aplicaciones de los sig al anÁlisis

APLICACIONES DE LOS SIG AL ANLISIS YGESTIN DEL RIESGO DE INUNDACIONES:AVANCES RECIENTES

Miguel Llorente Isidro, Andrs Dez-Herrero y Luis Lan Huerta

Instituto Geolgico y Minero de Espaa MEC. c/Ros Rosas 23. 28003-MADRID (Espaa). Correoelectrnico: [email protected]

Resumen

Los Sistemas de Informacin Geogrfica tienen mltiples campos de aplicacin en el anlisis yla gestin del riesgo de inundaciones fluviales, desde aspectos del estudio de la peligrosidad, comoregionalizacin de datos de precipitacin, obtencin de parmetros morfomtricos y de la red, dis-cretizacin de parmetros hidrolgicos, delimitacin de reas inundables, cartografas de riesgo inte-gradas...; hasta la adopcin de medidas de mitigacin de carcter predictivo, preventivo o corrector(post-desastre), que comprenden la prediccin meteorolgica e hidrolgica, la ordenacin del terri-torio y los sistemas de aseguramiento, y los planes de proteccin civil y emergencias. Su empleosupone normalmente un ahorro de tiempo, esfuerzo y una garanta de objetividad y precisin.Recientes avances tcnicos, por ejemplo en la conexin de los SIG con los modelos hidrolgicos ehidrulicos y en la conexin SIG-Internet, el abaratamiento de los costes y la aparicin de nuevasfuentes de informacin, han facilitado su utilizacin y les han hecho unas herramientas imprescindi-bles en la gestin de este riesgo natural.

Palabras clave: Peligrosidad, Exposicin, Vulnerabilidad, Avenidas, Hidrologa, Hidrulica

INTRODUCCIN

Las inundaciones son los desastres naturalescon mayores repercusiones socio-econmicas anivel global y en lo que se refiere a nuestro pas.As lo ponen de manifiesto recientes estudiosrealizados por el IGME en colaboracin con elConsorcio de Compensacin de Seguros, queestiman los costes anuales de estos fenmenos encifras prximas al 1% del PIB, habindose pro-ducido ms de dos centenares de vctimas morta-les en nuestro pas durante la ltima dcada.

Por este motivo, las diferentes administra-ciones pblicas (estatales, autonmicas y loca-les) estn adoptando, desde hace dcadas,diferentes estrategias para mitigar el riesgo o

minimizar los efectos de su consumacin. Todasestas medidas de gestin del riesgo (predictivas,preventivas y correctoras) requieren como pasoprevio y necesario, la realizacin de un porme-norizado anlisis del riesgo, esto es, descompo-ner la situacin potencial de prdidas en suselementos constituyentes: peligrosidad o inun-dabilidad, exposicin y vulnerabilidad.

Tanto para realizar las diferentes operaciones yprocedimientos del anlisis del riesgo, como parael diseo y puesta en prctica de medidas de miti-gacin, los Sistemas de Informacin Geogrfica(SIG) se han manifestado desde hace aos comoherramientas bsicas e imprescindibles, y sus cam-pos y aspectos de aplicacin han ido sustituyendoy desplazando antiguas tcnicas manuales menos

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Cuad. Soc. Esp. Cienc. For. 29: 29-37 (2009) Actas de las I Jornadas Tcnicas SIGTEFOR

ISSN: 1575-2410 2009 Sociedad Espaola de Ciencias Forestales

precisas y ms costosas. A ello ha contribuido,como destacan MAIDMENT & DJOKIC (2000) en laintroduccin de su libro, la ruptura que se est pro-duciendo de las principales barreras que imped-an una utilizacin cotidiana y extensiva de los SIG:escasez de datos disponibles, los altos costes de latecnologa SIG (que los limitaban a las grandesorganizaciones en detrimento de las pequeasempresas), y la falta de formacin de la comunidadtcnica en el empleo de estas herramientas.

