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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 30 (3) 263-274, 2014
APLICACIÓN DEL MODELO SWAT PARA EVALUAR LA CONTAMINACIÓN POR FUENTES
DIFUSAS EN LA SUBCUENCA DEL LAGO DE CHAPALA, MÉXICO
Dinora BAUTISTA-ÁVALOS
1
, Gustavo CRUZ-CÁRDENAS
1
*, Rodrigo MONCAYO-ESTRADA
2
,
José Teodoro SILVA GARCÍA
1
y Francisco ESTRADA-GODOY
3
1
Centro de Investigaciones Interdisciplinarias en Desarrollo Integral Regional, Instituto Politécnico Nacional,
Michoacán, Justo Sierra 28, 59510, Jiquilpan, Michoacán, México
2
Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas, Instituto Politécnico Nacional, Av. Instituto Politécnico Nacional
s/n, 23096, La Paz, BCS, México
3
Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura-Ticoman, Instituto Politécnico Nacional, Ticomán 600, 07340,
México, D.F., México
* Autor de correspondencia; guscruz@ipn.mx; gustavo.cruz.cardenas@gmail.com
(Recibido agosto 2013; aceptado junio 2014)
Palabras clave: modelos hidrológicos, propiedades de suelos, producción agrícola, agroquímicos
RESUMEN
Los modelos de balance hidrológico de cuencas son herramientas que permiten
describir procesos dinámicos y predecir, a través de la simulación, escenarios del
impacto de las actividades productivas de una región. En el presente trabajo se
determinó el balance hídrico y las cargas de contaminantes por actividades agrí-
colas en la subcuenca del lago de Chapala mediante la herramienta de evaluación
de agua y suelo SWAT (2012). Se confguró el modelo con datos de altimetría, con
información del tipo de suelo (incorporando los resultados de análisis de laboratorio
en cada horizonte) y uso del suelo y vegetación que se actualizó a 2010 por medio
de datos de sensores remotos y con el programa Explorafor, así como con las ba-
ses de datos climáticas obtenidas del programa EricIII-CONAGUA. Se estructuró
un concentrado de fertilizantes y plaguicidas que se utilizan en la subcuenca de
Chapala derivadas de 550 encuestas que se aplicaron a los productores agrícolas.
La simulación con el modelo SWAT se realizó de 1999 a 2001. El balance hídrico
resultó negativo por un margen de 300 %. Esto se puede relacionar con que se trata
de una subcuenca abierta, ya que el principal aFuente es el río Lerma. En cuanto a
los herbicidas, se estima con el modelo una aplicación promedio anual de 408 g/ha
de los diferentes principios activos, con una degradación de 342 g/ha. Para los
plaguicidas se obtuvo un valor de 533 g/ha con una degradación de 532 g/ha. El
total de los herbicidas y plaguicidas disueltos fueron del orden de 1.7 g/ha y los
adsorbidos por el sedimento de 11 g/ha.
Key words: hydrological models, soil properties, agricultural production, agrochemicals
ABSTRACT
The hydrological balance models of watersheds are tools to describe and predict the
dynamic processes, through simulation, of the scenarios of the impact of productive
D. Bautista-Ávalos
et al.
264
activities in a region. In this study we determined the water balance and contaminant
loading in Lake Chapala sub-basin by the soil and water assessment tool SWAT (2012).
The model was confgured with the digital elevation model, soil type data (including
the results of laboratory analysis of each horizon) and land use was updated to 2010
using remote sensing data and the Explorafor software as well as climate databases
EricIII-CONAGUA program. A decadal simulation was made (1999 to 2011) with the
information of the analyzed variables in the area. The hydrological balance was negative
by a margin of 300 %. This may be related to the exoreic condition of the sub-basin,
as is the main Fowing o± the Lerma river. In terms o± herbicide application it was
predicted an average of 408 g/ha of active ingredient, with a degradation of 342 g/ha.
For pesticides was obtained a value of 533 g/ha with a significant decline of
532 g/ha. The total of the dissolved herbicides and pesticides are of the order of 1.7 g/ha
and 11 g/ha were adsorbed by the sediment.
INTRODUCCIÓN
A nivel mundial, la actividad agropecuaria
constituye una importante fuente de contaminación
del agua, ya que aporta cantidades importantes de
sedimentos, nutrientes, agentes patógenos y plagui-
cidas a través de erosión hídrica (Vanmaercke
et al.
2011). Los ecosistemas localizados en una cuenca
funcionan en forma compleja, estando interrela-
cionados los localizados en las partes altas con los
de las partes bajas, los terrestres con los acuáticos,
etcétera. Asimismo, la contaminación genera efec-
tos que no se limitan al ámbito municipal y con
±recuencia inFuyen en áreas alejadas, gracias a los
efectos de transporte principalmente por el agua de
lluvia (Comair
et al.
2012).
La subcuenca del Lago de Chapala también
presenta este tipo de problemas debido a impactos
negativos por actividades humanas. Esto se acre-
cienta por su ubicación en la parte baja de la Cuenca
Lerma-Chapala, que se categoriza como la más
contaminada del país y donde se espera que se
acumulen los diferentes impactos negativos como
la contaminación (Cotler y Priego 2006). Ante un
escenario de creciente degradación, se destaca la
necesidad de estudiar el comportamiento hidrológico
de la cuenca para predecir su capacidad de generación
y exportación de contaminantes, lo cual permitiría
diseñar estrategias para atenuar dicha fuente de
contaminación (Kraemer
et al.
