La caracterización morfométrica de la subcuenca del Río Moctezuma, Sonora: ejemplo de aplicación de los sistemas de información geográfica Adán Guillermo Ramírez García1 Artemio Cruz León2 Pastor Sánchez García3 Alejandro Ismael Monterroso Rivas4 Resumen El primer paso para la propuesta de un modelo de gestión de manejo integrado de una cuenca es la caracterización de sus propiedades morfométricas. El presente trabajo tiene como objetivo determinar los principales parámetros morfométricos de la subcuenca del Río Moctezuma. Para ello, se compiló la cartográfica digital de INEGI; asimismo, se empleó el modelo digital de elevación mde escala 1:50,000 para el cálculo de los parámetros morfométricos de mayor importancia para el análisis hídrico; la interpretación fue digitalizada en el programa ArcGis/Info Versión 10 y Qgis Lisboa 1.8.0. Entre los resultados destaca que la cuenca del Río Moctezuma tiene un área de 6 712.089 km2 y un perímetro de 522.135 km, con un ancho promedio de 47.117 km. La cuenca tiene una longitud máxima de 142.453 km: la distancia del punto de aforo al punto de mayor altura, en dirección horizontal hasta llegar a donde el río principal corta el contorno de la cuenca. La cuota mínima se encuentra a una altura de 350 msnm y la altura máxima corresponde a 2 450 msnm, con una altura media de 1 309 msnm; la densidad de drenaje para la cuenca del Río Moctezuma es de 2.37 km/km2. Los valores de los diferentes índices de forma calculados para la subcuenca del Río Moctezuma determinan que presenta una forma alargada, sin problemas de avenidas fuertes por lluvia; el tiempo de concentración de la parte alta hasta la parte baja es largo; sin embargo, en el tiempo de inundaciones permanecen un mayor tiempo. Los índices morfométricos son una herramienta que permite conocer la relación del agua con el medio físico desde la perspectiva del manejo de cuencas. Palabras clave: cuenca, escurrimiento, morfométrica, precipitación, sistemas de información geográficos Morphometric characterization of the Moctezuma River Watershed in Sonora: an example of application of geographical information systems Abstract The first step for a proposal of a watershed management model is the morphometric characterization of its properties. The present study aims at determining the main morphometric parameters of the 1 Profesor investigador del Centro Regional Universitario del Noreste. Universidad Autónoma Chapingo. 2 Profesor investigador de la Maestría en Ciencias en Desarrollo Rural Regional. Universidad Autónoma Chapingo. 3 Profesor investigador del Centro Regional Universitario del Noreste. Universidad Autónoma Chapingo. 4 Profesor investigador del Departamento de Suelos de la Universidad Autónoma Chapingo. Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 27 Adán Guillermo Ramírez García, Artemio Cruz León, Pastor Sánchez García, Alejandro Ismael Monterroso Rivas Moctezuma River watershed. In order to calculate the most important morphometric parameters for water analysis, the INEGI digital map was compiled and the MDE scale of 1:50 000 Digital Elevation Model was used. Interpretation of the data was digitized in ArcGIS / Info Version 1.8.0 10 Qgis Lisbon program. The results highlighted that the Moctezuma River watershed has an area of 6712.089 km2 and a perimeter of 522.135 km, with an average width of 47.117 km. The basin has a maximum length of 142.453 km, being this the distance from the gauging point to the highest point in a horizontal direction as far as the main river that cuts the contour of the basin. The minimum rate is 350 m high and the maximum height is 2450 m, with an average height of 1309 m, while the drainage density is 2.37 km / km2. The values of different shape rates calculated at the basin of the Moctezuma River determine that the basin has an elongated shape and smooth avenues in time of rain. The time of concentration from the top to the bottom is long; however it stays longer in flood times. Morphometric tools are a helpful tool in understanding the water relationship with the physical environment under the perspective of watershed management. Keywords: watershed, runoff, morphometry, precipitation, geographic information systems. Introducción fluviales que constituyen las zonas desde las En el manejo de los recursos naturales, la