Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada

Transcripción

1 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Memoria Vº Bº del director Vº Bº del director Fdo. D. José Delgado Marchal Fdo. D. Juan Manuel López Sánchez Dr. Ciencias Geológicas Dr. Ingeniero de Telecomunicación Universidad de Alicante Universidad de Alicante El doctorando Fdo. D. Roberto Tomás Jover Alicante, Diciembre de 28

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3 Índice Índice general Memoria Agradecimientos...vii 1CAPÍTULO I. Introducción...1 2CAPÍTULO II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua CAPÍTULO III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia CAPÍTULO IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia CAPÍTULO V. Conclusiones y futuras líneas de investigación Referencias bibliográficas Anejos ANEJOS i

4 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada ii

5 Índice Índice Memoria Agradecimientos...vii 6CAPÍTULO I. Introducción Objeto de la tesis Antecedentes Documentación técnica disponible Antecedentes históricos Noticias de actualidad Estructura de la memoria CAPÍTULO II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua La subsidencia Definición Importancia del fenómeno Casos históricos de subsidencia El proceso de subsidencia. Consolidación del terreno Mecanismo de la subsidencia Presión de preconsolidación Los mecanismos de la subsidencia Comportamientos del suelo frente a los descensos de nivel piezométrico Modelos de cálculo de la subsidencia Métodos de medida de las deformaciones Métodos topográficos convencionales Métodos altimétricos Métodos planimétricos Método planimétrico de intersección Método planimétrico de itinerario Método planimétrico de radiación Métodos de medida de distancias reales Métodos geodésicos Métodos fotogramétricos Métodos de teledetección Técnicas radar Técnica de Interferometría Diferencial SAR (DInSAR) iii

6 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Convencional Técnicas de Interferometría Diferencial SAR Avanzadas Reflectores Persistentes Píxeles Coherentes Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) Técnicas láser Airborne Laser Scanner (ALS) Métodos instrumentales Métodos de medida de apertura de grietas y fisuras Métodos de medida de deformaciones en superficie y en profundidad Combinación de sistemas de medida de las deformaciones Estudio comparativo entre las diferentes técnicas de medida de deformaciones La interferometría SAR diferencial Introducción Fundamentos del Radar de Apertura Sintética (SAR) Fundamentos de Interferometría SAR (InSAR) Fundamentos de Interferometría SAR Diferencial (DInSAR) Métodos convencionales de interferometría SAR diferencial (DInSAR) Método de la baseline corta Método de las tres imágenes Método de las dos imágenes y el Modelo Digital del Terreno externo Fuentes de decorrelación La Técnica de los Píxeles Coherentes (Coherent Pixels Technique, CPT) El modelo de la fase Selección de interferogramas Obtención de la componente lineal de deformación Obtención de la componente no lineal de deformación La geocodificación CAPÍTULO III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Rasgos generales del área de estudio Marco climático Marco geológico Geología regional y tectónica Estratigrafía El basamento de la cuenca El relleno sedimentario Marco hidrogeológico iv

7 Índice El acuífero Límites hidrogeológicos Geometría del acuífero Características hidrogeológicas Funcionamiento hidrodinámico Marco geotécnico Introducción Niveles guía Características geotécnicas medias Llanura de inundación (FPZ) Arcillas (FPZ-Arcillas) Subunidad de arcillas duras (FPZ-Arcillas duras) Limos (FPZ-limos) Arenas (FPZ-Arenas) Abanicos aluviales (AFZ) Arcillas (AFZ-arcillas) Limos (AFZ-limos) Arenas (AFZ-arenas) Gravas (AFZ-Gravas) Substrato geotécnico (SR) Gravas Rocas Resumen de propiedades geotécnicas La subsidencia en la Vega Baja y Media del río Segura: el periodo de sequía Los recursos de la cuenca y la subsidencia Daños causados por el descenso piezométrico Control de la subsidencia Nivelación topográfica Extensómetros Relación con las variaciones piezométricas CAPÍTULO IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Aplicación de la técnica interferométrica diferencial avanzada CPT al estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Procesado DInSAR de la ciudad de Murcia Distribución espacial de la subsidencia Distribución temporal de la subsidencia Valores de subsidencia estimados por diferentes autores Tipos de comportamiento frente a la deformación Validación de los resultados CPT Comparación con medidas instrumentales Comparación con medidas SPN Comparación de las precisiones conseguidas con datos v

8 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada bibliográficos Análisis de los factores condicionantes y desencadenantes de la subsidencia Factores desencadenantes Piezometría Localización de pozos Localización de sótanos Factores condicionantes Distancia al río Segura y a las acequias/azarbes Litología Espesor de suelo blando Situación de la antigua ciudad Regresión múltiple de la subsidencia Representación gráfica de factores condicionantes y desencadenantes Efectos de las variaciones piezométricas en el suelo Preconsolidación del suelo Cálculo de la presión de preconsolidación Relación de la preconsolidación con otros parámetros geotécnicos Causas de la preconsolidación del terreno: relación con las variaciones de nivel piezométrico Daños en edificaciones Modelización de la subsidencia Introducción Formulación empleada para la modelización Cálculo de la subsidencia Análisis de un escenario de riesgo: predicción de la subsidencia CAPÍTULO V. Conclusiones y futuras líneas de investigación Conclusiones La técnica Contexto geológico-geotécnico de la Vega Media del Segura La subsidencia Validación Relación de la subsidencia con otros factores Modelización de la subsidencia Conclusiones finales Líneas futuras de investigación Referencias bibliográficas vi

9 Agradecimientos AGRADECIMIENTOS Durante estos cinco, casi seis, años que se ha prolongado este trabajo, han sido muchas las personas, organismos y entidades que me han ayudado de un modo u otro. Por este motivo, y pidiendo disculpas de antemano por si olvidara citar a alguien, quisiera mostrar mi más sincero agradecimiento a todos ellos, que han hecho realidad la posibilidad de realizar aquello que pretendía. Especialmente quisiera agradecer el enorme interés y preocupación mostrados por mis dos directores de la tesis sin los cuales nada de esto habría sido posible: Dr. Juan Manuel López Sánchez y Dr. José Delgado Marchal. A D. Artemio Cuenca, gran amigo y maestro que tantas cosas me ha enseñado. Al Dr. José Miguel Andreu y Dr. Pedro Alfaro (U.A.) por el material bibliográfico y revisiones realizadas que tan útiles me han resultado. Al Dr. Jordi Mallorquí, a D. Pablo Blanco, D. Sergi Duque y D. David Navarrete, de la Universidad Politécnica de Cataluña, por haber atendido tantas dudas como les planteábamos y habernos introducido en el mundo de la Interferometría SAR diferencial. Igualmente agradecerles la cesión del software con el que se ha realizado el procesado interferométrico empleado en la presente tesis. A D. Fernando Vicente del Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la UA por la ayuda en el procesado final. A D. Joaquín Mulas (IGME) por los datos de la ciudad de Murcia facilitados así como por los comentarios realizados. Al Dr. Gerardo Herrera (IGME) amigo y compañero de procesados y tesis. A D. Juan Antonio Hernández, D. Miguel Fernández y D. Luis Rodríguez del Ciclo Hídrico de la Excelentísima Diputación de Alicante por la cesión de los datos piezométricos y diversa información hidrogeológica proporcionada para la elaboración de esta tesis doctoral. A D. César Doménech (ITC S.A. y U.A.) y a Andrés Mira (CEICO, S.L.) por toda la información geotécnica facilitada. Al Dr. Servando Chinchón (U.A.) por la realización e interpretación de los análisis de difracción de rayos X realizados sobre las muestras de suelo facilitadas. Al Dr. David Benavente (U.A.) por la ayuda prestada en el manejo del programa SPSS y el tratamiento estadístico de los datos. A D. Pedro Robles Marín (ESFERA, S.L.) por sus comentarios sobre la Vega Baja y Media del Segura que han resultado de gran interés. A Dr. Devin L. Galloway (U.S.G.S.), Dr. Keith R.Prince (U.S.G.S.), Dr. Giuseppe Gambolatti, Dr. Donald Helm (University of Baltimore) por los comentarios realizados sobre la interpretación de las curvas esfuerzo-deformación. A la Confederación Hidrográfica del Segura (CHS), y en particular a D. Francisco Turrión y D. Gonzalo Aragón por sus comentarios y datos facilitados. Al IGME, Ministerio de Fomento y EMUASA por los datos piezométricos facilitados. A mis abuelos por el referente de esfuerzo y constancia que han supuesto para mí. vii

10 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada A mis padres, por su confianza y apoyo incondicional prestados siempre. A Julia, mi mujer, y a mis dos hijos Julia Jr. y Roberto Jr., por todos los ratos que les he robado para poder realizar esta tesis. Parte de esta tesis es también vuestra! Los datos meteorológicos empleados han sido cedidos libremente por el Instituto Nacional de Meteorología (INM). Las imágenes SAR empleadas en este trabajo han sido proporcionadas por la Agencia Espacial Europea (ESA) en el marco del proyecto ESA EO-Cat , en el cual participan la Universidad de Alicante, la Universidad Politécnica de Cataluña y la Universidad Politécnica de Cartagena. La presente investigación ha sido financiada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y los fondos FEDER mediante los siguientes proyectos TIC C2-2, BTE E, TEC C2-2, REN E, los proyectos de la Generalitat Valenciana GV4B/556, GV6/179, GV7/143 y ACOMP7/87, las ayudas al grupo de investigación del Vicerrectorado de Investigación, Desarrollo e Innovación de la UA VIGROB-157 y el convenio de investigación INYPSA1-6T. Las lecturas extensométricas y la mayor parte de los datos piezométricos han sido facilitados por el Instituto Geológico y Minero de España. Los datos de subsidencia proporcionados por el IGME han sido obtenidos mediante la técnica SPN en el marco del proyecto Terrafirma y procesados por Altamira Information (Barcelona). La Excelentísima Diputación de Alicante y la Confederación Hidrográfica del Segura han proporcionado también un gran número de datos e informes de carácter hidrogeológico. El software de procesado interferométrico y de cálculo de subsidencia ha sido proporcionado por el Grupo de Teledetección con Microondas (Remote Sensing Lab) del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones de la Universidad Politécnica de Cataluña, en el marco de los proyectos citados anteriormente. viii

11 Capítulo I. Introducción CAPÍTULO I. Introducción 1.1. Objeto de la tesis El estudio de los fenómenos geológicos naturales ligados a catástrofes ha adquirido gran importancia en el mundo científico, dado que es necesario conocer los parámetros que los gobiernan y otros aspectos fundamentales para su mitigación. De entre todos los fenómenos geológicos destaca, por su carácter regional, la subsidencia del terreno. Este fenómeno puede afectar a las infraestructuras humanas, causando anualmente cuantiosos daños materiales. Este tipo de fenómeno natural suele manifestarse de diferentes formas, aunque todas ellas presentan una característica común, y es que siempre produce variaciones en la superficie terrestre. La incidencia que la subsidencia puede tener sobre las infraestructuras y asentamientos humanos, junto con la necesidad de establecer los mecanismos que los producen, hace necesario el control de estas deformaciones de la superficie terrestre empleando métodos de medida. Históricamente, el control de la subsidencia se ha llevado a cabo mediante topografía clásica, apoyándose en puntos estables del terreno que servían como referencia para las deformaciones nulas y métodos instrumentales capaces de estimar las deformaciones en un punto determinado del terreno. Sin embargo, el avance tecnológico ha dado lugar a la aparición de nuevas técnicas de medida de los movimientos del terreno. De entre todas estas técnicas, las cuales se describirán con algo más de detalle en el Capítulo 2 de la presente memoria, la Interferometría SAR diferencial ha cobrado gran protagonismo dentro de este campo. Grosso modo, esta técnica permite estimar las deformaciones del terreno a lo largo del tiempo por comparación de las fases de la señal reflejada a un satélite equipado con un radar en cada instante por el escenario objeto de estudio. En la presente memoria se hará uso de la Interferometría SAR diferencial para conocer la distribución y evolución de las deformaciones producidas por consolidación del terreno en la ciudad de Murcia, situada en la cuenca de la Vega Media del río Segura, durante el periodo comprendido entre 1993 y 27. La información así obtenida resultará, por sí sola, de gran valor científico y práctico. Por un lado proporcionará datos, desconocidos hasta el momento, del comportamiento de los rellenos de la cuenca del río Segura ante los cambios de nivel piezométrico que afectaron a dicha región durante el periodo de sequía de los años noventa. Por otro lado, permitirá identificar las zonas más susceptibles a sufrir este tipo de fenómeno en el futuro próximo. Los datos de asiento calculados mediante esta técnica serán contrastados con otros datos de diferente naturaleza. Primero se compararán con los datos de extensometría disponibles en el entorno metropolitano de la ciudad de Murcia y con los datos de deformación obtenidos mediante la técnica interferométrica avanzada (Stable Point Network). También se realizarán comparaciones con la distribución de edificios dañados, con la distribución de pozos de extracción de agua disponibles en todo el área de estudio, con la distribución de sótanos, con la distribución de espesores de suelo blando y con otros factores relacionados con la subsidencia. Asimismo, se propone un modelo de cálculo unidimensional de la subsidencia basado en los coeficientes de almacenamiento del terreno obtenidos a partir de las curvas esfuerzodeformación de los diferentes pozos en los que hay disponibles registros piezométricos. Los resultados de esta modelización serán comparados con los registros de deformación correspondientes a los extensómetros y la técnica CPT-DInSAR. Por último, se calculará la distribución de asientos correspondiente a diferentes escenarios de descenso piezométrico Antecedentes Aunque los problemas de capacidad portante de los suelos de la Vega Media del río Segura son conocidos desde antaño y se han monitorizado periodos de sequía que han causado importantes descensos de los niveles piezométricos de la Vega Media del Segura, como el de los años ochenta, no existen registros ni datos que confirmen la ocurrencia de fenómenos de subsidencia en esta región hasta el año Documentación técnica disponible Los documentos disponibles se reducen a numerosas noticias de prensa publicadas principalmente en los años noventa, cuando el fenómeno se manifestó con mayor intensidad. 3

12 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada El Instituto del Agua de la Universidad de Murcia emitió en el año 1995 un informe titulado Informe hidrogeológico sobre los efectos de la sequía en los edificios de la ciudad de Murcia, que no ha podido ser consultado por el autor de la presente tesis al no ser público. Dado que la sequía desencadenó una importante alarma social, durante abril de 1996 el Colegio Oficial de Arquitectos de Murcia organizó unas jornadas tituladas Influencia del descenso del nivel freático sobre los edificios del casco urbano de Murcia a la que asistieron numerosos especialistas en cuestiones geotécnicas y estructurales con el fin de analizar y discutir la citada problemática. Los primeros trabajos científicos consistieron en una tesis de máster de Ingeniería Geológica de la Universidad Complutense de Madrid escrita por Andrés Puche (1996) y titulada Evolución piezométrica de Murcia. Consecuencias geotécnicas en la que se recogen algunos datos geotécnicos, piezométricos, etc., interesantes. En la Universidad de Alicante también se elaboraron dos trabajos finales de carrera de la titulación de Arquitectura Técnica que trataron la temática de la subsidencia de Murcia, ilustrándolos con algún caso real de recalce de edificios de la ciudad. Tras la aparición de los primeros problemas en edificaciones de la ciudad de Murcia, los organismos públicos comenzaron a tomar cartas en el asunto iniciándose numerosos trabajos de investigación cuyo objetivo era el de estudiar la subsidencia del terreno. Entre otros cabe destacar los siguientes trabajos realizados por el IGME a petición de la Consejería de Obras Públicas y Ordenación del Territorio de la Región de Murcia: - Estudio geotécnico para el análisis, prevención y corrección de la patología constructiva derivada del cambio en las condiciones del subsuelo en la ciudad de Murcia (IGME, 2a). - Estudio geotécnico del Subsuelo del Área Metropolitana de Murcia (IGME, 2b). - Seguimiento y control instrumental de asentamientos del terreno en el área metropolitana de Murcia (IGME, 21a). - Estudio hidrogeológico del acuífero de las Vegas Media y Baja del Segura y su relación con los cauces naturales y artificiales de su territorio (IGME, 21b). Casi simultáneamente se inició una tesis doctoral en la Universidad de Sevilla titulada Cálculo de la subsidencia unidimensional debido a los descensos de nivel piezométrico. Aplicación al casco urbano de Murcia y los efectos sobre los edificios, cuyo autor fue Narciso Jesús Vázquez y su director José Luis de Justo, que posteriormente sería publicada a modo de libro (Vázquez y De Justo, 22a), de forma sintetizada. Algunos de sus capítulos fueron publicados en revistas científicas y presentados en congresos. Su objeto era el de predecir los valores de subsidencia ocurridos tras la sequía, así como estudiar los efectos generados por el fenómeno de rozamiento negativo en pilotes. Para ello se emplearon datos geotécnicos y lecturas de niveles piezométricos en algunos emplazamientos de la ciudad, estimando asientos comprendidos entre 15 y 3 cm durante el periodo de sequía El trabajo está disponible en Internet, por lo que ha podido accederse a su consulta (Vázquez, 21). Aunque parte de esta documentación se encuentra publicada, la mayoría, especialmente los informes técnicos, no están disponibles o simplemente no han sido facilitados por los organismos oficiales competentes Antecedentes históricos Como ya se ha indicado con anterioridad, desde 1993 tuvo lugar un descenso generalizado del nivel piezométrico del acuífero de la Vega Baja y Media del Segura, que causó la subsidencia del terreno ocasionando cuantiosos daños materiales en edificios de la ciudad de Murcia y su entorno. La alarma social causada fue muy grande, tal y como se observa en algunos de los recortes de prensa mostrados a continuación, seleccionados de los centenares de ellos publicados en diarios de tirada local e incluso nacional, como La Verdad, Información de Alicante, Diario 16, La Opinión, El País, etc. 4

13 Capítulo I. Introducción La Verdad, 9 de Marzo de 1996 La Opinión, 9 de Marzo de

14 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La Opinión, 17 de Marzo de

15 Capítulo I. Introducción La Opinión, 2 de Marzo de 1996 La Opinión, 16 de Abril de

16 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La Opinión, 19 de Abril de

17 Capítulo I. Introducción La Verdad, 21 de Abril de

18 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Noticias de actualidad Actualmente, la Vega Media del Segura se encuentra inmersa en un periodo de extrema sequía, con registros de descenso de nivel piezométrico mayores a los correspondientes al periodo crítico vivido a mediados de los años noventa. La preocupación porque se repitan estos fenómenos queda patente en los recortes de prensa mostrados a continuación. Por otro lado, el fenómeno de la subsidencia de Murcia fue objeto de varios programas de televisión. El espacio Línea 9 trató la subsidencia de Murcia en un programa titulado Cuando el suelo se hunde que se emitió el día 23 de junio de 26 por la segunda cadena de Televisión Española. Igualmente, el canal 6 de la televisión local de Murcia emitió el mismo año, en el espacio televisivo titulado El Debate, una discusión sobre los orígenes, causas y efectos de la actual sequía. Una comisión buscará soluciones para evitar daños por el descenso del nivel freático El Ayuntamiento de Murcia y la Confederación se ponen de acuerdo para trabajar unidos y vigilar las extracciones de agua de los pozos M. BUITRAGO/MURCIA Después del desencuentro de los últimos meses, el alcalde de Murcia, Miguel Ángel Cámara, y el presidente de la Confederación Hidrográfica del Segura, José Salvador Fuentes Zorita, se han puesto de acuerdo para crear una comisión técnica que estudie y vigile las extracciones de agua del subsuelo y se evite la preocupante situación del verano pasado, cuando el descenso del nivel freático llegó a niveles alarmantes que podían afectar a las edificaciones. A propuesta de Fuentes Zorita, y tras el ofrecimiento del alcalde, la comisión empezará a trabajar de forma urgente. Miguel Ángel Cámara ya ha propuesto a los miembros que representarán al Ayuntamiento, que estará encabezados por la concejal de Medio Ambiente y Personal, Pilar Megía; junto con el director gerente de Aguas de Murcia, Luis García; el arquitecto jefe de la Oficina Técnica de Arquitectura, Antonio González Serna; y el profesor de Hidrogeología de la Universidad de Murcia, Melchor Senent. Por parte de la Confederación, la delegación técnica estará dirigida por el Comisario de Aguas, Manuel Aldeguer, quien fijará el día del encuentro. Según ha podido saber La Verdad, el alcalde ha tomado otras medidas, como han sido encargar un estudio de investigación sobre el comportamiento del acuífero situado bajo el suelo del municipio. El trabajo lo realizarán el Instituto Euromediterráneo del Agua que dirige Francisco Cabezas; y el profesor Melchor Senent. El objetivo es evitar que vuelva a repetirse la situación de los años , cuando el descenso del nivel freático afectó a las estructuras de numerosos edificios. La necesidad de acometer un estudio detallado del subsuelo de Murcia fue planteada por los técnicos en el programa El Debate de Canal 6. La situación volvió a ser preocupante el pasado verano debido a las extracciones en este acuífero, que provocó un nuevo descenso de los niveles. La Verdad, 11 de enero de 27 1

19 Capítulo I. Introducción 89. edificios, en la lista de candidatos a agrietarse EDUARDO CASADO Son las casas que, según el Instituto Nacional de Estadística (INE), hay en el municipio con una altura superior a un piso y construidas antes del año Pero la opinión de los ingenieros y los arquitectos de Murcia es que no hay motivos para alarmarse. Juan Guillamón, decano de los primeros, dijo que «las últimas lluvias han aliviado los niveles». Nicasia nos cuenta que por esta pared se veía la cocina de su casa. (Juanma L. G. G.). Tienen más de 15 años y peligran después de bajar 6 m el nivel freático por la sequía. Ingenieros y arquitectos creen que la situación no es preocupante. Si el Ayuntamiento de Murcia está en lo cierto y el nivel freático (donde se encuentra el agua subterránea) está descendiendo, los habitantes de 89. viviendas de Murcia serán los más afectados. 2 minutos, 17 de Noviembre de 26. Guillamón explicó que un síntoma de que el nivel freático afecta a un edificio es la aparición «de grietas en un ángulo de 45 grados con la horizontal del edificio». La solución para un edificio afectado, según Francisco Camino, decano del Colegio de Arquitectos, es la inyección de cemento en los cimientos: «Es reconstruir el edificio con la gente dentro». La operación, que es carísima, ya se hizo en la crisis del 95, cuando se vieron afectados 1 edificios. La candidata del PSOE a la Alcaldía, María José Alarcón, calificó al alcalde, Miguel Ángel Cámara, de «irresponsable e inepto por poner en peligro la seguridad de los murcianos» al extraer agua de pozos ilegales cuando la CHS le había advertido, como publicó ayer 2 minutos. 11

20 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Aparecen grietas en viviendas que atribuyen al nivel freático Un grupo de vecinos de Rincón de Seca denuncia que las extracciones de los pozos ha dañado a sus hogares CRISTINA GARCÍA/MURCIA No sabe a dónde ir a reclamar; pero está seguro de que las enormes grietas de su casa de la huerta en la pedanía murciana de Rincón de Seca son consecuencia de la bajada del nivel freático en la zona. Desde el pasado mes de junio, Javier, un empresario murciano, ha visto cómo se ha rajado su caserón de arriba a abajo literalmente al igual que el de muchos de sus vecinos, según explica. «Si pasa alguna desgracia quién va a responder?», se pregunta el empresario, quien además asegura que cuando empezaron a resquebrajarse las paredes de su hogar llamó a la Confederación Hidrográfica del Segura (CHS) para que comprobara de inmediato que el origen de los daños era la bajada del nivel freático. Este empresario dice que aún no ha obtenido respuesta después de que un técnico de una empresa de construcción enviado por la CHS acudiera al lugar para realizar un informe. La única solución que le han dado es que contrate a una empresa que haga un estudio y determine la causa de las rajas en su vivienda en la huerta. «Yo no sé si es por el pozo que la Confederación tiene aquí o por los otros pozos», reconoce el empresario quien acusa a la CHS y al Ayuntamiento de Murcia «de pasarse el muerto» el uno al otro y desentenderse del tema. «Ya sé que hace falta agua para regar los huertos pero por esta zona hay tres pozos y algunos otros particulares y dudo que se esté controlando el agua que se saca», destaca, y confiesa su preocupación por que su casa o la de alguna de sus vecinos se caiga abajo cuando ellos estén dentro. Inspección de la CHS Fuentes de la Confederación Hidrográfica aclaran que varios técnicos acudieron a inspeccionar la vivienda denunciada por el empresario, pero «no lograron establecer una causa efecto directa», por lo que descartaron que se tratara de daños causados por el descenso en el nivel freático. Además, los expertos, según las mismas fuentes, «sí descubrieron años anteriores otras construcciones afectadas por esta causa». La Verdad, 2 de Noviembre de

21 Capítulo I. Introducción El nivel freático de varias zonas de la ciudad roza la línea roja que causó graves daños a los edificios en 1995 El peligro era palpable el pasado verano, ya que el nivel del agua se encontraba cerca de los 12 metros de profundidad; en los últimos días se han recuperado 3 metros M. BUITRAGO/MURCIA El peligro era cierto el pasado verano. La alarma que ha lanzado el alcalde de Murcia, Miguel Ángel Cámara, de que el nivel freático del agua del subsuelo en el casco urbano ha bajado considerablemente se basa en datos ciertos de las mediciones de los piezómetros. Sólo hay dos matizaciones: Por un lado, la Confederación Hidrográfica del Segura sostiene que el nivel ha bajado un metro menos de lo que dice el alcalde. En segundo lugar, las lluvias de los últimos días han permitido aliviar la situación y se han recuperado los niveles entre 2 y 3 metros, según las zonas, por lo que ninguna se encuentra actualmente dentro de la línea roja que causó daños a los edificios, como ocurrió en No obstante, sí está comprobado que en varios puntos se roza todavía la alerta, ya que el nivel freático se aproxima al umbral de los 12 a 14 metros de profundidad que causó los daños a las viviendas hace una década. En aquella ocasión, los destrozos en los cimientos y estructuras de los edificios se debieron a las extracciones abusivas de los pozos también propiedad del Ayuntamiento, ya que en aquellas fechas la Confederación no tenía abierto ningún sondeo bajo el casco urbano, señalaron ayer desde el organismo de cuenca. Últimas mediciones Las decenas de pozos propiedad del Ayuntamiento que han estado sacando agua de la capa más superficial son los que mayor incidencia han vuelto a tener, hasta el punto de que el Consistorio fue requerido en julio y agosto para que detuviera las extracciones, cosa que no hizo, según señaló el miércoles el comisario de Aguas. A día de hoy, y según las mediciones de los piezómetros de la Confederación Hidrográfica del Segura, hay varias zonas del casco urbano cuyo nivel freático roza los once metros. El mes pasado, antes de las lluvias, uno de los medidores del Ayuntamiento se aproximó a los doce metros, aunque la Confederación lo rebaja en un metro. Con las últimas mediciones del organismo de cuenca realizadas el pasado martes, las zonas próximas al auditorio regional y Ronda Norte tenían los niveles de agua a mayor profundidad, rozando los once metros. Fuera del casco urbano, como en los alrededores de Barriomar, Beniaján y La Machacanta se superan los once metros, y corresponden a pozos de la propia Confederación Hidrográfica. Esta última, que depende del Ministerio de Medio Ambiente, maneja todos los datos de nivel freático con cautela, ya que el descenso está vinculado a la fuerte sequía y a la política ministerial de los últimos meses de abrir el mayor número de pozos posible, a falta de otros recursos hídricos. La Verdad, 17 de Noviembre de

22 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La mitad de los edificios agrietados en 1995 lo fueron por otras causas LA VERDAD/MURCIA El hidrogeólogo Eduardo Lupiani y el geólogo Francisco Turrión discreparon durante el programa El Debate acerca de la legalidad de los sesenta pozos que Aguas de Murcia tiene abiertos para regar los jardines. Según Lupiani, de ellos se extrae «un hectómetro anual, que el subsuelo recupera por las pérdidas de la red de aguas, cifradas en un 1%, unos 3,5 hectómetros». Turrión, por su parte, advirtió de que «no sabemos a ciencia cierta cuánto gasta el Ayuntamiento de Murcia en regar sus jardines porque se niega a compartir sus datos con nosotros». Turrión aseguró que los pozos «son ilegales. La Confederación Hidrográfica nunca los ha legalizado». Además, insistió en que, «hace 1 años, decían que se extraía un hectómetro. Lo dudo». Estudios contradictorios Ramón Aragón, jefe del Instituto Geológico y Minero en Murcia, confirmó que el pasado mes de julio, «a la vista de los datos de la CHS, el descenso en el nivel freático comenzaba a ser preocupante. Hasta el 3 de octubre, el descenso medio en el municipio era de 6 metros. Y, en algunos lugares de las afueras como Beniel o Aljucer alcanzaba los 8 metros. Ahora, después de las lluvias, se ha recuperado 1 ó 2 metros». Respecto a los daños provocados en los edificios en 1995, Turrión reveló que «se realizó un estudio que evidenció que muchos daños no eran por el nivel freático, sino por fugas de saneamiento, restos de murallas, aparcamientos próximos, bomberos, etc.». Aragón, en cambio, advirtió de que otro estudio cifró que el 5% de los edificios sufrió daños «directamente vinculados al descenso en el nivel». La Verdad, 23 de noviembre de edificios del Infante y El Carmen quedaron dañados hace una década M. J. M./MURCIA En 1995, los tabiques y cimientos de unos 15 bloques del municipio, ubicados sobre todo en la zona del polígono Infante y en el barrio del Carmen, empezaron a agrietarse. La capa freática sobre la que estaban asentados había descendido como consecuencia de la prolongada sequía que asolaba el municipio. Se estima que un millar de viviendas y más de 2. familias sufrieron las consecuencias. Se trataba de un fenómeno nuevo. Las compañías de seguros no respondieron porque este tipo de catástrofes no estaban incluidas en los contratos de cobertura. Las reparaciones de las casas dañadas podían oscilar entre los dos millones de pesetas -las menos deterioradas- a seis millones. En 1996 se constituyó en El Carmen una plataforma de afectados que, poco a poco, fue agrupando a los vecinos de otros barrios que tenían las viviendas plagadas de grietas a causa de la bajada de la capa freática. La plataforma recabó la ayuda del Ayuntamiento de Murcia y de la Comunidad Autónoma. Llevó el caso a la Asamblea Regional. Se debatió en el Senado y en el Congreso. Cuatro años después llegaron las ayudas. La Verdad, 16 de Noviembre de 26 14

23 Capítulo I. Introducción 1.3. Estructura de la memoria La presente memoria está compuesta de cinco capítulos. En este primer capítulo, se definen los objetivos de la investigación desarrollada y se recopilan los antecedentes y noticias de actualidad relacionados con la problemática de la subsidencia objeto de estudio. El segundo capítulo describe todos los aspectos metodológicos empleados para el desarrollo de la presente investigación. Fundamentalmente se describirá con más detalle el fenómeno de la subsidencia por extracción de agua, se repasarán los métodos de cálculo y/o predicción empleados para la cuantificación de las deformaciones producidas por la extracción de agua y se expondrán las diferentes técnicas de medida y control de las deformaciones, incidiendo especialmente en la Interferometría SAR Diferencial (DInSAR) y en particular en la técnica de los Píxeles Coherentes (Coherent Píxel Technique, CPT). La descripción del medio (geología, propiedades geotécnicas de los suelos, hidrogeología, etc.) se lleva a cabo en el capítulo tercero. En él se incluye también una primera descripción del fenómeno concreto de subsidencia que afectó a la Vega Media del río Segura. En el capítulo cuarto se exponen y analizan en detalle los resultados obtenidos con la aplicación de la interferometría SAR diferencial al estudio de la subsidencia de la Vega Media del río Segura para el periodo Estos resultados son validados mediante comparación directa con datos in situ de medidas de deformación así como otros tipos de datos como son el espesor de suelo blando, la litología, la evolución temporal del nivel piezométrico o la deformación modelizada mediante la teoría clásica de la consolidación. Asimismo, se propone un modelo de cálculo de la subsidencia producida por el descenso de nivel piezométrico que es validado y aplicado a diferentes escenarios de subsidencia. Finalmente, en el último capítulo se enumeran las conclusiones principales del estudio llevado a cabo y se proponen posibles líneas futuras de investigación relacionadas con esta tesis. 15

24 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada 16

25 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada CAPÍTULO II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua En este capítulo se analizan y describen todos los aspectos metodológicos relacionados con la subsidencia, las técnicas de instrumentación empleadas para la medida de las deformaciones causadas por la subsidencia, la interferometría SAR diferencial y la técnica empleada en la presente tesis (denominada de los píxeles Coherentes -CPT-DInSAR-) La subsidencia Definición El término genérico de subsidencia hace referencia al hundimiento paulatino de la corteza terrestre, continental o submarina. La subsidencia terrestre, en la cual se centra el presente trabajo, es un fenómeno que implica el asentamiento de la superficie terrestre en un área extensa debido a varios factores, que pueden ser naturales o causados por el impacto de una gran variedad de actividades humanas (Corapcioglu, 1984). Prokopovich (1979) define desde un punto de vista genético dos tipos de subsidencia: endógena y exógena. El primero de estos términos hace referencia a aquellos movimientos de la superficie terrestre asociados a procesos geológicos internos, tales como pliegues, fallas, vulcanismo, etc. El segundo se refiere a los procesos de deformación superficial relacionados con la compactación natural o antrópica de los suelos. La subsidencia puede también clasificarse en función de los mecanismos que la desencadenan (Scott, 1979). Las actividades extractivas de mineral en galerías subterráneas, la construcción de túneles, la extracción de fluidos (agua, petróleo o gas) acumulados en reservorios subterráneos, el descenso de nivel freático por estiajes prolongados, la disolución natural del terreno y lavado de materiales por efecto del agua, los procesos morfotectónicos y de sedimentación o los procesos de consolidación de suelos blandos u orgánicos, son algunas de las causas de los procesos de subsidencia (González Vallejo et al., 22) Importancia del fenómeno La subsidencia es un fenómeno geológico que no suele ocasionar víctimas mortales, aunque los daños materiales que causa pueden llegar a ser cuantiosos. Es de gran importancia en zonas urbanas, donde los perjuicios ocasionados pueden llegar a ser ilimitados, suponiendo un riesgo importante para edificaciones, canales, conducciones, vías de comunicación, así como todo tipo de construcciones asentadas sobre el terreno que se deforma. Las consecuencias económicas de este fenómeno se han valorado en unos 125 millones de dólares anuales en 199 (Huhfer et al.,, 1997). En España existen algunas zonas relativamente pequeñas que se han visto afectadas por este tipo de fenómenos, como es el caso de la ciudad de Murcia. En ella se midieron asientos relativos de 1-12 cm entre los años debido a un descenso del nivel freático de unos 8 metros (Rodríguez Ortiz y Mulas, 22). Los daños producidos en aproximadamente 15 edificios del núcleo urbano de Murcia dieron lugar a unas 3 denuncias, estimándose el coste de los daños producidos en unos 38 millones de euros (Rodríguez Ortiz y Mulas, 22) Casos históricos de subsidencia La subsidencia es un fenómeno asociado en gran medida al desarrollo humano y a la ocupación y urbanización de amplias zonas del territorio. Es por ello que los fenómenos de subsidencia afectan a un gran número de asentamientos humanos distribuidos por todo el mundo. Con el fin de proporcionar un orden de magnitud del fenómeno de subsidencia que afecta a la ciudad de Murcia, en la Tabla 2.1 se exponen algunos de los casos más significativos de la literatura científica. 19

26 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Tabla 2.1 Casos históricos de subsidencia por variación de nivel freático (modificado de Justo y Vázquez, 1999 y Vázquez, 22). Q: Cuaternario indiferenciado; T: Terciario indiferenciado; H: Holoceno; Pl: Pleistoceno; P: Plioceno; c: arcilla; m: limo; s: arena; g: grava. Tailandia Italia Méjico País Situación Ciudad de Méjico Delta del río Po Venecia Rávena Módena Bangkok Periodo Área (km 2 ) Velocidad de asiento (cm/año) Asiento máximo (cm) Edad del suelo/litología (potencia en m) Descenso piezométrico máximo (m) Q/c+s(7) 35 Carbognin et al. (1978) Figueroa y Germán (1977) Placzek (1989) Scott (1979) >85 Birkle y Schneider (1998) Strozzi y Wegmüller (1999) UNESCO, (1984) Q/c+s (15) 5 Carbognin et al. (1978) Gambolati et al. (1999) Lewis y Schrefler (1998) Ricceri y Favareti (1992) Schrefler et al. (1977) Placzek (1989) Bitelli et al. (2) Carminati y Martinelli (22) UNESCO, (1984) Pl/s+m+c (1) Referencia bibliográfica Q/c+s (15-3) Estrato compactado (35-3) Q/(2) Actualidad Bouwer (1977) Carbognin et al. (1977 ; 1978 ; 1979) Corapcioglu (1984) Gambolati y Freeze (1973) Gambolatti et al. (1999) Lewis y Schrefler (1998) Placzek (1989) Ricceri y Butterfield (1974) Ricceri y Favaretti (1992) Alberotanza et al. (22) UNESCO, (1984) Carbognin et al. (1979) Gambolati et al. (1999) Lewis y Schrefler (1998) Carminati y Martinelli (22) UNESCO, (1984) Ricceri y Favareti (1992) Bergado et al. (1987) Prinzl y Nutalaya (1987) UNESCO, (1984) 2

27 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Tabla 2.1 Casos históricos de subsidencia por variación de nivel freático (modificado de Justo y Vázquez, 1999 y Vázquez, 22)(continuación). Indonesia Japón Taiwan Italia País Situación Bolonia Mesola Referencia bibliográfica Firenze- Prato- Pistoia Taipei Río Choshui Llanura de Nobi Periodo Área (km 2 ) Velocidad de asiento (cm/año) Asiento máximo (cm) Edad del suelo/litología (potencia en m) Descenso piezométrico máximo (m) Estrato compactado ( ) Ricceri y Favareti (1992) Bitelli et al. (2) Folloni et al. (1996) Carminati y Martinelli (22) s+m+c 4 Ricceri y Favaretti (1992) Colombo et al. (23) Q/(1-24) 4 Scott (1979) UNESCO, (1984) G+s+m+c (75) 22 Liu et al. (24a ; b) H/s+c (1-6) Kuwabara et al. (1977) Pl/(15) >4 Iida et al, (1977) P(2-1) UNESCO, (1984) Niigata 2 Tokyo > > > H(<15) Pl(65) Aoki (1977) Yamamoto (1996) Akagi (1992) Corapcioglu (1984) Scott (1979) Sato et al. (23) UNESCO, (1984) Pl-P/c(1-3) Ishii et al. (1977) Yamamoto (1996) Akagi (1992) Corapcioglu (1984) Scott (1979) Carbognin et al. (1978) Bouwer (1977) Ricceri y Butterfield (1974) Sato et al. (23) UNESCO, (1984) Q/(4) 3 Yamamoto (1996) Osaka Carbognin et al. (1978) Akagi (1992) UNESCO, (1984) Kanto Nakagawa et al. (2) Llanura de Saga Jakarta Q/c+s (2) Zhou et al. (23) UNESCO, (1984) Q/s+m (2-3) Abidin et al. (21) Hirose et al. (21) EE.UU Arizona (1-3) Central Bouwer (1977) Carbognin et al. (1978) Winikka y Wold (1977) UNESCO (1984) 21

28 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Tabla 2.1 Casos históricos de subsidencia por variación de nivel freático (modificado de Justo y Vázquez, 1999 y Vázquez, 22)(continuación). País EE.UU. China Situación Valle de San Joaquín Valle de Santa Clara Valle de Las Vegas Área Houston- Galvestone Valle de Antílope Shangai Tianjin Suzhou Periodo Área (km 2 ) Velocidad de asiento (cm/año) Asiento máximo (cm) Edad del suelo/litología (potencia en m) Descenso piezométrico máximo (m) > > Referencia bibliográfica P-Pl/c(85) Bouwer (1977) Q/g ó c+m( ) (6-3) Corapcioglu (1984) Guacci (1979) Johnson (1992) Logfren (1977; 1979) Placzek (1989) Ricceri y Butterfield (1974) Bouwer (1977) Carbognin et al. (1978) Poland (1977) UNESCO (1984) Burbey (1995; 1996) Bell y Price (1991) UNESCO (1984) Hoffmann (23) (6-9) Bouwer (1977) Delflache (1979) Gabrysch (1977) UNESCO (1984) T+Q/g+s+m+c Galloway et al. (1998) Hoffmann (23) T+Q/(1-3) Hu et al. (24) UNESCO (1984) Acuífero multicapa Hu et al. (22 ; 24) Q/s+c(5) Q (2) Hu et al. (24) Chen et al. (23) Wang et al. (21) Wusi, Hu et al. (24) Changzhou Hu et al. (24) Ningbo Hu et al. (24) Jiaxin Hu et al. (24) Heze Hu et al. (24) Jining Hu et al. (24) Dezhou Hu et al. (24) Xi an Hu et al. (24) Xuchang Hu et al. (24) Kaifeng Hu et al. (24) Luoyang Hu et al. (24) An yang Hu et al. (24) Hebei province Hu et al. (24) Hu et al. (24) Fuyang Ha erbing Hu et al. (24) Daquing Hu et al. (24) Taiyuan Hu et al. (24) Datong Hu et al. (24) 2 Yu ci 1-2 Hu et al. (24) Jiexiu Hu et al. (24) Beijing Hu et al. (24) Kunming Hu et al. (24) Zhanjianj Hu et al. (24) Haikou Hu et al. (24) Fuzhou Hu et al. (24) 22

29 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada El proceso de subsidencia. Consolidación del terreno Mecanismo de la subsidencia El presente trabajo se centra en los fenómenos de subsidencia exogéna antrópica, ya que la causa de las deformaciones sufridas en la Vega Baja y Media ha sido el descenso generalizado del nivel freático debido fundamentalmente a las sequías sufridas en esta área durante un largo periodo de tiempo, a la que se le añadió la sobreexplotación del acuífero. Para entender mejor este fenómeno hemos de recurrir a la ley de Terzaghi o principio de presión efectiva que gobierna el comportamiento de los esfuerzos que sufre el terreno, dado por la expresión: σ ' = σ u (2.1) donde σ es la presión efectiva existente en un punto del suelo, σ es la presión total y u es la presión intersticial o de poro a la que está sometido ese mismo punto. Según esta expresión, al producirse un descenso de nivel freático, la presión intersticial en un punto del terreno situado bajo el nivel del agua disminuirá, y en consecuencia aumentará la presión efectiva, derivando en un proceso de consolidación del suelo. Si este hecho se hace extensible a una amplia zona pueden producirse importantes fenómenos de consolidación del terreno con la consecuente deformación en superficie Presión de preconsolidación Para entender el fenómeno de consolidación provocado por el descenso de nivel freático es fundamental considerar los conceptos de deformación elástica y anelástica, así como la definición de presión de preconsolidación que establece el límite de separación entre ambos tipos de deformación en un suelo. Consideremos un suelo cuya tensión máxima vertical a la que ha estado sometido sea coincidente con la tensión inducida por la columna de suelo suprayacente (σ ). En este caso hablaremos de un suelo normalmente consolidado, ya que la máxima tensión que ha sufrido a lo largo de su historia geológica coincide con la tensión actual. Si ese mismo suelo hubiera estado sometido en el pasado a una tensión superior a la existente en la actualidad (σ ), esa tensión máxima (σ p ) se denomina presión de preconsolidación, de precompresión, de precompactación o de precarga (Dawidowski and Koolen, 1994) y diremos que el suelo se encuentra sobreconsolidado. Desde un punto de vista estrictamente geotécnico, la presión de preconsolidación marca el límite de la gran compresibilidad del suelo. Este parámetro será, por lo tanto, de gran valor para la predicción de asientos del terreno. En el caso específico de la subsidencia por descenso de nivel freático, la presión de preconsolidación marca los esfuerzos máximos generados por el incremento de los esfuerzos efectivos causados por la caída del nivel del agua (Hoffmann, 23). Este punto marca la posición del nivel piezométrico que separa las deformaciones elásticas y recuperables, de las anelásticas e irrecuperables (Jorgensen, 198; Holzer, 1981; Hoffman, 23). La presión de preconsolidación se calcula generalmente a partir de los datos del ensayo de consolidación unidimensional (UNE, 1994) empleando la célula edométrica. Los resultados de este ensayo se representan como el logaritmo decimal de la tensión efectiva frente al índice de huecos (e). Este gráfico, denominado curva edométrica, presenta dos ramas diferenciadas. La primera se denomina rama elástica (o rama de recarga elástica) y se caracteriza por presentar bajas deformaciones que son recuperables una vez que la carga ha cesado. La segunda rama se denomina rama noval de carga y ocurre cuando el suelo es sometido a cargas mayores. Esta segunda rama se caracteriza por su linealidad y por las deformaciones irrecuperables que ocasiona. El punto que separa ambas ramas corresponde a la presión de preconsolidación (Figura 2.1). 23

30 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura 2.1. Curva edométrica de laboratorio y de campo de una muestra de suelo sobreconsolidada. Parámetros característicos: σ : tensión efectiva natural de la muestra; σ p : tensión de preconsolidación; e : índice de huecos natural de la muestra; C c : índice de compresión; C s : índice de hinchamiento o entumecimiento. Algunos autores han propuesto métodos para calcular la presión de preconsolidación de una muestra de suelo: Casagrande (1936), Pacheco Silva (197), Tavenas et al., (1979), Gregory et al. (26), entre otros. De entre todos estos métodos, el más extendido es el de Casagrande (1936), que consiste en trazar una recta horizontal (h) por el punto de máxima curvatura de la curva edométrica (M), trazar la tangente (t) por ese mismo punto y determinar la bisectriz (b) de esas dos rectas. El valor de tensión efectiva correspondiente al punto (i) de corte de la bisectriz (b) y la prolongación del tramo recto de la rama de carga de la curva edométrica es la presión de preconsolidación (Figura 2.1). 24

