VII Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables Barcelona, 27 – 30 de Octubre de 2009 E.Alonso, J. Corominas y M. Hürlimann (Eds.) CIMNE, Barcelona, 2009

PELIGROSIDAD DE CORRIENTES DE DERRUBIOS A ESCALA DE CUENCA VERTIENTE EN EL PIRINEO ORIENTAL. PRIMEROS RESULTADOS DEL PROYECTO “DEBRIS-CATCH” Marcel HÜRLIMANN1, José MOYA1, Claudia ABANCÓ1, Modesto PORTILLA1, Guillaume CHEVALIER1,2, Cristina BAEZA1, Carles RAÏMAT3, Christoph GRAF4, Joan TORREBADELLA 5, Pere OLLER6, Ramon COPONS7, Montserrat MASAS8 ¹ Dpto. Ing. del Terreno, Cartográfica y Geofísica, Universitat Politècnica de Catalunya ² Grupo de Investigación en Transporte de Sedimentos, Universitat Politècnica de Catalunya 3 Geobrugg Ibérica SA 4 Swiss Federal Research Institute WSL 5 Euroconsult ANDORRA SA 6

Institut Geològic de Catalunya

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Georisc SLP Centre d'estudis de la neu i de la muntanya d'Andorra (CENMA)

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RESUMEN Las corrientes de derrubios son procesos peligrosos ya que pueden alcanzar velocidades muy altas, movilizar un importante volumen de sedimento y recorrer grandes distancias. El proyecto DEBRIS-CATCH analiza la formación espacial y temporal de las corrientes de derrubios, además de su comportamiento dinámico. El análisis espacial se desarrolla a partir del estudio de la susceptibilidad del territorio a la formación de corrientes de derrubios. El análisis temporal, por su parte, analiza las características de las lluvias desencadenantes de corrientes de derrubios. El objetivo principal del proyecto DEBRIS-CATCH es la evaluación de la peligrosidad de las corrientes de derrubios realizada a escala de cuenca vertiente, para lo cual se sigue una metodología multidisciplinar incluyendo trabajo de campo, la instrumentación de cuencas con diversos sensores, el análisis de datos espaciales mediante SIG, la simulación de su movilidad con modelos numéricos, etc.

1. INTRODUCCIÓN Las corrientes de derrubios son movimientos rápidos que se forman en cuencas de alta montaña, de pendientes elevadas y acumulación de formación superficial donde hay suficiente material suelto y barrancos empinados (Jakob y Hungr, 2005). En este estudio se aplica la terminología propuesta por Hungr et al. (2001) para definir una corriente de derrubios, un flujo hiperconcentrado o una avenida torrencial. En España, el factor desencadenante es principalmente la lluvia que puede provocar roturas superficiales transformándose en una corriente de derrubios. Como consecuencia de un incremento del caudal de flujo hiperconcentrado y la incorporación progresiva de sedimentos, el flujo también puede derivar en corrientes de derrubios. Durante las últimas décadas las corrientes de derrubios han causado pérdidas económicas importantes y algunas víctimas en los Pirineos. Sin embargo, las investigaciones llevadas a cabo, sobre este fenómeno y sobre el riesgo asociado, son aún muy escasas. Por ello, el proyecto “DEBRIS-CATCH” tiene como objetivo principal la evaluación de la peligrosidad de las corrientes de derrubios realizada a escala de cuenca vertiente, para lo cual se aplica una metodología multidisciplinar. El proyecto DEBRIS-CATCH analiza la formación espacial y temporal de las corrientes de derrubios, además de su comportamiento dinámico. El análisis espacial se desarrolla a partir del estudio de la susceptibilidad del territorio a la formación de corrientes de derrubios. El análisis temporal, por su parte, analiza las características de las lluvias desencadenantes de corrientes de derrubios. 2. METODOLOGIA Metodológicamente se distinguen tres líneas: 1) la creación de una base de datos de las corrientes de derrubios precedentes en el Pirineo Oriental, 2) el análisis de peligrosidad detallado en 5 cuencas vertientes, y 3) la instalación de sistemas de monitoreo. Una información mas detallada se puede encontrar en la página web: www2.etcg.upc.es/prj/debriscatch/ . La creación de una base de datos y su incorporación en un SIG son necesarias para el estudio de la susceptibilidad mediante análisis estadístico multivariante. Se incorpora en la base de datos toda la información de las corrientes de derrubios estudiados en el pasado y adicionalmente se realiza una fotointerpretación y georeferenciación de los eventos ocurridos en Molló-Queralbs (1940), en el sector NW de Cataluña (1963 y 1982), en la zona del PrePirineo Oriental (1982) y en el Principado de Andorra (1937 y 1982). En cinco cuencas vertientes seleccionadas de la base de datos, se caracterizan mediante interpretación de fotografías aéreas de diferentes años y escalas, cartografía de los indicadores de corrientes de

