Ciencias de la Tierra y el Espacio, 2006, Vol.7, pp.47--54, ISSN 1729-3790 Escorrentía fluvial en montañas y valles colindantes: metodología para la identificación de escenarios de peligros por inundaciones en Guamuhaya, Cuba Bárbara Polo González (1), José L. Cuevas Ojeda (1) y Mario Guerra Oliva (1) (1) Instituto de Geofísica y Astronomía. Calle 212 No.2906, La Lisa, C. Habana, CP 11600, Cuba. Recibido: enero-octubre, 2006 Aceptado: noviembre, 2006 Resumen La identificación de los escenarios de peligros es una de las primeras tareas a acometer en los estudios de riesgos. Por ello, el objetivo del presente trabajo es el establecimiento de una metodología semi-automatizada de identificación de los escenarios de peligros por inundaciones debido lluvias intensas que ocurren en una zona montañosa, y que afectan a los pisos altitudinales más bajos, debido a la escorrentía de la red fluvial, utilizando las facilidades que brindan los SIG. Por ello, el factor de las lluvias Ll es afectado de una manera positiva, lo que implica que habría un incremento del factor de humedad Fw, lo que ocurre en la práctica cuando llueve en la montaña y en el llano se acumulan las aguas en los valles de inundaciones. Para las montañas de Guamuhaya y sus valles colindantes, se hizo un estudio geomorfológico donde se determinaron los valles de inundaciones potenciales, se calculó mediante el modelo digital de elevaciones y un procedimiento adecuado las direcciones del escurrimiento fluvial y el valor de la convergencia o divergencia de las ondulaciones del terreno, referido a un plano horizontal, que conjuntamente con la introducción de un factor catalizador de escorrentía (Fce), que afecta a los factores Fw y factor hídrico Fhi, facilita clasificar por categorías de intensidad, las zonas de los valles de inundaciones estimados según la geomorfología. Posteriormente este factor Fce se le introdujo utilizando el álgebra de mapas en un SIG. Como novedad principal se presenta una metodología para la estimación de los escenarios de peligros por inundaciones que incluyó un factor catalizador por las escorrentías fluvial. Palabras clave: Peligros, inundaciones. SIG Abstract The risks scenarios identification is one from the first tasks to attack in the studies of risks. For it, the objective of the present work is the establishment of a semi-automated methodology of identification of the risks scenarios for floods intense rains that happen in a mountainous area, and that they affect to the lowest altitudes, due to the flow of additional water in the fluvial net, using the facilities that have the GIS. For it, the factor of the rains Ll is affected in a positive way, what implies that there would be an increment of the factor of humidity Fw, what happens in the practice when it rains in the mountain and in the plain they accumulate the waters in the valleys of floods. For the mountains of Guamuhaya and their adjacent valleys, it was carried out a geomorphologic study where the valleys of potential floods were determined, it was calculated by means of the digital pattern of elevations and an appropriate procedure the addresses of the fluvial glide and the value of the convergence or divergence of the land waves, referred to a horizontal plane that jointly with the introduction of a catalytic factor of fluvial glide (Fce) that affects to the factors Fw and the accumulation of the waters factor Fhi, it facilitates to classify for categories of intensity, the areas of the estimated floods valleys according to the geomorphology. Later on this factor Fce was introduced using the algebra of maps in a GIS. As main novelty a methodology is presented for the estimate of the risks scenarios by floods that it included a catalytic factor for the fluvial glide. Key words: Risk scenarios, floods. GIS
