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EROSIÓN
JOSÉ CARLOS ROBREDO SÁNCHEZ
PROF. TITULAR DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA
E.T.S. INGENIEROS DE MONTES
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
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ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN
2.- LA EROSIÓN EN LA CUENCA DE RECEPCIÓN
3.- MECANISMOS Y FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA EROSIÓN
3.1.- ATAQUE SUPERFICIAL
3.1.1.- ACCIÓN DE LA LLUVIA
3.1.2.- ACCIÓN DEL ESCURRIDO
3.2.- FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL ATAQUE SUPERFICIAL
3.2.1.- PRECIPITACIÓN
3.2.2.- SUELO
3.2.3.- RELIEVE
3.2.4.- VEGETACIÓN
3.3.- ACCIÓN EROSIVA EN PROFUNDIDAD
3.4.- FACTORES QUE INTERVIENEN EN LOS MOVIMIENTOS EN MASA
4.- FORMAS DE EROSIÓN
5.- ESTIMACIÓN DE LA EROSIÓN EN LA CUENCA Y SU INCIDENCIA EN LA EMISIÓN DE
SEDIMENTOS EN LA SECCIÓN DE SALIDA DE LA MISMA: MODELOS U.S.L.E. Y M.U.S.L.E.
5.1.- PROCEDIMIENTOS PARA ESTIMAR LOS PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN LOS
MODELOS U.S.L.E. Y M.U.S.L.E.
6.- ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE SEDIMENTOS DE UNA CUENCA A TRAVÉS DE LA RED DE
DRENAJE.
6.1.- EMISIÓN DE SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN: MÉTODO DE J.R. WILLIAMS
6.2.- CALCULO DE LOS ACARREOS: MÉTODO DE G.M. SMART Y M.N.R. JAEGGI
6.3.- COMPARACIÓN CON LAS RECTAS DE REGRESIÓN DE F. FOURNIER.
7.- DETERMINACIÓN DE LA PENDIENTE DE COMPENSACIÓN EN UNA SECCIÓN DADA DEL
CAUCE: MÉTODO DE J.M. GARCÍA NÁJERA.
8.- BIBLIOGRAFÍA
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1.- INTRODUCCIÓN
Etimológicamente la palabra erosión proviene del latín "erodere" y significa el desgaste o destrucción
producidos en la superficie de un cuerpo por la fricción continua y violenta de otros. De todos los agentes erosivos,
el agua es el más importante con diferencia y será en el que nos centraremos. Así pues, la erosión hídrica consiste en
el desgaste de la superficie terrestre por la acción del agua.
Cabe distinguir entre la erosión geológica, que constituye uno de los procesos naturales que ha contribuido
a modelar la superficie de la tierra, y que representa un porcentaje de pérdidas de suelo anuales poco significativo,
de la erosión antrópica o erosión acelerada ocasionada por el uso inadecuado de los recursos naturales por el
hombre, fundamentalmente por la roturación de terrenos en pendiente y la aplicación de una agricultura
indiscriminada. Es ésta la que ocasiona grandes pérdidas de suelo, amenazando con procesos de degradación del
suelo en amplias áreas de nuestro planeta.
Profundizando en el fenómeno erosivo, se comprende que éste no solo implica el proceso de desgaste o
disgregación del suelo en partículas terrosas por la acción del agua, sino que incluye también el transporte de las
mismas por la acción del flujo de escurrido.
2.- LA EROSIÓN EN LA CUENCA DE RECEPCIÓN
La erosión hídrica ha producido abundante literatura en todos los campos de conocimiento, y se ha
presentado bajo diferentes puntos de vista; así se puede hablar de planteamientos técnicos, socio-económicos,
históricos, filosóficos, etc.
Bajo el punto de vista técnico deben mencionarse nombres como H.H. Bennett, W.D. Ellison; G.W.
Musgrave; L.D. Meyer o W.H. Wischmeier entre otros.
En el campo socio-económico, la preocupación por el tema de la erosión es universal, no solo para las
áreas deprimidas del tercer mundo, donde su problemática alcanza en ocasiones características de auténtica tragedia;
sino incluso los países industrializados están sensibilizados ante las pérdidas anuales de suelo que se producen en
sus campos de cultivo.
Los organismos internacionales se han echo eco de este grave problema. Así en 1980 la F.A.O. , el
P.N.U.M.A. y la U.N.E.S.C.O. publican conjuntamente la Metodología provisional para la evaluación de la
degradación de los suelos.
En España, esta preocupación también tiene un fuerte eco, basta recordar el Proyecto LUCDEME (Lucha
contra la desertificación en el área mediterránea), que desde 1981 ha llevado a los poderes públicos, universidades y
centros de investigación de las áreas afectadas, a afrontar el desafío que representa la erosión hídrica para el proceso
socio-económico de amplias zonas de nuestro sureste, seriamente amenazadas por problemas de desertificación.
En el campo histórico-filosófico puede citarse a Zimkhowich que escribía "Marcha hacia las antiguas
civilizaciones de Asia Menor, del norte de Africa, o de cualquier otra parte. Mira los valles deshabitados y las
ciudades enterradas, y descifrarás allí el futuro que inexorablemente la ley de la degradación del suelo nos
reserva". Para Liebig el ocaso de las civilizaciones es consecuencia de la dinámica erosiva antrópica,
desencadenada en los territorios que las sustentaban; y finalmente Chateaubriand resumía diciendo "El bosque
precede al hombre y el desierto le sucede". Todos ellos coinciden en que la erosión ha sido la tumba de las
civilizaciones.
Pero frente a las voces alarmistas no es posible soslayar el ejemplo admirable, de finales del pasado siglo,
realizado por los forestales europeos en la restauración de montañas y por ende en la lucha contra la erosión.
Nombres como Surrel, Demontzey, S. Grass, Thiery y gran número de ingenieros anónimos, fuera y dentro de
nuestras fronteras, han demostrado que a la naturaleza de la domina respetándola, como bien dijo F. Bacon y han
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dejado el impacto de una pincelada verde en la arañada piel de muchas de las montañas del viejo continente,
aportando de este modo su valioso esfuerzo para la recuperación de nuestro entorno vital.
3.- MECANISMOS Y FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA EROSIÓN
El ataque del agua al suelo se realiza superficialmente o en la profundidad de su perfil. En el primer caso
las partículas del suelo son arrastradas aisladamente. En el segundo, masivamente. Ambos, aun siendo consecuencia
de la acción del agua, difieren el mecanismo.
3.1.- ATAQUE SUPERFICIAL
Su mecanismo conlleva dos acciones: Acción de las precipitaciones y acción del flujo.
3.1.1.- ACCIÓN DE LA LLUVIA
El efecto de las gota de lluvia sobre el suelo desnudo es lo que denominó Ellison, erosión por salpicadura.
La gota, cuando cae a través de la atmósfera, sufre cambios en su tamaño, aumentando o disminuyendo por
condensación o evaporación. Desciende por la acción de la gravedad, frenando su caída la resistencia que ofrece el
aire. En ausencia de obstáculos golpea el suelo con considerable fuerza disgregando las partículas terrosas y
proyectándolas en el aire.
La energía cinética de la gota de masa m y que cae a una velocidad v es
vm2
1=E 2
(1)
su determinación exige el conocimiento del tamaño de las gotas y la velocidad de caída.
Otis Laws obtuvo la siguiente expresión que relaciona el diámetro medio de las gotas, D (mm), con la
intensidad de la precipitación, I (mm/h)
)2.23(25.4I=D0.182
(2)
Se ha investigado también sobre la cantidad de suelo erosionado por la salpicadura, tratando de obtenerla
en función de la velocidad de las gotas, su diámetro y la intensidad de la lluvia. Ellison estableció la siguiente
fórmula
IDvK=G 0.651.074.33 (3)
siendo:
G, gramos se suelo erosionado en 30 minutos.
v, velocidad en pies/seg.
