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APLICACIONES DE LOS SIG AL ANÁLISIS YGESTIÓN DEL RIESGO DE INUNDACIONES:AVANCES RECIENTES

Miguel Llorente Isidro, Andrés Díez-Herrero y Luis Laín Huerta

Instituto Geológico y Minero de España – MEC. c/Ríos Rosas 23. 28003-MADRID (España). Correoelectrónico: [email protected]

Resumen

Los Sistemas de Información Geográfica tienen múltiples campos de aplicación en el análisis yla gestión del riesgo de inundaciones fluviales, desde aspectos del estudio de la peligrosidad, comoregionalización de datos de precipitación, obtención de parámetros morfométricos y de la red, dis-cretización de parámetros hidrológicos, delimitación de áreas inundables, cartografías de riesgo inte-gradas...; hasta la adopción de medidas de mitigación de carácter predictivo, preventivo o corrector(post-desastre), que comprenden la predicción meteorológica e hidrológica, la ordenación del terri-torio y los sistemas de aseguramiento, y los planes de protección civil y emergencias. Su empleosupone normalmente un ahorro de tiempo, esfuerzo y una garantía de objetividad y precisión.Recientes avances técnicos, por ejemplo en la conexión de los SIG con los modelos hidrológicos ehidráulicos y en la conexión SIG-Internet, el abaratamiento de los costes y la aparición de nuevasfuentes de información, han facilitado su utilización y les han hecho unas herramientas imprescindi-bles en la gestión de este riesgo natural.

Palabras clave: Peligrosidad, Exposición, Vulnerabilidad, Avenidas, Hidrología, Hidráulica

INTRODUCCIÓN

Las inundaciones son los desastres naturalescon mayores repercusiones socio-económicas anivel global y en lo que se refiere a nuestro país.Así lo ponen de manifiesto recientes estudiosrealizados por el IGME en colaboración con elConsorcio de Compensación de Seguros, queestiman los costes anuales de estos fenómenos encifras próximas al 1% del PIB, habiéndose pro-ducido más de dos centenares de víctimas morta-les en nuestro país durante la última década.

Por este motivo, las diferentes administra-ciones públicas (estatales, autonómicas y loca-les) están adoptando, desde hace décadas,diferentes estrategias para mitigar el riesgo o

minimizar los efectos de su consumación. Todasestas medidas de gestión del riesgo (predictivas,preventivas y correctoras) requieren como pasoprevio y necesario, la realización de un porme-norizado análisis del riesgo, esto es, descompo-ner la situación potencial de pérdidas en suselementos constituyentes: peligrosidad o inun-dabilidad, exposición y vulnerabilidad.

Tanto para realizar las diferentes operaciones yprocedimientos del análisis del riesgo, como parael diseño y puesta en práctica de medidas de miti-gación, los Sistemas de Información Geográfica(SIG) se han manifestado desde hace años comoherramientas básicas e imprescindibles, y sus cam-pos y aspectos de aplicación han ido sustituyendoy desplazando antiguas técnicas manuales menos

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

ISSN: 1575-2410© 2009 Sociedad Española de Ciencias Forestales

precisas y más costosas. A ello ha contribuido,como destacan MAIDMENT & DJOKIC (2000) en laintroducción de su libro, la ruptura que se está pro-duciendo de las principales ‘barreras’ que impedí-an una utilización cotidiana y extensiva de los SIG:escasez de datos disponibles, los altos costes de latecnología SIG (que los limitaban a las grandesorganizaciones en detrimento de las pequeñasempresas), y la falta de formación de la comunidadtécnica en el empleo de estas herramientas.

En un trabajo presentado a las 2as Jornadassobre Sistemas de Información Geográfica enRiesgos Geológicos y Medio Ambiente (Madrid,noviembre 2002), se mostraba un primer repasosobre los campos y aspectos de aplicación de losSIG al análisis del riesgo de inundaciones fluvia-les (DÍEZ HERRERO, 2002). En él se pormenoriza-ban las experiencias e iniciativas de aplicación delos SIG en campos como: regionalización dedatos de precipitación (MDT, isoyetas, polígonosde Thiessen), obtención de parámetros morfomé-tricos de interés hidrológico desde el MDE (divi-sorias, área, pendientes, longitudes de la red...),discretización de parámetros hidrológicos(umbral de escorrentía), interpolación de alturasde lámina de agua en modelos hidráulicos, con-fección de bases de datos georreferenciadas parainundaciones históricas y paleoinundaciones,edición de cartografías integradas de riesgo, etc.

