EROSIÓN DE SUELOS UTILIZANDO LA EUPSR (RUSLE)

Introducción

La  investigación  en  erosión  de  suelos  y  su  efecto  en  la  producción  agrícola comenzó en los años 1930’s.   Durante 1940 y 1956, los científicos empezaron a desarrollar a desarrollar procedimientos cuantitativos para estimar la pérdida de suelos en el cinturón maicero de los Estados Unidos.   Varios factores fueron introducidos a una primera ecuación de pérdida de suelos, en la cual la pendiente y las prácticas culturales fueron consideradas.   Se reconoció que la ecuación de pérdida de suelos podría tener un gran valor para la planificación de fincas y que la ecuación del cinturón maicero podría ser adaptada a otras regiones.  En 1946, un grupo de especialistas llevaron a cabo un taller en Ohio para replantear los factores previamente   utilizados   y   adicionaron   un   factor   de   lluvia.      En   1954,   el Departamento de Agricultura de los EEUU (USDA) y el Servicio de Investigación Agrícola (ARS) establecieron el Centro Nacional de Datos de Escorrentía y Pérdida de Suelos (CNDEPS) en la Universidad de Purdue, con el objetivo de localizar, ensamblar y consolidar todos los datos disponibles a través de los EEUU.  Más de

10,000  parcelas  de  escorrentía  y  pérdida  de  suelos  fueron  recolectados  en  49

localidades a lo largo de los EEUU.

Basados en los datos recopilados por el CNDEPS, Wischmeier, Smith y otros desarrollaron la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (EUPS o USLE).   En el manual de agricultura No. 537 describiendo la USLE se publicó en 1965 y se revisión en 1978.  Con una aceptación amplia, la USLE se ha consolidado como la mayor herramienta de planificación de la conservación que se usa en los EEUU y en otros países del mundo.

Con investigación adicional, experimentos, datos y recursos estuvieron a la disponibilidad  de  investigadores  y  científicos  que  continuaron    mejorando  la USLE, lo que llevó al desarrollo de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo Revisada (EUPSR o RUSLE) que tiene la misma fórmula de la USLE, pero tiene varias mejoras para determinar los factores.   Estas incluyen la revisión de los mapas de isoerodentas de los EEUU, una solución que toma en cuenta el factor tiempo para determinar el factor de erodabilidad de los suelos y un subfactor para evaluar los factores de manejo de la cobertura, una nueva ecuación de longitud de la  pendiente  y  su  inclinación,  nuevos  factores  de  prácticas  de  conservación (Renard, et al, 1997).    Un nuevo manual de agricultura (No. 703) que describe la RUSLE en gran detalle se publicó en 1997 por el USDA.

La Ecuación de la Pérdida Universal de Suelos Revisada

Tanto la RUSLE como la USLE se pueden expresar de la siguiente manera:

A = R * K * LS * C * P

Donde:

A = Pérdida estimada promedio de suelo en Ton/ha/año

K =  Factor de erodabilidad del suelo

L = Factor de longitud de la pendiente

S =  Factor de inclinación de la pendiente

C =  Factor de cobertura del suelo

P = Factor de las prácticas de manejo

Otro factor para los suelos es el llamado “Valor T” que significa “Pérdida tolerable de suelos”.  No es directamente utilizado en la RUSLE, pero se usa en conjunto con ella para planificación de la conservación.  La pérdida tolerable de suelos (T) es la máxima cantidad de pérdida de suelo en Ton/ha/año, que se puede tolerar y todavía permitir una alta productividad de cultivos de manera económica y sostenible.

La producción de sedimentos no debe de confundirse con la erosión y los términos no son, por lo tanto, intercambiables.  La producción de sedimentos es la cantidad de suelos erodado que se transporta a un punto en la cuenca que está lejos del origen del desprendimiento de partículas de suelo.  En una cuenca, la producción de sedimento incluye la erosión de las pendientes, canales y remoción en masa menos el sedimento que se deposita después de que se erosiona, pero antes de que alcance el punto de interés (figura 1).   La USLE y la RUSLE no estiman la producción de sedimento.

Figura 1. Perfil esquemático de la pendiente para aplicaciones de la RUSLE en erosión en surcos y entre surcos.

