Determinacion-respuesta-hidrologica

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DETERMINACIÓN DE LA RESPUESTA HIDROLÓGICA DE LA MICROCUENCA LA 
CHORRERA DEBIDO A ACTIVIDADES AGRÍCOLAS Y GANADERAS. 
 
 
 
 
 
CAMILO ANDRES ROJAS CRUZ 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA 
ESCUELA DE POSGRADOS 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL 
TUNJA 
2019 
 
 
 
DETERMINACIÓN DE LA RESPUESTA HIDROLÓGICA DE LA MICROCUENCA LA 
CHORRERA DEBIDO A ACTIVIDADES AGRÍCOLAS Y GANADERAS 
 
 
 
CAMILO ANDRES ROJAS CRUZ 
 
 
 
Tesis de grado presentada como parte de los requisitos para obtener el título de: 
Magíster en Ingeniería Ambiental 
 
 
 
 
Director: 
Javier Humberto Cuervo Álvarez 
Ingeniero Sanitario y Ambiental, Magíster en Ingeniería de Sistemas 
 
 
 
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA 
ESCUELA DE POSGRADOS 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL 
TUNJA 
2019 
3 
 
Nota de Aceptación: 
 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
 
 
 
Firma del presidente del jurado 
 
 
 
 
 
Firma de jurado 
 
 
 
 
 
Firma de jurado 
 
 
 
 
Tunja, 29 de octubre de 2019 
4 
 
DEDICATORIA 
 
A Dios por guiarme, acompañarme y 
protegerme en cada paso de mi vida. 
 
A mi padre Gustavo y a mi madre Luz Marina, 
por su dedicación, sacrificio e inculcarme que 
la disciplina y la constancia es el camino para 
hacer realidad nuestros sueños, a mis 
hermanos por su apoyo en cada etapa, a 
Angelita por su amor incondicional. 
 
5 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
Al ingeniero Javier Humberto Cuervo Álvarez, quien realizó la dirección del trabajo poniendo 
a disposición su amplio conocimiento en el tema y experiencia y facilitando el apoyo en 
cada una de las etapas del proyecto 
A Angelita, a mi familia, amigos, compañeros y demás personas que de una u otra manera 
hicieron parte del camino en este propósito y compartieron conmigo la realización de una 
meta más. 
 
6 
 
RESUMEN 
Bajo diversas condiciones, el desarrollo de actividades antropogénicas se ha intensificado 
en lugares cercanos a cuerpos hídricos, en donde se utiliza el recurso para satisfacer 
necesidades de abastecimiento de aguas con diferentes fines como siembra, regadío, 
ganadería entre otros usos; bajo estas consideraciones, la alteración e inadecuado manejo 
de coberturas vegetales en cuencas hidrográficas puede significar problemas como la baja 
disponibilidad del recurso en épocas determinadas, aumento de sedimentos y erosión, entre 
otros. 
Teniendo en cuenta lo precisado anteriormente, el documento describe el proceso a través 
del cual se determinó la influencia que genera el cambio de coberturas vegetales en la 
respuesta hidrológica de la microcuenca la Chorrera afluente del embalse la Copa, con el 
fin de generar herramientas para la planificación del uso de suelo, partiendo de los 
resultados del modelo SWAT. 
En primer lugar, se llevó a cabo la recopilación de información de fuentes oficiales como 
Instituto de hidrología, meteorología y estudio ambientales IDEAM, Instituto geográfico 
Agustín Codazzi IGAC, Corporación Autónoma Regional de Boyacá CORPOBOYACÁ, 
Alcaldía de Toca, entre otros; con el fin de obtener datos meteorológicos, limnimétricos, 
morfológicos, geológicos y características físico-químicas del suelo relacionados al área de 
Interés: microcuenca la Chorrera. 
Posteriormente se clasificó la información recopilada, para la definición y selección de los 
parámetros de ingreso que alimentan el modelo SWAT, el cual es un complemento del 
software ARCGIS que permite simular la respuesta hídrica de una cuenca bajo diferentes 
escenarios. 
Partiendo de una simulación con las coberturas presentes en la microcuenca y los 
resultados generados, se procede a hacer procesos de calibración y validación en el 
programa SWAT CUP, el cual tiene como objetivo verificar la coherencia entre los caudales 
modelados y los registrados en campo en la estación limnimétrica, teniendo como 
referencia distintos índices de eficiencia y rendimiento estadísticos. 
Una vez los caudales registrados y modelados satisfacen los criterios de los índices 
estadísticos, se tienen en cuenta estos parámetros para modelaciones hidrológicas con 
variaciones en las coberturas vegetales, evaluando alternativas hasta que se optimice la 
respuesta de la microcuenca. 
Los resultados generados permitieron la formulación de una propuesta de recuperación y 
se constituye como una herramienta cualitativa y cuantitativa para la toma de decisiones en 
torno a mecanismos de planificación, como lo son los planes de ordenamientos territoriales 
y estrategias para la recuperación y conservación como planes de manejo ambiental. 
 
Palabras clave: Microcuenca La Chorrera – Uso del suelo – Cobertura- agricultura - 
Sistemas de Información Geográfica- SWAT- Respuesta hidrológica - Medidas y planes de 
Manejo. 
7 
 
ABSTRACT 
Under specific conditions, the development of anthropogenic activities has intensified in 
places near bodies of water, where the resource is used to supply needs for planting, 
irrigation, and livestock, among others. Based on these specific considerations, the 
alteration and the inappropriate use of plant cover in river basins might generate problems 
such as the low availability of the resource in controlled times, increased sediment, and 
erosion, among others. 
Considering what is stated above, this paper describes the process through which the 
influence generated by the change of plant cover in the hydrological response of the La 
Chorrera micro-basin tributary of the Copa reservoir is determined, in order to generate tools 
for land use planning, based on the results of the SWAT model. 
First, information was collected from official sources such as the Institute of Hydrology, 
Meteorology and Environmental Study IDEAM, Agustín Codazzi IGAC Geographical 
Institute, Regional Autonomous Corporation of Boyacá CORPOBOYACÁ, and Toca town, 
among others, in order to obtain meteorological, limnimetric, morphological, geological and 
physicochemical characteristics of the soil related to the area of interest: La Chorrera 
microbasin. 
Subsequently, the information collected was classified for the definition and selection of the 
input parameters that empower the SWAT model, which is a complement to the ARCGIS 
software that simulates the water response of a basin under different settings. 
Starting from a simulation with the coverages present in the microbasin and the results 
generated, calibration and validation processes in the SWAT CUP program are performed, 
aiming to verify the coherence between the modeled flows and those recorded in the field 
at the station Limnimetric, having as reference different indexes of efficiency and statistical 
performance. 
Once the records and models meet the criteria of the statistical indexes, they consider these 
parameters for hydrological modifications with variations in plant cover, evaluating 
alternatives until the microbasin response is optimized. 
The results generated allowed the formulation of a recovery proposal and they serve as a 
qualitative and quantitative tool for decision-making around planning mechanisms, such as 
territorial plans and strategies for recovery and conservation as plans for environmental 
management. 
 
Key words: Microbasin La Chorrera, land use, coverage, agriculture, Geographic 
Information Systems, SWAT, hydrological response, measurement and management plans 
 
8 
 
CONTENIDO 
 
1. PRELIMINARES .................................................................................................. 16 
1.1. Definición del problema ........................................................................................ 16 
1.1.1. Antecedentes....................................................................................................... 16 
1.1.2. Formulación ......................................................................................................... 16 
1.2. Justificación .......................................................................................................... 17 
1.3. Objetivos .............................................................................................................. 18 
1.3.1. Objetivo general ................................................................................................... 18 
1.3.2. Objetivos específicos............................................................................................ 18 
2. MARCO REFERENCIAL ..................................................................................... 19 
2.1. Marco conceptual ................................................................................................. 19 
2.1.1. Cuenca hidrológica ............................................................................................... 19 
2.1.2. Modelo hidrológico ............................................................................................... 19 
2.1.3. Respuesta hidrológica .......................................................................................... 20 
2.1.4. Usos del suelo ...................................................................................................... 20 
2.1.5. Cobertura del suelo .............................................................................................. 21 
2.1.6. Sistemas de información geográfica ..................................................................... 21 
2.1.7. SWAT ................................................................................................................... 21 
2.2. Estado del arte ..................................................................................................... 22 
2.2.1. Determinación de la respuesta hidrológica y utilización del modelo SWAT: ......... 22 
3. METODOLOGÍA .................................................................................................. 27 
3.1. Definición de hipótesis y variables ........................................................................ 27 
3.2. Etapas del proyecto .............................................................................................. 27 
3.2.1. Obtención de información secundaria .................................................................. 29 
3.2.2. Obtención de información primaria ....................................................................... 29 
3.2.3. Modelación, calibración y validación. .................................................................... 29 
3.2.4. Análisis de resultados. .......................................................................................... 30 
4. GENERALIDADES .............................................................................................. 31 
4.1. Localización ......................................................................................................... 31 
4.2. Hidrografía ........................................................................................................... 32 
4.3. Geológica regional ............................................................................................... 33 
4.4. Unidades Geológicas Superficiales UGS.............................................................. 35 
4.5. Modelo hidrogeológico regional ............................................................................ 36 
4.6. Vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos .............................................. 37 
5. COBERTURAS VEGETALES .............................................................................. 39 
6. INFORMACIÓN CLIMATOLÓGICA E HIDROLÓGICA DE LA CUENCA ............ 40 
6.1. Estaciones meteorológicas ................................................................................... 41 
6.2. Precipitación ......................................................................................................... 42 
6.3. Temperaturas mínimas y máximas ....................................................................... 43 
6.3.1. Método de completado de datos faltantes: regresión lineal múltiple ..................... 44 
9 
 