I, intensidad en pulgadas/hora.
D, diámetro en mm.
K, coeficiente dependiente de las condiciones del suelo.
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3.1.2.- ACCIÓN DEL ESCURRIDO
Cuando la precipitación alcanza el suelo puede evaporarse, infiltrase o quedar en la superficie.
Prescindiendo de la parte evaporada, la permeabilidad del suelo regula en todo momento la repartición entre el agua
que penetra en el interior y el agua que queda detenida o bien se mueve en la superficie.
La formación de un escurrido superficial dependerá, pues, del régimen de precipitaciones y de las
características hidrológicas del suelo. Si estas características permiten en todo momento la infiltración de una
cantidad de agua superior o igual a la que aporta la precipitación, no se producirá ninguna corriente superficial, en
caso contrario se formará en la superficie una lámina de agua que se pone en movimiento en función de la pendiente
del terreno.
La acción del escurrido en el proceso erosivo se manifiesta en un doble aspecto: Disgregación de los
elementos terrosos, y, al mismo tiempo, transporte a otros lugares de aquellas partículas de tierra que, por su tamaño
y forma, son susceptibles de ser arrastrados.
El primer efecto señalado obedece, fundamentalmente, a la fricción o choque de las partículas de agua con
los elementos terrosos de la superficie del suelo, contribuyendo notablemente a incrementar este efecto las partículas
sólidas que transporta la corriente. Esta acción del escurrido, juntamente con el impacto de las gotas de lluvia y los
diferentes procesos de meteorización, constituye la primera fase de la erosión o formación de elementos susceptibles
de ser transportados.
La acción del escurrido en cuanto al transporte de partículas de tierra, encierra una mayor importancia. El
roce y los choques de la corriente de agua con la superficie rugosa del suelo originan unas tensiones que, si son
superiores a la resistencia que opone el suelo, harán rodar, deslizar o dar pequeños saltos a los granos de tierra. Por
otra parte, tales tensiones serán causa de la formación de una turbulencia en la corriente, originándose torbellinos
con velocidades ascensionales que permiten poner en suspensión a las partículas de tierra más pequeñas.
Partiendo de las consideraciones teóricas confrontadas con algunos hechos experimentales, se ha llegado a
ciertas conclusiones en cuanto a la influencia de la velocidad del escurrido en la erosión del suelo:
- La capacidad erosiva de la corriente, representada fundamentalmente por la energía cinética, varía con el
cuadrado de la velocidad.
- La cantidad de tierra erosionada de un tamaño dado, varía con la quinta potencia de la velocidad.
- El tamaño de las partículas que pueden ser transportadas por rodadura o deslizamiento varía con la sexta
potencia de la velocidad.
3.2.- FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL ATAQUE SUPERFICIAL
A continuación se exponen ciertas consideraciones de carácter racional, refrendadas con datos registrados
experimentalmente, tratando de evidenciar la influencia de los factores principales, precipitación, suelo, relieve y
vegetación que intervienen en la acción erosiva del agua.
3.2.1.- PRECIPITACIÓN
Al considerar la precipitación en el espacio y tiempo, aparece como unidad natural el aguacero. La
intensidad, duración y frecuencia de los aguaceros son las características de la precipitación de mayor significado en
la erosión.
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Cuando la intensidad es superior a la penetración del agua en el interior del suelo, se formará un escurrido
superficial, promotor fundamental de que se produzcan erosiones, siendo evidente que los efectos revestirán una
mayor o menor importancia según el tiempo de duración del fenómeno. Por otra parte, ya se ha visto que el impacto
de las gotas de lluvia tiene mayores efectos erosivos para lluvias violentas (gotas más grandes y con mayor
velocidad de caída).
La frecuencia de los aguaceros ejerce influencia en el fenómeno erosivo debido a sus repercusiones en el
estado de humedad del suelo en el tiempo. Si los intervalos entre períodos de lluvia son cortos, el contenido de
humedad del suelo es elevado al iniciarse un nuevo aguacero y éste puede ocasionar escorrentías, aunque su
intensidad sea baja. Por el contrario, si los intervalos citados son largos, el suelo prácticamente se llegará a secar,
retardándose la formación de escorrentías superficiales, e incluso, puede que no lleguen a existir si la intensidad no
es muy alta.
3.2.2.- SUELO
La cantidad de tierra desplazada por la percusión de las gotas de lluvia es tanto más grande cuanto más
susceptible sean las partículas a disgregarse.
En lo que concierne a la acción del escurrido, en primer lugar debe señalarse que la existencia de éste está
condicionada por el poder de infiltración del suelo. Por otra parte, para que las partículas sean arrastradas, deben
tener cierto tamaño, y en éste influyen fundamentalmente la composición granulométrica y la propiedades físico-
químicas del suelo.
3.2.3.- RELIEVE
La erosión hídrica acelerada, prácticamente no existe en zonas llanas, siendo únicamente en suelos en
pendiente donde la percusión de las gotas de lluvia y la acción del flujo superficial llegan a ejercer efectos
considerables.
Cuando el terreno es más o menos horizontal, el desplazamiento de partículas de tierra por el impacto de
las gotas se hace en todos los sentidos, existiendo así una compensación mutua. Por el contrario, si el terreno es
inclinado predominarán los desplazamientos hacia las partes más bajas.
La influencia del relieve en la acción del escurrido encierra una mayor importancia. Para unas condiciones
del medio natural determinadas, la potencia erosiva del flujo superficial y su capacidad de transporte son función de
la densidad de las aguas y de la velocidad con que éstas se mueven. A su vez esta velocidad es mayor cuanto más
grande sean la altura del flujo y el grado de pendiente del terreno.
Otra característica del relieve de significado en la erosión es la longitud de las pendientes. Su influencia
aparece manifiesta al considerar que cada zona de una ladera está sometida a la escorrentía de zonas de mayor
altitud; la altura del flujo en cada punto debe ser mayor a medida que aumenta su distancia a la cumbre, y, por
consiguiente, es de esperar que en las partes bajas los fenómenos erosivos revestirán más intensidad.
De todo lo anterior se deduce que en igualdad de otras circunstancias, los desplazamientos de tierra en
laderas, por unidad de superficie, deben ser mayores cuanto mayores sean la inclinación y la longitud de la
pendiente.
3.2.4.- VEGETACIÓN
La influencia de la vegetación en el fenómeno erosivo obedece a diferentes causas. Las fundamentales son:
- Protege el suelo de la percusión de las gotas de lluvia.
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- Aumenta el poder de la infiltración del suelo, disminuyendo el agua de escorrentía.
- En zonas arboladas los obstáculos que se oponen al escurrimiento, debido a los troncos de los árboles y
tallos de los arbustos, reducen la velocidad del escurrido a la cuarta parte o quizás menos. Esto significa
que la energía erosiva se reduce a una dieciseisava parte de la que resultaría en terreno desnudo.
- El entrelazado de las raíces da una mayor consistencia al suelo, afectando a mayor o menor profundidad
dependiendo del tipo de vegetación existente.
Te todo ello se puede deducir que en las zonas de vegetación permanente de cierta magnitud (forestales) la
erosión se reduce al mínimo.
3.3.- ACCIÓN EROSIVA EN PROFUNDIDAD
Existen otras formas de erosión, no tan generalizadas, que obedecen a otros mecanismos distintos. Es el
caso en que los desplazamientos de tierra se hacen en masa, consistiendo la actuación de las aguas en crear unas
condiciones propicias en el suelo, para que éste se desplace por la acción de la gravedad.
La acción del agua en este sentido es diversa. La saturación del suelo es una circunstancia favorable para
los movimientos en masa. Cuando esto ocurre en suelos en pendiente y no sujetos por vegetación, es posible que por
gravedad se originen movimientos de tierra, bien en la superficie o interiormente. Estos últimos a su vez, por la
caverna que originarían, pueden ir acompañados de hundimientos.