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derrubios sobre el terreno, análisis dendrogeomorfológico y obtención automática de parámetros geomorfológicos del terreno mediante SIG. Con la información obtenida se elaboran los mapas de susceptibilidad y se establece una relación “frecuencia-magnitud”. Paralelamente se realiza simulaciones numéricas para estudiar el comportamiento dinámico (velocidad, intensidad y alcance) de estas corrientes de derrubios. Con toda esta información se generan mapas de peligrosidad y se analiza la mitigación y reducción de la peligrosidad. Por otro lado, en dos de las cuencas se instala un sistema de auscultación para detectar futuras corrientes de derrubios a base de geófonos, sensores de ultrasonidos y pluviómetros. Todos los detalles sobre esta tarea están descritos en el siguiente apartado. 3. INSTRUMENTACIÓN 3.1. Cuencas vertientes seleccionadas Se han seleccionado tres cuencas vertientes para implementar los sistemas de auscultación (Figura 1). Los lugares seleccionados son el Torrent d’Ensija (Saldes, Prepirineo Catalán), El Rebaixader (Senet, Alta Ribagorça, Pirineo Axial Catalán) y Erill la Vall (Alta Ribagorça, Pirineo Axial Catalán). Las primeras dos cuencas han sido instrumentadas con fondos del proyecto DEBRIS-CATCH mientras la cuenca de Erill ha sido financiado por GEOBRUGG IBÉRICA SA. Las tres cuencas presentaron en el pasado una considerable actividad de procesos torrenciales, son fácilmente accesibles y tienen cobertura GSM para la transmisión de datos. Ensija

Senet

Erill

Área cuenca (km2)

0.80

0.70

0.37

Orientación

N

W

SE

Max. altitud (m snm)

2260

2475

2100

Altitud apex del cono (m snm)

1745

1350

1310

Substrato rocoso

Calizas Pizarras Pizarras conglom. lutitas

Formación Coluvión superficial en zona de rotura

Till

Figura 1. Situación de las tres cuencas vertientes instrumentadas y datos generales

3

Till

3.2. Sensores instalados A principios del verano de 2009 se instalaron diferentes sensores en las cuencas de Ensija y Senet. Estos sensores se pueden separar en dos tipos: 1) los geófonos y ultrasonidos que miden la dinámica de las avenidas torrenciales o corrientes de derrubios; y 2) la estación meteorológica que incluye un pluviómetro y una sonda de temperatura. Todos los sensores están conectados por cable a un datalogger. Los geófonos son sensores que registran la vibración del suelo generado por una fuente energética. En nuestro caso es vibración provocada por el movimiento de la corriente de derrubios o de una avenida torrencial. Los geófonos convierten el movimiento del suelo en una señal eléctrica y que es grabada en un datalogger (registro de los datos). Para simplificar el almacenamiento y análisis de los datos, se transforma las vibraciones a números de impulsos por decimales de segundos (IMP/dseg) mediante una placa electrónica que está contactada entre el geófono y el datalogger (Figura 2). En cada una de las cuencas están instalados 4 geófonos verticales de tipo GEOSPACE 20 DX con una frecuencia natural de 8 Hz y una constante de amortiguación de 395 Ohms. El objetivo de los geófonos es determinar el momento de formación, la intensidad o magnitud y la velocidad de las corrientes que ocurren en el barranco.

Figura 2. Geófono con placa electrónica instalado en la cuenca de Ensija

A parte de los 4 geófonos se ha instalado un sensor de ultrasonidos en cada cuenca vertiente. Con la ayuda de este sensor que emite ondas acústicas se determina el calado de las corrientes en el barranco. Se ha colocado el sensor a varios metros encima del lecho mediante cables de acero (Figura 3). El sensor seleccionado es el UC6000-30GM-IUR2V15 de Pepperl+Fuchs.

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Figura 3. Ultrasonido instalado en la cuenca de Ensija.