31 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Gregory et al. (26) proponen un método analítico consistente en ajustar una curva sigmoidal de Gompertz a los datos de la curva edométrica, cuya expresión matemática es: e = a + c e b e log 1 ' σ m (2.2) De este modo puede determinarse el punto de máxima curvatura de la curva ajustada optimizando la función del radio de curvatura, que viene expresado como: donde: κ = 2 d e d(log σ ') 1 2 de 1 + (log1 ') d σ 2 3 / 2 (2.3) d(log de b(log σ ' m) 1 1 = b c e σ ') e b(log1 σ ' m) [ e ] (2.4) 2 d e d(log σ ') 1 2 = b 2 c e b(log e ' σ 1 m) b(log1 σ ' m) b(log1 σ ' m) [ e ] [ e 1] (2.5) Esta metodología se aplicará en el capítulo IV de la presente tesis doctoral a suelos de las Vegas Media y Baja del río Segura con el fin de determinar el grado de sobreconsolidación de los mismos, suponiendo una importante contribución al conocimiento geotécnico de la zona. Otro término interesante desde el punto de vista de la preconsolidación por descenso de nivel freático es la relación entre la presión de preconsolidación y la tensión vertical actual, que se denomina grado de sobreconsolidación o razón de sobreconsolidación (OverConsolidation Ratio OCR): OCR = ' σ p ' σ Este parámetro toma valores iguales a la unidad para suelos normalmente consolidados y mayores a la unidad para suelos sobreconsolidados. Parry y Wroth (1981) propusieron una forma simpificada para estimar el grado de sobreconsolidación (OCR) debido al descenso de nivel freático, que deja patente el cambio en las tensiones efectivas que implica la variación de nivel freático. La tensión vertical natural (σ ) inicial es: (2.6) σ (2.7) = σ ' + u Tras el descenso del nivel freático ( H), la nueva tensión que actúa en ese mismo punto puede expresarse como: 25

32 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua σ = σ + ( u Hγ ) (2.8) 1 ' 1 w donde γ w es el peso específico del agua. La variación de tensión efectiva debido al descenso del nivel freático será: σ ' 1 σ ' = σ ' = H γ w H ( γ sat γ ) (2.9) donde γ es el peso específico aparente del suelo emergido y γ sat es su peso específico saturado. El segundo término puede ser despreciado si se considera que el suelo permanece saturado debido a fuerzas capilares. Si además suponemos que el descenso del nivel del agua se prolonga hasta que se ha completado la consolidación primaria del suelo (se ha disipado el exceso de presión intersticial ocasionado por el descenso de agua) para posteriormente recuperar su nivel inicial, entonces el grado de sobreconsolidación del suelo podemos definirlo como: σ ' σ ' + σ Hγ H ( γ γ ) 1 w sat OCR = = = 1+ (2.1) σ ' σ ' σ ' En aquellos casos en los que el suelo ya está sobreconsolidado, la magnitud del descenso del nivel freático deberá ser mayor que aquel que hace incrementar la tensión efectiva (σ ) hasta el valor de la presión de preconsolidación (σ p ) para incrementar el OCR. De no ser así, el descenso de nivel freático será insuficiente y no modificará el OCR del suelo (o lo que es lo mismo, su presión de preconsolidación) Los mecanismos de la subsidencia La expresión (2.1) proporciona el valor de OCR bajo el supuesto de que, para un determinado descenso de carga hidráulica, se ha completado la consolidación del suelo, o lo que es lo mismo, se ha drenado completamente. En un acuitardo real, el descenso temporal de carga hidráulica en el acuitardo circundante no permite el drenaje (o el desarrollo de la consolidación primaria) de forma completa ni instantánea. Como consecuencia, si en una capa de suelo fino comprendida entre estratos altamente permeables, como por ejemplo gravas, se produce un descenso en la altura piezométrica de agua en las gravas que confinan el paquete de suelo fino, no necesariamente se genera el mismo descenso de la altura piezométrica en los finos. Normalmente, el descenso producido en todo el contorno de la capa de arcilla generará un flujo saliente de agua desde los materiales finos hacia la grava que se prolongará en el tiempo tanto más cuanto más impermeable sea el suelo. Como consecuencia, la expresión (2.1) no suele ser aplicable de forma estricta en esos casos, ya que el drenaje, y por lo tanto la consolidación primaria, no es inmediato al cambio de altura piezométrica en el contorno del estrato. Esto implica que esta expresión sobrevalora la presión de preconsolidación y el OCR. Este efecto se ha observado en numerosos acuíferos en los que se han producido importantes descensos de altura piezométrica en las capas confinantes, mientras que la presión de preconsolidación de las capas confinadas, expresada en metros de altura de agua, son muy inferiores a las anteriores. En estos casos es necesario hablar de una presión de preconsolidación aparente (Figura 2.2). Para entender un poco mejor los mecanismos de la subsidencia por extracción de agua profundizaremos a continuación en los tipos de deformación que afectan a los sistemas acuíferos. En todos los sistemas acuíferos detríticos ligeramente o nada consolidados tiene lugar una deformación asociada a los cambios de nivel de agua que se rigen por el principio de Terzaghi. Como ya se ha señalado anteriormente, según este principio, cuando el soporte proporcionado por el fluido (agua) se reduce debido a un descenso de nivel piezométrico, dicho soporte anteriormente proporcionado por el agua es transferido al esqueleto sólido del suelo, lo que se traduce en una compresión o deformación 26

33 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada (Figura 2.3). Cuando el nivel piezométrico se recupera, debido a la recarga del acuífero, el soporte es de nuevo transferido al agua intersticial, produciéndose una expansión del esqueleto sólido del suelo. De este modo, el esqueleto sólido sufre ciclos de expansión y contracción como consecuencia de la recarga y descarga del sistema acuífero. Figura 2.2. Relación entre los descensos de carga en los acuíferos confinantes y la deformación en el acuitardo confinado. Valle de San Joaquín, California (Riley, 1969). Mientras que la carga soportada por el esqueleto sólido del suelo sea menor que la máxima carga previa soportada por el mismo suelo (presión de preconsolidación) las deformaciones son pequeñas y totalmente recuperables. Estas deformaciones ocurren en todos los acuíferos, habitualmente asociadas a cambios estacionales del nivel de agua, generando asientos inferiores a 1 pulgada (2.5 centímetros). La Figura 2.3 muestra un esquema del fenómeno de deformación elástica de un acuífero constituido por varios niveles de arcilla intercalados entre niveles más permeables de grava o arena. Como puede observarse, la fluctuación del nivel de agua por encima del valor correspondiente a la presión de preconsolidación genera cíclicamente periodos de subsidencia y levantamiento. Asimismo, podemos observar cómo la variación de presión de poro o intersticial se manifiesta mediante la contracción o expansión del esqueleto sólido del sistema acuífero. Cuando la carga efectiva (la que soporta el esqueleto sólido) debido al descenso del nivel de agua supera el valor máximo sufrido en el pasado (presión de preconsolidación) se pueden producir deformaciones permanentes debido al reajuste de partículas (Figura 2.4). Este reajuste genera una reducción de huecos que hace que el agua deba ser drenada hacia los niveles más permeables (acuíferos). La Figura 2.4 muestra esquemáticamente el fenómeno de la consolidación irreversible o anelástica de un sistema acuífero. Como puede apreciarse, la deformación causada es mucho mayor que la debida a la deformación elástica. 27

34 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura 2.3. Deformación elástica de un sistema acuífero (sin escala). Figura 2.4. Deformación anelástica de un sistema acuífero (sin escala). 28

35 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Comportamientos del suelo frente a los descensos de nivel piezométrico Tal como se ha explicado en los apartados precedentes, la variación en la presión de poro (o presión intersticial) resultante de la extracción de agua es la causa externa principal de la subsidencia, mientras que la compresibilidad de los estratos de suelo constituye la causa interna. Por lo tanto, las características de la deformación sufrida por el acuífero resultan de gran interés en el estudio de la subsidencia. Numerosos autores (Lofgren, 1969; Riley, 1969; Poland et al., 1975; Helm, 1976; Holzer, 1981; Ireland et al., 1984; Riley, 1984; Burbey, 21; Zhang et al., Burbey, 23; 27a; Zhang et al., 27b; Shi et al., 27) han hecho uso de medidas instrumentales in situ de la subsidencia y de los niveles piezométricos para analizar las relaciones esfuerzo-deformación. Estos estudios ponen de manifiesto que un mismo acuífero puede presentar diferentes respuestas en función de la estratigrafía y las condiciones de bombeo (Zhang et al., 27a). En algunos casos se observó que la recuperación del nivel piezométrico no implicaba una expansión del suelo. Sin embargo, en otros casos el acuífero presentó un comportamiento elástico que generaba ciclos de expansión y subsidencia durante los respectivos ciclos de recuperación y caída del nivel piezométrico. En otros casos existe una deformación irrecuperable superpuesta a la deformación elástica, que confieren al acuífero un comportamiento elasto-plástico. Igualmente, se observa que los patrones de evolución del nivel piezométrico en los acuíferos confinados tienen un papel fundamental en el comportamiento mecánico de las unidades hidroestratigráficas (Zhang et al., 27a; 27b). Para ilustrar los distintos comportamientos tenso-deformacionales del suelo ante los cambios de nivel piezométrico, a continuación se describen una serie de resultados donde se observan distintos casos y relaciones causa-efecto. Zhang et al. (27a y 27b) han estudiado en detalle el comportamiento tenso-deformacional de la zona meridional del delta del río Yangtse. El acuífero de esta zona de estudio consta de un acuífero libre, cinco acuíferos confinados y seis acuitardos con una potencia total que varía desde los 1 hasta los 4 m. El acuífero superficial libre está muy poco explotado, por lo que sus variaciones son básicamente estacionales variando entre 2 y 4 m. Como consecuencia de estas oscilaciones el acuífero sufre un aumento y disminución de tensiones alternativo y periódico que genera una deformación principalmente elástica (Figura 2.5). Téngase presente que en las gráficas de este apartado los valores negativos de deformación son indicativos de una expansión, mientras que los valores positivos indican subsidencia. Asimismo, el nivel piezométrico está expresado en cotas absolutas, de modo que valores pequeños (grandes en valor absoluto) son indicativos de cotas muy bajas de nivel piezométrico. Figura 2.5. Deformación elástica del acuífero libre (Zhang et al., 27a) 29

36 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua El primer y segundo acuífero presentan características deformacionales similares. Estos acuíferos fueron intensamente explotados durante los años 6, causando el descenso piezométrico mostrado en la Figura 2.6. Posteriormente el bombeo cesó, recuperándose el nivel piezométrico de forma importante. Durante los años 8 se reactivó el bombeo causando de nuevo una importante caída. Como puede observarse en la Figura 2.6, las fluctuaciones estacionales se superponen a las de mayor periodo. Figura 2.6. Historial de subsidencia acumulada y nivel piezométrico en el segundo acuífero confinado de la ciudad de Shangai (Zhang et al. 27a) Desde el punto de vista de las deformaciones puede observarse que la deformación del terreno imita la evolución piezométrica del acuífero entre los años 1965 y 1989, exhibiendo un comportamiento elástico (Figuras 2.6 y 2.7) (Zhang et al., 27a). Sin embargo, a partir del año 1989 el comportamiento pasa a ser elásto-plástico (Figuras 2.6 y 2.7) (Zhang et al., 27a) Figura 2.7. Curva de deformación acumulada frente a variación de nivel piezométrico en el segundo acuífero confinado de la ciudad de Shangai (Zhang et al. 27a). En otro grupo de extensómetros emplazados en la ciudad de Changzhou, al noreste de Shangai, la curva deformación-nivel piezométrico del segundo acuífero, compuesto principalmente de arenas finas, muestra una deformación continua a pesar de que el nivel piezométrico permaneció constante hasta 1994 (Figura 2.8). La subsidencia no cesó hasta el año 21, cuando la curva se verticalizó, indicando que la expansión ocasionada por la recuperación del nivel piezométrico era aproximadamente igual a la deformación (Zhang et al. 27a). Tras este periodo, la curva retrocedió, indicando que la recuperación elástica excedía a la subsidencia (Zhang et al. 27a). 3

37 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura 2.8. Curva de deformación acumulada frente a variación de nivel piezométrico en el segundo acuífero confinado de la ciudad de Changzhou (Zhang et al. 27a) La Figura 2.9 muestra la curva de deformación acumulada frente a variación de nivel piezométrico en el tercer acuífero confinado de la ciudad de Shangai. En ella Zhang et al. (27a) diferencia un primer periodo que se prolonga hasta 1989 durante el cual el nivel piezométrico fluctuaba dentro de un determinado rango con un valor medio constante y en el que la respuesta deformacional del acuífero era esencialmente elástica. Entre los años 1989 y 1991 los mismos autores reconocen la correspondencia entre las variaciones de nivel piezométrico y la subsidencia. Sin embargo, para este periodo observan la existencia de una deformación permanente e irrecuperable durante cada ciclo de variación de nivel piezométrico, definiendo el comportamiento como elasto-plástico. Finalmente, tras el año 1991, el nivel del agua decayó considerablemente superando el nivel mínimo previamente alcanzado. La deformación fue continua durante los cambios cíclicos de nivel piezométrico incluso cuando éste permaneció prácticamente constante. Figura 2.9. Curva de deformación acumulada frente a variación de nivel piezométrico en el tercer acuífero confinado de la ciudad de Shangai (Zhang et al. 27a) La curva de deformación acumulada frente a variación de nivel piezométrico correspondiente al tercer acuífero confinado de la ciudad de Changzhou (Figura 2.1) presenta un patrón de deformación 31

38 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua decorrelado con las variaciones de nivel piezométrico. Según Zhang et al. (27a), la subsidencia continúa a lo largo del tiempo a pesar de la recuperación o caída del nivel piezométrico. Figura 2.1. Curva de deformación acumulada frente a variación de nivel piezométrico en el tercer acuífero confinado de la ciudad de Changzhou (Zhang et al. 27a) La Figura 2.11 muestra las curvas esfuerzo-deformación del primer acuitardo. Como puede observarse en ellas, la consolidación de la capa es continua a pesar de que el nivel piezométrico permanezca constante. Zhang et al. (27a) afirman que su comportamiento es visco-elasto-plástico. Figura Curvas esfuerzo-deformación del primer acuitardo de la ciudad de Shangai (Zhang et al. 27a) en los extensómetros F13. En el grupo de extensómetros F4, emplazado también en la ciudad de Shangai, la primera y segunda capa de arcillas blandas del primer acuitardo están compuestas de arcilla orgánica y arcilla limosa de gran compresibilidad. La Figura 2.12 muestra la evolución de los niveles piezométricos en las dos capas junto con la evolución de la subsidencia además del gráfico esfuerzo-deformación. Como puede observarse, las capas se consolidan incluso cuando el nivel piezométrico se recupera, sin que existan bucles durante los ciclos anuales. Las razones que Zhang et al. (27b) achacan a este comportamiento son dos. La primera se debe a que la disipación de presión de poro del estrato es lenta, existiendo un retraso entre la variación de nivel piezométrico en el acuífero adyacente y las deformaciones debido a la baja permeabilidad de las arcillas. La segunda razón es que el comportamiento deformacional de estas arcillas es principalmente plástico y de reptación, por lo que describen este comportamiento como viscoelasto-plástico (Figura 2.12), al igual que se concluye al analizar los datos del extensómetro F13. 32

39 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura Evolución de las deformaciones y el nivel piezométrico (superior) y curva esfuerzo deformación de la primera y segunda capa de arcillas (inferior) de la ciudad de Shangai en los extensómetros F4 (Zhang et al.,27b). El segundo acuitardo presenta un comportamiento básicamente elástico (Figura 2.13) en el que la expansión y la consolidación imitan estrechamente las recuperaciones y descensos de nivel piezométrico (Zhang et al., 27a). 33

40 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Curva esfuerzo-deformación del segundo acuitardo de la ciudad de Shangai en los extensómetros F3 (Zhang et al.,27a). Los datos del grupo de extensómetros F4 (Figura 2.14), localizado principalmente sobre arcillas, limos y arenas limosas de Shangai, muestran un comportamiento similar al del grupo de extensómetros F3, en el que existe sincronía entre las variaciones de nivel piezométrico y las deformaciones. Sin embargo, como puede observarse en la Figura 2.14 existe una cierta deformación irrecuperable en cada ciclo anual, apareciendo bucles perfectamente definidos en la curva esfuerzo-deformación. Como consecuencia, Zhangh et al. (27b) describen el comportamiento como elasto-plástico. En la misma figura pueden apreciarse las rectas ajustadas mediante el método gráfico para el cálculo de los parámetros de deformación de carga y recarga (o descarga) del acuitardo. Figura Evolución de las deformaciones y el nivel piezométrico (superior) y curva esfuerzo deformación del segundo acuitardo (inferior) de la ciudad de Shangai en los extensómetros F4 (Zhang et al.,27b). 34

41 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La Figura 2.15 muestra la evolución temporal de la subsidencia y del nivel piezométrico en el tercer acuitardo de la ciudad de Shangai (figura superior) así como la curva de deformación acumulada frente a variación de nivel piezométrico (figura inferior). Como puede observarse, antes de 1991 el comportamiento era principalmente elástico (Zhang et al.,27a). Posteriormente, entre los años 1991 y 1993, el comportamiento fue elasto-plástico (Zhang et al.,27a). Figura (superior) Evolución del nivel piezométrico y de la deformación y (inferior) Curva esfuerzo deformación del tercer acuitardo de la ciudad de Shangai (Zhang et al., 27a). Ma et al. (26) han estudiado la influencia de las heterogeneidades estratigráficas en la subsidencia de Taiyuan, en el norte de China. La Figura 2.16 muestra el corte litológico de cuatro áreas subsidentes junto con la evolución de la subsidencia, de los caudales de bombeo y del nivel piezométrico de tres de ellas. Estos autores reconocen la baja tasa de subsidencia del área de Xizhang, en relación a las otras zonas, debido al pequeño espesor acumulado de suelo arcilloso existente en esta área (Figura 2.16 a). Además, el tiempo de reacción de la subsidencia (lag time) ante los cambios de nivel piezométrico es prácticamente instantáneo debido al corto camino de drenaje de las capas de arcilla. En Wujiabao (Figura 2.16 c) existe un importante espesor acumulado de arcilla, pero el espesor individual de las capas es pequeño. Como consecuencia, tras el bombeo, las arcillas son drenadas rápidamente, por lo que el retraso entre el descenso y la subsidencia es muy corto. De forma contraria al caso anterior, en Pekín (Figura 2.16 d) el espesor individual de las capas de arcilla es muy elevado. Como consecuencia el drenaje de las arcillas es muy lento pese a existir un intenso bombeo, por lo que la subsidencia también lo es (Ma et al., 26). 35

42 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Finalmente, en las zonas de Wanbolin y Xiayuan, en la que el número de capas de arcilla es mayor que en la zona de Xizhang, pero menor que en el área de Wujiabao, el espesor acumulado es mayor que en las otras dos áreas. Sin embargo, la subsidencia medida es mayor que en Xizhang pero menor que en Wujiabao (Ma et al., 26). Figura Cortes simplificados y evolución de la subsidencia, la tasa de bombeo y el nivel piezométrico de las zonas subsidentes localizadas en Xizhang (a), Wanbolin y Xiayuan (b), Wujiabao (c) y Pekín (d) (Norte de China) con indicación de las litologías exstentes en cada una de ellas (Ma et al., 26) Modelos de cálculo de la subsidencia La estimación y/o predicción de asientos producidos por extracción de agua del suelo es de gran importancia. Los métodos empleados para tal fin pueden dividirse en tres grandes grupos (UNESCO, 1984): Métodos empíricos Métodos semiteóricos Métodos teóricos 36

43 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Los métodos empíricos consisten en una extrapolación de los datos disponibles para determinar las tendencias futuras de la subsidencia. Generalmente, estos métodos consideran la subsidencia simplemente como una función del tiempo. Diversos autores han ajustado curvas de tipo cuadrático, exponenciales o logarítmicas mediante la técnica de los mínimos cuadrados para predecir la futura tendencia de la subsidencia (UNESCO, 1984). Los métodos semiteóricos hacen uso de las relaciones existentes entre la subsidencia y otros fenómenos asociados para estimas futuras tendencias. Uno de los métodos semiteóricos más conocidos es el propuesto por Wadachi (194), quien señaló que la tasa de subsidencia es proporcional a los cambios en el nivel del agua. Posteriormente, Yamaguchi (1969) modificó ligeramente el método anterior, proponiendo una nueva expresión. Otro método semiteórico consiste en correlacionar la subsidencia con los volúmenes de agua extraída (UNESCO, 1984; Hu et al., 22). La relación entre la subsidencia y los descensos de carga hidráulica de los acuíferos confinantes durante un determinado periodo de tiempo constituye un parámetro de gran utilidad, pues representa la variación de espesor por unidad de cambio en el esfuerzo efectivo aplicado. Algunos autores han propuesto relaciones entre esta relación y el contenido de arcilla del acuitardo. El empleo de esta relación se considera también un método semiteórico. Por último, los métodos teóricos pretenden explicar con mayor fidelidad el complejo fenómeno de la subsidencia. Sin embargo, aunque las causas que originan la subsidencia y los mecanismos que la rigen son bien conocidas desde un punto de vista cualitativo, al tratar de resolver el problema cuantitativamente surgen una serie de incertidumbres e indefiniciones que requieren de simplificaciones e idealizaciones que nos permitan realizar una correcta interpretación. Algunas de las simplificaciones habitualmente llevadas a cabo son (UNESCO, 1984): a) Para los materiales Inexistencia de materia orgánica (no hay consolidación secundaria) Existencia de dos fases (agua y sólido) Propiedades no viscosas Propiedades no plásticas Comportamiento Newtoniano del agua No existe anisotropía Comportamiento elástico de las partículas sólidas Parámetros deformacionales constantes, al menos para la deformación compresión virgen y descarga-recarga. b) Para el acuífero: Estratos horizontales Flujo horizontal en acuíferos y vertical en acuitardos Subsidencia debida principalmente a consolidación de los acuitardos Inexistencia de superficie libre de flujo en los acuíferos De Justo y Vázquez (1999) plantearon la ecuación de la consolidación unidimensional de una capa de suelo como (De Justo y Vázquez, 1999; Vázquez, 21; Vázquez y De Justo, 22a; Vázquez y De Justo, 22b; De Justo y Vázquez, 23): k u z σ u = γ w ( m t t 2 v + γ m 2 w v v + nβ ) (2.11) donde k v es la permeabilidad vertical, u es la presión intersticial, z es la profundidad del punto considerado medida desde el muro del estrato, γ w es el peso específico del agua,, n es la porosidad eficaz 37

44 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua del suelo, β es la compresibilidad del agua que generalmente es despreciable, m v es el coeficiente de compresibilidad, σ es la tensión total y t es el tiempo. Usando la terminología hidrogeológica siguiente: S γ ( m nβ ) = (2.12) s w v + donde S s es el coeficiente de almacenamiento específico de la capa, que se define como el volumen de agua expulsada por unidad de área de una capa de espesor definido como consecuencia de un descenso de carga hidráulica unitario, la expresión queda reformulada como: k S v s 2 u 1 + z 2 1+ nβ / m v σ u = t t (2.13) Es importante indicar que el coeficiente de almacenamiento específico (S s ) puede adoptar valores elásticos (S ske ) o anelásticos (S skv ) en función del estado de esfuerzos. Si además tenemos en cuenta que el coeficiente de consolidación se expresa como: entonces tendremos que: o bien que: donde: c v c v kv kv = = (2.14) S γ ( m + nβ ) s w 2 u 1 + z 2 1+ nβ / m c v v v σ u = t t 2 u σ u + C = 2 z t t 1 C = 1+ nβ / m v (2.15) (2.16) (2.17) Obsérvese que para carga total constante, la expresión (2.16) coincide con la conocida ecuación de la consolidación de Terzaghi: 2 u u c v = (2.18) 2 z t De Justo y Vázquez (1999) y Vázquez (21) resolvieron la ecuación (2.16) para diferentes situaciones con carga total constante y variable. Además, en el caso de carga total constante obtuvieron la solución general correspondiente a los tres casos siguientes: Cambio de altura piezométrica en el techo del acuitardo. Cambio de altura piezométrica en el muro del acuitardo. Cambio de igual altura piezométrica en el muro y techo del acuitardo. También resolvieron la ecuación para una variación lineal de altura piezométrica desde cero a un valor establecido considerando las tres situaciones anteriormente comentadas. La resolución de las ecuaciones correspondientes a los casos citados permite determinar la distribución de presiones intersticiales en el suelo y, en consecuencia, los asientos de consolidación que producen dichas variaciones. 38

45 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Por otro lado, los mismos autores estudiaron la consolidación de suelos parcialmente saturados (De Justo et al., 23). Hoffmann (23) también calculó la deformación de acuitardos confinados a partir de la solución de la ecuación (2.16) considerando condiciones de carga total constante e igual cambio de altura piezométrica en el techo y muro del acuitardo. Esta solución se muestra en el apartado de cálculo de la subsidencia del Capítulo IV de la presente tesis doctoral. Además, Hoffmann (23) tuvo en cuenta la variación del coeficiente de almacenamiento específico en función de si la variación de altura piezométrica superaba o no la presión de preconsolidación de la capa compresible. Por lo tanto, propuso el empleo de dos coeficientes de almacenamiento específico diferentes: el coeficiente de almacenamiento específico elástico (S ske ) para tensiones inducidas inferiores a la presión de preconsolidación y el coeficiente de consolidación específico anelástico (S skv ) para aquellas situaciones en las que las tensiones eran superiores a la presión de preconsolidación. Para una descripción más detallada de los modelos de cálculo de la subsidencia existentes puede consultarse UNESCO (1984) y Vázquez (21) Métodos de medida de las deformaciones Los métodos de medida de las deformaciones pueden servir para estimar distintos aspectos del movimiento o de la deformación estudiada, como desplazamientos relativos entre dos cuerpos, movimientos absolutos, inclinaciones, desplazamientos en una dirección, movimientos en profundidad, etc. Estos aspectos son de utilidad para la caracterización del fenómeno de la subsidencia, así como para el análisis de las causas que la originan. Considerando la descripción que Gómez Lahoz (23) establece para la Ingeniería Cartográfica, podemos diferenciar cuatro métodos de medida de las deformaciones de la superficie terrestre: métodos topográficos convencionales, métodos geodésicos, métodos fotogramétricos y métodos de teledetección. A estos métodos habría que añadir a su vez un quinto, denominado instrumental. Las siguientes secciones describen cada uno de los métodos de medida de la subsidencia del terreno Métodos topográficos convencionales Se engloba bajo este término todas aquellas técnicas propias de la Cartografía clásica terrestre. Hasta hace relativamente poco tiempo constituían el único sistema válido y eficaz para llevar a cabo la medida de deformaciones de la superficie terrestre sin cometer grandes errores. Su fundamento se basa en la medida de las variaciones de ordenada (dx), abscisa (dy) y/o cota (dz), de una serie de puntos, en un determinado intervalo de tiempo. Para ello se han de repetir las medidas de las coordenadas (X, Y, Z) de cada uno de los puntos de control, varias veces, en diferentes instantes, para así determinar si se ha producido, o no, variación en cualquiera de las tres direcciones del sistema de referencia. Las lecturas de los puntos de control suelen realizarse desde unos puntos de coordenadas conocidas denominados bases topográficas. Éstas han de permanecer fijas durante todo el periodo de lectura, por lo que suele recurrirse a la instalación de bases topográficas de hormigón armado que aseguren su permanencia temporal (Figura 2.17). Los métodos topográficos pueden clasificarse en dos grandes grupos: altimétricos y planimétricos. Los métodos altimétricos, como su propio nombre indica, van dirigidos a obtener la altura o cota (Z) de los puntos característicos respecto a una superficie horizontal de referencia. Esta superficie de comparación puede ser arbitraria o puede tratarse del nivel medio del mar. Si se trata de una superficie cualquiera escogida de forma arbitraria, tendremos el inconveniente de no poder comparar trabajos de distintos lugares, circunstancia que no ocurrirá si escogemos el nivel del mar como cota cero de referencia. En el primer caso hablaremos de cotas relativas, mientras que en el segundo nos referiremos a las cotas absolutas. 39

46 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Base topográfica. Los métodos planimétricos tienen como objetivo determinar la proyección horizontal sobre el plano de referencia de los puntos de control, la cual queda definida a través de las coordenadas cartográficas de cada punto (X e Y). Otro método utilizado en el estudio de elementos afectados por la subsidencia es la medición de distancias reales, cuya finalidad es determinar la variación de la distancia existente entre el punto de control y la base de referencia. Las principales características de cada una de estas técnicas se resumen en la Tabla 2.2. Tabla 2.2. Características de las técnicas topográficas clásicas (modificado de Gili, 1989, Gili et al., 2 Malet et al., 22). Método Uso Resultados Rango Precisión Nivelación trigonométrica o por pendientes Nivelación geométrica o por alturas Nivelación geométrica de precisión Variación de la altitud dz Variable 2 mm Variación de la altitud dz Variable ±1 mm/km Variación de la altitud dz Variable ±.1 mm/km Triangulación topográfica Itinerario topográfico (Poligonal) Desplazamiento de blancos móviles Desplazamiento de blancos móviles dx, dy, dz < 3-1 m 5-1 mm dx, dy, dz Variable 5-1 mm Distanciómetro electroóptico (MED) Desplazamiento de blancos móviles dd 1-1 Km 7 mm±1-5 ppm 4

47 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Métodos altimétricos Las técnicas más empleadas en altimetría son la nivelación geométrica o por alturas, la nivelación trigonométrica o por pendientes y la nivelación barométrica. Cuando los puntos a nivelar se encuentran próximos entre sí, el desnivel puede determinarse de forma directa y la nivelación recibe el nombre de simple. Si, por el contrario, los puntos se encuentran alejados resulta imprescindible el uso de puntos intermedios, de modo que la nivelación recibe el nombre de compuesta. La nivelación geométrica o por alturas puede llevarse a cabo aplicando cualquiera de estos cuatro métodos (Domínguez, 1993): el método del punto medio, el del punto extremo, por estaciones recíprocas y por estaciones equidistantes. Si los puntos a nivelar están próximos entre sí procederemos a calcular el desnivel por cualquiera de los siguientes métodos de nivelación simple: 1. El método del punto medio es el más utilizado, dado que permite eliminar los errores sistemáticos del nivel además de los de esfericidad y refracción. Se lleva a cabo lanzando visuales horizontales entre dos puntos (frente y espalda) con un nivel óptico estacionado aproximadamente a mitad de distancia de los dos puntos cuyo desnivel queremos hallar. La diferencia de las lecturas de mira nos proporciona el desnivel existente. 2. El método del punto extremo se aplica estacionando el nivel en uno de los puntos y lanzando una visual hacia el otro punto en el que colocamos la mira. El desnivel viene dado por el valor absoluto de la diferencia existente entre la altura i del instrumento y la lectura de la mira m. Presenta el inconveniente de que la altura del instrumento, i, no suele determinarse del todo bien. 3. El método de las estaciones recíprocas tiene por finalidad comprobar el desnivel obtenido entre los dos puntos. Se lleva a cabo estacionando primero en uno de los puntos a nivelar, obteniendo el desnivel entre los dos puntos por el método del punto extremo. Posteriormente se pasa al segundo punto de nivelación, volviendo a determinar por el método del punto extremo el mismo desnivel que habíamos medido antes pero en sentido opuesto. De este modo tendremos dos valores de un mismo desnivel, habiendo eliminado los errores sistemáticos al promediar los desniveles medidos. 4. El método de las estaciones equidistantes consiste en estacionar a un tercio de la distancia existente entre los puntos a nivelar determinando el desnivel por diferencia de lecturas, como si del método del punto medio se tratara, obteniendo un primer valor del desnivel. Posteriormente estacionamos en el punto situado a dos tercios de los puntos a nivelar y repetimos la operación de lectura obteniendo un segundo valor del desnivel. El promedio de los dos desniveles hallados nos proporciona el desnivel real habiendo eliminado los errores instrumentales. Todos estos métodos permiten calcular el desnivel entre dos puntos relativamente próximos. Sin embargo, cuando los puntos a nivelar se hallan situados a gran distancia o no disponemos de visibilidad entre puntos a nivelar, resulta inevitable tomar puntos intermedios de nivelación. Este método recibe el nombre de nivelación compuesta. La nivelación compuesta hace uso de los diferentes métodos de nivelación simple, estableciendo puntos intermedios (P2 y P3 en la Figura 2.18). El método más empleado para calcular los desniveles parciales es el del punto medio (Figura 2.18) que con un solo estacionamiento permite eliminar los errores instrumentales entre dos puntos consecutivos a nivelar. El conjunto de puntos nivelados constituye lo que se denomina un itinerario altimétrico (P1, P2, P3, P4). Entre cada dos puntos, situados de forma sistemática cada doscientos pasos aproximadamente, obtendremos el desnivel como diferencia de las lecturas de frente y espalda (m 2 - m 1, m 3 - m 2, m 4 - m 3 ). Una vez nivelado el punto extremo (P4) mediante el itinerario de ida, debemos continuar la nivelación mediante un itinerario de vuelta que permita calcular el error de cierre, que siempre ha de ser tolerable. Este error ha de compensarse, generalmente a partes iguales a los desniveles parciales. Los itinerarios de nivelación pueden ser de dos tipos: encajados o cerrados. En el primer caso se parte de un punto de cota conocida para llegar finalmente a otro de cota también conocida distinto del punto de partida. En el segundo caso se dispone exclusivamente de un punto de cota conocida del cual partimos y al que hemos de llegar una vez finalizado el itinerario. La nivelación geométrica de grandes áreas es muy costosa, siendo sus campañas muy largas en el tiempo, por lo que no puede ser utilizada para un seguimiento efectivo en tiempo real del riesgo (Colesan- 41

48 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua ti et al., 21). Suelen llevarse a cabo cuando el área de estudio es inferior a 2 km 2 (Colesanti et al., 21). Figura Nivelación geométrica compuesta. Itinerario altimétrico. La nivelación geométrica de precisión es un procedimiento topográfico cuyo fundamento es el mismo que el de la nivelación geométrica convencional, diferenciándose en el instrumental utilizado y por ende en la precisión resultante. Suele hacer uso de niveles con retículo de cuña y prisma de caras plano-paralelas y miras de invar, prácticamente insensibles a los cambios de temperatura. En general, la nivelación geométrica resulta mucho más precisa que la nivelación trigonométrica que se describirá a continuación, aunque presenta el inconveniente de la dificultad de operar en terrenos accidentados. La nivelación trigonométrica o por pendientes se realiza generalmente haciendo uso de un taquímetro capaz de proporcionar la distancia entre los puntos a nivelar y el ángulo que forma la visual con la horizontal. La descomposición trigonométrica de las magnitudes medidas hace posible estimar el desnivel existente entre el punto radiado y el punto de estacionamiento mediante la expresión (2.19): z = t ± ( i m) (2.19) donde t es la proyección vertical de la distancia medida entre los dos puntos, i es la altura del instrumento y m es la lectura de la mira. El término (i - m) recibe el nombre de cabeza de mira y, según se trate de un desnivel descendente o ascendente, se sumará o restará a la magnitud t. Al igual que ocurre con la nivelación geométrica, cuando se trata de nivelar puntos lejanos hemos de recurrir a nivelaciones trigonométricas compuestas (Figura 2.19), en las que se establece un itinerario altimétrico, pudiendo ser encajados, entre dos puntos de cota conocida, o cerrados, partiendo de un punto de cota conocida y volviendo a él para cerrar. Este tipo de nivelación suele realizarse de forma simultánea a los itinerarios planimétricos, utilizándose rara vez de forma exclusiva como sistema de nivelación. Una característica destacable de la nivelación trigonométrica es que suele resultar más cómoda en terrenos accidentados. La nivelación barométrica resulta muy imprecisa, por lo que no suele emplearse para el estudio altimétrico de subsidencia. Su fundamento consiste en medir las diferencias de presiones producidas por cambios en la altitud. La presión atmosférica no sólo depende de la altitud sino que además está influida por un gran número de factores que cambian de forma importante con el tiempo, lo que imposibilita llevar a cabo sucesivas medidas con el fin de estimar los cambios de altitud que se producen en los puntos de control de deformaciones. Como conclusión podemos decir que la finalidad de la nivelación es la determinación del desplazamiento vertical relativo, o absoluto, de los diferentes puntos de control de movimiento establecidos en la zona a estudiar. Estos puntos de control han de instalarse en la propia zona subsidente o inestable para estimar la componente vertical de las deformaciones. Además de los puntos de control establecidos en la 42

49 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada zona móvil, hemos de fijar una serie de puntos de referencia o bases asentadas sobre terreno estable que sirvan para encajar o cerrar los itinerarios de nivelación. Figura Método de nivelación trigonométrica compuesta. Itinerario altimétrico Métodos planimétricos Los métodos planimétricos más utilizados son el de intersección, itinerario y radiación, que se utilizan respectivamente en los trabajos de triangulación, poligonaciones o poligonales y relleno de un levantamiento (Domínguez, 1993; Ferrer y Piña, 1996). Durante la aplicación de estos métodos es frecuente estimar la cota de los puntos determinados simultáneamente a la estimación de las coordenadas X e Y ya que el instrumental utilizado permite calcular el ángulo vertical de las visuales. En caso de requerir precisión en la estimación de la cota, estos métodos planimétricos pueden combinarse con la nivelación geométrica Método planimétrico de intersección El fundamento del método de intersección consiste en la determinación de las coordenadas del vértice de un triángulo del cual conocemos de forma precisa las coordenadas de los vértices restantes. Los métodos de intersección más precisos son el de intersección directa y el de intersección inversa o trisección inversa. La intersección directa se apoya en dos puntos de cota conocida para determinar desde ellos las coordenadas del vértice restante. La intersección inversa precisa de tres puntos de referencia de cota conocida para determinar las coordenadas del punto de estacionamiento. La intersección inversa no suele emplearse para estudiar las deformaciones de zonas de la superficie terrestre causados por la subsidencia, dado que es necesario estacionar en el punto a controlar, hecho que suele resultar difícil o incluso imposible, por lo que no será tratado en los apartados sucesivos. La intersección directa es el método más utilizado en los trabajos topográficos de auscultación. Según los parámetros medidos para resolver el triángulo, podremos diferenciar entre el método de triangulateración, el de trilateración y el de triangulación. 43

50 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura 2.2. Métodos planimétricos de intersección: (a) Triangulateración. (b) Trilateración. (c) Triangulación. La triangulateración (Figura 2.2.a) es el más preciso de todos los conocidos (Domínguez, 1993). Este método se lleva a cabo a partir de dos puntos de coordenadas conocidas (B 1 y B 2 ), que conforman el lado, también llamado base, del triángulo B 1 B 2 V a resolver. Estacionando en el extremo B 1 de la base podemos determinar el ángulo que forma la base con la visual B 1 V así como la distancia reducida (horizontal) d 1 que separa los puntos V y B 1. Repitiendo la misma operación desde la base B 2 obtendremos el ángulo que forma la visual B 2 V con la base y la distancia B 2 V, d 2. Todos estos datos permitirán resolver el triángulo determinando con gran precisión las coordenadas del vértice V. Otro método de intersección es la trilateración (Figura 2.2.b). El fundamento es el mismo que el de la triangulateración con la diferencia de que al lanzar las visuales desde los extremos de la base B 1 y B 2 sólo medimos las distancias al vértice V, es decir, determinamos la magnitud de ambos lados del triángulo. El tercer método de intersección es el de triangulación (Figura 2.2.c). Consiste en medir los ángulos que forman las visuales lanzadas desde cada extremo de la base B 1 V y B 2 V con la propia base B 1 B 2. Los ángulos α 1 y α 2 obtenidos definen el triángulo junto con la base B 1 B 2. Todos estos métodos han sido utilizados en numerosas ocasiones para la auscultación de fenómenos de subsidencia Método planimétrico de itinerario El método de itinerario consiste en la unión de todos los puntos, cuyas coordenadas queremos determinar, a través de un contorno poligonal. A lo largo del recorrido han de medirse las distancias reducidas entre puntos consecutivos, denominados ejes, además de los ángulos que forman entre sí los ejes contiguos. Los itinerarios pueden ser encuadrados, también llamados encajados, o cerrados, al igual que ocurría con los itinerarios de nivelación vistos con anterioridad. Este método presenta la particularidad de acumular los errores cometidos a lo largo del itinerario, generando un error de cierre que debe de ser siempre inferior a la tolerancia establecida para el levantamiento. Si el error es aceptable, ha de ser repartido o compensado entre los distintos ejes que componen el polígono. Puesto que el error de cierre cometido presentará una componente angular y otra componente de distancias, la compensación se llevará a cabo en primer lugar en los ángulos y posteriormente en las distancias Método planimétrico de radiación El método de radiación resulta de gran sencillez en su aplicación, siendo muy utilizado en la auscultación de hundimientos del terreno por subsidencia. Consiste básicamente en estacionar el instrumento en un punto de coordenadas conocidas, orientarlo determinando la dirección N-S de la meridiana que establecerá la lectura cero de los acimutes, y radiar los puntos cuyas coordenadas queramos determinar, obteniendo las distancias reducidas y los acimutes. Estos datos permitirán definir los puntos a través de coordenadas polares. 44

51 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La precisión de este método depende de la precisión que tengamos en la estimación de las distancias y de los ángulos, no pudiendo ser compensado como ocurría con el método de itinerario y el de triangulateración, dado que no conocemos con precisión más que las coordenadas del punto de estacionamiento Métodos de medida de distancias reales El distanciómetro electroóptico es un dispositivo que consiste en medir las distancias absolutas o reales existentes entre los puntos de control y las bases de referencia, sin descomponer los vectores desplazamiento en las tres direcciones de movimiento X,Y,Z. La variación de la distancia existente entre el punto de control y la base da una buena idea de la componente principal del movimiento (Gili, 1989). Presenta la ventaja de poder ser automatizado el proceso de lectura haciendo uso de distanciómetros electroópticos (medidores electrónicos de distancias, MED). Los métodos clásicos de topografía han sido y son habitualmente utilizados en el control de subsidencia, combinándose para calibrar otras técnicas más modernas y llegando por sí mismos a desarrollar metodologías propias para la auscultación de estos fenómenos. Uno de sus principales inconvenientes es que precisan de bases de referencia que han de permanecer estables durante el curso de la investigación, además de garantizar la visibilidad de los puntos de control (Corominas et al., 2), hecho a veces difícil de conseguir Métodos geodésicos La Geodesia es la ciencia que se encarga del estudio de la forma y dimensiones de la Tierra por medio de puntos distribuidos sobre su superficie, a los que se les denomina geodésicos, y a partir de los cuales se deduce la forma de un territorio o del globo (Domínguez, 1993). La Geodesia permite determinar las coordenadas de la proyección de los puntos sobre la superficie terrestre así como la altura sobre el nivel del mar (geoide). No obstante, de forma precisa, esta altitud viene referida a una superficie arbitraria que sirve de fundamento para el cálculo de los puntos geodésicos, y que recibe el nombre de elipsoide de referencia. Figura Geometría del sistema DGPS. 45

52 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua La Geodesia clásica se divide en tres ramas principales: la Geodesia matemática, la Astronomía geodésica de posición y la Geodesia dinámica. Sin embargo, desde finales del siglo pasado, apareció una nueva rama de la Geodesia que ha revolucionado los sistemas de observación terrestres que se conoce bajo el nombre genérico de Geodesia Espacial. Los Sistemas de Posicionamiento Global (Global Positioning Systems, GPS), los Sistemas de Posicionamiento Global Diferenciales (Differential Global Positioning Sistemas, DGPS), la Determinación de Órbitas y Radioposicionamiento Integrado por Satélite (Determination d Orbites et Radio-Positionnement Intégrés par Satellite, DORIS) y la Telemetría de Láser por Scanner (Scanner Laser Ranging, SLR) constituyen las principales técnicas geodésicas espaciales empleadas en el estudio de las deformaciones de la superficie terrestre. El sistema de posicionamiento global por satélite convencional (GPS, Global Positioning System) configura un sistema de radiolocalización desde el espacio con una o más constelaciones de satélites. Los satélites que conforman el sistema se caracterizan por suministrar información tridimensional de la posición durante las 24 horas del día en cualquier parte de la superficie terrestre. Estos sistemas tienen periodos de 12 horas. El número y posición orbital de los satélites asegura la coexistencia de cuatro satélites como mínimo y doce como máximo por encima del horizonte, que permiten llevar a cabo las medidas oportunas. Los datos facilitados por los satélites disponibles son procesados por el receptor GPS, resolviendo cuatro ecuaciones que nos proporcionan la posición del receptor (longitud, latitud y altitud) y el tiempo. El sistema GPS diferencial (DGPS, Differential Global Positioning System. Figura 2.21) permite incrementar la precisión conseguida con el GPS convencional. Éste sistema hace uso de una estación de referencia situada en tierra y de posición conocida (B2) para calcular y corregir los errores sistemáticos que suelen producirse en la determinación del movimiento del punto de control (B1). Los sistemas GPS han sido utilizados con éxito en la monitorización de movimientos subsidencia (Wegmüller et al 1999; Bitelli et al. 2; Mousavi et al., 21; Abidin et al., 21; Ge et al., 21; Hejmanowski y Kwinta, 21; Maciaszek y Szewczyk, 21; Strozzi et al., 23.a; Sato et al., 23). El sistema DORIS (Determination d Orbites et Radio-Positionnement Intégrés par Satellite) desarrollado por el Centre Nacional d Études Spatiales (CNES), el Institut Géographique Nacional (IGN) y el Groupe de Recherche en Géodésie Spatiale (GRGS) (Jayles y Cotes, 24) en Francia, está constituido por (Figura 2.22) un conjunto de instrumentos situados en los satélites, una red terrestre de radiobalizas (puntos geodésicos de control) y un centro de control y tratamiento de datos capaz de restituir con gran precisión la órbita de los satélites así como la posición de las balizas terrestres. El sistema se basa en la medida a bordo de los satélites del efecto Doppler producido sobre las señales de radio emitidas por las balizas en tierra. Figura Esquema de funcionamiento del sistema de posicionamiento DORIS. 46

