VI Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables Valencia, 21-24 de Junio de 2005

APLICACIONES SIG AL ESTUDIO Y LA ZONIFICACIÓN DE LA PELIGROSIDAD DE DESLIZAMIENTOS SUPERFICIALES Y CORRIENTES DE DERRUBIOS EN CATALUÑA. HÜRLIMANN Marcel & LANTADA Nieves. Dep. Ing. del terreno, art. y geofísica. Universidad Politécnica de Cataluña. c

RESUMEN:

En el presente trabajo se proponen métodos para determinar la peligrosidad de movimientos de masa de tipo flujo o colada a escala regional mediante técnicas SIG. En primer lugar se emplea la base de datos LANDACAT para gestionar la información sobre los movimientos y su posterior integración en un SIG, con el objetivo adicional de mejorar la creación de mapas de susceptibilidad. En segundo lugar, se determinan las posibles trayectorias de los movimientos mediante el modelo DIMOSIG que utiliza conceptos físico-probabilísticos y un modelo digital de terreno (MDT). Los resultados obtenidos mediante DIMOSIG en dos zonas diferentes de estudio indican que esta herramienta es muy útil para crear de forma rápida mapas de peligrosidad preliminares. Sin embargo, un MDT exacto es la base fundamental para obtener buenos resultados mediante DIMOSIG.

1. INTRODUCCIÓN

Los deslizamientos superficiales y las corrientes de derrubios son movimientos gravitacionales, caracterizados por la deformación de la masa durante el descenso, y cuyo flujo, lo forman una parte de sólido granular, agua y aire (Hungr et al., 2001). Especialmente las corrientes de derrubios se consideran de elevada peligrosidad en áreas de montaña debido a su velocidad y volumen movilizado (Johnson y Rodine, 1984). Los dos tipos de movimientos frecuentemente son consecuencia de precipitaciones torrenciales, que ocurren en el Pirineo Oriental durante el verano u otoño (Corominas et al., 2002; Hürlimann et al., 2004). Un Sistema de Información Geográfica (SIG) es hoy en día una herramienta indispensable para la zonificación territorial y también

para estudios de peligrosidad de deslizamientos a escala regional (Carrara et al., 1991; Van Westen, 1994; Hofmeister et al., 2002; Santacana et al., 2003; Guzzetti y Tonelli, 2004). Especialmente la incorporación y el análisis de la información topográfica mediante Modelos Digitales de Terreno (MDT) facilitan el estudio de procesos gravitacionales como son los deslizamientos. Generalmente se trabaja con información geográfica en formato “raster”, que divide la zona de estudio en celdas formando una malla o cuadrícula; con esta estructura pueden realizarse análisis espaciales entre varias capas de información de forma rápida (Lantada y Nuñez, 2002). Cataluña, como otras provincias españolas, carece de mapas de peligrosidad para deslizamientos a escala regional que cubran todo el territorio, y solo existen unos pocos estudios en zonas limitadas (p.e. Ayala-Carcedo y Corominas, 2003). El presente trabajo propone unos modelos simples que sirven para la elaboración de mapas de peligrosidad de deslizamientos de tipo flujo a escala regional, una vez se hayan determinado las zonas iniciales de las roturas.

2. ASPECTOS GENERALES SOBRE ESTUDIOS DE PELIGROSIDAD Se entiende por peligrosidad P(x, y, z, ∆t) la probabilidad de que un punto (x, y, z) se vea afectado por el peligro considerado a lo largo de un intervalo de tiempo ∆t. Hablando de movimientos de masas se define P como la probabilidad de ocurrencia de un deslizamiento de un nivel de intensidad determinada, dentro de un periodo de tiempo dado y dentro de un área específica. Un estudio de peligrosidad consiste en diferentes fases (Tabla 1), en la primera fase se determina la zona de formación de un deslizamiento para saber donde empieza el movimiento, y en una segunda fase se analiza la movilidad y el alcance máximo del deslizamiento para saber hasta adonde llega el movimiento y con qué intensidad se desplaza. La última fase es la elaboración del mapa de peligrosidad mediante los resultados del análisis de la movilidad y una matriz de peligrosidad. La primera fase, cuando se determinan las zonas de roturas se llama “estudio de susceptibilidad” (López Carreras, 2001) y generalmente no implica el factor temporal, por ello solo define una probabilidad espacial de la formación de un deslizamiento. Existen diferentes métodos para elaborar mapas de susceptibilidad incluyendo métodos determinísticos, probabilísticos, heurísticos, geomorfológicos o la creación de un inventario (Soeters y Van Westen, 1996). El uso de SIG es muy común en la elaboración de mapas de susceptibilidad de deslizamientos y se han aplicado diferentes métodos en combinación con un SIG, donde especialmente destaca el método probabilístico (Fernández et al., 2003; Remondo et al., 2003; Santacana et al., 2003) y el método determinístico (Borga et al., 1998; Corominas y