cuales la lluvia o la nieve —al derretirse— bajan existencia de una unidad espacial bien definida a un río, lago, embalse, estuario, humedal, es fundamental en la planeación y manejo mar o al océano. Otra definición de cuenca de los recursos naturales. En este sentido, se hidrográfica hace referencia a la superficie establece a la cuenca hidrográfica como una terrestre drenada por un sistema fluvial continuo unidad enfocada al manejo del agua, y su y bien definido, cuyas aguas vierten a otro relación con el medio natural se define como sistema fluvial o a otros objetos de agua y cuyos una unidad de planeación para el uso de los límites están generalmente determinados por recursos naturales, en una extensión territorial la divisoria principal según el relieve (González delimitada por las partes más altas de las Piedra, 2007). En síntesis, la cuenca hidrográfica topoformas, donde las precipitaciones son es una unidad de planificación de los recursos convertidas en escurrimientos, dependiendo de naturales, delimitada por aspectos fisiográficos las condiciones climáticas y las características (parteaguas), en la que se conforma una red físicas. Sánchez (1995) concibe a la cuenca de drenaje recolectora de los escurrimientos hidrográfica como: superficiales hasta un punto de salida, el cual puede ser un almacenamiento de agua interior, […] una unidad espacial global, delimitada superficialmente por un área natural de por ejemplo, un lago, una presa, un río o el mar. drenaje cuyas aguas vierten a un colector En la planificación del aprovechamiento de común, en la cual interactúan orgánicamente los recursos naturales, la cuenca desempeña un elementos físico-bióticos, que el hombre utiliza papel importante; por ello, debe ser muy bien en los procesos de producción y consumo de medios materiales de vida, como base de analizada, para evitar afectar componentes que recursos, base de soporte y base de desechos, intervienen en los procesos hidrológicos y po- en el marco de las relaciones de producción de der determinar la condición de los componen- un sistema social dado. tes bióticos y abióticos, la identificación de las La FAO (2009a) contextualiza las cuencas causas de su deterioro, las áreas con un grado hidrográficas como áreas de desagüe o cuencas de degradación y la generación de alternati- Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 28 La caracterización morfométrica de la subcuenca del Río Moctezuma, Sonora: ejemplo de aplicación de los sistemas de información geográfica vas que conlleven al manejo sustentable de la que se desarrollen por causas naturales y cuenca. antropogénicas. En tanto, la caracterización La cuenca hidrográfica puede caracterizar- morfométrica de la subcuenca permitirá se por su morfología, la naturaleza del suelo, establecer las bases para la toma de decisiones la cobertura vegetal y el uso del suelo, pues las en la formulación de estrategias enfocadas características físicas inciden directamente en al desarrollo sustentable en el marco de una su comportamiento hidrológico, así como en la unidad bien definida. respuesta a eventos lluviosos. Es de gran impor- El objetivo de este trabajo es describir las tancia su caracterización mediante parámetros características morfométricas de la subcuenca que permitan determinar el comportamiento del Río Moctezuma, para la toma de decisiones hidrológico de la cuenca. En este sentido, los en la formulación de estrategias enfocadas al parámetros morfométricos proporcionan una desarrollo sustentable; identificar los paráme- descripción física-espacial, lo que permite efec- tros morfométricos de mayor importancia en tuar comparaciones entre distintas cuencas hi- la intervención de los procesos de degradación drográficas, al tiempo que pueden conocerse las dentro de las unidades de la subcuenca; instru- características ambientales del territorio a partir mentar los modelos de sistemas de información de la descripción precisa de la geometría de las geográfica en la determinación de los paráme- formas superficiales (Gaspari et al., 2012; Gaspari tros morfométricos, y analizar las medidas e ín- et al., 2013). Asimismo, se hace referencia a éstas dices que reflejan las relaciones y características como las unidades básicas que permiten reca- de la riqueza del recurso hídrico respecto a los