INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Centro Interdisciplinario de Investigación

para el Desarrollo Integral Regional

PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN

Título

Hidrografía retrospectiva del

Sistema Lagunar Huave mediante percepción remota.

Presenta

Monserrat López Yllescas

Directores de tesis

Dr. Salvador Isidro Belmonte Jiménez

M. en C. Ma. de los Ángeles Ladrón de Guevara

Comité Tutorial

Dr. Alejandro Vázquez Feijoo

Dr. Francisco Castellanos León

Dr. Sadoth Sandoval Torres

Oaxaca de Juárez, Oax., a 06 de junio de 2014.

Contenido

Introducción……………….....................................................................................................................................2

Cuenca hidrográfica………………………………………………………………………………………………....3

Lagunas costeras…………………………………………………………………………………………………...4

Manejo de la zona costera...........................................................................................................................5

Problemática.........................................................................................................................................................6

Delimitación del problema.....................................................................................................................................6

Antecedentes........................................................................................................................................................7

Istmo de Tehuantepec y Sistema Lagunar Huave ..…………………………………………………………….7

Caracterización hidrográfica mediante percepción remota..........................................................................8

Justificación........................................................................................................................................................10

Marco teórico……………………………………………………………………………………………………………..11

Hipótesis.............................................................................................................................................................11

Objetivos.............................................................................................................................................................11

General.......................................................................................................................................................11

Específicos.................................................................................................................................................11

Material y métodos..............................................................................................................................................12

Trabajo de campo......................................................................................................................................12

Trabajo de gabinete...................................................................................................................................14

Marco conceptual…………………………………………………………………………………………………...

Referencias ........................................................................................................................................................18

Anexos.…………….……………………………………………………………………………………………………...24

2

Introducción

El estudio de un sistema está sujeto a las condiciones iniciales del mismo (Von Bertalanffy, 1989), en

el caso de ecosistemas la delimitación en la selección de variables, para la determinación de las

condiciones de frontera, es difícil de discernir ya que son sistemas abiertos y dinámicos (Sánchez et

al., 2007; FAO, 2009). En este trabajo el objeto de estudio es el un sistema lagunar costero

adyacente a una cuenca hidrográfica.

Cuenca hidrográfica

Una cuenca hidrográfica es la unidad territorial natural que tiene límites definidos por barreras

topográficas los cuales corresponden a las partes más altas del área que encierra el río principal de

la cuenca, donde el agua proveniente de la precipitación se incorpora al curso principal de agua,

además del conjunto de sub-cursos de agua definidos por el relieve (Ramakrishna, 1997).

La cuenca hidrográfica se divide en subcuencas y microcuencas, el área de las primeras

está delimitada por la divisoria de aguas de un afluente, que forma parte de otra cuenca, que es la

del cauce principal al que fluyen sus aguas; las segundas se conforman de agrupaciones de áreas

pequeñas de una subcuenca o parte de ella (Ramakrishna, 1997).

Cuando se dan modificaciones en algún componente dentro de la cuenca hidrográfica, se

afecta la dinámica de la misma, en diferente grado, y el factor interno principal que afecta de manera

directa está dinámica es el cambio de uso de suelo, por ejemplo, el desarrollo urbano, portuario y

turístico, la ampliación de la frontera agropecuaria y acuícola, o la tala inmoderada (Sánchez et al.,

2007).

Los factores externos que afectan la cuenca hidrográfica son el azolvamiento, los cambios

en el patrón hidrológico, la hipersalinidad, la eutrofización y contaminación por pesticidas, y la

erosión de playas; de estos factores, el azolvamiento es uno de los principales factores de impacto

ambiental negativo en estos ecosistemas (Sánchez et al., 2007).

El asolvamiento es consecuencia directa de la erosión de los suelos; principalmente por el

uso de técnicas agrícolas y ganaderas inadecuadas, y por la deforestación, tanto de la planicie

costera como de la cuenca hidrográfica media y alta (Sánchez et al., 2007).

3

Lagunas costeras

En el caso de las cuencas hidrográficas asociadas directamente a la zona costera, el dinamismo se

incrementa en los cuerpos de agua costeros debido a la interacción con el mar (Sánchez et al.,

2007). Dentro de los ecosistemas de agua costeros se identifican las lagunas costeras, las cuales

son cuerpos de agua semi-cerrados, de extensión y forma variable, con una profundidad debajo del

promedio mayor de las mareas más altas y rodeadas de vegetación (Muñoz, 1994).

Es común, en las lagunas costeras y esteros, que la dinámica de flujo del agua se reduzca a

canales principales y secundarios, y el resto del cuerpo de agua se convierta en áreas de

almacenamiento (Luna, 1996), además, son áreas de transición entre el océano y el continente,

conectándose al mar a través de una o más bocas de barra y pueden recibir aportes de agua dulce

por lluvias, cauces; arroyos y ríos, estacionales o permanentes, manantiales o afloramientos internos

(Lankford, 1977; Mee, 1977).

Este aporte de agua más el reciclamiento de nutrientes da como resultado una alta

producción de materia orgánica, con lo cual se genera una alta productividad primaria en la laguna y

una gran variedad de sedimentos, por tal motivo las lagunas costeras han sido clasificadas como

uno de los ecosistemas más productivos de la biosfera (Mee, 1977; Contreras y Gutiérrez, 1989;

Muñoz, 1994) y uno de los ecosistemas más perturbados por procesos continentales (Mee, 1977).

La zona costera de México se extiende por 10,000 km a lo largo de su litoral en el Pacífico,

Golfo de México, Golfo de California y el Caribe y posee aproximadamente 125 lagunas costeras,

éstas varían ampliamente en sus características físicas y ambientales y en su grado de uso y

modificación (Lankford, 1977). La interrelación de sus características geomórficas originales con la

historia de su desarrollo geológico, oceanografía costera y climatología regional, son elementos para

conocer mejor los tipos de los sistemas lagunares existentes (Lankford, 1977).

