Usando Waterworld y RIOS para apoyar los Fondos de Agua en la cuenca del Río Daule, Ecuador

Leo Zurita, Beth-Sua Carvajal y Mark Mulligan - King’s College de Londres, Reino Unido.

Silvia Benitez, Juan Sebastian Lozano, Jorge León - The Nature Conservancy, Quito, Ecuador

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0. Introducción

La cuenca del Río Daule es de gran importancia para el Ecuador puesto que atraviesa la llanura costera, una de sus principales regiones naturales y abastece de agua potable a la ciudad más poblada del país, Guayaquil. Además, presta una función de regulación hídrica de la cual dependen las tierras agrícolas, suministrando agua suficiente durante todo el año. Por lo tanto, es necesario conocer y comprender el estado actual de la cuenca y las posibles formas de mantener y regular los servicios ambientales hidrológicos que presta. En este sentido, se postula la modelación hidrológica como un método apropiado para dicho propósito debido al tamaño de la cuenca, la carencia de datos empíricos históricos disponibles y la necesidad de análisis de escenarios.

1. Modelos

WaterWorld es un modelo espacialmente distribuido, basado en modelos físicos y globalmente aplicable que genera una línea base la cual permite desarrollar diferentes escenarios de manejo del uso del suelo y recursos hídricos. Este sistema se adapta especialmente a entornos heterogéneos con pocos datos locales disponibles (por ejemplo, cuencas no instrumentadas). Funciona en internet y requiere poca capacidad local para su uso.

El modelo es "auto-parametrizado" en el sentido que todos los datos necesarios para su aplicación en cualquier lugar del mundo son proporcionados por el modelo (148 entradas mapas). Sin embargo, si los usuarios tienen mejores datos, es posible usarlos en el sistema como archivos para sistemas de información geográfica (SIG). Los resultados se pueden visualizar en un navegador web o descargarse como mapas SIG. Ecuaciones y procesos del modelo se describen con más detalle en Mulligan y Burke (2005) y Mulligan (2013). Waterworld esta basado en grids usando parámetros como balance hídrico, calidad de agua, erosión del suelo, y el transporte de sedimentos.

El balance de agua se calcula a partir de variables como la precipitación horizontal impulsada por viento, la intercepción de lluvia por neblina en pendientes expuestas y la nieve derretida, menos la evapotranspiración real calculada a partir de la cobertura y tipo de vegetación.

El modelo se puede aplicar a 1 hectárea y 1 km cuadrado de resolución espacial usando diferentes conjuntos de datos para su aplicación a escala local y nacional, respectivamente. Waterworld se ha aplicado en lugares de todo el mundo para la estimación de líneas base hidrológicas y los escenarios simulados se han usado para estimar los impactos en la coberturas, uso del suelo, cambio climático, manejo y gestión del agua.

De forma complementaria, se utilizó el Sistema de Optimización de Inversión en Recursos RIOS, desarrollado por el Proyecto Capital Natural (Tallis et al. 2013). Esta herramienta presenta un enfoque científicamente basado para priorizar las inversiones en las cuencas mediante la identificación de las áreas donde las actividades producirán los mayores beneficios para las personas y la naturaleza al menor costo (Vogl et al 2012). Al complementar estas dos herramientas: WaterWorld y RIOS, se puede proporcionar un fundamento biofísico sólido para analizar el impacto de las intervenciones (Waterworld) y un fundamento económico para la optimización de la inversión que estas requieren (RIOS).

2. Contexto

Los resultados del balance hídrico para la cuenca del río Daule (Figura 1) son positivos en la mayor parte de la cuenca, es decir, las entradas locales son mayores que las salidas, especialmente en el Noreste de la parte alta de la cuenca. Sin embargo, una pequeña zona ubicada al sur (parte baja de la cuenca) presenta valores negativos debido a que la evapotranspiración es mayor que las entradas locales, lo que indica que el suministro de agua en esta zona se origina aguas arriba. La figura 2 muestra que la cobertura arbórea es alta en el Suroeste y Norte de la Cuenca, y baja en las áreas agrícolas ubicadas en el centro y sur de la cuenca.