6.4. Humedad relativa ................................................................................................. 45 
6.5. Radiación solar: .................................................................................................... 46 
6.6. Velocidad del viento: ............................................................................................ 47 
6.7. Caudales observados: .......................................................................................... 47 
6.8. Ingreso de datos metereológicos a la interface SWAT: ........................................ 47 
7. CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES DEL SUELO ............................. 49 
7.1. Grupo hidrológico - porcentaje de arcilla, limo, arena y roca del suelo de acuerdo a 
unidades cartográficas ..................................................................................................... 52 
7.2. Profundidad máxima de enraizamiento ................................................................ 57 
7.3. Densidad aparente del suelo ................................................................................ 57 
7.4. Fracción de porosidad del suelo: .......................................................................... 58 
7.5. Contenido de carbono orgánico en el suelo: ......................................................... 58 
7.6. Capacidad de campo............................................................................................ 59 
7.7. Conductividad hidráulica saturada ........................................................................ 60 
7.8. Usle_K factor de erodabilidad del suelo ............................................................... 62 
8. MODELACIÓN HIDROLÓGICA SIN VARIACIONES DE COBERTURA VEGETAL.
 ............................................................................................................................. 63 
8.1. Elaboración Del Modelo ....................................................................................... 63 
8.2. Delimitación de cuenca ........................................................................................ 63 
8.3. Suelos .................................................................................................................. 65 
9. CALIBRACIÓN .................................................................................................... 66 
9.1. Calibración y validación del modelo hidrológico - programa SWAT CUP .............. 67 
9.2. Variables de ingreso ............................................................................................. 68 
9.3. Coeficiente de determinación ajustado (R2) .......................................................... 73 
9.4. Eficiencia NASH-SUTCLIFFE (NSE): ................................................................... 73 
9.5. Porcentaje de sesgo (PBIAS): .............................................................................. 74 
9.6. Análisis de sensibilidad ........................................................................................ 76 
10. VALIDACIÓN ....................................................................................................... 78 
11. MODELACIÓN HIDROLÓGICA CON VARIACIONES DE COBERTURA VEGETAL
 ............................................................................................................................. 80 
11.1. Análisis .............................................................................................................. 80 
11.2. Protección de ronda hídrica: ..............................................................................83 
11.3. Modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo: ........................... 83 
11.4. Modificación de cobertura de agricultura en pendientes superiores al 25% ....... 84 
11.5. Escenario 1: Modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo y 
protección de rondas hídricas: ......................................................................................... 86 
11.6. Escenario 2: Modificación de cobertura de agricultura con pendientes superiores 
al 25% 87 
12. PROPUESTA DE RECUPERACIÓN ................................................................... 93 
10 
 
13. PLANES DE REHABILITACIÓN: ........................................................................ 98 
13.1. Recuperación de coberturas de agricultura en alturas < 3000 m.s.n.m. ............. 98 
13.2. Recuperación de coberturas: ........................................................................... 101 
14. CONCLUSIONES .............................................................................................. 103 
15. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 106 
 
11 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1. Diagrama conceptual metodológico .................................................................. 28 
Figura 2 División político administrativa; Municipios dónde se encuentra la microcuenca “La 
Chorrera” .............................................................................................................. 31 
Figura 3. Hidrografía sector microcuenca “La Chorrera” .................................................. 32 
Figura 4 Formaciones geológicas sector microcuenca “la Chorrera”................................ 33 
Figura 5 Unidades geológicas superficiales UGS sector microcuenca “La Chorrera” ....... 36 
Figura 6 Unidades hidrogeológicas presentes en el sector de la microcuenca “La Chorrera”
 ............................................................................................................................. 37 
Figura 7 Vulnerabilidad a la contaminación de los acuíferos en el sector de la microcuenca 
“La Chorrera” ........................................................................................................ 38 
Figura 8. Representación coberturas actuales microcuenca la Chorrera, ArcGis. ............ 39 
Figura 9 Proceso - análisis de Información hidrológica .................................................... 40 
Figura 10 Estaciones meteorológicas en el sector de la microcuenca “La Chorrera” ....... 41 
Figura 11 Método de doble masa (consistencia serie de valores) .................................... 43 
Figura 12 Registros de temperatura diaria (°C) Estación La Copa desde 1992 (a) 
temperatura máxima b) temperatura mínima. Interface R Studio .......................... 43 
Figura 13 Registro humedad relativa diaria (%) Estación La Copa desde 1992. Imagen 
Interface R Studio ................................................................................................. 46 
Figura 14 Registro valores totales diarios de Brillo solar (Horas) - Estación La Copa desde 
1992. Imagen Interface R Studio .......................................................................... 46 
Figura 15 Registros totales diarios de recorrido del viento (Kms) estación La Copa desde 
1992. Imagen Interface R Studio .......................................................................... 47 
Figura 16 Caudales medios diarios (m3/s) estación La Copa desde 1992. Imagen Interface 
R Studio ............................................................................................................... 47 
Figura 17 Registros de temperatura máxima y mínima “Weather Generator” .................. 48 
Figura 18 Proceso de caracterización de suelos .............................................................. 49 
Figura 19. Mapa de Taxonomía de suelos Microcuenca La Chorrera .............................. 51 
Figura 20. Calificación de la densidad aparente .............................................................. 57 
Figura 21 Interfaz Soil Water Characteristics – Capacidad de Campo ............................. 60 
Figura 22 Interfaz Soil Water Characteristics – Conductividad hidráulica saturada .......... 61 
Figura 23 Mapa de distribución de subcuencas en ARCSWAT presentes en la microcuenca 
La Chorrera .......................................................................................................... 64 
Figura 24 Mapa de distribución de pendientes en ARCSWAT presentes en la microcuenca 
La Chorrera .......................................................................................................... 65 
Figura 25 Captura pantalla: par_inf txt SWAT CUP ......................................................... 71 
Figura 26 Interfaz para el Ingreso de registros de caudales. Formato observed txt SWAT 
CUP ..................................................................................................................... 72 
Figura 27 Comparación de caudales simulados calibrados y observados sin variación de 
coberturas vegetales a) 2003-2005 b) 2005-2007 ................................................ 75 
Figura 28 Captura pantalla: Sensibilidad global SWAT CUP ........................................... 76 
Figura 29 Comparación de caudales simulados validados y observados sin modificación de 
coberturas vegetales a) 2007-2009 b) 2009-2011 ................................................ 78 
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file:///D:/backup%20d/Tesis%20amorcito%20mio/29_oct_2019.docx%23_Toc23225356
file:///D:/backup%20d/Tesis%20amorcito%20mio/29_oct_2019.docx%23_Toc23225365
12 
 
Figura 30 Escenario tendencial para la Microcuenca la Chorrera. Adaptado del “Plan de 
ordenación y manejo de la cuenca hidrográfica del río alto Chicamocha - POMCA”
 ............................................................................................................................. 81 
Figura 31 Mapa de modificación de cobertura de agricultura en zona de páramo presentes 
en la microcuenca La Chorrera. ........................................................................... 84 
Figura 32 Mapa de modificación de cobertura de agricultura en pendientes superiores al 
25%, presentes en la microcuenca La Chorrera. .................................................. 85 
Figura 33 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y 
simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas 
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas. .............................. 86 
Figura 34 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y 
simulados con escenario de modificación de cobertura de agricultura con pendientes 
superiores al 25%: ................................................................................................ 87 
Figura 35 Curva duración de caudales : julio 2003 – julio 2005 ....................................... 89 
Figura 36 Curva duración de caudales: agosto 2005- julio 2007 ...................................... 90 
Figura 37 Curva duración de caudales: agosto 2007- mayo 2009. .................................. 91 
Figura 38 Curva duración de caudales: junio 2009 – abril 2011 ....................................... 92 
Figura 39 Mapa Propuesta de Recuperación ................................................................... 94 
Figura 40 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y 
simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas 
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2003 – 
2006. .................................................................................................................... 95 
Figura 41 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y 
simulados con escenario de modificación de coberturasde agricultura en zonas 
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2006 – 
2008. .................................................................................................................... 96 
Figura 42 Distribución de caudales simulados sin variaciones de cobertura vegetal y 
simulados con escenario de modificación de coberturas de agricultura en zonas 
superiores a 3.000 m.s.n.m. y protección de rondas hídricas para el periodo 2008 – 
2011. .................................................................................................................... 97 
Figura 43 Efecto de diferentes rotaciones de cultivo sobre la densidad aparente .......... 100 
 