Introducción Para abordar la investigación de los posibles peligros que pueden afectar una la región es importante la zonación de los espacios del territorio donde están creadas las condiciones naturales o inducidas por la susceptibilidad a ocurrencia de un fenómeno peligroso, independientemente de su probabilidad e intensidad. Para que existan inundaciones en determinadas zonas es necesario que primero esté el factor externo que constituyen las lluvias, en segundo término que el modelo digital de elevaciones exprese la morfología adecuada para que la acumulación de grandes volúmenes de agua sea factible y en tercer lugar que las rocas y el suelo tengan la capacidad suficiente para retener el volumen hídrico. Es por ello que el objetivo del presente trabajo es presentar una metodología semiautomatizada para la identificación de los escenarios de peligros por inundaciones debido a lluvias intensas que ocurren en una zona montañosa y que afectan a los pisos altitudinales más bajos, debido a la escorrentía de la red fluvial, introduciendo un factor catalizador por las escorrentías de los ríos, las que son considerables en las zonas montañosas, este factor debe de ser capaz de describir y clasificar según categorías la escorrentía fluvial, para ser introducido al factor de susceptibilidad a la humedad de los suelos y al factor disparador por lluvias. Utilizando el desarrollo actual de la cartografía digital y los Sistemas de Información Geográfica (SIG) hacen que el uso de estas herramientas sea ineludible si se quiere desarrollar una investigación en la rama de las ciencias de la Tierra, con rigor científico y actualidad. Para la investigación se utilizaron algunos de los mapas temáticos generados en el proyecto Zonación de los Riesgos Geólogo-Geofísicos y Tecnológicos asociados, al Macizo Montañoso de Guamuhaya, perteneciente al Programa Nacional Desarrollo Sostenible de la Montaña, por lo que se contó con la información de los mapas topográficos, de red fluvial, de pendientes, hipsométrico, lluvias en 24 horas para un periodo de recurrencia de 5-100 años, de evaporación mensual y anual, así como el mapa hídrico de la zona de estudio. Como novedad se presenta una metodología para la estimación de los escenarios de peligros por inundaciones teniendo en cuenta el factor catalizador por las escorrentías fluvial las que son considerables en las zonas montañosas teniendo en cuenta en el factor disparador por lluvias y factor de susceptibilidad a la humedad de los suelos y el relieve. El trabajo contribuye a incrementar el conocimiento científico aplicado a la interrelación del sistema naturalezasociedad y al desarrollo sostenible de esta importante área montañosa de nuestro país. Ya que con la aplicación de esta metodología se obtiene la estimación de los escenarios de peligros para lluvias e inundaciones siendo esta información una valiosa herramienta para la Defensa Civil, el Órgano de la Montaña y otros organismos relacionados con el desarrollo sostenible, ya que puede ser utilizada para la gestión y el manejo de los peligros de las zonas montañosas. Materiales y métodos Materiales Para la investigación se utilizaron los mapas temáticos generados en el proyecto Zonación de los Riesgos Geólogo-Geofísicos y Tecnológicos asociados, al Macizo Montañoso de Guamuhaya (Cuevas et al., 2004) perteneciente al Programa Nacional Desarrollo Sostenible de la Montaña y soportados todos de manera digital sobre la plataforma del SIG implementado (Cuevas et al., 2005b). Entre esos mapas que se utilizaron en esta etapa se encuentran: Ø Modelo Digital de Elevaciones (1:50 000) Ø Mapa de la red fluvial (1:50 000) Ø Mapa de pendientes (1:50 000) Ø Mapa Hipsométrico (1:50 000) Ø Mapas de evaporación mensual y anual (1:50 000) Ø Mapas de Precipitaciones Máximas en 24 horas para períodos de Recurrencia 5, 10, 15, 20, 50 y 100 años (1:50 000) Métodos En las zona montañosas cuando ocurren las lluvias en las partes más altas, existe un fenómeno de escorrentía a través de la red fluvial hacia los lugares más bajos, si en estos lugares son posibles inundaciones, entonces el factor de las lluvias (Ll) se vería afectado de una manera positiva, lo que implica que habría un incremento de este 48
parámetro, esto es lo que ocurre en la práctica cuando llueve en la montaña y en el llano se acumulan las aguas en los valles de inundaciones. Para que existan inundaciones en determinadas zonas es necesario que: 1. Exista el factor externo que constituyen las lluvias (Fll, Ll). 2. El modelo digital de elevaciones exprese la morfología adecuada para que la acumulación de grandes volúmenes de agua sea factible (Fhi). 