3.Metodología

Waterworld: identificando áreas de intervención

La línea base de la cuenca se determinó usando Waterworld (v2.91). En este análisis se consideraron cinco de los cuadrantes (Figura 1) que contempla el sistema a una escala de 1 ha de resolución. Se desarrollaron dos escenarios (1) aforestación total y (2) deforestación total para toda la cuenca con el fin de identificar las áreas más sensibles a los cambios, mostrando la diferencia entre la línea base y los escenarios en porcentaje. De este modo, se resaltaron los cambios relativos en los servicios ecosistémicos claves: reducción de sedimentos depositados (DEP), reducción del indice de huella humana sobre la calidad del agua (HF) y reducción de la erosión del suelo (ERO).

RIOS: optimización espacial de la intervención

Los resultados de WaterWorld fueron usados para generar un portafolio de inversión, en el cual se identificó aquellas áreas óptimas donde la inversión en las intervenciones (escenarios planteados) genera los efectos más positivos sobre los servicios ecosistémicos, según las estimaciones de WaterWorld.

Para generar este portafolio de inversión, primero se definió un presupuesto total de $ 6 millones de dólares con el propósito de implementar las intervenciones propuestas. El costo estimado para "protección" en el área de estudio fue US$ 100/ha., mientras que los costos de “forestación” fueron alrededor de US$ 1.500/ha. De acuerdo a lo anterior, se asumió una inversión de US $1.000.000 en protección y los restantes US $5.000.000 en forestación. En consecuencia, 10.000 hectáreas de bosques naturales fueron protegidas y 3.300 hectáreas de áreas no naturales forestadas con ligeras diferencias en su distribución en función de la reducción en la deposición de sedimentos (DEP), la huella humana en la calidad del agua (HF) o la erosión del suelo (ERO). Posteriormente, estas variables fueron determinantes para la distribución espacial de la intervención.

Waterworld: Impactos de las intervenciones óptimas

Las áreas óptimas identificadas por RIOS para cada intervención fueron utilizadas en WaterWorld como Zonas de Interés (ZOIs) con el objetivo de examinar los impactos biofísicos locales y a nivel de zonas de captación. Las áreas de intervención se distribuyeron sólo en tres de las cinco cuadrantes que ocupa la cuenca dentro del sistema.

Cada escenario fue desarrollado por separado dentro de la cuadrante asignada usando las áreas óptimas de acuerdo a la inversión planteada para reducir la deposición de sedimentos (DEP), la huella humana (HF) y la erosión del suelo (ERO). Estas inversiones se utilizaron para ejecutar los escenarios más adecuados y producir como resultado mapas que facilitaron la ubicación de los impactos de estas intervenciones.

Así mismo, un grupo de Puntos de Interés (POI) fueron identificados dentro de la cuenca incluyendo los principales centros poblados, presas y otros sitios. Se calculó el promedio de los valores dentro de una zona de amortiguación de 5 píxeles formando un cuadrado alrededor de ellos, con el fin de contemplar la imprecisión geográfica en las coordenadas y los datos asociados en el punto de interés. A partir de estos valores promedios, se organizó una hoja de cálculo presentando el cambio máximo para cada sitio a través de los tres servicios, de igual forma, se calculó el cambio y su porcentaje entre la línea de base y los escenarios.

3.1. Servicios

Los servicios clave de interés analizados fueron:

Erosión neta del suelo en ladera (ERO)

Se refiere a la erosión de los suelos y sedimentos proveniente de las laderas que se transportan aguas abajo debido a la escorrentía del agua. El valor de la erosión del suelo de ladera neto utilizado aquí se calcula como la erosión bruta menos la deposición y se expresa en mm / año.

Deposición del Suelo (DEP)

Es la cantidad de sedimento depositado dentro de un área (celda) en lugar de ser transportado por el canal. Esto ocurre cuando la cantidad de sedimentos es mayor que la capacidad de transporte. También se mide en mm / año.

