Estimación de la disponibilidad hídrica superficial en la microcuenca del río Mapachá, San Lorenzo, Boaco.

Raquel Izabá-Ruiz^1*, Dimas García ¹

¹ Centro para la Investigación en Recursos Acuáticos de Nicaragua, Universidad Nacional Autónoma de Nicaragua, Managua.

RESUMEN

La disponibilidad hídrica en las cuencas de Nicaragua está influenciada por las características geológicas, uso de suelo y actividades antropogénicas como la agricultura y la ganadería. En el presente estudio se estimó la disponibilidad hídrica en la microcuenca del río Mapachá, San Lorenzo-Boaco, Nicaragua. Se realizó reconocimiento hidrológico y geológico de la microcuenca. Se midió el caudal en siete puntos en los ríos principales. Adicionalmente, se llevaron a cabo pruebas de infiltración por el método del doble anillo para determinar la capacidad de infiltracion de los diferentes tipos de suelos. El Balance Hídrico de Suelo (BHS), se calculó por el método de Schosinsky (2006), a partir de los resultados de las pruebas de infiltración (I), precipitación (P) y temperatura (T) del período comprendido entre 1995-2011. Los resultados mostraron que las mayores pérdidas de agua se dan por la evapotranspiración real (ETR), escorrentía superficial (ESC) y recarga potencial (Rp) que corresponden al 75%, 17% y 7% de la precipitación total, respectivamente; resultando una disponibilidad de 0.30 millones de metros cúbicos al año (MMCA); lo que se refleja en la falta de caudal base en los principales ríos. Concluyendo que la recarga potencial del acuífero y el flujo base en los ríos son influenciados por las condiciones naturales de la microcuenca.

Palabras clave:  Balance hídrico superficial; flujo base; geología; recarga potencial; uso del suelo.

ABSTRACT

Water availability in the Nicaraguan basins is influenced by geological characteristics, land use and anthropogenic activities such as agriculture and livestock. In the present study there was an estimated water availability in the microbasin of the Mapachá River, San Lorenzo-Boaco, Nicaragua. Hydrological and geological survey of the microbasin was carried out. The river flow was measured at seven points in the main tributaries. Additionally, ten infiltration tests were performed by the double ring method to determine the infiltration capacity of the different soil types. The Soil Water Balance (SWB) was calculated by the Schosinsky method (2006), based on the results of the infiltration (I), precipitation (P) and temperature (T) tests for the period 1995-2011. The results showed that the highest water losses are due to real evapotranspiration (ETR), surface runoff (ESC) and potential recharge (Rp) corresponding to 75%, 17% and 7% of the total precipitation, respectively; resulting in an availability of 0.30 million cubic meters per year (MMCA); what is reflected in the lack of base flow in the main tributaries. Concluding that, the potential recharge of the aquifer and the base flow in the rivers are influenced by the natural conditions of the microbasin.

Key words: Surface water balance; base flow; geology; potential recharge, land use.

INTRODUCCIÓN

El balance hídrico superficial contribuyen a comprender la dinámica del ciclo hidrológico dentro de una cuenca hidrográfica y a la vez permite la estimación de la disponibilidad hídrica en la misma (Marini & Piccolo, 2000). La litología de las cuencas y los cambios de la cubierta vegetal provocados por actividades antropogénicas como la agricultura y la ganadería afectan significativamente los componentes del balance hídrico superficial (Lenters, Coe, & F, 2000; Markich & Brown, 1998). En Nicaragua la disponibilidad hídrica en las cuencas está influenciada por las características geológicas y por el uso de suelo (Flores & Guatemala, 2012). Asimismo, el potencial de aguas superficiales están impactadas por actividades antropogénicas como la agricultura y la ganadería ocurriendo como consecuencia una reducción en la recarga a los acuíferos y por consiguiente el caudal base de los ríos. (Delgado, Calderón, Flores, & Salvatierra, 2010; Caballero, 2009). Otro factor influyente en el potencial de las aguas superficiales de la cuencas son los procesos erosivos, provocados por consecuencia de la deforestación de las áreas boscosas para el establecimiento de pastizales y cultivos anuales (Caballero, 2016).