53 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Las radiobalizas utilizadas en tierra conforman una densa malla a nivel mundial, instalándose para atender las diferentes necesidades de los usuarios. Estas radiobalizas están provistas de una fuente de energía propia. El sistema permite localizar con gran precisión la posición de las radiobalizas así como restituir el recorrido exacto del satélite Este sistema ha sido utilizado en la medida de deformaciones de la corteza terrestre (IGN, 24; Jayles y Costes, 24) y la evaluación de variaciones verticales estacionales del suelo (IGN, 24). La Telemetría por Scanner de Láser (SLR, Scanner Laser Ranging) es una técnica geodésica utilizada en la medición de la distancia existente entre una estación de rayos láser situada en tierra y un satélite en órbita equipado con retrorreflectores. La existencia de un gran número de estaciones láser terrestre distribuidas por todo el mundo permite determinar la posición precisa de la órbita del satélite. El rastreo de satélites durante periodos de tiempo de varios años proporciona la distancia entre estaciones láser con precisión milimétrica, así como las tasas de movimiento de los haces láser. Esta técnica ha sido utilizada satisfactoriamente en el estudio de deformaciones de la corteza terrestre y la detección y vigilancia de la recuperación y asentamiento posglacial del suelo, entre otros (UNISPACE, 1998; Bock et al., 1998). En la Tabla 2.3. se resumen las características principales de los métodos geodésicos de medida de la deformación de la superficie terrestre. Tabla 2.3. Características de los métodos geodésicos (modificado de Gili, 1989, Gili et al., 2 Malet et al., 22). Método Uso Resultados Rango Precisión Conventional Global Positioning System (CGPS) Differential Global Positioning System (DGPS) Determination d Orbites et Radio-Positionnement Intégrés par Satellite (DORIS) Telemetría por scanner de laser (SRL) Desplazamiento de blancos móviles Desplazamiento de blancos móviles Desplazamiento de blancos móviles Desplazamiento de blancos móviles dx, dy, dz Baseline < 2 Km 1-2 mm dx, dy, dz Baseline < 2 Km 1 mm dx, dy, dz Variable 2 mm dx, dy, dz Variable <1 cm Métodos fotogramétricos La fotogrametría es una técnica consistente en la obtención de las tres dimensiones de una escena a partir de pares de fotografías de la misma, denominados fotogramas, tomadas bajo distintos ángulos. El proceso a través del cual podemos pasar de la visión cónica que proporcionan las fotografías a la proyección ortogonal acotada que se obtiene con la fotogrametría se denomina restitución. Existen tres métodos fotogramétricos atendiendo al modo de obtener los fotogramas. El primero de ellos es la fotogrametría terrestre, en la que, como su nombre indica, los pares de fotogramas se obtienen desde tierra estacionando el instrumental (fotográmetro o fototeodolito) a distancias inferiores a 2 metros de la zona a restituir, proporcionando una precisión de hasta 4 mm. La fotogrametría aérea constituye el segundo método fotogramétrico. A diferencia del anterior, la cámara se sitúa sobre una plataforma aérea (avión o helicóptero), siendo la altura de vuelo inferior a 5 metros. La precisión obtenida con la fotogrametría aérea es de unos 1 mm, barriendo amplias áreas. Su fundamento consiste en la adquisición de un par de imágenes aéreas o terrestres en el espectro visible, tomadas con diferentes ángulos de visión, para posteriormente proceder al tratamiento de las 47

54 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua imágenes a través de la unión de las formas bien definidas y los niveles de color de las propias imágenes (Mora et al., 23.b). El procesado de las imágenes permite construir un modelo digital del terreno (MDT) de la zona de interés. La comparación de los MDTs obtenidos en diferentes intervalos de tiempo a través de la fotogrametría permite detectar y medir los cambios superficiales que se han producido en la zona. La principal ventaja de la fotogrametría es que permite obtener una visión global de la zona deformada y no sólo de algunos puntos de la misma, tal y como ocurre con otros métodos de control de deformaciones (p.e. los métodos topográficos anteriormente descritos). No se conocen aplicaciones de esta técnica al seguimiento de fenómenos de subsidencia, aunque dado su fundamento, no son del todo descartables. Aunque no se ha documentado la aplicación de la fotogrametría satélite para la monitorización de la subsidencia, esta técnica se ha comenzado a emplear para la monitorización de movimientos de ladera. De momento la resolución espacial proporcionada por los sistemas de observación existentes es insuficiente (Soeters y van Westen, 1996; Hervás et al., 23) proporcionando precisiones en la estimación de las deformaciones de hasta ±15 m (Kääb, 22). No obstante, la mejora de las imágenes de satélite introducida por la reciente generación de satélites en el mercado ha hecho que la fotogrametría de satélite pueda llegar a competir con la fotogrametría aérea (Fiani y Siani, 23) y no se descarta el empleo de dicha técnica para el seguimiento de fenómenos de subsidencia a medio plazo. Un aspecto destacable de la fotogrametría desde satélite es que presenta una ventaja fundamental respecto a la fotogrametría tradicional ya que el tiempo de adquisición de las imágenes es inferior (Fiani y Siani, 23). Las principales características de estos métodos se resumen en la Tabla 2.4. Tabla 2.4. Características de los métodos fotogramétricos (modificado de Gili, 1989, Gili et al., 2; Malet et al., 22). Método Uso Resultados Rango Precisión Fotogrametría terrestre Fotogrametría aérea Desplazamiento de blancos móviles Desplazamiento de blancos móviles dx, dy, dz <2 m ±4 mm dx, dy, dz H vuelo < 5 m ±1 mm Fotogrametría satélite Desplazamiento de blancos móviles dx, dy, dz ±15 m Métodos de teledetección La teledetección, traducción castellana del término anglosajón remote sensing, surge para designar cualquier medio de observación remota en el que no existe contacto físico entre el medio a estudiar y el sistema sensor. La fotografía (terrestre, aérea y espacial) queda englobada dentro de esta amplia definición. Sin embargo, su uso y tratamiento para la determinación de movimientos superficiales se conoce comúnmente bajo el término de fotogrametría, habiendo constituido por sí sola una disciplina independiente. En este caso se ha optado por englobar dentro del término amplio de teledetección a aquellas técnicas no fotogramétricas que, montadas sobre plataforma espacial, aérea o terrestre, permiten estudiar el medio sin establecer contacto físico con él. Estos métodos se han dividido en dos grupos: métodos láser y radar. El primer grupo engloba el Scanner Láser, montado sobre plataforma terrestre (Terrestrial Laser Scanner) o aérea (LIDAR, ALS o ALTM). El segundo grupo se subdivide, de forma similar, según el tipo de plataforma empleada para la adquisición de las imágenes en: terrestre (Ground Based Synthetic Aperture Radar, GB-SAR), aerotransportado (Airborne Radar) y satélite (Spaceborne Radar). A su vez, las técnicas radar pueden dividirse 48

55 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada según el algoritmo de procesado de las imágenes en técnicas de Interferometría SAR diferencial convencionales y avanzadas Técnicas radar Técnica de Interferometría Diferencial SAR (DInSAR) Convencional Los sistemas SAR (radar de apertura sintética) registran tanto la amplitud como la fase de los ecos radar de la escena para generar una imagen o mapa de una magnitud compleja que es la reflectividad electromagnética. La fase correspondiente a cada píxel de esta imagen SAR es la suma de tres contribuciones: el camino de ida y vuelta (sensor-blanco-sensor), la interacción de la onda incidente con los blancos dispersores existentes dentro de la celda de resolución y el desplazamiento de fase introducido por el sistema de procesado de señal empleado para la generación de la imagen. La fase de una sola imagen SAR no tiene ningún uso práctico por sí sola. En cambio, si consideramos dos imágenes obtenidas con ángulos de incidencia ligeramente diferentes (master y slave), la diferencia de fases aporta información sobre la morfología del terreno (topografía) y los cambios que en él se hayan podido producir. Éste es el fundamento de la Interferometría diferencial convencional (DiffSAR o DInSAR), muy utilizada durante los últimos años para la monitorización de fenómenos de subsidencia minera (e.g. Ge et al., 21; Baran y Stewart, 23; Perski y Jura, 23; Ge et al., 23; Kircher et al., 23; Wiesmann et al., 23) y subsidencia por descenso del nivel freático (e.g. Strozzi y Wegmüller, 1999; Wegmüller et al., 1999; Yonezawa y Takeuchi, 2; Nakagawa et al., 2; Berardino et al., 2; Wang et al., 21; Colombo et al., 23) Técnicas de Interferometría Diferencial SAR Avanzadas. Para mejorar los resultados obtenidos por las técnicas DInSAR convencionales y para aumentar su aplicabilidad, se han desarrollado otras técnicas avanzadas, entre las que destacan las que se describen a continuación Reflectores Persistentes La técnica de los Reflectores Persistentes (Persistent Scatterers, PS) constituye una variante de la Interferometría SAR Diferencial en la que se estudian los blancos puntuales cuya amplitud se mantiene estable en el tiempo. Estos blancos reciben el nombre de Dispersores Permanentes o Permanent Scatterers (PS) y se identifican a través de un análisis estadístico de las amplitudes de los ecos de las imagenes de la escena obtenidas a lo largo del tiempo (Ferretti et al., 2.a; Ferretti et al., 21; Kampes, 26). La técnica de Persistent Scatterers precisa de un número de imágenes superior a 3, sin límite en las dimensiones de sus baselines (distancia entre los satélites en ambas adquisiciones). La técnica de Persistent Scatterers ha sido utilizada para el seguimiento de subsidencia (Ferretti et al., 2.b; Colesanti et al., 21; Colombo et al., 23; Hanssen, 23) alcanzando precisiones del orden del milímetro. En la presente tesis doctoral se hará uso de los resultados obtenidos mediante una variante de esta técnica denominada Stable Point Network (SPN). Algunos detalles de la técnica pueden consultarse en Arnaud et al., (23) Píxeles Coherentes Constituye una técnica interferométrica en la que se seleccionan aquellos puntos de una serie de interferogramas obtenidos a lo largo del tiempo en los que la coherencia se conserva por encima de un determinado umbral (Mora et al., 23a; Mora, 24). Posteriormente se establece un tratamiento particular de los puntos que cumplen esta condición para obtener así mapas de deformación del terreno. Esta técnica ha sido la empleada en el presente estudio, por lo que se desarrollará con mayor detalle en apartados posteriores. 49

56 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) El Radar de Apertura Sintética Terrestre (Ground Based Synthetic Aperture Radar, GB-SAR) no constituye una técnica interferométrica propiamente dicha, sino un sistema para obtener imágenes radar desde tierra. Su fundamento es el mismo que el de los sistemas SAR espaciales, con la diferencia que los sensores se encuentran situados en tierra y no sobre una plataforma espacial o aérea. El equipo empleado hace uso de un Radar de Apertura Sintética que ilumina la zona objeto de estudio. Las antenas transmisora y receptora (TX/RX) del radar van montadas sobre un posicionador controlado por ordenador que sintetiza una apertura lineal en la dirección del eje x o azimut. Las bandas utilizadas por el equipo suelen ser la C, L y la Ku y la apertura del radar oscila entre 2 y 5 m. El equipo puede ir montado sobre una plataforma fija construida in situ, generalmente de hormigón armado, o sobre plataforma móvil con remolque que permita su transporte de un sitio a otro. En el segundo caso es preciso que una vez fijada la plataforma se asegure su estabilidad con el fin de evitar movimientos de la misma. En ambos casos, el sistema de medida debe situarse a distancias inferiores a unos 2. m de la zona a estudiar y sobre suelo estable. Generalmente suele instalarse en zonas elevadas respecto a aquellas que pretendemos estudiar. Este sistema se empleó inicialmente para el control de movimientos de ladera y avalanchas de nieve con resultados muy satisfactorios (Tarchi et al., 2; Casagli et al., 22; Antonello et al., 23; Casagli et al., 23; Leva et al., 23; Tarchi et al., 23; Antonello et al., 24). Actualmente, se ha empleado también para monitorizar fenómenos de subsidencia (Pipia et al., 27a; 27b) Técnicas láser Airborne Laser Scanner (ALS) El Airborne Laser Scanner (ALS), también conocido como Light Detection and Ranging (LI- DAR) o Airborne Laser Terrain Mapper (ALTM), es un sistema activo cuyo funcionamiento consiste en la emisión de un pulso láser y su posterior recepción a bordo. El tiempo que tarda el pulso emitido en retornar al receptor, junto con los datos de posición del avión, permiten referenciar el punto medido en el terreno. El sistema se compone de tres partes fundamentales: un sistema GPS diferencial (DGPS) que permite determinar la posición del sensor en cada instante, un Sistema de Navegación Inercial (INS) capaz de proporcionar la orientación exacta del sensor, y por ende la posición respecto al sensor del punto en el terreno, y un sistema de medida que emite pulsos láser midiendo simultáneamente el tiempo que tardan en llegar al avión al reflejar en el terreno (Figura 2.23). Esta técnica se ha utilizado en el estudio de subsidencia satisfactoriamente (Bock et al., 1998; Fischer, et al. 1999; Bock y Tom, 21; Palamara et al., 27). Figura Componentes del LIDAR. 5

57 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada En la Tabla 2.5 se resumen las principales características de los métodos de teledetección empleados en la medida de deformaciones de la superficie terrestre. Tabla 2.5. Características principales de los métodos de teledetección 1. Método Uso Resultados Rango Precisión Interferometría diferencial SAR convencional (DIn- SAR) Desplazamientos en la Línea de Vista (Line of Sight) dx, dy, dz Baseline <2 m Coherencia >.3 en varios puntos adyacentes 3-5 mm Persistent Scatterers (PS) Desplazamientos en la Línea de Vista (Line of Sight) dx, dy, dz Nº de imágenes > 3 1 mm Coherent Píxel Technique (CPT) Ground Based Synthetic Aperture Radar (GB-SAR) Desplazamientos en la Línea de Vista (Line of Sight) Desplazamientos en la Línea de Vista (Line of Sight) dx, dy, dz Nº de imágenes > 7 6 mm dx, dy, dz < 1.5 Km <1 mm Airborne Laser Scanner (ALS), Light Detection and Ranging (LIDAR) o Airborne Laser Terrain Mapper (ALTM) Superposición de MDT dx, dy, dz - 1 cm Métodos instrumentales Dentro de este grupo se engloban todos aquellos sistemas capaces de medir in situ los desplazamientos, giros o deformaciones que se producen en el tereno asociados a fenómenos de subsidencia. Los métodos de instrumentación pueden clasificarse en tres grandes grupos: aquellos que miden las deformaciones o movimientos producidos en superficie, aquellos que lo hacen en profundidad, generalmente a lo largo de un sondeo, y los que miden la apertura o separación de fisuras o grietas (IGME, 1987; Gili, 1989; Mikkelsen, 1996; González de Vallejo et al., 22). A su vez, estos métodos pueden clasificarse según el tipo de magnitud medida, que puede ser angular o lineal. Las medidas lineales y angulares pueden también ser estimadas en uno, dos o incluso tres direcciones perpendiculares entre sí Métodos de medida de apertura de grietas y fisuras Utilizan instrumentos cuya finalidad es cuantificar el movimiento relativo superficial de apertura de fisuras y grietas. Constan de dos partes fijas próximas entre sí, ancladas firmemente al terreno cuya separación o inclinación relativas se medirá a lo largo del tiempo. La lectura de estos dispositivos puede ser manual o automática, siendo cada vez más frecuentes las segundas dada la comodidad de la toma de datos así como la posibilidad de trabajar en cualquier tipo de situación. Uno de los equipos utilizados para medir estos desplazamientos son los clinómetros (Figura 2.24), que miden la inclinación relativa de la horizontal que une los puntos de medida, que puede a su vez descomponerse en desplazamientos vertical y horizontal. 1 Los términos técnicos recogidos en la tabla se definen en el apartado 2.3 del presente capítulo. 51

58 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Clinómetro de tornillo micrométrico. Los medidores de juntas (Figura 2.25) miden el movimiento relativo de separación o aproximación entre dos puntos a controlar. Cuando las distancias de medida son grandes pueden utilizarse las cintas de convergencia, consistentes en cintas metálicas dotadas de un sistema de lectura y otro sistema tensor que asegura la tensión de la cinta. Pueden proporcionar medidas de décimas de milímetros, aunque presentan el inconveniente de estar muy influidas por los cambios térmicos, por lo que en ocasiones se fabrican de invar. Figura Medidor de juntas (IGME, 1987) 52

59 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La Tabla 2.6 resume las principales características de los métodos de medida de apertura de grietas y fisuras. Tabla 2.6. Características de los métodos instrumentales (modificado de Gili, 1989, Gili et al., 2 Malet et al., 22). Método Uso Resultados Rango Precisión Clinómetro con nivel de burbuja y tornillo micrométrico Desplazamientos angulares dα.1 radián radianes Extensómetro de base corta Abertura de grietas dd mm ±.1 mm Cinta metálica de precisión (Cinta de convergencia) Desplazamiento de blancos móviles dd <3 m.5 mm/3 m Fisurómetro Movimiento diferencial dd <2 mm ±.1 mm Regla para grietas Abertura de pequeñas grietas dd <5 m.5 mm Métodos de medida de deformaciones en superficie y en profundidad Estos métodos hacen uso de instrumentos de medida colocados en sondeos perforados previamente para definir la profundidad a la que se sitúa la zona afectada por el movimiento. El inclinómetro, el micrómetro deslizante y los extensómetros de barras o de cable son los equipos más utilizados para tal fin. Los inclinómetros pueden ser fijos o móviles. Los primeros (Figura 2.26) se sitúan en el interior del sondeo, a una profundidad conocida, determinando el historial de inclinación del punto donde se sitúa en dos direcciones, pudiendo ser traducidas en movimientos horizontales o desplazamientos. Los segundos facilitan las inclinaciones, y por lo tanto los movimientos, a lo largo de la vertical del sondeo. El micrómetro deslizante es utilizado para la medición de asientos a lo largo de un sondeo, siendo de gran utilidad para el seguimiento de fenómenos de asiento y subsidencia facilitando la determinación de las capas más compresibles. Presenta la ventaja de poder ser combinado con un inclinómetro móvil, lo que supone que puedan determinarse las tres componentes del movimiento. La línea continua de asientos (LCA) se ha utilizado en numerosas ocasiones para el seguimiento de los asientos de terraplenes de carretera (Tomás et al., 2; 22; Zvanut, 23), instalándolas de forma previa a la ejecución del relleno. Consiste en la colocación de una manguera resistente al aplastamiento, a la vez que flexible para adaptarse a las deformaciones del terreno, que se entierra en una pequeña zanja del cimiento del terraplén. Las deformaciones de ésta como consecuencia de los asientos del terreno se miden a través de la Unidad de Adquisición de Datos, que facilita los asientos verticales producidos en cada punto de la manguera, proporcionando un perfil longitudinal de asientos (Figura 2.27). Los extensómetros constituyen una familia de instrumentos, basados en diferentes esquemas de funcionamiento, cuya finalidad es la determinación del movimiento relativo entre dos puntos. A veces estos puntos se encuentran próximos entre sí, mientras que en otras ocasiones se mide el movimiento relativo entre la boca del sondeo y uno o varios puntos de su interior. Los extensómetros de cable (Figura 2.28) determinan el movimiento relativo entre la boca del sondeo y un punto de su interior (Corominas et al., 2) a través de la medida del giro de una polea unida al cable que se mueve solidariamente. Aunque sólo está documentado su uso en el estudio de movimientos de ladera (Corominas et al., 2; Angeli et al., 2) proporcionando medidas con una precisión del orden de décimas de milímetro, el fundamento del sistema permitiría su aplicación en el estudio de fenómenos de subsidencia. 53

60 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Inclinómetro fijo (modificado de Mentes, 23). 54

61 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada El extensómetro de varilla (Figura 2.29) también mide el movimiento relativo entre la boca del sondeo y uno o varios puntos situados en el sondeo. En este sistema, un extremo de la varilla se encuentra anclado de forma sólida en la boca del sondeo mientras que el extremo opuesto se fija en el interior del mismo. Las varillas van recubiertas de un tubo de revestimiento elástico solidario con el terreno en cuyo interior se alojan las varillas. Los movimientos del terreno se traducen en desplazamientos de las varillas que son medidos en superficie de forma manual o automática. Figura Ejemplo de registro de asientos bajo un terraplén de la Vega Baja del Segura. Isocronas de deformación obtenidas mediante LCA. 55

62 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Extensómetro de cable (adaptado de Corominas et al., 2). El extensómetro de cuerda vibrante mide la separación entre dos puntos a través de la frecuencia de vibración de un filamento que los une. Esta frecuencia depende de la tensión del filamento, que a su vez está condicionada por la separación relativa de ambos puntos. La medida se realiza a través de un lector que excita el filamento con unos electroimanes, pudiendo así medir la frecuencia de vibración. El extensómetro magnético mide la posición de una serie de sensores instalados en el interior del sondeo y solidarios al terreno a través de unos sensores que circulan por el interior del tubo (Alonso, 1997). La posición de los electroimanes a lo largo del tiempo nos permite conocer el historial de movimientos dentro del sondeo. Los asentómetros o células de asiento son instrumentos empleados para determinar las deformaciones verticales, o asientos, producidas en el punto de medida. Pueden ser de diferentes tipos dependiendo del fundamento de su funcionamiento, distinguiendo entre asentómetros hidráulicos, rebosantes, de presión diferencial y neumáticos. Generalmente se utilizan para la medida de asientos en obras de carretera, aunque no se descarta su uso para medición de asientos por subsidencia. Los deflectómetros determinan los movimientos transversales, aunque realmente mide el cambio de curvatura, a lo largo del sondeo, deducidos a partir de los cambios angulares producidos por la deformación en varios puntos. Los instrumentos de medida pueden consistir en un hilo tensor acompañado de 56

63 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada sensores fijos en el interior del sondeo, de sondas móviles articuladas o de un sistema láser que determina la propagación de un haz (Gili, 1989). En la Tabla 2.7 se muestra un resumen de los métodos instrumentales utilizados para medir deformaciones en superficie y en profundidad con sus rangos de trabajo y las precisiones de cada uno de ellos. Figura Extensómetro de varillas (IGME, 1987). 57

64 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Tabla 2.7. Características de los métodos instrumentales (modificado de Gili, 1989, Gili et al., 2 Malet et al., 22). Método Uso Resultados Rango Precisión Micrómetro deslizante (Micrometer sliding) Línea continua de asientos, LCA Asientos del terreno dz <5 m.1 mm Asientos del terreno dz ±1 cm Inclinómetro móvil Inclinómetro fijo Desplazamientos del terreno Desplazamientos del terreno dx,dy < 5 m 1 mm/1 m dx, dy <5 m.5 mm/3 m Asentómetro o célula de asiento Asientos del terreno dz.2-2. mm Deflectómetro Curvatura de un sondeo dr <5 m.1 g Extensómetro de cable Extensómetro de cuerda vibrante Extensómetro de barras Desplazamiento de blancos móviles Desplazamiento de blancos móviles Desplazamiento de blancos móviles dd Superior a 1 m ±.5 mm dd dd <5 m <.1 mm Extensómetro magnético Desplazamiento de blancos móviles dd.1-1. mm Extensómetro de cable de resistencia Desplazamiento de blancos móviles dd 1-2 m.5 mm Combinación de sistemas de medida de las deformaciones Los diferentes métodos de seguimiento de fenómenos de subsidencia descritos en los apartados precedentes no suelen utilizarse de forma única, sino que es práctica habitual combinar varios de ellos para conseguir cubrir las necesidades de control de cada situación particular. Una combinación de métodos muy habitual consiste en hacer uso de técnicas topográficas para el seguimiento de la subsidencia del terreno en combinación con extensómetros. El uso del GPS también ha adquirido gran importancia en los últimos años, siendo cada vez más común su uso conjunto con otras técnicas de control de deformaciones. La principal ventaja de este sistema, aparte de su alto grado de precisión conseguido con los equipos actuales, es el hecho de proporcionar coordenadas absolutas de los puntos medidos, lo que supone una importante ventaja respecto a otros sistemas. Precisamente este hecho es una de las razones por las que se emplea el GPS en combinación de 58

65 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada otros métodos topográficos, ya que facilita la asignación de coordenadas a las bases topográficas que servirán para realizar las operaciones topográficas posteriores de auscultación. Las técnicas topográficas y geodésicas son también utilizadas a menudo como método de calibración y validación de otros métodos más novedosos como la Interferometía SAR Diferencial. En la Figura 2.3 se muestra el uso conjunto de medida de deformaciones mediante GPS y reflectores radar para medir la subsidencia del terreno debido a actividades mineras subterráneas. Los reflectores radar consisten en unos elementos artificiales que por su orientación y geometría devuelven gran cantidad de señal al satélite, proporcionando medidas de gran calidad. Figura 2.3. Control de la subsidencia minera (modificado de Ge et al., 21) Estudio comparativo entre las diferentes técnicas de medida de deformaciones La elección de un método de auscultación y seguimiento de las deformaciones producidas en una zona subsidente depende de gran número de factores, algunos de ellos difíciles de cuantificar. Las principales variables son el coste de aplicación de la técnica, la precisión y la resolución requerida, el tipo y distribución de los datos, la frecuencia con la que se dispone de ellos, las características del escenario y las condiciones ambientales en que son aplicables, la flexibilidad y los grados de libertad o independen- 59

66 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua cia, la facilidad de acceso a los métodos, el tiempo de adquisición de datos, la geometría, cinemática y naturaleza del fenómeno a estudiar, el grado de automatización de los procesos de adquisición y tratamiento de los datos, etc. Todas estas cuestiones han de ser consideradas a la hora de llevar a cabo la selección de un método, ponderando cada una de ellas en función de las necesidades que se requieran en cada caso. El coste de aplicación de la técnica suele ser un importante factor condicionante a la hora de llevar a cabo el análisis de alternativas. Éste incluye tanto el coste de la adquisición de datos como del tratamiento de los mismos. El primero se determina considerando el precio del instrumental empleado en la toma de datos o la parte proporcional a su amortización, los gastos de explotación, la mano de obra y la depreciación del instrumental. El segundo generalmente considera la amortización y depreciación de equipos, así como los gastos de explotación del software, hardware y demás equipos necesarios para llevar a cabo el tratamiento de los datos. La precisión hace referencia a la exactitud del método, es decir, la cercanía del valor facilitado por éste al valor real. Por lo general, constituye otro factor condicionante en el proceso de selección. No se trata de un parámetro inherente al método, ya que puede variar en función de cómo se aplique la técnica, aunque sí que está íntimamente relacionado con él. La precisión suele ser un parámetro que se fija en función de la naturaleza del fenómeno, requiriendo valores de medida muy precisos para fenómenos de deformación lentos y de pequeña magnitud. La resolución hace referencia al tamaño espacial de los datos. Este término se utiliza para referirse al tamaño de los píxeles de las imágenes SAR u ópticas. La resolución nos condiciona el tipo de fenómeno a estudiar, ya que resoluciones bajas (tamaños de píxeles grandes) sólo nos permitirán observar fenómenos de tamaño superior al del propio píxel, debiendo incrementar la resolución para el seguimiento de fenómenos de pequeño tamaño. La naturaleza o tipo de dato es otro factor a tener en cuenta. Los datos pueden ser puntuales, lineales, espaciales, etc. Los métodos topográficos y algunas técnicas avanzadas de interferometría diferencial determinan los movimientos superficiales con carácter puntual, mientras que otros métodos como el láser o la Interferometría Diferencial SAR convencional proporcionan un mapa continuo de deformaciones del escenario completo. La frecuencia es la inversa de la diferencia de tiempo que existe entre dos medidas consecutivas. Ésta puede ser horaria, diaria, mensual, anual, bianual, etc. o incluso llegar a consistir en un registro continuo. La frecuencia requerida está íntimamente ligada a la cinemática del fenómeno, debiendo ser menor cuando más lenta es la velocidad de deformación del mismo. Los sistemas susceptibles de ser automatizados como el GPS, el distanciómetro o algunos métodos instrumentales permiten obtener registros continuos o quasi continuos en el tiempo, mientras que otros sistemas como los topográficos o incluso el GPS de registro no continuo tan sólo son aplicables en espacios de tiempo variables desde unos días hasta varios años. Otros métodos como los interferométricos presentan frecuencias definidas por la frecuencia de paso de los satélites por el escenario, del orden de semanas o meses. Las características del escenario también condicionan la elección del método de medida. Los escenarios rurales suelen caracterizarse por la presencia de vegetación que puede condicionar el uso de algunas técnicas. Igualmente, los escenarios urbanos pueden dificultar el uso de otras o por el contrario hacerlas aptas para ser aplicadas. La topografía del área de estudio también puede limitar el uso de una u otra técnica. En general, la vegetación suele dificultar el uso de todas las técnicas al ocultar bajo ella la superficie a estudiar. Además, afecta en gran medida a algunas técnicas como las interferométricas, derivando en una pérdida de coherencia de la imagen. A otros métodos, como los topográficos, la vegetación les puede afectar en mayor o menor grado en función de la configuración de la misma al dificultarle el visionado de las estaciones o puntos de control. Otros métodos como los instrumentales suelen ser igual de efectivos en este tipo de escenarios que en cualquier otro. Los escenarios urbanos también pueden impedir el uso de algunos métodos de medida de deformaciones. Los GPS pueden encontrarse en algunos casos con problemas a la hora de disponer un horizonte de localización de satélites o por recibir múltiples señales rebotadas de edificaciones próximas al punto de control. Los métodos radar suelen dar buenos resultados en este tipo de escenarios al disponer de puntos de gran coherencia, aunque por el contrario en estos escenarios también suelen producirse sombras indeseadas. 6

67 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La topografía del área de estudio condiciona en algunas ocasiones el método a utilizar. En el conjunto de los métodos topográficos, la nivelación geométrica suele resultar costosa de aplicar en terrenos accidentados, en contra de la nivelación trigonométrica que permite mayores velocidades de avance en el proceso de toma de datos. Algunos métodos de medida de deformación no pueden ser aplicados en determinadas condiciones ambientales. La lluvia, la nieve, el viento y la niebla son los principales agentes meteorológicos que pueden intervenir en la selección de un método de medida. La posibilidad de toma de datos durante la noche es otro condicionante ambiental a tener en cuenta. Las técnicas que utilizan imágenes obtenidas en el espectro visible como la fotogrametría, no pueden ser aplicadas en determinadas condiciones meteorológicas como niebla o nubes en el caso de la aérea. Igualmente se descarta su uso nocturno. La mayor parte de técnicas topográficas precisan de luz solar que les permita el visionado de las miras o los prismas resultando además incómodas de utilizar en condiciones meteorológicas adversas. Sin embargo, algunos métodos instrumentales de registro continuo capaces de operar en prácticamente todo tipo de circunstancias meteorológicas o nocturnas, así como las técnicas radar, para las que las nubes y el agua resultan invisibles y también pueden operar de noche, resultan muy eficaces en todo tipo de circunstancia ambiental. La flexibilidad y los grados de libertad o independencia se refieren a la posibilidad de seleccionar el tiempo y el lugar en los que aplicar el método sin estar condicionados por la existencia o no de datos. Como bien es sabido, cuando se va a hacer uso de algunos métodos, se determina de forma voluntaria el escenario de estudio y los instantes en los que se llevará a cabo la toma de datos. Éste es el caso de los métodos topográficos o geodésicos en los que escogemos los puntos de control de forma deliberada, claro está adaptándonos a las necesidades de control y al propio escenario. Sin embargo, al aplicar las técnicas radar de satélite no existe posibilidad alguna de escoger los puntos de control, ya que éstos vienen definidos por la permanencia en el tiempo de las propiedades físicas de los puntos del escenario. La facilidad de acceso a los datos es también un aspecto de gran relevancia. Existen sistemas de medida, como el GPS o todo el instrumental de topografía, que es fácilmente asequible en el mercado, permitiendo obtener por nuestra propia cuenta los datos o incluso subcontratarlo a empresas especializadas existentes en el mercado. Otros métodos, como el sistema DORIS, requieren el establecimiento de acuerdos con organismos oficiales que permitan integrarnos dentro de programas de actuación. El tiempo de adquisición de datos es aquel que se invierte en la toma de las medidas o lecturas del escenario durante una campaña. Este tiempo ha de ser lo más reducido posible para evitar la posibilidad de que ocurran movimientos durante la toma de datos. Este factor puede ser de segundos, minutos, horas, días o incluso meses. Por ejemplo, las medidas automáticas de instrumental o GPS pueden hacerse simultáneamente en un intervalo de segundos, mientras que una campaña de nivelación geométrica o de triangulación puede llevarnos desde un día hasta alguna semana en función del número de puntos de control. El seguimiento de una radiobaliza de DORIS precisa de una observación mensual para poder conseguir una precisión centimétrica. La geometría, cinemática y naturaleza del fenómeno a estudiar también influyen en el método a emplear. Para geometrías de pequeñas dimensiones y alargadas son preferibles métodos topográficos a otros como los radares cuya resolución final, con píxeles de varias decenas de metros de lado, lo descartan como método de seguimiento al proporcionar tan sólo unos pocos píxeles de información. A su vez, la naturaleza del fenómeno puede condicionar el uso de, por ejemplo, métodos topográficos al resultar imposible establecer bases de control que perduren en el tiempo. Otro aspecto a considerar es el grado de automatización de los procesos de adquisición y tratamiento de los datos, puesto que resulta más cómodo hacer uso de procesos con un elevado grado de automatización. La Tabla 2.8 resume la valoración hecha para cada método de medida de deformaciones y para cada uno de los factores descritos. 61

68 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Asentómetro mm P B B B B B-M B-M MN-A MN-A Continuo Instrumental Inclinómetro móvil mm PP B B B B M M MN MN-SA Mensual Inclinómetro fijo mm PP B B B B B B MN-A MN-A Continuo Línea Continua de Asiento cm L B B B MD M M MN MN-SA Mensual Micrómetro deslizante mm P B B B B M M MN MN-A Mensual Instrumental variable P B B B B B-M B-M MN-A MN-A Diario-mensual Teledetección LIDAR/ALS/ALTM dm P MD MD B B MD-M B-MD A SA-A Mensual-anual GBSAR mm E MD-M MD-M B B B B A SA-A Horario-diario Persistent Scatterers mm P MD-M MD-M B B-MD B B A SA-A Mensual (variable) Convencional DInSAR mm E M MD-M B B-MD B B A SA-A Mensual (variable) Geodesia Fotogrametría Fotogrametría satélite m E M MD-M B B M M A SA Mensual (variable) Fotogrametría aérea dm E M MD-M B B M M A SA Mensual-anual Fotogrametría terrestre cm E MD-M MD-M B B M M MN SA Diaria-mensual SRL cm P MD MD B B MD B A A Mensual DGPS mm P MD-M B-MD MD-M B B-M B MN-A MN-A Mensual-anual (o continuo) DORIS mm P MD B B-MD B B B A A Continuo Distanciómetro mm-cm P MD-M MD-M B-MD B M B MN-A MN-A Mensual-anual (o continuo) CGPS mm-cm P MD-M B-MD MD-M B B-M B MN MN Mensual-anual Topografía clásica Itinerario topográfico mm-cm P MD-M MD-M B-MD B M M MN SA Mensual-anual Triangulación mm-cm P MD-M MD-M B-MD B M M MN SA Mensual-Anual Nivelación geométrica mm P MD-M MD-M B-MD M M M MN SA Mensual-Anual Nivelación geométrica de mm P MD-M MD-M B-MD M M M MN SA Mensual-Anual precisión Nivelación trigonométrica cm P MD-M MD-M B-MD B M M MN SA Mensual-anual MÉTODO PRECISIÓN (unidad de medida) TIPO DE MEDIDA Rústico (arbolado) Rústico (matorral) Urbano Accidentado Condiciones meteorológicas adversas Nocturno Toma de datos Procesado FRECUENCIA DE MEDIDAS CONDICIONES Y ENTORNO DE TRABAJO GRADO DE AUTOMATIZACIÓN Tabla 2.8. Características principales de los diferentes sistemas de medida de las deformaciones (P: puntual; L: lineal; E: espacial; PP: puntual en profundidad; B: bueno; MD: medio; M: malo; MN: manual; SA: semiautomático; A: automático). 62

69 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La elección del método de seguimiento o monitorización de los fenómenos de subsidencia constituye el primer paso en cualquier estudio de riesgos geológicos. Esta elección debe hacerse considerando todos los aspectos señalados. En la mayor parte de los casos se busca conseguir precisión al mínimo coste posible. Otras veces se busca una relación tiempo-coste óptima. Sin embargo, en prácticamente todos los casos se busca un compromiso entre los factores principales, que son la precisión proporcionada por el método, el coste del mismo y la rapidez con la que se obtienen los datos. A su vez, dependiendo de las necesidades y de los condicionantes impuestos por el fenómeno a monitorizar, el resto de factores podrán establecer la idoneidad de uno u otro método. Algunos autores han estudiado precisamente la conveniencia de hacer uso de uno u otro método o sistema de control de deformaciones a través de la experiencia obtenida al aplicarlos a casos reales. Wegmüller et al. (1999) llevaron a cabo un estudio comparativo entre las técnicas de Interferometría SAR diferencial, nivelaciones geométricas y el GPS aplicadas al fenómeno de subsidencia de la ciudad italiana de Bolonia (Tabla 2.9). Tras aplicar estas técnicas de forma combinada concluyen que: - La mejor resolución espacial en la zona urbana la proporcionaba la técnica DInSAR, que proporcionaba datos de movimiento cada 5 metros frente a la nivelación que proveía de puntos nivelados cada 25 metros aproximadamente. Asimismo, el GPS tan sólo facilitaba unos pocos puntos de medida, poco significativos frente al área monitorizada. - La mejor precisión se obtuvo con la nivelación, ya que la técnica DInSAR sufrió una pérdida de precisión debido a las condiciones atmosféricas reinantes. - El coste generado en las tres campañas de nivelación de toda la red fue muy elevado, ya que la red contaba con 455 puntos de nivelación a lo largo de 375 km. El GPS, sin embargo, supuso un coste menor a pesar de que la nivelación de un punto es más cara que la de un kilómetro de red de nivelación. Respecto al coste de la Interferometría Diferencial, aseguran que puede establecerse un servicio de seguimiento anual de la subsidencia a un coste moderado. Si trabajamos con costes totales (Tabla 2.9) a partir de los datos del estudio de Wegmüller et al. (1999) y consideramos únicamente los precios de las imágenes SAR, se observa que la nivelación resulta siete veces más cara que la aplicación de técnicas interferométricas. Si bien el coste de las imágenes no se corresponde con el coste real de aplicar la técnica, al cual habría que añadir los costes derivados del software y de la mano de obra, la diferencia es considerable, haciéndose más notable aún si consideramos que la interferometría proporciona una visión global del problema, extensible a todo el área de estudio frente a la nivelación que lo hace de forma puntual. Tabla 2.9. Comparación entre métodos de monitorización de la subsidencia (modificado de Wegmüller et al., 1999) DInSAR Nivelación DGPS Resolución espacial 5 m >25 m ~1 Km Características espaciales Zonas urbanas Líneas de nivelación Escasos puntos significativos Frecuencia temporal > 1 año Anual 2-3 años Precisión < 1 cm 1 mm por Km 1-2 cm Coste unitario Investigación: 2 por imagen Comercial: 1 por imagen Coste total Investigación: 2. * 26 por Km 516 por punto Comercial: 1. * (*) No se ha considerado el coste adicional del software de tratamiento de las imágenes y de la mano de obra. 63

70 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Strozzi et al. (23) también han llevado a cabo un estudio comparativo entre diferentes técnicas aplicadas al problema de la subsidencia de la ciudad de Venecia (Tabla 2.1). Aunque los autores no hacen referencia al factor coste, sí que consideran otros aspectos como la resolución espacial y la precisión conseguida llegando a conclusiones similares a las obtenidas en otros casos. Tabla 2.1. Comparación entre diferentes sistemas de medida de subsidencia (Strozzi et al., 23) Resolución espacial Características espaciales Otras características Precisión vertical Nivelación GPS continuo DGPS InSAR PS Pocas estaciones 9 m permanen- > 1Km 2 3 m 5 x 25 m tes Líneas de nivelación Han de disponerse estructuras para la nivelación Pocos puntos significativos Necesario pocos años de adquisición de datos Líneas de nivelación Han de disponerse estructuras para la nivelación Áreas construidas Reflectores persistentes Posible uso de los reflectores radar artificiales 1-2- mm/año 1-2 mm/año 1 mm/km 1-2 mm/año 1mm/años A su vez Baltsavias (1999) y Gold (23) han llevado a cabo estudios comparativos entre la fotogrametría y el escáner láser aéreo. Según Baltsavias (1999) el precio de la técnica láser se sitúa entorno a los 5-2 /km 2, afirmando que este precio puede variar en función de la empresa que realiza los trabajos, el área a investigar, el tipo de postprocesado y otros gastos extra. Igualmente afirma que el coste de esta técnica resulta del orden del 7-75% más barato que la fotogrametría. Contrariamente, Gold (23) afirma que los precios para las técnicas láser del orden de 2 /km 2 y de 1 /km 2 para las técnicas fotogramétricas La interferometría SAR diferencial Introducción Como ya se ha explicado con anterioridad, la teledetección, en inglés remote sensing, se define como la técnica empleada para la extracción de información acerca de las propiedades de objetos situados a cierta distancia del observador. Esto es posible siempre y cuando se disponga de sensores capaces de detectar las variaciones en algún tipo de radiación del entorno en el que se encuentra el objeto. Por tanto, consiste en la medida de magnitudes físicas, como el campo electromagnético, y su posterior análisis e interpretación mediante modelos matemáticos basados en un cierto grado de conocimiento a priori del elemento en cuestión. De esta forma, el producto final proporcionado al usuario puede ser un mapa que muestre alguna característica del elemento. Los sensores pueden ser pasivos o activos. Los primeros miden la cantidad de energía electromagnética emitida, o reflejada de otra fuente como el Sol, del objeto observado. Los segundos miden la radiación reflejada por el objeto observado previa excitación electromagnética generada o enviada por el propio sensor. La teledetección activa (mediante un sensor activo) emplea generalmente microondas, cuya frecuencia está comprendida entre 1 GHz y 1 GHz o, lo que es lo mismo, longitudes de onda comprendidas entre 3 mm y 3 cm. En el presente estudio se hace uso de frecuencias de microondas cuyas ventajas principales se enumeran a continuación: 64

71 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada - Son capaces de atravesar nubes y lluvia dada la baja absorción de las mismas. - El sistema es capaz de trabajar en condiciones de oscuridad al no depender de la iluminación solar. - Pueden penetrar en estructuras vegetales, nieve y suelo. - Proporcionan una alta sensibilidad a parámetros que caracterizan el elemento observado tales como distancia, rugosidad, humedad, etc. - Se basan en la medida coherente de la radiación electromagnética. Esto significa que el procesado de la señal considera tanto la fase como la polarización de la onda, proporcionando así una mayor cantidad de información sobre el medio iluminado. Por lo tanto, como se ha comentado con anterioridad, los datos obtenidos por los sensores suelen representarse en forma de mapas o imágenes del área de interés. En los apartados siguientes se analizan diversos aspectos relacionados con la obtención de estas imágenes en los sistemas Radar de Apertura Sintética (SAR) en los que se centra la presente tesis doctoral Fundamentos del Radar de Apertura Sintética (SAR) La geometría básica de un sistema SAR es la mostrada en la Figura El satélite se desplaza a una velocidad V a lo largo de su órbita, situada a una determinada altitud. La plataforma transporta una antena lateral que ilumina la superficie terrestre con cierto ángulo de inclinación mediante pulsos de radiación electromagnética. La dirección de desplazamiento del satélite se denomina azimut y la distancia comprendida entre la plataforma y la escena radiada se llama slant range (R ). Otros parámetros a considerar en los sistemas SAR son el ground range y el track, que son la proyección del slant range y de la órbita del satélite sobre la superficie terrestre, respectivamente. La antena tiene forma rectangular con unas dimensiones de h l, donde h es la altura de la antena y l es su longitud. Estas dimensiones resultan de interés puesto que determinan el área de iluminación, condicionando también la resolución espacial, que se define como la distancia mínima entre dos objetos que pueden ser detectados separadamente por el sensor. Cuando el radar emite un pulso de duración τ, éste recorre la distancia correspondiente R hasta alcanzar la superficie radiada. En este momento el pulso retorna en dirección al satélite, al cual llegará con un tiempo de retraso (τ R ) igual a: donde c es la velocidad de la luz. τ R = 2R /c (2.2) Los ecos obtenidos en diferente tiempo permiten diferenciar objetos separados. Así, los ranges máximos y mínimos (denominados far range y near range; Figura 2.31) pueden diferenciarse entre sí a través del tiempo comprendido entre el inicio de la recepción de la señal y el final de la misma denominado slant swathwidth. Para evitar la superposición entre la transmisión y la recepción de un pulso, el slant swathwidth ha de ser menor que c/(2 PRF) donde PRF es la frecuencia de repetición del pulso (pulse repetition frecuency). Los pulsos empleados típicamente poseen longitudes de onda de 3 cm (banda X), 6 cm (banda C), 9 cm (banda S) y 24 cm (banda L). La frecuencia de repetición del pulso (PRF) de estos sistemas se encuentra comprendida entre 1 y 1 khz. Los sistemas radar suelen emplear pulsos comprimidos del tipo chirp de larga duración. Éstos se caracterizan porque su frecuencia varía linealmente con el tiempo, presentando una mejor resolución en rango que otros tipos de pulsos más cortos, precisando además una menor energía de transmisión (Figura 2.32). En vistas de lo expuesto, el radar de apertura sintética es el tipo de sistema utilizado en el desarrollo del presente trabajo, dado que la resolución que alcanza implica la posibilidad de descomponer, en términos de respuesta electromagnética, un blanco relativamente grande en varios centros de disper- 65

72 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua sión. De este modo es posible elaborar una imagen de reflectividad de la escena que constituirá la materia prima para el análisis interferométrico posterior. Figura Geometría del sistema SAR de los satélites ERS-1, ERS-2 y ENVISAT. Las imágenes SAR son diferentes a las imágenes ópticas no sólo debido a que emplean otras frecuencias o longitudes de onda que producen diferentes interacciones con la escena. Además, las imágenes SAR sufren distorsiones geométricas debido a la adquisición inclinada de datos, ya que la información con la que se forma la imagen consiste en distancias a la escena y no en coordenadas espaciales de la misma. 66

73 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura Pulso chirp. Un primer tipo de distorsión geométrica se denomina foreshortening (Figura 2.33) y consiste en la expansión o contracción de la celda de resolución en función de la pendiente (α) de la escena, siempre y cuando esté comprendida en el rango [ θ, θ]. Figura Fenómeno de foreshortening. El layover (Figura 2.34) es otro tipo de distorsión geométrica que consiste en la inversión de la geometría de la imagen en presencia de relieves elevados con pendientes (α) superiores al ángulo de observación del satélite (θ). Por último se encuentran las zonas de sombra o shadows (Figura 2.35) donde, debido a la presencia de pendientes pronunciadas, no se produce señal dispersada hacia el radar, y por tanto no contribuyendo a la imagen. Las zonas de sombra se producen cuando la pendiente del terreno (α) es menor o igual al ángulo de observación del satélite menos π/2. 67