En un trabajo presentado a las 2as Jornadassobre Sistemas de Informacin Geogrfica enRiesgos Geolgicos y Medio Ambiente (Madrid,noviembre 2002), se mostraba un primer repasosobre los campos y aspectos de aplicacin de losSIG al anlisis del riesgo de inundaciones fluvia-les (DEZ HERRERO, 2002). En l se pormenoriza-ban las experiencias e iniciativas de aplicacin delos SIG en campos como: regionalizacin dedatos de precipitacin (MDT, isoyetas, polgonosde Thiessen), obtencin de parmetros morfom-tricos de inters hidrolgico desde el MDE (divi-sorias, rea, pendientes, longitudes de la red...),discretizacin de parmetros hidrolgicos(umbral de escorrenta), interpolacin de alturasde lmina de agua en modelos hidrulicos, con-feccin de bases de datos georreferenciadas parainundaciones histricas y paleoinundaciones,edicin de cartografas integradas de riesgo, etc.

Habiendo transcurrido ms de cinco aosdesde las citadas Jornadas, el objetivo de estenuevo trabajo es recopilar y comentar algunos delos avances recientes en este tema, con especialhincapi en los desarrollos llevados a cabo ennuestro pas de los que hemos tenido conoci-miento. Para esta actualizacin de las aplicacio-nes se seguir la misma estructura que el citadoartculo, revisando sucesivamente las novedadesen el anlisis del riesgo (estimacin de la peli-grosidad, exposicin y vulnerabilidad, y la con-siguiente integracin) y posteriormente las inno-vaciones en el papel de los SIG en la mitigacin(medidas predictivas, preventivas y correctoras).

AVANCES EN EL EMPLEO DE LOS SIGPARA EL ANLISIS DEL RIESGO

Las principales novedades y mejoras intro-ducidas por los SIG en el anlisis del riesgo

durante los ltimos aos, se han producido prin-cipalmente en el campo del estudio de la peli-grosidad o inundabilidad, entendido en sentidoamplio (desde las fuentes de informacin a lascartografas de peligrosidad).

En el caso de la evaluacin de la exposiciny vulnerabilidad no cabe resear muchas inno-vaciones metodolgicas, si bien se han produci-do ciertas mejoras en las fuentes de informacindel Catastro en formato digital, que han facilita-do su integracin y cruce con los otros factores,mediante por ejemplo las nuevas infraestructu-ras de datos espaciales (IDEs).

Tampoco se han producido novedades en lastcnicas y mtodos para la integracin del ries-go total, basados fundamentalmente en la com-binacin o superposicin basada en laevaluacin multicriterio, si bien se han desarro-llado algunos casos de inters en nuestro pas(anlisis de riesgo del plan de proteccin civil deCastilla-La Mancha).

Aplicaciones en el anlisis de la peligrosidadde inundaciones

Las primeras mejoras de utilidad en el anli-sis de la peligrosidad de inundaciones que sehan producido en los ltimos aos en nuestropas han tenido como protagonistas a los SIG,con avances significativos en la disponibilidadde los datos de partida en el estudio hidrolgicode las crecidas y avenidas.

As, los datos de precipitaciones mximasdiarias (con sus relaciones IDF), que clsicamen-te se obtenan de forma puntual a partir de losdatos de estaciones meteorolgicas, han pasado aestar disponibles desde aplicaciones basadas enregionalizaciones e interpolaciones soportadaspor SIG, que permiten obtener los valores paracualquier punto del territorio. En este campo des-tacan las siguientes aplicaciones (Figura 1): MAXPLUWIN (DGC, 1999), desarrollada

por tcnicos del CEDEX para la DireccinGeneral de Carreteras, y que parte de datos deprecipitaciones mximas de ms de 1500estaciones pluvimtricas en la Espaa penin-sular, a los que se ha aplicado un anlisis esta-dstico con la funcin de distribucinSQRT-ETmax, y regionalizaciones e interpo-laciones con SIG de parmetros como la pre-cipitacin media y el coeficiente de variacin.

