modelación lahares
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MODELACIÓN DE LAHARES
LAHARZ - MSF
¿Qué es un lahar?Un lahar es un flujo de sedimento y agua que se moviliza desde las laderas de volcanes y que fluye pendiente abajo en respuesta a la fuerza de gravedad.
Puente estero Correntoso. Lahar volcán Villarrica 1971
Dos tipos:-Primarios: sincrónicos con la erupción, causados por:
-Flujo de lava.-Flujos y/o oleadas de piroclastos.-Explosión de gases y colapsos de laderas.-Caída de piroclastos (ceniza y fragmentos).-Erupción subglacial.-Vaciado de un lago hospedado en la cumbre.-Sismos relacionados con la erupción.
-Secundarios: sin relación con erupción, causados por:
-Lluvias intensas.-Sismos no relacionados con procesos eruptivos.
Génesis de un lahar
1. Una adecuada fuente de agua: lago, agua hidrotermal, hielo, nieve,…
2. Abundante material no consolidado: material piroclástico, morrenas glaciares, coluviones, suelos, etc.
3. Pendientes elevadas y un relieve importante en su zona de inicio.
4. Un mecanismo que lo desencadene.
Reología de flujos
Reología de un flujo
Parámetros físicosDensidad
Viscosidad
Velocidad
Esfuerzo de cizalla
…
Concentración de sólidos
Fase sólida (parte del limo + arena + grava)
Fase fluida(agua + arcilla + parte del limo)
Lo podemos caracterizar desde dos puntos de vista
Flujo de detritosDebris flow
Flujo HiperconcentradoHyperconcentrated flow
Flujo acuosoWater flow
66 %20 %
Reología de flujosConcentración de sedimentos
Mecanismos de transporte
Fase fluida
Fase sólida
Carga de fondo
Sólidos en suspensión
Fase fluida y sólida se mueven
de forma conjunta
Mecanismos de transporte
Dispersión de granos
Percolación
CONCENTRACIÓN EN VOLUMEN
CONCENTRACIÓN EN PESO 40 % 80 %
Tamizado cinético
Procesos intermedios entre ambos extremos con más características
de flujo acuoso
Flujo de detritosDebris flow
Flujo acuosoWater flow
Flujo HiperconcentradoHyperconcentrated flow
66 %20 %
Facies de flujos
CONCENTRACIÓN EN VOLUMEN
CONCENTRACIÓN EN PESO 40 % 80 %
Facies “fluviales”: Cantos redondeadas Buena clasificación Lam. paralela Lam. cruzada Ripples Imbricación de cantos…
Facies de flujo de detritos: Cantos angulosos Mala clasificación Gradación inversa Predominio de grava Generalmente clastosoportado Bloques flotantes…
Características de ambos extremos: Cantos de subredondeados a subangulosos Mala clasificación Lam. paralela incipiente Gradación inversa-normal Imbricación de cantos Generalmente granulometría más fina (arena y gravas medias a finas. Matrizoportados Bloques flotantes…
Dilución de un lahar
Drift river valley laharRedoubt volcano 1990, Alaska
Erupción volcán Chaitén 2008
Dilución de un lahar
Flujo acuoso inicial
• Aporte inicial de agua (hielo, nieve,….)
Flujo hiperconcentrado
• Incorporación de primeros sedimentos
Flujo de detritos
• “Bulking”: incorporación volúmenes importantes de sedimentos
Dilución de un lahar
Modelo conceptualModelación lahares
DEM
LAHARZUSGS
Estimación agua disponible
(hielo, nieve, lago,…)
Espesor de
hielo, precipit
ación de
nieve,…..