La estación meteorológica la conforma un pluviómetro y un sensor de temperatura instalado en cada cuenca. Se utiliza un pluviómetro cazoletas basculantes de la marca RM YOUNG con una resolución de 0.1 mm. El sensor de temperatura es un BetaTherm 10K3A1 de CAMPBELL SCIENTIFIC y sirve para calibrar y corregir los datos del ultrasonido como para evaluar si la precipitación ha sido de tipo nival o no. Todos los datos adquiridos por los diferentes sensores se almacenan en diferentes dataloggers de CAMPBELL SCIENTIFIC (CR1000 para geófonos y ultrasonido y CR200 para la estación meteorológica) mediante programas específicos que definen la frecuencia de escaneo y de registro de cada sensor. Además se introduce el valor crítico de los impulsos de los geófonos para cambiar de modo “no-evento” a modo “evento”. Los dataloggers se alimentan mediante placas solares y baterías recargables y una conexión GSM permite la descarga de los datos. Por otra parte, en la cuenca vertiente de Erill se han instalado 4 geófonos, una barrera flexible de anillos de acero, una cámara de video digital con sistema de iluminación nocturna y una estación meteorológica. La barrera flexible instalada es de tipo VX e incluye células de carga con capacidad de 500kN para la medición de las fuerzas en los cables horizontales (Figura 4).

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Figura 4. Barrera flexible de anillos de acero instalada en la cuenca de Erill.

El esquema de la situación de los diferentes sensores en la cuenca vertiente de Ensija está ilustrado en Figura 5. La estación meteorológica se ha instalado en la parte alta de la cuenca, mientras los geófonos y el ultrasonido están ubicados al final de la zona de transito, justo por encima del inicio de la zona de acumulación. a)

b)

GEO - US US

GEO4 GEO3

estación meteo

GEO2

DL

GEO1 Figura 5. Situación de los sensores instalados en la cuenca vertiente de Ensija. a) Vista general, y b) sector de los geófonos (GEO), del ultrasonido (US) y del datalogger (DL).

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4. PRIMEROS RESULTADOS 4.1. Análisis de eventos históricos y creación de una base de datos Hasta el verano 2009, se ha inventariado y georeferenciado en el SIG más que 300 corrientes de derrubios (Figura 6). La mayoría de estas se refieren al temporal de 1982 (Clotet y Gallart, 1984; Baeza, 1994), que afectó gran parte de los Pirineos Orientales (159 eventos), mientras que las otras están relacionadas al episodio de lluvia de MollóQueralbs en 1940 (aprox. 40 eventos), a eventos ocurridos en el sector NW de Cataluña en 1963 (34 eventos) y 28 corrientes de derrubios que se han formado en diferentes años y localidades. En Figura 6 se puede claramente observar las zonas donde se han realizado estudios detallados: 1) Pre-Pirineo entre Berga, Vallcebre y Pobla de Lillet, 2) el Principado de Andorra, 3) la zona NW de Cataluña; y 4) la zona de Molló-Queralbs. Una primera conclusión de este análisis es que en los últimos 100 años han ocurrido muchas más corrientes de derrubios de lo pensado inicialmente. Esto verifica la existencia de la peligrosidad ante este tipo de procesos en el Pirineo Oriental.

Figura 6. Vista general del Pirineo Oriental indicando los puntos con corrientes de derrubios históricos inventariados en la base de datos de DEBRIS-CATCH.

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Finalmente, se han seleccionado las siguientes 5 cuencas vertientes después de un cuidadoso estudio del inventario: Ensija (Prepirineo Catalán), El Rebaixader (Pirineo Axial Catalán), Erill (Pirineo Axial Catalán), Port Ainé (Pirineo Axial Catalán) y Riu Runer (Pirineo Axial Andorrano). En una fase posterior del proyecto se analizarán con más detalle la susceptibilidad y peligrosidad de estás 5 cuencas.