Dentro de las lagunas costeras localizadas en el litoral del Pacífico mexicano se encuentra el

Sistema Lagunar Huave, el cual se localiza en el Istmo de Tehuantepec y presenta una

comunicación semipermanente con el Golfo de Tehuantepec a través de la Boca de San Francisco

(CONGEASA, 1993).

Está formado de este a oeste por un conjunto de lagunas que son: Mar Tileme, Laguna

Quirio, Laguna Superior, Laguna Inferior, Laguna Oriental y Laguna Occidental. Las lagunas

Superior e Inferior están comunicadas permanentemente por la Boca de Santa Teresa. El estero Los

Otates comunica permanentemente a la Laguna Inferior con las lagunas Oriental y Occidental, estas

4

últimas poseen pequeños canales de comunicación permanentes con el Golfo de Tehuantepec y

son, respectivamente, los esteros Xhubabeza I y II (CONGEASA, 1993).

Manejo de la zona costera

No se pueden describir los criterios de conservación y manejo de los cuerpos de agua costeros sin

conocer los principales agentes de impacto ambiental (Sánchez et al., 2007), por ello la gran

productividad y complejidad ecológica de los sistemas estuarino-lagunares requiere, para su

comprensión integral y manejo, de una estrategia de investigación multidisciplinaria (Contreras,

1984). Además, es importante seleccionar los criterios adecuados para cada medio al establecer los

esquemas hidrodinámicos según el problema específico y objetivos por alcanzar (Luna, 1996).

Una herramienta en estudios relacionados con el manejo de recursos hídricos es la

percepción remota, tanto desde la perspectiva de la hidrología como la de ecología (Domínguez-

Gómez et al., 2011), la cual permite la adquisición y posterior tratamiento de datos de la superficie

terrestre, gracias a una serie de sensores que suelen estar instalados en satélites. Cada imagen

obtenida de estos sensores está compuesta por un determinado número de píxeles, cuyo valor está

relacionado con la reflectividad detectada en la superficie terrestre y que varía atendiendo a las

distintas coberturas y usos del suelo. El tratamiento estadístico del valor de tales píxeles hace

posible obtener como resultado imágenes de alta calidad y definición, que son el reflejo de la

superficie terrestre y, por tanto, permiten una identificación visual sencilla de las principales unidades

del territorio y de los usos de suelo más destacables. Así como la posibilidad de una continua y

rápida actualización, y una gran utilidad práctica en el ámbito específico de la gestión (Esteve-Selma

et al., 2003).

Lo mencionado anteriormente da pie a la realización de este tipo de estudios para una mejor

comprensión del funcionamiento y evolución hidrográfica de sistemas lagunares costeros, con los

cuales se puede generar información útil para un manejo con enfoque de cuenca, adecuado y lo más

integral posible, a largo plazo de estos ecosistemas por la gobernanza local.

Problemática

5

Respecto a la problemática ambiental, existen antecedentes de modificaciones importantes en las

regiones hidrológicas 21, 22 y 23 que afectaron el aporte pluvial que llegaba a la laguna antes de

1960, estas modificaciones puede generar cambios en las características del sedimento del Sistema

Lagunar Huave (CONAGUA, 2014).

Por otra parte, los desechos generados por la actividad agrícola que llegan hasta el sistema

lagunar son una amenaza potencial de contaminación bio-magnificada (Escobar-Sánchez, 2010) que

puede llegar a afectar la salud de los habitantes aledaños al sistema lagunar, ya que su dieta se

basa en los productos obtenidos de la pesca ribereña, y a consumidores no locales del recurso.

Sin embargo, esta pesca junto con la captura de camarón (Cervantez-Hernández et al.,

2012) abarcan las actividades económicas principales de la región. Cabe destacar, que el ciclo

biológico del camarón depende de este sistema lagunar ya que las primeras etapas de su desarrollo

se llevan a cabo dentro de la laguna (Caillouet y Baxter, 1973).

En cuanto al conocimiento hidrográfico del sistema lagunar así como la determinación de

características tales como la batimetría y evolución de sedimentos, sólo se han publicado dos

estudios, uno por Cromwell (1984) respecto a características generales de geomorfología,

topografía, hidrología, estratigrafía y procesos sedimentarios de barra de la Laguna Superior.; y otro

trabajo elaborado por Carranza-Edwards (1980) donde especifica las características de los

ambientes sedimentarios superficiales dentro de la llanura costera sur del Istmo de Tehuantepec.

Delimitación del problema

El conocimiento de la dinámica ambiental de los ecosistemas lagunares-estuarinos y manglares es

estudiado para un manejo apropiado (Luna, 1996; Sánchez et al., 2007; Esteve-Selma et al., 2003),

sin embargo no se pueden describir los criterios de conservación y manejo de estos ecosistemas sin

conocer los principales agentes de impacto ambiental que los afectan.

La cuenca, las marismas, los pantanos de agua dulce, los manglares, la playa y duna, la corriente

litoral y la zona marina adyacente son ecosistemas siameses funcionalmente vinculados, por lo que

lo que ocurra en uno de ellos afecta en diferente grado a los demás (Sánchez et al., 2007). Por tal

motivo, el conocimiento de la perspectiva integral de estos elementos y su seguimiento a través del

tiempo genera un mejor entendimiento del mismo y una idea de su tendencia. El primer paso para

obtener esta información es mediante estudios de investigación.

6

De toda la problemática identificada en el área de estudio, y el área adyacente a esta, este

trabajo abordará aspectos relacionados con la batimetría utilizando como principal herramienta la

percepción remota.