Santacana, 2003). Por otra parte, el método de inventario es un ejemplo ideal para indicar las ventajas múltiples de un SIG en el almacenamiento y estudio de datos espaciales existiendo diversos inventarios de deslizamientos que utilizan técnicas SIG (Dikau et al., 1996; Guzzetti y Tonelli, 2004; NIED, 2005). El análisis de la movilidad de deslizamientos se puede realizar aplicando diferentes métodos (Dai et al., 2002): 1) métodos empíricos o estadísticos (Corominas, 1996), 2) métodos de punto de masa “lumbed mass” (Hürlimann y Baeza, 2002), o 3) métodos numéricos (Hürlimann et al., 2003). La directa incorporación de la herramienta SIG se limita a los primeros dos métodos, cuando el volumen de cálculos no es extenso, pero se utiliza también para métodos numéricos como visualizador de los resultados. Existen pocos estudios que han analizado directamente la movilidad de procesos gravitacionales (incluyendo también aludes de nieve, riadas, coladas de lava etc.) mediante la técnica SIG (e.g. Iverson et al., 1998; Hofmeister et al., 2002; Huggel et al., 2003). La elaboración final de un mapa de peligrosidad está directamente ligada a la matriz de peligrosidad que relaciona la intensidad y la probabilidad de ocurrencia del movimiento. En esta matriz se acumulan todos los datos obtenidos en las primeras dos fases del estudio para determinar un grado de peligrosidad. Estos grados de peligrosidad se pueden representar fácilmente en un SIG mediante una diferente coloración de las celdas (generalmente de verde a rojo). Fase del estudio Tareas básicas Resultados Aplicabilidad SIG 1 Estudio de la susceptibilidad

o Interpretación de fotos

aéreas o Trabajo de campo o Análisis de datos SIG o Estudio de registros

históricos

Inventario (base de datos) Relación magnitud- frecuencia Mapa de susceptibilidad

SIG muy útil: (creación de mapas de susceptibilidad mediante diversas técnicas; ver texto)

2 Análisis de la movilidad

o Cálculo de la movilidad

Mapas de máximo alcance y de intensidad

Uso del SIG limitado (solo modelos simples)

3 Zonificación de la peligrosidad

o Elaboración de una

matriz de peligrosidad

Mapa de peligrosidad

SIG útil: (creación de mapas de peligrosidad)

Tabla 1: Fases de un estudio de peligrosidad con las tareas básicas, resultados y la aplicabilidad de un SIG.

3. APLICACIONES EN CATALUÑA 3.1 Estudio de la susceptibilidad: La base de datos “LANDACAT” En Cataluña no existe una base de datos sobre deslizamientos que se pueda aprovechar para la elaboración de mapas de susceptibilidad analizando los eventos ocurridos en el pasado. Después de las precipitaciones torrenciales de 1982 se ha realizado un inventario de más de 1800 deslizamientos en los Pirineos Catalanes (Clotet y Gallart, 1984), pero desafortunadamente este inventario no se ha digitalizado, continuado, ni ampliado desde entonces. Sin embargo existen en Cataluña bases de datos sobre otros procesos naturales como aludes de nieve o sismos, ambas mantenidas por el “Institut Cartogràfic de Catalunya” o la base de datos de inundaciones creada por la “Agència Catalana de l’Aigua”. Una gran cantidad de datos sobre deslizamientos está guardada en diversos organismos catalanes y el objetivo de la base de datos LANDACAT es proponer una aplicación que puede almacenar y gestionar toda esta información. LANDACAT también es una herramienta ideal para la rápida recogida de datos después de un episodio catastrófico como el de 1982. Toda la aplicación LANDACAT consiste en tres módulos o fases de trabajo:

1) La ficha de observación de movimientos de masa para la recogida de datos en el campo.