Calidad de agua(HF)

El índice de Huella Humana (HF) es una aproximación para analizar la calidad del agua dentro de WaterWorld descrito por Mulligan (2009). Tiene valores entre 0 y 100% que representan la contaminación potencial basada en las coberturas de uso del suelo natural (no contaminantes) y antrópicas (contaminantes). Este índice calcula el porcentaje de agua que se precipita en forma de lluvia en cada pixel donde existen usos del suelo potencialmente contaminantes (cultivos, pastizales, zonas urbanas, carreteras, minería, petróleo y gas) aguas arriba y analiza su distribución, es decir, cómo sus flujos de impacto se diluye aguas abajo.

3.2. Escenarios

Se implementaron una serie de intervenciones utilizando Waterworld: i) forestación (AFF), ii) protección (PROT) y iii) “business as usual” (BAU) el cual simula un escenario donde se muestran los impactos de continuar con la deforestación actual. Los dos primeros escenarios se podrían aplicar en la cuenca para mejorar la protección del medio ambiente y los objetivos de conservación, mientras que BAU se utilizó como una referencia para visualizar el cambio futuro en la ausencia de una inversión lo cual permitió examinar los impactos del escenario PROT. Cada escenario se aplicó en las tres cuadrantes según la distribución de las zonas óptimas para la inversión definida por RIOS. Manteniendo como objetivo maximizar los efectos positivos de la reducción de la deposición de sedimentos (AFFDEP y PROTDEP), reducción de la huella humana (AFFHF y PROTHF) y la reducción de la erosión neta de laderas (AFFERO y PROTERO).

Escenario AFF

Para los escenarios AFF, se aforestaron áreas que actualmente estan deforestadas, ver tabla 1 para la regla aplicada.

Escenario BAU

En el escenario BAU se utilizó el modelo de cambio de uso de la tierra (LUCC) de WaterWorld para convertir áreas deforestadas desde su actual uso del suelo a tierras de cultivo, que se caracteriza por una cubierta vegetal por pixel con una distribucion de 10% árboles, 70% herbáceas y 20% suelo desnudo. Este modelo contempla la red de carreteras actuales y planificadas a futuro que se conocen en las áreas (ver Tabla 1 para la regla aplicada).

El modelo LUCC de WaterWorld realiza una proyección a futuro de recientes tasas de cambio en el uso del suelo basado en el cambio de la cubierta arbórea proveniente de terra-i (www.terra-i.org) y MODIS-VCF 2010-2000 (Hansen et al, 2006;. Townsend et al. , 2011) como promedio sobre las áreas administrativas locales, asignando celdas para ser deforestadas dentro del modelo dependiendo de la accesibilidad a los centros poblados por carretera y río, así como la proximidad a las fronteras agrícolas y forestales existentes.

Escenario PROT

En este escenario PROT y BAU se utilizó el modelo de cambio de uso del suelo (LUCC) de Waterworld. PROT examinó la posibilidad de proteger los lugares óptimos para las inversiones definidas desde el portafolio de WW-RIOS. Para ello, se ejecutó un escenario LUCC similar a deforestación (llamado PROT), pero esta vez protegiendo las áreas identificadas por RIOS evitando deforestación en aquellas áreas (lo cual tiene el impacto de cambiar la asignación de deforestación en otros lugares). El modelo de cambio de uso del suelo es ejecutado con la misma configuración previa, pero esta vez la herramienta utiliza la Zona de Interés (ZOI) WaterWorld para excluir la deforestación en las zonas "protegidas" (consulte la tabla 1 para los detalles de las reglas aplicadas).

Tabla 1. Reglas aplicadas en los escenarios de intervención.

4.Resultados

4.1. Línea de base hidrológica

El Río Daule se encuentra ubicado en el Oeste del Ecuador, sus aguas nacen en la provincia de Santo Domingo de los Tsáchilas y fluyen hasta la ciudad costera de Guayaquil (la segunda ciudad más importante del Ecuador y su capital industrial). La cuenca incluye zonas montañosas y llanuras de la Costa Pacífica del Ecuador. De acuerdo con el Modelo de Elevación Digital (DEM) SRTM utilizado por WaterWorld, la zona presenta elevaciones entre 820 msnm en la ladera de Santo Domingo a 0 msnm en el Golfo de Guayaquil y cubre alrededor de 1,5 millones de hectáreas (15,810 Km2). La cuenca alta del Río Daule alimenta el reservorio Velasco Ibarra (también conocido como Daule-Peripa) que suministra agua para 2,35 millones de personas en la ciudad de Guayaquil. La precipitación total anual en la cuenca varía desde 640 hasta 3200 mm / año de acuerdo con la información de precipitación (horizontal impulsada por viento) suministrada por WaterWorld.

