Estudio integral de los recursos hídricos y las coberturas del suelo de la cuenca media y baja del Río Sauce Grande (Argentina)

Abstract

Las cuencas hidrográficas son sistemas que presentan una estrecha relación entre los factores naturales tales como la geomorfología, el clima, el suelo, el agua, la vegetación y los factores antrópicos como las actividades agrícolas. Los objetivos generales de la presente tesis fueron evaluar el efecto de la variabilidad pluviométrica sobre los principales recursos hídricos de la cuenca del río Sauce Grande (SW de la provincia de Buenos Aires), como así también analizar el comportamiento espacio-temporal de los parámetros limnológicos en su cuenca. Además, se propuso estudiar la dinámica del caudal del río Sauce Grande y la circulación atmosférica local de la laguna homónima, determinar su origen y los efectos del ingreso de la brisa de mar sobre este cuerpo de agua. Inicialmente, se analizaron las anomalías de las principales variables meteorológicas, utilizando una extensa serie de tiempo (1960-2017) de tres estaciones meteorológicas ubicadas en el norte, centro y sur del área de influencia de la cuenca. Los resultados indicaron que la temperatura aumentó (+0,5 °C en el norte y + 0,8 °C, en el sur), mientras que la velocidad del viento disminuyó (-1 km/h en el sur y -3,3 km/h en el norte). La tendencia de la precipitación fue espacialmente heterogénea dado que aumentó en el norte y sur (+42 mm y +16 mm, respectivamente) y disminuyó en el centro (-6 mm). Este parámetro, se estudió en función de la variación espacio-temporal de la cobertura de agua de los dos principales recursos hídricos de la cuenca del río Sauce Grande: el dique Paso de Las Piedras (DPP) y la laguna Sauce Grande (LSG) durante el período 1987-2017. Los resultados arrojaron que el área cubierta por agua y la precipitación poseen una asociación lineal positiva, alta y estadísticamente significativa. La variación areal de la LSG estuvo explicada por la precipitación en un 67 %, mientras que la del DPP en un 55 %. Ambos presentaron los mismos períodos de incremento (2001 a 2005 y 2014 a 2017) y reducción de su área (2007 a 2013) relacionados al monto anual de precipitación. Los parámetros morfométricos que presentaron mayor variación con respecto a la precipitación fueron el área, el perímetro y la longitud máxima total. El caudal del río Sauce Grande, medido en alta frecuencia, fluctuó en función de la variabilidad pluviométrica. Durante el período analizado (noviembre 2016-marzo de 2018) el río presentó tres crecidas. La más importante ocurrió en septiembre de 2017 con un caudal máximo de 34,8 m3 s-1 en el sector más cercano a la descarga del rio en el Océano Atlántico y de 4,1 m3 s-1 antes de su ingreso a la laguna. Este valor fue generado por precipitaciones diarias entre 60 y 80 mm. El tiempo máximo de escurrimiento directo fue 12 días y fue mayor en el sector más cercano a la desembocadura del río en el Océano Atlántico, dado la escasa pendiente del terreno. Las áreas inundables ante un evento de precipitación intenso se ubicaron en la barrera Medanosa Austral y en los sectores cercanos al ingreso del río en la laguna homónima. Esta laguna también fue monitoreada con sensores de alta frecuencia (septiembre de 2016-marzo de 2018). Los resultados permitieron caracterizar la dinámica de las variables medidas en un período de mayor profundidad de la laguna y compararlos con un estudio previo realizado durante un período de sequía (febrero de 2011-enero de 2012). En esta tesis, además de aumentar el nivel del agua en relación con un período húmedo, se registró un aumento de la temperatura del agua y del aire, como así también, una disminución de la conductividad eléctrica y la velocidad del viento. La Trasformada Rápida de Fourier mostró diferentes intensidades de la señal en las distintas variables, principalmente representadas por los ciclos anuales, mensuales y estacionales, diarios y semidiurno. Sin embargo, la temperatura del agua y del aire y la velocidad del viento mostraron ciclos de energía en 4 y 8 h. Estos resultados determinaron la existencia de una circulación atmosférica local sobre la laguna de origen geomorfológico. La misma se caracterizó por un aumento significativo de la velocidad del viento en las horas de mayor radiación solar producto del desigual calentamiento, que fue analizado a partir del procesamiento de imágenes satelitales Landsat, entre la laguna y el médano que la limita al sur. Esta circulación se