Susceptibilidad y amenaza

La susceptibilidad de un terreno a fallar es definida por Brabb [1984] como la tendencia de un deslizamiento a ser generado en el futuro en una área específica. En el mismo sentido, Soeters and van Westen [1996] define susceptibilidad como la posibilidad de que un fenómeno ocurra en un área de acuerdo con las condiciones locales del terreno, y especifican que factores detonantes tales como precipitación o sismicidad no son considerados. Entre tanto, la amenaza se define como la probabilidad de ocurrencia de un fenómeno potencialmente dañino dentro de un periodo de tiempo específico y dentro de un área dada (Varnes et al. [1984]). Concretamente, el término amenaza expresa la probabilidad de ocurrencia de un potencial fenómeno destructivo en espacio y tiempo definidos.

En este sentido, la susceptibilidad es el primer acercamiento hacia la evaluación de la amenaza, debido a que debe explicar la distribución de los deslizamientos de acuerdo con la evolución geomorfológica del terreno (Mather et al. [2002]). El entendimiento de la ocurrencia de deslizamientos corresponde a un proceso comprensivo, donde cada paisaje es caracterizado por una jerarquía de movimientos en masa distribuidos como una secuencia en tiempo y espacio, entendido como susceptibilidad, y descrito por la frecuencia y magnitud incluyendo la duración y secuencia de los eventos del proceso, entendido como amenaza (Brunsden [2002]).

Los términos amenaza y susceptibilidad han sido erróneamente usados como sinónimos. Los mapas de susceptibilidad zonifican el terreno de acuerdo a la favorabilidad a fallar de una ladera, con el propósito de analizar posteriormente los mecanismos detonantes. En tanto, amenaza es la probabilidad de ocurrencia de deslizamientos en áreas susceptibles, y que a diferencia de susceptibilidad involucra frecuencia y magnitud. Esta definición de amenaza considera tiempo y espacio, dos factores que involucran la cuantificación de las causas detonantes.

A la definición de amenaza, Reichenbach [1999] le adiciona la inclusión de la magnitud del evento. Por lo tanto, la definición de la amenaza por movimientos en masa incorpora los conceptos de localización, tiempo y magnitud. Como consecuencia, una completa evaluación de la amenaza debe predecir de forma cuantitativa dónde un movimiento en masa ocurrirá, cuándo o qué tan frecuente será su ocurrencia, y qué tan grande será el evento.

Considerando estos tres elementos, la probabilidad de amenaza por movimientos en masa en una área dada puede ser obtenida a partir de la probabilidad espacial (\(P_S\)), que señala la probabilidad espacial relativa de ocurrencia de un movimiento en masa; de la probabilidad temporal (\(P_T\)), que señala la probabilidad de ocurrencia de un factor detonante que genera movimientos en masa; y de la probabilidad de magnitud (\(P_M\)), que señala la probabilidad que un movimiento en masa pueda ser de un cierto tamaño. La amenaza (H) entonces puede ser calculada asumiendo independencia entre las tres probabilidades utilizando la siguiente ecuación:

\(H = P_M * P_S * P_T\)

Adicionalmente, es importante considerar la propagación o desplazamiento del material que falla. Todos los elementos anteriores de la amenaza se refieren a la fuente, y no hacen referencia a la propagación. Generalmente, los movimientos en masa más destructivos son aquellos que se propagan a lo largo de laderas o canales como flujos. Es por lo tanto fundamental para estos casos estimar la posible área por la cual se desplazará el volumen del movimiento en masa. Sin embargo es un componente altamente complejo y dinámico ya que depende de la reología del material y de la superficie del terreno. Para esto se han propuesto relaciones empíricas, y en los últimos años modelos semi-empíricos y modelos físicos que pueden ofrecer una adecuada aproximación.

Metodologías para la evaluación y zonificación de la susceptibildiad y/o amenaza

Existen en la literatura múltiples métodos para evaluar la susceptibilidad o amenaza por movimientos en masa, los cuales pueden ser divididos en cuantitativos y cualitativos (Fell et al. [2008]; Aleotti and Chowdhury [1999]; Carrara [1983]; Reichenbach [1999]; van Westen et al. [2006]).

Los métodos cualitativos utilizan técnicas de cartografía geomorfológica y álgebra de mapas, mediante la asignación de pesos relativos de las variables que influyen en la ocurrencia de movimientos en masa. Es decir, se basan en el conocimiento o criterio de algún experto en el tema y, por lo tanto, son altamente subjetivos (Barredol et al. [2000]; Westen et al. [2003]). Si bien estos métodos heurísticos son de rápida ejecución y útiles para grandes escalas, presentan severas limitaciones de precisión debido a esta subjetividad inherente, en contraste con los métodos estadísticos, que basan sus predicciones en relaciones matemáticas y correlaciones cuantitativas con el registro histórico de eventos, minimizando el sesgo del criterio experto.

