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El análisis morfométrico es una medición cuantitativa, basada en el análisis matemático de las características físicas de una cuenca hidrográficas. Los estudios morfométricos constituyen el inicio del análisis de las características hidrológicas de una cuenca (Altin & Altin, 2011) y también tienen aplicación en la conservación de suelos y aguas (Asfaw & Workineh, 2019), la geomorfología tectónica (Bahrami, Capolongo, & Mofrad, 2020) y la composición y diversidad de la vegetación (Al- Rowaily, El-Bana, & Al-Dujain, 2012).
El análisis morfométrico inicialmente fue desarrollado por varios autores, Horton (1932), con las características de la cuenca y el desarrollo de los drenajes, Langbein (1947), con la curva hipsométrica, Schumm (1956), con las características de la red de drenaje, Chorley, Malm, y Pogorzelski (1957), con la estimación de la forma de la cuenca, Strahler (1952), con el análisis de la curva hipsométrica, Gray (1961), con las relaciones entre cuencas, Gregory y Walling (1968), con la relación de la densidad de drenaje dentro de la cuenca.
En morfometría, una forma para estructurar el análisis de cuenca es a partir de los aspectos de esta (Sakthievel, Raj, Sivasankar, Akhila, & Omine, 2019). Se pueden encontrar aspectos lineales (longitud de la cuenca, el orden de las corrientes, la longitud de corrientes, longitud media de corrientes), de área (área de la cuenca, densidad de drenaje, forma de la cuenca, relación de circularidad) y de relieve (relieve de la cuenca, pendiente de la cuenca), estos se pueden calcular para tener una caracterización física apropiada de una cuenca.
Antes del avance de los sistemas de información geográfica y la teledetección, el análisis de las características de una cuenca era una tarea ampliamente operativa y compleja, ahora la mayoría de los aspectos son obtenidos de manera simplificada a partir del modelado en sistemas de información geográfica.
Distintos autores han aplicado morfometría para diferentes aplicaciones entre las cuáles se pueden mencionar, geomorfología (Knight & Grab, 2018; Prabhakaran & Raj; 2018; Bahrami et al., 2020), conservación de aguas y suelos (Asfaw & Workineh, 2019), erosión (Debelo, Tadele, & Koriche, 2017), escorrentía (Abdulkareem, Pradhan, Sulaiman, & Jamil, 2018) y recarga potencial de aguas subterráneas (Zaidi, 2011; Kabite & Gessesse, 2018).
El objetivo del estudio es caracterizar las propiedades morfométricas de la cuenca alta del río Páez en la cual afloran muchos manantiales, los cuales son captados para el aprovechamiento humano, con el fin de relacionar dichas propiedades con los procesos de infiltración.
Materiales y métodos
Área de estudio: Comprende la parte alta de la cuenca del Río Páez, entre las coordenadas 514 000m y 516 000m este y 1 096 000m y 1 103 000m norte del sistema de proyección Transversal de Mercator para Costa Rica (CRTM). Presenta un área superficial de 6,79km2. Hacia ambos lados de la cuenca, nacen los ríos Reventado y Birrís, los cuales corresponden con sus cuencas vecinas y las cuáles comparten varias similitudes biofísicas. La cuenca alta presenta drenajes de cuarto orden. Su principal población es San Juan de Chicuá y hacia el sur, al oeste el poblado de Potrero Cerrado. La cuenca alta presenta altitudes máximas arriba de los 3 300m, llegando hasta los 2 200m en la parte baja. El relieve se considera suave, producto de las secuencias de materiales lávicos (Fig.1).
La zona se caracteriza por ser una cuenca de uso agropecuario, donde se alternan los pastos y los cultivos. Dentro de los cultivos más importantes están la papa, el brócoli, la zanahoria, la coliflor, el repollo, la remolacha y el culantro.
Regionalmente, el área de estudio presenta las unidades geológicas Sapper, Birrís y Reventado Miembro Superior (Krushensky, 1972). Localmente, los materiales volcánicos que conforman el área de estudio fueron descritos a partir de algunas perforaciones realizadas en el sector de Prusia, Sanatorio Durán, parque Prusia y la Pastora, todos muy cercanos a la cuenca alta. Los suelos que conforman la parte alta de la cuenca del río Páez, pertenecen a los órdenes Entisoles y Andisoles. De forma más detallada, en la parte más alta, se reconocen suelos del suborden Orthents y Udands. En la zona de San Juan de Chicuá, dominan los Udands. En la parte sur, los suelos conciernen al suborden Ustands.
