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Identificaci�n de zonas potenciales de recarga y descarga de agua subterr�nea en la subcuenca del R�o Chambo mediante los sistemas de informaci�n geogr�fica y el an�lisis multicriterio

 

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

 

Identifica��o de �reas potenciais de recarga e descarga de �guas subterr�neas na sub-bacia do rio Chambo por meio de sistemas de informa��o geogr�fica e an�lise multicriterio

 

 

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Correspondencia: norma.lara@espoch.edu.ec

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culo de investigaci�n

 

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

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

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

      III.            Magister en Inform�tica Empresarial, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Recursos Naturales (FRN), Riobamba, Ecuador.

      IV.            Magister en formulaci�n, evaluaci�n y gerencia de proyectos para el desarrollo. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Recursos Naturales (FRN), Riobamba, Ecuador.

         V.            Ingeniera en Ecoturismo, Universidad de Granada (UGR), Facultad de Ciencias, Espa�a. �

Resumen

La recarga h�drica es un factor fundamental para el ciclo hidrol�gico de una Subcuenca, la presente investigaci�n identifica espacialmente las zonas con potencial de recarga y descarga h�drica en la Subcuenca del r�o Chambo cuya superficie de 3.580 Km2. La identificaci�n de un primer modelo se realiz� mediante los Sistemas de Informaci�n Geogr�fica (SIG) y el An�lisis Multicriterio (AMC) integrando los criterios: litolog�a (35%), topoforma (8%), pendiente (21%), textura de suelo (32%), cobertura vegetal y uso del suelo (4%) en formato raster con una resoluci�n de 20 m x 20 m con sus pesos respectivos, para el segundo modelo se aplic� la herramienta de superposici�n ponderada a�adiendo la capa de precipitaci�n anual con un peso de 50%. Para determinar las zonas de descarga se calcul� el �ndice topogr�fico de humedad (ITH).

El criterio permeabilidad de la capa de litolog�a identifica rocas con� porosidad (26,8%), fisuraci�n(57, 1%) e impermeabilidad (17,3), respecto a las topoformas se presentan relieves escarpados y monta�osos(49,2%) y planicies(14%),� en la subcuenca el 50,7% presenta pendientes escarpadas (>30%); los suelos franco limosos se ubican en el margen occidental� del �rea de estudio(44,83%) seguido de suelos� arenosos (37,54%); el 49,8% del suelo es utilizado para actividades agropecuarias y asentamientos humanos, los p�ramos y bosques (41,78%), finalmente la precipitaci�n m�nima� y m�xima es de� 515 y 1372 mil�metros de lluvia anual respectivamente. Se evaluaron dos modelos con y sin precipitaci�n obteniendo �reas de 13031,1 y 74030,2 hect�reas con muy alto potencial de recarga h�drica, localizadas en el margen oriental de la Subcuenca del r�o Chambo. Las zonas de mayor potencial (muy alto y alto) presentan rocas con permeabilidad de porosidad y fisuraci�n, con pendientes de 2%-5%, con relieve escarpado y monta�oso, vertientes irregulares, piedemonte y laderas coluviales, corresponde a zonas de paramo y bosque, con suelos franco y limoso. El �TH indica que las zonas con muy alto potencial de descarga poseen 15 a 23,54 unidades ubicadas en la zona media de la Subcuenca localiz�ndolas en �reas h�medas y lagunas.

Palabras clave: Recarga h�drica; descarga; an�lisis multicriterio; sistemas; agua subterr�nea.

 

Abstract

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

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

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

 

Resumo

A recarga de �gua � um fator fundamental para o ciclo hidrol�gico de uma Sub-bacia, a presente pesquisa identifica espacialmente as �reas com potencial de recarga e descarga de �gua na Sub-bacia do rio Chambo cuja superf�cie � de 3.580 km2. A identifica��o de um primeiro modelo foi realizada por meio de Sistemas de Informa��o Geogr�fica (SIG) e An�lise Multicrit�rio (AMC) integrando os crit�rios: litologia (35%), topoforma (8%), declividade (21%), textura do solo (32%) , cobertura vegetal e uso do solo (4%) em formato raster com resolu��o de 20 mx 20 m com seus respectivos pesos, para o segundo modelo foi aplicada a ferramenta de sobreposi��o ponderada adicionando a camada de precipita��o anual com peso de 50%. Para determinar as zonas de descarga, o �ndice de umidade topogr�fico (ITH) foi calculado.