El presente estudio se realizó en la microcuenca del río Mapachá, municipio de San Lorenzo, Boaco. En la microcuenca Mapachá, el uso potencial de suelo es forestal; sin embargo, su uso actual prevalece los pastizales y agricultura de autoconsumo. Por otro lado, presenta fuertes pendientes y con geología predominate de la roca fracturada donde presentan basaltos, andesitas-basaltos principalmente. La mayoría de los ríos son de regimen interminte, predominando el caudal base sobre todo en los meses de septiembre y octubre. Estas condiciones geológicas, de cobertura vegetal y fuertes pendientes que pueden influir en las condiciones de recarga al acuífero y por consiguiente en el flujo base de los ríos.

En el municipio de San Lorenzo para garantizar la sostenibilidad del medio ambiente y consecuentemente de los recursos hídricos, se ha trabajado en aplicar estrategias a través del plan ambiental municipal, sobre la protección y conservación de las fuentes de agua y así asegurar la cobertura del servicio de agua y mejorar la calidad para el consumo humano (AMSL, 2006). Se identificaron 11 comunidades con 1 875 personas en 375 viviendas, cuyas principales actividades económicas son la agricultura de autoconsumo y la ganadería, las cuales dependen de la disponbilidad del agua en la zona (Izabá-Ruiz, 2016). En este contexto, este estudio tuvo como objetivo estimar la disponibilidad hídrico superficial en la microcuenca del río Mapachá con el propósito que estos hallazgos sean utilizados por las autoridades locales y gubernamentales como herramienta para el diseño de un plan de gestión de los recursos hídricos en el que implementen alternativas de manejo integrado de cuencas, para mejorar las condiciones de las aguas superficiales en la microcuenca del río Mapachá.

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

La microcuenca del río Mapachá tiene 54 km² de área y está ubicada en el municipio de San Lorenzo, departamento de Boaco. Forma parte de la unidad hidrográfica 952558 (río Tecolostote) que pertenece a la cuenca 952 (cuenca de río San Juan) (INETER, ANA, UNI, & Cooperación Alemana GIZ/PROATA, 2014), con coordenadas 638355 E 1360599 N en la parte alta y 644237 E 1354432 N en la parte baja. El río Mapachá es el río principal de la microcuenca, tiene una longitud de 6 km, desde su nacimiento al NE, hasta su desembocadura con el río Tecolostote. Su lecho es poco profundo y en época seca pierde su caudal base o sea es de régimen intermitente. La red hídrica de la microcuenca Mapachá comprende al río principal y sus 23 tributarios, de los cuales 18 ríos son de orden 1, tres de orden 2 y dos de orden 3. Sus principales tributarios son: Las Lajas, El Guabo, Las Guabas y El Terrero (Figura 1).

La mayoría de los ríos tributarios son de régimen intermitente y presentan caudal base en la época lluviosa, principalmente en los meses de septiembre y octubre. En la época seca solamente presentan caudal base los ríos Las Guabas ubicado al NE en la parte alta de la microcuenca y Las Lajas ubicado en la parte media (Izabá-Ruiz, 2016).

Figura 1. Área de estudio y red hídrica de la microcuenca del río Mapachá en San Lorenzo, Boaco.

La geología predominante pertenece a la Provincia Geológica Central o Tierras Altas del Interior, de terreno abrupto, moderado hasta muy escarbado, con pendientes entre 15-75% (promedio 34 %). La geología se encuentra afectada por un sistema de fallas ubicadas en la parte NE y NO en la caldera, con otra conjugación de fallas identificada en la parte media-baja (Figura 2) (Izabá-Ruiz, 2016). El relieve es fuertemente accidentado, resultado de un sistema de fallas denso y complejo con elevaciones máxima y mínima de 923 y 71 msnm, respectivamente (Fenzl, 1989). Estas características favorecen al aumento de la escorrentía superficial (González & Guerra, 2002).