3. Las rocas y el suelo tengan la capacidad suficiente para retener el volumen hídrico (Fw) Para el caso del área de estudio se hizo un estudio geomorfológico (Fig. 1) donde se determinaron estos planos y se tuvo en cuenta además la intensidad de la lluvia (Ll). Posteriormente este factor catalizador de escorrentía (Fce) se le adicionó utilizando el álgebra de mapas en el SIG. Fig.1 Mapa de inundaciones potenciales, según análisis geomorfológico. Vista desde el Sistema de Información Geográfica (SIG). Con estas condiciones se puede formular que una valoración del potencial de peligro por inundaciones PI puede ser expresado como: PI = Fhi * Fw * Fll Donde: Fhi.- factor de susceptibilidad hídrico, que depende de la curvatura tangencial del MDE y de la pendiente del mismo Fw. factor de susceptibilidad de humedad dado por el nivel de retención de las aguas en el suelo y estimado según el grupo genético de suelo (ver Tabla IV.8) Fll. Factor de disparo, dado por el nivel de las precipitaciones máximas en 24 horas Como se ha expresado anteriormente en zonas montañosas cuando ocurren las lluvias en las partes más altas, existe un fenómeno de escorrentía a través de la red fluvial hacia los pisos altitudinales más bajos, ocurriendo inundaciones, cuando las condiciones de susceptibilidad hídrica y humedad son favorables. Resultados y discusión Metodología para la identificación de escenarios de peligros por inundaciones. Primeramente para la realización de esta metodología se debe de realizar una clasificación según las categorías de la escorrentía fluvial (factor catalizador de escorrentía), teniendo en cuenta el mapa de lluvias mensuales (Fig.2). 49
Fig.2 Mapa de clasificación lluvia media mensual El siguiente paso a realizar será obtener una categorización de los ríos realizando un análisis del mapa anteriormente clasificado con el mapa de la red fluvial de la zona (Fig.3) Fig. 3. Factor catalizador de escorrentía Como se ha mencionado se realizó un análisis geomorfológico determinándose la distribución de las zona de los valles de inundaciones. En la Fig. 4, se puede apreciar los planos de inundaciones de valles (verde) y de ríos (azul). Fig. 4 Mapa de inundaciones potenciales, según análisis geomorfológico Como paso a seguir en la realización de esta metodología se procede a la clasificación de las zonas de los valles de inundación, con los valores del factor de escorrentía (Fce). Como se dijo anteriormente para que exista un potencial hídrico, primero deben de ocurrir acumulaciones de agua y segundo que su escurrimiento sea lento. Estas condiciones se pueden analizar a través del modelo digital de elevaciones (MDE) al que se le calculan las pendientes y la curvatura tangencial (CT), como es sabido las pendientes bajas condicionan un escurrimiento lento del drenaje superficial, mientras que los valores más positivos de la CT significa que existe convergencia en la dirección de acumulación de las aguas superficiales. Siendo el factor hídrico directamente proporcional a la cantidad de agua acumulada e inversamente proporcional a la pendiente del terreno (Fig. 5). 50
Fig. 6. Factor de humedad con factor catalizador de escorrentía Como resultante de las clasificaciones por categoría de las escorrentías fluviales (factor catalizador de escorrentía) y la clasificación de las zonas de los valles de inundación, con los valores del Fce, se obtiene el factor de humedad con factor catalizador de escorrentía, como se muestra en la Fig. 6. El siguiente paso a seguir es la obtención del factor disparador de lluvias modificado con factor catalizador de escorrentía el cual obtenemos partiendo del mapa de clasificación lluvia media mensual, aplicando el factor de escorrentía, como podemos observar en la Fig. 7 Fig. 7. Factor disparador de lluvias en 24 horas, teniendo en cuenta (Fce) Otro factor a tener en cuenta para el desarrollo de esta metodología es el Factor hídrico, que como se puede observar en la Fig.8, nos muestra las características del relieve de la zona que son favorables a la ocurrencia de acumulación de agua. Fig. 8. Factor Hídrico Utilizando las bondades que nos brindan en la actualidad los sistemas de información geográfica y a través del algebra de mapas se obtiene la identificación del escenario de peligro por inundaciones (Fig. 9). 51
