Criterios de peligro usados en diversos países

La OFEE desarrolló un criterio para evaluar los peligros generados por las inundaciones basado en tres niveles: alto, medio y bajo (^{Loat & Petrascheck, 1997}). Se define al nivel alto cuando la población está en riesgo dentro y fuera de las viviendas; en el nivel medio, la población está en riesgo fuera de las viviendas y las edificaciones pueden sufrir daños; para el nivel bajo, las edificaciones pueden sufrir daños leves, y la inundación o el arrastre de sedimentos pueden llegar a afectar el interior de las edificaciones (ver Figura 1).

Figura 1 Nivel de peligro para inundaciones. Adaptada de ^{Loat y Petrascheck (1997)}. 

La Agencia Federal para el Manejo de Emergencias de los Estados Unidos (FEMA) desarrolló un criterio para la generación de mapas de peligro (^{FEMA, 2009}), en el que relacionan el tirante máximo h (m) con la velocidad máxima del agua v (m/s) (ver Figura 2). Con base en estas relaciones establece tres rangos de peligro: zona de nivel bajo, amenaza moderada y alto nivel de amenaza. Para la zona de alto nivel de amenaza, la vida de las personas puede estar en peligro y las edificaciones pueden tener fallas estructurales. En la zona de precaución (moderada) se tienen daños a la integridad de las personas y afectaciones en las edificaciones; la zona de bajo peligro no representa una afectación a la población, pero las edificaciones pueden sufrir daños ligeros.

Figura 2 Niveles de peligro que relacionan tirante del agua (m) y velocidad (m/s). Adaptada de ^{FEMA (2009)}. 

El lugar de aplicación de este criterio fue la ciudad de Dórrigo, Australia, donde se generaron mapas de peligro con base en el criterio de profundidad y velocidad del agua, como el que se muestra en la Figura 3, en el que se definen tres rangos de peligro (^{NSW, 2005}). En el nivel alto se especifica que la evacuación por vehículos es difícil; además, los adultos tiene problemas para cruzar las calles con seguridad y existe un potencial daño estructural a las construcciones; la zona de transición depende de la condiciones del lugar; en el nivel bajo se establece que, en caso necesario, los vehículos pueden evacuar a las personas y sus posesiones, y los adultos tendrían inconvenientes para cruzar las avenidas con seguridad.

Figura 3 Niveles de peligro aplicados en la ciudad de Dórrigo, Australia (^{NSW, 2005}). 

Los mapas de peligro propuestos por el IMTA están fundados en investigaciones de ^{Alcocer-Yamanaka et al. (2012)}, que definen como base para el manejo del agua de las aguas pluviales cuatro componentes (ver Figura 4): el primero corresponde a la identificación de la problemática de las inundaciones, que puede derivarse de diversos factores; el segundo, a los análisis hidrológicos e hidrográficos en el que se identifican las lluvias que ocasionan inundaciones y la generación de lluvias de diseño, así como la identificación de los usos de suelo, cuencas y microcuencas. El tercero, a la utilización de diversas herramientas de cálculo, que permiten la construcción del modelo de simulación de microcuencas, colectores y drenes pluviales, y la construcción del modelo de escurrimiento en calles. Por último, el cuarto, a la generación de diversos escenarios con los cuales se evaluará el impacto del fenómeno hidrometeorológico.

Figura 4 Componentes de un programa para el manejo integral de las aguas pluviales (^{Alcocer-Yamanaka et al., 2012}). 

Generalizando lo descrito por Yamanaka et al. (2012), los mapas de peligro se obtienen a través de tres aspectos principales, que brindarán la información elemental para la construcción del modelo numérico de escurrimientos superficiales. El primero se basa en analizar la precipitación, con el fin de establecer el comportamiento espacial y temporal de la lluvia (lluvia de proyecto). El segundo toma en cuenta la infraestructura urbana de la región de estudio (configuración del terreno). Por último, el tercer aspecto se refiere a la delimitación de subcuencas y microcuencas de estudios, considerando los parámetros geomorfológicos (área, perímetro, ancho, longitud del cauce principal, etc.) (Figura 5).