Otra circunstancia favorable ocurre cuando el agua alcanza a un horizonte del suelo apoyado en una capa
impermeable. Esta, por la acción de las aguas, se lubrica y, si está en pendiente, puede crear un desequilibrio en toda
la zona del suelo situada por encima. Tal desequilibrio, en general, está favorecido por el hecho de que las raíces de
las plantas no penetran en la capa impermeable, y por consiguiente no contribuyen a sujetar o impedir que se
produzca el movimiento.
3.4.- FACTORES QUE INTERVIENEN EN LOS MOVIMIENTOS EN MASA
Podemos distinguir entre causas pasivas y causas activas. entre las primeras tenemos:
- Factores litológicos: Materiales no consolidados o aquellos que se hacen resbaladizos y actúan como
lubricantes cuando están mojados.
- Factores estratigráficos: Formaciones de rocas en capas muy delgadas y alternancia de capas fuertes y
débiles o permeables e impermeables.
- Factores estructurales: Diaclasas poco espaciadas, fallas, planos de cizallamiento, capas fuertemente
inclinadas.
- Factores topográficos: Laderas de gran pendiente o acantilados verticales.
- Factores climáticos: Gran amplitud diurna o anual de la temperatura, con frecuentes hielos y deshielos,
grandes precipitaciones y lluvias torrenciales, etc.
- Factores biológicos: escasez de vegetación.
Causas activas o de iniciación son:
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- Remoción de la base de apoyo por medios naturales o artificiales.
- Sobrecarga por saturación de agua o por rellenos artificiales.
4.- FORMAS DE EROSIÓN
Los dos modos de actuar el agua sobre el suelo analizados, definen dos formas de erosión generales.
- Arranque de partículas y su transporte por el escurrido.
- Movimientos en masa del suelo.
Dentro de estas formas podemos distinguir las siguientes manifestaciones:
- Erosión en superficie.
Erosión laminar.
Erosión en regueros.
Erosión en barrancos.
- Movimientos en masa.
Movimientos lentos.
Reptación.
Solifluxión.
Movimientos rápidos.
Corrientes de barro.
Corrientes terrosas.
Derrumbamientos.
Deslizamientos.
Desmoronamientos.
Deslizamientos de detritus.
Caída de detritus.
Deslizamientos de Rocas.
Alud de rocas.
Erosión laminar
Consiste en una remoción de delgadas capas de suelo extendida más o menos uniformemente a toda una
superficie. Resulta de la disgregación de los elementos terrosos por el impacto de las gotas de lluvia y por la acción
del escurrido. La formación de un flujo superficial homogéneo en el espacio, transporta las partículas de tierra
previamente disgregadas.
La erosión laminar es la causa de grandes aportaciones de sedimentos a los cursos de agua y, además, de
una importante pérdida de fertilidad de los terrenos al afectar a las partículas de tierra más finas.
Pueden ser síntomas de erosión laminar los siguientes hechos:
- Existencia de plantas con el sistema radical al descubierto.
- Presencia de montículos de suelo.
- Invasión de especies vegetales específicas de suelos degradados.
- Abundancia de piedras en la superficie del suelo de naturaleza litológica análoga a las que se encuentran
en el interior.
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Erosión en regueros
Consiste en el arrastre de elementos terrosos al correr el agua por la superficie del suelo ocasionando la
formación de surcos o regueros orientados, más o menos, normalmente a la curvas de nivel.
La concentración de las aguas al escurrir por la superficie obedece fundamentalmente a las irregularidades
y desniveles superficiales. La presencia de algún obstáculo en medio de la corriente (piedras, matas de vegetación
aisladas, etc.) motiva una separación y concentración de los filetes de agua.
La formación de regueros ocurre especialmente durante aguaceros de gran intensidad.
Los daños de la erosión en regueros pueden ser de gravedad, sin embargo, al aparecer bien manifestados,
puede actuarse a su debido tiempo y hacer las correcciones oportunas.
Erosión en Barrancos
Consiste en profundas incisiones en el terreno originadas generalmente cuando existe una gran
concentración de escorrentía en alguna zona determinada.
Una vez iniciada la formación del barranco, su forma evoluciona según la consistencia relativa que
ofrezcan los diferentes estratos de suelo y subsuelo.
La erosión en barrancos es mucho más llamativa que la erosión laminar y , por tal motivo, se la atribuye
una mayor importancia, sin embargo, es la erosión laminar la de mayores repercusiones, ya que aparte de estar más
extendida y oculta, su existencia crea una situación propicia para la formación de surcos y erosiones más profundas.
Reptación
Se define como un movimiento lento hacia las partes bajas de una pendiente. Por lo general no es
perceptible salvo reiteradas observaciones (árboles o postes inclinados).
Solifluxión
Movimiento lento de material terroso saturado de agua y no confinado a cauces definidos. La solifluxión se
distingue de las corrientes de barro o lodo en que el movimiento es más lento y continuo y generalmente tiene lugar
bajo climas subpolares o alpinos donde el terreno se ve afectado por la acción del hielo y del deshielo.
Corrientes de barro
Movimiento en cauces definidos de detritus saturados de agua. Son de movimiento de lento a muy rápido y
están constituidas fundamentalmente por lodo o barro, aunque pueden transportar piedras de grandes tamaños. Son
características de regiones áridas, con escasa vegetación y precipitaciones poco frecuentes pero torrenciales.
Corrientes terrosas
Consisten en el movimiento ladera abajo de material terroso, arcilloso o limoso, saturado de agua. Se
diferencian de las corrientes de barro en que son muy lentas y no están confinadas en cauces, tienen un contenido de
agua inferior y se dan en climas más húmedos.
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Derrumbamientos de detritus
Flujos laminares de detritus rocosos en laderas de fuerte pendiente y con formaciones angostas. Aparecen
en regiones húmedas y son bastante parecidos a los aludes. Es difícil diferenciarlos de los deslizamientos, aunque en
su formación tiene más contenido en agua que estos.
Desmoronamiento
Deslizamiento de una o varias unidades de detritus rocosos generalmente con una rotación hacia atrás con
respecto a la pendiente sobre la cual tiene lugar el movimiento. Es un movimiento intermitente de masas de tierra o
rocas en una distancia corta, e involucra típicamente una rotación hacia atrás de la masa o masas. Si el
desmoronamiento se produce en varias unidades pequeñas e independientes se forman en la superficie una especie
de escalones.
Deslizamiento de detritus
Deslizamiento o rodadura, de movimiento rápido, de detritus terrosos no consolidados sin rotación de la
masa hacia atrás. La cantidad de agua es pequeña.
Caída de detritus
Movimiento libre de detritus terrosos desde una cara vertical o sobresaliente del terreno. Frecuente a lo
largo de las márgenes socavadas de los ríos.
Deslizamientos de rocas
Masas que deslizan a lo largo de superficies de estratificación, de diaclasas o de fallas.
Alud de rocas
Caída libre de bloques de roca en cualquier pendiente de fuerte inclinación. Frecuentes en áreas
montañosas durante períodos de congelación y derretimientos sucesivos.
En el gráfico que aparece en la siguiente página, Meunier (1991) sitúa los diferentes flujos sólidos en
relación con la cantidad de agua con la que circulan y la textura de la fase sólida.
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5.- ESTIMACIÓN DE LA EROSIÓN EN LA CUENCA Y SU INCIDENCIA EN LA EMISIÓN DE
SEDIMENTOS EN LA SECCIÓN DE SALIDA DE LA MISMA: MODELOS U.S.L.E. Y M.U.S.L.E.