El factor R

R es el factor de erosividad de las lluvias.   Es la suma de los valores promedio anual (EI) en un año normal de lluvia.  El índice de erosión es una medida de la fuerza erosiva de la lluvia para una lluvia determinada.  Cuando los otros factores son constantes, las pérdidas debidas a la lluvia son directamente proporcionales al producto de la energía cinética total de la tormenta (E) por la máxima intensidad de lluvia con 30 minutos de duración (I).   Las tormentas de menos de 0.5” (12.5 mm) no se incluyen en los cálculos de erosividad ya que estas tormentas generalmente agregan muy poco al valor total de R.  El factor R representa la EI de la tormenta promedio y por lo tanto entre más largo sea el registro con el que se determina mejor (se considera como mínimo un registro de 8 años).  El factor R es una indicación de las características más importantes de la erosividad: la cantidad de  lluvia  y  el  pico  de  intensidad  sostenido  en  un  período  determinado  (30 minutos).     Es de hacer notar que para hacer el análisis anual, solamente se escogerán aquellas tormentas que estén separadas más de 6 horas entre una y otra, para considerarlas independientes.

Los  índices  de  erosividad  varían  con  la  localidad  y  sus  dimensionales  son  en

MJ.mm.ha-1.hr-1.año-1.

El factor K

El factor K es el factor de erodabilidad del suelo que representa tanto la susceptibilidad del suelo a la erosión como la tasa de escorrentía, medida bajo las condiciones de una parcela estándar unitaria.   Los suelos con alto contenido de arcilla tienen bajos valores de K, de cerca de 0.05 a 0.15, por su resistencia al desprendimiento de las partículas de suelo.  Suelos con texturas gruesas, como los suelos arenosos, tienen bajos valores de de cerca de 0.05 a 0.2, ya que la baja escorrentía, aunque estos suelos son fácilmente erodables.   Suelos con texturas medias como los francos, tienen un valor moderado de K, de cerca de 0.25 a 0.4 ya que son moderadamente susceptibles al desprendimiento y producen una escorrentía moderada.  Suelos que contienen un alto contenido de limo son los más erodables.  Son fácilmente desprendibles, tienden a formar una costra  y producir altas tasas de escorrentía.  Los valores de K de estos suelos tienden a ser mayores que 0.4.

La materia orgánica reduce la erodabilidad porque reduce la susceptibilidad del suelo al desprendimiento e incrementa la infiltración, lo cual reduce la escorrentía y por lo tanto la erosión.  La adición o acumulación de materia orgánica a través del manejo como la incorporación de abonos verdes o estiércol se representa en el factor C, más que en el factor K.   La extrapolación del factor K en el nomógrafo más alla de un contenido de 4% no se recomienda o se permite en la RUSLE.  En la RUSLE, el factor K considera que el suelo como un todo y el factor Kf considera solamente la fracción fina o sea el materia de menos de 2 mm de diámetro.  Para la mayor parte de los suelos Kf = K.

La estructura del suelo afecta, tanto la susceptibilidad al desprendimiento como la infiltración.  La permeabilidad del perfil del suelo afecta el factor K ya que afecta la escorrentía.

Aunque el factor K se seleccionó para representar un suelo en su condición natural, el manejo pasado o el mal uso de un suelo por cultivos intensivos pueden incrementar la erodabilidad del suelo.    El factor K puede necesitar ser incrementado si el subsuelo está expuesto o donde la materia orgánica ha sido agotada, la estructura del suelo ha sido destruida o la compactación del suelo ha reducido la permeabilidad. Un especialista en suelos puede asistirlo para hacer esta interpretación.

El factor de erodabilidad del suelo se calcula con la ecuación del nomograma de

Wischmeier citado por Mannaerts (1999)

Donde:

K =     Factor de erodabilidad del suelo (t*acre*hr/100*acre.pie*tf*pulg) OM = Materia orgánica [%]

S =      Código de la estructura del suelo

P =     Código de permeabilidad

M =    Producto de las fracciones del tamaño de las partículas primarias ó (% limo

+ % arena muy fina)*(100 - % arcilla)

A continuación se presenta la tabla con los datos de agua del suelo para las clases principales de textura de suelo: (Mannaerts,1999)

Nomograma para la determinación de la textura del suelo.

Si no se cuenta con información de suelos, se puede calcular el valor de K basados en el tipo de roca formadora del suelo (litofacies) de acuerdo a la siguiente tabla:

Recuerde siempre multiplicar por el factor de conversión a unidades SI.