Figura 3. a)Ubicación de la cuenca del río Daule en Ecuador y b) Detalle de la cuenca en el modelo de elevación digital SRTM utilizado en Waterworld.

La línea base del balance hídrico para la cuenca generada por WaterWorld varía desde -180 hasta 2.700 mm / año con un promedio de 1.100 mm / año y tiene un gradiente desde las zonas más húmedas en el Noroeste hacia las zonas más secas en el Sur donde el uso del agua es más alto que el agua disponible, alcanzando valores negativos. Esta “escasez”' es abastecida por flujos que provienen desde la cuenca alta alimentando tanto aguas superficiales como subterráneas (Figura 3).

Debido a la carencia de datos espaciales disponibles sobre la calidad del agua para la cuenca se aplico el indice de Huella Humana sobre la Calidad del agua (HF) (Mulligan, 2009) que utiliza Waterworld. El cual examina el potencial de contaminación basado en la distribución de la lluvia al recorrer coberturas de uso antrópico (contaminada) y naturales (no contaminada). El índice de HF en la cuenca del río Daule es en promedio 32%, los valores más altos se presentan en la cuenca alta (áreas asociadas con la agricultura extensiva) y los valores más bajos en las pequeñas regiones de montaña en las partes de la cuenca del Noreste y Suroeste.

Uno de los datos de entrada mas importantes en el modelo es la cobertura arbórea (fracción de la zona en un píxel que está cubierta por los árboles), la cual alcanza un 14% en promedio para toda la cuenca. Esto es debido al uso histórico y la extensa intervención humana sobre la tierra. No existen a nivel nacional o internacional reconocida áreas protegidas dentro de la cuenca, sólo quedan unos pocos remanentes de bosque en la cuenca alta alrededor del embalse y de la zona de montaña en el Sureste (Figura 3) que corresponden al grupo "bosque siempreverde de tierras bajas de la costa" de acuerdo con la última clasificación de ecosistemas del Ministerio de Ambiente del Ecuador MAE (2013).

4.2. Escenarios

Todos los escenarios tienen lugar en pequeñas áreas de intervención en comparación con el área total de la cuenca (1,5 millones de hectáreas), afectando los tipos de cobertura vegetal y uso del suelo (árboles, herbáceas, suelo desnudo y cultivos). De este modo, los impactos a escala de cuenca son bajos (tabla 2). Sin embargo, es importante reconocer los impactos positivos de cada intervención para cada servicio a nivel local, así como los co-beneficios generados para otros servicios de cada intervención. La única intervención con impactos negativos a nivel de cuenca en todos los servicios es BAU.

Tabla 2. Resumen del porcentaje de cambio en promedio de cada escenario, destacando los cambios positivos y negativos.

Con el proposito de resumir los resultados con mayor claridad y demostrar las intervenciones más efectivas para el fondo de agua, cada escenario debe ser entendido con un impacto a escala de cuenca en relación con los fondos invertidos. La tabla 4 resume estos resultados y muestra la superficie en hectáreas afectada, ya sea positiva o negativamente, por cada millón de dólares de inversión.

Tabla 4 Caso práctico para los escenarios de Daule

Los resultados acumulados estan clasificados del 1 al 7, en el que 1 representa las zonas con mayor impacto por dólar y 7 las zonas con menor impacto. El área de mayor impacto positivo por dólar predominó en los escenarios PROT (ERO> DEP> HF). Al mismo tiempo, estos escenarios también tienen el mayor impacto negativo (DEP> ERO> HF) por dólar, debido a que no detiene la deforestación BAU fuera de las áreas protegidas (el escenario AFF no asume BAU deforestación).