2011).
Como soporte para la toma de decisiones, a dicha
escala, tanto la erosión y escurrimiento, como la
dinámica de los contaminantes químicos y bioló-
gicos pueden ser cuantifcados mediante modelos
hidrológicos de base física. El modelado de los
procesos hidrológicos de un área es a menudo el
primer paso en el desarrollo de sistemas de deci-
sión espacial para identifcar zonas vulnerables a la
contaminación por nutrientes, pesticidas y contami-
nantes biológicos (Gassman
et al.
2010). Una de las
herramienta más usadas para lograr estos objetivos
es el modelo SWAT (Soil and Water Assessment
Tool). Este modelo es capaz de evaluar el impacto
del uso y manejo de la tierra sobre la producción
y calidad del agua y el movimiento de sedimentos
y nutrientes en cuencas hidrológicas (Arnold
et al.
1998, Neitsch
et al.
2005).
El SWAT es un modelo que combina bases físicas
y conceptuales con procedimientos empíricos. En
primer lugar el modelo delimita la cuenca a partir
de los datos de altitud, posteriormente esta cuenca
es dividida en subcuencas. La siguiente etapa es ge-
nerar las unidades de respuesta hidrológica (URH)
a partir de las combinaciones de la información de
tipo de suelo, uso de suelo y rango de pendientes. La
división de la subcuenca en URH permite al modelo
reFejar di±erencias en evapotranspiración y otras con
-
diciones hidrológicas para diferentes coberturas del
terreno, cultivos y suelos. También las escorrentías
son predichas para cada URH, las cuales se suman
con el fn de establecer las escorrentías totales en la
subcuenca e incrementar la precisión del balance del
agua (Neitsch
et al.
2010).
Se considera una herramienta útil para la investiga-
ción de estrategias alternativas de manejo, en cuanto
a los efectos sobre la hidrología y calidad del agua
(White
et al.
2012). Ha sido exitosamente empleada en
simulaciones de Fujo de largo plazo, erosión y trans
-
porte de sedimentos y nutrientes en áreas de diferente
tamaño y condiciones ambientales (Torres-Benites
et
al
.
2005, Silva 2010, Kraemer
et al.
2011).
Con base en lo anterior el objetivo de este tra-
bajo fue determinar el balance hídrico, la pérdida
de sedimentos y el movimiento de contaminantes
en la subcuenca del Lago de Chapala mediante la
herramienta de evaluación de agua y suelo SWAT.
APLICACIÓN SWAT PARA EVALUAR CONTAMINACIÓN POR FUENTES DIFUSAS
265
MATERIALES Y MÉTODOS
Área de estudio
La subcuenca del Lago de Chapala se encuentra
en la Región Hidrológica Lerma-Chapala-Pacífco,
en la parte baja de la cuenca Lerma-Chapala con las
coordenadas 20º 22’ Norte, 102º 21’ Este, 19º 50’
Sur y 103º 34’ Oeste, con una superfcie de 3312 km
2
(
Fig. 1
). El área de estudio incluye 13 municipios de
los cuales cinco se localizan en Michoacán (Brise-
ñas, Cojumatlán de Regules, Venustiano Carranza,
Marcos Castellanos y Sahuayo) y ocho en Jalisco (La
Barca, Jamay, Ocotlán, Poncitlán, Chapala, Jocote-
pec, Tuxcueca y Tizapán El Alto).
Datos de entrada
El modelo digital de elevación se obtuvo del
Continuo de Elevaciones de Mexicano (CEM 2.0)
de INEGI (2012), la resolución del pixel es de
50 m × 50 m. A partir del CEM se obtuvo un capa
de pendientes, la cual Fue clasifcada en cuatro
intervalos (<3 %, entre 3 y 5 %, entre 5 y 10 % y
> a 10 %). La información de clima que se utilizó
incluyó las precipitaciones diarias, temperaturas
máximas y mínimas diarias las cuales se obtuvieron
del Extractor Rápido de Información Climatológica
(ERIC III versión 2.0). La información de clima
data desde 1900, aunque la mayoría (88.4 %)
corresponde al periodo de 1960 a 2007. Se con-
sideraron sólo ocho estaciones (
Cuadro I
). Los
datos anuales faltantes de las estaciones (un máxi-
mo de 20 %), se estimaron con los datos de años
completos por medio del generador climático WX-
PARM (Jones y Thorton 1993). La radiación solar,
la humedad relativa y el punto de rocío se obtuvieron
a partir de la interpolación (método de
Splines
) de
datos de 20 estaciones del Servicio Meteorológico
Nacional. El método
Splines
es adecuado para in-
terpolar variables climáticas (Hijmans
et al
. 2005).
Se seleccionaron 25 sitios para la descripción de
perfles de suelos, con base en el mapa de unidades
de suelos de INIFAP-CONABIO (1995). Se tomó
una muestra por horizonte de cada uno de los perfles
de suelo para realizar los análisis de laboratorio. Las
propiedades de suelos por horizonte que requiere el
modelo son: profundidad, densidad aparente, con-
ductividad hidráulica saturada, porcentaje de arena,
limo y arcilla, albedo del suelo, erosionabilidad del
suelo, contenido de carbono orgánico, contenido de
fragmento de roca, albedo, conductividad eléctrica,
y capacidad de agua disponible. Finalmente, se
concatenaron los datos de los perfles de suelos con
el mapa de unidades de suelos.