encontró sólo cuando en la región se localizan centros de alta presión, cielo despejado y viento regional mínimo. Además, se comprobó que los eventos de brisa marina ocurridos en la costa de Monte Hermoso (ubicada a 6 km de la laguna) ingresan a la laguna aproximadamente 2 h más tarde, modifican la velocidad y dirección del viento y disminuye la temperatura del aire producto del viento con componente sur. Teniendo en cuenta los parámetros limnológicos medidos de manera estacional (abril-diciembre de 2016), la cuenca media y baja del río Sauce Grande presenta tres unidades espaciales: i) el río Sauce Grande antes de su ingreso en la laguna homónima, ii) el arroyo Las Cortaderas y iii) el arroyo Las Mostazas, la laguna y el sitio más cercano a la descarga del río en el Océano Atlántico. En general, las variables presentaron una marcada variación espacio-temporal. La CE fue mayor en la laguna y en el sitio más cercano a la descarga del río en el Océano Atlántico, dado que son los sectores de menor altura por lo que se genera la acumulación las sales provenientes de toda la cuenca. El arroyo Las Mostazas presentó valores altos de estas variables producto de su cercanía a la ciudad de Coronel Dorrego. El seston y la MOP también se incrementaron a medida que el río se encuentra más cercano a su desembocadura en la laguna y fue registrado en el otoño, en coincidencia con elevadas precipitaciones. El arroyo Las Cortaderas y la laguna presentaron los máximos valores medios de seston y MOP. Su concentración fue mayor durante el verano, probablemente por las altas concentraciones de fitoplancton. El valor medio de seston de la laguna fue ampliamente inferior al registrado en un estudio previo sobre el cuerpo de agua durante un período de extrema sequía (septiembre de 2008-diciembre de 2010), mientras que el encontrado en esta tesis fue durante un período húmedo. Por lo tanto, el seston es altamente fluctuante con respecto al nivel de agua de la laguna. El valor medio de oxígeno disuelto permitió clasificar a todos los ambientes analizados como moderadamente ricos en oxígeno y se correlacionó negativamente con la temperatura del agua. Su valor fue aceptable para la gran mayoría de los organismos acuáticos y especies de peces. El NT y el PT, fueron los más variables temporalmente y el NT se registró en mayor proporción. Ambos presentaron su máximo en invierno y elevadas concentraciones en primavera. Esta situación se relaciona con que, durante estos períodos, se aplican fertilizantes en la siembra (junio-julio) y maduración (septiembre-octubre) del cultivo de trigo, el principal de la cuenca. Estas prácticas, en conjunto con el escurrimiento superficial de la cuenca, generaría el incremento de los nutrientes durante estos dos momentos del año. Se utilizaron diferentes métodos de clasificación de las coberturas del suelo en las tres unidades geomorfológicas de la cuenca. El de mejor precisión en la llanura fue el de Máxima Verosimilitud, mientras que en el médano y en el afloramiento rocoso fue la Distancia de Mahalanobis. En todos los casos, la utilización de seis índices espectrales calculados a partir de imágenes satelitales Landsat mejoró significativamente la discriminación de las coberturas del suelo en comparación con el uso de la reflectividad de las bandas. A partir de la selección del mejor método y conjunto de datos para su determinación, se realizó un análisis multitemporal de las coberturas del suelo durante el período 2000-2016. Las cubiertas de vegetación y particularmente los cultivos, fluctuaron en función de los montos de precipitación. Por ejemplo, durante el año 2014, se encontró la menor área de cultivos de invierno (584 km2) producto del exceso hídrico ocurrido antes de su implantación, mientras que durante ese mismo año los cultivos de verano presentaron su máxima superficie (1144 km2), beneficiados por las óptimas condiciones de humedad de suelo en el momento de siembra. El mapa generado con información in situ no sólo fue útil para conocer la distribución y variación de las coberturas del suelo a lo largo de toda la cuenca, sino que sirvió de base para contrastarlo con el escenario óptimo y definir el nivel de vulnerabilidad eco-ambiental. Se encontró que la cuenca del río Sauce Grande presentó cinco niveles de vulnerabilidad eco-ambiental. El más frecuente fue el bajo (1343,7 km2), seguido del alto (1091,4 km2). La importancia de considerar esta última categoría es que las áreas de pastizales se utilizaron para la implantación