La parte alta de la microcuenca está representada por una caldera volcánica inactiva. Las principales rocas son flujos de basaltos compactos, andesitas-basaltos y flujo de lavas piroclásticas que descansan sobre formaciones sedimentarias terciarias, cubiertas por depósitos cuaternarios (coluviales y aluviales) que rellenan las zonas planas y valles de los ríos (Krásný & Hecht, 1989; Fenzl, 1989). La vocación del suelo es forestal y pecuaria con un 94% y 6%, respectivamente. Sin embargo, su uso actual es mayoritariamente para siembra de pastizales (61%), tacotales (25%); cultivos anuales, bosque abierto latifoliado y vegetación arbustiva (14%). Los tipos de suelo predominantes son molisoles y alfisoles con un 97% y 3%, respectivamente (WRB, 2007).

Figura 2. Mapa geológico de la microcuenca del río Mapachá.

Datos ambientales: Precipitación y Temperatura

Los datos de precipitación se obtuvieron a través de la base de datos meteorológica del Instituto Nicaraguense de Estudios Territoriales (INETER). Se seleccionaron cinco estaciones pluviométricas distribuidas en torno a la microcuenca: San Lorenzo, Las Canoas, Teustepe, El Cascabel y Tecolostote. La serie de datos analizada comprende el período entre 1995 y 2011; con excepción de la estación El Cascabel en la que se analizaron los registros de 1995 a 2009. Se estimó la precipitación media de la zona a través de la distribución espacial por el métodos de las isoyetas (OMM, 1994), utilizando el software ARGIS 10.1. Se utilizaron los datos de temperatura de la estación Juigalpa con código 69034 por ser la más cercana del área de estudio. Los datos analizados corresponden al período comprendido de 1995 al 2011 (INETER, 2013). La evapotranspiración potencial (ETP) se determinó por el método de Hargreaves (Hargreaves & Samani, 1985).

Reconocimiento hidrológico y geológico

Se realizó una gira de reconocimiento del área de estudio en junio-2013, corroborando la red hídrica (Figura 1). Esta actividad permitió definir el orden de los tributarios; así como definir los siete puntos de medición de caudal (Tabla 1): También se identificaron las unidades geológicas, tipos de rocas, fallas y fracturas, así como el rumbo y buzamiento de las mismas (Figura 2).

Determinación de los componentes del Balance Hídrico Superficial

Caudales (Q) en ríos

Los caudales se midieron haciendo aforo en los ríos por el método del molinete en la época lluviosa junio, agosto y octubre del 2013 y en la época seca febrero y marzo de 2014 ; esto con el fin de tener representatividad del régimen hídrico del río en los meses de mayor pluviosidad y sequía, respectivamente. Se utilizó un molinete Gurley Pigmeo modelo 625 para flujos menores y uno Scientific Instruments Inc. modelo tipo AA, para flujos mayores. Para la determinación de caudales (Q), se calculó la velocidad de la corriente de agua por una sección transversal del río, utilizando las ecuaciones (1 y 2) para cada molinete establecidas por los fabricantes (Tabla 2).

Se calculó el caudal (Q), utilizando la ecuación propuesta (3) por (Turnipseed & Sauer, 2010):

Donde v es la velocidad de la corriente (m.s^-1) y A el área de la sección trasversal (m²), la cual se calculó utilizando la siguiente ecuación (4):

Pruebas de infiltración

Se realizaron diez pruebas de infiltración en febrero de 2014 por el método de doble anillo (Johnson, 1991) distribuidos en toda la microcuenca de acuerdo al tipo de suelo. Se realizaron nueve pruebas en el tipo molisol y una prueba en el tipo alfisol (Tabla 3). Se realizó un reconocimiento de la pendiente y cobertura vegetal predominate en el área cercana al punto donde se realizaron las pruebas. Esta información se utilizó para determinar el coeficiente de infitración propuesto por (Schosinsky & Losilla, 2000)