El factor LS

L es el factor de longitud de la pendiente que representa el efecto de la longitud de la pendiente en la erosión (adimensional).  Es la razón entre la pérdida de suelo en la longitud de pendiente en campo con respecto a la longitud de una parcela de 22.1 m en el mismo tipo de suelo y gradiente.  La longitud de la pendiente es la distancia desde el origen de la escorrentía superficial a lo largo de su vía de flujo a la localidad donde se concentra el flujo o donde se deposita el suelo desprendido. Afortunadamente, los valores de pérdida de suelo no son especialmente sensitivos a la longitud de la pendiente y las diferencias en longitud de + o – 10% no son importantes en la mayoría de pendientes, especialmente en paisajes planos.

Las longitudes de pendiente se determinan mejor visitando el sitio, caminando las vías de flujo y haciendo medidas directamente en el campo.  Obtenga L a través de la medición perpendicular a la curva que origina el flujo superficial hasta donde se inicia la deposición o donde la escorrentía entra a un canal bien definido.   Los mapas  de  curvas  a  nivel  mayores  a  0.50  m  deben  ser  utilizados  de  manera cautelosa para determinar longitudes de   pendiente.   Los valores de longitud de pendiente son a menudo muy grandes cuando se utilizan mapas de curvas a nivel. Las longitudes de pendiente, generalmente no exceden los 120 m.  Longitudes de pendiente mayores a 300 m no se deben utilizar en la RUSLE debido a la confiabilidad de la ecuación cuando se aplican estas longitudes es cuestionable y el flujo comienza a concentrarse en la mayoría de los paisajes antes de que ocurran estas longitudes de pendiente.

S  es  el  grado  de  inclinación  de  la  pendiente.    Representa  los  efectos  de  la inclinación en la erosión.  La pérdida de suelo se incrementa más rápidamente con pendientes muy escarpadas en comparación con el incremento en longitud de la pendiente.  Se define como el cociente de la pérdida de suelo en el campo entre la que ocurre en una parcela de 9% de inclinación bajo idénticas condiciones.   La relación  entre  la  pérdida  del  suelo  y  la  gradientes  se  ve  influenciada  por  la densidad de la cobertura vegetal y el tamaño de las partículas del suelo.

Generalmente, el factor L y S se consideran juntos.   Los factores LS juntos son iguales a 1 bajo condiciones de la parcela unitaria de 22.1 m y 9% de inclinación. Los valores de L y S son relativos y representan que tan erodable es una longitud e inclinación particulares en relación a los 22.1 m de largo y 9% de de inclinación de

la parcela unitaria.  Por lo tanto, algunos valores de LS son menores que 1 y otros mayores que 1.  Los cultivos en hilera o en contorno no afectan los valores de LS.

En la figura siguiente se ilustran los diferentes tipos típicos de longitud de pendiente (Dissmeyer y Foster, 1980).  La pendiente A: Si el bosque sin disturbar en la parte de arriba no produce escorrentía superficial, la pendiente  superior comienza en el borde del suelo del bosque sin disturbar y se extiende aguas abajo hasta el surco o el canal, si la escorrentía es concentrada por el canal.  La pendiente B: Punto de origen de escorrentía a un canal, si la escorrentía es concentrada por el canal.    Pendiente  C:  Desde  el  canal  a  un  punto  de  concentración  de  flujo. Pendiente D: Punto de origen de la escorrentía a un camino que concentra la escorrentía.   Pendiente E: Desde el camino a una planicie de inundación   donde ocurre la deposición.   Pendiente F: En la cima de una colina, desde el punto de origen de la escorrentía a la planicie de inundación donde ocurre la deposición. Pendiente G: Del punto de origen de la escorrentía a una depresión ligera donde se concentra la escorrentía.

El efecto de la topografía en la erosión de suelos en la RUSLE tiene dos componentes, como se apuntó arriba: el factor de longitud de la pendiente (L) y el factor de inclinación de la pendiente (S).

El factor L: Donde λ es la longitud de la pendiente (m), m es el exponente de la longitud de la pendiente y β es el ángulo de la pendiente.1 .  La longitud de  la  pendiente  se  define como  la  distancia  horizontal  desde  donde  se origina el flujo superficial a el punto donde comienza la deposición o donde la escorrentía fluye a un canal definido.

El factor L con el área de drenaje aportadora (Desmet & Govers, 1996)

donde A(i,j)[m] es el area aportadora unitaria a la entrada de un pixel (celda), D es el tamaño del pixel y x es el factor de corrección de forma.

•

El factor S: El ángulo β se toma como el ángulo medio a todos los subgrids en la dirección de mayor pendiente (McCool et al, 1987,1989).