4.3. Puntos de interés (POI)

El análisis anterior considera toda la cuenca como una unidad, siendo este un enfoque integral para comprender mejor el impacto de una intervención, aunque a esta escala, las intervenciones son relativamente pequeñas. El análisis de los cambios locales para los puntos de interés identificados ayudan a determinar con precisión la gestión de los impactos relevantes en estos puntos críticos. La Tabla 5 muestra un resumen de todos los puntos, con los valores correspondientes a cada servicio para la línea de base y los escenarios, así como el porcentaje de cambio en comparación con la línea de base. Esto con el objetivo de resaltar los cambios más grandes, tanto positivos (disminución en ERO, el DEP o HF) o negativo (el aumento en DEP, ERO o HF). Por otra parte, se presenta un mapa interactivo (Figura 4) que permite la localización y exploración de estos puntos y sus principales cambios.

Tabla 5. Lista de puntos de interés (POIs) que muestran los cambios (en porcentaje) de cada servicio de interés bajo todos los escenarios (enlace a la hoja de cálculo completa)

Figura 4. Mapa interactivo Puntos de Interés (POI’s) (click sobre el mapa o aquí)

4.4. Conclusiones

A escala de cuenca todos los escenarios generan beneficios y desventajas en los tres servicios ecosistémicos de interés, dado que estos beneficios (disminución la deposición, erosión y huella humana) y perjuicios (incremento de estos servicios) se producen sobre áreas muy diferentes en tamaño, sus valores también son significativamente distintos (Tabla 4). El escenario que presenta mayor área afectada negativamente es, por supuesto, BAU seguido por los escenarios de PROT y luego los escenarios AFF (en la que no hay deforestación BAU). Bajo los escenarios PROT el área con impacto negativo fue menor, en comparación con BAU pero estos efectos todavía se siguen presentando debido a la deforestación continúa fuera de las zonas PROT.

Por el contrario, el escenario AFF presenta muy pocas áreas con impacto negativo, y por consecuencia, las zonas con mayores beneficios (impactos positivos) por cada dólar invertido, debido a que en este caso el enfoque fue la repoblación forestal, es decir, la forestación sin incluir el contexto de la deforestación en curso.

PROTERO genera la mayor área donde se experimentan beneficios a través de todos los servicios y esto es, por lo tanto, un escenario óptimo, seguido por PROTDEP y luego PROTHF). Los escenarios AFF producen las menores áreas que se benefician por cada dólar invertido porque mientras HF y DEPOS mejoran significativamente, la erosión del suelo se afecta en menor medida, puesto que los árboles proporcionan un poco más de protección contra la erosión que las cubiertas herbáceas.

CONCLUSIÓN GENERAL

(a) Identificar áreas que generan un mayor cambio en los servicios de interés y luego desarrollar escenarios óptimos de uso del suelo enfocados en esas áreas, pueden generar el máximo impacto en toda la cuenca, pero no generan un impacto óptimo en determinados puntos de interés aguas abajo. Un enfoque diferente puede ser necesario para lograr efectos óptimos en los puntos de interés, donde se incorporen otros flujos laterales en las cuencas por cada zona de captación.

(B) Incluso fondos significativos como los invertidos aquí, sólo pueden conducir a cambios relativamente pequeños en el uso del suelo en comparación con los cambios en el escenario “business as usual” (BAU), donde se continúa con la deforestación actual, lo cual implica inversiones más grandes. Sin embargo, pequeños cambios tendrán un impacto a escala de cuenca, de modo que, se deben localizar cuidadosamente respecto a los beneficiarios específicos aguas abajo.

(c) Es necesario ampliar los fondos de agua con el fin de afrontar el tipo de cambios que experimenta la cuenca bajo el escenario BAU, de modo que las inversiones en mejores prácticas de uso y manejo del suelo (por ejemplo, reducir la agricultura extensiva) generen un mayor impacto a nivel de cuenca que las inversiones en pequeñas áreas de forestación, protección y/o exclusión de la agricultura.

REFERENCIAS

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MAE (2013) Ministerio de Ambiente del Ecuador. Mapa de Ecosistemas del Ecuador Continental.

Consultado el 28-oct-2013

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