Figura 5 Variables esenciales para la simulación hidráulica en dos dimensiones. 

Para fines de aplicación de la metodología, se obtienen las lluvias de proyecto, que corresponden a 2, 5, 10, 20, 50, 100 y 200 años de periodo de retorno. En cuanto a la configuración del terreno, se determina con la planimetría de la ciudad, el levantamiento topográfico de la misma (como ejemplo, se puede utilizar la topografía LIDAR) y los usos de suelo. Con esta información es posible caracterizar y determinar la configuración de las subcuencas y microcuencas de toda la zona urbana analizada, y se construye el modelo de simulación hidráulico. Con base en las lluvias de proyecto se determinan para cada periodo de retorno los tirantes y velocidades a nivel calle. En el análisis es posible considerar la infraestructura pluvial urbana existente, así como arroyos y ríos.

El mapa de peligro se genera para cada periodo de retorno, considerando los tirantes y velocidades calculados con el modelo numérico. Para determinar los mapas de peligro se tomaron en cuenta, además de las variables de tirante y velocidad, volcamiento y deslizamiento, mostrados en el Cuadro 1.

Cuadro 1 Criterios establecidos para la generación del mapa de peligro por inundación (^{IMTA, 2015}). 

Justificación empírica del criterio establecido para la generación del mapa de peligro por inundación propuesto en el Cuadro 1

Los valores de las variables propuestas en el Cuadro 1 se establecen con los criterios siguientes: el tirante de 0.3 m se considera con un nivel de peligro nulo debido a que éste no alcanza a rebasar el nivel de banqueta promedio, por lo que el agua no llegaría a entrar en los hogares. En los rangos de 0.3 a 0.5 metros, el nivel de peligro se considera bajo, es decir, el daño a la estructura de la casa, así como al menaje, no es considerable. En tirantes de 0.5 a 1.5 metros, el nivel de peligro es medio, debido a que el daño a muebles y estructura del hogar tiende a ser elevado. Cuando el nivel del agua alcanza 1.5 metros de altura, el peligro se cataloga como alto.

En cuanto al deslizamiento, ^{Nanía (1999)} realizó un modelo teórico experimental para la ciudad de Mendoza, Argentina, donde el estudio abarca 30 manzanas, conformado por 50 tramos de calles y 21 cruces. Analizó el riesgo asociado con el escurrimiento pluvial en calles. El estudio tomó en cuenta la estabilidad al deslizamiento de las personas ante la fuerza de arrastre que ejerce el flujo sobre ellas cuando es necesario cruzar la calle. Obtuvo como resultado el valor de 1.23 m³/s² como límite para que una persona cruce sin problemas. Para determinar este valor, se tomó en cuenta velocidad y tirante del flujo en conjunto. La estabilidad al deslizamiento de un sujeto ante la fuerza de arrastre se calcula con la ecuación (1):

1

donde:

Suponiendo que la persona en cuestión pueda ser capaz de mantenerse en pie, la fuerza que debe equilibrarla es la de fricción del calzado sobre el suelo y sería igual a la ecuación (2):

2

donde:

Considerando que el coeficiente de arrastre para un cilindro de altura infinita es igual a 1.2 (Streeter & Wylie, 1979), la densidad del agua es de 1 000 kg/m³, el ancho de las piernas b = 0.1 m x 2 = 0.2 m; el peso de la persona de 60 kgf, y el coeficiente de fricción entre el caucho y el concreto húmedo igual a 0.50 (^{Gieck, 1981}), con un coeficiente de seguridad de 2, para incluir el efecto del empuje y la posible variación de los parámetros considerados, la condición de estabilidad está dada por la siguiente desigualdad:

El límite de 0.30 cm de tirante de inundaciones está adaptado para que el escurrimiento superficial no pueda entrar a los edificios; además, Témez (1992) menciona en su estudio que la velocidad máxima permisible es de 1 m/s para determinar el volcamiento de objetos.