4.2. Análisis de las lluvias desencadenantes Estudios recientes han revelado que las corrientes de derrubios en el Pirineo Oriental se provocan por dos diferentes tipos de lluvias: 1) lluvias persistentes con intensidades moderadas que ocurren en otoño y 2) lluvias cortas con intensidades altas que se forman por tormentas de verano (Hürlimann et al., 2003). El estado actual del análisis de las lluvias desencadenantes se puede encontrar en Portilla et al. (2009), donde se han estudiado corrientes de derrubios y roturas superficiales. Un ejemplo de este estudio se muestra en Figura 7 donde se comparan datos de lluvia de las dos corrientes de derrubios más importantes ocurridas en 2008 y umbrales de lluvia desencadenante publicados por diferentes autores (Caine, 1980; Crosta y Frattini, 2001; Guzzetti et al., 2007). 100 Riu Runer Port-Ainé

Intensidad (mm/h)

umbrales publicados 10

1

0 0

1

Duración (h)

10

100

Figura 7. Análisis de la lluvia desencadenante mediante umbrales de lluvias críticas. Comparación entre umbrales establecidos a escala mundial (Caine 1980; Crosta y Frattini, 2001, Guzzetti et al. 2007) y las dos corrientes de derrubios más importantes ocurridas en 2008 en el Pirineo Oriental.

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Las lluvias registradas en los dos eventos del 2008 superan los umbrales de lluvia publicados, sin embargo es necesario aportar información adicional para entender correctamente estos tipos de análisis de las lluvias desencadenantes. En nuestros casos, los datos de Riu Runer han sido medidos en una estación meteorológica situada encima del cono del torrente, mientras los registros del evento de Port-Ainé han sido obtenidos de la estación de Saloria situada a más que 16 km de la cuenca vertiente. Esta circunstancia probablemente explica el valor más bajo de la intensidad para el evento Port-Ainé ya que la tormenta desencadenante tenía una extensión limitada y tal vez no afectaba tanto la estación meteorológica como la cuenca vertiente.

4.3. Análisis de la frecuencia La frecuencia de los eventos históricos se intenta estimar en las 5 cuencas vertientes mediante dendrogeomorfología (Bollschweiler et al., 2007). Durante el 2009 se han iniciado las campañas de campo y los primeros resultados indican que los impactos de bloques en árboles y las consecuentes heridas son indicios perfectos para datar las corrientes de derrubios ocurridas en el pasado. Un buen ejemplo para ilustrar las ventajas de la técnica de dendrogeomorfología es el Barranc del Tordó (Pre-Pirineo Catalán). Los resultados en este barranco han indicado que al menos 8 corrientes de derrubios importantes han ocurrido durante los últimos 50 años. En Figura 8 se ilustra un ejemplo de la cronología de árboles afectados por corrientes de derrubios.

Figura 8. Master plot de los años con árboles afectados por corrientes de derrubios en el Barranc del Tordó (García 2004)

4.4. Análisis de la movilidad El estudio de la dinámica de corrientes de derrubios es fundamental para determinar la peligrosidad, ya que incluye la intensidad del proceso. En DEBRIS-CATCH se analizan los eventos mediante modelos numéricos 1D y 2D con el objetivo de determinar el calado y la velocidad del flujo. En Figura 9, se presentan los resultados de la simulación

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numérica del evento de Port Ainé de 2008 aplicando FLATModel (Medina et al., 2008). La corriente de derrubios de Port Ainé ha sido uno de los eventos más grandes ocurridos en los últimos años en el Pirineo Oriental movilizando un total de aprox. 26000 m3. a)

b)

c)

Figura 9. Resultados de una simulación a posteriori de la corriente de derrubios ocurrida en Port Ainé en 2008. a) Máximos calados, b) máxima velocidad y c) profundidad de la acumulación final.

4.5. Análisis de los primeros datos medidos en las cuencas instrumentadas Hasta finales de agosto de 2009 se ha acumulado una gran cantidad de datos de los diferentes sensores instalados en Ensija y Senet. Las series obtenidas en las estaciones meteorológicas han mostrado que las lluvias convectivas de gran intensidad pueden ocurrir varias veces durante los meses de verano; sin embargo no han provocado ninguna corriente de derrubios.

10

60

0

50

5

40

Ultrasonido Lluvia

30

10 15

20

20

10

25

0 16:19

16:33

16:48

17:02

17:16

17:31

17:45

Intensidad lluvia (mm/ 5 min)

calado (cm)

En Figura 10 se puede observar la relación entre lluvia y calado que se ha elaborado de los datos medidos durante una de estas tormentas de verano mencionadas anteriormente. La lluvia ocurrió el 1 de agosto de 2009 en la cuenca de Senet, donde la intensidad máxima horaria era de 26.3 mm/h y la cantidad total ~31 mm.