Los métodos cuantitativos pueden ser clasificados en métodos basados en datos o estadísticos, y métodos con base física, o también conocidos como métodos determinísticos o probabilísticos (Cordoba et al. [2020]). Los métodos con base física, en general, utilizan modelos geotécnicos acoplados con modelos hidrológicos, dando como resultado un factor de seguridad o probabilidades de ocurrencia. Su principal desventaja es que necesitan información geotécnica detallada, por lo que no son recomendables para grandes escalas (Borga et al. [1998]; Sorbino et al. [2010]). Los métodos basados en datos tratan de explicar la relación entre factores de inestabilidad conocidos y la distribución pasada y presente de movimientos en masa, estableciendo relaciones entre variables explicativas (pendiente, geología, aspecto, etc.) y una variable dependiente (ocurrencia de movimientos en masa). Sin embargo, los métodos estadísticos más utilizados en los últimos años hacen asunciones estadísticas sobre la distribución de los datos, lo que los convierte en modelos paramétricos que consideran funciones lineales. Como parte de los métodos estadísticos, en los últimos años se han desarrollado aceleradamente técnicas de Inteligencia Artificial (IA), entre las cuales destaca el Aprendizaje Automático (ML por sus siglas en inglés, Machine Learning) que se caracteriza por ser una amplia colección de algoritmos utilizados para crear modelos que aprendan de los datos históricos, con el objetivo de hacer predicciones o conocer las relaciones que pueden existir entre variables de entrada y salida (ocurrencia de un evento); estos modelos tienen varias ventajas, tales como no hacer ninguna asunción estadística de los datos, considerar que no existe linealidad entre las variables y permitir el uso de un amplio tipo de variables (Ospina-Gutiérrez and Aristizábal [2021]).

Dentro de los métodos estadísticos basados en datos es importante distinguir entre modelos bivariados, que analizan cada factor condicionante de forma independiente frente al inventario de deslizamientos (como el método de Pesos de Evidencia), y modelos multivariados, que establecen relaciones conjuntas entre todas las variables (como la Regresión Logística). Los modelos bivariados asumen de forma estricta la independencia espacial entre los factores condicionantes; si existen variables correlacionadas entre sí (por ejemplo, la litología y el tipo de suelo derivado de ella), se produce redundancia y se sobreestiman los índices de susceptibilidad resultantes. Los modelos multivariados como la Regresión Logística evitan este problema al modelar de forma conjunta todas las variables, con la ventaja adicional de que sus variables predictoras no requieren una distribución normal y pueden ser continuas o discretas. Frente a las técnicas de Aprendizaje Automático, como las redes neuronales artificiales (ANN), los métodos estadísticos multivariados presentan un intercambio técnico claro: mientras la Regresión Logística ofrece alta precisión, simplicidad de cálculo, alta interpretabilidad física de los factores y una menor demanda de datos, las ANN ofrecen una altísima capacidad de predicción no lineal, pero actúan como una “caja negra” y requieren grandes volúmenes de datos y un elevado poder de cómputo. De hecho, en estudios comparativos en terrenos andinos, el modelo multivariado de Regresión Logística ha demostrado una precisión superior (AUC de 0,911) frente a una Red Neuronal (AUC de 0,860), evidenciando que esta última puede mostrar un rendimiento inferior debido a su alta sensibilidad ante la calidad de los datos de entrenamiento y a dificultades en el ajuste fino, sin que su mayor costo computacional se justifique frente a la simplicidad y precisión de la regresión estadística.

Fig. 14 Métodos para la evaluación de la susceptibilidad y/o amenaza por movimientos en masa. Tomado de Thiery et al. [2020].

Luego de la evaluación de la susceptibilidad y/o amenaza se debe subdividir el terreno en áreas homogéneas o dominios y su rango de acuerdo con el grado actual o potencial de susceptibilidad o amenaza, lo cual se denomina zonificación. Existen diferentes escalas de zonificación con objetivos y alcances diferentes, lo cual implica también metodologías diferentes. Escalas pequeñas se refieren generalmente a escalas menores de 1:100.000 para áreas con extensiones de decenas de miles de \(km^2\) a nivel de país y donde corresponden principalmente a inventarios de movimientos o evaluaciones de susceptibilidad. Escalas medias entre 1:100.000 y 1:10.000 para áreas de varios \(km^2\) incluso miles, donde se realizan inventarios, zonificación de la susceptibilidad, o incluso zonificación de la amenaza, a nivel de cuenca o regiones, o en algunos casos proyectos de ingeniería de gran escala. Finalmente, escalas de detalle mayores a 1:10.000 para áreas de algunos \(km^2\) o hectáreas, donde se realizan desde inventarios hasta zonificación de la amenaza y riesgo.