En la cuenca, la precipitación alcanza valores promedio anuales mayores a los 1 800mm en el volcán Irazú y aproximadamente 1 500mm en la parte baja de acuerdo con las mediciones del Instituto Meteorológico Nacional (IMN) para el año 2017.
Características morfométricas: La morfometría de la cuenca alta del río Páez, fue obtenida con base en las curvas de nivel digitalizadas, cada 5m, del Gran Área Metropolitana (GAM), escala 1:10 000 del proyecto PRUGAM. Con estas curvas se construyó el Modelo de Elevación Digital (MED) en Surfer, versión 16, usando como método de interpolación la triangulación con interpolación lineal. Del MED se obtuvo el mapa de pendientes en grados y el mapa de orientación del terreno.
Con uso de ArcGis, versión 10,2 y MapInfo, versión 12, se realizó la digitalización de las curvas de nivel, los drenajes y el parteaguas. Una vez obtenidos los elementos principales de la cuenca hidrográfica, se determinó, a partir de los valores de elevación de las curvas de nivel, el MED mediante interpolación lineal o triangulación. Con la herramienta de geometría de ArcGis, se calcularon las siguientes propiedades de la cuenca: área (A), perímetro (P), longitud máxima (Lmax) y ancho máximo (Wmax). Para determinar Lmax se utilizó una circunferencia que envolviera la forma total de la cuenca y para Wmax se obtuvieron polilíneas perpendiculares a los límites de la cuenca para luego calcular la mayor longitud dentro de la cuenca, la definición de ambos siguió los criterios de Zǎvoianu (1985). Como parámetro de corroboración, se calculó la longitud y ancho promedio considerando la forma de la cuenca a ser equivalente a un rectángulo (Roche, 1963; Zǎvoianu, 1985).
Sobreponiendo el vector poligonal de la cuenca a los vectores lineales de los contornos topográficos, cada 5m, se calcularon las áreas parciales entre contornos (Ai) con la herramienta de geometría de ArcGis.
Para el caso de los vectores lineales de ríos y contornos topográficos, se calcularon las longitudes de línea para cada uno. De la forma de la cuenca se computaron los siguientes parámetros: El factor de forma (Ff), definido por Horton (1932) y la relación de circularidad (Rc), definido por Miller (1953).
La curva hipsométrica y el gráfico de frecuencia altimétrica fueron construidos usando las áreas entre contornos determinadas en ArcGis y las elevaciones. El valor de la integral fue obtenido del método de Pike y Wilson (1971).
Mediante ArcGis, se calculó el número de corrientes, la longitud de las corrientes, la textura del drenaje (Horton, 1945), y la frecuencia de drenajes (Horton, 1945). La clasificación de los órdenes de los drenajes fue utilizando el método de Strahler (1957), de ella se obtuvieron la relación de bifurcación (Rb), definida como el cociente del número de corrientes del orden dado (Ni) entre el número de corrientes de orden superior inmediato (Ns), definido por Horton (1945), Schumm (1956) y Zǎvoianu (1985).
Del producto de la densidad de drenaje (Dd) y la densidad de corrientes (Dc), se obtuvo el número de infiltración (Romshoo, Bhat, & Rashid, 2012).
Para establecer la pendiente del cauce principal usando el método de compensación de áreas, se trazó un perfil longitudinal en el MED y este luego fue exportado a una hoja electrónica como un gráfico de dispersión. A este gráfico se le determinó la ecuación de tendencia y la recta de mejor ajuste. Luego se calcularon las áreas parciales arriba y debajo de la línea de tendencia para obtener una nueva ecuación de mejor ajuste.
Resultados
Geometría: La cuenca alta del río Páez tiene un área, A = 6,80km2, con un perímetro, P = 15km y se encuentra delimitada entre los contornos altitudinales de 2 160 a 3 315m (Fig. 2). En el MED las elevaciones de la cuenca disminuyen desde el norte hacia el sur de forma gradual.