Antecedentes

La zona costera del Istmo de Tehuantepec ha sido estudiada en el aspecto socio-cultural

(Castaneira-Yee Been, 2008), bio-ecológico (Hernández-Gómez, 1996; Carreón-Aguilar, 1997;

Cervantes-González, 1997; Muñoz-Alonso, 2012) y socio-económico (Rodríguez, 2003); respecto a

este último existen estudios sobre recursos potenciales (Cervantes-Hernández et al., 2012), estudios

acuícolas (Martínez-Ramírez y Caballero-Aquino, 2009) y sobre pesquerías (Bozada-Robles, 2008;

Espinoza-Tenorio et al., 2008; Espinoza-Tenorio, 2011).

Además, específicamente, el Sistema Lagunar Huave ha sido evaluado como sitio prioritario

para su conservación (CONABIO-CONANP-TNC-PRONATURA, 2007) documentando

características geológicas, fisiográficas, aspectos oceanográficos generales y fisicoquímicos; así

como su diversidad biológica por estas dependencias.

Así mismo, Serrano-Guzmán et al. (2001) publicaron un Ordenamiento Ecológico donde dan

una descripción geológica de la zona destacando que la franja litoral del área de estudio consta de

dos ambientes costeros muy diferenciados. La porción occidental y la porción oriental de la zona de

estudio, desde Salina Cruz hasta la boca del Sistema Mar Muerto, en donde depósitos marinos y

eólicos forman barras, que a su vez dan origen a los sistemas lagunares Huave y Mar Muerto

(Serrano-Guzmán et al.,2001).

Espejel et al. (2008) llevaron a cabo una regionalización ecosistémica con base en

indicadores ambientales en tres áreas marinas en el sur de México, en el cual generaron, entre

otras, una capa de información sobre la batimetría del Sistema Lagunar Huave; igualmente, Castillo

et al. (2009), realizaron una regionalización basándose en indicadores ambientales pero en cuatro

áreas marinas de México donde integran el sistema lagunar Mar Muerto, dando una caracterización

general, mencionando el tamaño y la profundidad media del sistema.

Sin embargo, respecto a estudios hidrográficos y geológicos llevados a cabo en el Sistema Lagunar

Huave sólo existen publicados los trabajos de Cromwell (1975; 1984) en los cuales caracteriza

detalladamente la geomorfología, topografía, hidrología, procesos sedimentarios y estratigrafía de

barra de la Laguna Superior. Así mismo, Carranza-Edwards (1980) llevo a cabo un estudio

especificando las características de los ambientes sedimentarios superficiales dentro de la llanura

7

costera sur del Istmo de Tehuantepec, tales como el fluvial, lagunar deltaico, lagunar, de duna y de

playa-barrera.

También, es importante mencionar que se han llevado a cabo estudios relacionados con

aspectos oceanográficos como dinámica del viento (Velázquez-Muñoz et al., 2006; Quijano-Rovirosa

et al., 2006), oleaje (Ocampo-Torres et al., 2006; Romero et al., 20067) y la interacción de ambos

(García-Nava y Ocampo-Torres, 2006; Ocampo-Torres et al., 2011), circulación costera e

hidrografía (Barton et al,. 2009), en el Golfo de Tehuantepec, estas variables afectan directamente al

Sistema Lagunar Huave. Y sólo existe un estudio hidrológico del Sistema Lagunar Huave

enfocándose, principalmente, en características físico-químicas, de los nutrientes y productividad

primaria (Contreras et al., 1997).

Por lo tanto, con este trabajo se actualizará el estado geomorfológico del Sistema Lagunar

Huave y se obtendrá la comparación del mismo espacio- temporalmente.

Caracterización hidrográfica mediante percepción remota

Respecto a la ocupación de la percepción remota para el análisis espacio-temporal de aspectos

hidrográficos podemos mencionar los realizados por Brenner (1997) quien llevó a cabo la

estimación de la batimetría de la laguna La Nacha, Tamaulipas, utilizando datos multiespectrales del

sensor Mapeador Temático, encontrando que es posible ajustar buenos modelos de predicción

empleando las tres bandas que miden en la porción visible del espectro y obtuvo menos errores en

la predicción utilizando la banda tres.

Lafon et al. (2000; 2002) estudiaron una zona costera de Francia obteniendo mapas

batimétricos utilizando imágenes SPOT, y analizaron las transformaciones entre 1986 y 1997 de la

topografía. En el 2002, realizan otro estudio donde, para la obtención de la batimetría, incluyen la

reflectancia del agua y del sedimento del fondo, el coeficiente de atenuación difusa promediada

verticalmente, y las concentraciones de partículas inorgánicas en suspensión, de la clorofila a y

feopigmentos, así como concentraciones de carbono orgánico disuelto.

Así mismo, Degioanni et al. (2002) llevaron a cabo la batimetría de lagunas del sureste de

Córdoba, Argentina, mediante percepción remota ajustando un modelo empírico de correlación entre

profundidades medidas y niveles digitales, obteniendo el mejor ajuste con la banda tres, también

obtuvieron el volumen del cuerpo de agua.

8

Después, Fornerón et al. (2010) realizaron un análisis morfométrico de la laguna Sauce

Grande, Argentina, utilizando imágenes satelitales Landsat 7 obteniendo características como área,

perímetro, tipo de laguna, forma, profundidad y pendiente. Castejón-López y González-Rojas (2010)

también obtuvieron características batimetrícas del Mar Menor, Murcia, mediante imágenes

satelitales Landsat 7, pero el mapa que obtuvieron lo relacionaron con la información existente de su

zona estudio para determinar sólo rasgos de profundidad.