La determinación de los caudales sólidos, originados por el régimen de precipitaciones en la cuenca y
posteriores efectos de abrasión por el escurrimiento, exige la consideración previa del esquema del geodinamismo
torrencial.
Este comprende tanto el fenómeno de la erosión hídrica, como el transporte por la escorrentía de los
materiales disgregados e incorporados a la corriente; finalmente, contempla la deposición de tales materiales,
cuando la capacidad de arrastre del flujo disminuye por debajo del límite inferior que le permite seguir
manteniéndolos.
Con el fin de facilitar los cálculos, la erosión laminar y en regueros en la cuenca, así como la emisión de
los sedimentos en suspensión en la sección de salida de ésta, se han definido a través de la "METODOLOGÍA
INTEGRADA PARA LA EVALUACIÓN DE LA EROSIÓN HÍDRICA" (1985), elaborada por la cátedra, actual
unidad docente, de Hidráulica e Hidrología de la E.T.S.I. de Montes de Madrid, para su aplicación a las cuencas
hidrográficas españolas.
El estudio de la sedimentación, entendiéndose como depósito de materiales en el tramo bajo de los cursos
principales que drenan por la cuenca, no se aborda en la presente "metodología". Sin embargo, si se analiza la
pendiente de compensación (o de equilibrio) en las secciones del curso, que por el motivo que sea, precisen de ella.
Para ello se aplica el procedimiento establecido por J.M. García Nájera (1943), convenientemente adaptado para
encajar dentro de la "metodología".
En síntesis, se estudian conjuntamente los procesos erosivos en la cuenca y la emisión de los sedimentos en
suspensión en la sección de salida de la misma, por un lado, y los fenómenos erosión-transporte en los cauces
efluentes y la pendiente de compensación de estos últimos por otro.
De hecho la "METODOLOGÍA INTEGRADA PARA LA EVALUACIÓN DE LA EROSIÓN
HÍDRICA" enlaza armónicamente los modelos U.S.L.E. (que determina la erosión laminar y en regueros dentro de
la cuenca) y M.U.S.L.E. (que calcula la emisión de sedimentos en suspensión en la salida de la cuenca) apoyándose
en los caudales líquidos determinados mediante el modelo hidrológico HYMO (1973), actualmente sustituido por el
HEC-1 (1985), y del modelo de evolución del transporte de sedimentos establecido por J.R. Williams (1975).
Esquemáticamente se puede interpretar como una adaptación del modelo conceptual de L.D. Meyer y W.H.
Wischmeier (1969) para una cuenca hidrográfica y representarlo como se muestra en la Figura 1. adjunta.
FIGURA 1.
Suelo disgregado en la
parcela
Capacidad de
transporte del flujo
generado en la parcela
COMPARAR
COMPARAR
U.S.L.E.
Dr
M.U.S.L.E.
Tf Df
TR
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La aplicación de la citada "metodología", implica las fases siguientes:
a.- Dividir la cuenca hidrográfica objeto del estudio en subcuencas, en razón de la homogeneidad de
las características que definen la erosión en las mismas y en número que haga viable el cálculo.
b.- Determinar por subcuencas los factores que intervienen en la Ecuación Universal de Pérdidas de
Suelo (U.S.L.E.)
c.- Calcular las pérdidas de suelo totales en las subcuencas por aplicación del modelo U.S.L.E.,
como referencia al valor promedio interanual de pérdidas de suelo; establecer, para las secuencias
de aguaceros elegidos, los sedimentos emitidos por tales subcuencas mediante el modelo
M.U.S.L.E. y, finalmente, la evacuación total de los sedimentos para la cuenca completa que se
analiza mediante las ecuaciones de conducción de J.R. Williams.
5.1.- PROCEDIMIENTOS PARA ESTIMAR LOS PARÁMETROS QUE INTERVIENEN EN LOS
MODELOS U.S.L.E. Y M.U.S.L.E.
- Aplicación al modelo U.S.L.E.
La expresión más común del modelo U.S.L.E. responde a:
PCSLKR=A (4)
donde:
A, son las pérdidas de suelo en (t/haaño)
R, el índice de erosión pluvial (Jcm/m2hora)
K, el factor erosionabilidad del suelo (tm2hora/haJcm)
LS, el factor topográfico
C, el factor cultivos y/o vegetación
P, el factor prácticas de conservación de suelos.
Índice de erosión pluvial R
Lo estableció W.H. Wischmeier (1959) tras analizar los datos de la distribución del tamaño de las gotas de
lluvia publicadas por Laws y Parson (1947) y la velocidad terminal de la gota de lluvia que aportaban una serie de
investigadores. Representa la potencia del aguacero para erosionar superficialmente el suelo; por tanto, en cierta
medida es un índice de su torrencialidad.
Se define como el producto de la energía cinética de un aguacero por su máxima intensidad en 30 minutos,
dividido por cien.
La energía del aguacero, en J/m2, viene dada por la expresión:
T)(II)89+(210.2=E log (5)
donde:
(210.2 + 89log I), representa la energía cinética del aguacero de intensidad I, por cm. de lluvia y m2 de
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superficie. (J/cmm2)
I, la intensidad del aguacero en cm/hora.
T, la duración del aguacero en horas.
En consecuencia, el valor del índice de erosión pluvial, R, se define por la ecuación:
I)TI()logI89+(210.2=R 30jjj
n
1=j
(6)
siendo:
R, índice de erosión pluvial en (Jcm)/(m2hora)
Tj, el período de tiempo en horas, para intervalos homogéneos de lluvia durante el aguacero.
Ij, la intensidad del aguacero en los intervalos citados en cm/hora.
I30, la máxima intensidad de la lluvia en 30 minutos, durante el aguacero en cm/hora.
j, los intervalos homogéneos del aguacero.
n, el número de intervalos.
Para la determinación de los valores de la ecuación se puede utilizar la Tabla 1 adjunta, aportada por W.H.
Wischmeier, en función de los diferentes valores de I.
TABLA DE VALORES DE (210.2 + 89log I) SEGÚN W. H. WISCHMEIER ┌──────┬────────────────────────────────────────────────────────┐ │Inten.│ Energía cinética por unidad de lluvia │
│de la │ ( J/m2cm de lluvia) │ │lluvia│───┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬────│ │(cm/h)│ 0 │ .1 │ .2 │ .3 │ .4 │ .5 │ .6 │ .7 │ .8 │ .9 │ │──────┼───┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼────│ │ 0 │ 0│ 121 │ 148 │ 163 │ 175 │ 184 │ 191 │ 197 │ 202 │ 206│ │ 1 │210│ 214 │ 217 │ 220 │ 223 │ 226 │ 228 │ 231 │ 233 │ 235│ │ 2 │237│ 239 │ 241 │ 242 │ 244 │ 246 │ 247 │ 249 │ 250 │ 251│ │ 3 │253│ 254 │ 255 │ 256 │ 258 │ 259 │ 260 │ 261 │ 262 │ 263│ │ 4 │264│ 265 │ 266 │ 267 │ 268 │ 268 │ 269 │ 270 │ 271 │ 272│
│ 5 │273│ 273 │ 274 │ 275 │ 275 │ 276 │ 277 │ 278 │ 278 │ 279│ │ 6 │280│ 280 │ 281 │ 281 │ 282 │ 283 │ 283 │ 284 │ 284 │ 285│ │ 7 │286│ 286 │ 287 │ 287 │ 288 │ 288 │ 289(1) │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └──────┴───┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴────┘
(1) El valor 289 se aplica también para todas las intensidades
superiores a 7.6 cm/hora.
TABLA 1.