El área promedio entre los contornos topográficos es de 0,03km2, por cada 5m de elevación del terreno, la desviación respecto a la media para el área entre contornos muestra valores de 0,15 km2. La separación media entre los contornos topográficos cada 5m, obtenida por el rectángulo equivalente, es de 28,01m. Al usar la relación entre la altitud de contornos y la separación entre ellos, se obtiene el valor de la pendiente media entre contornos calculada en 15,72° con máximas de 89,01° y mínimas de 4,64°, esto también puede ser observado en el modelo de pendientes (Fig. 3), donde se puede apreciar que la mayoría de las pendientes dominantes en la cuenca alta son las que van del rango de 0 a 20° con valores altos de 30 a 40 grados en los cañones de los ríos y valores máximos de más de 50°.
El área promedio entre los contornos topográficos es de 0,03km2, por cada 5m de elevación del terreno, la desviación respecto a la media para el área entre contornos muestra valores de 0,15 km2. La separación media entre los contornos topográficos cada 5m, obtenida por el rectángulo equivalente, es de 28,01m. Al usar la relación entre la altitud de contornos y la separación entre ellos, se obtiene el valor de la pendiente media entre contornos calculada en 15,72° con máximas de 89,01° y mínimas de 4,64°, esto también puede ser observado en el modelo de pendientes (Fig. 3), donde se puede apreciar que la mayoría de las pendientes dominantes en la cuenca alta son las que van del rango de 0 a 20° con valores altos de 30 a 40 grados en los cañones de los ríos y valores máximos de más de 50°.
Al considerar las pendientes con respecto a los contornos de elevación, se puede visualizar con mayor detenimiento que las pendientes aumentan en la cuenca baja y en la cuenca alta, con variaciones significativas de la tendencia, la cual en general está debajo de los 10° entre los 2 360 y los 2 800m (Fig. 4).
En lo respecta a la orientación, se obtuvo el mapa de aspecto (Fig. 5) basado en la dirección de la pendiente. En la cuenca alta del río Páez, las pendientes están orientadas predominantemente hacia el sur, y en menor media hacia el suroeste y este.
El largo y ancho de la cuenca, calculados con el criterio del rectángulo equivalente, obtuvo valores de 6,44 y 1,05km respectivamente, los cuáles son muy próximos a los valores reales de la cuenca alta calculados por geometría de vectores en ArcGis, 6,08 y 1,11km respectivamente. El valor del índice pendiente calculado con el lado mayor, L, fue de 0,40. El valor del factor de forma fue de 0,18.
Análisis hipsométrico
La cuenca alta del río Páez muestra una curva hipsométrica del tipo rectilíneo (Fig. 6), con pequeños puntos de inflexión apenas notables en la parte alta y baja de la curva. Esta forma rectilínea está asociada directamente al hecho de que esta cuenca corresponde con la parte alta de la cuenca del río Páez. El valor de la integral hipsométrica fue calculado en 0,5.
La curva de frecuencia de altitudes (Fig. 7) mostró como la mayoría del área de la cuenca alta se concentra entre los contornos altimétricos entre los 2 360m y los 3 060m.
Red de drenaje
La cuenca alta del río Páez tiene un orden de drenaje de 5, de acuerdo con el método de Strahler. Las longitudes de las corrientes disminuyen de acuerdo con el orden (Cuadro 1) Por orden, las corrientes de orden 1 corresponden con un 43,55% del total de la longitud de los drenajes, mientras que el orden 4 le sigue con un 22,13% y muy cerca los órdenes de 2 y de 3 con un 17,37 y 16,59% (Fig. 8). En total las corrientes de orden 1 constituyen un 70,98% del total de corrientes clasificadas.
Orden | Longitud (Km) | Número de corrientes |
1 | 19,58 | 137 |
2 | 7,81 | 33 |
3 | 7,46 | 19 |
4 | 9,95 | 3 |
5 | 0,16 | 1 |
Total | 44,97 | 193 |
La relación entre el orden de las corrientes y la longitud de ellas responde a una función exponencial.
En cuanto a la pendiente media del cauce de la cuenca alta del río Páez, esta fue estimada con el criterio de la compensación de áreas.