74 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Fenómeno de layover. Figura Fenómeno de sombra (shadow). Tal y como se ha comentado con anterioridad, las imágenes SAR contienen información muy útil sobre el medio que representan. La amplitud de estas imágenes está relacionada con el coeficiente de backscattering de la escena, mientras que la fase contiene información sobre la distancia de viaje de la señal emitida desde la plataforma móvil hasta el suelo. Como ejemplo, en la Figura 2.36 se muestra una típica imagen SAR de la Vega Media y Baja del Segura (provincias de Alicante y Murcia) adquirida mediante el satélite ERS-2. 68

75 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura Imagen SAR de amplitud de la Vega Media y Baja del río Segura adquirida el 1 de Junio de 2 a las 1:47 horas GMT por el satélite ERS-2. Obsérvese que las áreas urbanas aparecen como zonas brillantes debido al elevado coeficiente de backscattering. La dimensión de los píxeles es aproximadamente de 2 x 4 (range x azimut) metros. 69

76 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua No obstante, la aplicabilidad de una sola imagen SAR es nula si lo que pretendemos es trabajar con la fase, puesto que ésta viene dada por la expresión: π φ = 4 r + φ scattering (2.21) λ donde λ es la longitud de onda electromagnética, r es el range, y φ scattering es el cambio de fase debido a la dispersión (backscattering) producida por el blanco, siendo este segundo término, en general, una variable aleatoria con una distribución uniforme entre y 2π. Consecuentemente, la imagen de la fase es aparentemente ruidosa, por lo que solamente será de interés cuando se compare con la fase de otra imagen del mismo escenario, tal como se explica en los capítulos sucesivos. Una vez caracterizado el sistema y expuestos sus fundamentos, es necesario conocer el tipo de aplicación bajo estudio, que en el caso que nos ocupa se centra en el seguimiento de los movimientos sufridos por la superficie terrestre, debido a fenómenos de subsidencia, mediante Interferometría SAR diferencial, que se trata en los apartados siguientes Fundamentos de Interferometría SAR (InSAR) La Interferometría SAR hace uso de la información de la fase proporcionada por la combinación de dos imágenes SAR de la misma escena adquiridas desde posiciones ligeramente diferentes (Massonnet y Rabaute, 1993) para obtener Modelos Digitales del Terreno (MDT). El planteamiento teórico es muy sencillo y puede simplificarse en los siguientes pasos (Mora, 24): 1. Se adquieren dos imágenes de la misma escena desde posiciones orbitales diferentes (Figura 2.37). Según la expresión (2.21) la fase correspondiente a un determinado píxel de cada imagen es: 4π φ 1 + λ 4π φ 2 r2 + φ scattering λ = (2.22) r1 φ scattering 1 = (2.23) 2 2. Si suponemos que la morfología del terreno es la misma y no se han producido cambios en su superficie, los términos correspondientes a la dispersión (backscattering) pueden suponerse iguales: φ φ (2.24) scattering1 scattering 2 3. Por lo tanto, si restamos las fases de ambas adquisiciones obtenemos la fase interferométrica: int 4π 4π = φ1 φ2 r = ( r λ λ 2 r ) ψ (2.25) 1 La expresión (2.25) constituye el término de fase correspondiente a una nueva imagen conocida como interferograma, y únicamente depende de la diferencia de distancias de los sensores al píxel considerado en cada una de las dos imágenes. La fase interferométrica puede también expresarse en función de otros parámetros de interés, resultando la expresión (Mora, 24): 7

77 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada 4π Bn r 4π Bn h 4π ψ int = + + ρ + ψ atmos + ψ noise (2.26) λr tanα λr sinα λ donde ψ int es el incremento de fase entre dos puntos del interferograma, λ es la longitud de onda, r es la distancia desde la plataforma al terreno, α es el ángulo de incidencia de la onda respecto al suelo, B n es la baseline perpendicular (distancia entre dos adquisiciones SAR medida en la dirección perpendicular a la correspondiente al ángulo de incidencia), r es el incremento de distancia satélite-suelo existente entre dos puntos de la imagen, h es el incremento de altura existente entre dos puntos de la imagen, y ρ es el incremento de deformación medido en la dirección slant range. Figura Geometría de un sistema interferométrico. La expresión (2.26), por lo tanto, descompone la fase interferométrica en los siguientes términos: - Tierra plana. Este término depende de la distancia ( r) y es intrínseco para cada interferograma. Se manifiesta a modo de franjas de fase que crecen desde el near range hacia el far range. - Topografía. Este otro término contiene la información correspondiente a la topografía de la escena ( h). Como puede apreciarse en la expresión (2.26) depende de la baseline perpendicular (B n ). - Deformación. Este sumando depende de las deformaciones producidas en el terreno ( ρ) que hayan podido producirse durante el intervalo de tiempo transcurrido entre ambas adquisiciones. 71

78 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua - Factor atmosférico. Este término causa ruido en la fase y es debido a cambios de las condiciones atmosféricas reinantes en el momento de adquisición de cada una de las imágenes. - Ruido. Este último sumando agrupa el conjunto de factores de decorrelación que degradan la calidad de la fase interferométrica Fundamentos de Interferometría SAR Diferencial (DInSAR) La Interferometría SAR Diferencial (DInSAR) constituye una técnica interferométrica empleada para determinar la magnitud de las deformaciones que puedan afectar a la superficie del terreno. El presente trabajo hace uso de esta técnica para determinar los movimientos del terreno producidos por descensos de nivel freático, de donde se deriva el interés en conocer su fundamento. El principal objetivo de esta técnica consiste en cancelar o minimizar, en la medida de lo posible, todos los términos que intervienen en la fase interferométrica ( ψ int ) (expresión 2.26) excepto aquel que hace referencia a las deformaciones del terreno ( ρ). Empleando DInSAR sólo podemos estimar la proyección ( ρ) del vector de deformación total (u r ) sobre el slant range o line of sight (LOS) (Figura 2.38). Figura Geometría de la Interferometría SAR Diferencial considerando una baseline perpendicular nula. Por otro lado tenemos que, considerando exclusivamente el término correspondiente a la deformación asociado a un ciclo de la fase, podemos escribir la expresión (2.26) como: 72

79 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada ρ λ = ψ 4π ciclo (2.27) Si, además, tenemos en cuenta que la longitud de onda (λ) de los satélites ERS es de 5.6 cm, podemos establecer que a una franja interferométrica (ciclo de 2π) le corresponde una deformación de 2.8 cm en la dirección de la LOS. Esto demuestra que la Interferometría SAR Diferencial presenta una gran sensibilidad a la deformación Métodos convencionales de interferometría SAR diferencial (DInSAR) Como ya se ha citado con anterioridad, los métodos empleados en Interferometría SAR diferencial pueden agruparse en dos grupos, los llamados convencionales y los avanzados. En este apartado se describen los denominados métodos convencionales que pueden dividirse en tres (Mora, 24): el método de la baseline corta, el método de las tres imágenes y el método de las dos imágenes con un modelo digital del terreno (MDT) externo Método de la baseline corta Constituye el método más sencillo para generar interferogramas diferenciales. Se basa en el hecho de que la componente topográfica de la fase depende directamente de la baseline perpendicular, B n (expresión (2.26)). Si la baseline es lo suficientemente pequeña podemos considerar al término topográfico despreciable frente al término derivado de las deformaciones. El método consiste en seleccionar un par de imágenes SAR con una baja baseline perpendicular. Llevando a cabo la corrección de tierra plana a partir de la información orbital del satélite, y despreciando los términos derivados del ruido y el factor atmosférico (ver diagrama de flujo del procesado en Figura 2.39) la expresión de la fase diferencial queda como: ψ 4π = ρ λ dif (2.28) y despejando la deformación estimada tendremos que: ρ λ = 4π est ψ dif (2.29) donde el error producido con esta simplificación es: Error ρ est = ρ est Bn h λ λ ρ = ψ = + ψ atmos + ψ int noise r sinα 4π 4π (2.3) 73

80 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Método de la baseline corta Método de las tres imágenes En el método de las tres imágenes, en lugar de despreciar el término de la fase dependiente de la topografía, se hace uso de una tercera imagen SAR para cancelarlo. Esta tercera imagen se emplea para generar un segundo interferograma con una baseline temporal corta y una baseline espacial grande para conseguir una buena precisión en la componente topográfica (interferograma topográfico). Cuando se emplea este método es muy común hacer uso de las imágenes ERS en tándem, que cuentan con una baseline o separación temporal de tan sólo un día. El nuevo interferograma así obtenido posee exclusivamente información topográfica del término de la fase, evidentemente sin considerar los términos correspondientes al ruido y a la atmósfera. La fase interferométrica correspondiente al interferograma topográfico puede expresarse como: ψ 4π B n h 1 int1 = + ψ atmos1 + ψ noise1 (2.31) λr sinα El otro interferograma (interferograma de deformación) se obtiene por combinación de dos de las tres imágenes disponibles, sin que en este caso existan restricciones en la baseline temporal ni espacial existente entre las dos imágenes escogidas, más que las establecidas por el fenómeno de deformación que queremos medir (Figura 2.4). La fase interferométrica correspondiente al interferograma de deformación puede expresarse como: 74

81 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada ψ 4π B n h 4π 2 int 2 = + ρ + ψ atmos2 + ψ noise2 (2.32) λr sinα λ El siguiente paso consiste en la cancelación de la topografía estimada a partir del interferograma topográfico en el interferograma de deformación. Para ello expresamos la relación entre baselines a través de una constante K para compensar la diferencia de escala entre ambos interferogramas, cuyo valor es: B n2 K = (2.33) B n1 De manera que la fase interferométrica diferencial queda expresada como: ψ B B dif n2 n1 = ψ 4π Bn 1 h ( + ψ λr sinα dif 2 K ψ dif 1 4π Bn2 h 4π = + ρ + ψ λr sinα λ atmos1 + ψ noise1 ) atmos2 + ψ noise2 (2.34) quedando por tanto: 4π Bn2 ψ dif = ρ + ψ atmos2 + ψ noise2 ( ψ atmos1 + ψ noise1) (2.35) λ B n1 Finalmente, considerando la expresión (2.29) el desplazamiento estimado queda como: λ Bn2 ρ est = ρ + ψ atmos2 + ψ noise2 ( ψ atmos1 + ψ noise1) (2.36) 4π Bn 1 El error cometido en la estimación de la deformación es debido a los dos procesos de desenrollado de fase, el llevado a cabo antes de del primer interferograma y el creado para la obtención de los valores de deformación, y se calcula según la expresión siguiente: λ B n1 Error = = + + ρ est ρ est ρ ψ atmos ψ ( ) 2 noise ψ 2 atmos ψ 1 noise (2.37) 1 4π Bn2 En este método, de forma contraria a lo que ocurre en el método de la baseline corta, el error cometido no depende directamente de la topografía. 75

82 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura 2.4. Método de las tres imágenes. 76

83 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Método de las dos imágenes y el Modelo Digital del Terreno externo Este método hace uso de un Modelo Digital del Terreno (MDT) para poder substraer a la fase interferométrica el término correspondiente a la topografía (Figura 2.41). Como habíamos visto, la fase interferométrica, sin tierra plana, puede expresarse de la siguiente manera: 4π B n h 4π ψ int = + ρ + ψ atmos + ψ noise (2.38) λr sinα λ El término de la fase debido a la topografía puede reconstruirse considerando los datos del MDT y la información orbital a través de la expresión (2.39), donde h MDT son las cotas deducidas del propio MDT. ψ 4π B = λr n MDT topoest (2.39) h sinα Substrayendo la ecuación (2.39) a la (2.38) obtenemos la fase interferométrica diferencial: ψ dif = ψ ψ 4π B = λr ( h h ) 4π + ρ + ψ λ + ψ n MDT int topoest atmos noise (2.4) sinα de donde obtenemos la deformación estimada considerando la ecuación (1): Bn ( h hmdt ) λ ρ est = + ρ + ( ψ atmos + ψ noise ) (2.41) r sinα 4π El error cometido en la estimación de la deformación dependerá en este caso de la precisión del MDT y de la baseline perpendicular: Bn λ Error ρ est = ρ est ρ = ( h hmdt ) + ( ψ atmos + ψ noise ) (2.42) r sinα 4π 77

84 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Figura Método de dos imágenes y el MDT externo. 78

85 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Fuentes de decorrelación La Interferometría SAR diferencial no puede ser aplicada siempre, debido a que existen ciertas limitaciones que degradan sustancialmente los interferogramas. El conocimiento de estos factores resulta de gran relevancia en el cálculo de los movimientos del terreno, pues presentan una influencia directa en la precisión final. La coherencia (γ), también llamada coeficiente de correlación compleja normalizada de dos imágenes SAR, es un parámetro cuya magnitud está relacionada con la calidad de la fase. Su expresión analítica para un determinado píxel (s 1 ) de la primera imagen SAR y el homólogo (s 2 ) de la segunda imagen, a partir de las cuales obtenemos el interferograma es: * [ s s ] 1 2 γ = (2.43) E E 2 2 [ s ] E[ s ] 1 2 donde E[] es el operador valor esperado o esperanza matemática, que comúnmente se sustituye por un promediado espacial de los píxeles vecinos. El valor absoluto de la coherencia γ es un parámetro indicativo de la calidad conseguida en la estimación de la fase, que varía entre (escena totalmente decorrelada) a 1 (imagen perfecta o sin decorrelación). Figura Función densidad de probabilidad de la fase (pdf). Otro estadístico de la estimación de la fase es la función densidad de probabilidad (pdf) que se define como: 2 1 γ 1 γ cos( ψ )arccos( γ cos( ψ )) = pdf ( ψ ) 1+ (2.44) π 1 γ cos ( ψ ) 1 γ cos( ψ ) 79

86 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Esta función nos indica la calidad con la que se estima la fase interferométrica en función de la coherencia. Como puede observarse en la Figura 2.42 para valores altos de coherencia la función de densidad de probabilidad de la fase se estrecha considerablemente, lo que supone una determinación más precisa del valor de la fase interferométrica. El módulo de la coherencia puede expresarse como producto de las diferentes fuentes de decorrelación según la expresión (Hanssen, 21; Mora, 24): donde: γ = γ t γ th γ x γ y γ sp γ fc (2.45) - γ t es la decorrelación temporal. Ésta se debe básicamente a los cambios que se producen en la escena en el intervalo de tiempo para el cual se genera el interferograma diferencial. En áreas con abundante vegetación el coeficiente de backscattering cambia según la estación del año o simplemente por el movimiento de la vegetación por efecto del viento. De forma contraria, en zonas urbanas la coherencia de la escena se mantiene constante durante largos periodos de tiempo. - γ x, γ y y γ fc, constituyen los términos correspondientes a la decorrelación espacial por la corregistración en range y azimut, así como por la diferente posición del centroide Doppler entre las dos adquisiciones. - γ sp es la decorrelación geométrica. Ésta se debe al desplazamiento relativo que sufren los espectros en range de las dos imágenes empleadas, debido a la diferencia existente en el ángulo de incidencia de las dos adquisiciones. - γ th es la decorrelación por ruido térmico. Esta fuente de decorrelación está directamente relacionada con los equipos empleados para la transmisión y recepción de los datos. Además de las fuentes de decorrelación enumeradas existen otras fuentes de error no consideradas en la expresión (2.45) que pueden llegar a afectar a la estimación de la fase interferométrica. La primera consiste en los errores orbitales cometidos en la determinación de las coordenadas de la órbita de los satélites, que son necesarias para llevar a cabo la corrección de tierra plana, la eliminación de la fase debido a la topografía o la georreferenciación de la información del radar para obtener coordenadas. La situación atmosférica reinante en la escena puede ser diferente durante la adquisición de las imágenes SAR que conforman el interferograma diferencial. Estos cambios atmosféricos generan nuevas franjas en los interferogramas, que no son debidas a movimientos del terreno y que por lo tanto han de ser eliminadas en la medida de lo posible, aunque esta tarea no es nada sencilla debido a su similitud con las franjas producidas por las deformaciones que pretendemos medir La Técnica de los Píxeles Coherentes (Coherent Pixels Technique, CPT) El seguimiento mediante técnicas interferométricas de movimientos lentos de la superficie terrestre, como los producidos por subsidencia del terreno, pasa inevitablemente por la selección de imágenes con una baseline temporal alta. Este requisito impone dilatados intervalos temporales entre dos imágenes consecutivas con el fin de poder abarcar amplios periodos en los que el lento movimiento acumulado resulte perceptible. Sin embargo, la exigencia de baselines temporales grandes entra en contraposición con el hecho de que cuanto más tiempo transcurre entre dos imágenes de una misma escena, más decorreladas se encuentran. Además, las condiciones atmosféricas, que pueden variar rápidamente sobre la escena, degradan las imágenes ocasionando distintos retrasos en la propagación de la señal. Estos retardos puede aparecer en los interferogramas como si de deformación se tratara, modificando sustancialmente los resultados. Con el fin de eliminar, o simplemente minimizar, las limitaciones propias de las técnicas interferométricas convencionales enumeradas en los párrafos anteriores, durante los últimos años se han publicado diversos trabajos encaminados a estudiar la evolución temporal de la deformación a partir de series temporales de imágenes (Ferreti et al., 2.a; Ferreti et al., 2.b; Ferreti et al., 21; Mora et al., 23.a; Werner et al., 23; Mora, 24). El presente apartado se centra en la técnica de los Píxeles Coherentes (Coherent Pixels Technique, CPT) desarrollada en Mora et al. (23.a) y Mora (24), ya que será empleada en el Capítulo 4 del pre- 8

87 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada sente trabajo de investigación para estudiar el problema de la subsidencia de la ciudad de Murcia. A continuación se describe la formulación de dicho método El modelo de la fase La fase de un interferograma ( ψ int ) obtenido por combinación de dos imágenes SAR puede expresarse como (Hanssen, 21; Mora, 24): ψ int = ψ + ψ + ψ + ψ + ψ (2.46) flat topo mov atmos noise donde: - ψ flat es la componente de Tierra plana relacionada con la distancia en range. - ψ topo es la fase topográfica. - ψ mov es la componente de la fase interferométrica debida al desplazamiento del terreno entre las dos imágenes, medida en la dirección de range (o Line Of Sight, LOS). - ψ atmos es la componente de la fase relacionada con los fenómenos atmosféricos. - ψ noise constituye el factor de degradación de la componente de la fase interferométrica. A su vez, los tres primeros términos de la expresión (2.46) pueden expresarse como: 4π Bn r ψ flat = (2.47) λr tanα ψ topo 4π Bn h = λr sinα (2.48) ψ mov = ψ lineal + ψ no lineal = 4π 4π v T + ρ λ λ no lineal (2.49) donde λ es la longitud de onda, r es la distancia en range, B n es la baseline perpendicular, r es el incremento del range entre píxeles, α es el ángulo de incidencia, h y v son respectivamente los incrementos de altura y velocidad de deformación entre píxeles vecinos, T es la baseline temporal entre las dos adquisiciones SAR y ρ no-lineal es el término no lineal de desplazamiento. Descontando las contribuciones por Tierra plana y topografía obtenemos la fase DInSAR siguiente: ψ = ψ + ψ + ψ + ψ (2.5) dif mov error topo donde ψ error-topo representa la componente de la fase asociada al error del MDT empleado en la cancelación de la topografía: atmos noise ψ error topo 4π Bn ε = λr sinα (2.51) siendo ε el incremento de error de altura entre píxeles. 81

88 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Se puede apreciar que la deformación se ha descompuesto en dos términos, uno denominado lineal a velocidad constante y otro no lineal, tal y como se muestra en (2.49) Selección de interferogramas Si se llevaran a cabo todas las combinaciones posibles de imágenes disponibles, se generaría un enorme número de interferogramas. Con el fin de minimizar este número, el algoritmo empleado para implementar la metodología CPT lleva a cabo una triangulación de Delaunay de las imágenes disponibles donde los tres ejes son la baseline espacial, la baseline temporal y la frecuencia Doppler. Esta selección presenta la ventaja de seleccionar las imágenes necesarias para cubrir de la forma más homogénea que sea posible todo el espacio de observación, sin introducir excesiva redundancia, lo cual mejora la coherencia además de reducir considerablemente los tiempos de procesado (Blanco et al., 26). Además, sólo se seleccionan aquellos interferogramas cuya diferencia de frecuencia Doppler y sus baselines temporales y espaciales presentan valores por debajo de unos umbrales preestablecidos, garantizando un mínimo de calidad en la fase Obtención de la componente lineal de deformación El modelo de deformación lineal (2.49) no puede aplicarse directamente a todos los píxeles de la escena, dada la decorrelación que pueden sufrir algunos de ellos que tan sólo hace aptos a aquellos cuya fase posee suficiente calidad. La selección de los píxeles de las imágenes se lleva a cabo a partir de la estabilidad de su coherencia, haciendo uso de una imagen de coherencia media (selección por coherencia media) o estudiando el número de veces que un determinado píxel supera un determinado valor umbral de coherencia prefijado (selección por porcentajes). La coherencia media se obtiene a partir de todo el conjunto de imágenes de coherencia según la expresión: = 1 i γ media = γ i (2.52) N N donde N es el número de interferogramas y γ i es la coherencia del píxel considerado en el mapa de coherencia i. Aquellos píxeles cuya coherencia media (γ media ) es superior a un valor umbral prefijado son aceptados como candidatos para el procesado posterior. Mora (24) afirma que valores medios de coherencia de aproximadamente.3 pueden considerarse como aptos en muchos casos, ya que este criterio tan sólo es empleado para la selección de píxeles candidatos, de los cuales tan sólo algunos de ellos serán utilizados finalmente en la obtención de los mapas de deformación. El otro criterio alternativo de selección de píxeles consiste en seleccionar aquellos píxeles en los que el porcentaje (p(%)) de interferogramas en los que la coherencia supera un valor umbral preestablecido (c) es también igual o superior a un valor en tanto por ciento prefijado. Analíticamente podemos expresar este criterio como: n( γ > c) p(%) = i 1 N (2.53) donde N es el número de interferogramas, n(γ i >c) es el número de píxeles en los que la coherencia es mayor que el valor umbral preestablecido y γ i es la coherencia del píxel considerado en el mapa de coherencia i. Una cuestión importante a considerar es que el procesado permite establecer varios niveles de selección (selección multinivel o multicapa) empleando diversos umbrales de calidad para así incrementar 82

89 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada el número de píxeles de la escena seleccionados sin que por ello los resultados de los píxeles de menor calidad empeoren los resultados obtenidos para los píxeles de mayor calidad, tal y como detallaremos más adelante. En general, los mapas de coherencia de las imágenes ERS se obtienen utilizando una ventana espacial de promediado de 4 x 2 ó 5 x 25 (range x azimut). Esta misma resolución será la resultante para los mapas de deformación del terreno. Cuando esta ventana de promediado es muy pequeña la coherencia obtenida puede sobrevalorar la calidad de la fase (Hanssen, 21) y, en consecuencia, hacer que en el paso siguiente del procesado sean rechazados la mayor parte de ellos, o bien que se obtengan resultados erróneos. En la Figura 2.43 se muestra un ejemplo de evolución de la coherencia y del valor medio de dos píxeles de una serie de 4 interferogramas. 1.8 g media =.739 Coherencia (a) (b) Coherencia Interferograma g media =.213 Figura Ejemplo de evolución de la coherencia de dos píxeles empleando 4 interferogramas. El gráfico (a) muestra los resultados para un píxel con elevada coherencia (coherencia media de.739). El (b) muestra un píxel de baja coherencia (coherencia media de.213). Una vez seleccionados los píxeles candidatos, la fase de cada píxel es difícil de emplear directamente debido a un término de offset desconocido y constante para cada interferograma completo, así que resulta necesario relacionar píxeles vecinos (x m, y m ) e (x n, y n ) cuyo offset es idéntico y en consecuencia se anulan entre sí. Para ello, Mora (24) propone hacer uso de la triangulación de Delaunay. Una ventaja adicional de vincular píxeles vecinos (Mora, 24) es que la componente atmosférica y los errores cometidos en el cálculo de las órbitas se reducen considerablemente para cada relación, dada la proximidad espacial existente. Puesto que la velocidad lineal de deformación y el error del MDT son constantes para toda la serie de interferogramas, podemos estimarlos ajustando el siguiente modelo de la fase a los datos (Mora, 24): 83

90 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua ψ mod 4π el ( xm, ym, xn, yn, Ti ) = Ti λ 4π Bn ( Ti ) + Ti λ r ( T ) sinα( T ) i i [ v ( x, y ) v ( x, y )] [ ε ( x, y ) ε ( x, y )] mod el mod el m m m m mod el mod el n n n n + (2.54) En el que x e y indican la posición del píxel de la imagen, T i y B n son las baselines temporal y espacial normal del interferograma i-ésimo, λ es la longitud de onda, ν es la velocidad lineal constante del modelo de desplazamiento, r es la distancia de range, α es el ángulo de incidencia y ε es el error topográfico. Es importante señalar que, en el caso de haber empleado varios niveles de selección de píxeles, primero se triangularán aquellos que posean un criterio de selección más estricto, para posteriormente unir a la malla los píxeles seleccionados con los criterios menos exigentes mediante una nueva triangulación. De este modo conseguimos que los cálculos correspondientes a los píxeles de mayor calidad se lleven a cabo sin interferencias de los de menor calidad. Una vez ajustado el modelo a estos puntos, se procederá a ajustarlo a los puntos de menor calidad, de modo que el cálculo de los segundos se apoye en el de los primeros. Este proceso se realiza tantas veces como niveles de calidad se hayan establecido inicialmente. El procesado multicapa permite relacionar los píxeles de buena calidad entre sí para obtener así unos resultados de mejor calidad para estos píxeles. A su vez, estos píxeles de mayor calidad colaboran en la mejora de los resultados de los píxeles de peor calidad y de esta manera permiten bajar el umbral de selección. Como consecuencia, podemos rescatar algún píxel de peor calidad consiguiendo tener una mayor densidad de puntos que ayudará posteriormente a la estimación de la componente atmosférica. Para calcular la velocidad de deformación (ν) y el error topográfico (ε) debe llevarse a cabo la optimización de la siguiente función del modelo de ajuste para cada relación de píxeles establecida por la triangulación de Delaunay: [ j ( x, y, x, y, T )] exp[ j ψ ( x, y, x, y, T ] 2 N exp mod ) i dif m m n n i el m m n n i Γ( x, y, x, y ) = = ψ (2.55) m m n n En la que N es el número de interferogramas. El uso de un reducido número de interferogramas puede ocasionar errores. Mora (24) establece que incluso con tan sólo siete interferogramas pueden obtenerse buenos resultados, siendo difícil trabajar con menos de cinco. Para estimar la calidad del ajuste del modelo de los datos, Mora (24) propone la función del modelo de coherencia siguiente: N 1 Ω( xm, ym, xn, yn ) = exp dif m m n n i ψ i= N [ j ( ψ ( x, y, x, y, T ) ( x, y, x, y, T ] mod el m m n n i )) (2.56) En la que Ω es igual a uno cuando el ajuste del modelo es perfecto y tiende a cero cuando la decorrelación entre los datos y el modelo es total. El valor de la función Ω es empleado para rechazar aquellos puntos, de los seleccionados anteriormente en función de su coherencia media, que no se ajustan al modelo. Una vez que hemos llevado a cabo el proceso de minimización de la función (2.55) para cada par de píxeles relacionados por la triangulación, habremos estimado los incrementos de la velocidad lineal y el error topográfico de los mismos. vest ( xm, ym, xn, yn) = [ vmod el ( xm, ym) vmodel ( xn, yn) ] Γ _ minimizada (2.57) 84

91 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada ε est ( xm, ym, xn, yn) = [ ε mod el ( xm, ym) ε model ( xn, yn )] Γ _ minimizada (2.58) Figura Iteraciones para el cálculo de la velocidad lineal absoluta de los píxeles coherentes. El siguiente paso consiste en determinar los valores absolutos de deformación y del error topográfico de cada píxel a partir de los incrementos calculados con las expresiones (2.57) y (2.58). La integración se lleva a cabo partiendo de diferentes puntos semilla (Carrasco, 1998), escogidos de entre todos los existentes por conocerse su velocidad absoluta (generalmente nula) y/o el error de MDT para calcular la velocidad y error absoluto de cada píxel según las expresiones: v ε 1 x, y) =. [ vest ( xi, yi ) + vest ( x, y, xi, yi )] Ω( x, y, xi, y ) i Ω( x, y, x, y ) est ( i i i i 1 x, y) =. [ ε est ( xi, yi ) + ε est ( x, y, xi, yi )] Ω( x, y, xi, y ) i Ω( x, y, x, y ) est ( i i i i (2.59) (2.6) donde i corresponde a aquellos píxeles vecinos conectados con aquel que está siendo integrado. El proceso de integración se muestra de forma gráfica en la Figura Otro método de integración de los incrementos es el basado en el método del gradiente conjugado (Mallorquí, 1995) que se caracteriza por no depender del camino seguido para encontrar los valores absolutos pues minimiza el error medio de todos los valores, con lo cual es mucho más robusto y a su vez también es mucho más rápido que el método anterior de crecimiento de regiones. Este segundo método consiste en la resolución del sistema de ecuaciones: W A X = W Y (2.61) donde W es una matriz diagonal con las ponderaciones de cada relación, A es la matriz de dimensiones M x N (con M número de relaciones y N número de píxeles), X es el vector columna incógnita que representa los valores absolutos de los píxeles, y Y es el vector columna de dimensión M que contiene los incrementos de las relaciones. 85

92 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua Al igual que para el método de crecimiento de regiones, una vez resuelto el sistema, disponemos de los datos de velocidad lineal y error de MDT, por lo que resulta necesario llevar a cabo un test de calidad de la integración. El test de integración permite eliminar relaciones y píxeles que no superan ciertos requisitos establecidos Obtención de la componente no lineal de deformación Una vez calculada la deformación lineal y el error del MDT, estamos en condiciones de obtener la componente no lineal. El fundamento de este cálculo es diferente al realizado para la componente lineal, pues no se trata de ajustar ningún modelo. En él se utiliza un filtrado espacio-temporal para obtener la deformación no lineal y la contribución atmosférica a la fase. La suma de las imágenes de deformación lineal, obtenida anteriormente, y no lineal, calculada en este apartado, permiten determinar el patrón de deformaciones totales en el área estudiada. El primer paso en la estimación de la deformación no lineal consiste en el cálculo de los residuos de la fase, que se obtienen sustrayendo la deformación lineal estimada y el error del MDT, a la fase interferométrica original según la expresión siguiente: ψ ( T, x, y) = ψ ( T, x, y) ψ model( T, x, y) (2.62) residuo i dif i i donde ψ dif es la fase interferométrica original y ψ model es la fase obtenida para el modelo lineal para un píxel dado (x,y) que considera el movimiento y el error del MDT mostrados en la siguiente expresión: ψ 4π ( T ) = T v 4π + B ( T ) n i mod el i i est est (2.63) λ λ r ( Ti ) sinα( Ti ) ε Este cálculo se realiza sobre los píxeles coherentes y va precedido de una interpolación espacial bilineal con el fin de conseguir un espaciado uniforme de los píxeles. El nuevo residuo de la fase contiene los términos restantes de la expresión (2.27): ψ T ) = ψ ( T ) + ψ ( T ) + ψ ( T ) (2.64) residuo ( i no lineal i atmos i noise i donde los términos ψ atmo y ψ no-lineal pueden ser diferenciados dadas las diferentes características de sus frecuencias en el espacio y el tiempo. Las perturbaciones atmosféricas de cada interferograma son consideradas como señales de baja frecuencia espacial, debido a que su distancia de correlación es aproximadamente 1 Km. Sin embargo, para un solo píxel la contribución atmosférica puede considerarse como un proceso de ruido que tiene lugar en el tiempo. A su vez, la deformación no lineal presenta una ventana de correlación en el espacio y un comportamiento paso bajo en el tiempo. En vistas de lo expuesto, la estimación de las perturbaciones atmosféricas puede determinarse a partir de un proceso de filtrado en los dominios del espacio y del tiempo. Primero se aplica un filtro espacial paso bajo. El filtro espacial se lleva a cabo mediante una ventana móvil de promediado de 1 x 1 Km sobre los residuos interpolados de la fase. Una vez aplicado el filtro al residuo de la fase tan sólo restan dos términos (además del ruido atmosférico): ψ T ) = ψ ( T ) + ψ ( T ) (2.65) residuo SLR ( i atmos i no lineal SLR i donde ψ no-lineal-slr es la componente no lineal de la deformación con resolución espacial baja (Spatial Low Resolution, SLR). En este paso del procesado se asume que el término de la fase residual relacionado con la contribución atmosférica no es afectado por el filtro espacial. Para eliminar este término ha de aplicarse un filtro temporal paso alto. 86

93 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada El siguiente paso del procesado consiste en separar la contribución de la componente atmosférica y la no lineal. Para ello hay que tener en cuenta que los interferogramas han sido generados a partir de la fase de dos imágenes SAR separadas temporalmente, sin que hasta ahora se hayan establecido restricciones en la selección de pares. Mora (24) propone la siguiente expresión para calcular la componente ψ residuo-slr en un determinado instante t i en el que se lleva a cabo la adquisición de una imagen: residuo SLR ( ti ) = φ atmos ( t i ) + φ no lineal SLR ( t i ) φ atmos i = φ (2.66) ( t ) 1 i M 1 En la que φ atmos (t i ) es la contribución atmosférica en el instante de adquisición t i, φ no-lineal- SLR(t i )es la componente de desplazamiento no lineal filtrado en el espacio y M es el número de imágenes SAR adquiridas en diferentes instantes. Para determinar φ atmos (t ) se considera el diferente comportamiento temporal de los tres componentes que intervienen en la expresión (2.66). Por un lado, es bien sabido que la fase correspondiente al desplazamiento no lineal ( φ no-lineal-slr (t i )) de un determinado píxel entre dos instantes diferentes de tiempo es diferente. Lo mismo ocurre con el término atmosférico φ atmos (t i ), ya que las condiciones atmosféricas son diferentes de un día a otro. Sin embargo, la componente φ atmos (t ) será igual para todas las imágenes consideradas (M). En consecuencia, podemos calcular el valor medio de todas las imágenes para estimar el término común de todas ellas según la expresión: 1 M 1 φ atmos ( t ) φ = 1 ( ) i residuo SLR ti (2.67) M 1 Una vez hecho esto, tendremos las fases pertenecientes a cada imagen SAR respecto a la master quedando la expresión (2.66) como: = φ i residuo SLR ( ti ) = φatmos ( ti ) + φno lineal SLR ( ti ) 1 i M 1 (2.68) donde M es el número de imágenes SAR. Ahora se elimina la contribución atmosférica aplicando un filtro temporal paso bajo (LPF), para así determinar la parte correspondiente a la deformación no lineal a baja resolución. La frecuencia de corte de este filtro supone un parámetro clave en el procesado para discriminar la parte no lineal de la atmosférica, siendo un valor aceptable el 25% del ancho de banda (Mora, 24). Por lo tanto, la fase filtrada puede expresarse como: i = φ residuo SLR ( ti ) LPF = (2.69) φno lineal SLR ( ti ) 1 i M 1 Una vez obtenida la fase filtrada de la expresión (2.66) sólo resta determinar la deformación espacial no lineal de alta resolución (SHR). El procedimiento para obtener el desplazamiento no lineal de alta resolución consiste en generar un modelo de fase considerando la información de deformación lineal, deformación no lineal SLR, el error del MDT y la contribución atmosférica determinados con anterioridad según la expresión: 4π ψ mod el ( Ti ) = Ti vest + ψ no lineal λ 4π Bn ( Ti ) + ε est + ψ λ r ( T ) sinα( T ) i i SLR atmos ( T ) + ( T ) i i i = 1,..., N (2.7) 87

94 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua donde ψ no-lineal.slr son las fases interferométricas del desplazamiento no lineal, generado del siguiente modo: ψ (2.71) no lineal SLR ( Ti ) = φno lineal SLR ( t j ) φno lineal SLR ( tk ) i = 1,..., N donde t k y t j son los instantes de adquisición de las imágenes SAR master y slave, siendo además T i =t k - t j. Si restamos el modelo de la expresión (2.7) a las fases interferométricas originales ( ψ int ) obtenemos el residuo de la expresión (2.72), que se compone básicamente de un término debido a la deformación espacial no lineal de alta resolución ( ψ no-lineal.shr ) y de otro término ( ψ noise ) relacionado con la decorrelación y el ruido térmico. ψ residuo SHR ( Ti ) = ψ no lineal SHR ( Ti ) + ψ noise ( Ti ) (2.72) Suponiendo que el segundo término de la expresión (2.72) es mucho menor que el correspondiente a la deformación, podemos plantear un sistema de ecuaciones cuya solución nos proporciona los valores de desplazamiento no lineal de cada imagen. El sistema de ecuaciones a resolver tendrá la siguiente forma: ψ ( T ) = φ ( t ) φ ( t ) i = 1 N (2.73) residuo SHR i residuo SHR j residuo SHR k,..., siendo la solución al sistema: residuo SHR ( ti ) = φ no lineal SHR ( t i ) i = φ (2.74) 1 i M 1 Finalmente, podemos calcular la evolución de la deformación total (ρ) en un determinado píxel (x, y) y para una determinada imagen adquirida en un instante t i, considerando todos los componentes calculados con anterioridad según la expresión: λ 4π x, y, ti ) = ( ti t ) vest ( x, y) + φno lineal SLR ( x, y, ti ) + φno lineal 4π λ ρ (2.75) ( SHR ( x, y, ti ) La geocodificación Los valores de deformación, velocidad, coherencia, etc. de cada píxel obtenidos durante el procesado interferométrico se expresan matemáticamente como elementos de una matriz en la que la posición del punto viene dada por el número de fila (line) y columna (sample) dentro de la citada matriz. Sin embargo, estos datos resultan de poca utilidad si no son superpuestos a otras capas de información, como por ejemplo la topografía, con el fin de facilitar el proceso de interpretación de los resultados. En interferometría suele ser habitual la superposición de resultados a mapas de intensidad, lo que permite tener una mejor idea de la situación de los píxeles en la escena real. No obstante, la información geográfica suele presentarse referida a sistemas universales de referencia. Por todo ello, la conversión de los valores obtenidos a coordenadas referidas a un sistema de referencia estándar resulta fundamental para el posterior análisis de la información proporcionada tras el procesado. Éste es, esencialmente, un proceso geométrico que ocupa por sí solo un conjunto de pasos del proceso interferométrico y que se denomina geocodificación. El proceso de geocodificación (geocoding) implica la conversión de la información obtenida en el procesado interferométrico desde la geometría de slant range a un sistema estándar de coordenadas como es el Universal Transverse Mercator (UTM). Es decir, la geocodificación permite relacionar una coordenada de la imagen SAR con su posición en la superficie de la Tierra. 88

95 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Un punto P = (P x, P y, P z ) de la superficie de la Tierra queda definido por sus coordenadas cartesianas XYZ referidas al centro de la misma. De otro lado, un punto de la imagen SAR estará definido por las coordenadas range y azimut. Por lo tanto, para la determinación de las tres ecuaciones que relacionan las coordenadas de la imagen con las de la superficie de la Tierra hemos de tener en cuenta que: La distancia entre el píxel situado sobre la superficie de la Tierra y el satélite viene dada por la ecuación: S P = ( S x Px ) + ( S y Py ) + ( S z Pz ) = R (2.76) donde S = (S x, S y, S z ) es la posición orbital desde la cual se ha radiado el píxel considerado y R es el radio de una esfera centrada en la posición del satélite de valor igual a la distancia existente entre el satélite (S) y el píxel situado sobre la superficie de la Tierra (P) tal y como se muestra en la Figura 2.45a. La relación entre las velocidades del satélite y el píxel con la frecuencia Doppler del blanco (f D ) da lugar a una nueva ecuación, que cuando el punto de la escena considerado se enfoca a su posición de cero Doppler (distancia mínima), se reduce a: f D = 2( V s V p ) ( P S) λ P S = (2.77) donde V s es la velocidad del satélite y V p la velocidad del punto considerado sobre la superficie de la Tierra. Esta expresión define la ecuación de un plano perpendicular a la órbita del satélite dado que el punto es radiado desde la posición más corta a la órbita (Figura 2.45b). La superficie terrestre puede ser aproximada a un elipsoide de semiejes (a, b). La altitud h del punto de la superficie de la Tierra puede ser añadida al elipsoide expandiendo los ejes, resultando así la expresión (Figura 2.45c): 2 y 2 2 P P x Pz 1 = + + (2.78) ( a + h) ( a + h) ( b + h) Figura Representación gráfica de las tres ecuaciones de geocodificación: (a) Esfera centrada en el satélite de radio igual a la distancia o range. (b) Plano perpendicular a la órbita. (c) Modelo elipsoidal de la superficie de la Tierra. 89

96 Capítulo II. Aspectos metodológicos para el control y análisis de la subsidencia por extracción de agua La geocodificación de los resultados derivados del procesado SAR se denomina geocodificación directa. En este caso las coordenadas de range y de azimut son conocidas mientras que la posición del punto P es desconocida. Resolviendo el sistema de ecuaciones, constituido por las tres expresiones anteriormente expuestas (eqs ), generalmente por métodos iterativos dado que no constituyen un sistema lineal, determinaremos las coordenadas del punto P que corresponden a la intersección de las tres superficies definidas. Resumiendo, el método de los Píxeles Coherentes se compone de dos partes principales, el cálculo de la deformación lineal y el cálculo de la deformación no lineal. En ambos casos, el procesado es diferente y los resultados se expresan como velocidad de subsidencia, en el caso de la deformación lineal, o como deformación total. Finalmente, los resultados obtenidos son geocodificados para un mejor tratamiento espacial y para facilitar su interpretación física. 9

97 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia CAPÍTULO III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia 3.1. Rasgos generales del área de estudio El presente trabajo se centra en la ciudad de Murcia, situada en la Vega Media del río Segura, al SE de la Península Ibérica. El municipio de Murcia se encuentra ubicado en la parte meridional de la región de su mismo nombre, de la que es capital de provincia (Figura 3.1). El municipio de Murcia, que contaba en 26 con habitantes, linda al Norte con Las Torres de Cotillas, Molina de Segura y Fortuna, al Sur con Fuente Álamo, Cartagena, San Javier y Torre Pacheco, al Este con Santomera, Beniel, Orihuela y Pilar de la Horadada y al Oeste con Alhama de Murcia, Librilla, Mula, y Campos del Río, quedando Alcantarilla situada dentro del área descrita constituyendo un municipio independiente. El término está dividido de E a W por las estribaciones montañosas que originan las sierras de Carrascoy (1.65 m), El Puerto (6 m), Villares (487 m), Columbares (645 m), Altaona (529 m) y Escalona (345 m). Estos relieves permiten la diferenciación entre la zona norte, conocida como Huerta, y la zona sur o Campo de Murcia (Figura 3.1). Figura 3.1. Mapa físico de la Vega Media del Segura con la localización de la zona de estudio. La ciudad de Murcia constituye el centro neurálgico de la Huerta, llanura por la que discurre el río Segura hasta unirse con su afluente, el Guadalentín o Reguerón, como se le conoce localmente, aguas abajo de la ciudad de Murcia. Esta llanura se extiende de SW a NE y es también conocida como Vega Media del río Segura. La Huerta murciana o Vega Media del Segura, que discurre a una altitud media de unos 43 m s.n.m., queda limitada al Sur por el conjunto de sierras mencionadas con anterioridad y al Norte por una serie de cerros calizos y conglomeráticos de poca altitud (Espinardo, Monteagudo, Torres, Esparragal Cabezo de la Cruz, Monte de las Brujas y Peñicas) (Figura 3.1). 93

98 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada En la llanura de la Huerta murciana se desarrollan cultivos tradicionales que son regados, generalmente, con aguas procedentes del río Segura. Sin embargo, en toda la cuenca se ha producido un abandono progresivo de la agricultura a favor de actividades urbanas e industriales. En resumen, el área de estudio es la ciudad de Murcia y su entorno metropolitano que a grandes rasgos queda situada dentro de los siguientes límites geográficos: X Y Extremo SW: Extremo NE: Coordenadas UTM. Datum Europeo de Marco climático La cuenca Media del río Segura goza en general de un típico clima mediterráneo de tipo semiárido, con inviernos suaves y veranos calurosos. Dicho clima se continentaliza ligeramente aguas arriba del río Segura, donde la influencia del Mediterráneo es menor. Las precipitaciones se caracterizan por ser escasas, irregulares, tanto espacial como temporalmente, con periodos de sequía de hasta cinco meses y un pequeño número de días lluviosos en la que se concentran la mayor parte de los aguaceros. Los máximos mensuales se sitúan en otoño, con fuertes aguaceros, y en primavera, con un invierno menos lluvioso y un verano con un acusado mínimo (Figura 3.2). En general, las precipitaciones anuales medias son inferiores a los 32 mm (la Vega Media del río Segura queda englobada entre las isoyetas de precipitación media de 28 y 32 mm). Dada la importancia que tienen las precipitaciones en el balance hídrico de la cuenca en general, y en la infiltración y recarga de los acuíferos en particular, en la Figura 3.3 se muestra el registro de precipitaciones correspondiente al periodo para diversas estaciones meteorológicas de la Vega Media del Segura. El patrón de temperaturas es muy similar al de las precipitaciones. La temperatura es cálida durante todo el año, con una media anual de 18ºC. Las máximas y mínimas varían desde 4 y 16ºC en enero hasta los 2 y 34ºC en agosto, llegando a superar los 4 muchos veranos (Figura 3.2). Como efeméride cabe destacar los 47,2 C que se alcanzaron el 4 de julio de 1994, récord de temperatura del siglo XX de España Temperatura (ºC) Precipitaciones (mm) 1 1 Ene Feb Mar Abr May Jun Mes Jul Figura 3.2. Precipitaciones y temperatura media para el periodo (Observatorio de Alcantarilla). Ago Sep Oct Nov Dic 94

99 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia En el PNIAS (1978) se establecía que la evapotranspiración potencial en la Vega Baja y Media del Segura calculada según el método de Thornthwaite era del orden de 8-95 mm, valor superior al de las precipitaciones. En el mismo documento se indicaba que la evapotranspiración real era igual a las precipitaciones, por lo que la lluvia útil era nula. Este aspecto influye de forma importante en la desecación superficial del suelo, que como veremos en el siguiente capítulo interviene en el proceso de preconsolidación del mismo. Históricamente, se conocen doce secuencias secas vividas en el sureste peninsular (Labclima, 27; CHS, 27): , , , , , , , , , , y Actualmente, y desde el año 25, se vive un nuevo periodo de sequía en todo el sureste español. Precipitación (mm x 1-1 ) Precipitación (mm x 1-1 ) Precipitación (mm x 1-1 ) Precipitación (mm x 1-1 ) 6 Santomera Llano de Brujas Beniaján Murcia (CHS) 4 2 Sin datos Precipitación (mm x 1-1 ) Alcantarilla Figura 3.3. Evolución anual y mensual de las precipitaciones en diferentes estaciones meteorológicas de la zona de estudio (datos cortesía INM). 95