La información de uso de suelo y vegetación se
obtuvo a partir de datos del sensor TM del satélite
Landsat 5 con una resolución de 30 × 30 m del
1 de enero de 2010. Se empleó la clasifcación
automatizada de datos de sensores remotos del
satélite Landsat mediante el programa Explorafor
de la Comisión Nacional Forestal. Se digitalizaron
polígonos sobre el mapa de las imágenes de satéli-
tes, los cuales se utilizaron como sitios de entrena-
miento. Las categorías de uso establecidas fueron
cuerpos de agua, bosque de pino-encino, matorral
subtropical, agricultura de temporal, agricultura
de riego y zona urbana. Para su corroboración se
ubicaron 100 sitios testigo a lo largo de la zona
de estudio.
Se estructuró el concentrado de fertilizantes y pla-
guicidas que se utilizan en la subcuenca de Chapala
derivadas de 550 encuestas que se aplicaron a los pro-
ductores agrícolas. Se completaron las bases de datos
con ayuda del
Vademecum
de agroquímicos de Mé-
xico (de Liñan 2011) y del
Manual de interpretación
Ubicación de RH 12
en México
RH 12
Lerma-Santiago-Pacífico
Subcuenca
Lago de Chapala
RH 13
RH 14
RH 15
RH 16
RH 12
RH 11
RH 36
RH 37
RH 26
RH 18
RH 12
C Zula
Alto Lerma
C Duero
Fig. 1.
Localización de la subcuenca del Lago de Chapala,
incluyendo la región hidrológica 12 a la que pertenece
y las regiones hidrológicas contiguas. RH signifca
región hidrológica y los números, como se les defne
ofcialmente
CUADRO I.
ESTACIONES METEOROLÓGICAS SELEC-
CIONADAS Y SU UBICACIÓN
Estación
Latitud
Longitud
Elevación
Tuxcueca
20º 10’ 1.2’’
–103º 12’
1540
P. El volantín
20º 4’ 1.2’’
–103º 4’ 58.8’’
1924
Mezcala
20º 19’ 58.8’’
–103º 1’ 1.2’’
1523
Jiquilpan
20º 0’ 0’’
–102º 42’ 0’’
1536
Jamay
20º 17’ 56.4’’
–102º 39’ 18’’
1521
Cumuato
20º 15’ 10.8’’
–102º 35’ 9.6’’
1524
Casa fuerte
20º 4’ 1.2’’
–102º 40’ 58.8’’
1523
Chapala
20º 18’ 0’’
–103º 12’ 0’’
1523
D. Bautista-Ávalos
et al.
266
de análisis de suelos y aguas agrícolas, plantas y
ECP
(Castellanos
et al.
2000). Se obtuvieron siete
fertilizantes principales, 16 herbicidas y 20 plaguici-
das (
Cuadro II
,
III
y
IV
respectivamente).
Se diseñó un manejo agronómico relacionado con
el cultivo del maíz, que es el principal producto de
la región. De acuerdo con las encuestas se obtuvo
el ciclo de cultivo con diferentes modalidades y en
el
cuadro V
se
describen varios aspectos del uso de
los agroquímicos.
Modelo SWAT
Con el modelo SWAT empleado (versión 2012),
las simulaciones se efectúan sobre base diaria y
pueden alcanzar decenas de años, haciendo uso de
valores climáticos obtenidos de los registros o ge-
nerados por el modelo o una combinación de ambas
opciones (Arnold
et al.
1998, Neitsch
et al
. 2005).
La escorrentía es estimada diariamente mediante
modifcaciones del método de curva numérica con
ajustes según la pendiente del terreno y humedad del
CUADRO III.
HERBICIDAS UTILIZADOS EN LA SUBCUENCA DEL LAGO DE CHAPALA, DERIVADOS DE 500 ENTRE-
VISTAS HECHAS A LOS PRODUCTORES. EL ORDEN DEL AGROQUÍMICO CORRESPONDE A LA PREFE-
RENCIA EN SU USO. Koc = COEFICIENTE DE ADSORCIÓN
Sustancia
activa
Nombres comerciales
(son marca registrada ®)
K
oc
(mL/g)
Fracción
lavada
Vida media (día)
Solubilidad en
el agua
Ingrediente
activo/L
Foliar
Suelo
Paraquat
Gramoxone, Gramoci,
Transquat, Gemelos 22 %
1000 000
0.6
30
1 000
6200 000
250
Dicamba
Marvel, Banvel,
2
0.65
9
14
400 000
480
2,4-D
Hierbamina, Hacha,
Esteron 47, Dacamine
20
0.45
5
10
890
480
Glifosfato
Coloso Total 360 28 %,
Glif 300, Faena, Roundup
24 000
0.6
2.5
47
900 000
480
Oxadiazon
Ronstar
3 200
0.5
20
60
0.7
250
Clodinafop-propargyl
Topik 240 EC 23.6 %,
Topik Gold 8.3 %
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Nicosulfuron
Sanson 4 sc
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Atrazina
Calibre 90 GDA, Primagram
Gold 33.7 %, Guardsman
35.3 %, Gesaprim, Aetrex
100
0.45
5
30
900
Metsulfuron metil
Sigma Forte 1.0 %, Ally
35
0.8
30
120
9 500
600
Triasulfuron
Amber 75 GS
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Dimetenamida
Guardsman 16.2 %, Pursuit
10
0.9
20
90
200 000
900
Picloram
Hacha, Tordon
16
0.6
8
90
200 000
240
S-metolaclor
Lumax 29.4 %, Dual
200
0.6
5
90
530
915
Diuron
Gemelos 29.4 %, Karmex
480
0.45
30
90
42
800
Glufosinato de amonio
Finale 13.5 %, Basta
100
0.95
4
7
1370 000
150
Flucarbazone sódico
Everest, Everest Ultra, Vigia
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
CUADRO II.