 
 
13 
 
LISTA DE TABLAS 
Tabla 1 Caracterización coberturas vegetales microcuenca La Chorrera ........................ 39 
Tabla 2 Características físicas de la microcuenca La Chorrera ........................................ 40 
Tabla 3 Coordenadas estaciones meteorológicas influentes en la microcuenca la Chorrera
 ............................................................................................................................. 41 
Tabla 4 Completado de datos faltantes, temperatura máxima regresión lineal múltiple. .. 45 
Tabla 5 Nomenclatura unidades taxonómicas y áreas dentro de la microcuenca la Chorrera
 ............................................................................................................................. 49 
Tabla 6 Distribución de materiales y grupo hidrológico de las unidades taxonómicas 
presentes en la microcuenca la Chorrera ............................................................. 53 
Tabla 7 Clasificación de la Porosidad del Suelo .............................................................. 58 
Tabla 8 Niveles Interpretativos de acuerdo con el porcentaje de Carbono Orgánico ....... 59 
Tabla 9 Clases de conductividad Hidráulica del Suelo Saturado ...................................... 61 
Tabla 10 Índice oceánico del niño .................................................................................... 66 
Tabla 11: Índice de Oscilación del Sur (IOS). Bureau of meterology ................................ 67 
Tabla 12 Modelo SWAT: Parámetros de calibración ........................................................ 69 
Tabla 13 Rangos admisibles de los Índices de eficiencia y rendimiento estadístico ......... 75 
Tabla 14 Resultados Calibración del modelo - coberturas actuales. Comparación de 
coeficientes de desempeño estadístico. ............................................................... 75 
Tabla 15 Parámetros más sensibles utilizados en la calibración ...................................... 77 
Tabla 16 Resultados validación del modelo - coberturas actuales. Comparación de 
coeficientes de desempeño estadístico. ............................................................... 78 
Tabla 17: Comparativo escenario diagnóstico y escenario tendencial ............................. 80 
Tabla 18 Análisis de los escenarios tendencial. ............................................................... 82 
Tabla 19 Comparativo porcentual de tipos de coberturas actuales y propuesta de 
recuperación. ....................................................................................................... 93 
Tabla 20 Implicaciones ecológicas en sistemas de producción propietaria y arrendataria 99 
 
14 
 
LISTA DE ANEXOS 
- ANEXO A: Registro fotográfico. 
- ANEXO B: Información hidrológica: Registros de Humedad relativa, precipitación, 
Recorrido del viento, Brillo solar, Temperatura mínima y máxima, Caudales. 
- ANEXO C: Mapas: Hidrogeología, Geología, Taxonomía de suelos, mapas de 
pendiente, subcuencas y propuestas. 
- ANEXO D: Modelo hidrológico. 
 
 
15 
 
INTRODUCCIÓN 
 
El ejercicio de las actividades económicas del hombre induce transformaciones en el uso 
del suelo, especialmente en el sector rural, dónde la tierra se utiliza con fines de 
aprovechamiento agrícola, ganadero, forestal entre otros; modificando las dinámicas de los 
ecosistemas existentes y procesos hidrológicos que conducen a afectaciones en la calidad 
y disponibilidad del recurso hídrico. 
En el área aledaña al Embalse la Copa, departamento de Boyacá, se ha acrecentado el 
desarrollo de prácticas agrícolas para cultivos de trigo, maíz, papa, avena, cebolla, etc; que 
además de modificar las propiedades del suelo o coberturas vegetales, demandan 
disponibilidad de agua para riego, alterando las condiciones de equilibrio de las cuencas y 
microcuencas del sector, afectando así tanto a las comunidades como a las especies 
animales y vegetales1. 
Acorde a la problemática expuesta anteriormente, es pertinente plantear estrategias que 
propendan por disminuir los impactos generados en la cuenca, que para efectos del 
presente estudio se delimita en el área de la microcuenca la Chorrera, afluente del embalse 
la Copa. 
Dentro de las estrategias a tener en cuenta, el proyecto busca determinar la influencia que 
genera el cambio de coberturas en la respuesta hidrológica o variación de caudales de la 
microcuenca, con la finalidad de brindar herramientas para una adecuada planificación en 
el uso de suelo. 
Para llevar a cabo el estudio, se recopiló y clasificó la información de usos de suelo, 
coberturas vegetales, climatología e información hidrológica, propiedades y características 
del suelo obtenidas de diferentes publicaciones de entidades oficiales como el Instituto 
Geográfico Agustín Codazzi IGAC, las alcaldías municipales, el IDEAM y la Corporación 
autónoma regional de Boyacá Corpoboyacá. Esta información fue procesada mediante el 
software de simulación hidrológica SWAT con el fin de determinar la respuesta hidrológica 
de la microcuenca La Chorrera, efectuando procesos de calibración, validación y análisis 
de sensibilidad paramétricos para verificar los resultados del modelo. 
A partir de los resultados obtenidos se estableció una propuesta de recuperación, la cual 
es de interés de todos los actores de la microcuenca y pueda constituirse como instrumento 
de evaluación ante entidades públicas y/o toma de decisiones en la formulación de 
proyectos de manejo ambiental con incidencia en el área de la investigación. 
 
1. ALCALDÍA DE TOCA. Proyecto de modificación del esquema de Ordenamiento territorial EOT 
reglamentado por Acuerdo No. 037 de agosto de 2004. Toca. 2006. p 24 
16 
 
1. PRELIMINARES 
 
En esta sección se describen aspectos relacionados con la concepción y formulación del 
proyecto, tales como le definición del problema, justificación, objetivo general y objetivos 
específicos. 
1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 
1.1.1. Antecedentes 
En la valoración y/o comprensión de impactos ambientales generados en el recurso hídrico, 
el inadecuado manejo de los usos de suelo y coberturas vegetales inciden 
considerablemente en el ecosistema y en general en el ciclo, cantidad y calidad de aguas 
superficiales, generando impactos en las cuencas hidrográficas. 
El incremento de prácticas de producción agrícola y ganadera puede desencadenar 
factores de riesgo y posibles afectaciones relacionadas a la disponibilidad del recurso 
hídrico en épocas determinadas. 
De acuerdo a lo anterior y teniendo en cuenta que, en años recientes, en el territorio de la 
microcuenca de la quebrada “La Chorrera”, afluente del embalse la Copa se ha presentado 
de manera acelerada el crecimiento de zonas de producción agrícola y ganadera, es 
pertinente analizar la variación del ciclo hidrológico, que ocasiona cambios en la cantidad 
de agua disponible e incide considerablemente en el ecosistema de la zona. 
Para el presente caso, de acuerdo a la Corporación Autónoma Regional de Boyacá 
(CORPOBOYACÁ) los caudales de la estación “La Chorrera” son muy bajos, teniendo en 
cuenta el área de aportación, relacionándola como una de las microcuencas que presentamayor susceptibilidad al desabastecimiento hídrico. 2 
1.1.2. Formulación 
Comprendiendo las características de la zona de estudio, que para esta investigación 
corresponde a la quebrada “La Chorrera”, afluente del embalse La Copa, es pertinente 
reconocer que la problemática mencionada involucra ampliamente la alteración en la 
cantidad del agua y las condiciones hidrológicas en correlación a las comunidades que se 
proveen del recurso hídrico disponible, dando a reconocer la relevancia como elemento 
fundamental del equilibrio ecológico del sector y punto focal para especies vegetales y 
animales. 
Teniendo en cuenta lo anterior, y considerando que el Embalse se presenta como una 
fuente de consumo ante desabastecimientos, la determinación de la respuesta hidrológica 
 
2 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE BOYACÁ. Plan de Ordenación y Manejo de la 
Cuenca Hidrográfica del Río Alto Chicamocha - NSS (Cód. 2403-01). Fase diagnóstica. Tomo I. 
Tunja.: La Corporación, 2018. p. 435 
17 
 
y alternativas de manejo permitirá establecer propuestas de rehabilitación y/o planes de 
manejo en protección de dichas áreas. 
Por medio de la siguiente investigación, se busca solucionar las siguientes preguntas: 
¿Cuáles son los usos de suelo, coberturas vegetales y características físicas, 
meteorológicas y geológicas de la Microcuenca La Chorrera? 
¿Cómo afecta la expansión agrícola y ganadera, y las variaciones de usos del suelo y 
coberturas vegetales la respuesta hidrológica de la Microcuenca La Chorrera Embalse La 
Copa? 
¿Qué parámetros presentan mayor sensibilidad en la calibración del modelo SWAT (Soil & 
Water assesment tool)? 
¿Bajo qué escenarios en relación a los usos de suelo y coberturas vegetales se hace 
posible mantener la respuesta hidrológica de la microcuenca La Chorrera? 
¿Qué medidas se pueden implementar para mantener la respuesta hidrológica en 
condiciones que permitan atender las necesidades ambientales y sociales de la región? 
1.2. JUSTIFICACIÓN 
El desarrollo de actividades agrícolas en muchos escenarios se intensifica en lugares 
cercanos a cuerpos hídricos y/o con disponibilidad de provisión a necesidades básicas de 
abastecimiento de aguas para siembra y regadío; en este punto es evidente que los 
agricultores no tienen en cuenta áreas de protección de cauces ya sea por desconocimiento 
y/o contravención. 
En el departamento de Boyacá, El Embalse La Copa representa amplias condiciones de 
aprovechamiento, considerando su capacidad de volumen, características climáticas y 
zonas potenciales para el cultivo de papa, cebolla, trigo, maíz, cebolla, avena entre otros, 
estas condiciones causan a su vez que se afecte la cobertura vegetal y los usos de suelo a 
disposición, “En general las subcuencas y microcuencas del municipio de Toca se 
encuentran en avanzado estado de deterioro provocado básicamente por el uso 
indiscriminado de agroquímico... así como la mecanización intensiva en el uso agrícola sin 
tener en cuenta el área de protección” 3 
En condiciones generales, sobre la totalidad de la Subcuenca Embalse La Copa se puede 
evidenciar el alto grado de fragmentación de los ecosistemas debido principalmente a 
actividades de tala de bosques para leña, expansión de tierras para cultivos y potreros, esta 
situación ha llevado a escasez de agua para riego y otras necesidades.4 
 