Determinación escenarios
eruptivos
Historia
eruptiva del
volcánEstimación
agua movilizada (fusión, rotura
de dique,…)
Estimación
volúmenes lahares
Agua
+ sólido
sModelación
Ecuaciones no tiene porque
ajusta
rse al v
olcán estu
diad
o.Sensible al DE
MPer
mite
modelar
diferentes v
olú
menes
Determinación reología de
lahares anteriores
Estudio de
afloramiento
s
MSF C. Huggel Glaciology and
Geomorphodynamics Group(U. Zurich)
Definición de puntos de inicio
ModelaciónPocos datos de
entrada y de fácil obtención
Muy sensible a la calidad del DEM
No tiene en cuenta volúmenes de flujo.
Software reológicoUsan parámetros del flujo (densidad, cizalla basal,
viscosidad,…)
Flo2D, Titan 2D,……..Difícil estimación de los parámetros
Más “fiel “ a la reología del flujo
DEM
1. Calidad del DEM: -Fundamental disponer de un DEM de buena calidad.-Resolución del DEM.-Software de modelación sensible a este parámetro.
2. Estudio de sensibilidad comparando los DEMs.3. DEMs en Chile:
-Aster-SRTM-Curvas de nivel IGM
4. Puntos “extraños”, ¿son errores? o ¿son posibles puntos de inundación no esperados? Necesario valorar punto a punto.
DEM SRTM-La misión SRTM utilizó un radar de apertura sintética, con 2 antenas separadas por 60 m, a una inclinación orbital de 57º, a una altitud de 233 km, cubriendo el 80% de las tierras emergidas entre los 60º N y 56º S.
-Los datos obtenidos para este estudio, fueron conseguidos a través del sitio web http://srtm.csi.cgiar.org/ del CGIAR, Consortium for Spatial Information (CGIAR-CSI), en que los datos originales de la NASA han sido procesados para llenar los espacios que se producen en zonas de lagos o alta pendiente.
-La información sólo está disponible a nivel 1 (90 m de resolución horizontal) para territorio no estadounidense. Los errores asociados se deben principalmente a las cubiertas vegetales que hacen sobreestimar la altura del terreno y errores en el cálculo de la altura en zonas de alta pendiente.
Aster DEM-El ASTER consta de 3 subsistemas que proveen una capacidad multiespectral de 14 bandas. -Las bandas 3N y 3B poseen una resolución espacial de 15 m y corresponden al par estereográfico utilizado para generar el DEM.
-El DEM fue construido utilizando el software ENVI 4.2, con una resolución horizontal de 30 m, que es el doble de la resolución espacial de la imagen, debido a la mayor confiabilidad que la obtenida con una resolución mayor (Huggel et al., 2007) y utilizando el nivel máximo (Level 5) de detalle.
-Los principales errores corresponden igual que para el SRTM, a la cubierta vegetal y zonas de alta pendiente.
DEM IGM
-Se puede obtener mediante la interpolación de las curvas de nivel de las hojas topográficas del Instituto Geográfico Militar (IGM), a escala 1/50.000 y curvas cada 50 ó 25 m.
-Importante elegir bien el método de interpolación y recomendable compararlos.
-Se puede elegir la resolución espacial pero se recomienda tomar la separación horizontal promedio de las curvas de nivel en zonas con una pendiente media.
DEM IGM-Durante el proceso de interpolación, se producen 2 tipos de error:
-Flat–spots: se relaciona con zonas donde las curvas de nivel son sinuosas y no están lo suficientemente cerca, por lo que el programa que interpola las curvas no considera esta sinuosidad y se generan zonas planas que podrían afectar los caminos que puedan seguir los flujos (Stevens et al., 2002).
Se soluciona añadiendo manualmente curvas en los puntos conflictivos.
DEM IGM-Durante el proceso de interpolación, se producen 2 tipos de error:
-Sinks: La segunda fuente de error corresponde a zonas muy planas en que las curvas de nivel están muy alejadas unas de otras, generándose errores de interpolación en los cuales se generan “agujeros” o “sinks”.
Para solucionar este tipo de errores, el programa ArcGIS tiene la opción de agregar la red de drenaje a la interpolación, forzando a que el DEM resultante sea “hidrológicamente correcto”, eliminando las posibles depresiones artificiales.