FERTILIZANTES USADOS EN LA SUB-
CUENCA DEL LAGO DE CHAPALA
Nombre
Formula
N
P
2
O
5
K
2
O
S
%
Amonitro
33
Fosfonitrato
NH
4
NO
3
33
3
Nitrato de amonio
NH
4
NO
3
33
Sulfato de amonio
(NH
4
)
2
SO
4
Sulfato de potasio
K
2
SO
4
50
17
Triple 17
17
17
17
Urea
(NH
2
)
2
CO
46
APLICACIÓN SWAT PARA EVALUAR CONTAMINACIÓN POR FUENTES DIFUSAS
267
suelo. La infltración se valora como la diFerencia
entre la precipitación y la escorrentía, mientras que
el ±ujo de agua subterránea se rige por una serie de
parámetros en los que in±uyen las tasas con las que
el agua se in±itra en el suelo.
La simulación de los pesticidas incluye los pro-
cesos de escurrimiento, percolación, evaporación
del suelo y el sedimento y se desarrolla por medio
del método (Leonard
et al.
1987). SWAT simula el
movimiento de pesticidas en la red de corrientes a
través de la escorrentía de superfcie, hacia el perfl
de suelo y el acuíFero por fltración. El movimiento
del pesticida es controlado por su solubilidad, degra-
dación de acuerdo con la vida media y el coefciente
de absorción de carbono orgánico en el suelo. El
pesticida en el follaje de la planta y en suelo se de-
grada de manera exponencial según su vida media.
El transporte del pesticida por agua y sedimento se
calcula para cada acontecimiento de escorrentía y se
estima para cada capa de suelo cuando se presenta la
fltración (Arnold
et al.
1998, Neitsch
et al
. 2010).
Para el análisis de los pesticidas en plantas se utilizó
CUADRO IV.
PLAGUICIDAS UTILIZADOS EN LA SUBCUENCA DEL LAGO DE CHAPALA, DERIVADOS DE 500 ENTREVIS-
TAS HECHAS A LOS PRODUCTORES. EL ORDEN DEL AGROQUÍMICO CORRESPONDE A LA PREFERENCIA
EN SU USO. Koc = COEFICIENTE DE ADSORCIÓN
Sustancia
activa
Nombres comerciales
(son marca registrada ®)
K
oc
(mL/g)
Fracción
lavada
Vida media (día)
Solubilidad en
el agua
Ingrediente
activo /L
Foliar
Suelo
Cipermetrina
Arrivo 21.4 %, Tirano, Ammo
100 000
0.40
5.0
30
0.004
200
Clorpirifos
Lorsban, Foley rey 33.8 %,
6 070
0.65
3.3
30
0.4
480
Paration metílico
Flash 2 %, Folodol-M72,
Penncap-M
5 100
0.90
3.0
5
60
540
Carbofuran
Furudan
22
0.55
2.0
50
351
100
Metamidofos
Tamaron 43.3 Tramofos
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Dimetoato
Dimetoato, Cygon
20
0.95
3.0
7
39 .800
480
Diazinon
Dragon 25 %, Basudin 600,
EC 60 %, Spectracide
1 000
0.90
4.0
40
60
236
Piraclostrobina
Headline 23.6 %
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Lambda-cialotrina
Karate 5 %
180 000
0.40
5.0
30
0.005
70
Pirimicarb
Pirimor 50 %
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Endosulfan
Thiodan
12 400
0.05
3.0
50
0.32
375
Imidacloprid
Muralla
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Malation
Malation, Cythion
1 800
0.90
1.0
1
130
520
Etion
Etion, Ethanox
10 000
0.65
7.0
150
1.1
500
Permetrina
Ambush 48.3 %, Maton
90 %, Pounce
100 000
0.30
8.0
30
0.006
340
Terbufos
Triunfo 5 %, Vikingo 5 %,
Counter 15 %, Acance 5 %,
Counter
500
0.60
2.5
5
5
150
Cipermetrina
Mustang 12 %, Ammo
100 000
0.40
5.0
30
0.004
200
Metomilo
Lannate
72
0.55
0.5
30
58 00
214
Benzoato de
emamectina
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
Tebupirimifos
Azteca 2000 Granulado 20 %
No incluido en la lista del Programa de la Ofcina de
Plaguicidas de EUA (USEPA/OPP)
D. Bautista-Ávalos
et al.
268
como modelo el maíz, ya que representa el principal
cultivo de la región.
Para la simulación de los nutrientes se eligieron dos
escenarios de manejo con el fn de examinar el eFecto
de la aplicación de fertilizantes en las entradas de N, P,
y sedimentos hacia los recursos hídricos superf
-
ciales y subterráneos de la subcuenca. En el primer
escenario se asume que no se aplican fertilizantes y
plaguicidas en las actividades productivas de la re-
gión. El segundo escenario incorpora los fertilizantes,
además de los plaguicidas y herbicidas, considerando
los valores obtenidos a partir de las encuestas aplica-
das. Si bien esto representa un escenario hipotético
simple que de primera instancia demuestra la manera
como funciona el modelo, también ayuda a detectar
las cantidades probables de nutrientes que se están
incorporando a los ecosistemas acuáticos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De acuerdo con el CEM, la altitud mínima, media
y máxima de la subcuenca del lago de Chapala es de
1409, 1662 y 2954 msnm respectivamente. De forma
automática el modelo generó redes de drenaje y un
total de 45 microcuencas.