30 18:00

Figura 10. Relación entre lluvia y calado durante la tormenta del 1 de agosto de 2009 ocurrida en Senet.

5. CONCLUSIONES DEBRIS-CATCH es el primer proyecto de investigación que estudia con detalle las corrientes de derrubios en el Pirineo Oriental. Diversos estudios y publicaciones han hecho referencia a la peligrosidad de este proceso, pero sin analizar todos los aspectos que intervienen en este fenómeno tan complejo. DEBRIS-CATCH intenta estudiar la peligrosidad de corrientes de derrubios mediante una metodología multidisciplinar incluyendo trabajo de campo, instrumentación, simulación numérica, SIG entre otros y el consorcio junta diferentes grupos de investigación, administración y empresas privadas. Una primera conclusión del proyecto indica que corrientes de derrubios son mucho más frecuentes en el Pirineo Oriental de lo pensado inicialmente. Sin embargo, el análisis de las lluvias desencadenantes es complicado y especialmente la definición de un umbral crítico para tormentas cortas y de gran intensidad parece ser difícil. Existen pocas cuencas vertientes instrumentadas mundialmente para el estudio de corrientes de derrubios y las primeras experiencias adquiridas en nuestras cuencas indican que no es una tarea fácil, ya que el monitoreo está relacionado con aspectos geofísicos, hidráulicos,

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electrónicos, de programación, de telecomunicación, etc. Sin embargo, los datos adquiridos hasta el momento son prometedores y ayudarán a mejorar los conocimientos sobre la formación y la dinámica de estos procesos, igual que la mitigación y reducción de su peligrosidad.

AGRADECIMIENTOS El proyecto DEBRIS-CATCH está subvencionado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN), proyecto número CGL2008-00299/BTE. El Govern d'Andorra ha cedido datos para este proyecto.

REFERENCIAS Baeza, C., 1994. Evaluación de las condiciones de rotura y de la movilidad de los deslizamientos superficiales mediante el uso de técnicas de análisis multivariante. Ph.D.-Thesis. UPC. Bollschweiler, M., Stoffel, M., Ehmisch, M., Monbaron, M., 2007. Reconstructing spatio-temporal patterns of debris-flow activity using dendrogeomorphological methods. Geomorphology, 87 (4), 337-351. Caine, N., 1980. The rainfall intensity-duration control of shallow landslides and debris flows. Geografiska Annaler, 62A, 23-27. Clotet, N., Gallart, F., 1984. Inventari de degradacios de vessants originades pels aiguats de novembre de 1982, a les altes conques del Llobregat i Cardener. Servei Geològic de la Generalitat de Catalunya, Barcelona, 51 pp. Crosta, G., Frattini, P., 2001. Rainfall thresholds for triggering soil slips and debris flow, 2nd Plinius Conference, Mediterranean Storms, Siena, pp. 463-488. García, R., 2004. Magnitud y frecuencia de las corrientes de derrubios en el barranco del Toro, Serra de Port del CompteTesina final de carrera, UPC, 64p. Guzzetti, F., Peruccacci, S., Rossi, M., Stark, C.P., 2007. Rainfall thresholds for the initiation of landslides in central and southern Europe. Meteorology and Atmospheric Physics, 98, 239-267. Hungr, O., Evans, S.G., Bovis, M.J., Hutchinson, J.N., 2001. A review of the classification of landslides of the flow type. Environmental and Engineering Geoscience, 7 (3), 221-238. Hürlimann, M., Corominas, J., Moya, J., Copons, R., 2003. Debris-flow events in the Eastern Pyrenees. Preliminary study on initiation and propagation. In: Rickenmann, D., Chen, C. (Eds.), 3rd Int. Conf. on Debris-Flow Hazards Mitigation. Millpress, Davos, pp. 115-126. Jakob, M., Hungr, O., 2005. Debris-flow Hazards and Related Phenomena. Springer, Berlin, 739 pp. Medina, V., Hürlimann, M., Bateman, A., 2008. Application of FLATModel, a 2D finite volume code, to debris flows in the northeastern part of the Iberian Peninsula. Landslides, 5 (1), 127-142. Portilla, M., Hürlimann, M., Corominas, J., 2009. Determinación de umbrales de lluvia detonante de movimientos en masa históricos en los Pirineos Catalanes. VII Simposio Nacional sobre Taludes y Laderas Inestables, Barcelona.

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