El factor C

C es el factor de manejo de cultivo. El factor C se utiliza para reflejar el efecto del cultivo y las prácticas de manejo en las tasas de erosión. Es el factor que se utiliza más a menudo para comparar los impactos relativos de las opciones de manejo en los planes de conservación. El facto C indica cómo el plan de conservación afectará la pérdida promedio anual y cómo la pérdida potencial de suelo será distribuida en el tiempo durante las actividades de construcción, rotaciones de cultivo u otros esquemas de manejo.

El factor C se basa en el concepto de la desviación en relación a un estándar, en este caso un área limpia de cultivos y en barbecho contínuo. La tasa de pérdida de suelo (SLR) es entonces un estimado de la tasa de pérdida de suelo en las condiciones actuales en relación a aquella que se experimentaría bajo las condiciones de referencia.

1 Cuando se aplica esta fórmula en el Raster Calculator de ArcGIS se debe tomar en cuenta que el ángulo deberá ser convertido a radianes (1 grado sexagesimal = 0.01745 radianes)

“C” representa los efectos de las plantas, la cobertura del suelo, la biomasa del suelo y las actividades disturbadoras del suelo en los procesos de erosión. La RUSLE usa un método del subfactor para calcular las tasas de pérdida del suelo, que son las tasas de pérdida en un momento dado, en una secuencia de manejo de cobertura, en relación a la pérdida de suelo en la parcela unitaria. Las tasas de pérdida del suelo varían con el tiempo, así como con el dosel o estrato, cobertura del suelo, rugosidad, biomasa del suelo y el grado de cambio en la compactación. El valor del factor “C” es una tasa promedio ponderado con respecto al factor R durante el año. Los subfactores utilizados para calcular la razón de pérdida de suelo son cobertura (dosel), cobertura de la superficie y rugosidad, uso anterior del suelo y humedad antecedente del suelo.

La cobertura de la superficie es el material que está en contacto con el suelo y que intercepta las gotas de lluvia y detiene o hace más lenta la escorrentía. El porcentaje total de superficie cubierta es la característica utilizada por la RUSLE para calcular cómo la cobertura de la superficie afecta la erosión. La cobertura de la superficie incluye toda la cobertura presente incluyendo fragmentos de roca, vegetación viva, criptógamas y residuos de plantas. El tamaño mínimo requerido de material para ser tomado en cuenta como residuo de la superficie, es que sea de tamaño lo suficientemente grande para no ser removido por la escorrentía.

La RUSLE toma en cuenta la rugosidad de la superficie en el cálculo del valor C. La rugosidad del suelo retiene el agua en las depresiones y reduce la erosividad del impacto de las gotas y del flujo de agua. Si la deposición es lo suficientemente profunda, ocurre mucha deposición en ellos. Con el tiempo, la rugosidad desaparece conforme las depresiones se llenan con sedimento.

La rugosidad se reduce en la USLE en función de la lluvia acumulada después de una operación de cultivo. La rugosidad también indica el grado de obstrucción y la probabilidad que la superficie se sellará, aumentando la escorrentía y la erodabilidad del suelo. Ya que se toma en cuenta la rugosidad en los sistemas de siembra, es una de las razones por las que el factor C son menores en la RUSLE.

Si un factor C de 0.15 representa el sistema de manejo de un determinado cultivo, esto significa que la erosión será reducida a 15% de la cantidad que hubiera ocurrido bajo condiciones de barbecho contínuo.

A continuación se presentan los valores de C para diferentes cultivos y prácticas.

Otra tabla citada por Jung et al (sf) donde se da una combinación entre el factor C y P, se da a continuación:

El factor P

P es el factor de prácticas de control de erosión. El factor P de la RUSLE refleja el impacto que las prácticas de control tienen sobre la tasa de erosión. Se conceptualiza como al razón entre la pérdida de suelo de un cultivo en contornos y siembra en fajas en comparación con cultivos con surcos rectos pendiente arriba o abajo.

Como en el caso de otros factores, el factor P diferencia entre cultivos y pasturas permanentes. Ambas opciones permiten el terraceo o la siembra en contornos, pero los cultivos contienen la opción de la siembra en franjas, mientras que las pasturas permanentes contienen otro tipo de alteración mecánica. Para los propósitos de este factor, la opción de pastura permanente se basa en que las operaciones de control se hacen con poca frecuencia, mientras que en los cultivos son parte de las prácticas anuales de manejo.