O crit�rio de permeabilidade da camada litol�gica identifica rochas com porosidade (26,8%), fissura��o (57,1%) e impermeabilidade (17,3), com rela��o �s topoformas ocorrem relevos �ngremes e montanhosos (49,2%) e plan�cies (14%), em a sub-bacia 50,7% tem declives acentuados (> 30%); solos franco-siltosos est�o localizados na margem oeste da �rea de estudo (44,83%), seguidos por solos arenosos (37,54%); 49,8% do solo � usado para atividades agr�colas e assentamentos humanos, charnecas e florestas (41,78%), finalmente a precipita��o m�nima e m�xima � de 515 e 1372 mil�metros de precipita��o anual, respectivamente. Foram avaliados dois modelos com e sem precipita��o, obtendo-se �reas de 13.031,1 e 74030,2 hectares com alt�ssimo potencial de recarga de �gua, localizados na margem leste da Sub-bacia do rio Chambo. As �reas com maior potencial (muito alto e alto) apresentam rochas com permeabilidade de porosidade e fissura��o, com declives de 2% -5%, com relevo acentuado e montanhoso, taludes irregulares, contrafortes e taludes coluviais, correspondendo �s �reas de paramo e floresta, com solos argilosos e siltosos. O �TH indica que as �reas com potencial de descarga muito alto possuem de 15 a 23,54 unidades localizadas na zona m�dia da Sub-bacia, localizando-as em �reas �midas e lagoas.

Palavras-chave: Recarga de �gua; download; an�lise multicrit�rio; sistemas; Agua subterranea

 

Introducci�n

La identificaci�n de las zonas de recarga de agua subterr�nea en un �rea es importante para utilizar y salvaguardar adecuadamente los recursos de agua subterr�nea (Anbarasu et al., 2020), pues constituyen un recurso estrat�gico en el contexto actual de crecimiento poblacional y cambio clim�tico(D�az-Alcaide and Mart�nez-Santos, 2019; UNESCO, 2021), el desarrollo adecuado de este recurso es esencial porque el agua subterr�nea es una fuente importante de agua potable y agua para la agricultura (Lee et al., 2020; Yifru et al., 2020), la Unesco estima que casi la mitad de la humanidad (3 500 millones de habitantes) se abastece directamente del agua subterr�nea y que los sectores que m�s la consumen son: el dom�stico ( 67%), la industria (22%) y la irrigaci�n (11%)(Hatch Kuri, 2017; Zhu and Abdelkareem, 2021).

La importancia de las aguas subterr�neas radica en la disponibilidad de agua a largo plazo, calidad natural para suministro de agua potable y un servicio a bajo costo que favorece a regiones con ausencia de sistemas de abastecimiento, por lo que se vuelve esencial monitorear y preservar estos recursos y tambi�n proteger su calidad (Herrera, 2017; Tiwari and Kushwaha, 2020). Sin embargo, en diferentes regiones del mundo las reservas de agua subterr�nea est�n bajo una intensa presi�n, estas zonas se ven afectadas por las distintas actividades que se realizan en el territorio, muchos de los principales acu�feros del mundo est�n experimentando aceleradas tasas de reducci�n en sus reservas debido a la creciente demanda de agua(Roy et al., 2020). El agua subterr�nea se extrae a tasas m�s altas de las que se pueden reponer naturalmente (Hern�ndez et al., 2020), actualmente la contribuci�n para la gesti�n de los recursos de agua subterr�nea es limitada(Yifru et al., 2020)

Las zonas de recarga h�drica re�nen una serie de caracter�sticas que propician la infiltraci�n del agua, (Hern�ndez-ju�rez et al., 2020; Sener et al., 2005) una de ellas es la conductividad hidr�ulica de la roca que permite la infiltraci�n del agua de lluvia hasta alcanzar el nivel fre�tico.� En estas �reas el nivel fre�tico es profundo, y el suelo es generalmente �cido y poco desarrollado, con poca cantidad de materia org�nica y bajas concentraciones de sodio y sales.