100 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada 3.3. Marco geológico Geología regional y tectónica La zona de estudio en la que se centra la presente tesis doctoral se localiza al sureste de la Península Ibérica (Figura 3.4.a), dentro del sector oriental de la Cordillera Bética (Figura 3.4.b). Constituye el extremo nororiental de la zona de desgarre de Trans-Alborán (Silva, 1993). Su origen se remonta al Mioceno Superior (Tortoniense), tras la fase compresiva finiserravalliense. Desde entonces ha tenido lugar un proceso de relleno y colmatación simultáneo a la deformación del mismo sedimento recién depositado. Figura 3.4. Encuadre geológico regional de la zona de estudio. Dentro de este sector se encuentran ampliamente representados los materiales neógenocuaternarios de carácter postorogénico que rellenan la cuenca del río Segura-Guadalentín (Figura 3.5). El material que rellena la cuenca comprende términos de edades Mioceno Superior, Plioceno y Cuaternario (Montenat, 1977; Montenat et al., 199). Los materiales pertenecientes a la Zona Interna afloran localmente en las sierras de Carrascoy y de Espuña, situadas al S y W de Murcia respectivamente. Hacia el E, las sierras de Orihuela y Callosa constituyen los últimos vestigios de esta unidad (Figura 3.5). Desde un punto de vista morfoestructual, la cuenca Media, junto con la cuenca Baja del Segura, recibe el nombre de cuenca de Murcia-Alicante (Estévez et al., 24). Asimismo, la cuenca de Murcia- Alicante constituye una morfoestructura que se encuentra delimitada por dos sistemas de fallas activas principales. Al primero pertenece la Falla de Carrascoy (Rodríguez Estrella et al., 1986; Silva, 1994; Rodríguez Estrella et al., 1999; Silva et al., 24), situada al sur de la depresión, que separa los bloques del basamento de la cuenca de naturaleza fundamentalmente Alpujárride, que junto con otros afloramientos de menor entidad Maláguides y de edad neógena configuran la Sierra de Carrascoy (Sanz de Galdeano et al., 1997). La prolongación natural de esta falla hacia el mar Mediterráneo es la falla del Bajo Segura (Alfaro, 1995) que recorre la Vega Baja del Segura paralelamente al río en su tramo final y separa la zona de rellenos más reciente de la cuenca de los relieves pliocenos. Diversos estudios de tectónica activa (Somoza, 1989; Silva et al., 1993; Taboada et al., 1993; Alfaro, 1995) muestran una baja tasa de actividad durante el Cuaternario, con movimientos de.1 a.5 mm por año. 96

101 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia El segundo sistema de fallas está constituido por la falla de Lorca-Alhama de Murcia de orientación NE-SW (Bousquets y Montenat, 1974; Silva, 1994; Silva et al., 24) que se sitúa al NW de la depresión. Dicho accidente separa unidades de basamento aflorante de naturaleza Maláguide, como es el caso de la Sierra de Espuña, de los depósitos sedimentarios pliocuaternarios que rellenan la cuenca (Amores et al., 21). Hacia el E, la prolongación de dicha falla está constituida por la Falla de Crevillente que recorre el borde norte de la cuenca con dirección SW-NE. La tectónica activa de la zona, junto con las variaciones del nivel del mar sufridas durante el Cuaternario, ha controlado la sedimentación en el valle (Soria et al., 1999). Figura 3.5. Mapa de situación y esquema geológico de las Vegas Baja y Media del río Segura Estratigrafía El basamento de la cuenca El substrato de la cuenca está constituido por margas del Mioceno y ocasionalmente por materiales metamórficos de las Unidades Béticas Internas en la Vega Media del río Segura y el Valle del Guadalentín (Cerón y Pulido-Bosch, 1996; Amores et al., 21; Mulas et al., 23), así como en la Vega Baja del Segura (IGME-DPA, 1996). En la parte central del Medio Segura, estas unidades se encuentran afectadas por numerosas fallas que dan lugar a una configuración del substrato a base de horsts y grabens. Uno de los sondeos llevados a cabo en Barriomar por la CHS, al SE de la ciudad, con motivo de la sequía iniciada en 25, interceptó el basamento metamórfico a 35 m de profundidad. 97

102 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Este basamento aflora localmente en varios puntos de los bordes de la Vega Media del río Segura, así como en las sierras de Orihuela y Callosa, en la Vega Baja del Segura (Figuras 3.5 y 3.6) El relleno sedimentario Las Vegas Baja y Media del río Segura constituyen fundamentalmente un medio sedimentario continental fluvial de carácter meandriforme. En el sector más oriental, próximo a la costa, los sedimentos presentan una mayor fracción de arena como consecuencia de su origen costero, con la excepción de la zona NE cuyo origen es claramente lagunar. En general, en la Vega Baja y Media del Segura se pueden diferenciar las siguientes unidades sedimentarias (Rodríguez-Jurado et al., 2; Delgado et al., 23; Mulas et al., 23): llanura de inundación, meandros abandonados, terrazas fluviales, abanicos aluviales, depósitos palustres y depósitos litorales. La zona de llanura de inundación está constituida por materiales limo-arcillosos de color marrón o gris. A menudo, en esta unidad encontramos niveles orgánicos de color más oscuro, así como arenaslimosas. Estos sedimentos ocupan la mayor parte de la superficie de la Vega Baja y Media del Segura. Los meandros abandonados están rellenos por materiales limo-arcillosos con escasa consistencia, mezclados con sedimentos de la llanura de inundación. A lo largo del recorrido del río pueden observarse vestigios de numerosos meandros abandonados por causas naturales o artificialmente mediante cortas. La zona de terrazas fluviales presenta escasas dimensiones debido fundamentalmente a la acción antrópica, extendiéndose a lo largo de la traza del río. Está constituida por arenas flojas. En general, constituyen formaciones muy locales con propiedades similares a las de los sedimentos de llanura de inundación. Los abanicos aluviales tapizan las pendientes de los relieves periféricos a la cuenca, indentándose a menudo con sedimentos fluviales y de la llanura de inundación. Están constituidos por varias generaciones de abanicos aluviales superpuestas. Se caracterizan por presentar una granulometría variable desde bloques hasta limos y arcillas, dispuestos en capas de 1 a 5 m de espesor. Estos abanicos están compuestos por una masa caótica de clastos de cuarcitas, pizarras, arcillitas, filitas, areniscas, etc. (IGME, 1976). Las facies distales de estos abanicos pueden estar parcialmente encostradas. En algunos puntos de las partes distales de los abanicos aluviales se han reconocido materiales margosos asociados a ambientes palustres (Rodríguez Jurado et al., 2). Esta unidad constituye el substrato geotécnico en el que se apoyan algunas cimentaciones profundas (pilotes) en el área de la ciudad de Murcia. La zona de sedimentos litorales se sitúa al E de la zona de estudio a lo largo de toda la línea de costa. Está constituida fundamentalmente por arenas bien clasificadas y limpias que forman playas y cordones dunares. Una característica particular de estos sedimentos es la presencia de Posidonia oceánica. Estos depósitos se encuentran, a su vez, bajo sedimentos de llanura de inundación más recientes, lo que indica que la comunicación con el mar se ha reducido a lo largo del tiempo, probablemente debido al desarrollo de un cordón litoral que aisló una porción de mar, que progradó a ambiente palustre y de llanura de inundación (Delgado et al., 23). Esta hipótesis parece acorde con las descripciones llevadas a cabo en la obra Ora Maritima de Rufo Festo Avieno, que data del siglo IV, en la cual parece describirse un arco de territorio inundado entre Santa Pola, Elche, Albatera, Orihuela y Guardamar separado del mar por una barra de arena que los romanos llamaban Sinus Illicitanus. Esta unidad se encuentra fuera del área de estudio. La zona de sedimentos palustres se localiza en el sector N y NE de la cuenca. Corresponde a un área deprimida constituida esencialmente de limos y arcillas grises de baja capacidad portante con láminas de arena de espesor variable entre pocos milímetros y algún metro correspondientes a depósitos de canal y de tempestad. Dicha zona ha sido drenada por el hombre para aprovechamiento agrícola desde el siglo X. En el XVIII el Cardenal Belluga decidió terminar de drenar las zonas pantanosas que aún existían (Canales y Vera Rebollo, 1985). De todas estas áreas quedan como vestigios de su carácter palustre la laguna del Hondo de Elche y las salinas de Santa Pola (Figura 3.5). Esta unidad se encuentra también fuera del área de estudio. La Figura 3.7 muestra con mayor detalle los diferentes ambientes sedimentarios reconocidos en la ciudad de Murcia, zona objeto de estudio. Estos ambientes son básicamente fluviales diferenciando los siguientes: meandros abandonados, terrazas, cauce actual y llanura de inundación. Algunas de las zonas 98

103 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia donde afloran estos ambientes presentan un elevado grado de alteración humana, observándose paquetes de rellenos antrópicos que pueden alcanzar puntualmente la decena de metros. Por otro lado, la Guía para la planificación de estudios geotécnicos para edificación en la Región de Murcia (COPVT, 26) diferencia para toda la región de Murcia siete zonas geotécnicas diferentes (Tabla 3.1). Según las descripciones y definiciones que en ella se realizan, la Vega Media del Segura estaría comprendida en su totalidad en zona V (Arcillas blandas y fangos). No obstante, los relieves del borde de la cuenca pertenecerían a las zonas I (Sustrato rocoso. Rocas Duras), II (Sustrato rocoso. Rocas blandas) y III (Aluvio-coluvial). Tabla 3.1. Zonificación geotécnica de la Región de Murcia (COPVT, 26). CTE GuíaMurcia Denominación Problemática geotécnica T-1 Zona I Sustrato rocoso: Rocas duras Inestabilidades puntuales. Voladuras o explosivos. Karstificación (calizas). Recubrimientos y alteración superficial Zona II Sustrato rocoso: Rocas blandas. Alteración superficial. Deslizamientos en laderas naturales o taludes. Asientos diferenciales T-1/T-2 Zona III Aluvio-coluvial T-2 Zona III1 Aluvio-coluvial (Nivel freático superficial) Abarrancamiento e inestabilidades en áreas proximales. Asientos diferenciales. Asientos en términos arcillosos con nivel freático elevado. Expansión moderada. Zona IV Arcillas y margas con yesos Karstificación en yesos. Agresividad del terreno. Riesgo de expansividad elevado. Inestabilidad de laderas naturales y taludes. T-3 Zona V Zona VI Arcillas blandas y fangos Arenas litorales Asientos de consolidación. Nivel freático elevado o superficial (entibación y drenajes). Variaciones significativas. Agresividad química del agua. Nivel freático elevado. Drenajes e inestabilidad de taludes. Agresividad química del agua freática. Materia orgánica. Asientos adicionales. Zona VII Zonas especiales Problemas geotécnicos variados e impredecibles. Empleo de técnicas de investigación específica. 99

104 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura 3.6. Esquema geológico de la Vega Media del Segura (modificado de Aragón et al., 24). Véanse cortes en Figuras 3.14 a 3.16 y piezómetros en Figura

105 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura 3.7. Distribución de ambientes sedimentarios en el casco urbano de la ciudad de Murcia (Mulas et al., 23). 11

106 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada 3.4. Marco hidrogeológico El acuífero El acuífero de la Vega Media y Baja del río Segura, con 425 km 2 de superficie, forma parte del denominado Sistema acuífero cuaternario número 47 Segura-Guadalentín. Este acuífero constituye un potente paquete de relleno aluvial formado por una alternancia irregular de capas permeables, semipermeables e impermeables (IGME-DPA, 1996). La potencia de este acuífero puede superar los 25 m (PNIAS, 1978; IGME-DPA, 1996; Vázquez y De Justo, 22; Mulas et al., 23) y la edad de los materiales que lo constituyen es Plioceno-Cuaternaria (IGME-DPA, 1996; Cerón y Pulido-Bosch, 1996; Mulas et al., 23). En él se diferencian dos conjuntos principales (PNIAS, 1978; IGME-DPA, 1996): un primero constituido por un acuífero superficial (Acuífero superficial o manto superficial) de carácter libre y un segundo (Acuífero profundo o manto profundo) situado a muro de la unidad anterior, constituido por un conjunto de niveles confinados capaces de funcionar como un solo acuífero o como un acuífero multicapa. El acuífero superficial está básicamente constituido por limos, limos arenosos, margas arenosas, arcillas limosas, arenas margosas, etc. encontrándose el nivel freático por debajo de su techo a una profundidad de 1 a 3 m respecto de la superficie. Su espesor varía entre 3 y 3 m (PNIAS, 1978; IGME- DPA, 1996; IGME-CHS-CTOT, 22). El acuífero profundo presenta mejores propiedades hidráulicas que el superficial. Está constituido por un número variable de niveles detríticos permeables cuyo espesor máximo y mínimo varía entre 1 y 45 m (IGME-DPA, 1996). Su comportamiento es variable según la zona y la composición litológica, pudiendo presentarse como un acuífero multicapa o como varios acuíferos independizados hidráulicamente. Generalmente, los acuíferos más profundos presentan el nivel piezométrico por encima de la superficie del terreno (IGME-DPA, 1996). No obstante, aguas arriba de Murcia, los niveles piezométricos de ambos acuíferos, superficial y profundo, son coincidentes (IGME-DPA, 1996) Límites hidrogeológicos El substrato impermeable está constituido por las margas del Mioceno Superior (Cerón y Pulido- Bosch, 1996; Rodríguez Jurado et al., 2; Amores et al., 21; IGME-CHS-CTOT, 22; Mulas et al., 23). Este límite basal, situado en torno a 3 m de profundidad se ha llegado a establecer a través de geofísica ante la inexistencia de sondeos de tal profundidad. Como se ha comentado anteriormente, las últimas investigaciones de la CHS en la Vega Media han permitido interceptar a 35 m de profundidad el basamento de la cuenca. Los límites laterales del acuífero de la Vega Baja y Media del Segura coinciden con los contactos entre los materiales pliocuaternarios y las formaciones neógenas o permotriásicas que, dada su escasa permeabilidad, delimitan la cuenca hidrogeológica hasta su desembocadura en el mar Mediterráneo. Estos límites quedan abiertos en las zona de contacto con la Vega Alta del Segura así como en el área de la Cresta del Gallo, al NE de Carrascoy Geometría del acuífero El acuífero de la Vega Baja y Media del Segura está constituido por una suave depresión topográfica de dirección ligeramente SW-NE, delimitada por los relieves más antiguos de edad Triásica a Neógeno. Es esta depresión la que se encuentra rellena por el conjunto aluvial plio-cuaternario (Figura 3.8). Las facies que constituyen el relleno de la cuenca se caracterizan fundamentalmente por su horizontalidad y la existencia de facies ricas en sedimentos clásticos, cuyo origen se asocia a episodios de torrencialidad. El resultado es una gran heterogeneidad en la distribución lateral y vertical. Esta heterogeneidad se pone de manifiesto al analizar datos procedentes de sondeos, la mayor parte de las veces imposible de correlacionar entre sí, dada su diferente composición litológica. 12

107 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura 3.8. Bloque diagrama del acuífero de la Vega Baja y Media del Segura (CHS, 27) Características hidrogeológicas Tal y como se ha descrito en los apartados precedentes, en la cuenca de la Vega Baja y Media del río Segura se diferencian dos conjuntos con comportamiento acuífero. El primero de ellos (acuífero superficial), libre, constituye un acuífero de características hidráulicas deficientes que puede ser considerado como un acuitardo. Está formado principalmente por limos y arcillas con algunas capas de arena fina con muy baja permeabilidad (horizontal de.5-5 m/día y vertical de.3-.1 m/día). Presenta gran importancia desde el punto de vista hidrogeológico, ya que es desde él desde donde se producen las transferencias de agua hacia el acuífero profundo, encontrándose muy ligado a la red de drenaje del río Segura. El segundo tramo (acuífero profundo), confinado, está constituido por un número variable de niveles detríticos permeables cuyos espesores pueden llegar hasta los 45 m de potencia. La permeabilidad horizontal de estos tramos es de 1 m/día y vertical de 5-6 m/día (Mulas et al., 23). Constituye la principal fuente de explotación de agua para uso humano dado su elevado rendimiento. La recarga de este acuífero tiene lugar básicamente a través de las infiltraciones que se producen por los excedentes de los tradicionales riegos a manta de la Huerta Murciana, las lluvias, las pérdidas que tienen lugar a través de las redes de acequias y azarbes, y los procedentes del río Segura Funcionamiento hidrodinámico En condiciones normales de régimen natural, es decir, en ausencia de bombeos y sistemas de drenaje, los dos conjuntos de acuíferos de la Vega Media del Segura debían comportarse como un único acuífero libre. No obstante, la proliferación de bombeos (especialmente desde los años 9) y la reducción de infiltración superficial por urbanización de amplias zonas y encauzamiento del río, principalmente, han roto este equilibrio natural, dejando patente el diferente comportamiento de ambos sistemas frente a estas alteraciones del régimen natural. 13

108 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Esta diferencia se manifiesta claramente en las medidas proporcionadas por los piezómetros multicapa que la Confederación Hidrográfica del Segura (CHS) ha instalado en el entorno de la ciudad de Murcia. Desde hace algunos años, se dispone de numerosos piezómetros de control como herramienta de seguimiento de la evolución del acuífero superficial de Murcia y del primer tramo de gravas perteneciente al acuífero profundo infrayacente (Figura 3.9). Es importante destacar que en todos los piezómetros multicapa el nivel piezométrico de estas gravas se encuentra por encima del techo de las mismas. Figura 3.9. Piezómetros instalados en la Vega Media del Segura para el control de los niveles piezométricos del acuitardo (a) y del acuífero de gravas (b). Mulas et al. (23) propusieron el siguiente modelo conceptual para explicar el comportamiento hidrodinámico del acuífero superficial en relación al primer tramo acuífero presente en una gran parte del valle (Figura 3.1): 1. En estado natural, el conjunto de acuíferos se comporta como un solo acuífero libre. 2. Al comenzar los bombeos en el primer nivel de gravas del acuífero profundo, el nivel piezométrico en éste decae considerablemente con relativa velocidad. 3. Se establece un gradiente hidráulico que genera un flujo gradual de agua desde el acuitardo (acuífero superficial) hacia el acuífero de gravas. Este flujo disminuye las presiones de poro a lo largo del tiempo hasta alcanzar el equilibrio correspondiente al nuevo estado. La velocidad del proceso depende básicamente de la permeabilidad del medio, por lo que suele ser lenta dadas las malas propiedades hidrogeológicas correspondientes al acuífero superficial. Localmente, las arenas localizadas sobre las gravas y éstas actúan como una única unidad, conectando hidráulicamente los limos con las gravas, observando comportamientos prácticamente de acuífero libre. 4. Una vez que se ha recuperado el nivel piezométrico en el acuífero de gravas, hecho que tiene lugar con relativa rapidez una vez que cesan las causas que originalmente han deprimido el nivel piezométrico, se establece un nuevo flujo ascendente desde las gravas hacia el acuífero superficial en busca de un nuevo equilibrio. Las presiones de poro en el acuífero superficial aumentan gradualmente a lo lago del tiempo, fenómeno que, como se ha dicho, está condicionado por la permeabilidad de los materiales. Las lecturas de nivel en los piezómetros multicapa construidos por la CHS (Figura 3.11) ponen de manifiesto la validez de este modelo en gran parte de las ubicaciones, indicando una clara diferenciación entre el acuífero de gravas y los limos/arcillas suprayacentes. No obstante, en algunos piezómetros 14

109 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia ambos niveles se confunden, lo que se podría explicar por la existencia de arenas o limos arenosos sobre las gravas, que permiten el rápido drenaje en el entorno del piezómetro del acuitardo. Figura 3.1. Evolución de presiones intersticiales en el acuífero superficial como consecuencia de los bombeos en el primer nivel de gravas del acuífero profundo (Mulas et al., 23). 15

110 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada P12C BOMBEROS P12L BOMBEROS 31 3 P45C POLIDEPORTIVO SANTIAGO MAYOR P45L POLIDEPORTIVO SANTIAGO MAYOR P78C PLAZA S. JUAN CRUZ P78L PLAZA S. JUAN CRUZ P91C MUSEO CIENCIA P91L MUSEO CIENCIA P192C CONDOMINA P192L CONDOMINA El acuitardo ha estado seco desde agosto hasta final de año P1718C ATALAYAS P1718L ATALAYAS : : : : : : : : : : : : : : Figura Evolución piezométrica (en m) del acuitardo (C) y del acuífero (L) en diferentes lugares de la ciudad de Murcia (CHS, 27). 16

111 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia P2425C C. INGLÉS P2425L C. INGLÉS P2122C P JUSTICIA P2122L P JUSTICIA P1112C MALECÓN P1112L MALECÓN P2728C S DOMINGO P2728L S DOMINGO Fugas de agua desde alguna conducción próxima Figura 3.11 (Continuación). Evolución piezométrica (en m) del acuitardo (C) y del acuífero (L) en diferentes lugares de la ciudad de Murcia (CHS, 27). 17

112 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Como ya se ha comentado con anterioridad, la principal causa perturbadora del equilibrio existente en el acuífero es el bombeo intensivo de agua. El número de pozos de agua inventariados en la Vega Media del Segura hasta 1997 superaba el millar, número que posiblemente es aún mayor si consideramos los pozos ilegales existentes a lo largo del valle. De todos estos pozos, la mayoría (en términos de moda) presentaban una profundidad de 15 m (Figura 3.12a), existiendo un gran número de pozos con profundidades inferiores, lo que indica que, a pesar de las malas propiedades hidráulicas del acuífero superficial, un elevado número de captaciones se encuentran en éste. Por orden de frecuencia, las profundidades a las que se encuentran la mayor parte de los pozos inventariados, y con datos disponibles, son 15, 1 y 2 m. Si tenemos en cuenta que la profundidad media a la que se encuentran situadas las gravas es de 16.6 ± 4.8 m podemos concluir que la mayoría de los pozos las interceptan, extrayendo posiblemente el agua de dicho nivel. La localización de las bombas también es indicativa del nivel desde el que se extrae la mayor parte del agua (Figura 3.12b). En la mayor parte de los pozos las bombas se sitúan a 2 y 15 m. A partir del análisis temporal de aquellos pozos inventariados y de los cuales se dispone de datos, se ha elaborado la figura 3.12c en la cual se representa el número de pozos ejecutados cada año. Como puede observarse, especialmente para los dos últimos episodios de sequía, se produce un incremento del número de pozos perforados, posiblemente debido a la ejecución de pozos de emergencia (denominados de sequía). Aunque la serie temporal no es completa, durante el último periodo de sequía que aún persiste se han perforado 25 pozos de sequía en la Vega Media del Segura de gran profundidad, lo que pone de manifiesto la relación existente entre la perforación de pozos y el déficit hídrico de la cuenca. Nº pozos Profundidad pozo (m) c) 4 a) b) 35 Nº pozos Profundidad bomba (m) # Pozos ejecutados Sequía Sequía Sequía Sequía Figura Características de los pozos inventariados de la Vega Media del Segura con los datos disponibles (a) Profundidad del pozo. (b) Profundidad de la bomba. (c) Evolución temporal de la ejecución de los pozos. Los gráficos se han elaborado exclusivamente a partir de los datos disponibles, ya que un gran número de los pozos inventariados carecen de ficha técnica Año

113 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia 3.5. Marco geotécnico Introducción Los sedimentos más superficiales que rellenan la cuenca del Medio y Bajo Segura son de muy reciente acumulación, por lo que parece obvio que existen unas condiciones geotécnicas deficientes, cuya influencia en el desarrollo del proceso de consolidación del terreno por descenso de los niveles de agua en el subsuelo será decisiva. La amplia zona objeto de estudio plantea numerosas dificultades. La primera de ellas, y principal, es el volumen de información necesario para una correcta caracterización geotécnica del medio. El número de sondeos y ensayos requeridos es muy elevado. Sin embargo, la información utilizada está limitada a la procedente de diversas obras, estudios de investigación y sondeos hidrogeológicos cuya información ha sido consultada. En total se ha empleado información geológico-geotécnica procedente de 224 sondeos geotécnicos, 85 sondeos hidrogeológicos y numerosos ensayos de penetración (Figura 3.13). Esta información ha sido muy heterogénea tanto por su procedencia como por su naturaleza u objeto. En algunos casos, como en el de los sondeos hidrogeológicos, sólo se disponía de una columna litológica poco detallada del sondeo que simplemente ha servido para reconocer algunos niveles guía. En otros casos, como en el de la mayoría de los sondeos geotécnicos, se disponía del informe geotécnico completo. Figura Situación de los sondeos geotécnicos e hidrogeológicos de la ciudad de Murcia y su entorno metropolitano empleados en esta tesis doctoral. El otro inconveniente observado es la enorme heterogeneidad geográfica de los datos disponibles, limitándose la información generalmente a aquellos puntos del territorio en los que se han ejecutado obras. 19

114 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Niveles guía Para llevar a cabo la caracterización geotécnica de los materiales que constituyen el subsuelo de la ciudad de Murcia ha sido necesario identificar una serie de niveles guía que sirvan como base para correlacionar las propiedades de los materiales existentes entre los sucesivos niveles guía. Asimismo, se han consultado las publicaciones científicas y normativas municipales existentes. Los trabajos publicados por varios autores (Rodríguez Jurado et al., 2; Vázquez y De Justo, 22; Mulas et al., 22a,b) diferencian cuatro niveles muy característicos dentro del aluvial de la ciudad de Murcia cuya variabilidad lateral es manifiesta, especialmente en algunos de ellos. Los niveles diferenciados son: a. Un relleno superficial, con potencias que oscilan entre los y los 15 m localmente, de baja resistencia a compresión y escasa capacidad portante que se extiende por la mayor parte de la superficie del casco urbano antiguo. En las zonas de reciente ocupación los rellenos presentan en general menor potencia. b. Por debajo de los rellenos existe una segunda capa compresible de arcillas y limos arcillosos o arenosos, cuya potencia varía entre los.6 y 3 m aproximadamente, que presentan una baja permeabilidad. c. La siguiente capa posee una potencia comprendida entre 1 y 14 m, estando constituida básicamente por arenas limosas y limos arenosos. Su comportamiento hidrogeológico y tenso-deformacional depende del contenido de arena y limo, que son variables según la zona. Cuando el porcentaje de arena es elevado esta capa se comporta como acuífero, conjuntamente con la capa inferior de gravas, mientras que si abundan los limos su comportamiento es de acuitardo. d. Por último, debajo de la capa de arenas y limos arenosos se sitúan unas gravas, con potencias comprendidas entre 1 y más de 33 m. Estas gravas corresponden al acuífero profundo descrito en el apartado anterior. Las figuras 3.14 a 3.16 muestran tres cortes aproximadamente paralelos y de dirección NW-SE que atraviesan en sentido perpendicular el eje de la cuenca de la Vega Media del Segura. El corte II (Figura 3.15) recorre la ciudad de Murcia mientras que los otros dos cortes se sitúan a las afueras. Del análisis de los sondeos y de los cortes realizados podemos establecer que la columna litológica tipo propuesta por otros autores corresponde en gran medida a la disposición de litologías existente en la ciudad de Murcia. Las Figuras 3.17 y 3.18 muestran los histogramas correspondientes a las potencias y profundidades de las diferentes capas que componen el subsuelo de la ciudad de Murcia. El substrato geotécnico de la ciudad está constituido por las gravas, de edad supuestamente Pliocuaternarias. Aunque la mayoría de los sondeos geotécnicos que se realizan en Murcia se detienen al alcanzar esta capa sin llegar a atravesarla, el análisis de los 224 sondeos proporciona un valor medio de su potencia de 7.7 ± 3.2 m (Figura 3.16) con valores máximos de 12.5 m y mínimos de 1.6 m. Por otro lado, la información de tipo hidrogeológico proporciona valores medios similares a los obtenidos para los sondeos geotécnicos (7.4 ± 5.1 m). El techo de esta formación se encuentra en 16.6 ± 4.8 m con valores extremos de 8.5 y 32.8 m. 11

115 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Corte I-I de la Vega Media del Segura (basado en IGME, 2b). Véase localización corte en la Figura

116 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura Corte II-II de la Vega Media del Segura (basado en IGME, 2b). Véase localización corte en la Figura

117 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Corte III-III de la Vega Media del Segura (basado en IGME, 2b). Véase localización corte en la Figura

118 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada En los bordes de la cuenca, el substrato geotécnico está constituido por los materiales permotriásicos (calizas, dolomías, filitas, cuarcitas y metabasitas principalmente) y terciarios (areniscas, margas y conglomerados fundamentalmente). Estos materiales son interceptados por los sondeos disponibles en muy pocas ocasiones. La siguiente capa está constituida por las arenas suprayacentes a las gravas del substrato geotécnico. Estas arenas se disponen generalmente de forma directa a techo de las gravas, aunque también es frecuente la intercalación de niveles de limos entre las arenas y las gravas. Estas arenas no aparecen en todas las columnas de sondeos estudiadas en la ciudad, existiendo amplias zonas de la misma en las que hay ausencia absoluta de arena (Figura 3.17). La potencia total de arenas, entendiendo ésta como la suma del espesor de todas las capas de arena existentes por encima de las gravas, es de 2.3 ± 2.8 m, con valores máximos de 14 m. Las arenas inferiores, es decir, las situadas inmediatamente después que las gravas, en su techo, poseen una potencia media de 1.7 ± 2.8 m, con valores máximos también de 14 m. El techo de las arenas se encuentra a 11.7 ± 5.7 m..4.4 X= 2.1 ± 1.3 m X= 11.8 ± 5.9 m X= 2.3 ± 2.8 m Frecuencia (%) Potencia relleno (m) Potencia limos-arcillas (m) Potencia total arenas (m).4.4 X= 1.7 ± 2.8 m X= 8. ± 3. m X= 14.1 ± 5.8 m.4 Frecuencia (%) Potencia arenas inferiores (m) Potencia gravas (m) Potencia suelo deformable (m) Figura Histogramas de las potencias de las diferentes capas que constituyen el acuífero superficial de la Vega Media del Segura (X = media ± desviación estándar). 4 En orden ascendente, a continuación de las arenas se encuentran dispuestos los limos y arcillas. Estos materiales poseen una potencia de 11.8 ± 5.9 m, con el valor máximo de 31.8 m. Su techo se sitúa a una profundidad media de 2.2 ± 1.3 m de la superficie del terreno, mientras que su muro se encuentra a 14.2 ± 5.5 m. Finalmente, por encima de los limos, ya en superficie, existe un nivel de rellenos bastante desarrollado con una potencia media de 2.1 ± 1.3 m que alcanza valores máximos de 8. m. 114

119 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia.4.4 X= 2.1 ± 1.3 m X= 2.2 ± 1.3 m X= 14.2 ± 5.5 m Frecuencia (%) Profundidad muro rellenos (m) Profundidad techo limos-arcillas (m) Profundidad muro limos-arcillas (m).4.4 X= 11.7 ± 5.7 m X= 15.1 ± 5.5 m X= 16.6 ± 4.8 m Frecuencia (%) Profundidad techo arenas (m) Profundidad muroarenas (m) Profundidad techo gravas (m) Figura Histogramas de las profundidades de las diferentes capas que constituyen el acuífero superficial de la Vega Media del Segura (X = media ± desviación estándar). 4 Las Figuras 3.19 a 3.24 muestran la distribución espacial de los espesores de rellenos, limosarcillas, capas de arena situadas por encima de las gravas, capas de arena situadas inmediatamente encima de las gravas y la profundidad del techo de las gravas. Los mapas se han elaborado exclusivamente a partir de la información geotécnica, cuya descripción litológica es más fiable. Como puede observarse, el espesor de rellenos alcanza profundidades de hasta 8 m con una distribución errática (Figura 3.19). La distribución espacial de los espesores de limos y las arcillas (Figura 3.2) muestra potencias de aproximadamente unos 15-2 m al sur del río Segura. Esta potencia disminuye hacia el norte hasta alcanzar espesores de 5-15 m a la altura de la Plaza Circular, para de nuevo aumentar progresivamente hasta alcanzar espesores de más de 2 m al norte de la citada Plaza. El espesor total de arena presente en la zona de estudio se muestra en la Figura Como puede observarse, en el entorno del actual cauce del río Segura y del antiguo meandro abandonado localizado al Este de la ciudad (Figura 3.7) existen importantes espesores de arena, con toda probabilidad asociados a la actividad sedimentaria del río. Existen también zonas de la ciudad (NW y S de la ciudad) en las que no se disponen arenas por encima de las gravas. La distribución del espesor de la capa de arena situada inmediatamente encima de las gravas (Figura 3.22) es similar a la comentada en el párrafo precedente. 115

120 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura Distribución de espesores de rellenos. Figura 3.2. Distribución de espesores de las capas de limos y arcillas situados por encima de la capa de gravas. 116

121 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Espesor total de arena hasta llegar a las gravas. Figura Espesor de arenas situadas inmediatamente encima de las gravas. 117

122 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada El techo de las gravas marca el comienzo del sustrato geotécnico, ya que en esa capa se empotran la mayor parte de las cimentaciones profundas construidas en el valle. La distribución de profundidades de esta capa se muestra en la Figura Como puede observarse, la distribución es similar a la de los limos y arcillas, ya que al sur del río la capa se sitúa a unos 15-2 m de profundidad para después disminuir notablemente en dirección norte hasta alcanzar los 1-15 m de profundidad. A partir de la Plaza Circular y en la dirección N la profundidad aumenta considerablemente hasta más de 3 m. Según estudios recientes (CHS, 27) no existe tal profundización gradual de las gravas hacia el N de la ciudad y E de la cuenca, sino que se trata del acuñamiento de la primera capa de gravas hasta llegar a desaparecer. La capa de gravas interceptada en estas zonas corresponde a un segundo nivel localizado a mayor profundidad. Figura Profundidad del techo de las gravas. El IGME (2b) elaboró un mapa de espesor de suelo blando de toda la Vega Media del Segura (Figura 3.24) a partir de la información disponible, según el cual el espesor de suelo blando en la ciudad de Murcia oscila entre 1 y 15 m. Según este mapa el espesor se incrementa hacia el centro del valle, siendo nulo en las zonas de borde. Los espesores de suelo blando alcanzan su mayor profundidad aguas debajo del río Segura, en el entorno de las localidades de Beniel y El Raal así como en el límite con la provincia de Alicante Características geotécnicas medias En el presente apartado se lleva a cabo la caracterización geotécnica de los materiales presentes en la Vega Media del Segura. La mayor parte de los datos pertenecen a sondeos realizados en la ciudad de Murcia, aunque también existe un gran número de ellos realizados a lo largo y ancho de toda la Vega Media del Segura. Para la correcta caracterización geotécnica del medio se ha procedido a generar una base de datos en la que se han registrado los resultados de los 224 sondeos geotécnicos disponibles. 118

123 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Posteriormente, se ha procedido a su localización geográfica mediante coordenadas UTM con el fin de conocer su posición en la cuenca. Algunos sondeos no han podido ser ubicados con exactitud al no disponer de los datos para hacerlo debidamente, pues no se conocía el número de policía del solar, sólo se disponía del nombre del barrio en el que se habían realizado, etc. Figura Mapa de espesores de suelo blando de la Vega Media del Segura (IGME, 2b). A continuación, mediante el análisis de la columna del sondeo y la ubicación del mismo en la cuenca, los datos han sido asignados a un medio sedimentario concreto, atendiendo a la nomenclatura propuesta por Delgado et al. (23) para los suelos de la Vega Baja del Segura: sedimento aluvial (FPZ), coluvial (AFZ) o substrato geotécnico (SR). Finalmente, dentro de cada ambiente sedimentario se ha procedido a clasificar las muestras atendiendo al grupo al que correspondía en función del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) que fundamentalmente se basa en su granulometría y en la plasticidad de la porción de finos del suelo Llanura de inundación (FPZ) Esta unidad está compuesta por sedimentos detríticos finos con predominio de arcillas limosas y limos arcillosos. También abundan los limos arenosos, especialmente al W de la ciudad de Murcia, aguas arriba de la misma. La difracción de rayos X llevada a cabo sobre una muestra de suelo limo-arcilloso perteneciente a esta unidad procedente de un sondeo localizado en la ciudad de Murcia proporciona importantes contenidos mineralógicos de calcita, dolomita, cuarzo, yeso, feldespatos y arcillas. Asimismo, las arenas de la 119

124 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada llanura de inundación situadas sobre las gravas del substrato geotécnico poseen importantes contenidos en calcita, dolomita, cuarzo y arcilla en menor medida. Los espectros correspondientes al análisis de estas muestras se incluyen en el Anejo II. Es importante reseñar que en el presente estudio no se han diferenciado los materiales que constituyen el canal y las terrazas del Segura, dada la escasez de datos disponibles de dichas unidades, quedando incluidas dentro de la unidad geotécnica de sedimentos de llanura de inundación (FPZ). No obstante, se observa cierto predominio de fracciones más arenosas (arenas y limos arenosos) en las proximidades del río Segura. La Figura 3.25 recoge fotografías de muestras alteradas de limos, arenas y arcillas de los sondeos G-94 y G-95 pertenecientes a la llanura de inundación Arcillas (FPZ-Arcillas) Las arcillas presentes en la llanura de inundación de la Vega Media del río Segura son fundamentalmente de baja plasticidad (CL) aunque algunas de las muestras presentan límites líquidos ligeramente superiores al 5%, por lo que se clasifican como de alta plasticidad (CH). Texturalmente se trata de limos arcillosos con un alto porcentaje de finos (partículas inferiores a.8 mm) con porcentajes de arena generalmente inferiores al 13%. Su contenido de partículas inferiores a.8 mm es de 91.4 ± 9.9 %. Su diámetro medio (D 5 ) es de.136 ±.144 mm. Las Figuras 3.26 y 3.27 muestran las curvas granulométricas y la representación de los porcentajes de arena, limo y arcilla correspondientes a varias muestras pertenecientes a esta unidad. El índice de plasticidad medio de estos suelos es de 17.3 ± 6.5 %. Su actividad es de.61 ±.56, valor típico de arcillas inorgánicas depositadas en agua dulce (Jiménez Salas y De Justo, 1976). El índice de fluidez es de.3 ±.6, evidenciando la proximidad de la humedad natural del suelo a su límite plástico cuyo valor medio es del 25.1 ± 5.7 %. La gran desviación de los valores del índice de fluidez se debe a la existencia de un gran número de muestras situadas por encima del nivel freático en un estado de desecación importante. La Figura 3.28 muestra la representación de las muestras ensayadas en la carta de plasticidad de Casagrande. El grado de saturación medio del suelo es del 99%, con valores mínimos del 25% y una alta variabilidad con la profundidad, especialmente en los primeros 5-1 m. El peso específico medio de las partículas es de 27.1 ± 1. kn/m 3 y su peso específico seco de 16.1 ± 1.4 kn/m 3, siendo su índice de huecos medio de.67 ±.147. El ángulo de rozamiento y la cohesión medidos en presiones efectivas medios son de 28.7 ± 5.3º y 21 ± 16 kn/m 2. Los valores medidos en presiones totales son de 13.8 ± 8.3º y 31 ± 21 kn/m 2. Los valores medios del ensayo SPT son de 8 ± 4 golpes. Los valores de resistencia a compresión simple medios son de 92 ± 71 kn/m 2, valores indicativos de una arcilla semidura. El índice de compresión (C c ) y el de entumecimiento (C s ) medios son de.139 ±.54 y.21 ±.11, siendo el coeficiente de consolidación (C v ) medio de 2.67 x 1-4 ± 1.59 x 1-4 cm 2 /s. La Figura 3.29 muestra las curvas edométricas normalizadas de numerosas muestras de suelo pertenecientes a esta unidad. Por último, cabe destacar el contenido medio de carbonatos en las muestras analizadas, que es de 26.1 ± 19.1 %, con valores mínimos del 2.8%, lo que evidencia la existencia de materiales de mineralogía no calcárea. Asimismo, como cabe esperar, el contenido en materia orgánica disminuye con la profundidad, con un valor medio de.8 ±.6 %. 12

125 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Aspecto de los limos, arenas de la unidad FPZ y gravas de la unidad SR (ordenados por profundidad) obtenidos en los sondeos G-94 y G-95 realizados en la ciudad de Murcia (FPZ). 121

126 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada % que pasa % que retiene % que pasa % que retiene 2 1 FPZ - Arena FPZ - HCSZ Arcilla dura Diámetro (mm) Diámetro (mm) % que pasa % que retiene % que pasa % que retiene FPZ - Limo FPZ - Arcilla Diámetro (mm) Diámetro (mm) Figura Curvas granulométricas de los suelos fluviales (FPZ). Los círculos indican valores del porcentaje que pasa por el tamiz.8 mm (nº 2) % Arcilla 4 6 % Limo % Arcilla 4 6 % Limo FPZ - Arcilla FPZ - Limo FPZ - Arena 1 AFZ - Arcilla AFZ - Limo % Arena % Arena Figura Gráficos ternarios de la granulometría presente en los suelos de la Vega Media del Segura. 122

127 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Índice de plasticidad (%) SR - Grava Índice de plasticidad (%) AFZ - Grava Límite líquido (%) Límite líquido (%) Índice de plasticidad (%) FPZ - Arena Índice de plasticidad (%) AFZ - Arena Límite líquido (%) Límite líquido (%) Índice de plasticidad (%) FPZ - Limo Índice de plasticidad (%) AFZ - Limo Límite líquido (%) Límite líquido (%) Índice de plasticidad (%) FPZ - Arcilla Índice de plasticidad (%) AFZ - Arcilla Límite líquido (%) Límite líquido (%) Índice de plasticidad (%) FPZ - Arcilla dura Límite líquido (%) Figura Representación de los valores de plasticidad en la carta de plasticidad de Casagrande para las diferentes unidades geotécnicas de la Vega Media del Segura. 123

128 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Subunidad de arcillas duras (FPZ-Arcillas duras) Dentro de la llanura de inundación de la Vega Media del Segura se ha detectado un nivel de arcillas ocres-rojizas que proporciona elevados valores de golpeo en el ensayo de penetración estándar (31 ± 21 golpes), así como altos valores de resistencia a compresión simple (256 ± 126 kn/m 2 ) característicos de arcillas duras. Estos materiales están presentes a una profundidad media de 12.8 ± 7.3 m localizándose en sondeos realizados en las siguientes áreas: en la zona limítrofe con la Vega Baja del Segura; próximo a los relieves de Los Garres, Beniaján y Torreagüera; al Norte de la ciudad de Murcia; y desde la salida Sur de Murcia hasta la localidad de Alcantarilla. Frecuentemente, en las columnas de sondeos en las que aparecen estas arcillas se describe la existencia de nódulos de carbonatos, horizontes carbonatados o cementaciones. Es posible que sedimentológicamente estas arcillas constituyan las facies más distales de los abanicos antiguos que se indentan con los depósitos de llanura de inundación. Su color rojizo típico de ambientes oxidantes y la existencia de carbonatos delatan el carácter continental de estos materiales a lo largo de su historia geológica. Estos materiales contienen porcentajes medios de finos (partículas inferiores a.8 mm) del 91.2 ± El diámetro medio de las partículas que constituyen estas arcillas es de.92 ±.43 mm. Las curvas granulométricas correspondientes a estas arcillas se muestran en la Figura El límite líquido y el índice de plasticidad medios son de 38.9 ± 7.7 y 2.4 ± 6. respectivamente (Figura 3.28), con un índice de fluidez medio de.2 ±.3 y una humedad natural de 22.7 ± 4.5 %. El peso específico medio de las partículas es de 27. ±.8 kn/m 3 y su peso específico seco de 16.6 ±.9 kn/m 3, presentando un índice de huecos medio de.633 ±.98. Su valor de ángulo de rozamiento efectivo es de 22. ± 6.2º siendo su cohesión de 37 ± 7 kn/m 2. Los parámetros derivados de los ensayos de consolidación unidimensional proporcionan un índice de compresión (C c ) medio de.129 ±.39, así como un coeficiente de consolidación medio (C v ) de 2.31 x 1-4 ± 1.26 x 1-4 cm 2 /s. El contenido en carbonatos es del 22.4 ± 24.8, con valores mínimos y máximos del 4.9 y 4. % respectivamente Limos (FPZ-limos) Los limos de la llanura de inundación de la Vega Media del río Segura son fundamentalmente de baja plasticidad (ML y en menor medida CL-ML) sin que existan muestras con límites líquidos mayores del 5% (MH)(Figura 3.28). Desde el punto de vista granulométrico se clasifican como limos arenosos con porcentajes medios de partículas de tamaño arcilla del 16.3 ± 5.9 % y máximos del 23%. Texturalmente se trata de limos con un alto porcentaje de finos y con porcentajes de arena generalmente inferiores al 28%. Su contenido de partículas inferiores a.8 mm es del 77.1%. Su diámetro medio (D 5 ) es de.31 ±.123 mm. Su actividad media es de.22 ±.16, valor típico de arcillas residuales caoliníticas (Jiménez Sálas y Justo, 1976). La humedad natural presenta un valor medio es del 22.5 ± 6. %. Diversas muestras superficiales proporcionan valores negativos del índice de fluidez, típicos de suelos desecados (González Vallejo et al., 22). El peso específico medio de las partículas es de 27. ± 11 y su peso específico seco de 15.9 ± 11 kn/m 3, siendo su índice de huecos medio de.688 ±.146. El ángulo de rozamiento y la cohesión efectivos medios son de 22. ± 7.º y 49 ± 18 kn/m 2. Los valores totales son de 19.5 ± 11.3 y 22 ± 23 kn/m 2. El valor medio del ensayo SPT es de 11 ± 12 golpes. Los valores de resistencia a compresión simple medios son de 71 ± 58 kn/m 2, valores indicativos de un suelo de resistencia media. 124