3 ALCALDÍA DE TOCA. Op. Cit., p. 49. 
4 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE BOYACÁ. Plan de Ordenación y Manejo Ambiental 
de la Cuenca Hidrográfica del Rio Alto Chicamocha. Universidad Pedagógica y Tecnológica de 
Colombia- Centro de Estudios Económicos. Universidad Nacional de Colombia-Instituto de Estudios 
Ambientales. 2006. 
18 
 
Por lo anteriormente mencionado, en el presente estudio, se plantean soluciones y planes 
de rehabilitación, a partir de parámetros y reportes hidrológicos que determinan el 
comportamiento de la respuesta hidrológica mediante el uso de herramientas SIG como el 
software ArcSWAT, el cual es un complemento de ArcGIS usado para delimitar áreas de 
estudio, combinar las capas de datos y modelar cuencas hidrográficas a partir de 
información recopilada. Los resultados obtenidos constituyen un aporte a corporaciones 
autónomas regionales, municipios de Toca y Tuta (BOY), secretaría de salud y demás 
cabeceras municipales, reconociendo los usos actuales y futuros de las aguas contenidas 
en el Embalse La Copa. 
 
1.3. OBJETIVOS 
1.3.1. Objetivo general 
Determinar la influencia que genera el cambio de coberturas vegetales y usos de suelo 
debido a actividades agrícolas y ganaderas en la respuesta hidrológica de la microcuenca 
La Chorrera con el fin de planificar el uso del suelo a partir de modelo SWAT. 
1.3.2. Objetivos específicos 
 Identificar los usos de suelo y coberturas vegetales, características meteorológicas, 
geológicas y físicas de la zona de estudio. 
 
 Determinar la disponibilidad del recurso hídrico y la respuesta hidrológica utilizando el 
modelo SWAT basado en el uso del suelo y coberturas vegetales en la microcuenca. 
 
 Establecer las condiciones y variables que presentan mayor influencia en el modelo 
hidrológico. 
 
 Determinar la respuesta hidrológica mediante la valoración de escenarios con 
variaciones en el uso de suelo y cobertura vegetal de la microcuenca de estudio. 
 
 Elaborar una propuesta de recuperación, planes de rehabilitación y manejo en la 
microcuenca La Chorrera. 
 
19 
 
2. MARCO REFERENCIAL 
2.1. MARCO CONCEPTUAL 
2.1.1. Cuenca hidrológica 
Una cuenca u “hoya hidrográfica es un área definida topográficamente, drenada por un 
curso de agua o un sistema conectado de cursos de agua, tal que todo el caudal efluente 
es descargado a través de una salida simple”5, “desde el punto de vista de su salida, existen 
fundamentalmente dos tipos de cuencas: endorreicas y exorreicas. En las primeras el punto 
de salida está dentro de los límites de la cuenca y generalmente es un lago; en las 
segundas, el punto de salida se encuentra en los límites de la cuenca y está en otra 
corriente o en el mar”6. En la delimitación y modelación con la herramienta SWAT, la 
información es agrupada en unidades de respuesta hidrológica definidas como áreas de 
tierra dentro de la cuenca que pertenecen a todas las combinaciones de cobertura de tierra, 
suelo y pendiente en la cuenca. 7 
2.1.2. Modelo hidrológico 
En el análisis y evaluación de la disponibilidad y provisión del recurso hídrico sobre zonas 
específicas, el estudio de la hidrología permite la determinación aproximada del agua para 
su aplicación en el diseño y materialización de obras hidráulicas, así como de prácticas de 
manejo ambiental. Dicha ciencia natural se dedica a “estudiar al agua, su ocurrencia, 
circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su 
relación con el medio ambiente”8 
Adicional a lo anteriormente mencionado, por medio de modelamiento se hace posible 
determinar las condiciones hidrológicas de un lugar determinado a partir de información 
meteorológica, morfológica, condiciones del suelo etc. para todos los casos el 
modelamiento es una representación abreviada de un sistema real complejo llamado 
prototipo, bajo forma matemática o física; el sistema físico real que se representa es la 
'cuenca hidrográfica' y cada uno de los componentes del ciclo hidrológico, por lo que en 
todos los casos se hace necesario tener conocimiento de entradas (inputs) al sistema y 
salidas (outputs) a partir del sistema, para verificar si el modelo es representativo del 
prototipo. La salida de los modelos hidrológicos varía dependiendo de los objetivos del 
mismo, de esta manera un modelo matemático nos ayudará a determinar y tomar 
decisiones en materia de hidrología9 (IDEAM 2014). 
 
5 MONSALVE,Sáenz Germán. Hidrología en la Ingeniería. Escuela Colombiana de Ingeniería, 
Colombia, 1995, p. 33. 
6 APARICIO, Francisco. Fundamentos de hidrología de superficie. 6° ed. México. Editorial Limusa 
S.A. 1992. p 19 
7 URIBE, Natalia. “Conceptos básicos y guía rápida para el usuario SWAT 2005.” Agricultura Tropical: 
47. Recuperado de http://swat.tamu.edu/media/46967/swat2005-tutorial-spanish.pdf. 2010. p 6. 
8 APARICIO. Op. Cit., p.13 
9 IDEAM. Modelación hidrológica. Recuperado de http://www.ideam.gov.co/web/agua/modelacion-
hidrologica. 2014. 
20 
 
Los procesos hidrológicos presentes en cuencas se caracterizan: Por ser no lineales (con 
variaciones en el espacio y en el tiempo), por ser no estacionarios (se encuentran afectos 
a periodicidad y tendencias), por ser variables en el espacio (debido a las características 
variables del suelo, del uso y del clima a lo largo de la cuenca) y por ser variables en el 
tiempo (en todas las escalas, ya sea horaria, diaria, mensual, etc.); debido a esta 
variabilidad, las mediciones de los procesos hidrológicos solo pueden considerarse como 
un punto de información, por lo que se hace obligatorio definir cuáles son los procesos 
principales y las variables que intervienen en la generación de volúmenes de agua.; 
reconociendo, que entre mayor información recolectada mayor confiabilidad tendrá el 
modelo en etapas de calibración y validación. “El proceso de calibración es la etapa en la 
cual se asignan valores a todos los parámetros del modelo de manera tal que la salida del 
modelo se ajuste lo mejor posible a los datos históricos registrados”10. 
2.1.3. Respuesta hidrológica 
En el manejo del recurso hídrico disponible y los volúmenes totales en la determinación del 
ciclo hidrológico en cuencas “el conocimiento de la respuesta hidrológica se hace necesario 
para distintos fines, desde la estimación de los caudales generados por las tormentas hasta 
la evaluación del impacto que producen los cambios de uso del suelo en el ciclo del agua”11; 
en su conceptualización y su relación con cada uno de los parámetros incidentes “La 
respuesta hidrológica de las superficies de aportación, en sus diferentes dimensiones, es 
uno de los principales indicadores del balance que existe entre los recursos naturales y su 
aprovechamiento, ya que mientras más inadecuado es el aprovechamiento, la 
disponibilidad de los recursos naturales disminuye en cantidad y en calidad” (Granada Isaza 
et al. 2013)12. En la determinación de los resultados obtenidos en modelación con respecto 
a la cantidad, los tiempos de recorrido e hidrogramas generados dependen de las 
características físicas de la cuenca, factores climáticos, infiltración y escurrimiento, 
evaporación, características y usos del suelo, subsuelo, coberturas vegetales, geología 
entre otros. 
2.1.4. Usos del suelo 
Bajo condiciones apreciables y en el desarrollo de cualquier modelo hidrológico, las 
actividades antropogénicas representan una de las mayores afectaciones de los suelos 
disponibles en cuencas hidrográficas; en muchas ocasiones es apreciable cómo debido a 
la intervención humana, los suelos no tienen la capacidad de reestablecer sus condiciones 
naturales y/o previas a su intervención. Reconociendo que dentro de su definición básica, 
los usos de suelo se definen como “cualquier tipo de utilización humana de un terreno, 
incluido el subsuelo y el suelo que le corresponda.”(Gobernación de Córdoba, 2012) el uso 
 