2) La entrada de datos de toda la información adquirida en la base de datos mediante el programa de MS-OFFICE Access.

3) La visulización y gestión de la información almacenada mediante el SIG ArcView 3.2.

La ficha de campo y el formulario para entrar los datos en Access han sido diseñados con el objetivo de que puedan ser rellenados por un gran abanico de usuarios, en concreto que no solamente puedan trabajar con ellos los expertos en movimientos de masa, sino también técnicos de ayuntamientos, guardias forestales, estudiantes, etc. Para facilitar la rápida introducción de los datos de campo en la base de datos Access se ha diseñado un formulario lo más similar a la ficha de observación que se ha rellenado anteriormente en el campo. Finalmente desde el SIG se ha realizado una conexión de tipo ODBC con la base de datos de Access (Lantada y Nuñez, 2002). De este modo, el usuario también puede consultar todos los datos de cada deslizamiento desde ArcView y ejecutar búsquedas con el objetivo de seleccionar movimientos por ejemplo de un determinado rango de volumen, de una determinada zona o de una determinada época. Todavía se encuentra al inicio de este proyecto y continuamente se están mejorando los diferentes módulos, pero la incorporación de los datos existentes ya está en proceso y las primeras experiencias utilizando LANDACAT han sido muy positivas.

3.2 Análisis de movilidad: El modelo dinámico “DIMOSIG” 3.2.1 Metodología aplicada A continuación se proponen dos métodos diferentes para calcular la movilidad de movimientos de masa de tipo flujo o colada. Por una parte el método llamado modelo de la trayectoria lineal que representa el recorrido del movimiento con una línea de una anchura definida con la celda del SIG. Por otra parte se presenta el método que incluye el efecto de la expansión lateral, un efecto muy común en movimientos de tipo flujo cuando estos salgan del canal y lleguen a una zona con pendientes más suaves como los conos de deyección. Los dos modelos se basan en el efecto de la gravedad que actúa sobre una masa en movimiento incorporando como factor más importante la pendiente, β, calculada entre dos celdas de un MDT de la siguiente manera

ii

i

htg dβ ∆⎛= ⎜⎝

⎞⎟⎠ (i = 1, … 8) (1)

Donde la diferencia de cotas, ∆hi, entre la celda central, h0, y la celda vecina i, hi, se define como ii hhh −=∆ 0 y di es la distancia entre los puntos centrales de las dos celdas (ver Fig. 1 para la numeración de las celdas).

0

Fig. 1: Numeración de las celdas en un MDT utilizada en el modelo DIMOSIG. El movimiento parte de una celda central “0” hacia una de las ocho celdas vecinas. El primer modelo que calcula la trayectoria lineal de un movimiento de masa, se basa en el concepto físico de la máxima pendiente. En este modelo se busca la celda vecina con el valor máximo de βi para

determinar el camino del flujo y como resultado se obtiene una línea que indica con su dirección la máxima pendiente de cada celda atravesada. El segundo modelo incorpora el efecto de la expansión lateral, y se basa en un concepto físico-probabilístico. Utilizando las pendientes de las ocho celdas vecinas y aplicando la teoría de Monte Carlo, se calcula la posible trayectoria del flujo. El algoritmo se inicia con el cálculo de la probabilidad de paso, Pi, que tiene cada una de las ocho celdas vecinas, y que se determina de la siguiente manera

ββ

⎛ ⎞= ⎜ Σ⎝

ii

i

P ⎟⎠ (i = 1, … 8) (2)

Donde i representa el número de la celda vecina y βi es la pendiente entre la celda central y la celda vecina i, calculada mediante los datos obtenidos del MDT (ver Ecuación 1). La elección de la celda vecina a la que finalmente se desplazará el movimiento se realiza mediante el método de Monte Carlo que necesita las probabilidades Pi y un número aleatorio, nale, comprendido en el intervalo entre 0 y 1 (Felpeto, 2002). El movimiento se desplazará a una celda i si se cumple la siguiente condición 1−> ≥i ale iS n S (i = 1, … 8) (3) Donde Si es la probabilidad acumulada que viene definida por