de cultivos, por lo que su conservación es fundamental dado la significativa provisión de bienes y servicios ecosistémicos que estos brindan. Los niveles muy alto y medio fueron menos frecuentes, pero las problemáticas que en estos espacios se generan son importantes, dado que los cultivos se realizan sobre áreas inundables, en el primer caso, lo que podría generar graves consecuencias económicas a los productores agropecuarios. En el segundo, el recurso suelo está sobreexplotándose por el incremento de la superficie destina a cultivos. Teniendo en cuenta estos niveles y sus problemáticas asociadas, se diseñaron estrategias que tuvieron como objetivo mejorar la calidad ambiental de la cuenca, considerando la sostenibilidad ambiental, social y económica.

Hydrographic basins are systems related to natural (such as geomorphology, climate, soil, water, vegetation), and anthropic factors (i.e., agricultural activities). The main objectives of this thesis were to evaluate the effect of rainfall variability on the primary water resources of the Sauce Grande river basin (SW of the province of Buenos Aires), as well as to analyze the Spatio-temporal behavior of its limnological parameters. Moreover, the dynamics of the flow of the Sauce Grande river and the local atmospheric circulation were studied. The purpose was to determine its origin and the effects of the sea breeze on this water body. First of all, the meteorological anomalies were analyzed considering the period 1960-2017. This information was obtained from three meteorological stations located in the north, the center, and the south of an influence area of the basin. The results indicated that the temperature increased (+0.5 °C in the north and + 0.8 °C in the south), while the wind speed decreased (-1 km/h in the south and -3,3 km/h in the north). The precipitation trend was spatially heterogeneous since it increased in the north and south (+42 mm and +16 mm, respectively), and decreased in the center (-6 mm). This parameter was studied based on the spatial and temporal variation of the water coverage of the two primary water resources of the Sauce Grande river basin: the Paso de Las Piedras dam and the Sauce Grande shallow lake during the period 1987-2017. The results evidenced that the water coverage and the precipitation have a positive and statistically significant linear agreement. The areal variation of the Sauce Grande shallow lake was explained by precipitation in 67 %, while in the Dique Paso de las Piedras dam in 55 %. The increase and reduction periods presented a relationship with the annual rainfall amount. As a consequence, morphometric parameters ranged widely, observing the most extensive changes in the area, the perimeter, and the maximum length. The discharge of the Sauce Grande River was measured at high-frequency, and it fluctuated according to the rainfall variability. During the period analyzed (November 2016-March 2018), the river presented three events of flood. The most relevant occurred in September of 2017. It was observed a maximum flow of 34.8 m3 s-1 in the sector closest to the Atlantic Ocean and 4.1 m3 s-1 before entering the lake. This value was generated during daily extreme precipitation events, with a total of 60 and 80 mm. The maximum runoff time was 12 days and was longer in the sector closest to the Atlantic Ocean, due to the existence of low slopes. Flood areas were located in the Medanosa Austral barrier and near the entrance of the river in the shallow lake. This lake was also monitored with high-frequency sensors (September 2016-March 2018). The results allowed characterizing the dynamics of the physical and biological variables and comparing them with a previous study carried out during a dry period (February 2011-January 2012). In this thesis, it was observed an increase in water and air temperature, as well as a decrease in electrical conductivity and wind speed. The Fast Fourier Transform showed different signal intensities in the different variables, mainly represented by the annual, monthly, and seasonal, daily, and semidiurnal cycles. However, water and air temperature and wind speed identified cycles in 4 and 8 hours. These results determined the existence of a local atmospheric circulation over the shallow lake with a geomorphological origin. It was characterized by a significant increase in wind speed during maximum solar radiation due to uneven heating. This study was carried out with Landsat satellite image processing. This