129 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Los índices de compresión (C c ) y de entumecimiento (C s ) medios son de.124 ±.37 y.14 ±.1, siendo el único valor del coeficiente de consolidación (C v ) medido de 3.13 x 1-4 cm 2 /s. No se disponen de valores de materia orgánica ni carbonatos en los limos de llanura de inundación. No obstante, la presencia de materia orgánica se percibe a simple vista en las muestras más superficiales a modo de raíces y partículas carbonosas de materia orgánica en descomposición Arenas (FPZ-Arenas) Las arenas de la unidad geotécnica de llanura de inundación (FPZ) se clasifican fundamentalmente como arenas con matriz limosa y arcillosa (SC y SM). Granulométricamente se trata de arenas limosas con porcentajes medios de arena, limo y arcilla de 68.3 ± 16.5, 23.8 ± 8.7 y 8. ± 8. % respectivamente (Figura 3.27). Su diámetro medio (D 5 ) es de.13 ±.4 mm (Figura 3.26). El contenido de finos (tamaño inferior a.8 mm) es de 31.4 ± 11.9 %. El índice de plasticidad medio de la fracción fina de estas arenas es de 4.3 ± 4.7 %, presentando un índice de fluidez medio de -1.1 ± 1.1 (Figura 3.28). El peso específico seco medio del suelo es de 17.3 ± 9 kn/m 3. El peso específico medio de las partículas es de 27.3 ± 9. kn/m 3, siendo su índice de huecos medio de.65 ±.63. No se dispone de ensayos de corte llevados a cabo sobre estos materiales como era de esperar. El ensayo SPT proporciona valores medios de golpeo de 17 ± 12 golpes, resultados típicos de suelos de compacidad media. No obstante, los valores máximos de golpeo disponible alcanzan los 56 golpes (suelo muy compacto). Por otro lado, la resistencia a compresión simple media de las muestras más cohesivas de estas arenas es de 94 ± 32 kn/m 2, valores indicativos de un suelo de consistencia blanda-media. El índice de compresión (C c ) medio es de.81 ±.13, no disponiendo de valores del índice de entumecimiento (C s ). El único valor disponible del coeficiente de consolidación (C v ) en estos suelos es de 1.4 x 1-4 cm 2 /s. Solo se dispone de un análisis de materia orgánica en estos materiales que proporciona un porcentaje del.4% Abanicos aluviales (AFZ) La unidad de abanicos aluviales se localiza en los bordes de la cuenca junto a los relieves que contribuyen a su alimentación a través de los rellenos coluviales. Estos abanicos se extienden hacia el interior de la cuenca indentándose frecuentemente con las diferentes generaciones de sedimentos de la llanura de inundación. A menudo se encuentran parcialmente cementados en algunas zonas (Viseras et al., 23; Silva et al., 1992). En esta unidad se diferencian fundamentalmente cuatro tipos de materiales: arcillas, limos, arenas y gravas. La Figura 3.3 muestra el aspecto de los materiales presentes en la unidad de abanicos aluviales en varios cortes frescos de excavaciones realizadas para edificación. 125

130 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada e/e A σ'/σ' e/e B σ'/σ' e/e C σ'/σ' Figura A. Rama de carga edométrica normalizada. B. Rama de recarga edométrica normalizada. C. Curvas edométricas normalizadas. 126

131 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura 3.3. Aspecto de los materiales detríticos de los abanicos aluviales en varias excavaciones realizadas en La Alberca de Torres, en el borde S de la cuenca Media del Segura Arcillas (AFZ-arcillas) Las arcillas presentes en los abanicos aluviales de la Vega Media del río Segura son todas de baja plasticidad (CL). Texturalmente se trata de limos arcillosos con un alto porcentaje de finos (partículas inferiores a.8 mm) con porcentajes medios de arena del 16.5 ± 11.2%. Su contenido de partículas inferiores a.8 mm es de 77.4 ± 13.1 %. Su diámetro medio (D 5 ) es de.14 ±.86 mm. Las Figuras 3.27 y 3.31 muestran la representación de los porcentajes de arena, limo y arcilla y las curvas granulométricas correspondientes a varias muestras pertenecientes a esta unidad respectivamente. El índice de plasticidad medio de estos suelos es de 13.8 ± 5.3 % (Figura 3.28). Su actividad es de.41 ±.4. Su índice de fluidez es de -.4 ±.8 y su humedad natural es del 16. ± 5.9 %. El valor negativo del índice de fluidez es típicos de suelos desecados (González Vallejo et al., 22), lo que podría explicar los elevados valores de resistencia a compresión simple y penetración que presentan estos materiales. El peso específico medio de las partículas es de 27.6 ± 1. y su peso específico seco de 17.4 ± 1.3 kn/m 3, siendo su índice de huecos medio de.547 ±.152. El ángulo de rozamiento y la cohesión efectivos de la única muestra ensayada son de 29º y 15 kn/m 2. Los valores totales medios son de 18.4 ± 4.3º y 75 ± 38 kn/m 2. El valor medio del ensayo SPT es de 18 ± 12 golpes. El valor de resistencia a compresión simple medio es de 211 ± 133 kpa, valores indicativos de un material duro. El índice de compresión (C c ) medio es de.121 ±.4, siendo el coeficiente de consolidación (C v ) medio de 3.35 x 1-4 ± 2.5 x 1-4 cm 2 /s. 127

132 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Limos (AFZ-limos) Los limos de la unidad de abanicos aluviales de la Vega Media del río Segura son fundamentalmente de baja plasticidad (CL-ML y en menor medida ML) sin que existan muestras con límites líquidos mayores del 5% (Figura 3.28). El análisis granulométrico de la única muestra ensayada por sedimentación indica que se trata de una arena limosa con un porcentaje de partículas de tamaño arcilla del 18 % (Figura 3.27). Su contenido medio de partículas inferiores a.8 mm es del 65.7 ± Los valores medios del límite líquido y del índice de plasticidad son 15.4 ± 12.1 % y 3.4 ± 2.7 % respectivamente. La humedad natural media es de 21.2 ± 4. % y su peso seco de 16.2 ±.9 kn/m 3. Los valores medios del ensayo SPT son de 1 ± 7 golpes. A su vez, la resistencia a compresión simple es de 35 ± 18 kn/m 2, valores correspondientes a un limo de resistencia blanda. No se disponen de valores de materia orgánica y el porcentaje de carbonatos en la muestra es del 51.9 ± 2.1 % % que pasa % que retiene % que pasa % que retiene AFZ - Grava AFZ - Arena Diámetro (mm) Diámetro (mm) % que pasa % que retiene % que pasa % que retiene AFZ - Limo AFZ - Arcilla Diámetro (mm) Diámetro (mm) Figura Curvas granulométricas de los suelos aluviales (AFZ). Los círculos indican valores del porcentaje que pasa por el tamiz.8 mm Arenas (AFZ-arenas) Las arenas de la unidad geotécnica de abanicos aluviales (AFZ) se clasifican fundamentalmente como arenas con matriz limosa y arcillosa (SC y SM). Granulométricamente la única muestra disponible indica que se trata de limos arenosos con porcentajes de arena, limo y arcilla de 44, 44 y 16% respectivamente. Su diámetro medio (D 5 ) es de.48 ±.49 mm. El contenido de finos (tamaño inferior a.8 mm) es de 3.7 ± 1.1 %. El índice de plasticidad medio de estas arenas es de 5.5 ± 4.9 %, presentando un índice de fluidez medio de -1.9 ± 1.1. La Figura 3.28 contempla la representación de las muestras ensayadas en la carta de plasticidad de Casagrande. Su humedad media es del 7.2 ± 3.4%. 128

133 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia El ensayo SPT proporciona valores medios de golpeo de 12 ± 11 golpes, resultados típicos de suelos de compacidad media. No obstante, los valores máximos de golpeo disponible alcanzan los 37 golpes (suelo compacto). Por otro lado, la resistencia a compresión simple de la única muestra ensayada proporciona una resistencia de 66 kn/m 2, valores indicativos de un suelo de consistencia media. El índice de compresión (C c ) medio es de.131 ±.87, no disponiendo de valores del índice de entumecimiento (C s ) Gravas (AFZ-Gravas) Las gravas de la unidad geotécnica de abanicos aluviales (AFZ) se clasifican fundamentalmente como gravas con matriz limosa y arcillosa (GC - GM). Granulométricamente se trata de gravas con porcentajes medios de finos del 14. ± 6.8 %. Su diámetro medio (D 5 ) es de 9. ± 4.3 mm. En la Figura 3.31 se muestran las curvas granulométricas de las muestras de grava ensayadas. El índice de plasticidad medio de estas arenas es de 6.4 ± 3.5 %. La figura 3.28 recoge la representación de las muestras en la carta de plasticidad de Casagrande. La humedad media de esta unidad es del 5.4 ±.8%. El ensayo SPT realizado en los tramos más arenosos proporciona valores medios de golpeo de 15 ± 6 golpes, resultados típicos de suelos de compacidad media. No obstante, los valores máximos de golpeo disponible alcanzan los 25 golpes (compacidad media) Substrato geotécnico (SR) El substrato geotécnico de la cuenca está constituido por aquellas unidades litológicas que poseen suficiente capacidad portante como para permitir el apoyo de cimentaciones directas o el empotramiento de cimentaciones profundas. Dentro de esta unidad se diferencian las gravas situadas bajo el relleno sedimentario de la cuenca, así como, todas las unidades rocosas existentes en los bordes de la cuenca (margas, conglomerados, filitas y metabasitas). A continuación, se describen las principales características de estas unidades Gravas Las gravas que constituyen el substrato geotécnico de la Vega Media del Segura se sitúan a unos 17 m de profundidad media contando con potencias medias, en aquellos sondeos en los que han llegado a superarse, de 8 m, según se ha explicado en el punto del presente capítulo. Estas gravas se clasifican como gravas bien graduadas (GW) o gravas con matriz arcillosa (GC). Su porcentaje medio de finos es del 13.5 ± 6.2 % y su diámetro medio es de 5.5 ± 2. mm (Figura 3.32). Su plasticidad es baja, con un índice de plasticidad de 7.6 ± 2.6 %, un límite líquido de 15.9 ± 11.2 %. Se ha realizado un análisis de difracción de rayos X de una muestra de gravas pertenecientes a esta unidad. Del análisis se deduce un contenido mayoritario de calcita, dolomita y cuarzo con contenidos de arcilla. El espectro de este análisis se incluye en el Anejo II. El único valor del peso específico de las partículas disponible es de kn/m 3. Poseen una humedad media del 11.2 ± 4.6 %. Los valores medios del ensayo de penetración estándar son de 41 ± 16, con numerosos valores de rechazo, indicativos de una compacidad compacta-muy compacta. 129

134 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada % que pasa % que retiene 1 SR - Grava Diámetro (mm) Figura Curvas granulométricas de las gravas del sustrato geotécnico Rocas Las rocas que constituyen el substrato geotécnico de la Vega Media del Segura se sitúan a gran profundidad en la zona en la que se emplaza la ciudad de Murcia no habiendo sido interceptado hasta el momento por ningún sondeo geotécnico, aunque sí hidrogeológico. Sin embargo, estos materiales terciarios y permotriásicos, según la zona, afloran o se sitúan a escasa profundidad en los bordes N y S de la cuenca media del río Segura. Las litologías son muy variadas, estando principalmente representadas por filitas, metabasitas y conglomerados triásicos y areniscas, margas y conglomerados terciarios. Los datos disponibles sobre estos materiales son escasos, y en su mayoría se reducen a ensayos de compresión simple y ensayos de penetración estándar. Las margas y margocalizas que componen el substrato geotécnico se caracterizan por los altos valores de SPT que proporcionan (74 ± 1 golpes) con valores que oscilan entre 65 y 84 golpes. Su resistencia a compresión simple media es de 1314 ± 931 kn/m 2 con un valor máximo y mínimo de 228 y de 42 kn/m 2 respectivamente. Superficialmente se encuentran más meteorizadas, disminuyendo considerablemente sus propiedades. Las areniscas proporcionan valores de SPT de rechazo. Puntualmente, en un sondeo se ha encontrado un valor de 15 para una arenisca triturada con aspecto de arena. El comportamiento geotécnico de las filitas también está altamente condicionado por su grado de meteorización y su esquistosidad. Su valor medio del ensayo SPT es de 56 ± 14 golpes, con mínimos y máximos de 39 y 74 respectivamente. En tres de los ensayos disponibles, el valor del ensayo es de rechazo. La resistencia a compresión simple de esta roca es de 2 ± 4 kn/m 2. Los conglomerados proporcionan valores de penetración estándar de 34 ± 15 golpes con más de un 75% de ensayos con rechazo. Su resistencia a compresión simple media es de 347 ± 178 kn/m 2. Las metabasitas se encajan generalmente entre los materiales conglomeráticos y entre las filitas. Son rocas cuyos valores medios de golpeo obtenidos al realizar el ensayo SPT son de 5 ± 17 golpes, con un alto índice de ensayos con rechazo (4%). El valor medio de la resistencia a compresión simple de esta roca es de 33 ± 11 kn/m Resumen de propiedades geotécnicas En las secciones anteriores se ha llevado a cabo una descripción exhaustiva de las propiedades de los suelos pertenecientes a las diferentes unidades geotécnicas diferenciadas. En el presente apartado se 13

135 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia hace una breve revisión de las citadas propiedades para proporcionar una visión más global y poder comparar directamente los valores correspondientes a las propiedades de cada unidad. En primer lugar se presentan las propiedades físicas y de identificación de los suelos. Por un lado, se representa la variación de estas propiedades con la profundidad para los diferentes ambientes y, por otro, los valores medios con sus desviaciones correspondientes para cada una de las unidades geotécnicas. Las Figuras 3.33 y 3.34 muestran la variación de las propiedades más importantes de los suelos de la Vega Media con la profundidad. Las Figuras 3.35 a 3.37 representan los parámetros medios con sus correspondientes desviaciones estándar clasificados por ambientes sedimentológicos. Por último, las Tablas 3.2 a 3.4 resumen la estadística de parámetros geotécnicos de los suelos ensayados. Las Figuras 3.35 y 3.38 muestran la variación del diámetro medio de las partículas, del índice de huecos, de la humedad natural, de los valores de golpeo del ensayo de penetración estándar y de la resistencia a compresión simple de los suelos de la Vega Media del Segura. De la Figura 3.33 cabe destacar que la humedad natural del suelo en muchas de las muestras ensayadas es inferior a la humedad correspondiente a un estado de saturación total (S r =1%), lo que es indicativo de una elevada succión a lo largo de los 1 primeros metros de suelo y, especialmente, en los 5 primeros. Esta succión podría ser capaz de generar tensiones efectivas negativas y, por lo tanto, causar una sobreconsolidación de los primeros metros de suelo. De la Figura 3.34 es interesante resaltar los elevados valores de resistencia a compresión simple de las arcillas de los abanicos aluviales que existen en los 5 primeros metros de suelo. La causa podría ser la existencia de cementaciones o la sobreconsolidación por desecación. El significado de los parámetros geotécnicos y de las unidades de las Tablas 3.2 a 3.4 puede consultarse en el apartado de abreviaturas y símbolos (Anejo XI). Las unidades corresponden siempre al Sistema Internacional de Unidades. Indicar que el número expresado entre paréntesis en la columna correspondiente a los valores de golpeo del ensayo de penetración estándar indica el número de ensayos que han proporcionado valores de rechazo. 131

136 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Profundidad (m) Profundidad (m) FPZ - Arcilla FPZ - Arcilla dura FPZ - Limo FPZ - Arena Diámetro medio de las partículas, D 5 (mm) AFZ - Arcilla AFZ - Limo AFZ - Arena AFZ - Gravel Diámetro medio de las partículas, D 5 (mm) Profundidad (m) Profundidad (m) FPZ - Arcilla FPZ - Arcilla dura FPZ - Limo FPZ - Arena Índice de huecos, e AFZ - Arcilla AFZ - Limo AFZ - Arena Índice de huecos, e Profundidad (m) S r = 1% (Limo) Profundidad (m) FPZ - Arcilla FPZ - Arcilla dura FPZ - Limo FPZ - Arena S r = 1% (Limo) S r = 1% (Arcilla) S r = 1% (Arena) S r = 1% (Arcilla dura) Humedad, W (%) AFZ - Arcilla AFZ - Limo AFZ - Arena AFZ - Grava S r = 1% (Arcilla) Humedad, W (%) 35 4 Figura Variación del diámetro medio de las partículas (D 5 ), del índice de huecos (e ) y de la humedad natural (W) con la profundidad (S r = Grado de saturación del 1%). 132

137 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Profundidad (m) Profundidad (m) FPZ - Arcilla FPZ - Acilla dura FPZ - Limo FPZ - Arena Ensayo de Penetración Estándar, N 3 (nº golpes) AFZ - Arcilla AFZ - Limo AFZ - Arena AFZ - Grava Ensayo de Penetración Estándar, N 3 (nº golpes) Profundidad (m) Profundidad (m) FPZ - Arcilla FPZ - Arcilla dura FPZ - Limo FPZ - Arena Resistencia a compresión simple, q u (kg/cm 2 ) AFZ - Arcilla AFZ - Limo AFZ - Arena Resistencia a compresión simple, q u (kg/cm 2 ) Figura Variación del número de golpes (N 3 ) del ensayo de penetración estándar (SPT) y de la resistencia a compresión simple con la profundidad SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Diámetro medio de las partículas, D 5 (mm) Figura Diámetro medio de las partículas (D 5 ) y desviación estándar por ambientes sedimentarios. 133

138 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Contenido de finos <.8 mm, (%) SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ - Limo FPZ FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla W P - σ W P W L W L + σ Humedad natural, W (%) SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Índice de huecos, e Figura Contenido de finos (<.8 mm), propiedades índice medias (humedad natural ± desviación estándar y límites de Atterberg ± desviación estándar. Las barras representan los límites de Atterberg medios de los suelos. W P : límite plástico medio; W L : límite líquido medio; σ: desviación estándar) e índice de huecos de los suelos de la zona de estudio clasificados por ambientes sedimentológicos. 134

139 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Peso específico seco, γ (g/cm 3 ) SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Ensayo de Penetración Estándar, N 6 (nº golpes) SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Resistencia a compresión simple, q u (kg/cm 2 ) Figura Peso específico seco (γ d ), número de golpes del ensayo de penetración estándar (N 3 ) y resistencia a compresión simple (q u ) medios y desviación estándar de las diferentes unidades geotécnicas. 135

140 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Coeficiente de compresibilidad, C v (cm 2 /s) SR - Grava AFZ - Grava AFZ AFZ - Arena AFZ - Limo AFZ - Arcilla FPZ - Arena C s C c FPZ FPZ - Limo FPZ - Arcila dura FPZ - Arcilla Índice de compresión e hinchamiento, C c y C c Figura Coeficientes de compresibilidad vertical (C v ) e índices de compresión (C c ) e hinchamiento (C s ) medios y desviaciones estándar de los diferentes ambientes sedimentológicos. 136

141 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia FPZ-Arcilla FPZ-Arcilla dura FPZ-Limo FPZ-Arena Frecuencia % N 3 AFZ - Arcilla N 3 AFZ-Limo N 3 SR-Grava N N 3 Figura Resultados de los ensayos de penetración estándar (N3) en materiales de la Vega Media del Segura. En el eje de abscisas se representan los intervalos de golpeo y en el eje de ordenadas la frecuencia relativa en tanto por uno. Frecuencia % Frecuencia % Frecuencia % Frecuencia %.7.6 SR-Marga.7.6 SR-Metabasita.7.6 SR-Conglomerado N N N 3 Frecuencia % Frecuencia % Frecuencia % Frecuencia % Frecuencia % N 3 AFZ-Arena Frecuencia % N N 3 137

142 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Litología Arcilla Arcilla dura Limo Arena Tabla 3.2. Propiedades medias de los materiales del subsuelo de la Vega Media del río Segura correspondientes a la unidad Llanura de inundación (FPZ). % Are % Li % Arc Pasa 2 D75 D6 D5 D3 D25 D1 WL WP IP γs γd γ W e Ø c' Ø c qu N6 Cv (x1 4 ) Cc Cs % CaCO3 Media Desvest Máximo Mínimo Nº valores Media Desvest Máximo Mínimo Nº valores Media Desvest Máximo Mínimo Nº valores Media Desvest Máximo Mínimo Nº valores

143 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Tabla 3.3. Propiedades medias de los materiales del subsuelo de Vega Media del río Segura correspondientes a la unidad de abanicos aluviales (AFZ). Litología % Are % Li % Arc Pasa 2 D75 D6 D5 D3 D25 D1 WL WP IP γs γd γ W e Ø c' Ø c Cv qu N6 (x1 4 Cc Cs ) % CaCO3 Media Desvest Arcilla Máximo Mínimo Nº valores Media Desvest Limo Máximo Mínimo Nº valores Media Desvest Arena Máximo Mínimo Nº valores Media Desvest Grava Máximo Mínimo Nº valores

144 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Litología Grava Margas y margocalizas Areniscas Conglom Tabla 3.4. Propiedades medias de los materiales del subsuelo de la Vega Media del río Segura correspondientes a la unidad de substrato geotécnico (SR). % Are % Li % Arc Pasa 2 D75 D6 D5 D3 D25 Q1 WL WP IP γs γd γ W E Ø c' Ø c qu N6 Cv Cc Cs % CaCO3 Media (6) Desvest Máximo Mínimo Nº valores Media (2) Desvest Máximo Mínimo Nº valores 3 5 Media (2) Desvest Máximo Mínimo Nº valores 1 Media (32) Desvest Máximo Mínimo Nº valores

145 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Tabla 3.4 (Continuación). Propiedades medias de los materiales del subsuelo de la Vega Media del río Segura correspondientes a la unidad de substrato geotécnicos (SR). Litología % Are % Li % Arc Pasa 2 Q75 Q6 Q5 Q3 Q25 Q1 WL WP IP γs γd γ W E Ø c' Ø c qu N6 Cv Cc Cs % CaCO3 Media (3) Desvest Filitas Máximo Mínimo Nº valores 5 9 Media (14) Desvest Metabasitas Máximo Mínimo Nº valores

146 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada 3.6. La subsidencia en la Vega Baja y Media del río Segura: el periodo de sequía Los recursos de la cuenca y la subsidencia En situación de equilibrio, es decir, en ausencia de extracciones, la Vega Media del Segura funcionaría como un acuífero libre. Sin embargo, la explotación intensiva del acuífero, especialmente desde los años noventa, ha hecho que se diferencien los dos niveles descritos con anterioridad: un acuífero superficial, libre, y uno profundo, multicapa y semiconfinado. Tal y como se describió en los apartados precedentes, la recarga se produce esencialmente a través de los retornos de riego (estimados en 15 hm 3 /año) y del agua de lluvia infiltrada (un valor medio de 1 hm 3 /año con máximos de 3 hm 3 /año) (Gumiel et al., 21; Aragón et al., 26) (Figura 3.38). Las salidas del acuífero de la Vega Media del Segura tienen lugar a través del río y de los sistemas de drenaje existentes (azarbes, Figuras 3.4 y 3.41), lateralmente hacia la Vega Baja del Segura, y a través de los sistemas de bombeo Demanda de agua para riego Volumen (hm 3 ) Recarga hidrogeológica (Infiltración lluvia) Dotación de agua superficial regulada por la CHS Recarga agrícola (retorno de riegos) Demanda recursos complementarios Déficit hídrico Figura 3.4. Balance hídrico de la cuenca el Medio Segura. Datos procedentes de Aragón et al. (26). Año Los bombeos de agua han sido relativamente escasos hasta los años noventa (4 hm 3 /año) atendiéndolos con agua fundamentalmente superficial (Aragón et al., 26). A partir de esa fecha las extracciones fueron continuas, alcanzando máximos de 24 hm 3 /año durante el año hidrológico , 2 hm 3 /año durante el periodo hidrológico y , y mínimos de 12 y 17 hm 3 /año durante los periodos (Aragón et al., 26). A causa de los bajos caudales de infiltración procedentes de lluvia y retornos de riego durante los periodos de sequía, se generó un déficit hídrico de hasta 45 hm 3 durante el año La consecuencia de dicho déficit fue la depresión o caída del nivel piezométrico en el primer nivel de gravas, que derivó en un proceso de consolidación del suelo debido a la reducción de la presión intersticial en los limos suprayacentes a esta capa. 142

147 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia El Instituto Geológico y Minero de España, la Confederación Hidrográfica del Segura y la Diputación Provincial de Alicante elaboraron un modelo hidrogeológico de la Vega Baja y Media del Segura mediante el software Visual Modflow del cual obtuvieron los datos de balance hídrico mostrados en la Tabla 3.5. Tabla 3.5. Balance hídrico de la Vega Media del río Segura (IGME-CHS-CTOT, 22). Entradas Salidas Infiltración por lluvia y riego 2 hm 3 /año Río Segura 12 hm 3 /año Infiltración río Segura hm 3 /año Azarbes hm 3 /año Río Guadalentín 2.5 hm 3 /año Vega Baja 32 hm 3 /año Cresta del Gallo.4 hm 3 /año Vega Alta 1.1 hm 3 /año Figura Red de azarbes existentes en la ciudad de Murcia. 143

148 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Figura Aspecto de diversos azarbes localizados en el interior de la ciudad (CHS, 27) Daños causados por el descenso piezométrico Como ya se explicó en el Capítulo II, en general el descenso piezométrico dentro de un medio poroso implica una disminución de las presiones de poro o intersticiales y, en consecuencia, el incremento de las tensiones efectivas. Si el medio está constituido por un suelo compresible, este aumento de tensiones produce inevitablemente la consolidación del mismo. El fenómeno ocurrido en la Vega Baja y Media del Segura responde a este principio. El descenso piezométrico generalizado (Figura 3.43) ha provocado el asiento de una gran extensión de terreno, afectando de forma importante a todas las estructuras y servicios sobre él construidas. Estos descensos de nivel piezométrico han sido mayores en zonas urbanas, donde generalmente las extracciones de agua suelen ser más abundantes y cuantiosas, generando gran alarma social. Además, estos descensos de nivel piezométrico coinciden con épocas de escasa precipitación debido a la reducción de infiltración y el bombeo masivo de agua del acuífero (Figura 3.43). En el caso concreto del casco urbano de Murcia la consolidación del suelo en profundidad se manifiesta de forma directa en superficie, siendo observable a simple vista a modo de aceras irregulares, separación de peldaños, firmes agrietados, rotura de muros de fábrica, apertura de medianeras de edificios, etc. (Figuras 3.44 a 3.46). Con todo, las patologías más importantes se han observado en edificios, en ocasiones de gran altura, que se han visto obligados en numerosas ocasiones a ser recalzados para conservar su estabilidad. Vázquez y De Justo (22a) apuntan la existencia de daños en más de 1 edificios, con diferentes tipos de estructuras y cimentaciones, repartidos por toda la ciudad de Murcia. Rodríguez Ortiz y Mulas (22) cuantifican los daños producidos en los aproximadamente 15 edificios dañados del núcleo urbano de Murcia, que a su vez dieron lugar a unas 3 denuncias, en unos 38 millones de euros. La Figura 3.47 muestra la distribución de edificios dañados en la ciudad de Murcia. Los primeros daños en edificaciones, de carácter leve, empezaron a observarse en el año 1991 y no fue hasta 1993 cuando aparecieron las patologías más graves, consistentes en fisuras en tabiques y cerramientos, descuadre de los huecos de puertas y ventanas, desprendimientos de alicatados, giros y desplomes a los que se veían sometidas las estructuras derivados de los asientos diferenciales (Figuras 3.44 a 3.46) (Vázquez y De Justo, 22a). 144

149 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura (a) Variación de niveles piezométricos en diversos puntos de la Vega Media del río Segura. (b) Precipitaciones anuales en Murcia (c) Relación entre el número de denuncias por daños en edificios y la variación de nivel piezométrico en la ciudad de Murcia. Ver localización de los piezómetros en la Figura 3.6. La mayor parte de los edificios dañados estaban construidos con cimentaciones superficiales, muchas de las cuales tuvieron que ser recalzadas mediante micropilotes (Martínez-Gomariz, 1996; Pelegrín, 1996). Las cimentaciones por losas presentaban un mejor comportamiento ante el asiento del terreno por efecto de la subsidencia, ya que el asiento se producía de forma uniforme sin causar asientos diferenciales (Vázquez y De Justo, 22a). Otra patología muy común en las cimentaciones por pilotes ha sido el rozamiento negativo (Martínez-Gomariz, 1996; Pelegrín, 1996; De Justo et al., 22) que implica la aparición de nuevas tensiones en el fuste de los pilotes por hundimiento del terreno circundante al pilote. Esta nueva acción sobre el pilote incrementa las solicitaciones sobre el mismo, pudiendo llegar a sobrepasar las cargas admisibles. Además, elimina la resistencia por rozamiento en el fuste del pilote. Igualmente, se observaron patologías en un gran número de edificios antiguos cimentados mediante cimentación directa apoyada sobre un suelo reforzado con pilotes de madera de 3 a 5 m de longitud (Martínez-Gomariz, 1996; Pelegrín, 1996; Vázquez y De Justo, 22a), que sufrieron un proceso de putrefacción debido al importante descenso del nivel freático, que los dejó por encima de la zona de suelo saturada. El caso más significativo que sufrió problemas de putrefacción de pilotes fue la Catedral de Murcia. 145

150 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Figura Deformación y agrietamiento de aceras de la ciudad de Murcia. Fotografía superior izquierda extraída de Mulas (27). 146

151 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Agrietamiento de paramentos y apertura de juntas de medianera entre edificios por asiento diferencial de los mismos. 147

152 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Figura Agrietamiento de paramentos y apertura de juntas de medianera entre edificios por asiento diferencial de los mismos. 148

153 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Mapa de edificios dañados en la ciudad de Murcia (basado en Mulas et al., 23 y Vázquez y de Justo, 22a). 149

154 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Control de la subsidencia Tras el periodo de sequía sufrido durante la década de los noventa, las administraciones de la Comunidad de Murcia implicadas decidieron tomar medidas, estableciendo una red de seguimiento y control de la subsidencia cuyo proceso de toma de datos se prolonga hasta la actualidad. La red de control instrumental ha sido desarrollada por el IGME en el marco del convenio de Seguimiento y control instrumental de asentamientos del terreno en el área metropolitana de Murcia (Peral et al., 2; IGME, 21a) y consistió inicialmente en 22 extensómetros que fueron instalados en el entorno de la ciudad de Murcia, al S y SE de la misma, y en una red de 628 puntos de nivelación topográfica distribuidos por el entorno metropolitano que serían controlados con una frecuencia aproximada de tres meses a lo largo del tiempo con el fin de establecer las variaciones de cota que el suelo pudiera experimentar como consecuencia de la subsidencia (Figura 3.48). Figura Mapa de localización de los extensómetros y las bases de nivelación topográfica en el entorno de Murcia Nivelación topográfica Se instalaron un total de siete bases fijas de referencia. Cinco de ellas, construidas con barras de acero tipo Gewi, fueron ancladas entre 15 y 25 m de profundidad en sondeos realizados para tal fin en la zona metropolitana de Murcia, en la misma Vega Media. La barra de acero fue envuelta con una camisa de PVC que a su vez fue inyectada con mortero de cemento por su interior con el fin de crear un bulbo a la altura de las gravas que asegurara su anclaje a ellas y a su vez permitiera independizar la base de los 15

155 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia niveles de limos. En el extremo más superficial de la barra se colocó un clavo de nivelación que serviría como referencia para las sucesivas nivelaciones (Figura 3.49). Las dos bases fijas de referencia restantes fueron ancladas del mismo modo que las ya mencionadas en sondeos de un metro de longitud perforados en roca y situadas en la sierra Cresta del Gallo. Figura Clavo de nivelación de punto de medida y tuerca con punto de nivelación para base de referencia (extraídas de IGME, 21a). La nivelación de las bases se ha realizado a lo largo de itinerarios que parten de bases de referencia y de los cuales parten otros itinerarios secundarios estructurados en espina de pez. Como comprobación se hace un itinerario de cierre que pasa por las cinco bases de referencia. Las distancias de nivelación empleadas han sido inferiores a 12 m. Desafortunadamente, estos datos de deformación no están disponibles, aunque se tiene constancia de que el seguimiento de la red topográfica se abandonará en breve Extensómetros Los 22 extensómetros fueron instalados en Febrero de 21. De todos ellos, 6 eran incrementales (Figuras 3.48 Y 3.5) y 16 eran de varilla (Figuras 3.48 Y 3.51). De los extensómetros incrementales, 3 miden las deformaciones hasta 2 m de profundidad y otros 3 hasta 15 m de profundidad. Los extensómetros de varilla fueron anclados a profundidades variables entre 1 y 15 m de profundidad. Siete extensómetros han sido destruidos debido a la ejecución de obras próximas a su emplazamiento. El resto siguen operativos en la actualidad. Los extensómetros incrementales (Ei) instalados constan de una tubería dotada de manguitos deslizantes cada metro de longitud, de manera que cada par de anillos, situados equidistantes entre sí a un metro, definen una base de medida. Los tubos se solidarizan al terreno mediante una lechada de cemento con el fin de reproducir las deformaciones verticales del suelo que lo envuelve. La sonda de medida consta de dos captadores inductivos separados entre sí 1 metro (Figura 3.5), de manera que cualquier variación de la distancia de los anillos de la tubería solidarizados con el suelo implique una modificación del campo magnético, que puede ser traducida a deformación vertical. La precisión de los equipos es de.1 mm y su rango es de ±4 mm. 151

156 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Figura 3.5 Extensómetros incrementales. Tubería extensométrica y equipo de lectura (extraídas de IGME, 21a). Los extensómetros de varilla (V) constan básicamente de tres varillas de acero alojadas dentro de fundas de plástico semirígidas dentro de las cuales se pueden mover libremente. Las varillas y los tubos de plástico que las envuelven están a su vez alojados dentro de un tubo de PVC que se encuentra en contacto con la lechada de cemento exterior. La varilla de acero está soldada interiormente a la base de medida, compuesta por una placa de acero sujeta al terreno mediante lechada para reproducir las deformaciones del mismo. Las medidas se realizan mediante un micrómetro capaz de medir las variaciones en la distancia existente entre la cabeza de la varilla y la base de anclaje (Figura 3.51). Para evitar desviaciones, el sistema de medida consta de un elemento tensor que ejerce siempre la misma tensión de referencia sobre la varilla. Figura Extensómetro de varilla empleado en Murcia y unidad de lectura (extraídas de IGME, 21a). La Figura 3.52 muestra los valores de deformación correspondientes a los extensómetros que siguen operativos en la actualidad en el entorno de Murcia. 152

157 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia 1.5 Deformación (cm) Ei-1 Ei-2 Ei-3 Ei-4 Ei Fecha 1.5 Deformación (cm) V-1 V-3 V-4 V-5 V-6 V-8 V-13 V-14 V-15 V Fecha Figura Deformaciones del terreno medidas mediante extensómetros incrementales (Ei) y de varilla (V). Las lecturas en profundidad proporcionadas por estos extensómetros muestran que la mayor parte de la deformación del terreno producida entre los años 21 y 24 se concentra en los 5 primeros metros de columna de suelo (Figura 3.53). Esta franja de suelo es la más afectada por las fluctuaciones de nivel freático, dado que éste se sitúa a lo largo de esta profundidad. En el Anejo III se muestran los gráficos de deformación-profundidad de todos los extensómetros operativos. 153

158 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada V5 Subsidencia (mm) Ei4 Subsidencia (mm) Profundidad (m) /1/21 Profundidad (m) /5/23 1/12/23 1/4/24 24/2/ /7/26 26/3/ Figura Lecturas extensométricas en profundidad en dos de los extensómetros instalados en la periferia de la ciudad de Murcia Relación con las variaciones piezométricas La disminución de la infiltración de agua en el acuífero y la sobreexplotación de sus reservas son las causas de que se produzcan este tipo de fenómenos de descenso piezométrico. La reducción de la infiltración es debida fundamentalmente a la escasez de lluvias, al abandono de los sistemas convencionales de riego por inundación, al alto porcentaje de áreas urbanizadas en la superficie del acuífero, al encauzamiento del río Segura y a la impermeabilización natural de su lecho con motivo de la sedimentación de materiales finos.. La sequía que periódicamente azota a esta región, disminuyendo los caudales de infiltración, es una de las principales causas del descenso del nivel piezométrico en el subsuelo de la ciudad de Murcia. Se conocen diversos periodos de sequía, entre los que destacan las acaecidas en los años 1982 y Durante estos periodos de escasez de agua se hace uso de los llamados pozos de sequía que servían para el riego de jardines, baldeado de calles, etc. De toda la superficie que constituye la Vega Media del Segura, aproximadamente la mitad se encuentra cultivada (Gumiel et al., 21), lo que supone una demanda total de agua de unos 81 hm 3 /año. El déficit hídrico que genera esta actividad en el balance global del acuífero es evidente. La urbanización de una gran parte de la superficie del acuífero, que llega a ocupar el 48% de la superficie total del mismo (Gumiel et al., 21), afecta a la alimentación del sistema al aumentar el coeficiente de escorrentía del terreno para dirigir las aguas de lluvia hacia los sistemas de drenaje que constituyen el alcantarillado. El encauzamiento del río Segura, en gran parte de su recorrido, disminuye notablemente la contribución por infiltración de agua al acuífero. Además, impide el desbordamiento natural del mismo durante los periodos de lluvias torrenciales, dificultando en consecuencia la existencia de nuevos aportes por infiltración. Asimismo, el papel que juega el río en relación a los niveles freáticos es muy importante. Aguas arriba de Murcia, el río Segura es perdedor, es decir, genera importantes aportes de agua hacia el sistema acuífero inferior. Sin embargo, entre Murcia y Orihuela, el cauce del río es ganador, o lo que es lo mismo, drena el terreno adyacente al mismo (IGME-CHS-CTOT, 22). 154

159 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Paralelamente a estas causas, debe considerarse el crecimiento demográfico experimentado por la ciudad de Murcia y su periferia. En el año 26 la ciudad de Murcia contaba con habitantes, frente a los habitantes en 1991 y los con los que contaba en 197 (INE, 26). Este crecimiento de la población va íntimamente ligado a un incremento en la demanda de agua. La necesidad de agua para atender las demandas de la población y de otros sectores como la agricultura y la industria obligan a la búsqueda de recursos alternativos. El acuífero es aparentemente la solución a la búsqueda de recursos. Sin embargo, la sobreexplotación de éste supone un importante perjuicio para el medio. Se calculan más de 1. pozos en el acuífero, de los cuales se extraen anualmente 47 hm 3 (Vázquez y De Justo, 22a; Mulas et al., 23). El bombeo de agua del suelo en Murcia no sólo se ha llevado a cabo para su uso como agua de consumo, riego, limpieza, etc. En muchos casos, esta agua es bombeada directamente del terreno para evitar subpresiones y/o filtraciones indeseadas en sótanos de edificios o durante las fases de construcción de los mismos (Figura 3.54). Estos sistemas de bombeo funcionan día y noche, encontrándose ubicados en arquetas alojadas en huecos habilitados para tal fin en las losas de cimentación. El agua bombeada es vertida directamente al sistema de alcantarillado. Las consecuencias son negativas por varios motivos: el coste del bombeo para la comunidad de propietarios (coste eléctrico y de mantenimiento de la instalación), el incremento de volúmenes de depuración y el descenso de nivel freático que ocasiona. Al respecto, Robles (25) estudió los caudales depurados por la Estación de Aguas Residuales de Murcia-Este que en 24 fueron 9.4 hm 3 mayores que los caudales de agua potable suministrados a los abonados, lo que contrasta con la previsión de trabajo de la estación al 75% de su capacidad. Se estima que durante el periodo de sequía existían más de 1 sótanos distribuidos por toda la ciudad de Murcia (Figura 3.55). En la actualidad, prácticamente todas las edificaciones poseen sótanos. Además, recientemente se han construido diversos sótanos de más de 2 plantas. Figura Bombeo de agua durante la construcción de un edificio con sótano y arqueta de bombeo localizada en la losa de un sótano (extraídas de CHS, 27). El bombeo de agua durante las primeras etapas de desarrollo de los pozos y durante las fases de ejecución de sótanos puede ocasionar también problemas de arrastre de finos según indican varias sentencias judiciales del Tribunal Superior de Justicia de Murcia. El arrastre de finos consiste en la movilización de partículas finas de suelo debido a las fuerzas de arrastre ocasionadas como consecuencia de los gradientes hidráulicos generados por los bombeos. Este fenómeno alcanza su máxima intensidad durante los primeras fases de bombeo del pozo, pudiendo prolongarse incluso semanas. Este hecho se ha observado en varias obras de aparcamientos subterráneos municipales (Robles, comunicación personal) en los que el agua era bombeada directamente a balsas de riego localizadas en parques públicos y presentaba gran turbidez debido a la abundante presencia de partículas de suelo arrastradas. A su vez, se ha observado la presencia de arenas y limos de arrastre (Figura 3.56) en acequias en las que previamente se había vertido el agua procedente de pozos de agua (CHS, 27). En varios pozos de bombeo ha ocurrido subsidencia o hundimiento del terreno circundante como consecuencia del arrastre de finos (Figuras 3.57 y 3.58). 155

160 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada En resumen, podemos decir que todos los factores anteriormente enumerados han ocasionado una extracción masiva de agua del acuífero de la Vega Media del Segura y, a su vez, la disminución de la recarga por infiltración del mismo. La consecuencia ha sido un importante descenso del nivel piezométrico que se ha traducido en una consolidación del terreno, lo que ha afectado a numerosos edificios y servicios repartidos por toda el área urbana de Murcia y de su periferia. El descenso del nivel piezométrico en la ciudad ha sido desigual, estando generalmente asociado a la existencia de parques y jardines, en los que existen pozos de extracción para el riego de los mismos. Vázquez y De Justo (23a) afirman que los máximos descensos piezométricos acaecidos en el año 1996 tuvieron lugar en los barrios de Vista Alegre y la Flota, situados al NE de la ciudad, en el entorno de los Jardines del Malecón, al W, y en el Polígono Infante Don Juan Manuel, al SE, con descensos piezométricos más de 9 m. Durante el periodo 1972 y 26 se diferencian cuatro periodos de crisis en los que se produjo un descenso piezométrico considerable. Estos descensos difieren de los estacionales, que poseen una frecuencia de 4-5 meses, y cuyo valor no suele superar el metro. El primer periodo de descenso corresponde a los años , y coincide con una importante sequía que supuso la sobreexplotación del acuífero, dando lugar a descensos piezométricos de hasta 5 m (Figura 3.43). Sin embargo, la mayor crisis tuvo lugar entre los años , con descensos piezométricos que localmente alcanzaron los 16 m. Fue en este periodo cuando empezaron a detectarse los primeros casos de daños en edificios producidos por la subsidencia del terreno (Figura 3.43). En el periodo 2-21 se observa un nuevo descenso piezométrico. Aunque no se disponen de datos piezométricos durante este periodo en la ciudad de Murcia, algunos piezómetros localizados en la Vega Media registraron caídas piezométricas de casi 5 m (Figura 3.43). El último periodo de descenso comenzó en 24 y dura hasta la actualidad. El nivel piezométrico ha alcanzado las mismas cotas que en los años noventa, incluso superándolas en algunas zonas localizadas. 156

161 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Mapa de distribución de sótanos y pozos de agua de la ciudad de Murcia en el año

162 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Figura Acequia colmatada de finos tras el vertido de agua procedente de un pozo de bombeo próximo (extraída de CHS, 27). Figura Hundimiento del terreno en el entorno de un pozo ilegal situado en la zona urbana de Murcia (extraídas de CHS, 27). 158

163 Capítulo III. Contexto geológico-geotécnico de la ciudad de Murcia Figura Subsidencia del terreno en el entorno de un pozo de bombeo (extraídas de CHS, 27) 159

164 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada 16

165 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia CAPÍTULO IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia En este capítulo se describen los parámetros empleados en el procesado interferométrico, se validan los resultados obtenidos y se analizan con detalle los factores desencadenantes y condicionantes de la subsidencia de la ciudad de Murcia. Además, se propone un modelo de cálculo de la subsidencia que se ha aplicado a diversos escenarios de descenso piezométrico con el fin de determinar las consecuencias que tendría en la edificación Aplicación de la técnica interferométrica diferencial avanzada CPT al estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia En el presente apartado se muestran los resultados obtenidos en el procesado interferométrico de la Vega Media del Segura, con especial atención a la ciudad de Murcia y su entorno metropolitano. Los resultados de subsidencia mostrados se refieren en la mayor parte de casos a los correspondientes al periodo temporal , aunque en los análisis espaciales se emplearán datos de deformación correspondientes a los periodos , 2-21 y 23-27, periodos en los que se produjeron las crisis piezométricas más importantes de los últimos años Procesado DInSAR de la ciudad de Murcia La zona estudiada de la Vega Media del Segura ha sido dividida en dos ventanas de procesado, una primera aproximadamente centrada en la ciudad de Murcia y una segunda situada al NE de la cuenca. Para el procesado interferométrico se han empleado un total de 81 imágenes SAR procedentes de los satélites ERS-1 (6 imágenes), ERS-2 (56 imágenes) y ENVISAT (19 imágenes) adquiridas entre abril de 1993 y marzo de 27, comprendiendo por tanto un periodo aproximado de catorce años. Con el fin de minimizar el tiempo de procesado y mejorar la coherencia se ha llevado a cabo una triangulación de Delaunay en tres dimensiones de los valores de baseline temporal, espacial y diferencia Doppler correspondientes a las imágenes disponibles, para así determinar el número óptimo de enlaces (interferogramas) existentes entre imágenes y poder así evitar cálculos redundante (Figura 4.1). A partir de esta triangulación (de las relaciones entre interferogramas) y haciendo uso de los algoritmos propuestos por Blanco et al., (26) se han seleccionado aquellos interferogramas que permiten optimizar el procesado. El número total de interferogramas obtenido ha sido de 185. Éstos cuentan con líneas de base (baselines) espaciales y temporales máximas de 25 m y 1 días (aproximadamente 2.7 años) respectivamente y una diferencia máxima de Doppler entre imágenes de 8 Hz. En el Anejo IV puede consultarse el listado de imágenes e interferogramas empleados en el procesado. a) b) Figura 4.1. (a) Ternas de valores correspondientes a las baselines espaciales, baselines temporales y diferencias de frecuencia Doppler, así como (b) triangulación de Delaunay de las imágenes. 163