10 TUCCI, Carlos. Modelos hidrológicos. 2 ed. Editorial UFRGS. 2005 p. 56 
11 GRAYSON, Rodger; MOORE, Ian y MACMAHON, Thomas. Physically Based Hydrologic 
Modelling: Aterrain Based Model for Investigative Purposes. En: Water Resources Research. 1992. 
p. 2642 
12 GRANADA, Isaza. Et al. Efecto del estado de degradación en la respuesta hidrológica de dos 
unidades de escurrimiento en la cuenca del río La Sierra, México. En: European Scientific Journal 
9(21). 2013 p. 194–210 
21 
 
se puede clasificar en minería, bosques, páramo, cultivos, pastos, ganaderos etc., por lo 
que para todos los casos se hace obligatorio conocer y establecer el uso predominante y 
las condiciones en todas las áreas de la cuenca con la finalidad de analizar adecuadamente 
las unidades de respuesta hidrológica. 
2.1.5. Cobertura del suelo 
Término que resalta la interacción entre los factores bióticos y abióticos sobre un espacio 
en específico, es decir el resultado de la asociación entre el espacio y tiempo de elementos 
biológicos vegetales característicos, los cuales conforman unidades funcionales y 
estructurales (UNAD 2009), pueden ser monitoreados por medio de imágenes satelitales, 
fotografías, sensores remotos etc. 
2.1.6. Sistemas de información geográfica 
Un Sistema de Información Geográfico (SIG) permite relacionar cualquier tipo de dato con 
una localización geográfica. En un solo mapa se permite mostrar la distribución de recursos, 
edificaciones, usos de suelo, coberturas vegetales, poblaciones, entre otros datos de los 
municipios, regiones o países, mezclando hardware, software y datos geográficos, y los 
muestra en una representación gráfica. Los SIG están diseñados para capturar, almacenar, 
manipular y analizar la información de todas las maneras posibles de forma lógica.13 
2.1.7. SWAT 
SWAT son las siglas de Herramienta para la Evaluación del Suelo y Agua para una cuenca 
hidrográfica; el modelo a escala fue desarrollado por DR Jeff Arnold para el USDA el servicio 
Agrícola de Investigación (ARS). SWAT es desarrollado para predecir el impacto de las 
prácticas de manejo del suelo en la generación de agua, sedimentos y producción de 
sustancias agrícolas químicas, en cuencas grandes y complejas con variedad de suelos, 
uso de tierra y condiciones de manejo sobre un tiempo prolongado.14 . 
El SWAT requiere información específica sobre el clima y tiempo, propiedades de los 
suelos, topografía, vegetación y prácticas de manejo de tierra que acontecen en las 
cuencas para utilizar estas como datos de entrada. Los procesos físicos asociados con el 
movimiento del agua, movimiento de sedimento, desarrollo de cosecha, ciclo de nutrientes, 
etc. son modelados directamente por el programa 15. De igual manera, SWAT agrupa y 
organiza Unidades de respuesta hidrológica para analizar cuencas hidrográficas, por lo que 
teniendo en cuenta el procesamiento de la información se hace posible modelar caudales. 
 
13 MINISTERIO DE EDUCACION NACIONAL. Sistema de información geográfico del sector 
educativo. [citado en 2016-09-28] Disponible en internet: 
<http://www.mineducacion.gov.co/1621/article-190610.html> 
14 URIBE. Op. Cit., p.3 
15 Ibíd., p. 3. 
22 
 
2.2. ESTADO DEL ARTE 
2.2.1. Determinación de la respuesta hidrológica y utilización del modelo SWAT: 
En el artículo titulado “Utilización de Modelos hidrológicos para la determinación de 
Cuencas en Ecosistemas de Páramo” se procedió a delimitar la cuenca del Páramo de la 
Cortadera, localizado entre los municipios de Siachoque y Toca – Departamento de Boyacá 
por medio de un análisis morfométrico, un modelo de elevación digital (DEM), ArcGIS y el 
modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool). La cuenca de estudio fue dividida en 
cinco sub-cuencas, las cuales disponen caudal hacia la represa La Copa; posterior a ello, 
se determina la precipitación media y parámetros morfométricos de la cuenca (área, 
Perímetro, densidad de drenaje, Coeficiente de compacidad, factor de forma, pendiente 
promedio e índice de alargamiento, longitudes de corrientes, pendientes medias de cauces 
y tiempos de concentración). Como análisis general se determina que la utilización de los 
programas mencionados facilita el cálculo de parámetros morfométricos y la interacción de 
resultados, de igual manera puede integrarse a sistemas de información para hallar 
parámetros hidrológicos16 
En elproyecto: “Estimación de los parámetros morfométricos y las unidades de respuesta 
hidrológica de la cuenca del Río Ráquira departamento de Boyacá a través del programa 
SWAT” para la zona de estudio y con la utilización la interfaz, fue posible obtener la totalidad 
de parámetros morfométricos para la posterior definición de indicadores descriptivos de la 
cuenca respecto a la respuesta hidrológica. Se determinó que superior a altitudes 
superiores a los 3100 msnm se genera mayor tendencia a los procesos de erosión y a 
altitudes entre los 2000 msnm y 3100 msnm mayor arrastre de sedimentos. 
Complementariamente, se relacionó la producción de sedimentos con la velocidad de 
infiltración, zonas en fases de procesos de erosión, la pendiente y la capacidad de los 
ecosistemas a retener material granular por medio de coberturas vegetales; con lo anterior 
se evaluaron las unidades de respuesta hidrológica en relación a las zonas de mayor 
producción de sedimentos, considerando que la totalidad de la cuenca es poco homogénea 
al presentar variabilidad en pendientes, usos y tipo de suelo17 
Con diversas aplicaciones, en la “Evaluación de la producción de sedimentos en la cuenca 
de Kalaya (Marruecos septentrional) utilizando el modelo SIG y SWAT” 18, se utilizó el 
modelo de evaluación de suelos y aguas (SWAT, versión 2012) integrado con el Sistema 
de Información Geográfica (SIG, versión 10.1) para simular la corriente y la concentración 
de sedimentos de la cuenca de Kalaya situada en el norte de Marruecos. Como resultado, 
 
16 REYES, Omar. Utilización de modelos hidrológicos para la determinación de cuencas en 
ecosistemas de páramo. En: Revista Ambiental Agua, Aire y Suelo. 2013. Vol. 4. 56–65. 
17 HERNÁNDEZ, Diana. Estimación de los parámetros morfométricos y las unidades de respuesta 
hidrológica de la cuenca del Río Ráquira departamento de Boyacá a través del programa SWAT. 
Trabajo de grado Especialista en recurso Hídrico. Bogotá. Universidad Católica de Colombia. 2015 
p.34 
18 BRIAK, Hamza. Evaluación de la producción de sedimentos en la cuenca de Kalaya (Marruecos 
septentrional) utilizando el modelo SIG y SWAT. En: International Soil and Water Conservation 
Research. 2016. Vol 4. 177-185. Disponible en internet: 
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209563391> 
23 
 
la tasa global de erosión del suelo evaluada en el área de estudio varió de 20 a 120 t / ha / 
año. En condiciones generales, se resumió que todo el conocimiento de los procesos 
hidrológicos ocurre dentro de la cuenca hidrográfica y la conciencia acerca del alcance 
aceptable de los parámetros es crucial mientras se desarrolla un modelo hidrológico 
confiable. 
Durante el “Desarrollo de un modelo de transporte de patógenos para las cuencas 
irlandesas utilizando SWAT”19 (Coffey, R. 2010), el modelo representa una aplicación 
dinámica de modelación de cuencas que puede aplicarse a cualquier cuenca hidrográfica y 
se utiliza para cuantificar el impacto de las prácticas de manejo de la tierra sobre la calidad 
del agua durante un período continuo. El objetivo de este estudio es aplicar la Herramienta 
de Evaluación de Suelos y Aguas (SWAT) para modelar el transporte de patógenos, simular 
prácticas de manejo que afectan la calidad del agua y predecir cargas de patógenos en las 
cuencas irlandesas. Los resultados de validación hidrométrica muestran una muy buena 
relación lineal entre los datos observados y modelados e indican una simulación 
satisfactoria de los procesos hidrológicos de acuerdo a coeficientes de determinación 
dentro de la cuenca. 
En el trabajo “SWATgrid: Una interfaz para configurar SWAT en un esquema de 
discretización basado en la red20 ,se demuestra la funcionalidad de SWATgrid, comparando 
los resultados de SWATgrid con los del modelo SWAT convencional. El desarrollo del 
esquema de discretización basado en la red presenta la utilización de un conjunto de datos 
de prueba SWAT, presentando una interfaz de modelo que permite al usuario incorporar 
detalles espaciales en un modelo SWAT. 
En la “Modelación de la escorrentía de una cuenca hidrográfica agrícola de la cuenca 
occidental del lago Chilika a través de ArcSWAT” 21 se evidenció la eficiencia de ArcSWAT 
al estimar el potencial de escorrentía futuro de la cuenca occidental. En el estudio se 
encontró que alrededor del 60% de las precipitaciones se reparten en aguas de escorrentía, 
transportando una cantidad significativa de carga de sedimentos y que son aportadas al 
lago Chilika. 
La evaluación de los impactos antropogénicos a largo plazo en los ecosistemas agrícolas 
requiere capacidades de modelización completas para simular las interacciones del agua 
entre los dominios de superficie y de aguas subterráneas. En “Un modelo de marco de 
 