bar, agrupar y analizar información acerca de la demás componentes del paisaje. geometría de las formas terrestres determinadas por la erosión fluvial (Pesce, 2005). Dicha carac- Materiales y métodos terización es efectuada mediante parámetros de La subcuenca del Río Moctezuma se encuentra forma, relieve y red de drenaje, los cuales son en la porción centro oriental del estado de básicos en la modelación hidrológica para deter- Sonora, 170 km al noreste de Hermosillo (figura minar el comportamiento del agua captada por 1), entre las coordenadas 109º0’00’’ a 110º0’0’’ la cuenca y su relación con los demás recursos de longitud este, y 29º0’00” a 31º0’00” de latitud naturales. norte. Incluye parte de los municipios de Arizpe, En la actualidad existen herramientas Bacoachi, Banamichi, Baviacora, Cumpas, metodológicas tales como los sistemas de Divisaderos, Fronteras, Granados, Huasabas, información geográfica (sig) y la interpretación Huepac, Moctezuma, Nacozari de Gracia, San de imágenes satelitales, las cuales permiten Pedro de la Cu, Tepache, Villa Hidalgo y Villa llevar a cabo la caracterización espacio- Pesqueira (cuadro 1). El municipio con mayor temporal de las propiedades morfométricas de superficie dentro de la subcuenca es Cumpa, las cuencas hídricas y de las redes de drenaje. El con 30% de la superficie total, seguido de análisis de los índices morfométricos permitirá Moctezuma con 26% en la extensión territorial, conocer la capacidad de la cuenca para captar y mientras que el municipio con menor conducir el agua a un punto de salida, así como superficie corresponde al de Fronteras con sentar las bases para la toma de decisiones que 0.04%. Asimismo, cuenta con una superficie de permitan el manejo sustentable de los recursos 6 712.089km2, con una altitud en la parte baja naturales, además de remediar, prevenir y de 350 msnm y alcanza su parte más alta a los controlar los efectos de degradación ambiental 2 450 msnm. Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 29 Adán Guillermo Ramírez García, Artemio Cruz León, Pastor Sánchez García, Alejandro Ismael Monterroso Rivas Cuadro 1. Municipios que conforman la subcuenca del Río Moctezuma Municipio Superficie km2 % Arizpe 442.45 6.59 Bacoachi 63.66 0.95 Banamichi 57.11 0.85 Baviacora 16.04 0.24 Cumpas 1 981.09 29.52 Divisaderos 287.77 4.29 Fronteras 2.37 0.04 Granados 36.34 0.54 Huasabas 68.99 1.03 Huepac 7.49 0.11 Moctezuma 1 790.71 26.68 Nacozari de García 466.20 6.95 San Pedro de la Cueva 720.62 10.74 Tepache 702.80 10.47 Villa Hidalgo 28.63 0.43 Villa Pesqueira 39.82 0.59 Total 6 712.088 100.00 Fuente: Elaboración propia. Figura 1. Ubicación geográfica de la subcuenca del Río Moctezuma Fuente: Elaboración propia. Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 30 La caracterización morfométrica de la subcuenca del Río Moctezuma, Sonora: ejemplo de aplicación de los sistemas de información geográfica En cuanto al clima, de acuerdo con conabio la del mes más frío es menor a 18°C y la del más (2014), el área de estudio presenta tres grupos caliente rebasa los 22°C, con lluvias de verano de clima: 1) BS1k(x’), clima semiárido, templado, superiores a 18% anual; domina en la mayor con una temperatura media anual entre 12°C y parte de la cuenca, en las áreas de transición de 18°C; la temperatura del mes más frío oscila entre lomeríos a montaña; cubre 73% de la superficie -3°C y 18°C y la del más caliente es menor a 22°C, total, y 3) BSo(h’)(x’), clima árido cálido, con una con lluvias de verano mayores a 18% anual. Se temperatura media anual mayor a 22°C; la del presenta en la parte alta de las montañas, por lo mes más frío mayor a 18°C, con lluvias entre que su gradiente de temperatura se asocia a la verano e invierno superiores a 18% anual. Es altitud presente; cubre 20.29% de la superficie el clima con menor extensión en la subcuenca total; 2) BS1h(x’); clima semiárido, templado, (6.21%) (cuadro 2 y figura 2). con una temperatura media anual mayor a 18°C; Cuadro 2. Unidades climáticas presentes en la subcuenca del Río Moctezuma Nomenclatura Área km2 % BS1h(x’) 4 933.48 73.50 BS1k(x’) 1 361.89 20.29 BSo(h’)(x’) 416.73 6.21 Total 6 712.09 100.00 Fuente: Elaboración propia. Figura 2. Unidades climáticas Fuente: Elaboración propia. Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 31 Adán Guillermo Ramírez García, Artemio Cruz León, Pastor Sánchez García, Alejandro Ismael Monterroso Rivas La distribución de los tipos de vegetación está es- clases de roca madre, tanto ígneas, como trechamente asociada con las condiciones climá- sedimentarias y metamórficas; prefiere suelos ticas (Priego et al., 2010). Por ejemplo, los climas profundos de terrenos aluviales planos. No cálidos y templados permiten una congregación tolera, aparentemente, deficiencias de drenaje, de especies que constituyen comunidades de aunque puede crecer a orillas de arroyos, vegetación en importancia y cobertura, como en tierra húmeda de forma permanente; los mezquitales, las selvas bajas, los bosques de también es posible encontrarlo en suelos pino y los matorrales con diferentes subclasifica- someros de terrenos muy rocosos e inclinados ciones. En la subcuenca es el reflejo de una zona o de pedregales. Típicamente, el suelo es de de transición en cuanto a cobertura vegetal, pues reacción ácida moderada (pH 5.5 a 6.5), con el rango altimétrico que presenta permite de- abundante hojarasca y materia orgánica en el sarrollar 27 tipos de vegetación (INEGI, 2012), de horizonte superficial y a menudo también a los cuales el matorral subtropical es el de mayor mayor profundidad. La textura varía de arcilla extensión, ya que cubre 19.66% de la superficie a arena, al igual que la coloración, la cual con total. Se distingue por presentar arbustos y árbo- frecuencia es roja, aunque puede ser amarilla, les bajos, inermes o espinosos, que se desarrollan negra, café o gris (conabio, 2014). en una amplia zona de transición ecológica entre El pastizal natural se encuentra en 25% de la selva baja caducifolia y los bosques templados, la superficie total de la subcuenca, sobre todo como también de matorrales en estas regiones. en la parte norte, con algunos manchones en De acuerdo con el INEGI, este tipo de cobertura re- la parte oeste, asociado a planicies acolinadas quiere de estudios más detallados respecto a su y lomeríos. Esta comunidad se caracteriza distribución y composición florística. Su distribu- porque predominan pastos con pocos árboles ción en la cuenca se asocia a las topoformas del y arbustos. Finalmente, el mezquital es el terrenos, y se encuentra en lomeríos y planicies cuarto con mayor cobertura en la subcuenca: acolinadas, dominantes en la parte sur, centro- equivale a 16.23% de su superficie total. Su este y centro-oeste. distribución en el área de estudio se concentra En segundo lugar, por superficie cubierta, en las planicies acolinadas, con pendientes se encuentra el bosque de encinos, con moderadas, las cuales las hacen susceptibles al 15.65% de la superficie de la cuenca. Este tipo deterioro, por el cambio de uso de suelo para de vegetación se desarrolla sobre diversas dar paso a terrenos ganaderos (figura 3). Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 32 La caracterización morfométrica de la subcuenca del Río Moctezuma, Sonora: ejemplo de aplicación de los sistemas de información geográfica Figura 3. Uso de suelo y vegetación Fuente: Elaboración propia. En la determinación de los parámetros morfo- pendiente promedio de la red hídrica, pendiente métricos intervienen diversos factores que del cauce principal. permiten caracterizar a la cuenca. Para ello se Mediante la interpretación del mapa topo- compiló información referente al tema, así como gráfico se obtuvieron los límites topográficos la cartográfica digital del INEGI y de la conabio. La de las cuencas y la red hidrológica; esta última cartografía base utilizada en la caracterización de también por medio de interpretación e inferencia la subcuenca fue la de precipitación, temperatura, de los cursos fluviales a partir del modelo digital de edafología, geología uso de suelo, topoformas. elevación (mde). La interpretación fue digitalizada Se ponderaron los parámetros morfométricos y transformada en formato raster en el programa de mayor importancia para el análisis hídrico. Las ArcGis/Info Versión 10 y Qgis Lisboa 1.8.0. La variables a considerar se dividen en: a) unidades obtención de parámetros como la densidad de de medida: área, perímetro, longitud máxima, drenaje y la cantidad de población fue realizada alturas mínimas y máximas, ancho; b) forma: en forma totalmente automatizada en el sig índice de Gravelius, índice de Horton, índice de ArcGis/Info Versión 10, mientras que los datos alargamiento; c) relieve: curva hipsométrica, necesarios para los índices fueron extraídos de frecuencia de altitudes, altitud media, altitud más tablas generadas por ArcMap, a partir de los mapas frecuente, altitud de frecuencia media, y d) red raster de topografía (mde), de cuencas y de ríos, y de drenaje: longitud del cauce principal, orden posteriormente tratados en una hoja de cálculo en de la red hídrica, longitud total de la red hídrica, el programa Excel v.2010 para Windows (figura 4). Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 33 Adán Guillermo Ramírez García, Artemio Cruz León, Pastor Sánchez García, Alejandro Ismael Monterroso Rivas Figura 4. Esquema metodológico Fuente: Elaboración propia. Mediante el procesamiento espacial de hidrology. Con ello se logró la delimitación de los modelos de elevación del terreno en el la subcuenca. programa ArcMap, así como por medio del La unidad resultante posee atributos que la análisis de la red hidrológica fue posible describen y que permiten ubicar un punto en determinar la delimitación de la subcuenca del su superfi cie: las coordenadas y la altura sobre Río Moctezuma. Los parámetros manejados el nivel del mar. Lo anterior permitió determinar en este proceso fueron la dirección del fl ujo una serie de parámetros como el área, el hidrológico y la acumulación de éste, los cuales perímetro, la longitud máxima, las alturas estuvieron determinados por el programa mínimas y máximas, entre otros (fi gura 5). Figura 5. Esquema metodológico Fuente: Elaboración propia con base en Fuentes, 2004. Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 34 La caracterización morfométrica de la subcuenca del Río Moctezuma, Sonora: ejemplo de aplicación de los sistemas de información geográfica Los valores obtenidos en el procesamiento del el comportamiento del flujo superficial en la modelo digital de elevación se utilizaron para cuenca, facilitando el estudio del tiempo de determinar los índices morfométricos, los cuales concentración de éste y sus efectos sobre el fueron: cauce principal. Índice de Gravelius: las observaciones de un buen número de cuencas reales en todo el mundo permiten establecer la siguiente Donde: relación entre el área de la cuenca A y el área Lb: longitud del cauce principal de un cuadrado de longitud L, en la que L es la W: el ancho máximo de la cuenca longitud del cauce principal. Se calcula con la siguiente ecuación: Sobre el relieve se determinó la curva hipsométri- ca, la cual representa el área drenada, con varia- ciones que dependen de la altura de la superficie de la cuenca. También podría verse como la varia- Donde ción media del relieve de la hoya. Los valores son Kc = índice de Gravelius (adimensional) obtenidos del mapa altimétrico creado a partir del P = perímetro de la cuenca (km) modelo de elevación del terreno de la subcuenca, A = área de la cuenca (km2) el cual representa los gradientes altitudinales y las áreas que corresponde a cada gradiente respec- A medida que el coeficiente de compacidad to a la cuenca. Las curvas hipsométricas también tiende a la unidad, mayor es el riesgo de tener un han sido asociadas con las edades de los ríos de mayor volumen en el escurrimiento superficial las respectivas cuencas. en un periodo corto, debido a que las distancias La frecuencia de altitudes representa el área relativas de los puntos de la divisoria, con respecto drenada, por lo que varía en función de la altura a uno central, no presentan diferencias mayores, y de la superficie de la cuenca. También podría el tiempo de concentración se hace menor. verse como la variación media del relieve de la subcuenca. Es representada por una gráfica de Índice de Horton: el factor de forma de Horton barras en Excel 2010 para Windows. expresa la relación existente entre el área de la La altitud media se refiere a la altura ubicada a cuenca (A), y el cuadrado de la longitud máxima la mitad de la cuenca (valores obtenidos mediante o longitud axial de la misma (Lb). La ecuación el procesamiento del mapa altimétrico). La altitud para calcular el índice de Horton es: más frecuente es la altura que se presenta con mayor frecuencia en la subcuenca, (valores obtenidos mediante el procesamiento