166 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Esta parte del procesado se ha llevado a cabo haciendo uso del software Prisar desarrollado por la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Este programa informático funciona bajo entorno Linux y ha permitido realizar la corregistración de las imágenes SLC así como los interferogramas diferenciales y los mapas de coherencia (Figura 4.2). Para la sustracción de la topografía existente se ha empleado un Modelo Digital del Terreno (MDT) del Centro Nacional de Información Geográfica a escala 1: 25., que cuenta con una rejilla de datos de 25 x 25 m. a) b) c) d) Figura 4.2. a) Imagen de amplitud promediada a partir de imágenes disponibles entre el 17 de enero de 1998 y el 18 de diciembre de b) Coherencia diferencial (γ). c) Fase interferométrica ( ψ int ). d) Fase interferométrica diferencial ( ψ dif ) correspondientes al par de imágenes / de la ciudad de Murcia. Escalas: coherencia entre (totalmente incoherente) a 1 (perfectamente coherente); interferogramas entre -π y π radianes. Una vez elaborados los interferogramas diferenciales de todas las combinaciones de imágenes, el procesado continúa con el software Subsoft de la UPC. Este programa está especialmente desarrollado para la implementación de la técnica CPT (Mora, 24), descrita con más detalle en el Capítulo II de la presente memoria. El primer criterio de selección de los píxeles coherentes que se ha aplicado consiste en la búsqueda de aquellos puntos de los interferogramas en los que la coherencia (γ) era superior o igual a,6 en el 4% de los interferogramas, con un límite mínimo de.1. A continuación se han establecido otros dos niveles de selección cuyo umbral ha sido fijado en.5 y.4 en el 4% de los interferogramas. Posteriormente el propio software establece las triangulaciones de Delaunay correspondientes entre píxeles coherentes, fijándose para ello una distancia entre píxeles máxima de 1 m, distancia dentro de la que las condiciones atmosféricas se consideran invariables. A cada uno de los enlaces establecidos entre los diferentes píxeles coherentes se les atribuye una calidad en función de la capa de selección a la que pertenecen los píxeles de sus extremos (Figura 4.3a). El procesado se ha realizado mediante un multilook de 15 x 3 (azimuth x range) que degrada la resolución a píxeles de 6 x 6 m. 164

167 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia El siguiente paso del procesado consiste en el ajuste del modelo, para lo cual el programa establece un nuevo criterio de selección de píxeles en función del parámetro de coherencia del modelo (Ω). En este caso el valor umbral se estableció en.35. El ajuste del modelo proporciona los píxeles coherentes que definitivamente serán considerados en el resto del procesado, cuya triangulación se muestra en la Figura 4.3b. Una vez realizado este paso, la componente de la fase debida al movimiento lineal del proceso de subsidencia y la debida al error del MDT son conocidas, por lo que se obtiene el mapa de velocidad lineal y el de error del MDT (Figura 4.4). (a) (b) Figura 4.3. Triangulación de Delaunay de la ventana de procesado de Murcia: (a) inicial y (b) tras el ajuste del modelo. De izquierda a derecha: primera capa de selección (coherencia de.6 en el 4% de los interferogramas), segunda capa de selección (coherencia de.5 en el 4% de los interferogramas) y tercera capa de selección (coherencia de.4 en el 4% de los interferogramas). Los colores de los enlaces entre puntos coherentes indican la calidad del ajuste del modelo (verde:.5125>ω>.35; azul:.675>ω>.5125; rojo:.8375>ω>.675; negro: 1>Ω>.8375). Llegados a este punto, sólo resta determinar las componentes de la fase debido a la contribución atmosférica ( ψ atmos ), al ruido ( ψ noise ) y al movimiento no lineal ( ψ no-lineal ). La componente de ruido se determina mediante un filtrado espacial paso-bajo realizando un promediado de 1 x 1 píxeles. Posteriormente se aplica un filtro temporal paso-alto para aislar el término de la fase debido a la contribución atmosférica, que se muestra en la Figura 4.4. El residuo de la fase existente una vez realizado este paso corresponde a la deformación no lineal de baja resolución ( ψ no-lineal-slr ) (Figura 4.5). La fase correspondiente al movimiento no lineal de alta resolución ( ψ no-lineal-shr ) se obtiene generando un modelo de fase, considerando la información de deformación lineal, de deformación no lineal SLR, el error del MDT y la contribución atmosférica ya calculados, que se restan a la fase interferométrica diferencial (Figura 4.5). A partir de esta nueva fase se determina la deformación no lineal. 165

168 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura 4.4. De izquierda a derecha y de arriba abajo: Imagen de fase topográfica (interferograma sintético), de velocidad lineal de deformación, de error de MDT y de contribución atmosférica (imagen de ERS-1 correspondiente al ). Escalas: interferograma sintético entre -π y π; velocidad lineal entre -3 mm/año y 7 mm/año; error de MDT entre -57 y 55 m; contribución atmosférica entre -4 y 4 radianes. Finalmente, se obtuvo el movimiento total de la escena como suma de las componentes de movimiento lineal y no lineal obtenidas en los diferentes pasos descritos. Los resultados de deformación así calculados pasan a ser analizados en los apartados sucesivos. Figura 4.5. Imagen de las fases correspondientes al movimiento no lineal de baja ( ψno-lineal-slr) y alta ( ψno-lineal-shr) resolución. Escalas: entre -.95 y 2. radianes y y 6.2 radianes respectivamente. Los resultados del procesado obtenidos se exportan a un fichero de texto. Este fichero cuenta con los siguientes campos de información: o Identificador del píxel. o Columna y fila que definen la posición del CPT en la imagen SAR recortada. o UTM-X, UTM-Y, UTM-Z: Coordenadas Universal Transverse Mercator (UTM), Datum Europeo de 195, Huso 3N (ED5). o Coordenadas geográficas (longitud, latitud y cota) en formato decimal. 166

169 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia o o o o Velocidad lineal del píxel, en metros por año. Error de DEM, en metros. Coherencia media y desviación estándar de la coherencia del píxel correspondiente al periodo de tiempo analizado. Deformación acumulada (en metros) correspondiente a cada una de las fechas de adquisición de la imagen en formato decimal (en años). Los datos contenidos en la referida tabla de datos permiten llevar a cabo todo tipo de representaciones espaciales (x,y,valor) y temporales (fecha,valor) de las variables. La representación espacial de los resultados mostrados a continuación se ha llevado a cabo mediante el Sistema de Información Geográfica (SIG) ArcMap de Esri Distribución espacial de la subsidencia La distribución de subsidencia medida en la totalidad de la Vega Media del río Segura mediante la técnica CPT-DInSAR para el periodo temporal se muestra en la Figura 4.6. Como puede observarse en ella, durante el referido periodo de tiempo, que abarca aproximadamente 14 años, se ha producido una importante subsidencia generalizada en toda la cuenca sedimentaria del río Segura, con valores que llegan puntualmente hasta los 12 cm. Los mayores asientos absolutos se localizan en el S y SE de la ciudad de Murcia, así como en todo el corredor E del valle (localidades de El Raal y Beniel). En las zonas del borde Norte y Sur de la cuenca Media del Segura, coincidiendo con los relieves que delimitan la cuenca, puede diferenciarse una notable estabilidad de la superficie terrestre. El análisis espacial realizado con ayuda del SIG ArcGIS para los barrios y pedanías de la zona de estudio pone de manifiesto la existencia de importantes extensiones afectadas por asientos superiores a 5 cm en Aljucer, Bº del Progreso, Bº de la Victoria, El Canute, Ermita de los Remedios, Los Dolores, Molina de Nelva, Llano de Brujas, Patiño, Puentetocinos, San Ginés, San Roque, El Secano y Las Tejeras, entre otros. Asimismo se observa un predominio de la estabilidad del terreno en Agridulce, Alcantarilla, Campus de Espinardo, La Ñora, Los Garres, Guadalupe, Jabalí Nuevo, Jabalí Viejo y El Puntal, entre otros. En el Anejo V se muestran las distribuciones de subsidencia correspondientes a los diferentes barrios y pedanías de Murcia. Las Figuras 4.7 y 4.8 representan la distribución espacial y estadística, respectivamente, de la subsidencia acumulada medida mediante DInSAR en la ciudad de Murcia durante diferentes intervalos temporales. La Figura 4.7a muestra los valores de subsidencia medidos en la ciudad de Murcia entre 1993 y 1997, periodo que engloba la primera crisis piezométrica importante sufrida en la Vega Media. Como puede apreciarse (Figuras 4.7a y 4.8a), los asientos medidos fueron inferiores a 4 cm, afectando principalmente el S y SE de la ciudad. Un elevado porcentaje de píxeles coherentes localizados en la ciudad presentan valores de subsidencia dentro del intervalo ±1 cm. En la figura siguiente (Figura 4.7b) se representa la subsidencia acumulada desde 1993 hasta 21, tras la segunda crisis piezométrica. Esta crisis fue de menor entidad que la de principios de los años 9. Los asientos acumulados medidos desde 1993 alcanzaron en unos pocos píxeles los 5 cm, aunque la mayor parte de la ciudad es estable, con deformaciones inferiores a ±1 cm (Figura 4.8b). La Figura 4.7c representa las deformaciones correspondientes al periodo completo Por lo tanto, incluye las deformaciones ocurridas durante las crisis piezométricas del periodo y del Como puede apreciarse en el histograma de la Figura 4.8c, los valores de subsidencia en la ciudad fueron inferiores a 1 cm. La subsidencia media en los materiales detríticos de la Vega Media del Segura durante el periodo es de 2.5 y 2.4 cm, según se considere toda la zona procesada de la Vega Media del Segura o se limite a la ventana de procesado de la ciudad de Murcia. Los mismos valores obtenidos para el periodo son de.86 y.81 cm, respectivamente, y de 1.3 y 1.3 cm para el periodo

170 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada El Raal Beniel Murcia Río Segura Río Guadalentín Figura 4.6. Mapa de distribución de la subsidencia correspondiente al periodo de la Vega Media (sobre MDT). 168

171 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia a) b) Figura 4.7. Mapa de subsidencia de la ciudad de Murcia correspondiente a los periodos (a) , (b) y (c) c) 169

172 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Área afectada (Ha) Subsidencia (cm) 1.4 a) 4 35 Área afectada (Ha) Subsidencia (cm). b) 35 Área afectada (Ha) Subsidencia (cm) Figura 4.8. Distribución de la subsidencia en la ciudad de Murcia (a) , (b) y (c) en las zonas coherentes. 1. c) 17

173 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Las Figuras 4.9 a 4.11 muestran la subsidencia del terreno asociada a los tres periodos de crisis piezométrica conocidos. Las deformaciones que se produjeron durante el periodo , de gran duración y magnitud, afectaron a toda la ciudad, midiéndose deformaciones de hasta 4 cm en la zona Sur (Barrios de Barriomar, Buenos Aires, del Carmen, Nuestra Sra. de la Fuensanta e Infante Juan Manuel) y Este de la ciudad de Murcia (Vistabella, La Paz y San Juan) (Figura 4.9). La crisis piezométrica del periodo 2-21 fue de menor duración y magnitud que la anteriormente sufrida. Las deformaciones medidas durante este periodo también fueron menores (Figura 4.1) e inferiores a 1 cm, excepto en algunas localizaciones puntuales dispersas principalmente en el extrarradio de la ciudad, en las que se registraron deformaciones de hasta 2 centímetros. El último periodo de crisis corresponde a los años La caída piezométrica ha sido muy importante y de magnitud similar e incluso superior a la de los años noventa, aunque de menor duración temporal. Sin embargo, la velocidad de caída del nivel piezométrico ha sido mucho mayor, al igual que la recuperación de los niveles. Los valores de subsidencia medidos durante este periodo muestran una deformación generalizada de 1-2 cm que afecta principalmente al entorno de toda la ciudad (Figura 4.11). También se observan ciertas zonas en las que los asientos han alcanzado magnitudes de hasta 4 cm, como es el caso del sector situado al Norte y Oeste de la estación de ferrocarril (S de la ciudad) o el ubicado entre San Basilio y el Ranero, al NW de la ciudad. La Figura 4.12 muestra los histogramas de subsidencia correspondientes a los diferentes periodos de crisis piezométrica representados en los mapas de las Figuras 4.9 a Como puede observarse, las mayores deformaciones se registraron durante los años 9 (Figura 4.12.a), con asientos de hasta 4 cm. Los asientos máximos registrados en los otros dos periodos de crisis (Figuras 4.12 b y c) fueron de 2 y 3 cm respectivamente. Si bien cabe destacar que la crisis piezométrica del ultimo periodo persiste en la actualidad, por lo que no es de descartar la ocurrencia de asientos aún mayores. La Figura 4.13 muestra una serie de cortes trasversales de cuenca de dirección aproximada NW- SE (cortes 1 a 3) así como un corte longitudinal aproximadamente a lo largo del río (corte 4). En los diferentes cortes se muestra la topografía existente obtenida a partir del Modelo Digital del Terreno (MDT) 1:25. del CNIG, así como la evolución de los valores de subsidencia obtenida mediante DInSAR para diferentes periodos temporales. Como puede observarse, la cuenca, rellena por materiales detríticos finos menos consolidados, constituye una cubeta de asientos cuyos valores máximos se localizan en la ciudad de Murcia (Cortes 2 y 3) con valores superiores a los 6 cm, que disminuyen considerablemente hacia los bordes del valle. Cabe destacar la relativa estabilidad de las zonas de borde de la cuenca localizadas al NW y SE de la zona de estudio. No hemos de olvidar que los cortes han sido elaborados a partir de los mapas interpolados obtenidos a partir de los datos disponibles exclusivamente en los puntos coherentes mostrados en los mapas de las Figuras 4.9 a 4.11, de ahí que en aquellas zonas en las que no existen, o son escasos, puntos coherentes, los valores interpolados puedan diferir de los reales y mostrar tendencias anómalas, como es el caso de los bordes en los que la información ha sido extrapolada. También se ha realizado un análisis más detallado de la distribución espacial de la subsidencia. Para ello se han estudiado las deformaciones del terreno en las localidades de Algezares y Los Garres (Figura 4.14), Beniaján y Torreaguera (Figura 4.15), los barrios del sur de la ciudad de Murcia (Figura 4.16), Puentetocinos (Figura 4.17), los barrios del norte de Murcia (Figura 4.18), Espinardo y El Puntal (Figura 4.19), Guadalupe y La Ñora (Figura 4.2). Como puede observarse, al S de la cuenca, en las proximidades de los relieves montañosos de la Sierra de Carrascoy (Figuras 4.14 y 4.15), se diferencia una alineación que parece coincidir con el límite entre los materiales de la sierra y los rellenos de la cuenca que separa las zonas deformables de las estables. En general, las deformaciones mayores se producen en la zona de rellenos de llanura de inundación, donde, a pesar de la existencia de pocos puntos coherentes en los que estimar la deformación, los asientos en los píxeles disponibles están comprendidos entre 4 y 1 cm. En la propia montaña se observan también puntos coherentes, con movimientos de hasta 4 cm. Estas deformaciones se producen en las zonas de conos de deyección y canchales localizados en la propia ladera. Las localidades de Algezares y Los Garres (Figura 4.16) son muy estables, aunque las áreas situadas más al N (hacia el interior del valle) muestran mayores deformaciones, que incluso alcanzan los 4 cm. Sin embargo, Beniaján y Torreaguera exhiben una deformación generalizada (especialmente Beniaján) que puntualmente supera los 7 cm. 171

174 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura 4.9. Subsidencia de la ciudad de Murcia correspondiente al periodo temporal

175 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Figura 4.1. Subsidencia de la ciudad de Murcia correspondiente al periodo temporal

176 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Figura Subsidencia de la ciudad de Murcia correspondiente al periodo temporal

177 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia 6 (a) 4 # píxeles Subsidencia (cm) 6 (b) 4 # píxeles Subsidencia (cm) 6 (c) 4 # píxeles Subsidencia (cm) Figura Histogramas de distribución de subsidencia en la zona de estudio para los tres periodos de sequía experimentados en la Vega Media del Segura (Figura 4.23): (a) , (b) 2-21 y (c) En el caso concreto de Algezares, el IGME (1972) señala la existencia de una zona minera subterránea al S de la localidad, como consecuencia de la actividad extractiva de yesos, en la que se han producido diversos colapsos. En la zona minada no existen píxeles coherentes, por lo que este fenómeno no ha podido ser constatado. El mismo estudio señala la presencia de materiales margosos expansivos en la zona de la sierra de Carrascoy, lo que podría explicar el comportamiento ascendente de determinados píxeles situados en esta zona. 175

178 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Corte 1 Corte 2 Corte Corte Subsidencia (m) to to to to to.7.7 to.2.2 to.4.4 to Figura Cortes topográficos y de evolución de la subsidencia durante los periodos: 7/1994, 7/1995, 7/1997, 7/1999, 8/2, 8/23, 7/25, 9/26. Los gráficos han sido obtenidos a partir de los datos interpolados de los píxeles coherentes mostrados en el plano de planta. 176

179 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Las deformaciones medidas en el Sur de la ciudad de Murcia oscilan entre 4 y 8 cm (Figura 4.16). Como puede observarse, todo el Sur de la ciudad ha sufrido una deformación generalizada desde 1993 cuyo valor máximo es de 9.5 cm en la estructura de la Ronda Sur con la carretera N31, donde existe una acumulación considerable de puntos indicativos de una subsidencia importante. El Reguerón o Guadalentín Los Garres MU32 Algezares Figura Deformaciones acumuladas correspondientes al periodo en las localidades de Algezares y Los Garres. Analizando los valores de subsidencia por barrios observamos que existe una cubeta de asientos alargada que sigue de forma aproximada la carretera N31 y que se extiende por todo el barrio del Carmen en dirección a la Colonia de San Esteban (Figura 4.16). La magnitud máxima de los asientos producidos en esta cubeta es de 8.6 cm y se localiza al N de El Carmen. Otra cubeta de asientos de menor tamaño se localiza en Barriomar (Figura 4.16). La magnitud de los asientos máximos en esta zona es de 7.1 cm. Además de las zonas anteriormente descritas, existen numerosos focos de subsidencia de hasta 8.3 cm de magnitud dispersos por los barrios de Infante Juan Manuel, Nuestra Señora de la Fuensanta, Santiago El Mayor y Buenos Aires. En estos barrios, y especialmente en el barrio de Infante Juan Manuel, la tendencia predominante es la de aumentar la magnitud de los asientos con la distancia al río y hacia las proximidades de la Ronda Sur (desde 1 cm hasta 7 cm), donde los asientos vuelven a reducirse hasta los 1-4 cm. La zona norte de la ciudad de Murcia también ha sufrido una deformación acumulada considerable durante el periodo La zona que concentra mayor número de píxeles con deformaciones de 6-8 cm se localiza al E, ocupando los barrios de Vistabella, La Paz y San Juan (Figura 4.17). Esta zona constituye un cuenco de subsidencia con dos depocentros localizados al E y S del estadio de la Condomina y cuyo asiento máximo es de 7.4 cm. 177

180 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Torreaguera MU3 FF.CC. Beniaján Figura Deformaciones acumuladas correspondientes al periodo en las localidades de Beniaján y Torreaguera. Otro cuenco de subsidencia se sitúa al S del Jardín de la Seda, en el Barrio de San Andrés (Figura 4.17). La subsidencia máxima medida es de 6. cm y la zona subsidente presenta una geometría en planta prácticamente circular. En San Basilio y Santa María de Gracia también se diferencian dos cuencos subsidentes de geometría aproximadamente circular cuya subsidencia máxima es de 9. y 6.1 cm respectivamente (Figura 4.17). En la pedanía de Puentetocinos, al E de la ciudad, se ha medido una deformación acumulada generalizada de unos 5 cm. Como puede observarse en la Figura 4.18., la zona central de éste núcleo urbano es la que ha sufrido mayores deformaciones, con un valor máximo de subsidencia de 1.5 cm localizado al N de la carretera F-2. Hacia el río Segura, aunque la concentración de píxeles es menor y se encuentran más dispersos, también se han detectado asientos de hasta 8 cm. Las localidades asentadas sobre los pequeños cerros ubicados al N del valle muestran una clara estabilidad, con algunas zonas puntuales en las que las deformaciones no superan el centímetro (Figuras 4.19 y 4.2). En el caso de Espinardo y El Puntal las deformaciones medidas son siempre inferiores a 1 cm (Figura 4.19). Estos asientos son algo mayores a lo largo de la carretera que une estas localidades con Murcia, incrementándose según nos introducimos en la cuenca asentada sobre rellenos aluviales, donde su magnitud es próxima a los 2 cm. En las localidades de Guadalupe de Maciascoque, La Ñora y Jabalí Viejo (Figura 4.2) se observa una notable estabilidad, con deformaciones siempre inferiores al centímetro. En el Anejo V de la presente memoria se muestran los histogramas de distribución de deformaciones medidas mediante DInSAR en los diferentes barrios y partidas municipales de Murcia. 178

181 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Infante Juan Manuel El Carmen Barriomar Buenos Aires Nuestra Sra. De la Fuensanta Colonia de San Esteban Santiago el Mayor Ronda Sur N31 Patiño El Progreso Figura Deformaciones acumuladas correspondientes al periodo en el S de la ciudad de Murcia. Santiago y Zaraiche El Ranero Santa María de Gracia Vistaalegre San Basilio San Antón Plaza Circular La Fama La Flota Molino del Nelva San Miguel La Paz San Andrés San Antolín Vistabella San Juan Figura Deformaciones acumuladas correspondientes al periodo en el N de la ciudad de Murcia. 179

182 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada N34 F-2 Río Segura Figura Deformaciones acumuladas correspondientes al periodo en la localidad de Puentetocinos. El Puntal Espinardo N31 Figura Deformaciones acumuladas correspondientes al periodo en Espinardo y El Puntal. 18

183 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia N-34 Guadalupe de Maciascoque La Ñora Jabalí Viejo Figura 4.2. Deformaciones acumuladas correspondientes al periodo en las localidades de Guadalupe de Maciascoque, La Ñora y Jabalí Viejo Distribución temporal de la subsidencia La Figura 4.21 muestra la subsidencia media obtenida a partir de la evolución de la deformación de todos los píxeles coherentes existentes en la ciudad desde el año 1993 hasta la actualidad. Como puede observarse en la figura, la tasa de deformación fue máxima durante el periodo de sequía de mediados de los años 9 (periodo 1993 a 1997) con una velocidad media de 6 mm/año. A partir de este año (periodo 1997 a 24) la tasa de subsidencia fue algo menor (3 mm/año). Finalmente, se observa un incremento considerable de la tasa de deformación, correspondiente al periodo y coincidiendo con el último periodo de sequía vivido en la cuenca. También pueden distinguirse una serie de ciclos de duración aproximadamente anual en los que hay una ligera recuperación de la subsidencia para posteriormente volver a decaer. Estos ciclos se manifiestan con más nitidez en los periodos en los que el nivel piezométrico no está excesivamente influenciado por los bombeos, dado que es en estas épocas cuando el ciclo estacional hace predominar los cambios de nivel piezométrico frente a otras causas. En épocas de gran intensidad de bombeo y depresión de los niveles de agua, la influencia estacional es mucho menor, quedando sometida a los efectos de la depresión de nivel por bombeo. La Figura 4.22 representa los histogramas de evolución temporal de la subsidencia en los puntos coherentes del área estudiada. Como puede observarse, los valores de subsidencia responden aproximadamente a distribuciones normales cuya media se desplaza hacia la izquierda (valores de deformaciones menores equivalen a mayor subsidencia) según se incrementa el periodo temporal. 181

184 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada.1 43 Subsidencia media (m) Nivel piezométrico (m.s.n.m) Deformación media Nivel piezométrico Tiempo Figura Evolución temporal de la subsidencia media de la ciudad de Murcia frente a la evolución piezométrica en un punto situado al SW de la ciudad. Las Figuras 4.23 y 4.24 muestran la evolución temporal de la subsidencia y de los niveles piezométricos en la ciudad de Murcia, respectivamente. Hay que indicar que los mapas de nivel piezométrico se han obtenido mediante una interpolación de los datos disponibles en cada uno de los piezómetros localizados en el área de estudio. Como puede observarse, la interpolación se ha limitado a la zona de la ciudad para evitar zonas sin registros piezomético que desvirtuasen los valores reales de piezometría debido a la extrapolación realizada en las áreas sin información. En el Anejo VI se incluyen los mapas de nivel piezométrico interpolado de la ventana de estudio para el periodo por trimestres. El origen de medida de las deformaciones mostradas en la Figura 4.23 corresponde al mes de abril de Al analizar la distribución de la subsidencia a lo largo del tiempo observamos que en noviembre de 1993, tan solo siete meses después, la zona que mayores deformaciones verticales había sufrido fue el Barrio de Los Dolores, al SE de la ciudad, con asientos siempre inferiores a 4 cm. En julio de 1995 se observa una subsidencia generalizada de la ciudad con asientos comprendidos entre 1 y 4 cm. En julio de 1997 la distribución de subsidencia acumulada es muy similar a la del periodo anteriormente referido, aunque con un mayor número de píxeles indicativos de valores de subsidencia de hasta 4 cm. En julio de 1999 la subsidencia acumulada era mayor al E de la ciudad (barrios de Vistabella, La Paz, La Flota). Además, comenzaron a desarrollarse de forma localizada nuevos focos de subsidencia distribuidos sobre todo al S del río Segura. En 21 los barrios del E de la ciudad antes mencionados habían sufrido asientos acumulados de hasta 6 centímetros. También se observa en este mismo periodo de tiempo un cuenco de subsidencia al S de la ciudad, en el barrio de El Carmen, en el que el asiento máximo era de 8 cm. Los asientos acumulados del terreno en el año 23 llegaron a alcanzar magnitudes de hasta 8 cm al E y S de la ciudad. La amplitud de las zonas afectadas por estos asientos se fue incrementando lentamente hasta el año 25, donde el número de píxeles con asientos importantes al S y E de la ciudad era algo mayor que en el periodo anterior. 182

185 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia.6 Frecuencia (%) Subsidencia (m) Figura Evolución de los valores de subsidencia para diferentes periodos de tiempo. Finalmente, en marzo de 27 prácticamente todo el S, E y NE de la ciudad contaba con asientos acumulados desde 1993 de hasta 8 cm, con valores puntuales de deformación de 12 cm. Los niveles piezométricos (Figura 4.24) muestran un gradiente horizontal de sentido SW-NE que parece coincidir con el curso del río Segura durante los periodos de estabilidad piezométrica (Julio de 1997, julio de 1999, enero de 22, julio de 23 y julio de 25). Sin embargo, durante el periodo de sequía los descensos fueron importantes en todo el valle. Aunque no se dispone de suficientes datos piezométricos como para elaborar mapas de piezometría con anterioridad al año 1995, los niveles de octubre de 1995 ya muestran anomalías, con diferencias máximas respecto a los niveles de equilibrio de hasta 5-6 m. En el mapa correspondiente a esta época pueden diferenciarse hasta 3 conos de depresión piezométrica (Figura 4.24). El más importante se localiza al E de la ciudad, afectando a los barrios de La Flota, San Juan, La Paz, Vistabella y N de Infante Don Juan Manuel. Los otros dos conos de depresión se localizan al NW de la Plaza Circular y en el barrio Infante Don Juan Manuel respectivamente. Desafortunadamente no existen datos piezométricos en los pozos municipales en el periodo 2-21, por lo que no se ha podido elaborar un mapa de niveles piezométricos durante este periodo. El último periodo con anomalías piezométricas corresponde a El mapa de octubre de 26 muestra cotas piezométricas incluso inferiores a las del periodo de la primera crisis (octubre de 1995). Las cotas más bajas de nivel piezométrico se localizan al E de la ciudad de Murcia coincidiendo con Puentetocinos, Zarandona y E del barrio de la Flota. También se observa la presencia de un cono de depresión en las proximidades de la estación de ferrocarril que afecta el E de Barriomar y la Colonia de San Esteban. En el apartado 4.3 se volverá a analizar con mayor detalle la relación entre el nivel piezométrico y la subsidencia a través de los descensos piezométricos. 183

186 Figura Evolución temporal de la subsidencia (en m) en la ciudad de Murcia.

187 Figura Mosaico de mapas de nivel piezométrico interpolado (en m) de la ciudad de Murcia.

188 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Valores de subsidencia estimados por diferentes autores En este apartado se exponen los valores de subsidencia estimados por diferentes autores para la ciudad de Murcia. Los primeros trabajos sobre la subsidencia de Murcia fueron llevados a cabo por De Justo y Vázquez (1999) y Vázquez (21). En estos trabajos se calculan diversas soluciones para la estimación de la consolidación unidimensional del suelo debida a las variaciones de nivel piezométrico en algunos puntos de la ciudad de Murcia, empleando para ello parámetros geotécnicos del terreno obtenidos a partir de ensayos de laboratorio realizados sobre muestras inalteradas de suelo. Los asientos calculados por estos autores para las diferentes soluciones obtenidas estaban comprendidos entre 2.59 cm y cm. Arroyo (21) también empleó una metodología estadística basada en el método de Monte Carlo, utilizando para ello parámetros geotécnicos y soluciones basadas en la teoría unidimensional de Terzaghi, obteniendo una distribución de asientos, aproximadamente lognormal, comprendida entre.5 y 96.5 cm, con una media de 9.2 cm, una moda de.7 cm y una mediana de 6.9 cm. Además, concluye que el 9% de los asientos son inferiores a 18.2 cm, el 8% de los asientos es inferior a 13 cm, el 7% de los asientos son menores de 1 cm, el 4% está comprendido entre.5 y 5.77 cm, siendo estos últimos más acordes con la realidad. El IGME (2b), en Martínez et al. (24), también estudió la subsidencia del terreno de toda la Vega Media del Segura para diferentes escenarios de variación de nivel freático mediante el programa Zsoil v Los resultados obtenidos para la ciudad de Murcia se sintetizan en la Tabla 4.1. Tabla 4.1. Síntesis de resultados de simulación de la subsidencia de la ciudad de Murcia para diferentes escenarios de descenso piezométrico (IGME, 2b). Descenso piezométrico (m) 5 m 1 m 15 m 2 m 25 m Subsidencia (cm) Como puede desprenderse de la Tabla 4.1, los asientos máximos que tendrían lugar en el supuesto de que el nivel piezométrico descendiera unos 25 m, valor que aproximadamente corresponde con la potencia máxima de materiales deformables por encima de las gravas, se estiman en 1 cm como máximo. Como veremos en apartados posteriores, la crisis piezométrica de los años 9 generó caídas piezométricas de 6-8 m. Según los cálculos del IGME (2b), la subsidencia ocasionada por este descenso debería estar comprendida entre.85 y 3.99 cm, pudiéndose comprobar en la Figura 4.8a, que los valores medidos mediante CPT-DInSAR para ese periodo son de este orden de magnitud Tipos de comportamiento frente a la deformación Según la evolución de los asientos en el tiempo se han diferenciado tres tipos de comportamientos: estabilidad, subsidencia y levantamiento. Los puntos estables corresponden a zonas en las que a lo largo de todo el periodo estudiado no se ha producido deformación. En estos puntos se han medido deformaciones inferiores a ±1 cm (Figura 4.25.a). Este tipo de comportamiento se observa principalmente en los relieves de la periferia (al N y S de la cuenca) además de en unos pocos píxeles distribuidos por la ciudad y su entorno. El segundo tipo de comportamiento corresponde a zonas en las que la tendencia general del píxel es la de sufrir un hundimiento progresivo. Según la magnitud del asiento final se han diferenciado zonas con deformaciones inferiores a 4 cm (Figura 4.25.b), zonas con deformaciones de hasta 7 cm (Figura 4.25.c) y zonas con deformaciones extremas de hasta 12 cm (Figura 4.25.d). Este comportamiento se observa en las zonas de relleno sedimentario de la cuenca. Sin embargo, dentro de los rellenos sedimentarios, la distribución de estos comportamientos no está, en general, claramente definida, existiendo zonas de relativa poca magnitud en las que se diferencia un patrón concéntrico de deformación que genera una cubeta de asientos con valores máximos en el centro de la misma. Estos asientos disminuyen según nos alejamos del centro de la cubeta. 186

189 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Subsidencia (m) ene-93 ene-94 ene-95 ene-96 ene-97 ene-98 ene-99 ene- ene-1 ene-2 ene-3 ene-4 #136 #787 #11218 ene-5 ene-6 ene-7 ene-8 Subsidencia (m) ene-93 ene-94 ene-95 ene-96 ene-97 ene-98 ene-99 ene- ene-1 ene-2 ene-3 ene-4 ene-5 #7512 #413 #415 ene-6 ene-7 ene-8 a b Subsidencia (m) ene-93 ene-94 ene-95 ene-96 ene-97 ene-98 ene-99 ene- ene-1 ene-2 ene-3 ene-4 ene-5 #6945 #7533 #4624 ene-6 ene-7 ene-8 Subsidencia (m) ene-93 ene-94 ene-95 ene-96 ene-97 ene-98 ene-99 ene- ene-1 ene-2 ene-3 ene-4 ene-5 #11431 #8378 #3368 ene-6 ene-7 ene-8 c d #113 #1366 #2375 e ene-93 ene-94 ene-95 ene-96 ene-97 ene-98 ene-99 ene- ene-1 ene-2 ene-3 ene-4 ene-5 ene-6 ene-7 ene-8 Figura Tipos de comportamiento diferenciados: a) Píxeles estables; b), c) y d) Píxeles subsidentes; y e)píxeles con levantamiento. Como puede observarse del análisis de estas gráficas (Figuras 4.25.b a 4.25.d) y ya se ha señalado anteriormente, en la mayor parte de los casos existen pequeños ciclos dentro de la tendencia general subsidente en los que se observa una recuperación positiva de la deformación, de menor magnitud que la deformación previa. Estas recuperaciones podrían estar relacionadas con ciclos de elevación del nivel piezométrico capaces de generar una recuperación elástica del acuitardo. También cabe destacar que el comportamiento no es siempre el mismo a lo largo del tiempo. Evidentemente, estas diferencias se deben al diferente régimen piezométrico existente en cada zona, las diferentes litologías existentes, la relación acuífero-acuitardo, las propiedades geotécnicas de los materiales, la proximidad de zonas de extracción de agua, etc. Por último, se encuentran los píxeles con levantamiento (Figura 4.25.e). La mayor parte de estos píxeles muestran elevaciones inferiores a 2 cm y se localizan en los relieves del N (especialmente NE) y S 187

190 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada del valle. Aunque no se ha podido disponer de muestras inalteradas de los suelos presentes en estas áreas, el Mapa geotécnico y de riesgos geológicos para ordenación urbana de Murcia (IGME, 1972) califica los materiales margosos presentes en estas áreas como potencialmente expansivos. Robles (comunicación personal) ha reconocido suelos expansivos en la zona de Altoreal y Molina de Segura al N y en Sangonera la Verde al S, por lo que no es de descartar que estos movimientos ascendentes de pequeña magnitud en materiales margosos se deban a fenómenos de expansividad. En el interior de la cuenca se han medido también levantamientos del terreno de magnitud inferior al centímetro como consecuencia de la recuperación, supuestamente elástica, de los materiales de relleno de la cuenca durante los periodos de elevación piezométrica. No obstante, el movimiento general correspondiente al periodo en esta zona es negativo (subsidencia) Validación de los resultados CPT Una vez realizado el procesado interferométrico de la zona de estudio y conocidas las deformaciones (temporal y espacialmente), debemos validar dichos resultados para detectar, si así fuera, comportamientos o valores anómalos que nos alertaran de la existencia de errores en la elección de los parámetros de cálculo o en el propio procesado. La validación se ha realizado comparando puntualmente las deformaciones obtenidas a partir del procesado DInSAR con las lecturas de deformación instrumentales in situ. La coincidencia aceptable entre ambos tipos de lecturas nos permitirá aceptar como buenos los resultados DInSAR obtenidos para toda el área de estudio. Tal y como se describe en el Capítulo III de la presente memoria, el IGME instaló en el año 21 un total de 22 extensómetros (16 de varilla y 6 incrementales) a profundidades comprendidas entre y 2.8 metros. De todos ellos, actualmente sólo 15 están operativos. Los extensómetros de varilla se miden con comparadores mecánicos cuya resolución es de.1 mm, siendo su precisión del orden de ±.5 mm. Los extensómetros incrementales emplean sistemas eléctricos de medida que proporcionan precisiones finales de ±.1 mm. Se ha estudiado la evolución temporal de la subsidencia medida mediante ambas técnicas, CPT y extensómetros, durante el periodo Para realizar la comparación entre ellas se ha proyectado la lectura extensómetrica sobre la Línea de Vista (LOS) del satélite, y se ha interpolado el primer valor de subsidencia obtenido mediante extensómetros en el gráfico de valores de deformación proporcionado por la técnica DInSAR. Posteriormente se han determinado las diferencias entre ambas gráficas, obteniendo así el error medio (considerando el signo de la diferencia entre ambas lecturas) y el error medio absoluto, con sus respectivas desviaciones estándar. Dado que se disponía del procesado DInSAR mediante la técnica CPT, objeto de esta tesis doctoral, y también mediante la técnica SPN (Stable Point Network), se han empleado también los datos de este segundo procesado para compararlos con los resultados obtenidos mediante CPT y con los valores instrumentales proporcionados por los extensómetros. El procesado SPN ha sido llevado a cabo en el marco del proyecto europeo Terrafirma, habiendo sido procesado por Altamira y el IGME (Terrafirma, 28). La técnica SPN es también un método avanzado de interferometría que se basa en criterios de estabilidad de la intensidad de los reflectores permanentes para la selección de los mismos. Dado que estos resultados sólo se han empleado para comparar los resultados obtenidos mediante esta técnica con las medidas instrumentales y las medidas CPT, no se profundizará más en los fundamentos de la técnica. Para más información sobre la técnica SPN y los parámetros empleados en el procesado pueden consultarse Arnaud et al. (23) y Herrera et al. (28). Los resultados obtenidos al comparar las lecturas extensométricas con las lecturas obtenidas de los procesados DInSAR CPT y SPN se resumen en las Tablas 4.2, 4.3 y 4.4. En el Anejo VII se incluyen también los gráficos de evolución de las lecturas realizadas mediante extensómetros, CPT y SPN Comparación con medidas instrumentales Como puede apreciarse a simple vista en las figuras incluidas en el Anejo VII, la coincidencia de lecturas entre ambas técnicas (extensómetros y CPT) es buena en general, aunque existen algunos puntos en los que ambas técnicas difieren de forma considerable, como son en los extensómetros V1, V4 y Ei6. 188

191 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia La Tabla 4.2 muestra la estadística obtenida de la comparación de los datos obtenidos al aplicar la técnica CPT y los datos instrumentales proporcionados por los extensómetros. La segunda columna indica el espesor de suelo blando, susceptible de sufrir procesos de consolidación ante cambios piezométricos, medido a partir de las columnas litológicas disponibles en los sondeos instrumentados mediante extensómetros o a partir de columnas litológicas de sondeos próximos disponibles. Este valor resulta de gran interés para compararlo con los datos de la siguiente columna, que recoge la profundidad instrumentada mediante los extensómetros. Las cuatro columnas sucesivas corresponden al error medio y medio absoluto con sus respectivas desviaciones estándar de las dos series temporales de datos (deformación CPT y extensómetros). En la siguiente columna de datos se incluye la distancia disponible entre el centro del píxel coherente considerado y el extensómetro. Hay que tener en cuenta que el píxel es cuadrado, con 6 de lado, por lo que si la distancia del extensómetro al centro del píxel es aproximadamente mayor de 43 m, podremos afirmar con toda seguridad, que el extensómetro se localiza fuera del píxel, y por lo tanto, proporciona las medidas de deformación de una zona próxima al extensómetro. Las últimas columnas corresponden a la coherencia media y el error de MDT obtenidos del procesado interferométrico. Estos parámetros proporcionan una idea de la calidad del procesado. Coherencias elevadas indican estabilidad de la señal mientras que errores de MDT bajos son igualmente indicativos de un buen ajuste del modelo a los datos interferometricos. Hechas las aclaraciones pertinentes, en la Tabla 4.2 observamos que el error medio de la comparación CPT-extensómetros es de -2.6 ± 4.7 mm. Este error se incrementa hasta 4.5 ± 4.1 mm si consideramos los valores absolutos de las diferencias entre ambas técnicas de medida. La diferencia máxima entre ambos tipos de medida es de -9. mm. Por tipos de extensómetros observamos que el error medio absoluto es de 4.4 ± 4. mm para los extensómetros de varilla mientras que este error se incrementa ligeramente hasta 4.9 ± 4.3 mm en el caso de los extensómetros incrementales. En la misma tabla, podemos observar que los errores medios son siempre negativos excepto para los extensómetros V5 y V6, en los que prácticamente coinciden las medidas de ambas técnicas, y el extensómetro V1, en el que las deformaciones CPT son menores que las instrumentales. Aunque se han intentado correlacionar entre sí, no se ha determinado ninguna relación entre los errores medios y los parámetros mostrados en la tabla: subsidencia, distancia (medida desde la posición del extensómetro hasta el centro del píxel coherente de tamaño 6 x 6 m), coherencia y error de MDT. Las diferencias observadas entre ambos tipos de lectura (medidas instrumentales frente a medidas DInSAR) pueden deberse a diversos motivos. La primera causa posible es que los extensómetros miden las deformaciones a lo largo de la profundidad a la que se instalan. Es decir, que miden la subsidencia exclusivamente de la columna de suelo que atraviesan, y dado que prácticamente ningún extensómetro alcanza el primer nivel de gravas indeformables, es posible que exista una porción de la subsidencia total de la superficie del terreno que no se mide. Por el contrario, las técnicas interferométricas determinan la deformación absoluta de los blancos situados en la superficie del terreno y, por lo tanto, de todas las capas de suelo que componen el acuífero hasta llegar al substrato geotécnico. Esta hipótesis parece estar en aparente contradicción con el hecho de que la subsidencia es máxima en la superficie y disminuye con la profundidad, tal y como se ha visto en el Capítulo III y en el Anejo III en el que se muestran las variaciones de las lecturas con la profundidad, por lo que el espesor final de la columna de suelo no instrumentada no sería suficiente como para explicar el defecto de deformación medido con interferometría. Una segunda hipótesis para explicar estas diferencias se debe al propio fundamento de la técnica interferométrica. Como ya se explicó en el Capítulo II, la señal reflejada por cada píxel al satélite es la suma de las señales devueltas por cada uno de los blancos existentes en la escena. Los elementos reflectantes pueden ser huecos de ventana de edificios, elementos salientes de edificios, triedros generados por la intersección de dos muros perpendiculares y el suelo, arquetas de registro, etc. Por tanto, la medida realizada por el satélite puede no referirse exactamente al movimiento del terreno sino al de algún otro blanco localizado sobre éste cuyo movimiento difiera del de la subsidencia del terreno instrumentada, ya que el extensómetro se instala en un sondeo realizado en el terreno, y siempre mide la deformación de la columna de suelo que atraviesa. Además, varias de las comparaciones realizadas corresponden a extensómetros localizados fuera del píxel disponible. Por lo tanto, en algunos casos concretos podemos estar midiendo deformaciones diferentes con cada uno de los sistemas. 189

192 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Una tercera hipótesis, que posteriormente se volverá a retomar, se fundamenta en el hecho de que, aparte de aquellos puntos en los que la coincidencia entre ambas técnicas es muy mala debido a alguna de las causas ya mencionadas, las deformaciones medidas con los extensómetros a partir de septiembre de 25 en algunos casos y julio de 26 en otros, son en general menores que las proporcionadas por la técnica CPT. La causa de esta diferencia podría ser el comienzo de la extracción de agua desde capas más profundas con motivo de la inauguración de la batería de pozos de sequía, ocasionando la consolidación de capas más profundas, situadas por debajo del primer nivel de gravas y, en consecuencia, no instrumentadas mediante los extensómetros. Los primeros pozos de sequía comenzaron a ejecutarse en agosto de 25 (CHS, 27), por lo que dicha subsidencia adicional medida mediante CPT podría deberse a la consolidación de capas de terreno más profundas. Por último, hemos de tener en cuenta el error de las técnicas, tanto interferométricas como instrumentales, que pueden ocasionar desviaciones respecto a las deformaciones realmente existentes. Cualquiera de las explicaciones dadas, o un cúmulo de ellas, podría justificar las diferencias observadas entre los extensómetros y la técnica CPT. Sin embargo, si la comparación entre las diferencias de la deformación proporcionadas por ambas técnicas la llevamos a cabo dividiendo el periodo de comparación en dos subperiodos, la tercera explicación parece tomar fuerza debido a la mayor coincidencia entre ambas lecturas. Para ello se ha calculado la diferencia media absoluta correspondiente al periodo anterior a septiembre de 25 (puesta en marcha de los primeros pozos de sequía que bombean agua desde el acuífero profundo), resultando un valor medio de 3.2 ± 2.7 mm. Para este mismo periodo la diferencia media ha sido de -1.6 ± 3.3 mm con diferencias máximas de 6.8 mm. Estos valores son inferiores a los calculados para el periodo instrumentado completo Comparación con medidas SPN La Tabla 4.3 muestra los valores estadísticos de las comparaciones realizadas para las series temporales de datos obtenidas mediante el procesado SPN e instrumental. El significado de los parámetros mostrados en la tabla es el mismo que el empleado para la Tabla 4.2, con la peculiaridad del significado teórico de los parámetros de coherencia media y error de MDT que adoptan en el caso de la técnica SPN y que puede ser consultado en Arnaud et al., (23). Los resultados de deformación obtenidos mediante la técnica SPN han servido para realizar una doble comparación estadística. Por un lado, se han comparado las deformaciones SPN-DInSAR con las deformaciones instrumentales proporcionadas por los extensómetros. En segundo lugar se han comparado las deformaciones SPN con las CPT. La técnica SPN proporciona errores medios absolutos (Tabla 4.3) entre las medidas instrumentales y sus estimaciones de 5.9 ± 4.1 mm y errores medios de -3.1 ± 5. mm. La diferencia máxima entre ambas técnicas es de mm. Desafortunadamente, la última imagen del procesado SPN corresponde al 22 de octubre de 25, por lo que no ha podido confirmarse la falta de coincidencia entre las medidas proporcionadas por la técnica SPN y las medidas del espesor instrumentado mediante extensómetros del mismo modo en que se ha hecho con las deformaciones CPT. La comparación entre los valores de deformación determinados mediante las dos técnicas interferométricas disponibles se ha realizado en los mismos términos que en los apartados anteriores. La comparación se ha realizado para el intervalo de tiempo en el cual se solapan ambos procesados y que se encuentra comprendido entre Febrero de 21 y Octubre de 25. Los resultados de dicha comparación se muestran en la Tabla 4.4. Los errores medios absolutos entre ambas técnicas son de 7.5 ± 4.8 mm y errores medios de -.4 ± 5.4 mm. La diferencia máxima entre ambas técnicas es de mm. Es importante destacar el hecho de que la técnica SPN puede proporcionar diversos puntos estables o persistentes (PS) dentro de un mismo píxel correspondiente al procesado CPT. La estadística y las comparaciones mostradas corresponden siempre al mejor punto persistente de los existentes dentro del píxel considerado, entendiendo éste como aquel cuyo comportamiento deformacional en el tiempo presenta una mayor coincidencia con el del extensómetro más próximo. Herrera et al. (28) estudiaron con mayor detalle este hecho, observando que algunos PSs reproducen el movimiento de elementos elevados y no del suelo, por lo que resulta necesario, a la hora de llevar a cabo la comparación directa, seleccionar los PSs que proporcionan la respuesta deformacional del suelo. 19