Los estudios de zonas con potencial de recarga h�drica siguen siendo una gran inc�gnita para los responsables de la toma de decisiones (Hamdi et al., 2020). En Ecuador no existe una metodolog�a oficial para determinar las zonas de recarga h�drica, a esto se suma una reglamentaci�n deficiente y la pr�ctica de actividades agr�colas y pecuarias sin las debidas medidas de conservaci�n de suelos (Berhe Zenebe et al., 2020; Chamorro, 2016; Elmahdy et al., 2020), factores que inciden negativamente en la preservaci�n de estas zonas. Adem�s la escasez general de conocimiento cient�fico (Chidichimo et al., 2018a), limita la generaci�n de pol�ticas p�blicas orientadas a la gesti�n eficiente del recurso h�drico afectando la disponibilidad futura de agua en el centro de Ecuador.(Bustamante, 2017; Chidichimo et al., 2018a).

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

Hasta el momento, las investigaciones hidrol�gicas llevadas a cabo en la Subcuenca del r�o Chambo se limitaron al equilibrio de las aguas superficiales, relegando la contribuci�n del agua subterr�nea, por lo que el estudio resulta relevante si consideramos que las zonas de recarga h�drica provee agua a una regi�n densamente habitada, donde las infraestructuras de agua potable de las ciudades circundantes dependen exclusivamente del agua subterr�nea(Chidichimo et al., 2018b). En tal sentido la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo ejecuta el proyecto de Investigaci�n denominado �Dise�o e implementaci�n de un sistema de monitoreo ambiental por teledetecci�n en zonas con alto potencial de recarga h�drica en el margen oriental de la subcuenca del Rio Chambo como estrategia para asegurar la provisi�n de los servicios ecosist�micos con el fin de contribuir a la conservaci�n y aseguramiento de la funciones ecol�gicas de las zonas de recarga h�drica, los resultados de este estudio pueden contribuir el desarrollo sostenible de los recursos de aguas subterr�neas mediante la identificaci�n de �reas de alto potencial de aguas subterr�neas.(Lee et al., 2020)

 

Antecedentes

Zonas de recarga y descarga

Las zonas de recarga agrupan una serie de particularidades que motivan la infiltraci�n de agua hasta alcanzar el manto fre�tico(Bardales Espinoza, 2007; Hern�ndez et al., 2020), est� asociado a indicadores como la� conductividad hidr�ulica de la roca (Berhe Zenebe et al., 2020)y la elevaci�n topogr�ficamente alta, el nivel fre�tico se encuentra profundo, el suelo es �cido y poco desarrollado con poca cantidad de materia org�nica, baja concentraci�n de sodio y/o sales, la vegetaci�n es xer�fita. Las zonas de recarga h�drica son un parte importante del sistema hidrol�gico de una cuenca hidrogr�fica por tanto cualquier alteraci�n podr�a causar afectaci�n a los acu�feros y en consecuencia la calidad y cantidad del recurso h�drico(Bueso Campos, 2010).

Por otra parte, las zonas de descarga, cuyas propiedades son m�s perceptibles, ocurre a una elevaci�n topogr�fica m�s baja que la zona de recarga, estas �reas pueden estar representadas por un manantial o una laguna, los suelos tienden a ser m�s salinos y alcalinos torn�ndose, en general, m�s desarrollados, con mayor contenido de materia org�nica. La vegetaci�n asociada sobrevive en regiones indeleblemente inundadas y/o tolerantes a la salinidad (vegetaci�n hal�fila), y/o yeso (vegetaci�n gips�fila)(Hern�ndez et al., 2020; Pe�uela and Carrillo, 2013)

 

Materiales y m�todos

�rea de estudio

La subcuenca del r�o Chambo forma parte de la demarcaci�n hidrogr�fica del Pastaza(Secretaria Nacional del Agua, 2010), su principal afluente es el r�o del mismo nombre que nace en la cordillera central de los Andes ecuatorianos. La subcuenca cubre una superficie de 3.580 Km2 y un per�metro de 339.38 Km, localizada entre las provincias de Chimborazo, Tungurahua y Bol�var, cuyas coordenadas son 1�59'42'' Latitud Sur 78�29'40'' Longitud Oeste. La precipitaci�n promedio anual es de 872,078 mm, presentando una mayor precipitaci�n en el margen oriental de la Sub cuenca. (Andrade Valdospinoa, 2019; Chidichimo et al., 2018a).