Pero la determinación de R, apoyándose estrictamente en la teoría, es muy compleja; por ello normalmente
se calcula basándose en el mapa de isolíneas del factor R, así como en las regresiones correspondientes, elaboradas
con esta finalidad en un estudio realizado por I.C.O.N.A.-I.N.T.E.S.A. (1988) para toda España. Tales regresiones
responden a las ecuaciones siguientes:
1.- Para toda España, excepto para las zonas definidas en los apartados siguientes 2 y 3:
24FMRPMEXe=R 0.563-0.3881.314-0.834 (7)
2.- Para la vertiente mediterránea de Andalucía, área del estrecho y la cuenca del Segura:
24FMVMRPMEXe=R 0.4140.366-0.5111.297-1.235 (8)
14
3.- Para la zona central de la cuenca del Ebro, área de los Pirineos Centrales y occidentales, la zona
costera del Ebro y el área costera del Levante:
ee24FMVMRPMEXF10T2Te=R -0.157_Z.90.211_Z.70.80.536-1.221.628-0.482-0.8281.031-0.754 (9)
donde:
e, es la base de los Logaritmos Neperianos.
PMEX, el valor medio de las series anuales de lluvias mensuales máximas (mm.)
MR, la precipitación media del período octubre-mayo (mm.)
MV, la precipitación media del período. junio-septiembre (mm.)
F24, el cociente entre la precipitación máxima de la lluvia en 24 horas del año, elevado al
cuadrado, y la suma de precipitaciones máximas en 24 horas de todos los meses de ese
mismo año (mm.)
T2, la precipitación anual (mm.) con período de retorno de dos años (Gumbel)
T10, ídem (mm.) con período de retorno de diez años.
F, el factor de agresividad del clima en mm. (Fournier)
Z.7, un factor de zonificación (comprende: Cuenca de Levante costera, Ebro costero, Pirineo
oriental costero y Baleares). Su valor e 1 si estamos en este área, y 0 si no.
Z.9, un factor de zonificación (comprende la Cuenca del Ebro central)
Factor de erosionabilidad del suelo, K
Viene definido por la expresión:
3)-(c3.23+2)-(b4.2+a)-(12M0.000271=K100 1.14 (10)
donde:
M, es el producto del porcentaje de partículas de suelo comprendidas entre 0.002 - 0.1 mm. de
diámetro, expresado en %, por el porcentaje de partículas de suelo comprendidas entre 0.002 -
0.2 mm. de diámetro, expresado igualmente en %, o lo que es igual a 100 menos el % de arcilla
de la muestra.
a, el % de materia orgánica.
b, el número correspondiente a la estructura del suelo codificada de la siguiente manera:
1.- Gránulo muy fino y grumo muy fino (< 1 mm.)
2.- Gránulo fino y grumo fino (1 - 2 mm.)
3.- Gránulo medio, grumo medio (2 - 5 mm.) y gránulo grueso (5 - 10 mm.)
4.- Gránulo liso, prismático, columnar y muy grueso.
Los valores correspondientes a la obtención del parámetro M, % de materia orgánica y estructura, se
toman de los 15 a 20 cm superiores del perfil edáfico.
c, clase de permeabilidad del perfil del suelo, según la codificación de la U.S.D.A. - Soil Survey
Manual, que diferencia los siguientes grados:
1.- Rápida o muy rápida.
2.- Moderadamente rápida.
3.- Moderada.
4.- Moderadamente lenta.
5.- Lenta.
6.- Muy lenta.
En una primera aproximación del valor K, se puede prescindir de los términos en los que aparecen los
15
factores b y c.
En cuanto a su aplicación, se clasifica el territorio en base a una división previa por grupos
litológicos-geológicos y se toma en cada una de estas divisiones un número conveniente de muestras, con objeto de
determinar el valor de K en las mismas. Un mapa temático de trabajo adecuado puede ser el geológico escala
1:50.000.
En cuanto a los valores a determinar en las muestras de suelo, resulta imprescindible el análisis
granulométrico para la determinación del factor M y el contenido de materia orgánica para definir el valor de a,
ambos parámetros intervienen en la ecuación de cálculo de K.
Cuando no se dispone de las muestras de suelo, se puede utilizar como alternativa (en primera
aproximación) los valores que aparecen en la Tabla 2 siguiente:
VALORES DEL FACTOR EROSIONABILIDAD DEL SUELO K EN PRIMERA APROXIMACIÓN
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ Tipo litofacies │Intervalo del│ │ │ valor de K │ │───────────────────────────────────────────────│─────────────│ │- Rocas correspondientes al estrato cristalino│ │ │ (granito, gneis, etc), rocas basálticas. │ 0.05 - 0.15 │ │ │ │ │- Rocas silíceas compactas (rocas metamórficas,│ │ │ areniscas duras, cuarcitas, etc.) │ 0.10 - 0.25 │ │ │ │ │- Rocas sedimentarias bien consolidadas (cali- │ │ │ zas duras, dolomías, etc.) │ 0.20 - 0.40 │ │ │ │ │- Formaciones blandas (margas, yesos, áreas de │ │ │ launas y láguenas, flysh, calizas poco conso-│ │ │ solidadas, areniscas fácilmente disgregables,│ 0.40 - 0.60 │ │ etc.) │ │ │ │ │
│- Cuaternario (depósitos recientes). │ 0.40 - 1.00 │ │ │ │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘
TABLA 2.
Factor topográfico, LS
Su aplicación inicial estaba pensada para laderas más o menos uniformes.
Así para pendientes s < 9% y longitudes de pendiente l < 350 m se propuso la expresión:
)6.613
s0.043+s0.3+0.43()
22.1
l(=SL
20.3
(11)
donde:
l, es la longitud del declive (que se define como la distancia entre el punto más alto de caída de la
gota de lluvia, considerado como origen, y cualquiera de los siguientes: aquel en el que la
pendiente disminuye hasta dar comienzo la deposición de los sedimentos, o en el que la
escorrentía entra a formar parte de un canal perfectamente definido, bien se trate de un drenaje o
16
de una terraza o desagüe etc.)
s, la pendiente media de la ladera.
Para pendientes mayores de 9%, cualquier que sea la longitud del declive, la ecuación a aplicar es:
)9
s()
22.1
l(=SL
1.30.3
(12)
Posteriormente, ante la necesidad de extender este factor topográfico a cuencas hidrográficas, se planteó la
determinación de los parámetros l y s por diferentes procedimientos, para a continuación sustituirlos en las
ecuaciones anteriormente dadas.
Las expresiones más comunes resultaron ser las siguientes:
Para el cálculo de l:
LCH
DA0.5=l (13)
donde:
DA, es el área de la cuenca y
LCH, es la longitud total de los cursos que drenan por la cuenca (ambos en unidades homogéneas)
En cuanto a la pendiente media de la cuenca, se determina de la siguiente manera:
100A2
LC+LCH=s
i
1+jj
i
(14)
donde:
si, es el porcentaje medio de la pendiente para el área i entre los contornos j y (j+1).
H, la diferencia de elevación entre contornos.
LCj, la longitud del contorno j.
Ai, el área entre los contornos j y (j + 1)
La pendiente media de la cuenca resulta por tanto:
A
As=s
i
i
n
1=i
(15)
siendo A el área total de la cuenca.
Determinados l y s, la obtención del factor topográfico se reduce a sustituirlos en las ecuaciones
inicialmente expuestas.
Pero conviene indicar que estos valores de l y s sólo resultan válidos cuando se determinan para pequeñas
cuencas, del orden de 1 Km2, que es donde se han comprobado.
Sin embargo, resulta mucho más sencillo, e incluso más acorde con la primitiva idea de Zingg, además de
poder aplicarse el procedimiento a cuencas de cualquier tamaño, siempre que se dispongan de los mapas de
17
pendientes para las mismas, el correlacionar directamente la pendiente s con la longitud de declive l, basándose en
los siguientes principios, relacionados con las posibles solicitaciones que actúan sobre una partícula de suelo, ya
disgregada, situada sobre una ladera:
a.- La debida a la aceleración de la gravedad
)(g-)sen(g=a cos (16)
donde:
g, es la aceleración de la gravedad: 9.81 m/s2
, el ángulo de la pendiente
ß, el coeficiente de fricción
b.- La debida a la fuerza de empuje del agua, obtenida a partir de la fórmula de Newton, corregida en
función de las características del flujo y de la geometría de los materiales transportados.
uSg
Cd=F 2
(17)
siendo:
Cd, el coeficiente de arrastre.