Gondwe et al. (2010) calcularon estimaciones espaciales de recarga hídrica en la Península

de Yucatán a partir de imágenes MODIS, observando que cerca de la costa la evapotranspiración

real promedio supera la precipitación anual. Por otro lado, Fearns et al. (2011) colectaron datos de

una región costera de aguas someras de Australia Occidental mediante el sensor hiperespectral

aéreo HyMap para hacer la clasificación de los tipos de sustrato, validaron porcentajes de

aproximadamente 50% correspondiente a sustrato arenoso y clasificación de pastos marinos y un

90% para la clasificación de feofitas.

En el mismo año, Lyons et al. (2011) presentan un método para la integración de datos de

campo y datos de imágenes satelitales multiespectrales obtenidos con el Quickbird 2 para mapear la

batimetría y las praderas marinas en aguas costeras poco profundas. Mostraron que para el mapeo

de batimetría sólo el algoritmo lineal podría predecir con eficacia y precisión la profundidad del agua;

la precisión global del mapa bentónico osciló entre un 57 y un 95 %, y la detección de cambio

produjo un mapa de cambio fiable y mostró una disminución neta de los niveles de cobertura de

pastos marinos, sin embargo la mayoría del área que estudiaron no mostró cambios en el nivel de la

cobertura de pastos marinos (Lyons et al., 2011).

Mientras que Beltramonte et al. (2011) realizaron estudios de caracterización de sedimentos y

batimetría en el embalse del dique La Falda, Argentina, obteniendo la capacidad y superficie del

embalse, la identificación de los espesores de sedimentos acumulados y sus principales

características físico-químicas.

El grupo Tragsatec (2011) determinó niveles y superficie inundada de humedales incluidos

en la demarcación hidrográfica del Guadalquir, Madrid, mediante técnicas de percepción remota, con

lo cual obtuvieron el tipo de laguna, la cota batimétrica de referencia y las fluctuaciones de la lámina

de agua entre 1995 y 2010.

9

Finalmente, El-Asmar et al. (2013) cuantificaron el cambio en el área de un cuerpo de agua

de la laguna costera Burullus, aplicando índices de aprovechamiento de agua a seis imágenes

satelitales entre los años 1973 y 2011, observando una pérdida del cuerpo de agua de 42.8%,

atribuyendo esta pérdida a las actividad antropogénica, principalmente a la agricultura.

Justificación

Los resultados de este trabajo de investigación contribuirán al conocimiento espacio-temporal de las

características hidrográficas del Sistema Lagunar Huave, con lo cual se pueden entender aspectos

relacionados con la distribución de recursos potenciales bióticos como lo son el camarón, los peces

y las algas.

Estos recursos potenciales, a excepción de las algas, son capturados a través de la pesca

ribereña en la zona de estudio. Así mismo, conociendo estas características hidrográficas se pueden

inferir los sitios adecuados para el desarrollo de proyectos acuícolas, teniendo un mejor

aprovechamiento del recurso.

No es posible llevar a cabo objetivos de conservación, protección y gestión si se desconocen

las características que influyen en el cambio espacio-temporal del sistema lagunar costero. Para

conocer estas características es necesaria una metodología donde se establezca el procedimiento a

seguir para la determinación de las mismas de acuerdo a cada tipo de sistema lagunar costero, la

cual contemple los criterios científicos y técnicos de cada parte de la misma.

La implementación del procedimiento debe iniciarse estudiando las condiciones

climatológicas y morfológicas del ecosistema, así como el modelo geológico, preferiblemente en tres

dimensiones y a una escala acorde con la extensión y las características del mismo (López-Geta,

2009).

Por otro lado, es importante mencionar que las características hidrográficas que se observen

en el Sistema Lagunar Huave dependen intrínsecamente de los aportes pluviales continentales y del

volumen de agua de mar que se distribuye en el sistema a través de la boca de barra y los canales

intermitentes.

Por lo anterior, este tipo de estudios son necesarios ya que se pueden llegar a evidenciar los

cambios ocurridos en la zona continental y marina relacionada directamente con el sistema lagunar

costero, y por ende esta información puede ayudar a tomar decisiones asertivas respecto a

programas y proyectos a largo plazo tales como los Programas de Ordenamiento Ecológico General 10

del Territorio (SEMARNAT 2012), convenios de coordinación para establecer las bases para la

instrumentación del proceso destinado a la formulación, aprobación, expedición, ejecución,

evaluación y modificación (por ejemplo el Programa Municipal de Ordenamiento Ecológico Territorial

de Oaxaca de Juárez: SEMARNAT, 2010) o Proyectos de Inventario y Clasificación de Humedales

Críticos en México (2003-2006).

Esta información es básica para la elaboración de Planes de Manejo, Manifestaciones de

Impacto Ambiental y actualización de Ordenamientos Ecológicos, con la cual se pueden diagnosticar

puntos clave para mejorar los programas establecidos y dar las herramientas para la toma de

decisiones.

El propósito de la información generada en este trabajo respecto a la hidrografía del Sistema

Lagunar Huave a partir de la percepción remota es la contribución a la comprensión de la

implicación antropogénica y la generación de información base del comportamiento hidrográfico del

sistema lagunar costero a través del tiempo.

Fundamentos teóricos

La principal herramienta a utilizar en este trabajo es la percepción remota la cual utiliza teoría

matemática, como base para llevar a cabo los análisis espaciales, sin embargo, dentro de la misma

se engloba información sobre transporte de calor, específicamente radiación solar, principios físicos,

teoría del color y teoría de imágenes (Howell y Buckius, 1990; Bird et al., 1992; Shames, 1995; Smith

et al., 1997; Bird et al., 2002; Lienhard IV y Lienhard V, 2006).