Habiendo transcurrido más de cinco añosdesde las citadas Jornadas, el objetivo de estenuevo trabajo es recopilar y comentar algunos delos avances recientes en este tema, con especialhincapié en los desarrollos llevados a cabo ennuestro país de los que hemos tenido conoci-miento. Para esta actualización de las aplicacio-nes se seguirá la misma estructura que el citadoartículo, revisando sucesivamente las novedadesen el análisis del riesgo (estimación de la peli-grosidad, exposición y vulnerabilidad, y la con-siguiente integración) y posteriormente las inno-vaciones en el papel de los SIG en la mitigación(medidas predictivas, preventivas y correctoras).

AVANCES EN EL EMPLEO DE LOS SIGPARA EL ANÁLISIS DEL RIESGO

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

durante los últimos años, se han producido prin-cipalmente en el campo del estudio de la peli-grosidad o inundabilidad, entendido en sentidoamplio (desde las fuentes de información a lascartografías de peligrosidad).

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

Tampoco se han producido novedades en lastécnicas y métodos para la integración del ries-go total, basados fundamentalmente en la com-binación o superposición basada en laevaluación multicriterio, si bien se han desarro-llado algunos casos de interés en nuestro país(análisis de riesgo del plan de protección civil deCastilla-La Mancha).

Aplicaciones en el análisis de la peligrosidadde inundaciones

Las primeras mejoras de utilidad en el análi-sis de la peligrosidad de inundaciones que sehan producido en los últimos años en nuestropaís han tenido como protagonistas a los SIG,con avances significativos en la disponibilidadde los datos de partida en el estudio hidrológicode las crecidas y avenidas.

Así, los datos de precipitaciones máximasdiarias (con sus relaciones IDF), que clásicamen-te se obtenían de forma puntual a partir de losdatos de estaciones meteorológicas, 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 técnicos del CEDEX para la DirecciónGeneral de Carreteras, y que parte de datos deprecipitaciones máximas de más de 1500estaciones pluvimétricas en la España penin-sular, a los que se ha aplicado un análisis esta-dístico con la función de distribuciónSQRT-ETmax, y regionalizaciones e interpo-laciones con SIG de parámetros como la pre-cipitación media y el coeficiente de variación.

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M. LLORENTE ISIDRO et al. «Aplicaciones de los SIG al análisis y gestión del riesgo de inundaciones: avances recientes»

• MAXIN (SALAS Y CARRERO, 2005, 2006),desarrollada en la Unidad Docente deHidráulica e Hidrología de la E.U.I.T.Forestal (Universidad Politécnica deMadrid), que avanza sustancialmente respec-to a la anterior la aplicación de mejoras en lascurvas IDF en la estimación de los cuantiles(basadas en la tesis doctoral de la primera delas autoras). Además a partir de MAXIN se

ha confeccionado una conexión con produc-tos ESRI (ArcView), denominada AQUALIS(MUÑOZ MARTÍNEZ, 2002), y que permite,entre otras cosas, la obtención de los datos deprecipitación no sólo en localizaciones pun-tuales o zonas preestablecidas, sino para todaun área (p.e. cuenca hidrográfica). Ambosdesarrollos pueden descargarse gratuitamen-te en la dirección 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 cálculo de valoresde precipitaciones máximas en España utilizables en el análisis de la peligrosidad de inundaciones. Arriba, MAXPLU-WIN (DGC, 1999). Abajo, MAXIN (SALAS Y CARRERO, 2005, 2006)

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

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

santes avances en los últimos años, ha sido laobtención de parámetros hidrográficos (red dedrenaje, delineación de cuencas, conectividad...) ymorfométricos (longitudes, pendientes...) a partirde los modelos digitales de elevación y el empleode SIG. En este sentido llama la atención la apari-ción en el mercado de ArcHydro (MAIDMENT,2002), una estructura de datos para ArcGIS(ESRI) que conecta los datos hidrológicos condiversos aspectos de la modelización de los recur-sos hídricos y los métodos de toma de decisiones.La estructura de ArcHydro se apoya en tres pila-res básicos (OLIVERA et al., 2006): a) un formatoestándar para almacenar la información hidrológi-ca de carácter espacial y temporal; b) el estableci-miento de relaciones espaciales lógicas entre loselementos hidrológicos; c) un conjunto de herra-mientas que permiten la creación, manipulación yvisualización de la información hidrológica.