A continuación se lista una tabla con los valores de P promedio más utilizados.

Objetivos del ejercicio

• Espacializar los factores componenentes de la ERPUS.
• Elaborar el mapa de pérdida de suelo por erosión calculado a través de la ERPUS.

Llenado de huecos del DEM (Fill the sinks)

Esta función llena los huecos presentes en la malla (o grid). Si celdas con mayor elevación rodean a una celda, el agua es atrapada en esa celda y no puede fluir. La función Fill modifica el valor de la elevación para eliminar este problema.

Elija la opción del menú de ArcToolbox-Spatial Analyst Tools-Hydrology-Fill

Abra el Arc Toolbox y escoja la opción Spatial Analyst-Tools-Hydrology-Fill.

Esta herramienta permite llenar todos los mínimos o depresiones locales que pueda tener el modelo de elevación digital.

Llene la caja de diálogo con los siguientes datos:

Nombre al archivo de salida fill y guárdelo en el directorio de trabajo.

Presione el botón OK.

Pendiente

Ahora calcularemos la pendiente en grados a partir del DEM.

Elija la opción del menú de ArcToolbox-Spatial-Analyst Tools-Surface-Slope

Llene la caja de diálogo con los siguientes datos:

Nombre a la capa de datos resultante slope y guárdela en el directorio de trabajo.

Asignación de Direcciones de flujo (Flow Direction)

Esta función calcula la dirección de flujo para una malla dada. Los valores en las celdas de la malla de dirección de flujo indican la dirección del descenso máximo para cada celda.

Utilizando las herramientas de hidrología del Arc Toolbox calcularemos ahora el grid de dirección de flujo.

Escoja la opción de Arc Toolbox-Spatial Analyst Tools-Hydrology-Flow Direction. 

Esta herramienta crea un grid de dirección de flujo.

Llene la caja de diálogo con los siguientes datos:

Nombre al archivo de salida FlowDir y guárdelo en el directorio de trabajo.

Haga clic en OK.

Acumulación de flujo

Esta función calcula la malla de acumulación de flujo. Esta malla contiene el número acumulado de celdas localizadas aguas arriba de la celda. Para cada celda de la malla de entrada.

Escoja la opción de Arc Toolbox-Spatial Analyst Tools-Hydrology-FlowAcumulation.

Esta herramienta crea un grid de acumulación de flujo.

Llene la caja de diálogo con los siguientes datos:

Nombre al archivo de salida FlowAcc y guárdelo en el directorio de trabajo.

Haga clic en OK.

Factor L

Ahora procederemos a calcular el valor de “L”

Para calcular el factor L:

Elija la opción del menú de ArcToolbox-Spatial Analyst Tools-Map Algebra-Raster Calculator

Abra Raster Calculator e ingrese la siguiente fórmula para calcular el valor de L.

(Power(("flow_acc" + 625),("factor_m" + 1)) - Power("flow_acc",("factor_m" + 1))) / (Power(25,("factor_m" + 2)) * Power(22.13,"factor_m"))

Elija un destino donde se guardara el resultado y nómbrelo factor L.

En esta fórmula se utiliza el grid de acumulación de flujo ([flowacc]), la dimensión del pixel (30m x 30m) y el exponente m.

Factor S

Ahora se calculará el valor del factor S.  Ya que la fórmula varía de acuerdo a dos condiciones, se utilizará el comando CON que es la función Condicional de ArcGIS (puede consultar la ayuda del programa si desea profundizar en la sintaxis del comando).  La sintaxis simplificada del comando es la siguiente:

Con(<condición>, <expresión_verdadera>, <expresión_falsa>)

Para calcular el factor S:

 Elija la opción del menú de ArcToolbox-Spatial Analyst Tools-Map Algebra-Raster Calculator

Abra Raster Calculator e ingrese la siguiente fórmula para calcular el valor de S.

Con((Tan("slope" * 0.01745) < 0.09),(10.8 * Sin("slope" * 0.01745) + 0.03),(16.8 * Sin("slope" * 0.01745) - 0.5))

Elija un destino donde se guardara el resultado y nómbrelo factor S.

A continuación calcularemos el Factor LS combinado

Para calcular el factor LS:

 Elija la opción del menú de ArcToolbox-Spatial Analyst Tools-Map Algebra-Raster Calculator

Abra Raster Calculator e ingrese la siguiente fórmula para calcular el valor de LS.

 "factor_l" * "factor_s"

Elija un destino donde se guardara el resultado y nombrelo factor LS.