Balance hídrico superficial

La determinación del balance hídrico superficial se basa en el principio de conservación de masa (UNESCO, 1981):

Donde P es la precipitación (mm); ESC es la escorrentía superficial(mm); Qsubsup (mm) es el agua que interviene en la zona no saturada y está representada por la siguiente ecuación (6):

donde: I es la infiltración (mm), ETR la evapotranspiración real (mm), Rp es la recarga al agua subterránea (mm) y AgD es el agua disponible (mm). Al sustituir I (6) en la ecuación (5) se obtiene (7):

En la ecuación 7, el término de AgD se desprecia ya que está estipulado en el método del Balance Hídrico de Suelo (BHS) de (Schosinsky G. , 2006), obteniéndose la ecuación (8):

Donde ΔS es el agua superficial disponible en mm.

Para determinar la evapotranspiración real (ETR) en el balance hídrico de suelo (BHS) se calculó la evapotranspiración potencial (ETP) con los datos de temperatura a través del método de Hargreaves (Hargreaves & Samani, 1985):

Donde ETP es la evapotranspiración potencial (mm), t_med la temperatura media (°C), t_max es la temperatura máxima (°C); t_min la temperatura mínima (°C) y RO la radiación extraterrestre (mes.m^-2.día^-1).

Con los resultados de las pruebas de infiltración se determinó la infiltración efectiva por el método propuesto por Schosinsky & Losilla, 2000, ecuación (10):

Donde I es la Infiltración (mm. día^-1), C el Coeficiente de Infiltración, Ki la fracción interceptada por el follaje y P es la precipitación (mm); C está representado por la ecuación (11):

donde Kp es fracción que infiltra por efecto de pendiente, Kv es fracción que infiltra por efecto de cobertura vegetal, kfc es fracción que infiltra por textura del suelo; por lo tanto, al sustituir C en la ecuación 10, ésta se convierte en la ecuación (12):

A partir de los resultados del Balance Hídrico de Suelo (BHS), según el método propuesto por Schosinsky G. (2006) se obtuvo la recarga potencial (Rp) de aguas subterráneas, la escorrentía superficial (ESC) y la evapotranspiración real (ETR), cuyos valores fueron utilizados en la ecuación 8 para obtener la disponibilidad hídrica superficial.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Componentes del balance hídrico superficial

Precipitación, temperatura, evapotranspiración potencial (ETP) y real (ETR)

La precipitación promedio anual fue de 1 427 mm, con un promedio mensual mínimo de 7 mm y máximo de 270 mm en enero y octubre, respectivamente (Figura 3a). La temperatura promedio anual calculada fue de 27 °C, con un máximo en el mes de abril de 29 °C y un mínimo de 26 °C (Figura 3a). La ETP estimada presentó un promedio anual de 1 803 mm, un promedio mensual mínimo de 122 mm (enero) y un máximo de 178 mm (mayo). Los valores de ETR estimados reportaron un promedio anual de 1 076 mm, promedio mensual mínimo de 2 mm (enero) y máximo 162 mm (agosto) (Figura 3b).

La variación de la ETP es congruente con las variaciones de la temperatura durante todo el año (Figura 4a), tomando en cuenta que su cálculo depende de la temperatura (mínima, máxima y media), radiación extraterreste y la latitud; este comportamiento sugiere que a una mayor temperatura induce a una mayor ETP (Galindo, Otazo, & Reyes, 2010; Vanderlinden, Giráldez, & Van Meirvenne, 2004). En cambio, el valor de la ETR es proporcional a la precipitación (Figura 4b), ya que la ETR se debe a las condiciones existentes de humedad en el suelo (Sánchez, 2006).

Figura 3. Comportamiento mensual de la precipitación y temperatura (a). Comportamiento mensual de la evapotranspiración potencial (ETP) y real (ETR) (b) en el área de estudio.

Figura 4. Comportamiento de la ETP con relación a la temperatura(a). Comportamiento de la ETR con relación a la precipitación (b).

