Parámetros geomorfológicos de cuencas hidrográficas

1.0       Definición de parámetros geomorfológicos de una cuenca

El ciclo hidrológico, en la que una cuenca hidrográfica es parte fundamental en el estudio de la respuesta a la precipitación de entrada, ocurre diversos procesos que alteran el escurrimiento en su salida.  En estos procesos intervienen la geomorfología de la cuenca en la que la climatología es el factor más importante, el tipo y uso del suelo, la cobertura vegetal o nivel de urbanización.

Existen parámetros calculables que consideran la importancia de estos procesos para establecer comparaciones y establecer cuencas afines de una forma preliminar. Las propiedades geomorfológicas de una cuenca más estudiadas, se presentan a continuación:

1.1       Área de la cuenca

Es la superficie del terreno en las aguas de las precipitaciones que concurren a un mismo punto de evacuación a través de cauces secundarios o quebradas que se unen a un cauce principal. Las aguas de las precipitaciones, lagunas o glaciares que no han sido infiltradas por el suelo se denominan escorrentía superficial y se desplazan desde los puntos de mayor elevación hacia los puntos de menor elevación por efecto de la gravedad.  Mientras que, las aguas que han sido infiltradas por el suelo se denominan escorrentía subterránea y discurren por su interior similarmente.  Este parámetro es el más utilizado en el estudio de la escorrentía de una cuenca.

La delimitación de una cuenca hidrográfica se realiza a través de una línea imaginaria, denominada divisora de agua o divortium aquarium, que separa las pendientes opuestas de las cumbres, fluyendo las aguas de las precipitaciones a ambos lados de la línea imaginaria hacia los cauces de las cuencas continuas.  A continuación se muestra los componentes en una cuenca (ver Figura 1-1).

Figura 1-1. Componentes en una cuenca

1.2       Longitud del cauce principal

Este parámetro suele coincidir con la longitud del cauce más largo, y es un criterio muy representativo de la longitud de una cuenca.  Puede medirse considerando toda la sinuosidad del cauce o la longitud del eje del mismo.

1.3       Perímetro de la cuenca

Es la longitud de la línea divisoria de aguas y conforma el contorno del área de la cuenca.  Cuando se compara cuencas de la misma área, este parámetro es útil para diferenciar la forma de la cuenca.  Es decir, si es alargada o redondeada.

1.4       Forma de la cuenca

Para identificar las características de forma se emplean varios parámetros asociados con la relación área, perímetro o la longitud del cauce de agua más largo que se define como la distancia desde el punto de la salida de desembocadura de la cuenca hasta el punto agua arriba más alejada.  Los índices más usuales son:

a)    Coeficiente de compacidad o índice de Gravelius

Establece la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de una circunferencia de área equivalente a la superficie de la cuenca correspondiente.  Este índice representa la forma de la superficie de la cuenca, según su delimitación, y su influencia sobre los escurrimientos y el hidrograma resultante de una precipitación (López Cadenas de Llano & Mintegui Aguirre, 1987).

De otra manera, este índice se basa en la comparación con una cuenca ideal de forma circular con sus cauces dispuestos radialmente y que desembocan en el punto central (López Cadenas de Llano, 1998).  Se expresa mediante la siguiente ecuación:

Cuando el valor de Kc tienda a uno, la cuenca tendrá una forma casi circular.  Esto significa que las crecientes tendrán mayor coincidencia debido a que los tiempos de concentración de los diferentes puntos de la cuenca serán iguales.  El tiempo de concentración consiste en la duración necesaria para que una gota de agua que cae en el punto más alejado de la cuenca llegue al punto de salida o desembocadura.  En cuencas muy alargadas, el valor de Kc sobrepasa a 2 (ver Figura 1-2).

Figura 1-2. Comparación de la forma de cuencas según valores del Coeficiente de Compacidad.

b)    Factor de forma

Es uno de los parámetros que explica la elongación de una cuenca.  Se expresa como la relación entre el área de la cuenca y la longitud de la misma.  El parámetro está definido por la siguiente expresión:

Es un parámetro adimensional y la longitud de la cuenca puede considerarse según tres criterios diferentes: la longitud del cauce principal considerando su sinuosidad, la longitud del cauce principal considerando el eje del mismo, o la distancia en línea recta entre el punto de control de la cuenca y el punto más alejado de este.  En este artículo, se considera esta última distancia.

Si la forma de la cuenca es aproximadamente circular, entonces el valor de Ff se acercará a uno.  Mientras que, las cuencas más alargadas, tendrán un Ff menor.  En las cuencas alargadas, las descargas son de menor volumen debido a que el cauce de agua principal es más largo que los cauces secundarios y los tiempos de concentración para eventos de precipitación son distintos, como se muestra en la Figura 1-3.  Este caso es inverso a lo que ocurre con el coeficiente de compacidad. 