circulation only appeared with high-pressure, clear skies, and minimum regional wind. Moreover, it was found that sea breeze events that occurred on the coast of Monte Hermoso (located 6 km from the shallow lake) enter into the shallow lake approximately two hours later, modifying the wind speed and direction, decrease the air temperature, and changing the wind direction. On the other hand, the limnological parameters measured seasonally (April-December 2016) in the middle and lower basin of the Sauce Grande River basin. The presented three spatial units: i) the Sauce Grande River before entering the homonymous shallow lake, ii) the Las Cortaderas stream, and iii) Las Mostazas stream, the shallow lake, and the site closest to the river discharge into the Atlantic Ocean. In general, the variables showed a marked spatial and temporal variation. The electrical conductivity was higher in the shallow lake and closed to the Atlantic Ocean discharge due to the lowest heights favor accumulation of salts. Las Mostazas stream presented high values of this variable because of its proximity to Coronel Dorrego city. The seston and the POM increased while the river was closing to its mouth in the shallow lake. Las Cortaderas stream and the lake had the highest average values of seston and POM. Its concentration was higher during the summer, probably due to the high concentrations of phytoplankton. The mean seston value of the shallow lake was widely lower than that recorded in a previous study during a period of extreme drought (September 2008-December 2010), while the one found in this thesis was during a wet period. Therefore, the seston is highly fluctuating concerning the water level of the lake. The mean value of dissolved oxygen allowed all the analyzed environments to be classified as moderately rich in oxygen and was negatively correlated with the water temperature. Its value was acceptable for a vast majority of aquatic organisms and fish species. The NT and the PT were the most temporarily variable, and the NT was recorded in a higher proportion. Both presented their maximum in winter and high concentrations in spring. This situation is related to the fact that, during these periods, fertilizers are applied in the sowing (June-July) and growth (September-October) of the wheat crop, the main one of the basin. These practices would generate an augmentation of the nutrients during these seasons. Different methods of classifying land cover were analyzed in the three geomorphological units of the basin. The one with the best precision in the plain was Maximum Likelihood, while in the dune and the hills were the Mahalanobis Distance. In all cases, the application of six spectral indexes calculated from Landsat satellite images improved the discrimination of the land cover significantly compared to the use of the reflectivity of the bands. From the selection of the best method and data set for its determination, a multitemporal analysis of the land cover during the period 2000-2016 was carried out. The vegetation covers, and particularly crops fluctuated depending on the amounts of precipitation. For example, during 2014, the smallest area of winter crops (584 km2) was found as a result of the excess water that occurred before its implementation, while during that same year the summer crops had their maximum surface area (1144 km2), benefited by the optimal soil moisture conditions at the time of planting. The land cover map generated with information in situ was useful to define the optimal scenario and the level of eco-environmental vulnerability. It was found that the Sauce Grande river basin presented five levels of eco-environmental vulnerability. The most frequent was the low (1343.7 km2), followed by high (1091.4 km2). The importance of considering this last category is that the grassland areas were used for the implantation of crops so that their conservation is crucial due to the significant provision of ecosystem services. Very high and medium levels were less frequent, but the problems generated in these spaces are essential, given that the crops are carried out on flood areas, in the first case, which could generate severe economic consequences for farmers. In the second, the soil is being overexploited due to the increase in the area devoted to crops. Vulnerability levels and their spatial and temporal problems allowed to delimit adaptation strategies aimed at improving the environmental quality, considering a sustainability scenario.