También apoyándose en los SIG se han gene-rado coberturas matriciales, para toda la Españapeninsular y con resolución espacial de 1x1 km, deparámetros hidrológicos tan importantes como elnúmero de curva (o su correspondiente umbral deescorrentía; FERRER, 2003), mediante la superposi-ción de las variables que intervienen en su estima-ción pertinentemente reclasificadas: pendiente,vegetación o usos del suelo, y tipo de suelo. A par-tir de estos valores de umbral de escorrentía trans-formados a coeficiente de escorrentía, y de los pro-cedentes de las precipitaciones máximas que ofre-ce MAXPLUWIN, se han elaborado aprovechan-do las funcionalidades de los SIG (agregación deflujo, medidas morfométricas en cuencas, estima-ción de valores promedio…), los mapas de cauda-les máximos esperables mediante el método racio-nal modificado para diferentes periodos de retornoy régimen natural en todas las cuencas españolas(CEDEX; JIMÉNEZ, 2007) y para el territorio deCastilla-La Mancha (DÍEZ et al., 2008); incluso sehan estimado ratios entre cuantiles de caudalesmáximos que sirven de primera aproximación a lamayor o menor probabilidad de desbordamientoen un tramo determinado de la red fluvial (Figura2), como la relación entre el caudal de 500 años de

periodo de retorno (QT500) respecto al caudal dedesbordamiento (bankfull discharge, Qb; DÍEZ Y

GARROTE, en imprenta).La conexión de los Sistemas de Información

Geográfica con los modelos hidrológicos ehidráulicos ha sufrido una lógica evolución en laúltima década: los SIG comenzaron a utilizarsede forma aislada a los modelos, como herramien-tas para regionalizar, agregar y/o calcular varia-bles y parámetros, usando los resultados comoentradas a los modelos; pero últimamente hanproliferado las aplicaciones, macros, extensioneso módulos que conectan directamente SIG ymodelo, y además en relación biunívoca. En estalínea, surgieron las conexiones entre los progra-mas del HEC (HEC-HMS y HEC-RAS) con losproductos ESRI (primero ArcINFO y ArcView yposteriormente ArcGIS), a través 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 información topográfica, topo-lógica e hidrológica desde un MDE, para luegointroducirla en HEC-HMS como ayuda en la ela-boración del modelo de cuenca. El segundo,HEC-GeoRAS (ACKERMAN, 2002), permiteconectar el SIG y el modelo hidráulico unidi-mensional en una doble dirección: desde el MDE(TIN) se extrae la información geométrica nece-saria (menú PreRAS) que, una vez empleada enHEC-RAS, permite ser de nuevo exportada alSIG para obtener zonas inundables, batimetrías,velocidades… (menú PostRAS).

También todas las aplicaciones para la mode-lación hidráulica bidimensional se apoyan en losSIG, tanto para dar formato a los datos de entra-da, como para la implementación de los cálculosinternos y los formatos de salida. Así, algunos delos programas de uso más difundido comoMIKE-Flood (y su componente bidimensionalMIKE 21), SOBECK, o el español GUAD2Dprecisan coberturas SIG de entrada (normalmen-te en formato matricial) con los MDE de alta pre-cisión (procedentes, por ejemplo, de LIDAR) ocon parámetros de rugosidad del terreno a la cir-culación del agua en régimen de lámina libre(valores de n ó m de Manning) (Figura 3).