del mapa altimétrico). La altitud de frecuencia media se Donde: refiere a la altura con mayor frecuencia en la A: Área de la cuenca altura media de la subcuenca (valores calculados Lb: Longitud axial de la cuenca. en Excel, con base en los valores obtenidos del mapa altimétrico). Índice de alargamiento: relaciona la longitud Respecto a la red de drenaje, los parámetros máxima de la cuenca (Lb) con su ancho considerados fueron la longitud del cauce prin- máximo (W). Este parámetro permite conocer cipal, a partir de los cauces que la integran; esto Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 35 Adán Guillermo Ramírez García, Artemio Cruz León, Pastor Sánchez García, Alejandro Ismael Monterroso Rivas permite conocer el volumen de escurrimiento su- talmente en el sustrato rocoso, en los grupos de perficial y el tiempo que tarde en un punto de in- suelos dominantes y en la cobertura vegetal, pues terés. Su cálculo se hizo mediante la digitalización estas variables son condicionantes en los cursos de la red hidrológica. fluviales. Orden de la red hídrica: este índice refleja el grado de ramificación o bifurcación de la cuenca, en el cual se maneja el orden de las corrientes. Strahler Donde: (1964, citado por Valtierra y Domínguez M. (2007) Rb es la relación de bifurcación desarrolló un método de clasificación basado en Nu es el número de canales de orden n y la numeración y el conteo de las corrientes de Nn+1 es el número de canales de orden n+1 agua —de un determinado orden— existentes en una cuenca. Este índice se obtiene mediante Cuando los valores de la razón de bifurcación la agregación de corrientes; se considera una son bajos, existen picos fuertes en el hidrograma; corriente de primer orden aquella que no tiene cuando son altos, el hidrograma es más uniforme. afluentes; una de segundo, aquella donde se También, como norma general, valores muy reúnen dos corrientes de primer orden; una de altos de la razón de bifurcación permiten esperar tercero, donde confluyen dos de segundo orden, cuencas alargadas, con multitud de tributarios y así sucesivamente. El orden de la cuenca fue de primer orden, los cuales vierten a una sola calculado con el programa ArcGis 10, mediante la corriente principal. herramienta Hidrology. La densidad de drenaje es la longitud total de Respecto a la longitud total de la red hídrica, los cauces dentro de una cuenca hidrográfica, es importante conocer la longitud de la red de dividida por el área total de drenaje; define drenaje, principalmente la de los cauces que la la densidad de drenaje o longitud de cauces integran, pues esto permite conocer el volumen por unidad de área. Este parámetro se expresa de escurrimiento superficial y el tiempo que tarde en km/km2. En general, los valores altos de la en un punto de interés. Por otro lado, permite densidad de drenaje reflejan áreas con suelos determinar el número de cauces por unidad de fácil erosión o relativamente impermeables, de superficie, facilitando establecer medidas con pendientes fuertes, escasa cobertura vegetal preventivas contra eventos fluviales que pueden y precipitaciones. Por esta razón, los valores ocasionar pérdidas materiales e incluso humanas; elevados de la densidad de drenaje indican al igual que el orden de la cuenca, los sistemas de mayor abundancia de escurrimiento y valores información geográfica permiten determinar las importantes de erosión (Hernando, 2001). longitudes de los cauces de la red hídrica. La pendiente del cauce principal determina Resultados y discusión la velocidad de flujo y la duración de subida o la La cuenca del Río Moctezuma tiene un área de duración total de las avenidas; por consiguiente, 6 712.089 km2 y un perímetro de 522.135 km, con desempeña un papel importante en la forma un ancho promedio de 47.117 km. La cuenca tiene del hidrograma. Su influencia se acopla a la de la una longitud máxima de 142.453 km, es decir, la longitud de la corriente. distancia del punto de aforo al de mayor altura, La relación de bifurcación permite compren- en dirección horizontal hasta llegar a donde el río der algunas variaciones geoecológicas que se principal corta el contorno de la cuenca. La cuota producen en el territorio de la cuenca, fundamen- mínima se encuentra a una altura de 350 msnm y Revista de Geografía Agrícola núm. 55 / 36