Además, existen otros aspectos teóricos para obtener y entender la batimetría de un cuerpo

de agua, tales como aspectos geológicos, oceanográficos, climatológicos y fisicoquímicos, los cuales

son importantes para poder llevar a cabo el análisis de los cambios o tendencias que se presentan

en cuerpos de agua costeros (Daily y Harleman, 1975; Howell y Buckius, 1990; Shames, 1995; Kern,

1999; Bird et al., 2002; Lienhard IV y Lienhard V, 2006).

11

Transferencia de calor

Joseph Fourier llevó a cabo la formulación y exposición completa de la teoría de la conducción del

calor en donde establece la ley empírica que lleva su nombre, donde propone que el flujo de calor, q

(W/m2), es el resultado de la conducción térmica siendo proporcional al gradiente de temperatura y

con signo negativo (Smith et al., 1997; Kern, 1999; Howell y Buckius, 1990; Bird et al., 2002;

Shames, 1995; Levenspies, 1993; Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al., 1992; Lienhard

IV y Lienhard V, 2006).

q=−kdTdx

La constante k es la conductividad térmica y siendo el flujo de calor un vector cuantitativo

cuando la temperatura decrece con x, q puede ser positivo, fluye en dirección x. Si T incrementa con

x, q puede ser negativa, fluye de forma opuesta a la dirección x (Bird et al., 2002; Lienhard IV y

Lienhard V, 2006). En ambos casos, q fluye de temperaturas altas a temperaturas bajas (Lienhard IV

y Lienhard V, 2006).

La transferencia de calor por radiación térmica se da en todos los cuerpos, ya que éstos

constantemente energía mediante un proceso de radiación electromagnética, la intensidad de cada

flujo de ésta energía depende de la temperatura del cuerpo y de la naturaleza de su superficie

(Smith et al., 1997; Kern, 1999; Howell y Buckius, 1990; Bird et al., 2002; Shames, 1995;

Levenspies, 1993; Daily y Harleman, 1975;).

Los objetos que son más fríos que el fuego o el sol emiten mucha menor energía porque su

emisión varía a la cuarta potencia del valor absoluto de la temperatura, este principio se determina

de acuerdo a la segunda Ley de la Termodinámica la cual afirma que cualquier proceso avanza en

una dirección tal que el cambio de entropía total asociado con él es positivo, donde el valor límite

cero lo alcanza sólo un proceso reversible; por consiguiente, no es posible tener un proceso para el

que la entropía total disminuya (Irving).

De acuerdo a esta ley se determinó que la velocidad a la cual una fuente da calor es

dQ=σεdAT 4, también conocida como ley de la cuarta potencia, T es la temperatura absoluta, es

una constante dimensional completamente independiente de la naturaleza de la radiación, 5.67x10-8

W/m2K4, y es un factor de la radiación llamado emisitividad, el cual se retoma en el siguiente

apartado (Howell y Buckius, 1990; Bird et al., 2002; Shames, 1995; Levenspies, 1993;). Así mismo,

12

Radiación incidente

Absorbida

Transmitida

Reflejada

la razón de radiación (R) de un cuerpo es la energía radiante emitida por unidad de tiempo, es decir,

la potencia (P) por unidad de área (A), el enunciado formal de esta dependencia está dado por la

Ley de Stefan-Boltzmann (Tippens):

R= PA

=εσ T 4

Es importante señalar que en el estudio del comportamiento dinámico de los fluidos el

interés se enfoca en los aspectos del fenómeno de transferencia de calor tales como la capacidad de

los fluidos en movimiento de llevar materiales y propiedades de un lugar a otro, y del mecanismo por

medio del cual estos materiales y propiedades se difunden y se transmiten a través de un medio

fluido (dinámica de los fluidos (Howell y Buckius, 1990; Bird et al., 2002; Shames, 1995; Levenspies,

1993;) Sin embargo, los métodos de análisis deben elegirse de forma tal que se puedan aplicar las

leyes físicas pertinentes al problema que se desea resolver (dinámica de los fluidos) (Howell y

Buckius, 1990; Bird et al., 2002; Shames, 1995; Levenspies, 1993).

Principios físicos de la radiación

Para poder comprender mejor la emisitividad en el proceso del procesamiento de imágenes

satelitáles es necesario conocer las propiedades de la emisión de energía por radiación, la cual se

emite por una fuente que al incidir en una superficie material parte de la radiación se refleja (),

parte se absorbe () y parte se transmite () (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al.,

1992; Lienhard IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001):

ρ+α+τ=1

13

Figura. Efectos de radiación incidente.

Fuente

Imagen especular de la fuente

1 2

a

Fuente

Rayos reflejados

b

El grado de emisión de las propiedades de radiación depende fuertemente de su temperatura,

diferenciándose el poder absorbente ( 1-2); el cual varía de cero a uno, donde el material

absorbente perfecto se denomina cuerpo negro teniendo una =1, la emisividad (1) y la

transmitancia (1) (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al., 1992; Lienhard IV y Lienhard

V, 2006; Tippens, 2001):

α 1−2=energíaabsorbida poruna superficie T 1

energía incidente precedente deuna fuenteT 2

ε 1=energíaemitida poruna superficieT1

energíaemitida porun emisor ideal ,cuerpo negro ,a T1

τ1=energía transmitida a través del cuerpoT 1

energía incidente

La mayor parte de los cuerpos sólidos no trasmiten radiación térmica, de modo que para

muchos de los problemas aplicados la transmisividad se puede tomar como cero; sin embargo,

cuando la radiación choca con una superficie se pueden observar dos tipos de fenómenos: uno se

da cuando el ángulo de incidencia es igual al de reflexión, denominándose reflexión especular, y otro

cuando el ángulo de incidencia se distribuye de forma uniforme en todas las direcciones después de

la reflexión, denominándose reflexión difusa (Howell y Buckius, 1990; Bird et al., 2002; Shames,

1995; Levenspies, 1993).