19 COFFEY, R. Development of a pathogen transport model for Iirish catchments using SWAT. En: 
Agricultural Water Management. 2010. Vol 97: p. 101-111. Disponible en internet 
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377409002479. 2010> 
20 RATHJENS, H. OPPELT, N. SWATgrid: An Interface for setting up SWAT in a grid-based 
discretization scheme. En: Computers & Geosciences. 2012. vol 45. p. 161-167. Disponible en 
internete en < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0098300411003694> 
21 BAHABANI, Sankar, PRIYABRATA, Santra, Modeling runoff from an agricultural watershed o 
western catchment of Chilika lake through ArcSWAT. En: Journal of Hydro-environment Research. 
2013. vol. 7. p. 261-269. Disponible en internet: 
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S15706443130 00403> 
24 
 
integración para vincular SWAT y MODFLOW” 22, se utilizaron los conjuntos de datos de la 
cuenca experimental Fort Cobb Reservoir (ubicada en Oklahoma, EE.UU.), en SWAT para 
facilitar la vinculación y simulación dinámica de los modelos SWAT y MODFLOW. Los 
niveles simulados de caudal y de aguas subterráneas coinciden generalmente con las 
tendencias de observación que muestran que el SWAT puede utilizarse para simular las 
interacciones superficiales y subterráneas. 
En la “Evaluación y caracterización hidrológica basada en SWAT de las subcuencas del 
lago Ziway, Etiopía”23 , se evidenció que la región del estudio se encuentra actualmente 
bajo fuertes presiones humanas asociadas principalmente con la creciente población y la 
consiguiente intensificación de las actividades de desarrollo agrícola. Por medio del estudio 
se cuantificó y comparó los componentes del balance hídrico, la descarga de los ríos de 
alimentación y la evapotranspiración (ET) en la región de estudio utilizando el modelo 
SWAT (Soil and Water Assessment Tool). El modelo estimó que el lago Ziway y su cuenca 
significan ETs anuales de 1920 mm y 674 mm respectivamente, pero la plantación mostró 
más ET que otros tipos de cobertura de tierra en la cuenca. Si continúan las tendencias 
actuales en el desarrollo del riego en la región, se sospecha que Katar y los ríos Meki 
probablemente dejarán de existir después de siete décadas, y también el Lago Ziway se 
secará. Lo anterior comprobando la eficiencia de la modelación en ArcSWAT. 
Calibración, validación del modelo SWAT y cambio de coberturas: 
En el artículo: "Hydrological simulation in a basin of typical tropical climate and soil using 
the SWAT model part I: Calibration and validation tests” se propone la utilización del modelo 
SWAT para la estimación de la disponibilidad de agua y la planificación del uso del suelo y 
la ocupación de la cuenca del rio Pomba, las calibraciones fueron realizadas entre enero 
de 1996 y diciembre de 1999, simulando los eventos de mayores y menores caudales, 
reduciendo incertidumbres existentes. La calibración se realizó para el caudal medio diario 
y se ejecutó por ensayo y error modificando un parámetro a la vez para luego analizar los 
resultados24, la validación se desarrolló en el periodo comprendido entre los años 2000 a 
2004 a partir de las pruebas propuestas por Klemes, (1986), empleando la prueba de 
muestra separada con la aplicación del modelo previamente calibrado por un período de 
tiempo determinado a otro del mismo rango, y pruebas específicamente aguas abajo de la 
 
22 GUZMAN, Jorge, et al. A model integration framework for linking SWAT and MODFLOW. 
En: Environmental Modelling & Software. 2015. Vol 73. p 103–116. Disponible en internet 
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364815215300372> 
23 DESTA, Hayal, BROOK, Lemma. SWAT based hydrological assessment and characterization of 
lake Ziway sub-watershed, Ethiopia. En: Journal of Hydrology: Regional Studies. 2017. vol 13. p. 
122–137.Disponible en internet: 
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581817300988> 
24PEREIRA, Donizete, et al. “Hydrological Simulation in a Basin of Typical Tropical Climate 
and Soil Using the SWAT Model Part II: Simulation of Hydrological Variables and Soil Use 
Scenarios. En: Journal of Hydrology: Regional Studies, 2016. Vol 5. p.149-163. Disponible 
en internet: <https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581815001238> 
 
25 
 
zona de calibración. (Klemeš 1986). En condiciones generales la aplicación de 
herramientas SWAT generó óptimas estimaciones del balance hídrico en la búsqueda de 
medidas de gestión y manejo de la cuenca estudiada. 
En relación a las herramientas de gestión y manejo ambiental se encuentra el estudio: 
“Hydrological modeling of the Simly Dam watershed (Pakistán) using GIS and SWAT model” 
en el que fue posible “suponer el comportamiento de la corriente, establecer el balance de 
agua y evaluar el flujo periódico de volumen para la Presa Simly con el objetivo de ayudar 
a la programación y administración del lugar”25; calibrado entre 1990 y 2001 y validado entre 
2002 a 2011 fueron simulados parámetros como escorrentía, flujo lateral, flujo base y 
evapotranspiración; de igual manera la eficiencia del modelo fue determinada utilizando el 
coeficiente de determinación (R2) con la finalidad de evaluar la coherencia entre los datos 
observados y simulados, se determinó que “(R2) era semejante a 0,93 para la medición y 
0,80 para la validación, demostrando que los resultados de flujo procedentes del modelo 
son bastante buenos para los dos períodos”, dada la estrecha relación entre valores 
modelados y observados, en condiciones generales se informa y recomienda que se debe 
utilizar el modelo calibrado para evaluar de igual manera componentes de la cuenca como 
el “estudio de los impactos sobre los recursos hídricos y las variaciones climáticas”. 
Con SWAT, se predice la afectación de actividades agrícolas y condiciones de manejo 
sobre tiempos en específico; en el artículo titulado "Integración Dinámica de los Cambios 
en el Uso de la Tierra en una Evaluación Hidrológica de una Cuenca de la India Desarrollada 
Rápidamente" se determinó que para estudiar los potenciales impactos en captación, se ha 
confirmado la importancia de la integración dinámica de la modificación de la utilidad del 
suelo en los modelos hidrológicos en la estimación del comportamiento temporal de los 
flujos de agua.”26 
En el “Análisis ambiental y económico de la utilización de SWAT para simular los efectos 
de la producción de cambio de coberturas sobre la calidad del agua en una cuenca 
afectada”27 el modelo SWAT calibrado se utilizó para simular el efecto de la conversión del 
uso de la tierra de todo el cultivo actual y las tierras de pasto / heno a la producción de 
pastizales. Los resultados muestran que la conversión reduce las cargas anuales promedio 
de sedimentos, nitratos, nitrógeno total y fósforo total en un 77%, un 62%, un 34% y un 
46%, respectivamente. El análisis de los valores actuales netos de diez años de beneficios 
 
25 GHORABA, Shimaa. Hydrological Modeling of the Simly Dam Watershed (Pakistan) Using GIS 
and SWAT Model.. En: Alexandria Engineering Journal. Septiembre 2015. vol 54. p. 583–594. 
Disponible en inernet: <http://dx.doi.org/10.1016/j.aej.2015.05.018> 
26 WAGNER, Paul . et al. Dynamic Integration of Land Use Changes in a Hydrologic Assessment of 
a Rapidly Developing Indian Catchment.. En: Science of the Total Environment. 2016. Vol 539. p. 
153–64. Disponible en internet: <http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.08.148> 
27 ZHOU, Xia Vivian. Análisis ambiental y económico de la utilización de SWAT para simular los 
efectos de la producción de cambio de grama sobre la calidad del agua en una cuenca afectada. En: 
Agricultural Water Management. 2015. Vol: 160. P. 1-13. Disponible en internet: 
<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378377415300342> 
 