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

 

Hidrolog�a

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

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

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Figura 1: L�mites de la subcuenca del r�o Chambo.

Fuente: Elaboraci�n propia con informaci�n de CONALI (2017), SENAGUA (2016).

 

Identificaci�n de las zonas de recarga y descarga

Las zonas de recarga re�nen caracter�sticas que favorecen la infiltraci�n de agua hasta alcanzar el nivel fre�tico, uno de los indicadores de estas zonas es la conductividad hidr�ulica de la roca que permite la infiltraci�n del agua de lluvia. Estas zonas se caracterizan por un nivel fre�tico profundo, suelos generalmente �cidos y poco desarrollados, con baja cantidad de materia org�nica y poca concentraci�n de sodio y sales. (Pe�uela and Carrillo, 2013)

El agua proveniente de las precipitaciones y que alcanza la superficie de la cuenca, despu�s de saturar los espacios vac�os; poros y/o fisuras de la superficie, y que se llenen de agua las peque�as depresiones superficiales, da inicio a dos tipos de movimiento: uno superficial siguiendo las l�neas de m�ximo gradiente de energ�a y otro a trav�s de los espacios vac�os del suelo y subsuelo de acuerdo con el gradiente piso-m�trico y con la permeabilidad del medio. (Bardales Espinoza, 2007; Chamorro, 2016)

Esta etapa consider� la identificaci�n de criterios ligados a flujos de la subcuenca, ya que manifiestan mayor contraste con respecto a los flujos locales e intermedios (Pe�uela and Carrillo, 2013). Cabe destacar que las propiedades de las zonas de descarga se identificaron con mayor facilidad en comparaci�n con las de recarga y tr�nsito. Se us� el an�lisis multi criterio para delimitar las zonas de recarga de agua subterr�nea utilizando las capas: litolog�a, topoforma, pendiente, textura de suelo, cobertura vegetal y uso del suelo(Anbarasu et al., 2020; Kadam et al., 2020). Estos datos se combinaron con el m�todo de superposici�n ponderada para delimitar las zonas de potencial de agua subterr�nea(Anbarasu et al., 2020). La identificaci�n de las zonas de descarga se efectu� calculando el �ndice topogr�fico de humedad (ITH), aplicando la Teor�a de Sistemas de Flujo y su evaluaci�n mediante el AMC.

 

Determinaci�n de zonas de recarga h�drica

Preparaci�n de capas tem�ticas

EL an�lisis del potencial de recarga� en el �rea de estudio, const� de tres pasos, la obtenci�n de la informaci�n vectorial oficial para el Ecuador (MAE and MAGAP, 2013), la construcci�n de bases de datos georreferenciadas� y la elaboraci�n de capas tem�ti�cas homog�neas de cada criterio analizado. La elaboraci�n de estas capas se realiz� mediante el geo procesamiento en el softwares ArcGis 10.8(Matomela et al., 2020), usando la proyecci�n UTM, zona 17 SUR, Datum WGS84.

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Figura 2: Diagrama de flujo para la evaluaci�n del potencial de recarga.

Fuente: Elaboraci�n propia.

 

La capa vectorial de litolog�a se obtuvo del Mapa Hidrogeol�gico del Ecuador �INAMHI-DGGM (Direcci�n General de Geolog�a y Minas (1983) Editado (2015), el potencial de recarga de las unidades litol�gicas se evalu� a trav�s de los indicadores de porosidad primaria intergranular, los valores generales de estos indicadores se obtuvieron de estudios similares. Los valores originales de cada criterio se evaluaron y reclasificaron en valores de contribuci�n a las zonas potenciales de recarga, considerando que una mayor porosidad efectiva y permeabilidad favorecen un mayor potencial de recarga (Abdalla et al., 2020; Kadam et al., 2020).