La agricultura es el principal uso del suelo, ocu-
pando el 45 % de superfcie, la extensión del lago de
Chapala representa casi una cuarta parte del área de
la subcuenca y el matorral subtropical se distribuye
en un 20 % (
Fig. 2
).
Los suelos que predominan en la cuenca se
clasifcan como Vertisoles. Son suelos con textura
arcillosa, presentan caras de deslizamiento, grietas
que se contraen y se expanden con la ganancia y
pérdida de humedad. El pH de los suelos es de
neutro a ligeramente alcalino, de manera natural
son suelos con moderada capacidad de producción
agrícola. Los Luvisoles son suelos arcillosos pero
con altos contenidos de óxido de aluminio que les
dan una coloración rojiza. Son suelos de pH neutro
a ácido, el tipo de vegetación que predomina sobre
estos son bosques de pino-encino. Los Faozems son
suelos que contienen más 1.2 % de materia orgánica
en el horizonte superfcial, la estructura de suelos
es granular o migajosa, su pH es principalmente de
neutro a ácido (
Fig. 3
).
Aproximadamente el 50 % de la cuenca tiene una
pendiente menor al 3 %, sin embargo esto se debe
a la extensión del Lago de Chapala. El 25 % de la
superfcie de la subcuenca tiene pendientes mayores a
10 %, y el área restante oscila entre 3 y 10 % (
Fig. 4
).
CUADRO V.
MANEJO DE LOS AGROQUÍMICOS EN LA SUBCUENCA DEL
LAGO DE CHAPALA. SE INCLUYEN LOS VALORES PROMEDIO
DE LOS TRES PRINCIPALES PRODUCTOS POR CATEGORÍA
Nombre
Cantidad/ha
Aplicaciones
Principio activo
Total
Fertilizantes
kg
Veces
g/kg
g/kg
Formula triple
326.2
1.3
294.3
393.8
Sulfato de amonio
347.8
1.3
71.3
90.6
Urea
362.3
1.4
166.7
237.4
Herbicidas
L
Veces
g/L
g/L
Atrazina
3.4
3.1
1.3
3.7
Glifosato.
2.4
1.3
1.6
1.9
Paraquat
3.6
1.1
1.6
1.6
Plaguicidas
L
Veces
g/L
g/L
Carbofuran
3.3
8.5
0.4
7.4
Cipermetrina
1.1
1.5
1.8
2.7
Paratión metílico
14.3
9.6
1.4
9.7
660000
690000
720000
750000
660000
220000
02
22000
02
240000
2260000
220000
02
22000
02
240000
2260000
690000
720000
750000
Urbano
Matorral subtropical
Encino
Agricultura temporal
Agua
Agricultura de riego
Uso de suelo y vegetación
Fig. 2.
Mapa indicando el uso del suelo y tipo vegetación de la
subcuenca del Lago de Chapala desarrollado mediante
datos del satélite Landsat 5 y el programa Explorafor
APLICACIÓN SWAT PARA EVALUAR CONTAMINACIÓN POR FUENTES DIFUSAS
269
El análisis de los escurrimientos (SURQ) se pre-
senta en la
fgura 5
. El nivel del Lago de Chapala al-
canzó un nivel crítico en el año 2001 (pérdida del 80 %
de su volumen) y posteriormente tuvo un proceso
de recuperación a mediados de la década (Cotler y
Priego 2006). Se identifcaron valores relativamente
altos para los primeros años debido a recurrentes
lluvias en la subcuenca, sin embargo correspondieron
a un periodo seco en la cuenca Lerma-Chapala, de
ahí la continua reducción del lago. Posteriormente,
se reFeja un incremento de escurrimientos en 2004,
que fue un año particularmente húmedo.
Considerando al Lago de Chapala como el cuerpo
de agua representativo de la subcuenca, se procedió a
comparar los resultados de los SURQ, la recuperación
anual de acuerdo con los niveles máximos y mínimos
de almacenamiento y el cambio de nivel del cuerpo
de agua para determinar cómo se relacionan (
Fig. 6
).
Se puede apreciar que no hay una correspondencia
directa, lo cual puede ser porque el aFuente principal
del lago es el río Lerma que incorpora agua de toda
la cuenca Lerma-Chapala, sin embargo se identifcan
coincidencias en algunas tendencias.
Particularmente, se observa una tendencia de va-
lores bajos de escurrimiento, recuperación y nivel del
lago hacia el año 2002, momento en que
alcanzó la
cota más baja en los últimos 50 años, fenómeno que
también se apreció en otros cuerpos de agua epicon-
tinentales del país (Alcocer-Durán y Bernal-Brooks
2009). Posteriormente, se presentó un importante
incremento en los años 2003 y 2004, y una reducción
de los escurrimientos en el año 2005, lo que se ma-
nifestó en el 2006 cuando bajó el nivel (CEA 2012).