Mapas de vulnerabilidad propuesto por ^{IMTA (2015)}

Para la elaboración de los mapas se toman como punto de partida los avances en la construcción de mapas de vulnerabilidad desarrollados por el ^{Cenapred (2007)}. El procedimiento propuesto es el siguiente: recopilación de información del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), seleccionándose las Áreas Geoestadística Base (AGEB), que son bases de datos con información georreferenciada por manzanas en cuanto a nivel socioeconómico de la población, población económicamente activa, total de viviendas y tipo de viviendas, entre otras 190 variables.

De acuerdo con la clasificación de vulnerabilidad de ^{Cenapred (2006)}, ésta se hace en campo y se verifica casa por casa, lo que resulta en un trabajo oneroso; así como los tiempos de ejecución, que pueden ser semanas, en función de la extensión de la zona en estudio. En la propuesta metodológica de este artículo, la vulnerabilidad de las casas se calcula en nivel de manzana, pues así está la información contenida en los AGEB del INEGI.

En la información contenida en los AGEB se puede consultar el número de viviendas particulares habitadas con un solo cuarto; viviendas particulares habitadas con dos cuartos; viviendas particulares habitadas con tres cuartos y más, además de la población económicamente activa. Con esta información se determinan los tipos de vivienda.

Para determinar en qué tipo de vulnerabilidad se ubican las casas en nivel manzana se usa el siguiente indicador:

1

2

3

4

En el Cuadro 2 se establecen cuatro rangos de clasificación, donde se considera un costo de menaje de las viviendas, que va desde $12 500.00 hasta $300 000.00.

Cuadro 2 Vulnerabilidad por tipo de vivienda obtenida del análisis de información contenida en el AGEB. Fuente: ^{IMTA, 2015}. 

Método propuesto por ^{Ribera (2004)}

Los mapas de riesgo o mapas de daños potenciales por inundación se pueden definir también como una situación susceptible de causar un daño, como consecuencia de un evento de lluvia que se presenta en un medio vulnerable, como el área de alguna colonia o zona de una ciudad. Así, el riesgo se puede formular como el producto del área afectada, por la peligrosidad del evento, y número de elementos (casas, personas, etc.) que está en juego, y su vulnerabilidad (^{Ribera, 2004}).

8

Para llevar a cabo mapas de riesgo se debe disponer de cuatro mapas:

Los dos primeros sirven para localizar y caracterizar el suceso, y dan lugar al mapa final de peligrosidad. El tercero y cuarto mapa sirven para localizar y caracterizar los elementos en juego, que a la postre conducen al mapa final de vulnerabilidad.

Generación de mapas de riesgo propuesto por ^{IMTA (2015)}

Los mapas de riesgo se generan a partir de una adaptación de la propuesta realizada por ^{Ribera (2004)}. Primero se determinan los mapas de peligro a partir de un criterio definido de peligro y con base en el análisis hidráulico hecho con el modelo en dos dimensiones se calculan los tirantes y velocidades a lo largo de la ciudad; esto, para las lluvias con diferentes periodos de retorno.

Asimismo, se obtienen los mapas de vulnerabilidad de acuerdo con un criterio definido de vulnerabilidad, que puede calcularse con base en el tipo de vivienda, edad de las personas, zonas escolares, áreas industriales, etcétera.

La combinación de mapas de peligro y vulnerabilidad, a partir de un criterio de riesgo, permite calcular los mapas de riesgo, de los cuales se obtienen los costos por daños generados por la inundación para diferentes periodos de retorno (ver Figura 6).

Figura 6 Metodología para definir los mapas de riesgo. 

Descripción de la zona de estudio

El municipio de Tuxtla Gutiérrez es uno de los 2 457 municipios que conforman la república mexicana. Cuenta con una extensión territorial de 412.40 km². Se encuentra entre las coordenadas 16° 38' y 16° 51' de latitud norte, 93° 02' y 94° 15' de longitud oeste, y tiene una altitud promedio de 552 msnm (ver Figura 7). Para el año 2010, la ciudad de Tuxtla Gutiérrez contaba con 537 102 habitantes, que representan 11% del total de la población del estado (^{INEGI, 2010}).