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M. LLORENTE ISIDRO et al. Aplicaciones de los SIG al anlisis y gestin del riesgo de inundaciones: avances recientes

MAXIN (SALAS Y CARRERO, 2005, 2006),desarrollada en la Unidad Docente deHidrulica e Hidrologa de la E.U.I.T.Forestal (Universidad Politcnica deMadrid), que avanza sustancialmente respec-to a la anterior la aplicacin de mejoras en lascurvas IDF en la estimacin de los cuantiles(basadas en la tesis doctoral de la primera delas autoras). Adems a partir de MAXIN se

ha confeccionado una conexin con produc-tos ESRI (ArcView), denominada AQUALIS(MUOZ MARTNEZ, 2002), y que permite,entre otras cosas, la obtencin de los datos deprecipitacin no slo en localizaciones pun-tuales o zonas preestablecidas, sino para todaun rea (p.e. cuenca hidrogrfica). Ambosdesarrollos pueden descargarse gratuitamen-te en la direccin web de la E.U.I.T. de

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Figura 1. Pantallas principales de dos de las aplicaciones recientes, soportadas por SIG, para el clculo de valoresde precipitaciones mximas en Espaa utilizables en el anlisis de la peligrosidad de inundaciones. Arriba, MAXPLU-WIN (DGC, 1999). Abajo, MAXIN (SALAS Y CARRERO, 2005, 2006)

Forestales de la UPM, Unidad de Hidrulicae Hidrologa (Figura 1).(http://www.forestales.upm.es/unidad_enla-

ces.aspx).Otro aspecto importante que ha tenido intere-

santes avances en los ltimos aos, ha sido laobtencin de parmetros hidrogrficos (red dedrenaje, delineacin de cuencas, conectividad...) ymorfomtricos (longitudes, pendientes...) a partirde los modelos digitales de elevacin y el empleode SIG. En este sentido llama la atencin la apari-cin en el mercado de ArcHydro (MAIDMENT,2002), una estructura de datos para ArcGIS(ESRI) que conecta los datos hidrolgicos condiversos aspectos de la modelizacin de los recur-sos hdricos y los mtodos de toma de decisiones.La estructura de ArcHydro se apoya en tres pila-res bsicos (OLIVERA et al., 2006): a) un formatoestndar para almacenar la informacin hidrolgi-ca de carcter espacial y temporal; b) el estableci-miento de relaciones espaciales lgicas entre loselementos hidrolgicos; c) un conjunto de herra-mientas que permiten la creacin, manipulacin yvisualizacin de la informacin hidrolgica.

Tambin apoyndose en los SIG se han gene-rado coberturas matriciales, para toda la Espaapeninsular y con resolucin espacial de 1x1 km, deparmetros hidrolgicos tan importantes como elnmero de curva (o su correspondiente umbral deescorrenta; FERRER, 2003), mediante la superposi-cin de las variables que intervienen en su estima-cin pertinentemente reclasificadas: pendiente,vegetacin o usos del suelo, y tipo de suelo. A par-tir de estos valores de umbral de escorrenta trans-formados a coeficiente de escorrenta, y de los pro-cedentes de las precipitaciones mximas que ofre-ce MAXPLUWIN, se han elaborado aprovechan-do las funcionalidades de los SIG (agregacin deflujo, medidas morfomtricas en cuencas, estima-cin de valores promedio), los mapas de cauda-les mximos esperables mediante el mtodo racio-nal modificado para diferentes periodos de retornoy rgimen natural en todas las cuencas espaolas(CEDEX; JIMNEZ, 2007) y para el territorio deCastilla-La Mancha (DEZ et al., 2008); incluso sehan estimado ratios entre cuantiles de caudalesmximos que sirven de primera aproximacin a lamayor o menor probabilidad de desbordamientoen un tramo determinado de la red fluvial (Figura2), como la relacin entre el caudal de 500 aos de

periodo de retorno (QT500) respecto al caudal dedesbordamiento (bankfull discharge, Qb; DEZ YGARROTE, en imprenta).