Figura . Reflexiones: a. especular (1=2) y b. difusa.

Sin embargo, ninguna superficie real es especular o difusa a través de la gamma entera de

longitud de onda de radiación térmica y generalmente una superficie rugosa presenta con mayor 14

facilidad un comportamiento difuso que una superficie perfectamente lisa (Daily y Harleman, 1975;

Holman, 1999; Bird et al., 1992; Lienhard IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001).

Esta radiación térmica ocurre en un intervalo del espectro electromagnético de la emisión de

energía, donde cada quantum de energía radiante tiene una longitud de onda () y una frecuencia

asociada (). La radiación emitida puede deberse a variaciones en los estados electrónico,

vibracional y rotacional de los átomos o moléculas, y del total del espectro electromagnético sólo una

pequeña parte corresponde al calor (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al., 1992;

Lienhard IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001; Anónimo, 2008).

Tabla. Formas de las ondas del espectro electromagnético

Caracterización Longitud de onda ()Rayos cósmicos <0.3 pmRayos gamma 0.3-100 pmRayos X 0.01-30 nm*Luz ultravioleta 3-400 nm*Luz visible 0.4-0.7m*Radiación del infrarrojo cercano 0.7-30 mRadiación del infrarrojo lejano 30-1000 mOndas en milímetros 1-10 mmMicroondas 10-300 mmOndas cortas de radio & TV 300 mm -100 mOndas largas de radio 100 m -30 km*Radiación térmica de 0.1-1000 m

Los distintos tipos de radiación mostrados en la Tabla. Se distinguen entre sí solamente por el

intervalo de longitudes de onda que comprenden; sin embargo, en el vacío todas las formas de

energía radiante se mueven con la velocidad de la luz, la relación entre la frecuencia y la longitud de

onda está dada por la ecuación (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al., 1992; Lienhard

IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001):

¿ c❑

Para algunas cuestiones es conveniente considerar la radiación electromagnética desde el punto de

vista corpuscular, para estos casos a una onda electromagnética de frecuencia se le asocia un

fotón o quanto, que es una partícula de carga cero y masa cero, cuya energía () viene dada por:

15

¿h

Siendo h la constante de Plank (6.624x10-27ergs), entonces de acuerdo a lo anterior una

disminución de la longitud de onda de la radiación electromagnética da lugar a un aumento de la

energía de los fotones correspondientes también llamada emisión, por lo tanto, la energía radiante

emitida por objetos calientes tenderá hacia longitudes de onda más cortas, fotones de mayor

energía, a medida que aumenta la temperatura (Daily y Harleman, 1975; Holman, 1999; Bird et al.,

1992; Lienhard IV y Lienhard V, 2006; Tippens, 2001).

Entonces la relación entre la radiación emitida o reflejada, absorbida y transmitida puede

escribirse para la energía transportada por cada longitud de onda en la distribución de longitudes de

onda que toman calor de cualquier fuente a cualquier temperatura (Daily y Harleman, 1975; Holman,

1999; Bird et al., 1992; Lienhard IV y Lienhard V, 2006): 1=❑❑+❑❑+❑❑

Hipótesis

Al comparar la batimetría obtenida del Sistema Lagunar Huave se observará una disminución

espacio-temporal en su profundidad.

Objetivo

Caracterizar la hidrografía del Sistema Lagunar Huave espacio-temporalmente utilizando percepción

remota.

Objetivos específicos

Obtener un perfil batimétrico del Sistema Lagunar Huave con medidas in situ.

Procesar imágenes satelitales tipo Landsat para conocer los niveles medibles de la energía

reflejada desde el fondo del Sistema Lagunar Huave relacionada con la batimetría.

Obtener un modelo exponencial de auto-correlación espacial de batimetría del Sistema

Lagunar Huave.

Determinar variaciones espacio-temporales de la hidrografía y batimetría del sistema

lagunar.

16

Materiales y métodos

Para conocer la batimetría del Sistema Lagunar Huave se llevará a cabo un levantamiento

batimétrico, y para hacer la comparación espacio-temporal de la misma se utilizará percepción

remota. Por lo cual el trabajo se llevará a cabo en dos fases:

Trabajo de campo

I. Muestreo batimétrico

Para la obtener del perfil batimétrico del Sistema Lagunar Huave se llevará a cabo un muestreo

sistemático simple en el cual se obtendrán medidas in situ de la profundidad del fondo de cada

laguna, el levantamiento hidrográfico básico se obtendrá a fin de poder hacer la comparación de

imágenes satelitales y utilizando cartas topográficas del INEGI. Se propondrá un método de líneas

rectas, paralelas y perpendiculares, tomando en cuenta la morfología de cada laguna dentro del

sistema con ayuda del programa ArGIs 9.3 para obtener un mapa de navegación en el cual se

determinará el número de recorridos y transectos a muestrear.

Así mismo se obtendrá el levantamiento de la línea de costa in situ, y se determinará la

posición de la embarcación, respecto al mapa de navegación previamente elaborado, para proceder

a determinar la cota submarina correspondiente a cada punto y que se referirá a la bajamar

escorada mediante una Ecosonda tomando datos del fondo lagunar cada 5 segundos.

II. Mediciones puntuales de profundidad

17

La profundidad de cada punto marcado en el mapa de navegación se obtendrá midiendo la distancia

vertical entre el nivel del agua y la superficie del fondo empleando un estadal de diez metros

graduado cada centímetro y un GPS (Global Positioning System) para la obtención de los datos en

planimetría de la altimetría en el sistema de coordenadas UTM para cada punto (Universal

Tranversal of Mercator).