26 
 
agrícolas y los coeficientes para la reducción de las cargas de nutrientes indica que la 
conversión del uso de la tierra es económicamente factible. 
En el estudio titulado “Hydrological simulation in a basin of typical tropical climate and soil 
using the SWAT Model Part II: Simulation of hydrological variables and soil use scenarios”, 
se toma el uso actual de suelo como línea base, estimando la respuesta hidrológica de la 
cuenca causada por los cambios de uso del suelo para simular: “(I) caudales máximos y 
mínimos diarios registrados en un año, relacionados a distintos tiempos de retorno, (II) 
caudales mínimos de base, y (III) espacios con modificación de la utilización del suelo.”28. 
En este estudio en fase de calibración se modificaban parámetros y se comparaban 
hidrogramas simulados con observados. De igual forma, con la finalidad de valorar 
escenarios reales se proponen tres alternativas, la primera simula el uso de la tierra con 
áreas de preservación permanente o conservadas, la segunda propone sustituir el 10% de 
las áreas cubiertas por pastos por eucalipto y una tercera alternativa evaluando la 
sustitución del 10% de las áreas de pastos por cultivos de café, frijoles, maíz entre otros. 
Los resultados demostraron que “las inconstantes hidrológicas modeladas por SWAT no se 
presentaron como estadísticamente diferentes de las apreciadas en un nivel del 5%” 
29comprendiendo que con la primera alternativa resultó una reducción media anual de 
escorrentía de 13,2 mm (con uso actual base de 477,9 mm) es decir una reducción de 3% 
aproximadamente causado según los autores al aumento de la tasa de evapotranspiración 
en comparación con los usos actuales; en las alternativa 2 y 3 se generaron “disminuciones 
medias anuales de 4,0 y 6,5 mm en el escurrimiento, respectivamente, porque aunque la 
escorrentía disminuyó en el escenario 3, el modelo SWAT supone un crecimiento de la 
escorrentía superficial.”. En la valoración de los anteriores resultados, se encontró que a 
pesar de que la escorrentía disminuyera y se incrementara el consumo de agua en 
escenarios de reforestación a través de la evapotranspiración, “se hallaron resultados más 
favorables de preservación de suelo y agua para dichos escenarios, en los que la 
reforestación era transcendental para normalizar el máximo caudal, y por consiguiente el 
intervención de los procesos de erosión, de la misma manera certificaron caudales mínimos 
a lo largo del tiempo de sequía que asegura la disponibilidad del recurso hídrico en la 
cuenca.” 
 
 
28 PEREIRA. Op. Cit., p 149 
29 Ibíd., p. 150 
27 
 
3. METODOLOGÍA 
 
En este capítulo se describen los aspectos a tener en cuenta para poder dar cumplimiento 
a los objetivos planteados, es decir, se detallan las actividades que hacen parte del proceso 
a desarrollar dentro del proyecto, definido específicamente como diseño metodológico y 
experimental. 
Se han elaborado estudios encargados de evaluar la respuesta hidrológica en cuencas 
hidrográficas, dentrode los cuales se recurre al modelo de simulación hidrológica SWAT 
en la calibración o ajuste entre escurrimientos medidos y simulados para su posterior 
validación en estudios de impacto y manejo.30 
3.1. DEFINICIÓN DE HIPÓTESIS Y VARIABLES 
La hipótesis que aborda el presente proyecto de investigación se enmarca en el siguiente 
planteamiento: “Las modificaciones en los usos de suelo y coberturas vegetales causadas 
por actividades agrícolas y ganaderas afectan y generan impactos en la disponibilidad y 
respuesta hidrológica de la microcuenca la Chorrera, afluente del embalse La Copa”. 
Las variables involucradas en la investigación son: 
 Variables independientes: Topografía, cobertura vegetal, uso de suelo, características 
físicas de la cuenca, propiedades del suelo, información climatológica como velocidad 
del viento, radiación solar, brillo solar, temperatura y precipitación. 
 Variables dependientes: Caudales. 
3.2. ETAPAS DEL PROYECTO 
En la Figura 1 se exponen las diferentes etapas a desarrollar en el proyecto de investigación 
aplicada, en el cual se determina la respuesta hidrológica de la microcuenca La Chorrera 
Embalse La Copa en la búsqueda de planificar el uso de suelo y la generación de mapas y 
planes de manejo por medio de sistemas de información geográfica y modelo SWAT. 
 
 
30 TORRES-BENITES, Elibeth et al. En: Adaptacíon de Un Modelo de Simulación Hidrológica a la 
Cuenca del Río Laja, Guanajuato, México. En: Agrociencia. Septeimbre 2005. Vol 39. P. 481–490. 
28 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 NO SI 
 
 
 
 NO 
 
 
 
 
 
 SI 
 
 
 
 
 Fuente: Autor 
Figura 1. Diagrama conceptual metodológico 
Inicio 
Recopilación y Clasificación de la información 
 
Climatología e 
información 
Hidrológica 
 
Red 
Hídrica 
(opcion
al) 
 
Propiedades y 
características del suelo 
 
Coberturas 
vegetales 
 
Características 
Físicas 
Modelo 
de 
elevación 
digital 
 
Procesamiento de la información 
SWAT: Obtención caudales 
modelados 
 
Delimitación de cuenca, 
subcuentas y puntos de 
cierre en SWAT 
 
Definición periodo de 
calibración y validación 
 
Caudal Observado ≅ Caudal 
Modelado (Estadísticas de 
evaluación de desempeño) 
 
Unidades Taxonómicas 
 
- Protección de ronda hídrica 
- Agricultura en zona de páramo 
- Pendientes superiores al 25% 
 
Propuesta de recuperación 
 
Planes de rehabilitación 
 
Fin 
Variación de parámetros de respuesta hídrica superficial, 
subsuperficial y de la cuenca 
 
Características 
Químicas 
Densidad real – Porosidad 
– Humedad – Profundidad 
máxima de enraizamiento – 
porosidad del suelo – 
capacidad de agua 
disponible en el suelo - 
albedo 
Limo – arcilla – Grava – 
arena – Ph – 
conductividad hidráulica 
saturada – carbono 
orgánico – materia 
orgánica – Factor de 
erodabilidad del suelo 
Velocidad del viento, 
Radiación solar, Brillo 
solar, Temperaturas, 
Precipitaciones – 
Caudales observados 
 
Topografía y 
características físicas 
de la cuenca 
 
 
Parámetros 
obtenidos 
en campo 
 
Ingreso datos 
meteorológicos WGEN 
 
Infiltración 
 
Definición Unidades de Respuesta Hidrológica (HRU) 
 
Calibración del modelo 
 
SWAT CUP 
 
Validación del modelo (Estadísticas de 
evaluación de desempeño) 
 
Resultados: Usos de suelo y 
coberturas vegetales 
 
Modelación Hidrológica con variaciones 
en uso de suelo y coberturas vegetales 
 
Aumento en el flujo 
base o caudales 
estables 
 
29 
 
3.2.1. Obtención de información secundaria 
El proyecto de investigación inicia con la documentación de la zona de estudio y 
recopilación de la información bibliográfica disponible; dentro de los cuales se destaca la 
información suministrada por las corporaciones autónomas regionales, planes y/o 
esquemas de ordenamiento territorial de las cabeceras pertenecientes a la cuenca media 
del Rio Chicamocha y estudios elaborados del Embalse relacionados a la problemática 
mencionada (considerando que el Embalse representa potencial alternativa para consumo 
en posibles desabastecimientos). Dicha recopilación se clasifica de acuerdo al tipo de 
variable, ya sea climatológica, usos de suelo y coberturas vegetales, topografía, 
propiedades y características de los suelos y registros de caudales de estación limnimétrica. 
3.2.2. Obtención de información primaria 
Con la información disponible se determina las características físicas de la cuenca 
hidrográfica: 
- Delimitación 
- Área de drenaje 
- Forma de la cuenca: Coeficiente de compacidad, factor de forma. 
- Sistema de drenaje. 
- Relieve. 
3.2.3. Modelación, calibración y validación. 
Se procede a ingresar la cartografía referente a los suelos de la microcuenca, incluyendo 
las características físicas y químicas para la totalidad de unidades taxonómicas; 
posteriormente se elaboran mapas de cobertura vegetal para la generación de Unidades 
de Respuesta Hidrológica (HRU), las cuales obtiene la interfaz SWAT a partir de las 
propiedades de suelo y el modelo de elevación digital (DEM). A continuación, el ingreso de 
parámetros meteorológicos (Figura 1) permite al programa procesar las entradas, conforme 
al enrutamiento del ciclo hidrológico y la obtención de caudales. Para la presente 
investigación, los periodos se consideraron a partir de la disponibilidad de registros en 
estaciones (limnimétrica y meteorológica), así como de fenómenos de variabilidad climática 
(niño y niña). 
Con el propósito de evaluar la coherencia entre caudales observados y modelados, se 
calibran los resultados generados en el programa SWAT CUP, estableciendo las variables 
que presentan mayor influencia en el modelo; para la investigación, se comparan los 
caudales a través de coeficientes de desempeño estadístico (R2, PBIAS, NASH), los cuales 
se revisaron conforme a la variación de parámetros de respuesta hídrica superficial, 
subsuperficial y de la cuenca; en esta etapa del proyecto, la información referente a usos 
de suelo, coberturas vegetales, topografía y características físicas de la cuenca no fue 
considerada dentro de los parámetros de calibración para la determinación de caudales. 
30 
 