Comparación DEMsSegún Castruccio (2008) se puede decir que el DEM derivado de las curvas de nivel de los mapas topográficos del IGM es el que mejor resuelve la dirección de la red hidrológica y es el que mejor representa la morfología de los cauces, ya que el SRTM evidencia su resolución demasiado baja y el ASTER presenta una morfología demasiado irregular, probablemente atribuida a que la cubierta vegetal la identifica como el terreno actual.
El DEM topográfico sigue fielmente la hidrología obtenida de los mapas topográficos del IGM, que a su vez son obtenidos de fotografías aéreas, para zonas con pendiente alta y media. Sin embargo, en zonas con pendiente baja la red de drenaje sigue cursos muy rectos, con quiebres abruptos, poco realistas, lo que se debe a que las curvas de nivel a partir de la cual se genera el DEM están muy espaciadas, generando errores en la interpolación.
Para el caso del SRTM y ASTER se observa que presentan un perfil más irregular, con zonas canalizadas que tienden a ser más estrechas y más profundas que para el DEM topográfico, el que presenta un perfil más suavizado. También es interesante notar que para el caso del SRTM, la baja resolución horizontal se hace notoria, con una morfología “escalonada” en los perfiles que presentan grandes cambios de altitud.
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1. Estimación agua disponible-Es necesario saber cuanta agua hay en el volcán disponible para formar parte de los lahares, ya sea en forma de nieve, hielo, lagos,….
-Es conveniente estimar que parte de esa agua desciende por cada cuenca a estudiar.
-En el caso de lagos se puede estimar el volumen a partir de su forma y profundidad.
-En volcanes con hielo/nieve es recomendable estudiar dos escenarios: el de agua disponible máxima y mínima. El nivel mínimo es cuando la nieve de temporada se ha fundido por completo y solo queda hielo (en Chile a finales de verano-inicios de otoño). El nivel máximo se da al final de la temporada de precipitaciones (final de invierno-inicios de primavera).
-Para calcular el equivalente en agua de la nieve y el hielo es importante elegir los datos de densidad adecuados para el complejo estudiado. A modo orientativo la densidad del hielo es de 0,9 g/cm3 y la de la nieve a final de temporada es del orden de 0,5 g/cm3. Si el volcán está activo y emite cenizas volcánicas con cierta frecuencia, estas densidades pueden ser menores.
-La cantidad de agua en forma de nieve se debe estimar a partir de la mejor información disponible para el complejo volcánico (rutas de nieve, datos de precipitación nival,…..). Se ha de tener en cuenta la variación de la altura de nieve con la cota.
1. Estimación agua disponible
-Para estimar la cantidad de hielo es necesario estimar su extensión y espesor. Ello se puede hacer a partir de la bibliografía existente o se puede generar la información mediante estudios específicos (comparación de fotos satelitales, ecuaciones paramétricas de espesor de hielo, mediciones con GPR,…..)
1. Estimación agua disponible
1. Estimación agua disponible
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2. Escenarios eruptivos-Para un mejor modelación de los posibles lahares que pueden ocurrir en el complejo volcánico estudiado es necesario determinar que procesos eruptivos se dan en él y como estos funden la nieve/hielo disponible.
-El primer paso consiste en recopilar la información vulcanológica del volcán existente: bibliografía, mapas geológicos, mapas de riesgos, planes de monitoreo, consultas a especialistas,…..
-En este proceso es importante poner el foco sobre los lahares ocurridos en el volcán y cuales han sido los procesos que lo han generado.
-A partir de esta información se establece la historia eruptiva del volcán y se determinan los tipos de erupciones que en él se dan. Con estos datos se definen escenarios eruptivos posibles teniendo en cuenta dos criterios:
1.-Tipo de erupción del volcán: hawaiana, estromboliana, vulcaniana, pliniana,…… que tiene influencia directa en los procesos eruptivos (coladas, flujos de piroclastos, caída de cenizas,…..)
2.-Magnitud de la erupción: en función de la magnitud se fundirá más o menos hielo/nieve.