La
fgura 7
muestra de manera gráfca los resul
-
tados del balance hídrico realizado por el modelo
SWAT para el periodo 1999-2011. Un aspecto im-
portante a considerar es que la evapotranspiración
excede en todos los meses a la precipitación pluvial,
lo que implica que no se tiene almacenamiento de
agua durante dichos meses y la diferencia entre
660000
690000
720000
750000
780000
660000
690000
720000
750000
750000
220000
02
220000
2240000
2260000
220000
02
220000
2240000
2260000
Perfiles
Agua
Lluvioso
Vertisol
Phaozem
Suelos
Fig. 3.
Mapa que representa los diferentes tipos de suelos de la
subcuenca del Lago de Chapala
660000
690000
720000
750000
660000
690000
720000
750000
220000
02
220000
2240000
2260000
220000
02
220000
2240000
2260000
Pendiente (%)
1 - 3
3 - 5
5 - 10
> 10
Fig. 4.
Mapa de pendientes donde destaca una gran superfcie
de poca pendiente relacionada al lago y la ciénega de
Chapala
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Años
Escurrimientos (mm)
0
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Fig. 5.
Dinámica y magnitud de los escurrimientos superfciales
simulados (mm) por el SWAT en un periodo de trece años
(1999 a 2011)
Escurrimiento
Recuperación
Nivel
9
8
7
6
5
4
3
2
1
00
1000
2000
Volumen (Hm
3
)
3000
4000
5000
6000
Escurrimientos (mm)
Años
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Fig. 6.
Escurrimientos simulados (mm) y recuperación anual de
acuerdo con los niveles máximos y mínimos de almace-
namiento y el cambio de nivel del lago de Chapala (Hm
3
)
D. Bautista-Ávalos
et al.
270
ambos factores se considera déFcit. Dicho déFcit
presenta un promedio de 801.1 mm, equivalentes a
8011 m
3
/ha
(como una hectárea tiene una superFcie
de 10 000 m
2
y 1 milímetro es igual a 0.001 m, una
pérdida de 1 mm de agua corresponde a una pérdida
de 10 m
3
de agua por hectárea; Allen
et al.
2006).
Comportamientos de este tipo también se han re-
portado en otras cuencas, como en el río de La Laja
en Guanajuato, con un déFcit de 824 mm (Palacios-
Vélez y López-López 2004).
Entre las razones para entender este compor-
tamiento se tiene que: (i) La subcuenca presenta
como a±uente principal al río Lerma, que es un
elemento que nace en una zona externa a la re-
gión. (ii) La mayor parte de la superficie está
ocupada por el lago de Chapala y su ciénega, lo
18
1200
1000
800
600
400
200
0
16
15
12
10
8
6
4
Lámina de agua(mm)
Lámina de agua(mm)
2
SURQ
LATQ
GW
QP
RE
CE
T
0
En
e
Fe
b
Ma
r
Ab
r
Ma
y
Ju
n
Ju
l
Ag
o
Se
p
No
v
Di
c
Oct
Fig. 7.
Balance hídrico de la subcuenca del Lago de Chapala en
el periodo 1999-2011. SURQ = Escurrimiento superFcial,
LATQ = Escurrimiento subsuperFcial, GWQ = Descarga
de agua subterránea, PREC = Precipitación y ET = Eva-
potranspiración. Los valores de la precipitación y evapo-
transpiración están indicados en el eje “y” de la derecha
que impone un régimen alto de evaporación y
evapotranspiración. (iii) Existe una disminución de
las aportaciones de los a±uentes dentro de la subcuen
-
ca, lo que se puede apreciar en los resultados de la
simulación con una tendencia a la reducción de los
escurrimientos (
Fig. 8
). Además, en cierta medida
lo anterior está relacionado con el aumento en la
explotación de los acuíferos, lo que además afecta el
volumen del lago de Chapala por su comunicación
hidráulica con el acuífero deFnido por gradientes
piezométricos (Silva
et al.
2002).
En cuanto a los escenarios con y sin aplicación
de fertilizantes, las cantidades de escurrimiento y
entradas de sedimentos se mantuvieron constantes en
ambos casos (
Cuadro VI
). Como es de esperarse, se
tiene un aumento de N y P en los ±ujos superFciales
y subterráneos en el escenario con dicha aplicación,
sin embargo lo que es importante destacar es la mag-
nitud del cambio, que en varios casos fue en térmi-
nos de millares de porcentaje (
Cuadro VI
;
Fig. 9
).
Particularmente, destaca el movimiento de NO
3
hacia
CUADRO VI.
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DEL MODELO SWAT CON RESPECTO A LOS FER-
TILIZANTES EN LOS ESCENARIOS CON Y SIN INCORPORACIÓN DE FERTILIZANTES
PARA LA SUBCUENCA DEL LAGO DE CHAPALA
Escenario 1:
Sin fertilizantes
Escenario 2:
Con fertilizantes
Cambio
(%)
Unidades
Escurrimiento superFcial
51.39
51.31
–0.00.87 (–0.2%)
Hm
3
Producción total de sedimentos
3.09
3.01
–0.08 (–2.6%)
t/ha
N Orgánico
6.9
7.7
0.8 (11.6%)
kg/ha
P Orgánico
0.81
0.83
0.02 (2.5%)
kg/ha
NO
3
Producidos en el ±ujo superFcial
0.7
22.3
21.6 (3 085%)
kg/ha
NO
3
Producidos en el ±ujo subsuperFcial
0.03
6.5
6.5 (21 566%)
kg/ha
NO
3
Percolados al acuífero somero
0.3
261.6
261.3 (87 100%)
kg/ha
P Percolado al acuífero somero
0.5
13.7
13.2 (2 640%)
kg/ha
N en fertilizante aplicado
0.00
143.5
143.5
kg/ha
P en fertilizante aplicado
0.00
2.2
2.2
kg/ha
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Años
Escurrimientos (mm)
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Fig. 8.