/g, la densidad del agua.
S, la superficie de la partícula afectada por el flujo.
u, la velocidad de la corriente.
Considerando ambas solicitaciones, se establece la siguiente Tabla 3, que se adjunta, la cual proporciona
directamente, para cada pendiente, su longitud de declive y el valor final del factor topográfico.
18
VALORES DEL FACTOR TOPOGRÁFICO (LS) ┌─────┬───────────┬───────────┬───────────┬───────────┐ │ │ m = 0.30 │ m = 0.40 │ m = 0.50 │ m = 0.60 │ │ s │___________│___________│___________│___________│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ (%) │ l │ LS │ l │ LS │ l │ LS │ l │ LS │ │_____│____│______│____│______│____│______│____│______│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 100 │ │ │ │ │ │ │ 5│ 28.5 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 70 │ │ │ │ │ 8.5│ 21.8 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 60 │ │ │ │ │ 11│ 18.5 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 30 │ │ │ 58│ 10.7 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 24 │ 64│ 6.7 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ 18 │ 78│ 4.4 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 12 │ 100│ 2.4 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ 3 │ 233│ 0.5 │ │ │ │ │ │ │ └─────┴────┴──────┴────┴──────┴────┴──────┴────┴──────┘ TABLA 3.
Factor cultivo o/y factor vegetación, C
Se define como la relación entre el valor medio de las pérdidas de suelo en un campo cultivado o con
vegetación y las que se pierden en una parcela sometida a barbecho continuo, en idénticas condiciones de lluvia,
suelo y topografía para ambas situaciones.
El efecto que la vegetación proporciona al suelo y que es recogido en la determinación del factor C, se
debe fundamentalmente:
- A la protección aérea que la vegetación proporciona al suelo, creando una especie de pabellón cubierto.
- A la protección que proporciona la vegetación al ras del suelo, y al efecto beneficioso que se produce en la
defensa del suelo contra la erosión, cuando el crecimiento de las plantas es lo bastante denso.
- A los efectos que los residuos de la vegetación tienen en la protección del suelo, tanto porque la cubren,
como porque pueden variarle algunas de sus propiedades físicas, por ejemplo, produciéndole un aumento
de la porosidad, siempre que éstas no estén consideradas en el factor K.
El valor de C se determina experimentalmente para cada clase de cubierta, y en el caso de cultivos
agrícolas no es constante a lo largo del año, estableciéndose para su cálculo una serie de períodos, según las
características propias del tipo de cultivo.
La determinación del valor de C para cubiertas forestales: pastizales, matorrales, formaciones arbustivas y
áreas arboladas, es posterior (1972). Sin embargo, hoy se dispone de tablas con los valores de C para las mismas, de
igual forma que se tiene para cultivos agrícolas.
Teniendo en cuenta lo expuesto, pueden establecerse con carácter general y como primera aproximación
los siguientes valores de C asociados a las cubiertas vegetales que se relacionan a continuación (Tabla 4).
19
VALORES DEL FACTOR CULTIVO Y/O VEGETACIÓN: C ┌──────────────────────────────────────────────────┐ │ Cubierta vegetal │Valor de│ │ │ C │ │─────────────────────────────────────────│────────│ │ │ │ │ Arbolado forestal denso │ 0.01 │ │ Arbolado forestal claro │ 0.03 │ │ Matorral con buena cobertura │ 0.08 │ │ Matorral ralo y eriales │ 0.20 │ │ Cultivos arbóreos y viñedos │ 0.40 │ │ Cultivos anuales y herbáceos │ 0.25 │ │ Cultivos en regadío │ 0.04 │ │ │ │ └──────────────────────────────────────────────────┘
(valores medios anuales) TABLA 4.
La Tabla 4 ha sido recogida de la publicación "Paisajes erosivos en el sureste español: Ensayo de
metodología para el estudio de su cualificación y cuantificación" (1982) editado por el I.C.O.N.A.. Los valores que
aparecen, como se ha indicado, hay que considerarlos como medios, teniendo en cuenta en todo momento el área
geográfica para la que se ha realizado.
Como complemento a la misma y centrándonos en las zonas forestales, se dan a continuación las Tablas 5
y 6 elaboradas por W.H. Wischmeier, más acordes con las condiciones geográficas y de uso del suelo que se
presentan en las zonas de montaña.
20
Valores de C (x10-3) para pastizales matorrales y arbustos ┌───────────────────────┬───────────────────────────────────────┐ │ Cubierta vegetal │ Cubierta en contacto con el suelo │ │──────────────┬────────│────┬──────────────────────────────────│ │Tipo y altura │ % de │Tipo│Porcentajes de cobertura del suelo│ │de la cubierta│recubri-│ │─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬────│ │ │ miento │ │ 0 │ 20 │ 40 │ 60 │ 80 │> 95│ │──────────────│────────│────│─────│─────│─────│─────│─────│────│ │ Columna 1 │ 2 │ 3 │ 4 │ 5 │ 6 │ 7 │ 8 │ 9 │ │──────────────│────────│────│─────│─────│─────│─────│─────│────│ │Cubierta ina- │ │ G │ 450 │ 200 │ 100 │ 042 │ 013 │ 003│ │preciable. │ │ W │ 450 │ 240 │ 150 │ 090 │ 043 │ 011│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │Plantas herbá-│ 25 │ G │ 360 │ 170 │ 090 │ 038 │ 012 │ 003│ │ceas y matojos│ │ W │ 360 │ 200 │ 130 │ 082 │ 041 │ 011│ │ ( <= 0.5 m.) │ 50 │ G │ 260 │ 130 │ 070 │ 035 │ 012 │ 003│ │ │ │ W │ 260 │ 160 │ 110 │ 075 │ 039 │ 011│ │ │ 75 │ G │ 170 │ 100 │ 060 │ 031 │ 011 │ 003│
│ │ │ W │ 170 │ 120 │ 090 │ 067 │ 038 │ 011│ │Matorral(<=2m)│ 25 │ G │ 400 │ 130 │ 090 │ 040 │ 013 │ 003│ │ │ │ W │ 400 │ 220 │ 140 │ 085 │ 042 │ 011│ │ │ 50 │ G │ 340 │ 160 │ 085 │ 038 │ 012 │ 003│ │ │ │ W │ 340 │ 190 │ 130 │ 081 │ 041 │ 011│ │ │ 75 │ G │ 280 │ 140 │ 080 │ 036 │ 012 │ 003│ │ │ │ W │ 280 │ 170 │ 120 │ 077 │ 040 │ 011│ │Arbolado joven│ 25 │ G │ 420 │ 190 │ 100 │ 041 │ 013 │ 003│ │sin matorral │ │ W │ 420 │ 230 │ 140 │ 087 │ 042 │ 011│ │apreciable │ 50 │ G │ 390 │ 180 │ 090 │ 040 │ 013 │ 003│ │ ( <= 4 m.) │ │ W │ 390 │ 210 │ 140 │ 083 │ 042 │ 011│ │ │ 75 │ G │ 360 │ 170 │ 090 │ 039 │ 012 │ 003│ │ │ │ W │ 360 │ 200 │ 130 │ 083 │ 041 │ 011│ └───────────────────────────────────────────────────────────────┘ G = cubierta en contacto con el suelo formado por pastizal con al menos 5 cm. de humus. W = ídem. por plantas herbáceas con restos vegetales sin descom- poner
TABLA 5.