2. Escenarios eruptivos
Tipos de erupciones
2. Escenarios eruptivos
Magnitud de la erupción
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3. Det. reología lahares-Para determinar el comportamiento de los lahares en el volcán se puede realizar una inspección de los valles que descienden por sus laderas en busca de afloramientos laháricos de erupciones anteriores. Si estos son suficientes se puede realizar una cartografía, describir sus características sedimentológicas, medir sus espesores y estimar el volumen de los depósitos.
-Este trabajo se realiza con dos objetivos:1.-Determinación de la reología del flujo: a partir del estudio de facies se
puede estimar el comportamiento reológico del lahar (flujo de detritos o flujo hiperconcentrado) y a partir de ello estimar la proporción sólido/líquido.
2.-Calibración del software: si se ha podido hacer la cartografía de lahares antiguos y estimado su volumen, se puede hacer correr el software para ese volumen y comparar los resultados con la cartografía realizada. En caso de
no concordancia se pueden ajustar parámetros del software para una mejor calibración.
1.-Determinación de la reología del flujo: a partir del estudio de facies se puede estimar el comportamiento reológico del lahar (flujo de detritos o flujo
hiperconcentrado) y a partir de ello estimar la proporción sólido/líquido.Flujo hiperconcentrado: entre 20% y 66% de sólidos en volumen2.-Calibración del software: si se ha podido hacer la cartografía de lahares
antiguos y estimado su volumen, se puede hacer correr el software para ese volumen y comparar los resultados con la cartografía realizada. En caso de
no concordancia se pueden ajustar parámetros del software para una mejor calibración.
Castruccio 2008
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4. Agua movilizada-Una vez determinada la cantidad de agua disponible en el volcán (punto 1) y los escenarios eruptivos (punto 2) se llega a uno de los puntos más críticos del proceso: cuanta agua estimada en 1 es liberada por los procesos determinados en 2.
-En el caso de agua en un lago se puede modelar el peor escenario que sería aquel en que se moviliza todo el volumen.
-En el caso de hielo/nieve es necesario estudiar la interacción entre los procesos eruptivos y la masa de hielo/nieve. Según Major y Newhall (1989) existen al menos 5 tipos principales de interacciones entre una erupción volcánica y la cubierta de hielo/nieve:
1.-Excavación y fusión por flujos de piroclastos o explosiones de gases calientes.
2.-Fusión superficial por flujos de lava.3.-Fusión basal por erupciones subglaciares o actividad geotérmica.4.-Eyección de agua por erupción en un cráter con lago.5.-Fusión por caída de tefra.
4. Agua movilizada-Es necesario ver cuales de estos procesos ocurren en el volcán estudiado y como es su interacción con las masas de hielo y nieve presentes. Existe abundante bibliografía sobre como los procesos volcánicos interactúan con la nieve y el hielo. Algunos enfocan el problema desde un punto de vista teórico y experimental, mientras que otros relatan casos reales.
-Entre los primeros destacan Edwards et al (2013) y Wilson and Head (2002, 2007 y 2013)
-En cuanto a los segundos destacan Marangunic (1974), Naranjo y Moreno (2004), ambos en el volcán Villarrica. O los trabajos de diversos autores en el Nevado del Ruíz: Pierson et al. (1990), Thouret et al. (2007),...
-Es crítico conocer como los procesos actúan y como pueden darse en el volcán estudiado para a partir de ello estimar la cantidad de agua fundida y movilizada que puede entrar a formar parte de los flujos laháricos.