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

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

El mapa de textura suelos se obtuvo del (MAE and MAGAP, 2013), el potencial de recarga de los suelos se evalu� utilizando indicadores de textura y horizontes diagn�sticos de los subgrupos de suelos, considerando la base referencial mundial del recurso suelo de� (IUSS Working Group WRB, 2015), que permiten identificar rasgos f�sico-qu�micos indicativos del comportamiento hidrol�gico del suelo (Pe�uela and Carrillo, 2013). Al evaluar el potencial de recarga se consider� que una textura gruesa favorece la infiltraci�n y el drenaje del suelo (Anbarasu et al., 2020; Ortiz et al., 1999)(Anbarasu et al., 2020),� por tanto se asignaron� mayores valores a los rasgos y propiedades indicativos de zonas de recarga precedentemente descritos.

El mapa de cobertura y uso de suelo se obtuvo de la capa vectorial denominada Cobertura y uso de la tierra en el Ecuador para el a�o 2018, elaborado por (MAE, 2013)Para la asignaci�n de la categor�a se utiliz� la leyenda a nivel 1 y 2 basada en las categor�as de cobertura de la tierra definidas por ( Panel Intergubernamental de Cambio Clim�tico), 2019), se clasificaron considerando que la vegetaci�n densa conservada cumple con las funciones ecol�gicas normales, en cambio las zonas intervenidas con actividades antr�picas disminuyen deterioran y anulan� los servicios eco sist�micos, en este contexto se dio mayor valor a zonas con cobertura vegetal.

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

 

An�lisis de decisiones de criterios m�ltiples

El an�lisis multicriterio (AMC) se fundamenta en el concepto de escalas de relaci�n de conducci�n de la comparaci�n pareada propuesto por (Saaty, 1987), tiene una precisi�n superior en el mapeo del potencial de aguas subterr�neas, AMC es prometedor y reconoce de manera eficiente las regiones adecuadas para la recarga de agua subterr�nea sobre otras t�cnicas convencionales. (Kadam et al., 2020; Singh et al., 2018). En este trabajo, se utiliza un AMC basado en SIG para integrar capas tem�ticas de variables que influyen en el almacenamiento natural y el movimiento de agua, dado que la comparaci�n pareada es vital en la aplicaci�n del AMC(Yifru et al., 2020), la asociaci�n de criterios se pondera de acuerdo con su contribuci�n a la presencia de agua subterr�nea basada en la escala de (Saaty, 1987).

 

Tabla 1: Indicadores superficiales y clases utilizados en la evaluaci�n del potencial de recarga.

Fuente: Elaboraci�n propia con informaci�n de (INAMHI, 2015; MAE and MAGAP, 2013)

 

La priorizaci�n de criterios se realiz� en dos fases; la primera basada en la experiencia de los autores considerando especialmente la funci�n de cada criterio para delimitar zonas de recarga h�drica subterr�neas, en un segundo momento se realiz� una revisi�n bibliogr�fica exhaustiva (Yifru et al., 2020)para recalificar los criterios y finalmente obtener los pesos. Se evalu� la consistencia: una medida de dependencia dentro y entre los conjuntos de capas tem�ticas de su estructura, es importante en AHP (Saaty, 1987). La relaci�n de consistencia (CR), principal, se calcul� el valor propio (λ max) y el �ndice de consistencia (IC) usando las siguientes ecuaciones de CI de Saaty:

Donde:

�n es el n�mero de datos considerados y RCI es aleatorio valor del �ndice de consistencia (Podvezko, 2009). Un CR de 10% o menos es satisfactorio para proceder con el an�lisis (Saaty, 1987). La integraci�n de los criterios y sus prioridades se realiz� mediante el m�todo de combinaci�n lineal ponderada. El modelo para evaluar el potencial de recarga se muestra en la ecuaci�n:

Donde:

PR = Potencial de recarga

Pi = Peso o prioridad de cada criterio

Se utiliz� la herramienta de superposici�n ponderada para integrar los criterios y pesos y obtener como resultado el mapa de recarga h�drico con cinco clases: 1) muy bajo, 2) bajo, 3) moderado, 4) alto y 5) muy alto para facilitar su interpretaci�n y su an�lisis con otras fuentes de informaci�n. (Hern�ndez-ju�rez et al., 2020).