Escurrimientos resultado de la simulación en el modelo
SWAT y línea de tendencia lineal, destacando un decre-
mento en el transcurso del tiempo
APLICACIÓN SWAT PARA EVALUAR CONTAMINACIÓN POR FUENTES DIFUSAS
271
el subsuelo, lo que puede estar relacionado con el
tipo de suelo y su permeabilidad. Los compuestos
nitrogenados y fosfatados que como es de esperarse
se relacionan con los escurrimientos, representan el
principal problema de la entrada de nutrientes a los
ecosistemas acuáticos y como consecuencia su eu-
trofcación. Esta última consecuencia es importante,
ya que en lo general es un proceso de degradación de
la calidad del agua que se caracteriza por recurrentes
crecimientos súbitos de algas, algunas de las cuales
pueden ser tóxicas (Sickman
et al.
2003). Dichos
crecimientos entre otros factores, causan alteraciones
de las redes trófcas, pérdida de integridad ecológica,
uso no seguro de los ecosistemas acuáticos y efectos
detrimentales en la biodiversidad y las pesquerías
(Paerl 2009).
Particularmente en el Lago de Chapala presen-
tan una elevada cantidad de nutrientes. La descarga
de fósforo en el lago se tiene en la forma de or-
tofosfato, la más abundante dado que contribuye
con aproximadamente el 70 % del fósforo total
(de Anda 2008). Su origen es antrópico a conse-
cuencia del arrastre de fertilizantes al río Lerma y
descargas de aguas residuales principalmente. De
acuerdo con estos nutrientes, el lago es efectivamente
eutrófco, pero con poco crecimiento de algas en
algunas zonas (de Anda y Shear 2001). La razón de
lo anterior, se debe a la gran cantidad de sedimentos
suspendidos que limitan la disponibilidad de luz y la
fotosíntesis (Lind
et al
. 1992). A pesar de la entrada
de nutrientes, no llega a desembocar el total presente
en los aFuentes debido a la presencia de lirio acuático
en los drenes y canales, así como en los ríos Lerma
y La Pasión.
En cuanto a los herbicidas se planteó una aplicación
promedio anual de 408.1 g/ha de principio activo de to-
dos los productos, con una degradación de 342.1 g/ha.
Para los plaguicidas se obtuvo un valor de 533 g/ha
con una importante decadencia de 532.5 g/ha. Los
herbicidas y plaguicidas disueltos que entran a los
canales, ríos y arroyos por las escorrentías son del
orden de 1.7 g/ha y los adsorbidos de 11.8 g/ha. La
percolación de estos elementos en el perfl del suelo
oscila alrededor de los 0.15 g/ha y el Fujo lateral que
entra en los ecosistemas acuáticos es de 0.12 g/ha.
La cantidad fnal de herbicidas y plaguicidas en las
plantas de maíz resultó en 5.23 mg/ha y en el suelo
fue de 738.1 g/ha.
En el
cuadro VII
se describe la cantidad aplicada
de los diferentes herbicidas y plaguicidas en la activi-
dad agrícola. Dentro de los herbicidas más empleados
se tiene el paraquat con una categoría toxicológica
II (producto moderadamente peligroso, nocivo,
INECOL 2013). Su incorporación por escurrimiento
superfcial es de 797.3 mg/ha disuelto y 11.4 g/ha ad
-
sorbido. Su percolación en el perfl del suelo es muy
baja (0.03 µg/ha). La atrazina tiene categoría toxi-
cológica IV (productos que normalmente no ofrecen
peligro) y su incorporación ocurre por escurrimiento
superfcial disuelto y adsorción (718.5 y 47 mg/ha,
respectivamente) y una percolación de 16.8 mg/ha.
La dicamba (ácido 2-metoxi-3,6-diclorobenzoico)
tiene categoría toxicológica IV y su incorporación por
escurrimiento superfcial se estimó en 118.6 µg/ha,
3.5 µg/ha por absorción y una percolación al perfl
del suelo de 1.2 mg/ha.
En el caso de los plaguicidas se emplean princi-
palmente el clorpirifos etil con categoría toxicológica
III (producto poco peligroso). La porción disuelta
es de 25.3 mg/ha, la adsorbida de 144.7 mg/ha y
la percolación de 0.01 µg/ha. Otro es el paratión
metílico con una categoría toxicológica I (producto
muy peligroso, tóxico). Su incorporación superfcial
disuelta es de 20.9 µg/ha por adsorción de 35.7 µg/ha,
y no tiene percolación.
Considerando los herbicidas mayormente emplea-
dos y su toxicidad se tiene que para el paraquat es
moderada en aves, ligera a moderada en moluscos
y zooplancton, ligera en crustáceos, prácticamente
nula a moderada en peces y prácticamente nula a
ligera en anfbios e insectos (INECOL 2013). La
atrazina presenta una toxicidad que va de ligera a
moderada para anfbios, peces y otros organismos
acuáticos. Sin embargo, cuando se tiene consumo de
alimento contaminado con este herbicida, por parte
del ganado vacuno, se ha observado una toxicidad
relativamente alta. Se considera que ambos pesticidas
tienen poco efecto a largo plazo sobre peces y vida
silvestre, debido a su degradación y bajo potencial
de bioacumulación (INECOL 2013).