III. Corrección por nivel de profundidad

Para obtener la cota correcta del punto obtenido se llevará a cabo la corrección por marea. El

estudio de marea se hará en las cercanías de la zona en la que se llevará a cabo el levantamiento

batimétrico para poder reducir los sondeos al dato o cota de referencia mediante dos muestreos, uno

en la temporada de secas y otro en el temporal de lluvias colocando un estadal graduado, cada

centímetro con altura de diez metros, en la parte más interna de cada laguna y se determinarán las

variaciones en la altura de marea.

IV. Muestreo de mareas

Se llevarán a cabo dos muestreos de mareas uno en mareas en sicigia (fase de grandes mareas que

se produce cuando el Sol y la Luna se hallan en línea recta con la Tierra, en luna nueva o luna llena)

y otro en mareas de cuadratura (fase de pequeñas mareas que se produce cuando el Sol y la Luna

forma un ángulo recto con la Tierra, en cuarto creciente o cuarto menguante) mediante un estadal

fijado en la línea de costa como regla de marea. Además de la obtención de la marea se registrará el

nivel medio del mar (cotas de los vértices), el nivel de la bajamar escorada (media-inferior) y la

unidad de altura, utilizando como planos de referencia a comparar los registros del Laboratorio del

Nivel del Mar del CICESE y los registros del Centro de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM.

Por último, se representarán gráficamente sobre un plano los datos procesados y

procedentes de las medidas efectuadas anteriormente expuestas con ayuda del software Surfer 10.

V. Parámetros fisicoquímicos

Con el objeto de conocer disminuir el factor que pueden influenciar las reflectancia de las lagunas

costeras se llevará a cabo la recopilación del visibilidad in situ durante las fechas en que se lleve a

cabo el muestreo batimétrico, y el parámetro irradiacia se obtendrá de acuerdo a la fecha de la toma

de las imágenes. Se obtendrán datos las estaciones meteorológicas Salina Cruz y Reforma del

Servicio Meteorológico Nacional, y de las bases de datos del Centro de Ciencias de la Atmósfera y

18

de CONAGUA para un análisis de los parámetros que pueden ser útiles en este estudio tales como:

temperatura superficial, radiación solar, velocidad y dirección del viento, calidad del agua, pH,

salinidad, humedad relativa, precipitación y sólidos disueltos totales.

Trabajo de gabinete

I. Creación de la base de datos de imágenes Landsat disponibles y selección de imágenes

Se dispondrán de imágenes Landsat (MSS, TM, ETM y OLIS) desde 1985 al 2013 a fin de recopilar

toda la información disponible y para su posterior selección, las cuales proceden de los archivos de

imágenes de Global Land Cover Facility (www.landcover.org) y la United States Geological Survey

(www.usgs.gov).

La información que se registrará en la base de datos de imágenes será el nombre del fichero y fecha

de la imagen, órbita y línea de la escena, satélite y sensor, procedencia, si está en formato original o

georreferenciada, tipo de proyección, datum, número de bandas, tamaño de la escena, formato,

tamaño de píxel, utilización o no de asistencia técnica y observaciones sobre la visibilidad de las

lagunas en la imagen y si se ha realizado o no la corrección radiométrica BOA.

II. Preparación de las imágenes para el análisis posterior (homogeneización de las

imágenes)

En este apartado se conseguirán imágenes satelitales tipo Landsat, se seleccionarán, y se revisará

si son geométrica y radiométricamente comparables. Generalmente, ya se encuentran

georreferenciadas en distintas proyecciones y sistemas de referencia, así como ortorrectificadas. Se

verificará la precisión geométrica de las imágenes mediante una serie de puntos distribuidos de

forma homogénea dentro de la zona de estudio, sobre los que se medirá su precisión cartográfica

utilizando cartas topográficas del INEGI, datos puntuales obtenidos en el levantamiento batimétrico,

los datos proporcionados por Cromwell (1984) con la ayuda del programa IDRISI Selva.

III. Extracción de la lámina de agua por percepción remota

19

En la estimación de la profundidad la única información relevante la constituye el cuerpo de agua,

por lo cual es necesario enmascarar el resto de la imagen. De esta manera, los análisis

subsecuentes se aplicarán únicamente al medio acuático. Los cuerpos de agua absorben o

transmiten la mayor parte de la radiación electromagnética que reciben, dentro del rango visible,

siendo mayor la absortividad cuanto mayor es la longitud de onda. La mayor reflectividad para el

agua clara se produce por tanto en la banda azul, reduciéndose paulatinamente a medida que nos

desplazamos hacia mayores longitudes de onda: infrarrojo cercano e infrarrojo medio, donde la

reflectividad del agua es prácticamente nula. No obstante en aguas poco profundad el valor de

reflectividad es mayor, ya que a ello contribuye la reflectividad del fondo (Brenner, 1997).

Para la identificación de la lámina de agua en las lagunas probarán dos índices el Índice Hídrico

de Diferencia Normalizada (Brenner, 1997; Tragsatec, 2011), que es calculado en base a los niveles

digitales de las bandas 2 (verde (V), 520-600 nm) y 4 (infrarrojo medio (IRM), 1550-1750 nm)

mediante la aplicación de la ecuación IA25= (V-IRM)/(V+IRM). Los valores de éste índice varían entre

-1 y +1, dónde los valores superiores a cero corresponden al agua. Y el Índice Hídrico Normalizado

el cual se calcula a partir de las bandas 4 (infrarrojo cercano (IRC), 760-900 nm) y 5 (infrarrojo

medio, 1550-1750 nm). Este índice también oscila entre -1 y +1, pero aquí los valores más altos se

correlacionan con la presencia de agua. La fórmula es como sigue IA45=(IRC-IRM)/(IRC+IRM)

(Brenner, 1997; Castejón-López y González-Rojas, 2010; Tragsatec, 2011).

