
adimensional y de acuerdo al anlisis espacial se discrimina que los rangos con
mayor porcentaje de superficie del rea se ubican en los 4 primeros rangos que
varan de 0 a 50, los cuales se relacin de manera directa con la pendiente del
rea de estudio. Para un mejor entendimiento del rea de estudio, en el momento
de analizar espacialmente los valores altos de factor LS estas se ubican en
zonas de cauces del flujo y se entiende por ello que el poder erosivo en las zonas ms elevadas o al
comienzo de las laderas no debera ser sobrestimadas.
Por otro lado, la elaboracin, anlisis y generacin de la cartografa
digital requiere de personal capacitado no solo en el uso de los softwares de aplicacin sino tambin del conocimiento en la
interpretacin de la cartografa digital generada.
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Andes. Catena, 147, 110124. https://doi.org/10.1016/j.catena.2016.07.003
2021 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn
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