Fig. 9.
Simulación de los nitratos presentes en los escurrimientos
superfciales para dos escenarios: con y sin la aplicación
de fertilizantes. Cabe destacar la magnitud de los valores
en las diferentes escalas
3
Co
nS
in
2
1
00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2.5
1.5
NO
3
(kg/ha)
NO
3
(kg/ha)
0.5
Años
D. Bautista-Ávalos
et al.
272
En el caso de los plaguicidas, el clorpirifos etil
implica un grave riesgo para la vida silvestre, al ser
extremadamente tóxico para peces e invertebrados
acuáticos. En la descendencia de animales expuestos
produce malformaciones y disminución de la sobre-
vivencia, crecimiento, reproducción y producción
de biomasa, siendo especialmente afectadas las
poblaciones de larvas de artrópodos y moluscos.
En ecosistemas acuáticos reduce la diversidad y
abundancia de especies (INECOL 2013). El paratión
metílico es un plaguicida organofosforado de los más
tóxicos y más ampliamente utilizados hasta hace unos
años (OSU 1993). Este producto afecta a organismos
que no son el objetivo de control incluyendo a los
humanos. El envenenamiento grave por inhalación e
ingestión afecta el sistema nervioso central, llegando
a producir parálisis de las extremidades y de los mús-
culos respiratorios (USEPA 2007). Según el INECOL
(2013) “en aguas contaminadas puede reducir el
crecimiento de las algas, aunque algunas especies
pueden generar resistencia después de varias semanas
de exposición. Los efectos de este plaguicida sobre
las poblaciones de animales son poco probables en
el campo. Sin embargo, pueden presentarse cuando
se aplica a concentraciones elevadas”.
CONCLUSIONES
El balance hídrico de la subcuenca del Lago de
Chapala resultó negativo durante todos los meses del
año. La evapotranspiración tuvo valores 300 veces
mayores a la precipitación.
Particularmente, la simulación en la primera
última década del siglo XXI presenta coincidencias
entre el escurrimiento y fuctuaciones ambientales
refejadas en el Lago de Chapala, además de mostrar
una tendencia a la disminución de los escurrimientos
dentro de la subcuenca.
En cuanto a los fertilizantes que se dispersan por
la subcuenca a partir de la contaminación difusa, el
escenario con aplicación de fertilizantes muestra una
gran cantidad de nutrientes que se desplazan por los
cuerpos de agua en comparación con el escenario sin
aplicación de fertilizantes. Esta diferencia puede ser
hasta más 87 000 %, lo que se puede relacionar con
el uso excesivo y poco eFciente de los ±ertilizantes.
A pesar de que el Lago de Chapala es eutróFco, con
base en la concentración del nitrógeno y el fósforo no
se tiene la manifestación de algunos problemas rela-
cionados con este estado, debido a la gran cantidad
de sedimentos en suspensión que no permiten el paso
de la luz y el crecimiento exponencial de las algas.
Si bien se presenta una importante degradación
del principio activo de los herbicidas y plaguicidas,
quedan remanentes tanto en las plantas y en el suelo,
los cuales, dependiendo de la vida media del produc-
to, pueden ser arrastrados y conducidos por los cuer-
pos de agua. Adicionalmente, los pesticidas también
presentan una aplicación sin un control adecuado, lo
que no sólo implica problemas a las gentes que los
utilizan, sino que pueden afectar a los organismos
CUADRO VII.
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DEL MODELO SWAT CON
RESPECTO A LOS PESTICIDAS (HERBICIDAS Y PLAGUICI-
DAS) PARA LA SUBCUENCA DEL LAGO DE CHAPALA
Ingrediente activo
Aplicado
(g/ha)
Degradado
(g/ha)
Cantidad en
maíz (µg/ha)
Cantidad en
el terreno (g/ha)
Herbicidas
Paraquat
218.5
154.1
0.54
72.85
Atrazina
100.6
99.5
0.64
3.7
Dicamba
53.2
53.2
0.46
0.0001
Metsulfuron metil
19
18.2
0
4.1
Picloram
9
9
0
1.1
Glufosinato de amonio
8.2
8.2
0
0.00002
Plaguicidas
Clorpirifos
140.5
140.3
0.72
0.2
Paration metílico
127.3
127.3
0.65
0.00003
Terbufos
76.6
76.5
0
0.00001
Malation
57.8
57.8
0
0.00001
Cipermetrina
49.6
49.5
0.71
0.07
Permetrina
37.6
37.6
0
0.06
Carbofuran
19.7
19.5
0.81
0.4
Lambda-cialotrina
14.3
14.3
0.7
0.02
Dimetoato
9.6
9.6
0
0.00001
APLICACIÓN SWAT PARA EVALUAR CONTAMINACIÓN POR FUENTES DIFUSAS
273
terrestres y acuáticos. Lo anterior también responde
a que se tiene el uso de algunos elementos altamente
tóxicos como el paratión metílico.
Los modelos tipo SWAT son perfectibles en la me-
dida que se conjunte e implemente más información.
Adicionalmente, dan pauta a la implementación de
medidas de manejo y control de los contaminantes
creando escenarios para la conservación y restaura-
ción de los recursos naturales.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el apoyo otorgado por la Co-
misión de Operación y Fomento de Actividades Aca-
démicas del Instituto Politécnico Nacional (COFFA).
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