(i = 1, … 8) (4) ∑=

=i

jji PS

1

En el caso de la celda i = 1, para la cual Si-1 = S0, se define este valor como S0 = 0. Siguiendo este procedimiento, para calcular una posible trayectoria del movimiento se considera el movimiento situado en la celda central y se determina sucesivamente a que celda se desplaza siguiendo las ecuaciones (1) – (4). Este procedimiento tiene sentido cuando se repite el cálculo de la trayectoria n veces, donde cada trayectoria podría ser diferente a la anterior. Esta variación en la afección de las celdas del MDT durante los cálculos se interpreta como su expansión lateral. Además, si se efectúa un número elevado de iteraciones de los cálculos, niter, se puede recontar el número de veces que cada celda ha sido atravesado por el movimiento, nafect, estimando la probabilidad de cada celda de ser afectada por el movimiento, Pri

= afecti

iter

nPr

n (5)

Obviamente, las celdas que hayan estado atravesadas más veces tendrán mayor probabilidad de ser afectadas por el movimiento que las que hayan estado atravesadas menos veces. El valor de Pri también se puede llamar “peligrosidad preliminar” porque indica una probabilidad sin incorporar la intensidad que haría falta para determinar la peligrosidad efectiva mediante una matriz de peligrosidad. Hasta ahora se ha calculado el recorrido más probable de un movimiento sin analizar donde va a parar. Por ello, se han implementado dos diferentes métodos con el objetivo de definir el final o el alcance máximo de una trayectoria, el primero aplica el ángulo de alcance, α, y el segundo la pendiente entre dos celdas vecinas β. El ángulo de alcance se define a partir de la línea que une las partes extremas del movimiento (Heim, 1932; Corominas, 1996) y es un método muy conocido para determinar el máximo alcance de deslizamientos. En DIMOSIG, el movimiento llega a su final cuando el ángulo de alcance α sea menor que el valor del ángulo límite αlimit que elige el usuario antes de empezar la simulación. El segundo método hace referencia a la fricción basal del movimiento y determina el alcance máximo del deslizamiento cuando la pendiente βi entre dos celdas vecinas sea menor que el ángulo límite βlimit que elige otra vez el usuario anteriormente. Los valores de αlimit y βlimit dependen en realidad de muchos factores distintos y no son fáciles de determinar, por ello se ha realizado un análisis de sensibilidad y se han comparado los resultados con valores publicados (Johnson y Rodine, 1984; Corominas, 1996; Hürlimann y Baeza, 2002). 3.2.2 Zonas de estudios El modelo DIMOSIG ha sido examinado en diferentes zonas de estudio. Inicialmente se ha realizado un análisis de sensibilidad para definir el final o el alcance máximo de una trayectoria en una amplia zona de los Pre-Pirineos que fue afectada por las lluvias de 1982 (Santacana, 2001) y donde se ha estudiado la movilidad de 20 eventos mediante el modelo de la trayectoria lineal. Posteriormente se ha aplicado el modelo que incorpora la expansión lateral a dos zonas concretas del Pirineo Oriental donde existen datos detallados sobre corrientes de derrubios ocurridos en el pasado. Por una parte se trata del “Torrent de Jou” situado en la comarca de Noguera Pallaresa, y por otra parte se estudiaba el “Torrent de Maians” en Andorra. El Torrent de Jou y la población La Guingueta d’Aneu fueron afectados por una corriente de derrubios de varios decenas de miles de metros cúbicos en 1982 (Bru et al., 1984), mientras que el Torrent de Maians con la población La Comella fue dañado durante las lluvias de 1982 y también por las de 1937 (Hürlimann et al., 2004).