4. Agua movilizada
4. Agua movilizada
CuencaVolumen de hielo en canal de fusión
(106 *m3)
Volumen de nieve en canal de fusión
(106 *m3)
Volumen de agua solo de hielo
(106 *m3)
Volumen de agua hielo+nieve
máxima(106 *m3)
Estero Chaillupén 28,09 5,83 25,00 28,50Estero Seco 12,67 7,48 11,28 15,76Río Voipir 6,17 7,54 5,49 10,01Estero Huichatío 2,48 6,06 2,21 5,85Estero Molco 3,84 9,67 3,42 9,22Estero Correntoso 3,31 6,40 2,94 6,78Zanjón Seco 6,24 6,89 5,55 9,69Río Pedregoso 16,66 9,51 14,83 20,54Río Turbio 67,57 15,72 60,13 69,56
Total 147,03 75,10 130,86 175,92
El resultado final de este paso es una tabla para cada escenario modelado con la cantidad de agua (equivalente en agua de hielo y/o nieve) fundida por cauce a modelar.
Escenario efusivo (colada de lava) - Volcán Villarrica.
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5. Volumen laharesLa primera opción para calcular el volumen de los lahares es estimar la cantidad de material suelto existente en el volcán que puede ser incorporado al flujo (morrenas glaciares, depósitos de ladera, material volcánico suelto,……). Esta estimación puede ser difícil y requiere un trabajo de campo exhaustivo y con probable uso de maquinaria pesada en muchos puntos, y aún así puede obviarse importantes volúmenes de material.
Por ello es recomendable aplicar concentraciones teóricas según el tipo de flujo. Es decir, una vez que hemos estimado la cantidad de agua que se movilizará por cada cauce en cada escenario, al volumen estimado se le añade una proporción de sólidos que dependerá del comportamiento reológico que se ha caracterizado en el punto 3.
Si los lahares del volcán estudiado tienen un comportamiento predominantemente como flujo hiperconcentrado, al volumen de agua calculado se le añadirá la cantidad de sólidos necesaria para que el lahar tenga una concentración de sólidos entre 20% y 66%. Si se tratase de un comportamiento de flujo de detritos se añadirían sólidos en 66% y un 100%. En la práctica se recomienda modelar el máximo y el mínimo.
5. Volumen lahares
Cuenca
Vol. de agua solo de hielo(106 *m3)
Vol. de agua hielo+ nieve
máxima(106 *m3)
Vol. lahar con 20% de sólidos y agua
solo de hielo(106 *m3)
Vol. lahar con 20% de sólidos y agua
hielo+ nieve máxima
(106 *m3)
Vol. lahar con 66% de sólidos y
agua solo de hielo
(106 *m3)
Vol. lahar con 66% de sólidos y agua hielo+ nieve
máxima(106 *m3)
Estero Chaillupén25,00 28,50 31,25 35,63 73,53 83,82
Estero Seco 11,28 15,76 14,10 19,70 33,18 46,35
Río Voipir 5,49 10,01 6,86 12,52 16,15 29,44
Estero Huichatío2,21 5,85 2,76 7,31 6,50 17,21
Estero Molco3,42 9,22 4,27 11,52 10,06 27,12
Estero Correntoso2,94 6,78 3,68 8,48 8,65 19,94
Zanjón Seco 5,55 9,69 6,94 12,11 16,32 28,50
Río Pedregoso14,83 20,54 18,54 25,67 43,62 60,41
Río Turbio 60,13 69,56 75,17 86,95 176,85 204,59
Total 130,86 175,92 163,57 219,9 384,85 517,38
Escenario efusivo (colada de lava) - Volcán Villarrica.
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6. Modelación LaharZ-LAHARZ fue desarrollado por el USGS en 1998 (Iverson et al., 1998; Schilling, 1998) con el objetivo de delinear de manera rápida y económica, zonas de peligro volcánico asociadas a la posible inundación generada por flujos laháricos. Este modelo está implementado en el ambiente ArcGIS y ha sido ampliamente utilizado en diversos volcanes alrededor del mundo.
-Es un método semiempírico que se basa en los resultados de una análisis estadístico y dimensional de la geometría de 27 lahares en 9 volcanes, lo que permite desarrollar ecuaciones que predicen secciones de inundación en los valles fluviales y áreas planimétricas de inundación en función del volumen del lahar.