193 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Tabla 4.2. Estadística correspondiente a la comparación temporal de los datos de deformación CPT y extensométrica durante el periodo de Febrero de 21 a Marzo de 27.Los datos de espesor de suelo blando marcados con asterisco han sido obtenidos directamente de la columna litológica del sondeo extensométrico. El resto de espesores han sido determinados a partir de sondeos geotécnicos próximos a los extensómetros. Extensómetro Espesor/Profundidad (m) Suelo Extens. Error medio, µ (mm) CPT-Ext Desv. est. del error medio (mm), σ Error medio absoluto, ε (mm) CPT-Ext Desv. est. del error medio absoluto, (mm) Distancia del extensómetro al píxel CPT (m) Coherencia media (γmedia) Error de MDT (m) Ei Ei * Ei Ei-4 >22.* Ei-6 >15.* V V V V V V V V V V PROMEDIOS MÁXIMO MÍNIMO

194 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Tabla 4.3. Estadística correspondiente a la comparación temporal de los datos de deformación SPN y extensométrica durante el periodo de Febrero de 21 a Octubre de 25. Los datos de espesor de suelo blando marcados con asterisco han sido obtenidos directamente de la columna litológica del sondeo extensométrico. El resto de espesores han sido determinados a partir de sondeos geotécnicos próximos a los extensómetros. Extensómetro Espesor/Profundidad (m) Suelo Extens. Error medio, µ (mm) SPN-Ext. Desv. est. del error medio (mm), σ Error medio absoluto, ε (mm) SPN-Ext. Desv. est. del error medio absoluto (mm) Distancia del extensómetro al píxel SPN (m) Coherencia media Error de MDT (m) Ei Ei * Ei Ei-4 >22.* Ei-6 >15.* V V V V V V V V V V PROMEDIOS MÁXIMO MÍNIMO

195 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Tabla 4.4. Estadística correspondiente a la comparación temporal de los datos de deformación CPT y SPN durante el periodo de Julio de 1995 a Octubre de 25. Extensómetro Error medio, µ (mm) CPT-SPN Desv. est. del error medio (mm), σ Error medio absoluto, ε (mm) CPT-SPN Desv. est. Del error medio absoluto (mm) Ei Distancia del Coherencia media Error de MDT (m) píxel CPT al píxel SPN (m) CPT SPN CPT SPN Ei Ei Ei Ei V V V V V V V V V V PROMEDIOS MÁXIMO MÍNIMO

196 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR Diferencial (DInSAR) avanzada Comparación de las precisiones conseguidas con datos bibliográficos Numerosos autores han realizado comparaciones similares a la realizada en esta tesis doctoral, comparando medidas instrumentales, topográficas o geodésicas con deformaciones obtenidas mediante técnicas DInSAR. La Tabla 4.5 incluye un resumen de los resultados obtenidos por diversos autores para cada uno de los casos estudiados. Como puede apreciarse, las técnicas interferométricas e instrumentales empleadas son diferentes en cada caso. Los procesos monitorizados corresponden en todos los casos a subsidencia, aunque de distinto origen (minera, tectónica y por extracción de agua), por lo que las velocidades de los procesos son también diferentes, oscilando entre 6 y 29 mm/año. Las diferencias absolutas y los errores resultantes de la comparación, entre las técnicas interferométricas e instrumentales, realizada por estos autores son del mismo orden de magnitud que las obtenidas en el procesado realizado en esta tesis doctoral Análisis de los factores condicionantes y desencadenantes de la subsidencia. En este apartado se analiza espacialmente las relaciones existentes entre: los factores desencadenantes de la subsidencia, es decir, aquellos que provocan variaciones en las condiciones de estabilidad y pueden romper el equilibrio existente en el suelo (como son la posición y volumen de agua extraída de pozos de bombeo, localización de sótanos, el río Segura y los sistemas de acequias -o azarbes- existentes), los factores condicionantes, es decir, todos aquellos elementos propios del medio que hacen posible la ocurrencia del fenómeno (como son los espesores de suelo blando, la posición de la antigua ciudad y la litología existente), los efectos causados por la subsidencia (como son los daños en edificaciones) y la magnitud de la subsidencia del terreno. Para llevar a cabo este análisis espacial se ha empleado un Sistema de Información Geográfica (SIG) que permite realizar las operaciones espaciales oportunas mediante las herramientas disponibles. El SIG empleado ha sido el Idrisi Andes de los Laboratorios Clark, aunque los mapas obtenidos han sido exportados a Arcmap de Esri para una salida gráfica más estética. Previo a la realización de los análisis espaciales, se han digitalizado todas las variables consideradas en los mismos. Esta digitalización se ha hecho directamente en ArcMap, en Cartalinx o en Autocad, dependiendo del formato en el que se disponían los datos y la naturaleza topológica de los mismos. El tamaño de píxel empleado en los análisis es de 6 x 6 m, dado que coincide con el tamaño de píxel del procesado interferométrico. Todas las entidades vectoriales (sótanos, pozos, río y azarbes) han sido convertidas a formato ráster mediante la función Rastervector de Idrisi. Esto implica que las entidades puntuales (pozos) quedan representadas mediante un píxel de 6 x 6 m, las lineales (río y azarbes) mediante sucesiones de píxeles con la misma resolución de 6 x 6 m y los polígonos (sótanos) mediante grupos de píxeles del mismo tamaño. A su vez, las propiedades discontinuas, como el caudal de bombeo, o aquellas que, aunque son continuas, sólo se conocen en una serie de puntos, como es el caso de los espesores de arena y suelo blando disponibles en los puntos en los que existen sondeos geotécnicos, se han interpolado con el fin de poder llevar a cabo el análisis estadístico para todos los puntos de la ventana temporal de estudio. Otra consideración a tener en cuenta es que algunos de los datos empleados son variables en el tiempo, como es el caso de los caudales de bombeo, que pueden ser continuos o intermitentes. A su vez, algunos de los inventarios de pozos empleados en los análisis son incompletos o simplemente aproximados debido a la metodología empleada para su elaboración en el campo. En consecuencia, estos datos adolecen, por lo general, de una imprecisión que en ocasiones puede llegar a ser importante. La digitalización de las entidades, su rasterización y conversión en píxeles o grupos de píxeles de 6 x 6 m, la interpolación de los datos, la variación temporal de algunas propiedades y la imprecisión de otras inducen, de forma inevitable, una serie de errores que pueden incidir de forma directa en la calidad de los análisis estadísticos. 194

197 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Tabla 4.5. Resumen de precisiones y errores obtenidos por diferentes autores en distintas zonas mediante el empleo de diversas técnicas de procesado interferométrico (modificado de Herrera et al., 28) Referencia Lugar Velocidad (mm/año) Técnica DInSAR Técnica instrumental Nº píxeles Error de la velocidad Diferencia absoluta (mm) % Error (mm) % Herrera et al. (28) Murcia (España) (mm/año) 7 SPN Extensómetros 15 - (.5;3) 69 (-3.,3.) 49 Crossetto et al. (28) Casu et al. (26) Racoules et al. (23) Colesanti et al. (23) Strozzi et al. (21) Barcelona (España) Bahía de Nápoles (Italia) Los Ángeles (EE.UU.) Vauvert (Francia) Los Ángeles (EE.UU.) Ancona (Italia) Euganian Hill (Italia) CPT Extensómetros 15 - (.5;7) 68 (-4.6,4.6) 6 13 SPN Nivelación topográfica SBAS Nivelación topográfica (-4.7,4.7) 6 6 SBAS GPS continuo (-6.9,6.9) 5 22 DInSAR Nivelación topográfica 4 < PS Nivelación topográfica 11 1 (1;3) (1;3) <1 DInSAR Nivelación topográfica 36 (-.8,1.2)

198 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada A partir de estos datos brutos se ha llevado a cabo un análisis estadístico en SPSS 15. con el fin de identificar posibles relaciones entre las variables consideradas (distancia a pozos, distancia a río, caudales de bombeo, espesores de suelo blando, espesores de arena, etc.) y la subsidencia medida para los dos periodos de crisis más importantes: y Inicialmente se ha llevado a cabo una representación mediante gráficos de dispersión matricial de todas las variables para la posible identificación gráfica de las relaciones entre parámetros. A simple vista no se distingue ningún tipo de relación predominante, por lo que las correlaciones realizadas serán siempre lineales. Posteriormente se han calculado las matrices de correlación lineal de todas las variables para cuantificar la calidad de las correlaciones mediante el coeficiente de correlación de Pearson (r) y el grado de significación. La matriz de correlación completa correspondiente a los datos disponibles para los periodos y 25-7 se muestra en el Anexo VIII. En las Tablas 4.6 y 4.7 se muestran exclusivamente los parámetros de correlación con la subsidencia de las variables anteriormente enumeradas. Tabla 4.6. Matriz de correlación r: Coeficiente de correlación de Pearson; sig.: Grado de significación. Distancia a azarbes (m) Distancia al río (m) Distancia a ríos y azarbes (m) Distancia a edificios dañados (m) Descenso piezométrico enero 98 - enero 96 (m) Espesor de arena (m) Espesor de suelo blando (m) Distancia a pozos municipales (m) Distancia otros pozos (m) Caudal a pozos municipales interpolados (l/s) Caudal a otros pozos interpolado (l/s) Distancia a sótanos de 2 y 5 plantas (m) Distancia a sótanos de 1 planta (m) Distancia a sótanos de 2 plantas (m) Distancia a sótanos de 5 plantas (m) Distancia a todos los sótanos (m) Subsidencia (mm) r.161 sig.. r.345 sig.. r.171 sig.. r sig.. r.78 sig.. r sig.. r sig.. r -.16 sig.. r.19 sig..38 r sig.. r sig.. r sig.. r sig.. r sig.. r sig.. r sig.. Como es bien sabido, el grado de significación nos indica si la relación encontrada es debida al azar o no. Cuanto más bajo sea el valor del grado de significación, menor será la probabilidad de que las relaciones obtenidas se deban al azar. Generalmente se acepta como suficiente un valor del grado de significación inferior a.5. Por otro lado, se ha considerado el coeficiente de correlación de Pearson, que es 196

199 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia un índice estadístico que mide la relación lineal entre dos variables cuantitativas, siendo mejor la correlación cuando más próximo se encuentra de 1 (si la relación es directa) o de -1 (si la relación es inversa). Los resultados muestran en la mayor parte de los casos una falta de correlación importante o correlaciones sin sentido físico. Tabla 4.7. Matriz de correlación r: Coeficiente de correlación de Pearson; sig.: Grado de significación. Distancia a azarbes (m) Distancia al río (m) Distancia al río y azares (m) Descenso piezométrico enero 5-octubre 6 (m) Espesor arena (m) Espesor suelo blando (m) Distancia pozos agrícolas (m) Distancia a pozos industriales (m) Distancia a pozos sequía (m) Distancia a pozos municipales (m) Distancia a otros pozos (m) Caudal pozos agrícolas interpolado (l/s) Caudal pozos municipales interpolados (l/s) Caudal pozos industriales interpolado (l/s) Caudal pozos sequía interpolados (l/s) Caudal todos los pozos interpolados (l/s) Distancia a sótanos de 2 y 5 plantas (m) Distancia a sótanos de 1 planta (m) Distancia a sótanos de 2 plantas (m) Distancia a sótanos de 5 plantas (m) Distancia a todos los sótanos (m) Subsidencia 5-7 (mm) r.5 sig..831 r -.23 sig..284 r -.2 sig..343 r -.35 sig.. r.14 sig.. r sig.. r.271 sig.. r.243 sig.. r sig.. r sig.. r -.36 sig..95 r sig.. r sig.. r.27 sig..218 r.34 sig.. r -.7 sig..1 r sig.. r sig.. r sig.. r sig.. r sig.. 197

200 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada De la correlación global llevada a cabo entre los distintos parámetros correspondientes a los periodos temporales y 25-7 y mostrada en las Tablas 4.6 y 4.7 y el Anejo VIII cabe destacar las siguientes relaciones que, aunque no siempre proporcionan un gran coeficiente de correlación, merecen ser consideradas y analizadas con mayor detalle a posteriori dado su lógico significado físico: - El valor absoluto de la subsidencia es mayor en las proximidades del río. Esta correlación sólo se observa durante el periodo , no siendo significativa para el periodo Los daños en edificios se localizan preferentemente próximos al río Segura. - Los descensos piezométricos son mayores en las proximidades del río y de los azarbes. - Los espesores de arena son mayores en las proximidades del río. - Cuanto mayor es el espesor de suelo deformable, mayor es el valor absoluto de la subsidencia. - Los edificios dañados se localizan mayoritariamente en las proximidades de los pozos municipales, disminuyendo la densidad de daños con la distancia a éstos. - Los daños en edificios se localizan próximos a los sótanos. Las correlaciones son muy buenas para los sótanos de 2 y 5 plantas, siendo menor para los sótanos de 1 planta. Esta correlación, al igual que la anterior, sólo es válida para el periodo temporal , ya que para el otro periodo no existe inventario de daños. - Aunque aparentemente es contradictorio con la afirmación anterior, la subsidencia, en valor absoluto, es menor en las proximidades de los sótanos inventariados, aumentando con la distancia a los mismos. - Los descensos piezométricos acaecidos durante el periodo 25-7 son menores en las proximidades de los sótanos inventariados, aumentando con la distancia a éstos. Esta correlación es mejor para los sótanos de 1 planta. En los apartados sucesivos se analizarán de nuevo las correlaciones existentes entre todas las variables analizadas Factores desencadenantes Los factores desencadenantes de la subsidencia son todos aquellos que provocan variaciones en las condiciones de estabilidad y pueden romper el equilibrio existente en el suelo. En este apartado se analiza la relación existente entre la subsidencia y los factores desencadenantes identificados en la zona de estudio. Los factores desencadenantes de la subsidencia en la ciudad de Murcia estudiados han sido las variaciones piezométricas y la localización de los pozos y sótanos desde los que se extrae agua Piezometría Los descensos piezométricos son el factor desencadenante de la subsidencia más relevante. En este apartado se comparan los valores de subsidencia medidos mediante la técnica DInSAR con la distribución temporal y espacial de niveles piezométricos en la zona de estudio. Para el estudio espacial de los niveles piezométricos se han elaborado mapas interpolados a partir de los valores puntuales de cota absoluta piezométrica de cada uno de los puntos de medida disponibles correspondientes a cada periodo de tiempo. Por otro lado, para el estudio temporal de la subsidencia se han empleado las series completas de lecturas piezométricas y comparado a su vez con la evolución temporal de la deformación. Desafortunadamente, no existen datos piezométricos en los pozos municipales de la ciudad de Murcia durante el periodo de sequía 2-1, aunque sí para los periodos y Asimismo, los piezómetros multicapa instalados por la Confederación Hidrográfica del Segura comenzaron a 198

201 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia estar operativos en el año 26, por lo que el registro con el que se cuenta es muy corto. Además de los anteriormente mencionados registros piezométricos, se cuenta con una serie de registros piezométricos del IGME en unos pocos pozos distribuidos por todo el valle que sí que disponen de datos desde el año La Figura 4.26 muestra la comparación entre las deformaciones medidas mediante DInSAR y las variaciones de nivel piezométrico en el primer nivel de gravas. Como puede observarse, la mayor parte de los registros piezométricos muestran cambios estacionales de unos 2-3 metros de amplitud con un registro de caída máximo de 6-8 metros correspondiente al periodo de sequía acaecido a mediados de los años 9. Tras el periodo de sequía, en la mayor parte de los piezómetros situados en la ciudad de Murcia se observa un descenso gradual de los niveles, superpuesto a las variaciones estacionales. Este comportamiento se observa con mayor claridad en el piezómetro H-46. Tal y como se ha comentado, a partir del año 2 los piezómetros instalados en los pozos municipales no cuentan con registros, por lo que no queda definido el descenso producido en la ciudad. Sin embargo, los piezómetros del IGME (p.e. H-179 en Figura 4.26) muestran un descenso de los niveles piezométricos de menor magnitud que el acaecido durante el periodo anterior. Por último, a partir del verano de 25 y hasta prácticamente el año 27, se observa una caída piezométrica máxima de 6-1 metros que en muchos puntos de la ciudad supera los descensos piezométricos correspondientes a la sequía de los años 9. En el sondeo H-12, ubicado en Espinardo, al Norte de la ciudad, las deformaciones medidas mediante DInSAR son inferiores a 1 cm pese a que se producen variaciones de hasta 8 metros en el nivel piezométrico. La razón reside en el tipo de suelo existente. Aunque se trata de un sondeo hidrogeológico y la columna litológica no tiene demasiado detalle, la estratigrafía de este sondeo se compone de 18 metros de arcillas con arenas, 11 metros de arcillas con gravas y, arcilla y pizarra (posiblemente esquistos) durante 13 metros más. Según la posición en la cuenca, esta zona corresponde a abanicos aluviales y substrato bético (substrato geotécnico), que presentan una menor deformabilidad que los materiales de la llanura de inundación, estando frecuentemente encostrados. En el resto de sondeos (H-38, H-11, H-46, H-6, H-21 y H-179), el comportamiento del nivel piezométrico es similar al descrito para el sondeo S12. Sin embargo, el comportamiento deformacional es diferente, presentando un primer periodo de subsidencia asociado al descenso piezométrico ocurrido a mediados de los noventa que va seguido de un ligero levantamiento debido a la recuperación de los niveles piezométricos. Con posterioridad a este periodo, la subsidencia es continua, con pequeñas recuperaciones asociadas a elevaciones del nivel del agua. Asociada a la depresión piezométrica de los años 2-21 se observa en algunos casos una aceleración de la deformación. Sin embargo, la tasa de deformación se incrementa considerablemente durante el último periodo de sequía que dio comienzo en 25. Un hecho a destacar es la recuperación parcial de la deformación que se observa en todos los píxeles subsidentes entre los años 1996 y 1997 debido a la recuperación piezométrica que comenzó en El retardo existente entre la recuperación del nivel piezométrico y de la deformación se debe posiblemente a que el acuitardo no cesa de deformarse hasta que las presiones intersticiales en su seno no han alcanzado el equilibrio. Este equilibrio tarda en alcanzarse cierto tiempo, debido a la permeabilidad de los materiales y la recarga del acuitardo que principalmente tiene lugar por su muro. También debe comentarse que la tasa de deformación (pendiente de la gráfica tiempodeformación) es mayor durante aquellos periodos en los que el descenso piezométrico supera un cierto valor umbral. Dicho umbral podría corresponder con la presión de preconsolidación aparente del terreno, tal y como se explicó en el Capítulo II de la presente memoria. En el Anejo IX pueden consultarse las evoluciones de los niveles piezométricos y de la subsidencia en la totalidad de los pozos con registros piezométricos de la Vega Media del río Segura. 199

202 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Cota (m.s.n.m.) Subsidencia (m) Cota (m.s.n.m.) Subsidencia (m) Fecha Fecha H-38 H Cota (m.s.n.m.) Subsidencia (m) Cota (m.s.n.m.) Subsidencia (m) Fecha Fecha H-46 H Cota (m.s.n.m.) Subsidencia (m) Cota (m.s.n.m.) Subsidencia (m) Fecha Fecha H-6 H Cota (m.s.n.m.) Subsidencia (m) Fecha H-179 Figura Comparación de los niveles piezométricos de diversos pozos con la evolución temporal de la subsidencia. La curva azul corresponde al nivel piezométrico y la negra a las deformaciones medidas mediante DInSAR. 2

203 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Como se desprende del análisis de los datos piezométricos (Figura 4.27) y se ha descrito en apartados previos, desde los años 9 hasta la actualidad podemos diferenciar tres periodos de crisis piezométrica. La crisis con mayor repercusión económica y social fue la de los años Posteriormente se produjo una segunda crisis de mucha menos relevancia durante los años Finalmente, la crisis que se inició en 25 y que dura hasta la actualidad ha generado descensos piezométricos que en algunas localizaciones de la zona de estudio son incluso superiores a las acaecidos durante la crisis de los Cota (m.s.n.m.) Fecha Figura Evolución piezométrica en un piezómetro situado al SE de la ciudad de Murcia con indicación de los periodos de subsidencia representados en la Figura 4.12 Como puede observarse de los tres periodos de crisis piezométrica definidos con anterioridad, el de mayor duración temporal fue el correspondiente a los años 9. Durante este periodo el acuífero sufrió el mayor descenso piezométrico conocido en su historia. Como se desprende del análisis de los niveles piezométricos medidos en los pozos de la ciudad y su entorno, en el año 1998 se habían recuperado los niveles piezométricos hasta alcanzar las cotas existentes antes del periodo de sequía. Dado que los datos de los pozos municipales comienzan sus registros a partir de 1994, no existe una serie completa del descenso piezométrico correspondiente a la sequía de los años 9, excepto en unos pocos pozos dispersos por toda la Vega Media y Baja del Segura. Es por ello que, a efectos de este análisis espacial, el descenso piezométrico correspondiente a este periodo de sequía se ha caracterizado a partir de los datos de recuperación del nivel piezométrico producidos entre enero de 1996 y enero de Al cruzar estos valores de recuperación piezométrica interpolados, asimilables a los descensos piezométricos del periodo anterior, con el mapa de distribución de edificios dañados durante esta época, podemos observar que 98 (95.1%) de los 13 edificios digitalizados se encuentran localizados en áreas en las que el descenso piezométrico ha sido superior a 5 metros (Figura 4.28). Sólo 5 (4.8%) edificios dañados se encuentran ubicados en áreas con descensos piezométricos inferiores a 4 metros. A pesar de la observación anterior, el análisis comparativo a nivel de píxel entre los descensos piezométricos correspondientes al periodo temporal y los daños sufridos en los edificios inventariados no muestran una correlación significativa, tal y como se recoge en el Anejo VIII. También se ha llevado a cabo un análisis espacial para estudiar las relaciones entre los descensos de nivel freático correspondientes a los periodos y y la subsidencia medida durante ese mismo periodo. La correlación entre ambas variables no es significativa para el periodo 93-97, posiblemente porque al no disponer de datos del descenso 93-96, los datos empleados corresponden a las lecturas de los piezómetros en la fase de recuperación piezométrica (periodo ). La correlación entre los descensos piezométricos ocurridos en el periodo 25-7 y la subsidencia para ese mismo pe- 21

204 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada riodo proporciona una mejor correlación en la que, como es de esperar, al aumentar el descenso piezométrico aumenta también la subsidencia (Tabla 4.7) # Edificios dañados Descenso nivel piezométrico (m) Figura Número de edificios dañados frente a los diferentes valores de descenso piezométrico (calculado como recuperación piezométrica correspondiente al periodo enero 96-enero 98 interpolados). Sin embargo, hemos de tener en cuenta que la subsidencia no sólo depende del aumento de esfuerzos efectivos aplicados al suelo como consecuencia de la caída piezométrica, sino que además está condicionada por otros factores relativos a la deformabilidad del suelo que es sometido al esfuerzo en cuestión y al espesor de suelo deformable Localización de pozos Los pozos constituyen puntos de salida de agua desde el acuífero y, como tales, son susceptibles de generar una depresión del nivel piezométrico en torno a su área de influencia. Por lo tanto, pueden considerarse como factores desencadenantes de la subsidencia. Desde la aparición de los primeros problemas de subsidencia en la ciudad de Murcia, se achacó el problema a un descenso del nivel freático debido al bombeo desde pozos. Con el fin de tener más datos sobre la influencia real de estos pozos, en este apartado se lleva a cabo una serie de análisis espaciales a partir de los cuales se puede extraer una mejor idea de cómo influye la extracción local de agua en la subsidencia de la ciudad de Murcia. A la hora de analizar los datos aquí mostrados hemos de ser muy cautos, dado que los datos de partida son a todas luces incompletos. Los datos del primer inventario, llevado a cabo en los años noventa, constan de los datos generales de los pozos (coordenadas, nombre, código, etc.) y de algunos datos de explotación (volumen, caudal específico, etc.). La primera serie de datos sí que está completa, mientras que la segunda sólo está disponible para un bajo porcentaje de pozos. El segundo inventario de pozos fue llevado recientemente por la CHS (27) y en él se incluyen únicamente aquellos pozos que bombean del primer nivel de gravas. En este caso, los pozos fueron diferenciados según su uso en pozos agrícolas e industriales. Con el fin de considerar la posible influencia de los pozos más profundos perforados con motivo de la última sequía (pozos de sequía), también se han añadido al último inventario. Este segundo inventario se ha completado con los datos del primer inventario que recogía los pozos ya existentes con anterioridad. Además hemos de considerar el hecho de que, como es bien sabido, existe un número indefinido de pozos ilegales no registrados en los censos de los organismos de cuenca, que también contribuyen en mayor o menor medida en el fenómeno de subsidencia. 22

205 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia En la Figura 4.29 se muestran los pozos inventariados en los años 9 superpuestos a la subsidencia del terreno medida para el periodo (Figura 4.29.a) y los nuevos pozos (superpuestos a los primeros) inventariados en 27 (Figura 4.29b). (a) Figura Superposición los pozos existentes en la ciudad de Murcia a la subsidencia en diferentes periodos a la subsidencia del terreno (a) y (b) (b) 23

206 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada En primer lugar se comparará espacialmente la posición de los pozos con los valores de subsidencia medidos durante el periodo de crisis de los años 9. Dado que no se conocen los caudales de explotación de todos los pozos y que el de los disponibles no es muy fiable, este análisis presenta unos errores conceptuales de partida consistentes en suponer que todos ellos bombean la misma cantidad de agua durante el mismo tiempo, desde la misma profundidad y que, por lo tanto, su contribución al descenso piezométrico es idéntica. Como es bien sabido, esto no es cierto, ya que estos pozos bombean diferentes caudales específicos, intermitentes o continuos, que son extraídos de distintos niveles acuíferos. Otra posible fuente de error es el hecho de que al digitalizar y rasterizar los pozos, éstos se han asimilado a píxeles cuadrados de 6 m de lado. Tal y como se muestra en las Tablas 4.6 y 4.7, correspondientes a la correlación realizada al principio de esta sección, no existe una relación significativa entre la distancia a los pozos y los valores de subsidencia medidos en los píxeles coherentes en ninguno de los dos periodos temporales analizados. La causa de esta falta de correlación se debe posiblemente a que algunos de los pozos considerados en el análisis no están activos, por lo que no generan ningún tipo de efecto sobre el terreno e inducen errores en la correlación. Los datos disponibles sobre bombeo de agua en pozos de toda la Vega Media del Segura en los dos periodos de tiempo considerados se representan en la Figura 4.3. Como puede apreciarse en la misma figura, en los años 9, 43 pozos (68%) bombeaban caudales inferiores a 1 l/s y tan sólo 3 pozos extraían más de 1 l/s. El resto bombeaban caudales intermedios. En el año 27, los nuevos pozos existentes alcanzaron mayores profundidades, aunque la mayor parte de ellos (6%) seguían extrayendo caudales inferiores a los 1 l/s. Este hecho avalaría la hipótesis ya mencionada en varias ocasiones de que la subsidencia del terreno medida en la actualidad tuviera una componente de consolidación profunda coincidiendo con el inicio de bombeo desde capas productivas más profundas # Pozos 2 # Pozos (a) Caudal (l/s) Caudal (l/s) Figura 4.3. Histograma de caudales de agua extraídos de los pozos de la Vega Media del Segura inventariados en (a) los años 9 (b) en el año 27. (b) En la Figura 4.31 se muestra la superposición de los caudales específicos, expresados en litros por segundo, bombeados por los pozos inventariados en el entorno de la ciudad de Murcia. En la primera figura (Figura 4.31.a) se han superpuesto los datos disponibles a finales de los años 9 a la subsidencia medida para el periodo En la segunda figura (Figura 4.31.b.) se ha representado la subsidencia correspondiente al periodo 25-7 frente a los caudales de extracción inventariados en los años noventa (los representados en la Figura 4.29.a) a los que se han añadido los nuevos datos del inventario realizado por la CHS (27) recientemente. Cabe destacar la inexistencia de pozos con caudales específicos de bombeo superiores a 1 l/s en el entorno de la ciudad durante los dos periodos de tiempo estudiados. 24

207 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia (a) Figura Superposición de los caudales específicos (l/s) bombeados por los pozos inventariados en la ciudad de Murcia en diferentes periodos frente a la subsidencia del terreno correspondiente a los periodos (a) y (b) (b) 25

208 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Al cruzar los datos correspondientes a los caudales conocidos en los pozos con los valores de subsidencia correspondiente al periodo y 25-7, medidos mediante la técnica CPT, observamos que existe una relación directa según la cual cuanta más agua se bombea, mayor es la subsidencia. No obstante, las correlaciones presentan un bajo coeficiente de correlación (Tabla 4.6). También se ha estudiado la relación entre la distancia de los pozos municipales a los edificios dañados a mediados de los noventa. Como puede observarse en la Figura 4.32 el edificio dañado más alejado de los pozos se encuentra a tan sólo 495 m de un pozo municipal. No obstante, esta relación es lógica, dado que la red de pozos municipales es muy densa, siendo la máxima distancia entre los 36 pozos considerados en el análisis (distribuidos por toda la ciudad, cuya extensión es aproximadamente de unos 2 x 3 km) inferior a 9 m. Sin embargo, confirmarían que los daños se concentraron en una cubeta de subsidencia coincidente con la ciudad de Murcia en la cual tuvo lugar un importante bombeo de agua a través de los pozos existentes en la trama urbana. En los cortes de evolución de la subsidencia mostrados en la Figura 4.13 se observaba la geometría de dicha cubeta de subsidencia # Edificios dañados # Total edificios dañados Distancia a pozos municipales Figura Relación entre la distancia a pozos municipales y los edificios dañados. Hemos de tener presente que el efecto de los pozos de bombeo se manifiesta a través de descensos piezométricos. En las Figuras 4.33 y 4.34 se muestran diferentes perfiles de subsidencia. Estos perfiles han sido generados a partir de los mapas de subsidencia interpolados correspondientes a diferentes periodos temporales. Los perfiles se han colocado estratégicamente a través de pozos de bombeo de agua (Figura 4.33b). La Figura 4.33a corresponde a perfiles de subsidencia que pasan por pozos de sequía de la CHS que bombean agua de los niveles productivos del acuífero profundo, así como por alguno de los pozos industriales y municipales que bombean agua del acuífero superficial. El eje de los pozos queda representado por las líneas continuas verticales dibujadas en los diferentes perfiles, sobre las que se indica la referencia del pozo así como el caudal de bombeo (en l/s) cuando este dato está disponible. Como puede apreciarse en esta figura se han representado las isocronas de asiento correspondientes a la subsidencia de los años 1993 (origen), 25 y 27, así como el perfil de deformación correspondiente al periodo Es importante resaltar que los pozos municipales e industriales fueron ejecutados con anterioridad al año 25, por lo que su efecto en la subsidencia debería manifestarse con anterioridad al periodo señalado. Por otro lado, los pozos de sequía de la CHS fueron ejecutados durante los años 24-25, por lo que sus efectos en la subsidencia, en caso de existir, se deberían manifestar con posterioridad a este periodo. 26

209 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia En el perfil correspondiente a los pozos de sequía de la Figura 4.33a se aprecia lo que parece ser una cubeta de subsidencia con un valor máximo de deformación de aproximadamente 1.7 cm centrada en el pozo de sequía localizado en Barriomar (BARRI) que parece coalecer con una segunda cubeta de asientos centrada en el pozo de La Arboleda (ARBOL). La cubeta de asientos sobre la que se sitúan ambos pozos tiene un tamaño aproximado de 1.5 m de diámetro. En el caso de los pozos municipales (Figura 4.34), los cuales bombean agua exclusivamente del primer nivel de gravas, se observa que los pozos con un mayor caudal de bombeo se localizan principalmente en la zona norte de Murcia, coincidiendo con los materiales terciarios y los depósitos coluviales asociados a ellos. En general, en estos pozos no se observan asientos considerables ni cubetas de asiento relacionadas con dichos bombeos. En otros pozos municipales localizados en la propia ciudad de Murcia, sobre los materiales clasificados en el Capítulo III como de llanura de inundación (FPZ), se pueden diferenciar claras cubetas de asiento, como es el caso de los sondeos S7, S14 y S16 (Figura 4.34). Estas cubetas de asiento presentan un tamaño de unos 15-2 m de radio. Evidentemente, estas cubetas de asiento están asociadas al cono de depresión que genera el bombeo del pozo. La diferencia de tamaños existente entre las cubetas generadas por los pozos de sequía y los pozos municipales se deben posiblemente al referido hecho, ya que los caudales de bombeo de los pozos de sequía son mucho mayores que los correspondientes a los pozos municipales, por lo que la magnitud de los conos de depresión piezométrica son también de diferente tamaño. En algunos de los pozos analizados no parece observarse una cubeta de deformación clara, o simplemente, ésta se prolonga en tamaño más allá de la distancia esperable para el propio pozo. Una razón que explicaría esta desviación sería la existencia de pozos de bombeo no inventariados o simplemente no considerados a la hora de elaborar los perfiles. Obsérvese, por ejemplo, en la Figura 4.34b como la mayor parte de los perfiles de subsidencia elaborados discurren próximos a otros pozos de bombeo no considerados en la representación, pero que posiblemente influyen en la subsidencia del perfil por coalescencia de conos de depresión y de cubetas de asiento. Es importante reseñar que el bombeo intermitente de agua desde los pozos produce una mayor subsidencia en las proximidades del pozo que el bombeo continuo (Wilson y Gorelick, 1996). Este hecho puede generar asociaciones de datos de subsidencia irregulares, ya que la subsidencia local puede ser mayor en los pozos intermitentes mientras que los pozos de bombeo continuo pueden generar patrones más regionales de deformación. Además, el fenómeno de arrastre de finos, que ha sido observado puntualmente en algunos pozos concretos y que ha sido objeto de resoluciones judiciales por daños en edificios (CHS, 27), puede superponerse a los efectos anteriores, complicando aún más el mapa de deformaciones y haciendo inviable el establecimiento de correlaciones entre las características de los pozos y la subsidencia del terreno. 27

210 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Subsidencia (m) IN9 25 l/s ARBOL 16 l/s S Subsidencia 25-7 (m) Subsidencia (m ) IN l/s m 3 /año S26 7 l/s IN1 25 l/s IN4 5 l/s Subsidencia 25-7 (m) Subsidencia (m) CASTI PASAR 1 l/s 12 l/s ARBOL BARRI MALEC 16 l/s 16 l/s 16 l/s Subsidencia 25-7 (m) Distancia (m) (a) (b) Figura (a) Subsidencia del terreno entorno a diversos pozos de bombeo. (b) Localización de los pozos representados en los perfiles además de otros pozos inventariados. 28

211 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Subsidencia (m) H-13.5 H H-5.5 H H H l/s Subsidencia (m) 1 l/s 8 l/s 8 l/s H H l/s 5 l/s H-39.5 H H H l/s Subsidencia (m) Figura Subsidencia del terreno en torno a diversos pozos municipales de bombeo. La localización de los pozos representados en los perfiles representados se muestra en la Figura 4.33b. 29

212 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Otra correlación que se ha constatado es la existente entre la posición de los pozos y la variación de nivel piezométrico. Para realizar este análisis se han empleado los datos piezométricos registrados en los pozos municipales durante el periodo comprendido entre enero de 26 y octubre de 26, así como la distancia de los mismos (de los registros) a los pozos inventariados en 27 (CHS, 27). Para el periodo no ha podido realizarse el análisis equivalente ya que los únicos registros piezométricos existentes son los de los propios pozos municipales, resultando imposible correlacionarlos con las distancias a ellos mismos para así estudiar la influencia que éstos tienen sobre los descensos piezométricos causantes de la subsidencia. En el análisis general de correlación efectuado al principio de esta sección pareció establecerse una buena correlación entre la distancia a los pozos agrícolas y los descensos piezométricos interpolados. En la Figura 4.35 se muestran los resultados de la mencionada correlación, considerando únicamente los datos puntuales y no interpolados. Como puede observarse, la correlación mejora considerablemente al hacer el análisis con datos puntuales. Según parece diferenciarse, existe una relación entre los máximos descensos piezométricos en los pozos municipales y la distancia a los pozos de sequía (r=.57) y agrícolas (r=.77), pero no con los pozos industriales (r=.27). Según las relaciones mencionadas, los descensos piezométricos serían mayores en las proximidades de los mencionados puntos de extracción de agua. Esta correlación pone de manifiesto la estrecha relación que existe entre el bombeo de agua y las variaciones de nivel freático. Por lo tanto, aunque no se han podido establecer de forma clara las correlaciones existentes entre la extracción de agua y la subsidencia, sí ha podido confirmarse la relación entre el bombeo y las variaciones de nivel piezométrico Localización de sótanos En el Capítulo III de la presente tesis se indicó que la mayor parte de sótanos de la ciudad de Murcia bombean agua de forma sistemática desde las arquetas situadas en la parte inferior de la losa de los mismos con el fin de aliviar subpresiones indeseadas. Según numerosos testimonios, en algunas de estas arquetas se bombea agua prácticamente de forma continua, vertiéndola posteriormente a la red de alcantarillado. Por este motivo, parece evidente pensar que entorno a estos edificios pueden producirse conos de depresión capaces de generar la consolidación del terreno circundante al edificio o el asiento del propio edificio. Al igual que los pozos, los sótanos pueden ser considerados potencialmente como factores desencadenantes de la subsidencia. A partir del inventario de sótanos de 1, 2 y 5 plantas expuesto en el Capítulo III, se ha llevado a cabo una serie de análisis de proximidad entre la posición de los sótanos y la subsidencia, con el fin de intentar correlacionar ambas variables. En primer lugar se han digitalizado los sótanos y se han rasterizado. La Figura 4.36 muestra la distribución de sótanos de 1, 2 y 5 plantas inventariados en los años 9. Con posterioridad a este periodo se han construido nuevos sótanos, algunos de los cuales están incluidos en el último estudio de la CHS (27). Sin embargo desafortunadamente en la actualidad se carece de un inventario detallado y completo de sótanos en la ciudad, por lo que el análisis espacial correspondiente al último periodo (25-7) sólo se ha realizado con los sótanos inventariados en los años 9. 21

213 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia (a) (b) (c) Figura Correlaciones entre los descensos piezométricos medidos en los pozos municipales durante el periodo y las distancias a los pozos (a) de sequía, (b) industriales y (c) agrícolas inventariados por la CHS (27). 211

214 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada (a) (b) (c) Figura Superposición de la subsidencia a los sótanos inventariados en la ciudad de Murcia a finales de los años noventa de: (a) 1 planta, (b) 2 plantas y (c) 5 plantas. 212

215 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia Al igual que ocurría con los pozos de bombeo, no todos los sótanos bombean agua durante su explotación. Además, el caudal bombeado no es el mismo en todos ellos. Por este motivo, las correlaciones entre la distancia a los sótanos y la subsidencia proporcionan relaciones para los dos periodos estudiados, que aunque presentan coeficientes de correlación relativamente altos en comparación con las demás relaciones, indican que la subsidencia es mayor conforme nos alejamos de los propios pozos (Tabla 4.6), hecho aparentemente contradictorio. También se ha llevado a cabo un análisis de proximidad de los daños observados en edificios durante la década de los noventa a los sótanos (Figura 4.37). Como puede observarse, el máximo número de edificios dañados se localiza a tan sólo 6 m de distancia de los sótanos de 1 planta, de 2 plantas y del conjunto de sótanos. Además, un 17.5% de los edificios dañados se localiza sobre los sótanos, lo que podría ser debido a que es el propio edificio al que pertenece el sótano el que ha sufrido los daños o edificios localizados a menos de 43 m del sótano que debido a la pasterización quedan incluidos dentro del mismo píxel que el sótano. El análisis general realizado al inicio de esta sección muestra precisamente una relación entre los daños en edificios y la proximidad a sótanos, que es especialmente buena para el caso de los sótanos de 2 y 5 plantas # Edificios dañados # Total de edificios dañados # Edificios dañados # Total de edificios dañados Distancia a sótanos de 1 planta 5 1 Distancia a sótanos de 2 plantas # Edificios dañados # Total de edificios dañados # Edificios dañados # Total de edificios dañados Distancia a sótanos de 5 plantas Distancia a sótanos Figura Distribución de edificios dañados frente a la distancia a sótanos de 1, 2 y 5 plantas y a todos los sótanos. 213

216 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada Factores condicionantes Según se ha explicado anteriormente, los factores condicionantes son todos aquellos elementos propios del medio que hacen posible la ocurrencia del fenómeno de la subsidencia. En este apartado se analiza la relación existente entre la subsidencia y los factores condicionantes identificados en la zona de estudio: la distancia al río Segura y a las acequias/azarbes, el espesor de suelo blando, la litología existente y la situación de la antigua ciudad Distancia al río Segura y a las acequias/azarbes El río Segura juega un papel trascendental en el funcionamiento hidrológico del sistema acuífero de la Vega Media del Segura (PNIAS, 1978; IGME, 21b; IGME-CHS-CTOT, 22; CHS, 27). Según la modelización realizada por el IGME-CHS-CTOT (22), el río Segura se comporta como un sistema perdedor aguas arriba de la ciudad de Murcia, aportando agua al acuífero a través de la infiltración de parte del caudal circulante. Según el mismo estudio, el río es ganador aguas abajo de Murcia, es decir, funciona como un sistema de avenamiento, deprimiendo el nivel freático en el entorno del mismo. Sin embargo, en el entorno urbano de Murcia el río está encauzado. Es evidente que el encauzamiento del río lo ha impermeabilizado de forma considerable respecto al entorno del acuífero superficial, evitando así cualquier tipo de transferencia entre ambos. Observaciones recientes muestran que el nivel de agua en el río es superior al observado en pozos del entorno del mismo, lo que hace pensar en la existencia de niveles independizados en el río y su entorno. La Figura 4.38 muestra la superposición de datos de subsidencia acumulada durante los periodos y y la situación del río y azarbes (digitalizados a partir de la cartografía de la CHS (27)) que atraviesan la ciudad. Aparentemente, durante el periodo sí que se observa cierta relación entre la proximidad al río y la subsidencia. Como puede diferenciarse, la subsidencia es mayor cuando más próximo al cauce actual del río Segura nos encontramos. Sin embargo, dicha correlación empeora considerablemente si la extendemos al periodo o la llevamos a cabo para el periodo Esta circunstancia quedaba patente en la Tabla 4.6, que proporciona cierta correlación (r=.345) entre la distancia al río y la subsidencia acaecida durante el periodo Estos datos ponen de relieve que en el primer periodo ( ) el río actúa o interviene como elemento causante de la subsidencia, hecho que no se observa en el segundo periodo, probablemente debido a su encauzamiento, la probable impermeabilización natural del lecho del río, así como a la considerable reducción de caudal de circulación que ha sufrido el río desde los años 9. La explicación de esta decorrelación temporal entre ambas variables es posiblemente la desconexión del río Segura a su paso por la ciudad de Murcia con el acuífero. Posteriormente, en los años sucesivos se produjo una depresión del nivel freático en el acuífero causando una importante consolidación del terreno en el entorno del río hasta alcanzar el nuevo equilibrio de presiones intersticiales (es decir, hasta que se llegó a una nueva situación permanente). En general, la explicación a esta relación entre la distancia a un río y la subsidencia no está del todo clara, aunque algunos autores la atribuyen a la existencia de suelos blandos no consolidados próximos a los ríos (Hu et al., 24; Manunta et al., 28). En el caso que nos ocupa, parece existir cierta tendencia a que los espesores de suelo deformable disminuyan con la distancia al río (Anejo VIII) aunque dicha tendencia desaparece al considerar la zona norte de la ciudad, donde los espesores son aún mayores que en las proximidades del río. La relación entre la distancia al río y el espesor de arena presenta una mejor correlación, siendo mayor cuando más próximo nos encontramos al río (Anejo VIII). Este hecho podría justificar la mayor magnitud de asientos en las proximidades del río para un mismo descenso piezométrico de duración dada, ya que aceleraría el proceso de consolidación del suelo. Como puede observarse en las Tablas 4.6 y 4.7, las relaciones de los azarbes con la subsidencia no muestran una correlación significativa para los periodos estudiados. El mismo hecho se observa para el conjunto de redes de azarbes/acequias y el río. Una relación muy interesante observada en el análisis general entre factores incluido en el Anejo VIII es la existente entre los descensos piezométricos interpolados y la proximidad al río. El citado análisis pone de manifiesto que los mayores descensos piezométricos tienen lugar cerca del río Segura. 214

217 Capítulo IV. Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia (a) (b) Figura Red hidrográfica y de acequias/azarbes frente a la subsidencia (a) y (b) Para mejorar la correlación entre ambas variables se ha recalculado dicha correlación para los valores de descenso medido en los pozos durante los periodos y La nueva correlación confirma la relación entre ambas variables, proporcionando unos coeficientes de correlación (r) superiores a.7. Esta relación podría justificar los mayores asientos del terreno medidos en las proximidades del río Segura. 215

218 Estudio de la subsidencia de la ciudad de Murcia mediante interferometría SAR diferencial avanzada La Figura 4.39 muestra la correlación obtenida entre la distancia al río y los descensos piezométricos máximos. Por otro lado, la correlación de las variaciones de los niveles piezométricos con la distancia a los azarbes y al río es peor que la anteriormente descrita. (a) (b) Figura Correlación entre la distancia al cauce actual del río Segura y los descensos de nivel piezométrico acaecidos durante los periodos (a) y (b) Las causas del mayor descenso piezométrico en el entorno del río Segura se desconocen hasta el momento, aunque podrían tener relación con la desconexión del río y el acuífero superficial. Con el fin de identificar la influencia del río y azarbes en la subsidencia, otro análisis espacial realizado ha consistido en estudiar el número de edificios dañados en los años 9 respecto a la distancia al río y azarbes de la ciudad de Murcia (Figuras 4.4 y 4.41). En la Figura 4.41a se muestra la relación existente entre la distancia al río los edificios dañados. La Figura 4.41b representa la relación entre la distancia del río y los azarbes a los edificios dañados. En el primer caso, el edificio dañado más alejado del cauce del río se sitúa a unos 2 km del mismo mientras que si consideramos también la red de azarbes como factor condicionante, vemos que esta distancia máxima se reduce a 1 km. Sin embargo, en ambos 216