Una vez obtenido el primer mapa, se corri� nuevamente la herramienta de superposici�n ponderada integrando el criterio de precipitaci�n asignando igual prioridad a los dos mapas. La validaci�n del modelo se realiz� por medio de la sobreposici�n con otras fuentes de informaci�n, como presencia de corrientes y cuerpos de agua perennes y visitas in situ (Hern�ndez-ju�rez et al., 2020)

 

Determinaci�n de zonas de descarga

El �ndice topogr�fico de humedad (ITH)� (Arteaga Delgado et al., 2020) permiti� identificar los potenciales lugares donde se concentra la humedad o las zonas de acumulaci�n de agua superficial como zonas topogr�ficamente bajas y planas, y con presencia de vegetaci�n. (Roy et al., 2020; Zhu and Abdelkareem, 2021). Se analiz� utilizando el modelo de elevaci�n digital(MDE) y el ITH (B�hner et al., 2002, p. 214), el cual se reclasific� en cinco clases, considerando que los valores altos del �ndice indican sitios de acumulaci�n con mayor proximidad del nivel fre�tico, por tanto, mayor potencial de descarga (Hern�ndez-ju�rez et al., 2020)

EL ITH se calcul� con la direcci�n de flujo, acumulaci�n de flujo y la pendiente, se aplicaron las f�rmulas:

 

Resultados y discusi�n

Priorizaci�n de criterios

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

Se consider� a la litolog�a como el criterio m�s importante ya que la recarga depende fuertemente de las principales hidrogeol�gicas del subsuelo(Anbarasu et al., 2020; Lee et al., 2020; Yifru et al., 2020), que permiten la infiltraci�n de agua, obtuvo un peso de 35%. La textura de suelo fue la segunda variable m�s importante alcanz� un peso de 32%, su estructura, composici�n y humedad, son fundamentales para la escorrent�a de agua en una zona y depende de caracter�sticas como; el tama�o de grano, porosidad y densidad aparente.

La pendiente se considero la tercera variable en importancia, ya que las tasas de escorrent�a e infiltraci�n est�n controladas fundamentalmente por la pendiente de la superficie en �reas de pendiente pronunciada la recarga es menor en comparaci�n con �reas de pendiente menor, finalmente los criterios topoformas y cobertura vegetal y uso del suelo aportan con pesos bajos.

 

Tabla 2: Determinaci�n de pesos por el m�todo de Saaty (AMC)

 

Tabla 3: Criterios superficiales y clases utilizados en la determinaci�n del potencial de recarga h�drica.

 

Tabla 4: Criterio precipitaci�n y clases para Modelo de determinaci�n de zonas de recarga h�drica potencial

 

An�lisis de criterios

Litolog�a

�Las caracter�sticas litol�gicas son significativas, ya que la infiltraci�n del agua precipitada a el acu�fero subterr�neo se rige por la porosidad y permeabilidad de la capa superficial (Zhu and Abdelkareem, 2021), en el �rea de estudio el 26,8% de la Sub cuenca presenta rocas con permeabilidad de tipo porosidad intergranular que se considera de permeabilidad muy alta, representadas en 94043,4 hect�reas formadas por material geol�gico del Cuaternario compuesto por rocas de tipo sedimentos fluviales, toba, lahares, prioclastos, tillitas, morreras y limolitas, junto con las unidades de basalto, basalto-andesita, tobas riol�tica, calizas y conglomerado polig�nico-arenisca del Terciario Superior, (Hern�ndez et al., 2020; Kadam et al., 2020), Esta caracter�stica se presenta principalmente en la parte central de la Subcuenca en la parroquias de Licto, Flores, Calpi,� San Luis, y en las cabeceras cantonales de Riobamba y Guano, al suroeste de la matriz en el cant�n Guamote.

Se consideran de permeabilidad media o fisuraci�n� los dep�sitos detr�ticos del Terciario, como conglomerado-polig�nico, arenisca-toba riol�tica, basalto, andesita-basalto, andesita, brecha volc�nica andes�tica, toba andes�tica-toba riol�tica, toba riol�tica, caliza y granito-granodiorita(Roy et al., 2020); todas estas unidades se caracterizan por una fisuraci�n moderada o alta corresponden al 57,1 % del �reas de estudio, ubicadas en el margen oriental de la subcuenca en las parroquias de Bilbao, Puela, El Altar, cabecera cantonal de Penipe, La Candelaria, Quimiag, cabecera cantonal de Chambo, al Norte de Pungala,� y al sur de Cebadas; en la zona occidental� se ubica en las parroquias de San Andres, San Juan, Villa la Uni�n, Cacha, Punin, Santiago de Quito; Columbe y la cabecera cantonal de Guamote.