Posteriormente, fue validado el modelo generado, por lo cual se verificó que los parámetros 
modificados en el proceso de calibración permanecieran con las características y 
condiciones presentadas en la microcuenca; a continuación y por medio de un análisis de 
sensibilidad, se establecieron las variables hidrológicas que demostraron mayor influencia 
en los resultados obtenidos. 
Con la calibración y validación ya realizada, se obtiene el escenario que contiene los usos 
de suelo y coberturas vegetales presentes en la microcuenca La Chorrera. 
Por último, se determina la respuesta hidrológica mediante la valoración y simulación de 
escenarios con variaciones en los usos de suelo y coberturas vegetales de la zona de 
estudio, evaluando alternativas hasta que se optimice la respuesta de la microcuenca 
hidrográfica.3.2.4. Análisis de resultados. 
La confiabilidad en el análisis de datos depende del tipo y/o procedencia de la información 
espacial recopilada; de igual manera los procesos hidrológicos simulados y la cartografía 
son valorados conjuntamente con Sistemas de Información Geográfica, modelo SWAT y 
SWATCUP. 
Con los resultados obtenidos se elabora una propuesta de recuperación y planes de 
rehabilitación en la microcuenca La Chorrera con la finalidad de permitir una adecuada 
interacción entre el desarrollo de actividades sostenibles y el recurso hídrico disponible. 
Las medidas y acciones responden a alternativas de solución no estructurales que puedan 
aplicar y ejercer las autoridades municipales o ambientales en cuanto a manejo, 
expropiación de predios y demás procesos administrativos, medidas de protección, entre 
otros resultados; lo anterior, de acuerdo a lineamientos relacionados en Esquemas de 
Ordenamiento Territorial, fuente documental del PLAN DE ORDENACIÓN Y MANEJO DE 
LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ALTO CHICAMOCHA – POMCA (aprobado en 
2018) y marcos legislativos dados por parte de las corporaciones autónomas regionales. 
En complemento, se precisa que en el presente estudio no se desarrolló experimentación 
en laboratorio, pero si se recopiló información en campo para evaluar los parámetros de 
infiltración y clasificar el suelo de acuerdo al grupo hidrológico correspondiente. 
 
31 
 
4. GENERALIDADES 
 
Parte de la fuente documental consultada, corresponde al “PLAN DE ORDENACIÓN Y 
MANEJO DE LA CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO ALTO CHICAMOCHA - POMCA”, 
aprobado mediante resolución 1212 del 30 de mayo de 2018.31 
Se extraen algunos apartes del documento “Fase Diagnóstico” capítulo 2 “Caracterización 
básica de la cuenca”, con el propósito de contextualizar aspectos de la microcuenca la 
Chorrera que hace parte de la cuenca del río Chicamocha. 
4.1. LOCALIZACIÓN 
La microcuenca “La Chorrera” identificada en la Figura 2, se localiza principalmente en el 
municipio de Toca, y limita por el norte con el municipio de Tuta, por el oriente con el 
Municipio de Pesca y por el occidente con el municipio de Toca particularmente con el 
embalse de la Copa, precisando en este punto la salida de la microcuenca. 
Figura 2 División político administrativa; Municipios dónde se encuentra la microcuenca “La 
Chorrera” 
 
Fuente: Autor, adaptado de 01_localización_general_100.mxd POMCA 2018. 
 
31 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DEL BOYACÁ. Resolución 2012 del 30 de mayo de 
2018 Por medio de la cual se aprueba el Plan de Ordenación y Manejo de la Cuenca Hidrográfica 
del Río Alto Chicamocha - NSS (Cód. 2403-01). En: Boletín Oficial CORPOBOYACA, 13 junio 2018. 
Edición 184. p.4-10. 
32 
 
4.2. HIDROGRAFÍA 
La microcuenca la Chorrera con su cuerpo de agua principal denominado río la Chorrera 
corresponde a una unidad hidrológica de orden III como microcuenca abastecedora de la 
subcuenca del río Tuta, categorizado de orden II y a su vez parte de la cuenca alta del río 
Chicamocha de orden I. 32 
De acuerdo a la zonificación Hidrográfica nacional establecida por el IDEAM, la cuenca alta 
del río Chicamocha pertenece a la zona hidrográfica del río Sogamoso y a su vez del área 
hidrográfica del Magdalena-Cauca. 
El patrón de drenaje es dendrítico, la microcuenca del río la Chorrera tiene una longitud de 
drenaje de 192.84 kilómetros, un área de 66.77 kilómetros cuadrados y una densidad de 
drenaje de 2.89 kilómetros por cada kilómetro cuadrado.33 
Figura 3. Hidrografía sector microcuenca “La Chorrera” 
 
Fuente: Autor, adaptado de 09_hidrografía_100.mxd. POMCA 2018. 
 
32 CORPORACIÓN AUTÓNOMA REGIONAL DE BOYACÁ. Plan de Ordenación y Manejo de la 
Cuenca Hidrográfica del Río Alto Chicamocha - NSS (Cód. 2403-01). Fase diagnóstico. Tomo I. 
Tunja.: La Corporación, 2018. p. 365 
33 Ibid., p. 374. 
33 
 
4.3. GEOLÓGICA REGIONAL 
Como se observa en la Figura 4, en el sector dónde se localiza la microcuenca “La Chorrera” 
se encuentran presentes cuatro formaciones litoestatigráficas que hacen parte de la 
geología regional. Estas formaciones son: Formación Une (Kiu), formación Tilatá (Tst), 
formación Conejo (Kscn) y depósitos aluviales recientes (Qal), las cuales se encuentran 
presentes en la microcuenca del río la Chorrera delimitada en color negro: 
Figura 4 Formaciones geológicas sector microcuenca “la Chorrera” 
 
Fuente: Autor, Adaptado de 04_geología_regional_100.mxd. POMCA 2018. 
A continuación, se describen las características de las formaciones mencionadas 
anteriormente: 
- Formación Une (Kiu) 
Litología: Consta de una sucesión de aproximadamente 510 metros, descritos en la 
Quebrada Dorbaquirá, de areniscas cuarzosas, color gris claro a blanco amarillento, de 
grano fino a grueso, localmente conglomeráticas, algo micáceas, con estratificación 
convergente en capas delgadas a gruesas. Se presentan delgadas intercalaciones de 
lodolitas negras, las cuales son más frecuentes hacia la parte superior. La unidad se 
caracteriza por presentar una topografía de grandes escarpes, que contrasta con la 
topografía suave de las unidades infra y suprayacentes. Se generó en un ambiente de 
34 
 
depositación marino - deltáico de acuerdo con (Ulloa & Rodríguez, Geología del 
cuadrángulo K-12, Guateque., 1976a). 
Edad: Albiano Cenomaniano, según (Bürgl, 1957), época: inferior temprano K1, periodo 
Cretácico K, era mesozoico Mz, eón Fanerozoico PH. 
Predomina mayormente en el área de la microcuenca la Chorrera, hacia el sector noreste 
del municipio de Toca, por vías secundarias y la vía intermunicipal que comunica los 
municipio de Toca y Pesca, se presentan areniscas cuarzosas de grano medio a fino, 
estratificación plano - paralela, color gris claro a amarillo en los sitios donde se observó esta 
roca se encuentra moderadamente meteorizada, consistencia media - baja, ligeramente 
húmedas, en el sector noreste del municipio de toca se observan anticlinales generados 
por esta Formación. 34 
- Formación Tilatá (Tst) 
Litología: La Formación Tilatá muestra diversos tipos litológicos que incluyen capas muy 
gruesas, gruesas y medianas de conglomerados matriz y clastosoportados de gránulos y 
guijos finos, sub-redondeados a redondeados, , en una matriz de arenita lodosa de grano 
grueso; arenitas lodosas, de color blanco a crema, de grano grueso a conglomerático y 
medio, friables, con niveles ferruginosos rojizos y laminación inclinada en artesa y paquetes 
muy gruesos de lodolitas y arcillolitas, grises moteadas de color rojo ladrillo o púrpura. 
Edad: Van der Hammen (1957) considera que la mayor parte de la unidad es de edad 
Plioceno, aunque los horizontes superiores podrían ser de edad Pleistoceno. 
Esta unidad presenta un grado de meteorización bajo a moderado, permeabilidad 
moderada a alta y consistencia dura. El contraste en permeabilidad de los materiales son 
factores condicionantes en la generación de Falla de algunos taludes; adicionalmente 
presenta moderada a alta susceptibilidad a carcavamiento intenso, asociado a la erosión 
por escorrentía en los saprolitos areno - limosos.35 
- Formación Conejo (Kscn) 
El nombre de Formación Conejo fue propuesta por Renzoni en 1967 y en general, se define 
como Formación Conejo al conjunto arcilloso y arenoso que aflora en la parte central de la 
Cordillera Oriental, en los anticlinales de Zipaquirá, Nemocón y Tabio, y que suprayace en 
contacto transicional a la Formación La Frontera (Montoya & Reyes, 2005). Su espesor es 
de 400 m estimado con base en perfiles geológicos. Esta formación suprayace la Formación 
La Frontera, e infrayace la Formación Arenisca Dura. 
Litología: Según (Ulloa & Rodríguez, 1991) consta de base a techo de una sucesión de 
arcillolitas y lodolitas laminadas, a veces calcáreas, con intercalaciones de arcillolitas no 
calcáreas en capas