La última generación en este tipo de desarro-llos es la aplicación GeoFIRM (OLIVERA et al.,

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2006), que se postula como una herramientapara la delineación automática de áreas inunda-bles, compuesta por tres módulos: cartográfico,hidrológico (programa NFF) e hidráulico (pro-grama HEC-RAS). Siguiendo los requerimien-tos de la Agencia Federal para la Gestión deEmergencias de los EEUU (FEMA), para la ela-boración de los Mapas de Tasas de Seguros con-tra Inundaciones (FIRMs), persigue delimitarsemiautomáticamente la zona inundable conperiodo de retorno de 100 años (zonas A). Todala información 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 vía de acceso (OLIVERA

et al., 2006); además cuenta con el modelo dedatos ArcHydro como estructura de apoyo.

Aplicaciones en el análisis de la exposición yvulnerabilidad

Los SIG también se pueden emplear paraobtener y cruzar entre sí las diferentes variablesy parámetros que controlan la exposición y vul-nerabilidad, normalmente extraídos de bases de

datos socio-económicas, como el Censo depoblación o el Catastro. Un ejemplo de este tipode obtención con SIG de coberturas de exposi-ción y vulnerabilidad para más de una treintenade variables, se ha realizado en el análisis deriesgo del plan de protección civil de Castilla-LaMancha (DÍEZ et al., 2008; Tabla 1).

A otra escala espacial distinta, también sehan empleado los SIG durante los últimos añosen los inventarios y análisis de la exposición yvulnerabilidad ante el riesgo de inundacionespara los análisis de riesgo en los planes de pro-tección civil de ámbito local, como el realizadopara el municipio de Navaluenga en la provinciade Ávila (DÍEZ Y PÉREZ, 2003; Figura 4).

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

integración de sus tres componentes: peligrosidad,exposición y vulnerabilidad; esta integración seexpresa mediante la ecuación del riesgo, que com-bina los factores mediante un producto de ellos.Por ello, en el ámbito de los SIG las operacionespara el análisis integrado del riesgo emplean casisiempre funciones de superposición algebraica delas coberturas que representan los componentes.

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Figura 4. Base de datos georreferenciada creada en la aplicación ArcView GIS (ESRI) para el inventario y análisis delos elementos expuestos y vulnerables en las zonas inundables del núcleo de población de Navaluenga, en la provinciade Ávila (DÍEZ Y PÉREZ, 2003)

Todo ello en el ámbito de las técnicas de evalua-ción multicriterio, y con asignación de pesos enlas ponderaciones con métodos de tipo Delphi.

Un ejemplo de estas aplicaciones se ha lle-vado a cabo en el análisis integrado final delriesgo de inundaciones en los núcleos de pobla-ción de Castilla-La Mancha, realizado en elámbito del Plan de Protección Civil de dicharegión (DÍEZ et al., 2008; Figuras 5 y 6).

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

datos de inundaciones históricas y paleoinunda-ciones, destacan dos iniciativas que han vistopublicados resultados en los últimos años:– Bases de datos HISTO y PALEO del proyec-

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

– Fascículo 1 del Catálogo Nacional de Inunda-ciones Históricas (PASCUAL Y BUSTAMANTE,

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Tabla 1. Listado de variables referidas a la exposición y vulnerabilidad social, útiles en la evaluación multicriterio conSIG para el análisis integrado (junto a la peligrosidad) del riesgo social por inundaciones (DÍEZ et al., 2008)

Exposición totalPoblación total expuesta (nº habitantes censados)

Permanencia espacial de la poblaciónDensidad de población

Permanencia temporal de la poblaciónPor sectores de edadPor índice de desempleoPor existencia de instituciones educativasPor existencia de campamentos turísticos (campings)Por existencia de residencias de ancianosPor existencia de centros hospitalariosPor existencia de polígonos industrialesPor grado de ocupación de la viviendaPor la tipología de vivienda (nº de plantas)

Vulnerabilidad individualPoblación especialmente vulnerable

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

Infraestructuras para vulnerabilidad (paliar o agravarla)Accesibilidad de los edificiosEstado de conservación de los edificiosNº de plantas sobre rasanteNº de plantas bajo rasante

Vulnerabilidad colectivaDensidad de población por viviendaPosible interrupción de vías de comunicación

Número de vías por término municipalNúmero de intersecciones vía-corriente fluvial

Existencia de zonas adecuadas para la evacuaciónPendiente del terrenoDistancia a los caucesDistancia a vías de comunicaciónDistancia a los núcleos de poblaciónTamaño mínimo de la zona necesario

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

AVANCES EN EL EMPLEO DE LOS SIGPARA LA GESTIÓN DEL RIESGO

Entre las diversas estrategias a adoptar para lamitigación del riesgo de inundaciones, destacanen los últimos años los desarrollos llevados a caboen la aplicación de los SIG para las medidas pre-ventivas de carácter no estructural, y en particularel empleo de los SIG en ordenación del territorio,protección civil y sistemas de aseguramiento.