3.2.2 Resultados El análisis de sensibilidad realizado para los 20 movimientos ocurridos en la zona de los Pre-Pirineos ha estudiado principalmente la capacidad del modelo de la trayectoria lineal y en segundo lugar los valores de αlimit y βlimit. Se ha comparado el recorrido observado en el campo (Santacana, 2001) con la trayectoria calculada mediante DIMOSIG para cada uno de los movimientos y se ha observado que las dos trayectorias coinciden generalmente bastante bien. Sin embargo, se ha detectado la gran importancia del MDT, especialmente la precisión de sus cotas que puede influir fuertemente en la fiabilidad de los resultados obtenidos. Los valores de αlimit revelaron un promedio de 21-23° que coincide bastante bien con datos conseguidos en otros estudios realizados en los Pirineos (Corominas, 1996; Lorente et al., 2003). Los valores de βlimit han sido más difíciles de interpretar adecuadamente, pero parece que los mejores resultados se producen para βlimit = 5º. La influencia de los dos ángulos αlimit y βlimit en el alcance máximo de un movimiento está representada en la Fig. 2.

0102030405060

pend

ient

e β i

( º)

0 500 1000 1500 2000 2500d istancia (m)

10

20

30

4050

60

ángu

lo d

e al

canc

e, α

( º)

a)

c)

β l imit = 10ºβ limit = 5º

β l imit = 2º

α l imit = 30ºα l imit = 25º αl imit = 20º

b)

1000

1200

1400

1600

1800

altu

ra (m

s.n

.m.)

zona de rotura evento 1937

zona de acumulac iónevento 1937

Fig. 2: Resultados del Torrent de Maians obtenidos mediante el método de la trayectoria lineal de DIMOSIG. a) Perfil topográfico e información sobre la corriente de derrubios de 1937. La influencia de diferentes valores de βlimit (b) y αlimit (c) en el recorrido máximo de un movimiento.

Los resultados obtenidos por el modelo de la expansión lateral no solamente dependen de αlimit y βlimit sino también del número de iteraciones, niter. En Fig. 3 está ilustrado el efecto de este parámetro para el Torrent de Jou y se puede observar cómo aumenta el área afectada por el movimiento con más iteraciones. Especialmente en la zona del cono es imprescindible un niter elevado para poder realizar un estudio de peligrosidad preliminar.

(a) (b)

(d) (c)

Fig. 3: Influencia del número de iteraciones, niter, en el área que probablemente sea afectada por un movimiento en el Torrent de Jou. a) niter = 1, b) niter = 10, c) niter = 25, d) niter = 40. Finalmente se han generado los mapas de peligrosidad preliminares y en Fig. 4 se representan los resultados obtenidos en la zona del cono, porque ahí están los elementos expuestos al daño (Fig. 4). De nuevo hay que destacar la gran importancia de la precisión del MDT. Especialmente en la zona del cono, donde abundan pendientes suaves, influyen fuertemente los errores en la altura del MDT. Un elevado número de iteraciones mejora la calidad de los resultados debido que las probabilidades de paso calculadas en cada celda son más reales.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que un número excesivo incrementa considerablemente el tiempo de cálculo y por ello, la necesidad de disponer de un buen computador. a) b)

Peligrosidad:

Baja

Alta Fig. 4: Mapa de peligrosidad preliminar que indica la probabilidad de cada celda de ser afectada por un movimiento. a) Cono de La Comella y b) Cono de La Guingueta.

4. CONCLUSIONES El presente estudio confirma la aplicabilidad de la técnica SIG a los estudios de peligrosidad de movimientos de masa. Mientras que en el pasado el SIG ha sido principalmente utilizado para la elaboración de mapas de susceptibilidad, proponemos aquí su incorporación en el análisis de la movilidad y la creación de mapas de peligrosidad a escala regional. La base de datos LANDACAT es una herramienta ideal para almacenar, gestionar y consultar información de deslizamientos y con suficientes registros será posible generar mapas de susceptibilidad o mejorar los mapas existentes. A partir de estos mapas de susceptibilidad se debería realizar un análisis de movilidad mediante una herramienta como DIMOSIG. Los resultados obtenidos mediante DIMOSIG han indicado que la precisión del MDT es fundamental para obtener razonables mapas de probabilidades y peligrosidad, pero incluso con MDTs existentes y un tamaño de celda de 25 o 30 m se pueden obtener mapas adecuados para un estudio regional. 5. REFERENCIAS Ayala-Carcedo, F.J. y Corominas, J. (2003). "Mapas de susceptibilidad a los moviientos de ladera con técnicas SIG. Fundamentos y Aplicaciones en España" IGME, 191 pp.

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