Caudales y escorrentía

Los caudales medidos en los siete puntos de aforo en los meses lluviosos oscilaron entre 0.002 y 1.859 m³.s^-1 en junio y octubre, respectivamente. En los meses secos el valor máximo fue de 0.023 m³.s^-1 en Las Lajas-arriba y en los tres puntos de monitoreo del río Mapachá debido a la ausencia de agua, no fue posibe medir el caudal (Figura 5). La escorrentía media estimada fue de 238.26 mm, registrándose la mayor escorrentía en la parte media-baja con un valor de 284.05 mm. La escorrentía está vinculada con el comportamiento de los caudales en los ríos, regulados por el regimen estacional, obteniéndose mayores caudales en los meses de septiembre y octubre, por consiguiente hubo un aumento en la escorrentía. En la época seca la escorrentía es prácticamente nula, por lo que solamente los ríos Las Guabas ubicado al NE en la parte alta y Las Lajas-arriba ubicado en la parte media de la microcuenca presentaron caudal base. La permanencia del caudal base en estos ríos, sugiere que está limitada por la geológia (rocas fracturadas) y el sistema de fallas (Fenzl, 1989; Krásný & Hecht, 1989); ya que la descarga del río Las Guabas, proviene de los manantiales ubicados en la parte NO en la caldera, a través del sistema de fracturas de la roca. (Price, 2011; Vargas, 1998). En la parte media, el caudal base del río Las Lajas, está afectado por el sistema de fallas (Figura 2), que facilita la descarga de agua subterránea al mismo, comportándose como río efluente (Arumí, Rivera, Muñoz, & Billib, 2012; Winter, Judson, Harvey, Lehn, & William, 1998). En la parte baja, la pérdida del caudal base en el río Mapachá durante la época seca, podría estar afectado por la conjugación de fallas que se forman creando un eje de interacción (Figura 2), que actuan como un canal de drenaje hacía una mayor profundidad de almacenamiento del agua subterránea, impidiendo la conexión agua superficial-subterránea (UNESCO, 1985), o bien se trata de un sistema desconectado de la fuente subterránea, debido a las bajas transmisividades que oscilan entre 1-10 m².día^-1 (Losilla, Rodríguez, Schosinky, Stimson, & Bethune, 2001; Fenzl, 1989; Krásný & Hecht, 1989). Otro factor influyente en el flujo base, es el cambio de la cobertura vegetal de forestal a pastizales, que aumenta la escorrentía superficial y reduce la capacidad de infiltración. También se ha demostrado que el cambio a grandes escala del uso de la tierra de forestal a pastizales, ha causado cambios significtivos en el caudal base de los ríos (Jobbágy, Acosta, & Nosetto, 2013; Price, 2011; Hernández & Navar-Cháidez, 2010).

Figura 5. Caudales registrados en la red hídrica de la microcuenca del río Mapachá entre junio del 2013 y marzo del 2014.

Infiltración y recarga potencial

Se alcanzaron tasas de infiltración entre 5 y 300 mm.h^-1 (Fig. 6). Las mayores infitraciones se registraron en la parte alta de la microcuenca (100-300 mm.h^-1), a excepción de los puntos Las Lajas y Las Guabas ubicados en la parte norte en la caldera (0-50 mm.h^-1). Estos altos valores de infiltración (100-300 mm.h^-1) se registraron donde el material geológico predominante son los depósitos aluviales (Krásný & Hecht, 1989), material poroso recubierto por vegetación arbustiva y bosque latifoliado abierto (Price, 2011), que corresponde al 25% del uso actual del suelo (MAGFOR, 2000). En los dos sitios (Las Lajas y Las Guabas) donde el valor fue entre 0-50 mm.h^-1, se presentaba afloramiento de la roca basáltica, suelos utilizados para el cultivo de granos básicos, principalmente maíz y sorgo. En la parte media-baja se registraron infiltraciones <50 mm.h^-1, donde el material geológico es la roca andesita-basáltica, los suelos aquí estan generalmente revestido con pastizales y tacotales.