En el ámbito de la protección civil, los últi-mos planes de emergencias desarrollados deacuerdo a la Directriz Básica de Planificaciónemplean los SIG, tanto para el análisis y zona-ción del riesgo (DÍEZ et al., 2008), como para eldiseño de rutas óptimas de evacuación de lapoblación afectada durante la emergencia (DÍEZ

Y PÉREZ, 2003; Figura 7).En el ámbito de la ordenación del territorio,

recientemente (noviembre de 2007) la Ministra deMedio Ambiente presentó el nuevo Sistema

Nacional de Cartografía de Zonas Inundables(SNCZI), que recopila los trabajos sobre inunda-ciones ya efectuados y los que se elaboren en elfuturo, e implanta una aplicación que facilite suconsulta y gestión, incluso a través de Internet; laescala de trabajo seleccionada es 1:5.000, y unplazo temporal de tres años (YAGÜE, 2007). Lainformación puede ser consultada e incluso des-cargadas las coberturas de los trabajos recopiladosen la dirección de Internet: www.mma.es/portal/secciones/acm/aguas_continent_zonas_asoc/pre-vencion_inundaciones/cartografia_inundables

Agradecimientos

Estos trabajos recopilados y referidos en esteartículo han sido realizados en el marco dediversos proyectos técnicos y de investigacióndel Instituto Geológico y Minero de España(MEC), como “Diseño de una metodología parala realización de cartografía de peligrosidad deinundaciones en función de su aplicación”,“Trabajos de apoyo en cartografía y estudios depeligrosidad y riesgo ante avenidas e inundacio-nes enmarcados en el plan PRIGEO”, GEORIA-DA, y RICAM (en convenio de colaboración

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Figura 5. Esquema metodológico empleado en el análisis del riesgo integrado para el Plan de Protección Civil deCastilla-La Mancha ante el riesgo de inundaciones (DÍEZ et al., 2008), empleando evaluación multicriterio (EMC)

con la Junta de Comunidades de Castilla-LaMancha). También participan varios proyectosfin de carrera, como los de Jesús A. PérezGuerrero y Clara Linés Díaz, a quienes agrade-cemos la cesión desinteresada de parte del mate-rial gráfico. Por último, agradecer a losorganizadores de las jornadas SIGTEFOR 2006su invitación a participar en las mismas, permi-tiéndonos divulgar y dar a conocer nuestros tra-bajos más recientes.

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APLICACIONES DE LOS SIG AL ANÁLISIS YGESTIÓN DEL RIESGO DE INUNDACIONES:AVANCES RECIENTES

Miguel Llorente Isidro, Andrés Díez-Herrero y Luis Laín Huerta

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

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Figura 3. Mapas de batimetría en las zonas inundables de Albuñol (Granada, arriba) y Valdepeñas (Ciudad Real,abajo), obtenidos tanto mediante el uso de la combinación de HEC-RAS con ArcGIS (HEC-GeoRAS, imagen superior;LLORENTE et al., 2006), como con el programa hidráulico bidimensional MIKE-FLOOD (imagen inferior; LINÉS, 2008)

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Figura 6. Mapa del riesgo total integrado (social) para los 1495 núcleos de población de Castilla-La Mancha, segúnlos criterios de la Directriz Básica de Planificación de Protección Civil, obtenido empleando evaluación multicriterio(EMC) con SIG (DÍEZ et al., 2008)

Figura 7. Proceso de obtención automática con SIG de rutas óptimas de evacuación de personas afectadas por emer-gencias durante una hipotética inundación en Navaluenga (Ávila), desde el punto 2 (máxima concentración de perso-nas en riesgo) al punto 1 (lugar de instalación del hospital de campaña). Tomado de DÍEZ Y PÉREZ (2003)

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