Figura 1-3. Influencia de la configuración de la red hidrológica en las descargas.

Por otra parte, en la siguiente tabla se muestra la forma que puede adoptar una cuenca según rangos aproximados del Factor de Forma (ver Tabla 1-1).

Tabla 1-1. Rangos aproximados del Factor de Forma

Fuente: Pérez, 1979

1.5       Sistema de drenaje

El sistema de drenaje está constituido por un cauce principal y sus cauces tributarios.  Mientras más largo sea el cauce de agua principal, más ramificaciones tendrá la red de drenaje.  Los parámetros más representativos son:

a)    Orden de los cauces

Existen diversos criterios desarrollados para establecer el orden de los cauces para cuantificar la magnitud de la red de drenaje en la escorrentía superficial directa.  El criterio empleado en este artículo se basa en el modelo de Strahler que consiste en asignarle un número a cada uno de los cauces tributarios en forma creciente, desde el inicio de la línea divisora de aguas hasta llegar al cauce principal de manera que el número final señale el orden de la red de drenaje en la cuenca (ver Figura 1-4).

Las cuencas altamente disectadas tienen un orden de cauce alto y los suelos son relativamente impermeables; entonces, la respuesta a una tormenta es rápida (Aparicio, 1996).

Figura 1-4. Ramificación de un cauce principal según el modelo de Strahler

b)    Razón de bifurcación

Es un parámetro que resulta de la relación entre el número de cauces de un orden dado y el número de cauces del orden inmediatamente superior.  Su razón es la siguiente:

Valores muy altos de esta relación, está determinado a terrenos escarpados, los suelos son muy erosionables.  Además que, estas cuencas presentan una amplia red hidrográfica con muchos cauces tributarios con rápida respuesta a la precipitación (Aparicio, 1996).

1.6       Densidad de drenaje

Este parámetro indica la relación entre la longitud total de los cursos de agua irregulares y regulares de la cuenca y la superficie total de la misma.  De otra manera, expresa la capacidad de desalojar un volumen de agua dado (López Cadenas de Llano, 1998).  Este parámetro es muy representativo respecto a la topografía de la cuenca en los estudios.

Valores mínimos de esta relación están asociados a regiones con materiales de suelo poco erosionables, baja cubierta de vegetación y pendientes planas.  Mientras que, valores altos refieren a que las precipitaciones intervienen rápidamente sobre las descargas de los ríos. Generalmente, estas regiones tienen suelos impermeables y pendientes fuertes.  Se expresa con la siguiente ecuación:

Valores referenciales, se muestran a continuación (ver Tabla 1-2).

Tabla 1-2. Rangos aproximados de la Densidad de Drenaje

Fuente: IBAL, 2009

1.7       Extensión media de escurrimiento superficial

Este parámetro muestra la distancia media que el agua de la precipitación tendrá que transportarse hasta un cauce de agua cercano.  Su fórmula es la siguiente:

1.8       Frecuencia de ríos

Este parámetro relaciona la sumatoria total del orden de todos los cauces; es decir el número total de todos los ríos de la cuenca, con la superficie total.  Muestra el valor del número de ríos por Km².

1.9       Elevación de los terrenos

El análisis de las variaciones de la elevación de los terrenos con respecto al nivel del mar es una característica que influye en el resultado de la pendiente de una cuenca.  El parámetro más representativo es el siguiente:

a)    Altitud media de la cuenca

Este valor permite representar aspectos climáticos y naturales que están interrelacionados en la cuenca, a través de un patrón climático de la zona (ANA, 2010).  Su fórmula es la siguiente:

b)  Curva Hipsométrica

La curva hipsométrica es representada a través de una curva característica muy importante de una cuenca en estudio.  Esta curva representa en el eje de las ordenadas, las elevaciones en metros sobre el nivel del mar y en el eje de las abscisas, el porcentaje del área de la cuenca que queda por encima de la elevación indicada.  Caracteriza de algún modo el relieve (Ministerio de Agricultura y Alimentación, 1978).

Cabe mencionar que, entrando con el 50% del área en el eje de las abscisas se obtiene la altitud media de la cuenca que intercepta con la curva hipsométrica.

c)  Polígono de frecuencia de Altitudes

El diagrama del polígono de frecuencia de altitudes representa en el eje de las ordenadas, el porcentaje parcial del área de una cuenca en estudio y en el eje de las abscisas, las altitudes en metros sobre el nivel del mar comprendidas dentro de ese porcentaje.

El polígono de frecuencias es un complemento de la curva de hipsométrica y permite determinar las altitudes más frecuentes en una cuenca a través del porcentaje más alto del diagrama.