La recarga potencial anual determinada en el acuífero oscila entre 1.0 y 156.0 mm con un promedio de 107 mm. Las mayores recargas potenciales al acuífero se adquirieron en el material coluvial (promedio 114 mm), cubierta por área boscosa (Ramírez, 2013; Ávalos, 2008; Juckem, Hunt, Anderson, & Robertson, 2008) y las menores recargas (promedio 78 mm) se obtuvieron en la parte media-baja, donde predomina la roca andesita-basáltica, cubierta de pastizales. Estos bajos valores encontrados coinciden con otro estudio que ha demostrado que la roca basáltica tiene un potencial de agua subterránea de media a baja (Singh, Krishana Thakur, & Kumar, 2013). Asímismo, el cambio de la cubierta vegetal de forestal a pastizal que es el caso en la microcuenca del río Mapachá, influye en la reducción de la capacidad de infiltración en el suelo; por tal razón, disminuye la recarga potencial al acuífero (Dueñez-Alanís, Gutiérrez, Pérez, & Návar, 2006). La pendiente es otro factor influyente en las bajas recargas al acuífero en la parte media-baja en la microcuenca (pendientes entre 15-75%). Esta condición favorece la escorrentía, disminuyendo la infiltración y la recarga proporcionalmente. Lo anterior corresponde con una investigación realizada en la provincia volcánica de Deccan de Maharashtra en la India, donde se determinó que las zonas con altas pendientes presentan un potencial de agua subterránea pobre (Singh, Krishana Thakur, & Kumar, 2013).

Disponibilidad hídrica superficial

Los resultados del balance hídrico superficial indican que las mayores pérdidas de agua que se dan por la ETR, la ESC y la Rp que corresponden al 75, 17 y 7% de la precipitación anual, respectivamente (Tabla 4). Según el resultado obtenido, esta Rp se clasifica como baja (5-10% de la precipitación), al compararlos con valores obtenidos por la FAO en 1967 (Shaban, Khawlie, & Abdallah, 2006).

Figura 6. Capacidad de infiltración de los diferentes tipos de suelos de la microcuenca del río Mapachá.

Las altas pérdidas de agua por la ETR probablemente está siendo influenciada por la cubierta vegetal predominante por los pastizales con el 61% del uso del suelo. Otras investigaciones han reportado que el uso del suelo con pastizales presentan pérdidas por ETR mayores al 50% de la precipitación (Jobbágy, Acosta, & Nosetto, 2013; Bellot, et al., 1999; Huber, Oyarzún, & Ellies, 1985). La disponibilidad hídrica superficial estimada fue de 6.0 mm que equivale al 0,4% de la precipitación anual, lo que corresponde en una distribución espacial de 54 km², a una disponibilidad de 0.30 MMCA; es decir, una disponibilidad insuficiente, manifestándose principalmente en la escasez de los caudales base en la mayoría de la red hídrica.

CONCLUSIONES

El balance hídrico superficial obtenido en la microcuenca del río Mapachá reveló una pobre disponibilidad hídrica superficial debido a que la recarga efectiva en el acuifero es mínima, la que se refleja en la escasez de caudal base en la red hídrica y principalmente en el río Mapachá. Es evidente también la poca disponibilidad de agua superficial para el desarrollo de sus actividades económicas importantes. Así mismo, en la parte baja de la microcuenca la falta del caudal base está influenciado principlamente por las características hidráulicas de la roca fracturada y el sistema de fallas predominate. Finalmente, otra causa que influye negativamente en la recarga hídrica es la pobre infiltración la cual está condicionada por la cobertura vegetal y el uso del suelo en la zona, impactando principalmente en la recarga potencial al acuífero y consecuentemente en la disponibilidad de agua para subsistencia humana.

AGRADECIMIENTOS

Al CIRA/UNAN-Managua y al Programa de Maestría Regional Centroamericana en Ciencias del Agua con énfasis en Calidad del Agua, bajo el marco del proyecto: “Manejo Comunitario de Agua en Nicaragua y Centroamérica”, por haber financiado y apoyado la presente investigación.

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