Figura 7 Localización de la zona de estudio. 

El sistema terrestre de la zona donde se encuentra el municipio está caracterizado por valles, terrazas, montañas y pies de monte. Destaca además el paso del río Sabinal. A medida que se incrementó la población, se llevaron a cabo edificaciones sin un plan de ordenamiento territorial adecuado, cambiado el uso de suelo y estableciendo infraestructura urbana donde se tiene una mayor riesgo ante un evento hidrometeorológico extremo, por lo que se producen inundaciones y encharcamientos.

Estas acciones antropogénicas sobre la cuenca han provocado un aumento del volumen de escurrimiento, acrecentándose las magnitudes de los gastos pico de las avenidas y una reducción de los tiempos en que se presenta dicho gasto, originándose inundaciones severas y recurrentes; pérdida de suelos que incrementan el volumen de azolves; aumento del riesgo de deslaves dentro de la cuenca del río Sabinal (^{Instituto Estatal del Agua, s.f.}); decremento de la vida útil de la infraestructura pluvial urbana existente; aumento de residuos sólidos; contaminación de las fuentes de agua; afectaciones a los bosques, etc. Todo esto ha puesto en riesgo la vida y bienes de los habitantes de zonas vulnerables.

Afectaciones causadas por inundaciones

Históricamente, la población y ciudad de Tuxtla Gutiérrez se han visto afectadas por inundaciones debidas al río Sabinal, que cruza en longitud de 6.5 km, que contiene tributarios (arroyos) que aumentan el problema. De acuerdo con el ^{Instituto de Protección Civil (2015)}, se tienen documentados los daños causados por inundaciones desde 1920 hasta la fecha.

Conociendo la necesidad de contar con un estudio fehaciente que permita establecer las zonas de riesgo por inundación, se aplica la metodología propuesta a este trabajo para la generación de mapas de riesgo por inundaciones.

Construcción de mapas de riesgo por inundación

Para la generación de mapas de riesgo, en un primer término se generaron los mapas de peligro y vulnerabilidad. Al tener en conjunto estos mapas, el proceso para la construcción de los mapas de riesgo se lleva a cabo mediante un análisis matricial, como se muestra a continuación.

Mapas de peligro por inundación

Se realizaron simulaciones hidráulicas, considerando lo planteado en la Figura 4. Los mapas se calcularon y construyeron a partir del criterio presentado en el Cuadro 1.

En la Figura 8 se muestra el mapa de peligro generado para un periodo de retorno de 20 años. En tono claro se marcan las zonas de peligro bajo; en color medio, las zonas de peligro medio; y en tono oscuro, las zonas de peligro alto. La precipitación indicada corresponde a la precipitación máxima para una duración de 60 minutos.

Figura 8 Mapa de peligro para un periodo de retorno de 20 años. 

Mapa de vulnerabilidad por inundación

El mapa de vulnerabilidad de las construcciones se calculó con base en el Cuadro 2. En la Figura 9 se presenta el mapa de vulnerabilidad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México.

Figura 9 Mapa de vulnerabilidad por tipo de vivienda, en Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México. 

Mapas de riesgo por inundación

El riesgo está implícito en nuestras vidas y es parte inseparable de las acciones, entendiéndose que es la proximidad a un daño, donde existe la posibilidad de tener pérdidas significativas o resultados adversos. Para su representación se utiliza una base cartográfica, en la cual mediante parámetros establecidos se localiza la manera en que impactan los sistemas afectables.

El criterio de riesgo se define a partir de lo descrito por el ^{IMTA (2015)}, establecidos cuatro rangos, que se describen a continuación:

En la Figura 8 se presenta uno los mapas de riesgo por inundación generado a partir del modelo de simulación 1D-2D y de acuerdo con el criterio planteado en el Cuadro 3. Como se puede observar, el mapa de riesgo con la simulación para un periodo de retorno de 20 años comienza a señalar las márgenes de los arroyos con peligro bajo a medio, y en las zonas urbanas se presenta en algunas zonas un peligro alto-medio; esto concuerda con los recorridos de campo en los arroyos, donde se observó la invasión de construcciones en prácticamente todos los cauces.