-El programa determina las áreas de inundación transversal (A) y planimétrica (B) generadas por el flujo lahárico, en función del volumen de éste. A través de una serie de ecuaciones en que se asume una masa y densidad constante y, por lo tanto, un volumen constante, se llega a las siguientes relaciones.
A = 0,05 V2/3
B = 200 V2/3
Con estas 2 ecuaciones se puede predecir las áreas de inundación producidas por lahares de diferentes volúmenes. El punto en el cauce a partir del cual el flujo lahárico comienza a inundar es definido por la intersección del cauce con el límite de la zona de peligro cercano, definido por el usuario, de acuerdo a la geología e historia eruptiva del volcán (Iverson et al., 1998; Schilling, 1998).
6. Modelación LaharZA = 0,05 V2/3 B = 200 V2/3
6. Modelación LaharZ-Por lo tanto el programa tiene 3 inputs de entrada:
1. DEM2. Punto de inicio de la inundación3. Volúmenes estimados de lahar.
-Sobre el DEM y la estimación de volúmenes ya hemos hablado con anterioridad. En cuanto el punto de inicio de la inundación (zona proximal de riesgo) cabe decir que se trata de un punto asignado con cierta arbitrariedad pero que debe estar cercano al punto de inicio de la sedimentación de los lahares que ya hallan ocurrido en el volcán.
-Ahora pasaremos al instructivo para ver como se corre el programa.
MSF
MSF-El modelo MSF (siglas de Modified Single – Flow Direction Model o Modelo de Flujo de Dirección Única Modificado) fue desarrollado por Huggel et al. (2003) para determinar las zonas de peligro asociadas a flujos de detritos generados por el desbordamiento de lagos glaciales en alta montaña. Fue aplicado por primera vez en los Alpes suizos y recientemente en el volcán Popocatepetl (Huggel et al., 2007) y el Iztaccíhuatl (Schneider, 2008), ambos en México.
El modelo está integrado en el ambiente ArcGIS y posee 2 componentes:
1. Trayectoria: usa el algoritmo D8 que consiste básicamente en que desde una celda el flujo siga como trayectoria la dirección con mayor pendiente de entre las ocho celdas que le son adyacentes. Para zonas más planas, donde los flujos tienden a expandirse lateralmente, se agregó una función especial que permite al flujo desviarse de la dirección principal de mayor pendiente hasta 45º en ambos lados.
2. Distancia de corrida: una vez que las zonas potencialmente afectadas por el paso de un flujo son delineadas, el programa también asigna un valor de probabilidad a cada celda del DEM, de ser afectadas por el flujo. Esta probabilidad está descrita por la función Fr que utiliza como principio el hecho que mientras más se desvíe una celda de la trayectoria de mayor pendiente, mayor es la resistencia. La razón H/Fr, donde H representa la distancia horizontal con respecto al punto de partida del flujo, determinado por el usuario, representa una función probabilística, y cada celda del DEM tiene asignada una probabilidad de ser afectada por el lahar, definida por:
Pq(i) = H(i) / Fr(i)
Pq(i) no es una función de probabilidad en sentido estricto, sino más bien una probabilidad cualitativa. La componente de distancia de corrida, a su vez, está dada por la relación V/L en que V es la distancia vertical que el flujo desciende y L es la distancia horizontal recorrida. La relación V/L debe ser definida por el usuario y debe corresponder al “peor escenario”, esto es, la máxima extensión que podría tener un flujo en la zona estudiada, de acuerdo a los datos de que se dispongan.
MSF
Algoritmo D8
MSF- Problemas con el modelo pueden surgir a partir de errores en la dirección de flujo, que a su vez se originan en errores en el DEM. Estos errores o una resolución de celda insuficiente pueden provocar que el flujo se desvíe sustancialmente de la dirección de máxima pendiente. Aunque esto puede provocar desvíos del flujo no realistas, puede ocurrir que esos desvíos sean puntos críticos para la evaluación de riesgos y por ello deben ser adecuadamente chequeados.
MSF
-Ahora pasaremos al instructivo para ver como se corre el programa.