Es también importante diferenciar entre cartografía geotécnica, que se refiere a la evaluación y zonificación de la susceptibilidad y/o amenaza en extensas áreas, y estudios geotécnicos de laderas, que se refieren a estudios de sitio, donde no se zonifica sino que se evalúa la estabilidad de cortes de laderas o taludes con geometrías, parametrización y modelo geológico único y específico para dicho corte. En el caso de cartografía geotécnica, en general la geometría de las laderas es aproximada con modelos de elevación digital que están representados por celdas, y el modelo geológico y la parametrización también corresponden a una generalización o simplificación. Los estudios geotécnicos de sitio generalmente utilizan modelos mucho más sofisticados, entre tanto los modelos de zonificación en cartografía geotécnica realizan una evaluación iterando celda a celda por lo que implementan modelos generalmente de talud infinito con superficies de falla plana; en los casos más avanzados, disponibles en el estado del arte, utilizan técnicas de dovelas que implica superficies de fallas circulares o en algunos casos irregulares que analizan varias celdas.

Unidad morfodinámica independiente

Entre las fases iniciales para un estudios de evaluación y zonificación de la susceptibilidad y/o amenaza por movimientos en masa se debe establecer el área de influencia del territorio a incorporar en el estudio. Un concepto importante que permite definir dicha área fue propuesto originalmente por el Prof. Chica [1989], y denominado Unidad Morfodinámica Independiente (UMI). Definida como la unidad del territorio que enmarca la ladera de interés y que presenta un comportamiento independiente de las unidades adyacentes. Se considera que cualquier proceso morfodinámico que se presente en el exterior no afecta su interior, e igualmente, cualquier proceso que se presente en el interior no afecta las unidades adyacentes. No existe un procedimiento estándar para la delimitación de la UMI, es un procedimiento heurístico, por lo tanto subjetivo, y que sus bordes coinciden generalmente con divisorias de aguas, drenajes o geoformas. Inicialmente el ejercicio para la definición de la UMI debe establecer el tipo de movimiento en masa a analizar, un criterio fundamental es la propagación del evento, la cual puede afectar áreas distanciadas cientos de kilómetros desde su origen, es diferente la UMI para eventos tipo flujos que para movimientos en masa tipo volcamiento.

Unidad de mapeo o análisis

Adicional a definir el área de influencia, es necesario además establecer la unidad de mapeo del terreno, la cual define la unidad mínima de análisis. Esta unidad representa el dominio que maximiza la homogeneidad interna y la heterogeneidad entre las unidades. Se refiere a la porción del terreno que contiene un grupo de condiciones del terreno que difiere de las unidades adyacentes a lo largo de límites definidos (Hansen [1984]).

Existen diferentes unidades de mapeo, sin embargo las mas extendidas son: unidad de condiciones únicas (UCU), unidad de ladera y celdas regulares. La unidad que menos se ajusta a la definición es precisamente la mas utilizada, celdas regulares, ya que favorece el manejo matemático y computacional durante la evaluación y zonificación. Las celdas regulares componen los mapas tipo raster por lo tanto desde el punto de vista computacional es mucho mas facil representar las variables como celdas regulares tipo raster. Y desde el punto de vista matemático, las variables representadas como celdas regulares corresponden a matrices, lo cual permite implementar algebra lineal, y por lo tanto técnicas estadísticas y de programación, que en otro caso serían demasiado complejas probablemente.

Como se mencionaba anteriormente, la desventaja de las celdas regulares se refiere a que precisamente no corresponden a bordes naturales o dominios que enmarquen condiciones especiales o únicas. Simplemente son celdas de tamaños establecidos que segmentan el terreno sin ningún criterio físico. Por lo cual se han propuesto otro tipo de unidades de análisis como UCU y unidad de ladera. Estas sí implican la segmentación del terreno de acuerdo con criterios físicos. La UCU corresponde a las combinaciones únicas resultado del álgebra de mapas de las variables a utilizar. En el caso de las unidades de ladera corresponden a la definición de ladera, es decir la unidad mínima del terreno con una superficie inclinada homogenea separada por cambios de pendiente.

Fig. 15 Unidad de análisis tipo (a) celdas regulares (b) unidad de ladera.

Fig. 16 Unidad de análisis tipo unidad de condiciones únicas.

Procedimiento

Para la evaluación y zonificación de la susceptibilidad por movimientos en masa Guzzetti [2002] recomienda la ejecución de cinco pasos:

• (i) la identificación y mapeo de los movimientos en masa en el área de estudio,

• (ii) la identificación y mapeo de los factores condicionantes que están directa o indirectamente correlacionados con la ocurrencia,

• (iii) la estimación de la contribución relativa de cada factor condicionante en la ocurrencia de los movimientos en masa,

• (iv) la zonificación del terreno en dominios con diferentes niveles de susceptibilidad,

• (v) evaluación del desempeño del modelo y su capacidad de predicción.

A continuación se abordará cada uno de estos pasos.