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

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Figura 3: Litolog�a en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboraci�n propia.

 

Topoformas

El 14% de la Sub cuenca presenta superficies de aplanamiento, cuerpos de agua y zonas urbanas, aluden a caracter�sticas del relieve en t�rminos de amplitud altitudinal o altura relieve asociadas a zonas de descarga en San Juan, San Andr�s, la cabecera cantonal de Riobamba, San Isidro de Patul�, Quimiag, Guano La Matriz, Pungala y al Este de Cebadas.� Las clases morfol�gicas correspondientes a colinas medianas, valles Interandinos, vertientes convexas, vertientes c�ncavas y talud de derrubios ocupa el 39,3% de se ubican en la parte central de la Sub cuenca en las parroquias de San Andres, Calpi, Lican San Juan, Riobamba La Matriz, Guano La matriz, San Luis, Cubijies, Columbe, Flores y al Noreste de Guamote La matriz, definidos como zonas de tr�nsito. (Hern�ndez et al., 2020)

�El 49,2% de la superficie total registra topoformas con relieve escarpado, monta�oso, vertientes irregulares, piedemonte y laderas coluviales, localizadas en las cadenas monta�osas de oriente y occidente de la Subcuenca del r�o Chambo. Estas clases morfom�tricas aluden a las caracter�sticas del relieve en t�rminos de su amplitud altitudinal o altura relativa entre el punto m�s bajo y el m�s alto de una unidad, y proveen informaci�n sobre la energ�a del relieve.

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

Fuente: elaboraci�n propia.

 

Pendiente

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

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

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

Fuente: elaboraci�n propia.

 

 

 

Textura del suelo

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

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

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

Fuente: elaboraci�n propia.

 

Cobertura y uso de la tierra

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

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

 

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

Fuente: elaboraci�n propia.

 

Precipitaci�n

Las precipitaciones totales anuales en la Subcuenca del r�o Chambo, registran una m�nima de 515mm. y una m�xima de 1372 mil�metros de lluvia anual, las zonas m�s lluviosas se ubican en el margen oriental de la Subcuenca y se registra menor pluviosidad en las zonas con ciudades grandes y el margen occidental.

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Figura 8: Precipitaci�n en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: elaboraci�n propia.

 

Descripci�n de zonas de recarga

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

 

Tabla 4: Comparaci�n de la superficie por clase del potencial de recarga (PR).

Fuente: Elaboraci�n propia.

 

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

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

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

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

Fuente: elaboraci�n propia.

 

Descripci�n de zonas de descarga

El �ndice Topogr�fico de Humedad (ITH, TWI o CTI)

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

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Figura 11: �ndice topogr�fico de humedad en la Sub cuenca del Rio Chambo.

Fuente: Elaboraci�n propia.

 

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

 

Conclusiones

Los resultados de la integraci�n de criterios incorporados a la teor�a de los sistemas de flujo desarrollada en el estudio demostraron la confiabilidad de los mismos para obtener una adecuada aproximaci�n del funcionamiento hidrol�gico de la subcuenca ya que relaciona la respuesta de la din�mica de las precipitaciones y las implicaciones en el agua subterr�nea. El an�lisis multicriterio result� ser una herramienta �til para identificar zonas potenciales de recarga y descarga h�drica, se obtuvo que las �reas con relieve escarpado, monta�oso con vertientes irregulares contribuyen a delimitar zonas de recarga h�drica con potencialidad muy alto, alto, moderado, bajo y muy bajo, con porcentajes de 20,6%, 47 %, 28%, 3,2 % y 0,003% respectivamente, las condiciones litol�gicas que favorecen la presencia de zonas de recarga est�n asociadas a rocas fisurada y con porosidad, con suelos de texturas gruesa en zonas de paramo y bosque.

El �ndice topogr�fico de humedad permiti� delimitar las zonas con muy alto potencial de descarga h�drica (rango de 15 a 23,54), ya que identifica la concentraci�n de humedad en la totalidad del �rea de la subcuenca, la mayor parte de estas se localizan en planicies y lagunas.

 

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