Fig. 9 Mapa de escenario de Peligros por inundación Posteriormente y teniendo en cuenta la probabilidad de ocurrencia en que este fenómeno puede ocurrir se logra obtener los mapas de peligros para diferentes periodos de recurrencia. Un ejemplo de esto se muestra en la Fig.10. Fig. 10 Mapa de Peligro de inundación para un período de recurrencia de t = 50 años Como dato interesante, está el Valle de Agabama, en el Municipio de Trinidad donde según los datos de la Defensa Civil Municipal, ha habido fuertes inundaciones, pues bien según cálculos para este fenómeno utilizando la metodología que se propone, se determinó que en esta zona hay 10 asentamientos que pueden estar afectados por este fenómeno entre los que se encuentran: La Paloma, El Taje, Aracas, Fidel Claro, La Escofina, Bijalbo, Caimito, Río de Ay y Caracusey. Como se observa en la Fig. 11 estos asentamientos se encuentran en zonas en que el peligro por inundación va desde considerable hasta fuerte. Fig. 11 Caso de Estudio del Valle de Agabama: zonas de peligros de inundaciones, categorizadas como considerables, importantes y fuertes. Otro ejemplo de interés se observa en la zona de peligro IMPORTANTE, aguas debajo de la Presa Hanabanilla, donde están afectados los asentamientos de Boquerones, Veguitas y Rincón del Naranjo. Esta zona ha sido reportada por la Defensa Civil y está en los antecedentes a la ocurrencia de este fenómeno, en el mapa de peligro 52
se puede apreciar que esta zona está conectada desde el punto de vista de los lugares proclives a tener interconexión desde la presa, aspecto este que hay que tener en cuenta para la posible ocurrencia de este fenómeno (Fig.12). Todos estos mapas pueden ser consultados en el Sistemas de Base de Datos y Atlas PELIGBAS V2.0. (Polo et al., 2005) Fig 12. Caso de estudio Presa Hanabanilla. Asentamientos afectados por peligro de inundaciones Conclusiones Se elaboró un procedimiento capaz de describir y determinar las zonas de influencia de la escorrentía fluvial (Fce), introduciendo este factor catalizador a los factores de susceptibilidad a la ocurrencia de inundaciones, lo que permitió mejorar la determinación de las zonas de peligros, validándose con datos de eventos históricos en las condiciones de zonas montañosas de Cuba. Se desarrolló una metodología efectiva de estimación de los escenarios de peligros para lluvias e inundaciones, utilizando de manera conveniente el procesamiento con el álgebra de mapas sobre plataforma SIG. Permite determinar las zonas donde existen mayor incidencia con peligros de inundaciones fluviales y terrestres 53
Referencias Cuevas, J. L., L. A. Díaz, I. I. Pedroso, S. E. Pacheco, I. González, B. Polo, M. Guerra, Y. González, E. Jaimez y J. F. Alcaide (2002): Mapas Temáticos para la Estimación de la Vulnerabilidad, Peligros y Riesgos Geólogo- Geofísicos en el Macizo Montañoso de Guamuhaya [inédito]. Inf. Result., Archivo Dpto. Geof. Reg. y Riesgos, Inst. Geof. y Astron., La Habana, 41 pp + 17 anex. gráf. Cuevas, J. L., B. Polo, M. Fundora, I. I. Pedroso, L. A. Díaz, J. F. Alcaide, E. Jaimez, Y. González, M. Guerra, B. E. González, J. García, G. Saura, R. Osés, L. D. Pérez y W. Hernández (2004). Zonación de los Riesgos Geólogo-Geofísicos y Tecnológicos asociados en los Macizos Montañosos de Guamuhaya y Guaniguanico, Cuba [inédito]. Inf. Final Proy., Archivo Inst. Geof. y Astron., La Habana, 157 pp. Cuevas, J. L., B. Polo, I. I. Pedroso, M. J. Fundora, L. A. Díaz, J. F. Alcaide, E. Jaimez, M. Guerra, Y. González, S. E. Pacheco, B. E. González, J. A. García, L. D. Pérez, G. Saura, R. Oses y W. Hernández (2005a): Estimación y Zonación de Escenarios de Peligros y la Vulnerabilidad por procesos gravitacionales e hidrometeorológicos extremos, en el Macizo Montañoso de Guamuhaya, Cuba: Una Metodología de Estimación para Zonas Montañosas. Memorias GEOCIENCIAS 2005 (I Convención Cubana de Ciencias de la Tierra I Simposio de Sismicidad y Riesgos Geológicos), La Habana, 5-8 Abril, ISBN 959-7117-03-7, GEO2-31 24 pp. Cuevas, J. L., B. Polo, M. J. Fundora, I. I. Pedroso, L. A. Díaz, Y. González, M. Guerra, J. F. Alcaide y E. Jaimez (2005b): SIG Riesgos Guamuhaya v 1.0: Sistema de Información Geográfica de peligros, Vulnerabilidad y Riesgos Geólogo-Geofísicos y Tecnológicos inducidos en el macizo Montañoso de Guamuhaya. Manual de Usuario, Inst. Geof. y Astron., La Habana, 16 pp. Polo, B. y J. L. Cuevas (2005): Peligbas: Sistema de Base de Datos de Peligros, Vulnerabilidad a Riesgos Geológicos y Tecnológicos inducidos. Herramienta para la gestión y el manejo de los peligros geológicos en el macizo montañoso de Guamuhaya. Memorias GEOCIENCIAS 2005 (I Convención Cubana de Ciencias de la Tierra I Simposio de Sismicidad y Riesgos Geológicos), La Habana, 5-8 Abril, ISBN 959-7117-03-7, GEO2-16 10 pp. 54