Factor C para bosques ┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ % de cabida │ % de cubierta en │ Tipo de ordenación (2) │ │ cubierta │contacto con el suelo│─────────────┬─────────────│ │ │ (1) │ C │ NC │ │─────────────┼─────────────────────┼─────────────┼─────────────│ │ 100 - 75 │ 100 - 90 │ 0.001 │0.003 - 0.011│ │ 75 - 40 │ 90 - 75 │0.002 - 0.004│0.010 - 0.040│ │(3) 40 - 20 │ 70 - 40 │0.003 - 0.009│0.020 - 0.090│ └───────────────────────────────────────────────────────────────┘ (1) Formada por al menos 5 cm. de restos vegetales ó plantas herbáceas (2) C = montes con control del pastoreo NC = montes sin control del pastoreo
(3) Para cubiertas en contacto con el suelo inferiores al 40 % ó cabida cubierta menor del 20 %, deben usarse los valores de la Tabla 12., anteriormente dada. TABLA 6.
21
De cara a la aplicación de estos valores a la superficie de una cuenca hidrográfica objeto de estudio, se
puede utilizar como base el mapa de Cultivos y Aprovechamientos de la Dirección General de la Producción
Agraria (Ministerio de Agricultura Pesca y Alimentación) a escala 1:50.000; en los que se realizarán las oportunas
agrupaciones de los estratos vegetales que en ellos aparecen, en función de la similitud de los mismos en relación
con la defensa que presentan al suelo frente a la erosión hídrica. Posteriormente se realizarán las comprobaciones de
campo que resulten necesarias. También son de utilidad otros mapas de vegetación, similares a los mencionados,
elaborados por distintas instituciones administrativas y/o científicas.
Cuando se requiere conocer la situación en una zona concreta para un período de tiempo amplio, se
pueden utilizar vuelos aereofotográficos de la zona en diferentes fechas y analizar las variaciones del uso del suelo
que han tenido lugar a lo largo del tiempo (repoblaciones, abandonos de cultivo, roturaciones, etc.).
Factor prácticas de conservación de suelo, P
Se incluyen como tales el cultivo a nivel, el cultivo en fajas y las terrazas.
Otras prácticas de cultivo, como la rotación con especies herbáceas o el empleo de fertilizantes se
consideran incluidos en el factor C.
Al igual que ocurre con los factores ya estudiados, puede definirse como la relación existente entre el valor
medio de las pérdidas de suelo producidas en un campo donde se realizan las prácticas de conservación de suelos
anteriormente aludidas, y las que se originarían en el mismo campo si se hicieran las labores en la dirección de la
máxima pendiente, a igualdad de los restantes factores lluvia, suelo, topografía y vegetación en ambas situaciones.
Para estos ensayos se utilizaron, del mismo modo que en los casos anteriores para definir los factores K,
(LS) y C parcelas de 22.1 m. de longitud de pendiente y 9% de gradiente.
A continuación se adjunta la Tabla 7, correspondiente a los valores de P, obtenida experimentalmente por
el personal del Soil Conservation Service americano.
Para la aplicación de este factor en un área, y en el caso más general de una cuenca hidrográfica, se
señalarán en el mapa correspondiente, cualquiera que sea su escala, pero conviene operar con cartografías entre
1:5.000 y 1:10.000, por supuesto nunca deben superar el 1:50.000, las prácticas de conservación de suelos que se
observen por fotointerpretación, o que se conozcan por croquizado directo en el campo. Posteriormente se asigna a
las zonas así delimitadas los valores de P correspondientes a la Tabla 7.
FACTOR PRACTICAS DE CONSERVACIÓN DE SUELOS (LS) ┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ % pendiente Cultivo Cultivo Cultivo en terrazas│ │ a nivel en fajas a b │ │───────────────────────────────────────────────────────────────│ │ 2 - 7 0.50 0.25 0.10 0.05 │ │ │ │ 8 - 12 0.60 0.30 0.12 0.05 │ │ │ │ 13 - 18 0.80 0.40 0.16 0.05 │ │ │
│ 19 - 24 0.90 0.45 0.18 0.06 │ └───────────────────────────────────────────────────────────────┘ TABLA 7.
Correspondiendo, en el cultivo en terrazas, el apartado (a) a las terrazas de desagüe con canal encespedado
y el (b) a las terrazas de infiltración.
22
- Aplicación al modelo M.U.S.L.E.
A partir de la década de los setenta, la extensión del modelo U.S.L.E. a pequeñas cuencas hidrográficas dio
lugar al modelo M.U.S.L.E. (Modified Universal Soil Loss Equation), a fin de predecir los sedimentos aportados
por las mismas para un aguacero concreto.
Después de una serie de tanteos, tratando de centrar el nuevo modelo, Renard (1974), C.A. Onstad y G.R.
Foster (1975) entre otros, queda prácticamente establecido de forma definitiva, gracias a la labor de J.R. Williams
(1975) que concreta en la expresión:
PCSLK)q(Q11.8=Y0.56
p (18)
donde:
Y, son los sedimentos emitidos por una tormenta aislada en toneladas.
Q, el volumen de escorrentía en m3 y
qp, el caudal instantáneo máximo en m3/s
Los términos Q y qp han sido definidos en el apartado 2., los restantes parámetros se han establecido
anteriormente al analizar el modelo U.S.L.E.
6.- ESTIMACIÓN DE LA EMISIÓN DE SEDIMENTOS DE UNA CUENCA A TRAVÉS DE LA RED DE
DRENAJE.
En la "metodología" desarrollada en este texto, se diferencia según se trate de elementos emitidos en
suspensión, para cuya estimación se utiliza el procedimiento propuesto por J.R. Williams (1975); o se refiera a los
sedimentos transportados como acarreos, para cuya determinación se utiliza la ecuación de G.M. Smart y M.N.R.
Jaeggi (1983)
6.1.- EMISIÓN DE SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN: MÉTODO DE J.R. WILLIAMS
Los sedimentos emitidos en suspensión en la sección de salida de una cuenca hidrográfica, para un
aguacero concreto, se pueden estimar mediante el modelo M.U.S.L.E., dado anteriormente.
Atendiendo al esquema presentado en la Figura 1, en principio había que entenderlo reducido a pequeñas
cuencas hidrográficas y para aguaceros concretos. Su generalización a cuencas de mayor superficie, en las que
resultaba posible diferenciar subcuencas homogéneas en relación con los parámetros físicos que intervienen en la
U.S.L.E. y considerar series completas de precipitaciones, vino acompañada del desarrollo alcanzado por los
modelos hidrológicos, entre los que destacan por su importancia el HYMO y el HEC-1, que han permitido elaborar
la METODOLOGÍA INTEGRADA PARA LA ESTIMACIÓN DE LA EROSIÓN HÍDRICA, anteriormente
citada.
Esta "metodología" se ajusta a las necesidades de la mayoría de los proyectos de restauración
hidrológico-forestal (pudiéndose aplicar mediante el programa informático CAUDAL3 que se presenta en este
texto).
Se basa en el desarrollo de un modelo hidrológico, al que se le ha incorporado el modelo M.U.S.L.E. para
determinar la emisión de los sedimentos. Las posibilidades de la "metodología" se centran entre otras en las
siguientes funciones:
- La transformación de hietogramas en hidrogramas.
23
- La conducción de hidrogramas a través de cauces.
- La suma de hidrogramas
- El cálculo de los sedimentos emitidos para un aguacero en toda la cuenca y en subcuencas determinadas.
Las tres primeras ya se han comentado anteriormente, por lo que se centrará a continuación en la cuarta y
última, que es la directamente relacionada con la fenomenología erosiva.
Para el cálculo de los sedimentos totales emitidos por una cuenca hidrográfica de gran superficie, donde
sus respectivas subcuencas homogéneas desplazan Y toneladas por aguacero con el modelo M.U.S.L.E., es preciso
determinar previamente la manera de evaluar el transporte de estos sedimentos en suspensión a través de la red de
drenaje.