1.10     Rectángulo equivalente

Es la transformación geométrica de la cuenca en un rectángulo ideal que tiene la misma área y perímetro.  En este rectángulo, las curvas de nivel se convierten en rectas paralelas al lado menor, siendo estas la primera y la última curva de nivel, respectivamente (Ministerio de Agricultura y Alimentación, 1978).  Los lados del rectángulo equivalente presentan las siguientes relaciones:

1.11     Declividad de los cauces

Una mayor declividad de los cauces, genera como consecuencia, una mayor rapidez del escurrimiento de agua en los mismos cauces.  El parámetro más representativo es el siguiente:

a)    Pendiente media del cauce principal

La influencia de la configuración topográfica en el proceso de erosión de una cuenca y en la formación de descargas altas, se presenta de acuerdo a los mayores o menores  grados de pendiente (López Cadenas de Llano, 1998).  Existen varios criterios para definir este parámetro.  A continuación, se muestra la relación del criterio asumido:

Valores referentes, se muestran a continuación (ver Tabla 1-3).

Tabla 1-3. Rangos aproximados de la pendiente media del cauce principal

Fuente: IBAL, 2009

1.12     Declividad de los terrenos

a)    Pendiente media de la cuenca

Este índice representa un valor medio de todas las pendientes que conforman las diversas zonas topográficas de la cuenca.  Condiciona, en buena parte, la velocidad con que se da el escurrimiento superficial.  Existen diversos criterios para el cálculo de la pendiente media.  En la siguiente tabla se muestra la topografía adoptada por una cuenca según rangos aproximados de su pendiente media (Ver Tabla 1-4).

Tabla 1-4. Rangos aproximados de la pendiente media de la cuenca

Fuente: Pérez, 1979

1.13     Coeficiente de Torrencialidad

Este parámetro resulta de la relación entre el número de cauces de agua de orden uno y el área de la cuenca.  A mayor número de cauces de orden uno y menor área, la torrencialidad de la cuenca será mayor (Romero Díaz, A., 1987).  Este resultado significa que el agua recorre muy poco para dirigirse a los cauces y la velocidad de descarga es mayor.  Su relación es la siguiente:

1.14     Coeficiente de Masividad

Este parámetro resulta de la relación entre la altitud media de la cuenca, que se calcula por medio de la curva hipsométrica, y el área de la misma (Martonne, 1940).  Su resultado es alto para cuencas de cumbres altas y bajo en cuencas donde predominan terrenos planos que presentan áreas similares.  Su relación es la siguiente:

Como demostración, se presenta cuadros de resumen que incluye los parámetros geomorfológicos de una cuenca en estudio denominada Sub Yauli:

Tabla 1-5. Número de cauces según orden y razón de bifurcación media en cuenca Sub Yauli

Fuente: Elaboración propia

Tabla 1-6.  Características geomorfológicas en cuenca Sub Yauli

Fuente: Elaboración propia

Mapa Geográfico de la Cuenca en estudio Sub Yauli

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Aparicio, F.  (1996).  Fundamentos de Hidrología de Superficie.  4ta. Edición.  México.  Editorial Limusa S.A.  PP 303.

López Cadenas de Llano & Mintegui Aguirre  (1987).  Hidrología de Superficie.  Escuela de Técnica Superior de Ingenieros de Montes.  Madrid, España.  Editorial Salazar.  PP 222.

López Cadenas de Llano  (1998).  Restauración Hidrológica Forestal de Cuencas y Control de Erosión.  Ingeniería Medioambiental, TRAGSATEC, Ministerio de Medio Ambiente.  Madrid, España.  Editorial Mundi Prensa.  PP 945.

Martonne, E.  (1940).  Traité de Geographie Physique.  Armand Colin, París.

Ministerio de Agricultura y Alimentación  (1978).  Estudio de los Parámetros Geomorfológicos de una Cuenca.  Boletín Técnico Nro. 2.  Perú.  PP 32.

Perez, J.  (1979).  Fundamentos del ciclo hidrológico.  Universidad Central de Venezuela.  Facultad de Ingeniería Departamento de Meteorología e Hidrología.  Caracas, Venezuela.  PP 38.

Autoridad Nacional del Agua  (2010).  Evaluación de Recursos Hídricos Superficiales en la Cuenca del Río Mantaro.  Recuperado de: http://www.ana.gob.pe/media/390314/evaluacion%20rh%20superficiales%20rio%20mantaro.pdf

IBAL S.A.  (2009).  Plan de Ordenación y Manejo Ambiental de la Microcuenca de las Quebradas Las Panelas y La Balsa.  Recuperado de: http://www.cortolima.gov.co/sites/default/files/images/stories/centro_documentos/estudios/cuenca_panelas/DIAGNOSTICO/2.2ASPECTOS_BIOFISICOS.pdf

Romero Díaz, A.  (1987).  Morfometría de Redes Fluviales: Revisión crítica de los parámetros más utilizados y aplicación al Alto Guadalquivir.  Papeles de Geografía Núm. 12, 47-62. Recuperado de:  http://revistas.um.es/geografia/article/view/42391/40741