La ecuación que modela la pendiente del cauce principal en la cuenca alta del río Páez fue:
𝐻 = −0,1617 ∙ 𝐿 + 3216,7
donde H = es la altitud (m) y L = la longitud de la trayectoria del drenaje (m). En este caso, la pendiente del cauce principal fue estimada en 0,1617.
La relación de bifurcación entre los órdenes fue la siguiente: 4,15 para los órdenes 1 y 2, 1,74 para los órdenes 2 y 3, 6,33 para los órdenes 3 y 4; y 3,00 para los órdenes 4 y 5.
En cuanto a la densidad de corrientes, el valor obtenido fue de 28,36/km2, mientras el valor de la densidad de drenajes es 6,60 km/km2.
Discusión
Geometría: En el área entre contornos, los valores altimétricos cambian en una distancia promedio entre contornos de 28,01m, esto implica distintos valores de pendiente que pueden condicionar la infiltración en distintos puntos de la cuenca, lo cual es respaldado por otros autores (Domínguez & Mercado, 2020) que consideran que la pendiente es uno de los principales factores que influyen en la infiltración de la lluvia. En cuanto a los rangos de pendientes y su relación con la infiltración, Ribolzi et al. (2011), indican que los rangos de 75% (36,87°) reciben menos agua por infiltración que las de 30% (16,7°). Morbidelli et al. (2016) indican que en los ensayos realizados con pendientes entre los 10 a 15°, hay una disminución en el valor de conductividad hidráulica saturada. Considerando la clasificación de pendientes de Singh, Gupta, y Singh (2014), la mayoría de la cuenca presenta valores de pendiente entre 10 a 35° estas favorecen la escorrentía y disminuyen la infiltración (Singh et al., 2014). En cuanto al aspecto del terreno, este influye en las características de los suelos, causando que en las zonas de menor insolación puedan existir mayores contenidos de humedad (Geroy et al., 2011).
Con respecto a los parámetros geométricos, la estimación de la longitud y el ancho de la cuenca mediante el rectángulo equivalente es una buena aproximación como herramienta sustitutiva de la medición de los valores reales de longitud y ancho de la cuenca. La aplicación de este método difiere en 360m en la longitud y 62m en el ancho por lo que puede ser usado como un método alternativo en geometrías complejas de las cuencas. Para el factor de forma, el valor obtenido fue de 0,1838, este valor es concordante con otros valores de factor de forma encontrados en otras cuencas (Kumar, Mohan, Mishra, Ahmad, & Mishra, 2014; Sakthievel et al., 2019). Para la cuenca alta del río Páez, el valor del factor de forma señala que esta es una cuenca de tipo elongada donde los movimientos de crecidas son más fáciles de controlar que en cuencas circulares (Debelo et al., 2017). Debido a su factor de forma y a su consecuente forma alargada, algunos autores mencionan que se propicia la recarga de aguas subterráneas (Soni, 2016, Abdulkareem et al., 2018) debido a que tendrán un pico de flujo de moderado a bajo (Singh et al., 2014), caracterizado por hidrogramas planos (Fenta, Yasuda, Shimizu, Haregeweyn, & Woldearegay, 2017).
Análisis hipsométrico: La curva hipsométrica que presenta la cuenca es de tipo rectilínea y expresa la forma de la cuenca de drenaje y la evolución de su paisaje (Asfaw & Workineh, 2019). Debido a su forma, esta refleja un estado de no equilibrio (Strahler, 1952). El valor de la integral hipsométrica fue calculado en 0,5 lo que indica que es una cuenca tectónicamente estable (Kumar & Joshi, 2015) y la cual está en equilibrio o casi en madurez (Asfaw & Workineh, 2019).
Red de drenaje: El análisis de la red de drenaje es uno de los parámetros morfométricos que mejor pueden describir el comportamiento hidrogeológico de una cuenca, entre los cuáles se destacan la infiltración (Kumar & Joshi, 2015) y el comportamiento del flujo de agua vertical y horizontal en la superficie del terreno (Singh et al., 2014).
El incremento en el número de orden, de 1 a 5 (Cuadro 1), se relacionada directamente con el tamaño de la cuenca (Kumar & Joshi, 2015) como también con la continua erosión de las orillas de los ríos, esto último observable en distintos sectores de la cuenca. La relación del número del número de corrientes con respecto a su orden permite establecer una ecuación a partir de una función exponencial, esta función puede ser utilizada para comparar cuencas semejantes (Kabite & Gessesse, 2018). La cuenca presenta un patrón dendrítico el cual es un indicador de la homogeneidad del estrato subsuperficial (Singh, et al., 2014) en este caso materiales volcánicos como cenizas, tobas y lavas.