La conexin de los Sistemas de InformacinGeogrfica con los modelos hidrolgicos ehidrulicos ha sufrido una lgica evolucin en laltima dcada: los SIG comenzaron a utilizarsede forma aislada a los modelos, como herramien-tas para regionalizar, agregar y/o calcular varia-bles y parmetros, usando los resultados comoentradas a los modelos; pero ltimamente hanproliferado las aplicaciones, macros, extensioneso mdulos que conectan directamente SIG ymodelo, y adems en relacin biunvoca. En estalnea, surgieron las conexiones entre los progra-mas del HEC (HEC-HMS y HEC-RAS) con losproductos ESRI (primero ArcINFO y ArcView yposteriormente ArcGIS), a travs de las extensio-nes HEC-GeoHMS y HEC-GeoRAS, respectiva-mente. El primero de ellos, HEC-GeoHMS(DOAN, 2003), al igual que su predecesorCRWR-Prepro (OLIVERA & MAIDMENT, 2000),permiten extraer informacin topogrfica, topo-lgica e hidrolgica desde un MDE, para luegointroducirla en HEC-HMS como ayuda en la ela-boracin del modelo de cuenca. El segundo,HEC-GeoRAS (ACKERMAN, 2002), permiteconectar el SIG y el modelo hidrulico unidi-mensional en una doble direccin: desde el MDE(TIN) se extrae la informacin geomtrica nece-saria (men PreRAS) que, una vez empleada enHEC-RAS, permite ser de nuevo exportada alSIG para obtener zonas inundables, batimetras,velocidades (men PostRAS).

Tambin todas las aplicaciones para la mode-lacin hidrulica bidimensional se apoyan en losSIG, tanto para dar formato a los datos de entra-da, como para la implementacin de los clculosinternos y los formatos de salida. As, algunos delos programas de uso ms difundido comoMIKE-Flood (y su componente bidimensionalMIKE 21), SOBECK, o el espaol GUAD2Dprecisan coberturas SIG de entrada (normalmen-te en formato matricial) con los MDE de alta pre-cisin (procedentes, por ejemplo, de LIDAR) ocon parmetros de rugosidad del terreno a la cir-culacin del agua en rgimen de lmina libre(valores de n m de Manning) (Figura 3).

La ltima generacin en este tipo de desarro-llos es la aplicacin GeoFIRM (OLIVERA et al.,

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2006), que se postula como una herramientapara la delineacin automtica de reas inunda-bles, compuesta por tres mdulos: cartogrfico,hidrolgico (programa NFF) e hidrulico (pro-grama HEC-RAS). Siguiendo los requerimien-tos de la Agencia Federal para la Gestin deEmergencias de los EEUU (FEMA), para la ela-boracin de los Mapas de Tasas de Seguros con-tra Inundaciones (FIRMs), persigue delimitarsemiautomticamente la zona inundable conperiodo de retorno de 100 aos (zonas A). Todala informacin se almacena en una base de datosespacial (geodatabase) gestionada por un siste-ma gestor de bases de datos relacionales (SQLServer), pudiendo ser editada en modo multiu-suario mediante ArcGIS/ArcSDE 9.0, inclusoutilizando Internet como va de acceso (OLIVERAet al., 2006); adems cuenta con el modelo dedatos ArcHydro como estructura de apoyo.

Aplicaciones en el anlisis de la exposicin yvulnerabilidad

Los SIG tambin se pueden emplear paraobtener y cruzar entre s las diferentes variablesy parmetros que controlan la exposicin y vul-nerabilidad, normalmente extrados de bases de

datos socio-econmicas, como el Censo depoblacin o el Catastro. Un ejemplo de este tipode obtencin con SIG de coberturas de exposi-cin y vulnerabilidad para ms de una treintenade variables, se ha realizado en el anlisis deriesgo del plan de proteccin civil de Castilla-LaMancha (DEZ et al., 2008; Tabla 1).

A otra escala espacial distinta, tambin sehan empleado los SIG durante los ltimos aosen los inventarios y anlisis de la exposicin yvulnerabilidad ante el riesgo de inundacionespara los anlisis de riesgo en los planes de pro-teccin civil de mbito local, como el realizadopara el municipio de Navaluenga en la provinciade vila (DEZ Y PREZ, 2003; Figura 4).