IV. Cálculo de la profundidad para las lagunas con imágenes Landsat

El procedimiento para estimar la profundidad se inicia con el ajuste de profundidad de los valores de

radiancia del agua (Brenner, 1997; Degioanni et al., 2002; Tragsatec, 2011). Esta función, que es

exponencial, se lineariza según la siguiente ecuación: Da,k=In(Ld,k-La,k), donde Da,k es la radiancia

ajustada por profundidad para la banda k, Ld,k es la radiancia detectada por el sensor en la banda k y

La,k es la radiancia correspondiente a sitios de agua profunda detectada por el sensor en la banda k.

esta transformación resalta los efectos del fondo, los cuales pueden ser visualizados mediante la

correlación entre bandas. Suponiendo a La,k constante y contando con datos de profundidad

conocidas, se pueden calcular los coeficientes de atenuación por profundidad (pk) y el efecto del

fondo (fk) mediante el desarrollo de modelos de regresión lineal entre los valores de radiancia

ajustados para cada banda (Da,k) y las medidad de profundidad (z), según la siguiente ecuación

(Degioanni et al., 2002):

z=−pk Da , k+f k

20

Con los valores de pk y fk se estima la profundidad utilizando todas las bandas en conjunto o de

manera individual, aplicando la siguiente ecuación (Degioanni et al., 2002):

z=13∑k=n

3

¿(D¿¿a , k )−¿( f ¿¿k )

pk

¿¿

Donde z es la profundidad estimada en metros, Da,k es el valor de radiancia ajustada por

profundidad registrada por el sensor en la banda k, pk es el coeficiente de atenuación por

profundidad de la radiancia en la banda k y fk es el efecto del fondo sobre la radiancia de la banda k.

El volumen embalsado por laguna se calculará con el método del área media mediante la ecuación

(Degioanni et al., 2002):

S j+1=S j+(h j+1−h j)( A j+ A j+1)

2

Donde, Sj+1 es el volumen almacenado correspondiente a la cota de profundidad j+1, Sj es el

volumen almacenado correspondiente a la cota de profundidad j, h es la distancia vertical entre las

cotas j y j+1, y A el área de base para las cotas de profundidad j y j+1. El volumen total resulta de la

suma de volúmenes (Sj+1) entre áreas de base para diferentes cotas de profundidad (Degioanni et

al., 2002).

El procedimiento anterior se llevará a cabo en el programa IDRISI Selva.

21

Marco conceptual

Absorción: ocurre cuando la adición de energía radiante a un sistema atómico o molecular da lugar

a que el sistema pase a un estado más elevado de energía. Éste último proceso es el que tiene lugar

cuando la energía radiante incide sobre una superficie sólida, provocando su calentamiento (Bird et

al., 2002).

Energía electromagnética: es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio que se

puede atribuir a la presencia de un campo electromagnético, y que se expresará en función de las

intensidades de campo magnético y campo eléctrico; en un punto del espacio la densidad de energía

electromagnética depende de la suma de dos términos proporcionales al cuadrado de las

intensidades de campo.

Energía radiante: es la energía que poseen las ondas electromagnéticas (ej.luz visible, ondas de

radio, rayos ultravioleta, rayos infrarrojos), la característica principal de esta energía es que se

propaga en el vacío sin necesidad de soporte material alguno. Se transmite por unidades llamadas

fotones los cuales actúan también como partículas (manual física general).

Energía térmica: Energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía

geotérmica), mediante la combustión de algún combustible fósil, mediante energía eléctrica por

efecto Joule, por rozamiento, por proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos

mecánicos o químicos (Bird et al., 2002).

Entropía: Propiedad extensiva del equilibrio que describe la desorganización o incertidumbre en un

sistema; siempre debe aumentar o permanecer constante en un sistema aislado (Howell, 1990).

Emisión: fenómeno de emisión de energía radiante o fotones, cuando un sistema atómico o

molecular pasa desde un estado elevado de energía a otro más bajo (Bird et al., 2002)

Fluido: Sustancia que cambia su forma continuamente siempre que esté sometida a un esfuerzo

cortante sin importar que tan pequeño sea (Irving)

22

Cronograma de ActividadesAño 2013 2014 2014 2015

Semestre SI SII SIII SIV

TESIS Redacción de Protocolo de Tesis •

Revisión de Bibliografía • • • •

Muestreo en campo •

Procesamiento de datos • •

Análisis de la información obtenida • •

Elaboración del escrito de Tesis • • •

Elaboración presentación • • • •

CRÉDITOS 4 materias (26 créditos) •

5 materias (28 créditos) •

Seminario/ (2 créditos) •

Seminario/Materia* (10 créditos) •

*Estancia/Movilidad académica: Centro de Investigación en Geografía y Geomática “Ing. Jorge L. Tamayo”, A.C. •

TITULACIÓN Registro de protocolo de tesis •

Revisiones • • • •

Tramite para defensa de tesis •

Examen de grado •Semestre Primero

Seminario de investigación IFenómenos de Trasporte en la Transformación de Recursos Naturales

Percepción RemotaModelación Matemática y Computacional de Medios Continuos

Tercer Semestre

Materias

*Opcional.

Seminario III

SegundoSeminario de investigación II

Economía de los Recursos NaturalesGeofísica Aplicada

Introducción a la HidrogeologíaProcesamiento de Señales y Sistemas Lineales

Cuarto Semestre Seminario IV Algebra Lineal

23

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Anexos

31

Figura 1. Cuenca hidrográfica 22, donde se encuentra delimitado el Sistema Lagunar Huave (CONAGUA 2013).

32

Figura 2. Cuencas hidrológicas del Istmo de Tehuantepec (INE, 2003).

Figura 3. Ubicación geográfica del Sistema Lagunar Huave (Cooperativa, 2007).

33