J.R. Williams (1975) desarrolló un procedimiento tratando de cubrir esta necesidad. Esta basado en el
modelo M.U.S.L.E., en una función reductora de primer orden, en el tiempo de desplazamiento de la avenida y en el
tamaño de las partículas del sedimento. Este último parámetro para un flujo turbulento es consecuencia, según H.A.
Einstein (1964), de la velocidad de decantación de las partículas, lo que es proporcional a la raíz cuadrada de sus
diámetros.
De acuerdo con lo expuesto, la ecuación que define la sedimentación de los materiales en el cauce, viene
dada por la expresión:
DBY=dt
dY (19)
donde:
Y, son los sedimentos emitidos en una determinada sección de salida de la cuenca (o subcuenca)
según se trate.
t, el tiempo de circulación de la avenida.
B, la constante reductora, también llamada coeficiente de conducción
D, el diámetro de las partículas.
Integrando la ecuación anterior, resulta:
e_Y=Y DT_B_o (20)
donde:
Yo, son los sedimentos emitidos en la sección de salida anterior
T, el tiempo de circulación de la avenida entre dos secciones dadas (tramo).
Entonces, si se considera una cuenca de gran superficie, A, formada por la integración de i subcuencas de
superficie cada una de ellas Ai, homogéneas en cuanto a los parámetros de la U.S.L.E. que las definen, la suma
global de las contribuciones de estas subcuencas en la determinación de los sedimentos totales desplazados hasta la
salida de la cuenca A, se expresa por la ecuación:
eY=RY 50DBTi
n
1=i
ii (21)
donde:
RY, son los sedimentos emitidos por la cuenca total en toneladas.
Yi, los sedimentos lanzados por la subcuenca i en toneladas, determinados con suficiente
aproximación por la ecuación M.U.S.L.E. de J.R. Williams
PCSLK)qQ(11.8=Y iiiii
0.56
piii (22)
24
D50i, el diámetro medio de las partículas emitidas por la subcuenca i, en mm., concretamente
representa el tamaño correspondiente al 50 % de los materiales representados en la
curva granulométrica de los sedimentos en suspensión.
n, el número de subcuencas.
Ti, tiempo de circulación en el tramo i.
Realmente en la ecuación para la determinación de los diferentes valores de RY todos los términos resultan
conocidos, a excepción del factor de conducción B; ya que los tiempos de conducción Ti vienen establecidos por el
modelo hidrológico utilizado.
Para el cálculo de B, se establece la siguiente hipótesis, siempre ajustada a un aguacero concreto y para
una cuenca determinada, a la que se supone una distribución uniforme de los factores K, L, S, C, P y D50:
- Se establece que para la cuenca completa A, el total de los sedimentos emitidos Y, calculados como una
cuenca única según la ecuación (18), es igual a RY, determinado como suma de las aportaciones de las
distintas subcuencas.
- Admitiendo que K, L, S, C y P son iguales para todas las subcuencas y por tanto para la cuenca total, se
simplifica la igualdad de las dos ecuaciones anteriores quedando de la forma:
e)qQ(=)q(Q 50DBTpi
n
1=i
0.56
pmii
i
(23)
donde D50m, es el mismo valor de los D50 de las distintas subcuencas y suele tomar un valor aproximado
de 0.001 mm.
La simplificación de los términos K, L, S, C y P se justifica también porque su producto es muy pequeño
en relación con los valores de Q y qp, que son los que realmente condicionan el cálculo del factor B, pues éste en
definitiva es un parámetro básicamente hidráulico.
Una vez determinado el valor de B para la cuenca completa en cada aguacero, los sedimentos emitidos en
cualquier sección se calculan por la ecuación correspondiente a la estructura de subcuenca que la alimenta,
particularizando los valores de K, L, S, C, P y D50 para la misma.
6.2.- COMPARACIÓN CON LAS RECTAS DE REGRESIÓN DE F. FOURNIER.
Entre los objetivos que se persigue con la metodología de J.R. Williams y la fórmula de G.M. Smart y
M.N.R. Jaeggi, se encuentra la de establecer la degradación específica de una cuenca; que se define por la cantidad
de sedimentos emitidos por ésta por unidad de superficie y año. Normalmente se mide en t/haaño ó t/Km²año.
Realmente el cálculo resulta laborioso, tanto si se estudian cada una de las precipitaciones reales que tienen
lugar durante el período considerado, objeto de cálculo de la degradación específica; como si se aplica un
procedimiento estadístico para seleccionar las precipitaciones representativas de un año medio, que defina al
período analizado.
El procedimiento propuesto por F. Fournier trata de evaluar la degradación específica de una cuenca, con
base en sólo dos factores que intervienen en el fenómeno de la erosión: el clima, como precipitación y temperatura,
y el relieve.
Para ello establece como parámetros representativos de ambos factores los siguientes:
25
- El índice de agresividad del clima, definido por la relación p²/P ; siendo p, la precipitación en mm. del mes
más lluvioso del año, y P, el módulo pluviométrico. Esta evaluación del factor climático se complementa
con la consideración del tipo de clima de la cuenca, utilizando la clasificación de Turc.
- Para el relieve se emplea el coeficiente orográfico: htg, siendo h, la altura media del relieve de la cuenca
en m. y tg el coeficiente de masividad de Martone (tg=h/S; donde S es la proyección horizontal de la
superficie de la cuenca en Km²).
El estudio de la correlación lineal establecida entre el valor de X, degradación específica de la cuenca
expresada en t/Km²año, y el valor de Y, índice de agresividad del clima en mm., indica un alto grado de confianza,
representándose la dependencia entre ambas variables mediante cuatro rectas de regresión, según los valores
representativos de los otros parámetros utilizados, de la forma siguiente:
Para htg < 6:
- con p²/P < 20:
49.78-Y6.14=X (24)
- con p²/P > 20:
475.40-Y27.12=X (25)
Para htg > 6:
- con clima no semiárido:
513.21-Y52.49=X (26)
- con clima semiárido:
737.62-Y91.78=X (27)
Normalmente las rectas de regresión de F. Fournier no deben utilizarse mas que para grandes cuencas,
superiores a 2000 Km².
Sin embargo, el autor de "Le climat et la erosión", indica, al final de su texto, que también es posible
aplicarlas a pequeñas cuencas, siempre que sean uniformes y representen a las características del conjunto de una
región donde están ubicadas.
De todos modos conviene indicar dos aspectos en relación con el tema de la degradación específica de una
cuenca:
- Mientras que la M.U.S.L.E., ella sola o aplicada a través de los modelos hidrológicos, determina la
emisión de sedimentos teniendo en cuenta un análisis pormenorizado del fenómeno del geodinamismo
torrencial; para posteriormente considerando la superficie de la cuenca y la cantidad de sedimentos
emitidos por ésta durante un período de tiempo determinado, generalmente de un año, calcular la
degradación específica de la misma; el procedimiento de F. Fournier establece este valor directamente, sin
tener en cuenta la relación causa efecto, sino una simple correlación entre las características de la cuenca y
la emisión de sedimentos por ésta, mediante un análisis de sistemas a modo de caja negra.
- Por otro lado, el método de F. Fournier considera todo tipo de sedimentos (elementos en suspensión y
acarreos), mientras que el modelo M.U.S.L.E., cualquiera que sea la forma que se considere, sólo tiene en
cuenta la emisión de los sedimentos en suspensión, por lo que se requiere completarlo con la fórmula de
Smart y Jaeggi, para completar el transporte en forma de acarreos. No obstante, los sedimentos en
suspensión representan siempre una proporción muy elevada (del orden del 70 % como mínimo) del
transporte total de los materiales por la corriente.
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