Aplicaciones en el anlisis integrado del riesgoEl riesgo de inundaciones es el resultado de la

integracin de sus tres componentes: peligrosidad,exposicin y vulnerabilidad; esta integracin seexpresa mediante la ecuacin del riesgo, que com-bina los factores mediante un producto de ellos.Por ello, en el mbito de los SIG las operacionespara el anlisis integrado del riesgo emplean casisiempre funciones de superposicin algebraica delas coberturas que representan los componentes.

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Figura 4. Base de datos georreferenciada creada en la aplicacin ArcView GIS (ESRI) para el inventario y anlisis delos elementos expuestos y vulnerables en las zonas inundables del ncleo de poblacin de Navaluenga, en la provinciade vila (DEZ Y PREZ, 2003)

Todo ello en el mbito de las tcnicas de evalua-cin multicriterio, y con asignacin de pesos enlas ponderaciones con mtodos de tipo Delphi.

Un ejemplo de estas aplicaciones se ha lle-vado a cabo en el anlisis integrado final delriesgo de inundaciones en los ncleos de pobla-cin de Castilla-La Mancha, realizado en elmbito del Plan de Proteccin Civil de dicharegin (DEZ et al., 2008; Figuras 5 y 6).

En lo que se refiere a nuevas experiencias enel empleo de los SIG para la gestin de bases de

datos de inundaciones histricas y paleoinunda-ciones, destacan dos iniciativas que han vistopublicados resultados en los ltimos aos: Bases de datos HISTO y PALEO del proyec-

to europeo SPHERE (CASAS et al., 2004),que recopilaron las inundaciones histricas ylas paleoinundaciones respectivamente, envarias cuencas del noreste peninsular(Llobregat, Noguera...).

Fascculo 1 del Catlogo Nacional de Inunda-ciones Histricas (PASCUAL Y BUSTAMANTE,

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Tabla 1. Listado de variables referidas a la exposicin y vulnerabilidad social, tiles en la evaluacin multicriterio conSIG para el anlisis integrado (junto a la peligrosidad) del riesgo social por inundaciones (DEZ et al., 2008)

Exposicin totalPoblacin total expuesta (n habitantes censados)

Permanencia espacial de la poblacinDensidad de poblacin

Permanencia temporal de la poblacinPor sectores de edadPor ndice de desempleoPor existencia de instituciones educativasPor existencia de campamentos tursticos (campings)Por existencia de residencias de ancianosPor existencia de centros hospitalariosPor existencia de polgonos industrialesPor grado de ocupacin de la viviendaPor la tipologa de vivienda (n de plantas)

Vulnerabilidad individualPoblacin especialmente vulnerable

Sectores de edad menor de 5 mayor de 65 aosDiscapacitadosConocimiento del idioma castellanoEnfermos y convalecientes (hospitales)

Infraestructuras para vulnerabilidad (paliar o agravarla)Accesibilidad de los edificiosEstado de conservacin de los edificiosN de plantas sobre rasanteN de plantas bajo rasante

Vulnerabilidad colectivaDensidad de poblacin por viviendaPosible interrupcin de vas de comunicacin

Nmero de vas por trmino municipalNmero de intersecciones va-corriente fluvial

Existencia de zonas adecuadas para la evacuacinPendiente del terrenoDistancia a los caucesDistancia a vas de comunicacinDistancia a los ncleos de poblacinTamao mnimo de la zona necesario

2006), publicado por la Direccin General deProteccin Civil y Emergencias, y que con-templa las inundaciones histricas de lascuencas del Duero, Segura e Islas Baleares.

AVANCES EN EL EMPLEO DE LOS SIGPARA LA GESTIN DEL RIESGO

Entre las diversas estrategias a adoptar para lamitigacin del riesgo de inundaciones, destacanen los ltimos aos los desarrollos llevados a caboen la aplicacin de los SIG para las medidas pre-ventivas de carcter no estructural, y en particularel empleo de los SIG en ordenacin del territorio,proteccin civil y sistemas de aseguramiento.