El total del número de corrientes de la cuenca brinda información sobre los factores de escorrentía superficial (Rai, Chandel, Mishra, & Singh, 2018) y por lo tanto de su relación con la infiltración. Para la cuenca el valor máximo de corrientes de orden 1 es de 137 corrientes lo cual designa la intensidad de la permeabilidad y las características de infiltración del área (Kumar & Joshi 2015; Rai et al., 2018).
Un perfil longitudinal de una corriente es una propiedad de la geometría de las corrientes que puede dar pistas sobre los materiales subyacentes (Hack,1973). Con respecto a la pendiente media del cauce principal, determinada del perfil longitudinal, con el criterio de la compensación de área, este incide directamente en la velocidad de un caudal a lo largo del cauce y condiciona su energía cinética y por lo tato su capacidad erosiva (Campo, Aldalur, & Fernández, 2012). En la figura 9, a lo largo del perfil longitudinal del cauce principal, en su recorrido son observables sectores de fuerte pendiente que están relacionados a saltos o cataratas, los cuales son asociados a frentes de coladas volcánicas y a la aparición de manantiales.
La relación de bifurcación definida por Horton (1945) es un índice de relieve y disecciones (Kumar & Joshi, 2015). Strahler (1957) indica que los valores entre 2 a 5 en cuencas con una red de drenaje bien desarrollada y presentan unidades geológicas relativamente homogéneas (Liaqat, Rehman, & Alia, 2011). En el caso de valores de 2, estos corresponden con una región plana (Horton, 1945) y de 3 a 4 para terreno montañoso y altamente disectado. Para la cuenca alta del río Páez, los valores obtenidos para la relación de bifurcación muestran que algunas de las zonas donde ocurren la relación de bifurcación para los órdenes 2 y 3 corresponden con zonas planas, mientras que las de los órdenes 1 y 2, 3 y 4; y 4 y 4 están relacionadas a zonas de crecidas repentinas durante una tormenta fuerte (Kumar & Joshi, 2015). Estas diferencias en los valores de la relación de bifurcación indican diferencias en el estado geomorfológico y las diferencias topográficas en la cuenca (Bhatt & Ahmed, 2014).
El valor de la densidad de drenajes de la cuenca es de 6,6km/km2, esto le da un valor de textura de drenaje de fino, este valor de la textura de drenaje depende de varios factores como lo son el clima, la lluvia, la vegetación, la roca, el tipo de suelo, la capacidad de infiltración y el relieve de la cuenca (Singh et al., 2014). Los valores altos de densidad de drenaje son el resultado de material subsuperficial débil o impermeable, vegetación ligera y relieve montañoso. Los valores bajos de la densidad de drenaje de una cuenca revelan que ellos están compuestos de material subsuperficial permeable, buena cubierta de vegetación y bajo relieve, lo cual resulta en una mayor capacidad de infiltración de en la cuenca (Singh et al., 2014). El valor de fino de la cuenca alta del río Páez es un valor medio, pues combina poca vegetación, al ser una cuenca con fines agrícolas donde el terreno pasa muy descubierto y materiales permeables. Kumar y Joshi (2015) indican que los valores de densidad de drenajes moderado corresponden con mayor infiltración de agua y un alto potencial de recarga de aguas subterráneas, en el caso de la cuenca, el valor es ligeramente más bajo.
Ética, conflicto de intereses y declaración de financiamiento
Los autores haber cumplido con todos los requisitos éticos y legales pertinentes, tanto durante el estudio como en el manuscrito; que no hay conflictos de interés de ningún tipo, y que todas las fuentes financieras se detallan plena y claramente en la sección de agradecimientos. Asimismo, están de acuerdo con la versión editada final del documento. El respectivo documento legal firmado se encuentra en los archivos de la revista.
La contribución de los autores es como se detalla a continuación: P.R.G.: escritura del artículo, elaboración de los mapas,análisis morfométrico, revisión de las referencias. A.A.G., L.C.B. y C.H.H.: revisión del manuscrito”