En el mbito de la proteccin civil, los lti-mos planes de emergencias desarrollados deacuerdo a la Directriz Bsica de Planificacinemplean los SIG, tanto para el anlisis y zona-cin del riesgo (DEZ et al., 2008), como para eldiseo de rutas ptimas de evacuacin de lapoblacin afectada durante la emergencia (DEZY PREZ, 2003; Figura 7).

En el mbito de la ordenacin del territorio,recientemente (noviembre de 2007) la Ministra deMedio Ambiente present el nuevo Sistema

Nacional de Cartografa de Zonas Inundables(SNCZI), que recopila los trabajos sobre inunda-ciones ya efectuados y los que se elaboren en elfuturo, e implanta una aplicacin que facilite suconsulta y gestin, incluso a travs de Internet; laescala de trabajo seleccionada es 1:5.000, y unplazo temporal de tres aos (YAGE, 2007). Lainformacin puede ser consultada e incluso des-cargadas las coberturas de los trabajos recopiladosen la direccin de Internet: www.mma.es/portal/secciones/acm/aguas_continent_zonas_asoc/pre-vencion_inundaciones/cartografia_inundables

Agradecimientos

Estos trabajos recopilados y referidos en esteartculo han sido realizados en el marco dediversos proyectos tcnicos y de investigacindel Instituto Geolgico y Minero de Espaa(MEC), como Diseo de una metodologa parala realizacin de cartografa de peligrosidad deinundaciones en funcin de su aplicacin,Trabajos de apoyo en cartografa y estudios depeligrosidad y riesgo ante avenidas e inundacio-nes enmarcados en el plan PRIGEO, GEORIA-DA, y RICAM (en convenio de colaboracin

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Figura 5. Esquema metodolgico empleado en el anlisis del riesgo integrado para el Plan de Proteccin Civil deCastilla-La Mancha ante el riesgo de inundaciones (DEZ et al., 2008), empleando evaluacin multicriterio (EMC)

con la Junta de Comunidades de Castilla-LaMancha). Tambin participan varios proyectosfin de carrera, como los de Jess A. PrezGuerrero y Clara Lins Daz, a quienes agrade-cemos la cesin desinteresada de parte del mate-rial grfico. Por ltimo, agradecer a losorganizadores de las jornadas SIGTEFOR 2006su invitacin a participar en las mismas, permi-tindonos divulgar y dar a conocer nuestros tra-bajos ms recientes.

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APLICACIONES DE LOS SIG AL ANLISIS YGESTIN DEL RIESGO DE INUNDACIONES:AVANCES RECIENTES

Miguel Llorente Isidro, Andrs Dez-Herrero y Luis Lan Huerta

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Figura 2. Mapa de la inundabilidad de los tramos de la red fluvial en la comunidad autnoma de Castilla-La Mancha,expresada como clases de la ratio entre el caudal mximo de 500 aos de periodo de retorno y el caudal de desborda-miento, estimado en 5 aos de periodo de retorno (DEZ et al., 2008; DEZ Y GARROTE, en imprenta)

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Figura 3. Mapas de batimetra en las zonas inundables de Albuol (Granada, arriba) y Valdepeas (Ciudad Real,abajo), obtenidos tanto mediante el uso de la combinacin de HEC-RAS con ArcGIS (HEC-GeoRAS, imagen superior;LLORENTE et al., 2006), como con el programa hidrulico bidimensional MIKE-FLOOD (imagen inferior; LINS, 2008)

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Figura 6. Mapa del riesgo total integrado (social) para los 1495 ncleos de poblacin de Castilla-La Mancha, segnlos criterios de la Directriz Bsica de Planificacin de Proteccin Civil, obtenido empleando evaluacin multicriterio(EMC) con SIG (DEZ et al., 2008)

Figura 7. Proceso de obtencin automtica con SIG de rutas ptimas de evacuacin de personas afectadas por emer-gencias durante una hipottica inundacin en Navaluenga (vila), desde el punto 2 (mxima concentracin de perso-nas en riesgo) al punto 1 (lugar de instalacin del hospital de campaa). Tomado de DEZ Y PREZ (2003)

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