Cuadro 3 Criterio de riesgo en función del peligro y vulnerabilidad, y porcentaje de daño causado al menaje de la casa. 

Con los mapas antes descritos, es posible establecer un plan de contingencia ante inundaciones que se presenta a continuación.

Plan de contingencia ante inundaciones

Un resultado importante en la generación de mapas de peligro y riesgo es la generación de planes de contingencia, como rutas de evacuación seguras de personas hacia refugios ubicados en la zona urbana en estudio. Tales planes deben estar apoyados y generados con ayuda de mapas de peligro y riesgo por inundación, pues permiten identificar visualmente las zonas problemáticas de la ciudad, en donde los efectos de los escurrimientos pueden generar algún daño.

En la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, se cuenta con 17 zonas de refugio distribuidas en toda el área del municipio, con el objetivo de proveer un lugar seguro a la población en caso de presentarse un desastre natural, como un evento de lluvia extrema, que producirá inundaciones en ciertas zonas urbanas. En la Figura 10 se presenta la distribución de dichas zonas de refugio.

Figura 10 Zonas de refugio en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas. 

Para el establecimiento de la ruta de evacuación se toman en cuenta los refugios establecidos por Protección Civil del municipio. En el análisis de las rutas de evacuación se considera el número máximo de personas que es capaz de albergar en caso de un siniestro contra los habitantes circunvecinos a dicho albergue. Después se evaluó la ruta óptima de evacuación, considerando los mapas de peligro por inundación y el desalojo de los habitantes más vulnerables (personas de la tercera edad y niños) que serían llevadas al refugio.

A fin de decidir la ruta de evacuación de las personas hacia el refugio seleccionado, denominado Parroquia Santa Cruz, se determinó la vulnerabilidad de las viviendas mostradas en la Figura 9, cuya zona de inundación presenta un peligro alto de acuerdo con su mapa de peligro por inundaciones. La ruta de evacuación considera ciertas restricciones de desplazamiento, como puentes que deben atravesar los peatones. Se indican aquellos que son seguros pasar a pie o los que presentan un problema. En este caso se señalan con un símbolo de rectángulos en tono oscuro los que no son viables para el cruce debido a que la inundación rebasa tal infraestructura. Asimismo, se muestran las calles con problemas de encharcamiento o inundación no viable para los peatones (las líneas en color oscuro señalan las calles por las que no se debe cruzar). De esta forma se obtiene la ruta de evacuación idónea, mostrada en la Figura 11, marcada en color negro (ruta 7).

Figura 11 Ruta generada considerando vulnerabilidad de las viviendas y peligro por inundación. 

Además, se configura el nombre de las calles de la ciudad en cuestión con sus distancias entre calles, con el fin de poder conocer las indicaciones para llegar al refugio (ver Cuadro 4), donde se especifica que la distancia a recorrer es de 1.3 km y el tiempo promedio de recorrido se establece con el factor de que una persona puede caminar 4 km por hora. Por lo tanto, el tiempo de traslado se estima en 16 minutos.

Cuadro 4 Indicaciones de la ruta de la Figura 11. 

Evaluación del riesgo por inundación (daños a menaje de casa y población)

De acuerdo con el Cuadro 5, se muestran los daños generados por los efectos de la inundación, expresado en costo, para diferentes periodos de retorno. Para una lluvia con periodo de retorno de dos años, el daño estimado en costo a menaje de casa se eleva a $130.18 millones de pesos; para una lluvia con periodo de retorno de cinco años, los costos estimado por daño se calculan en $180.73 millones de pesos, es decir, 1.8 veces más que los daños generados por la lluvia de periodo de retorno de dos años. Para la lluvia con periodo de retorno de diez años, el costo estimado de daños a menaje de casa asciende a $240.29 millones de pesos, que resulta 2.3 veces el daño correspondiente a un periodo de retorno de dos años.

Cuadro 5 Costos estimados por daños al menaje de casa generado por inundaciones para diferentes periodos de retorno. 

En el ^{Instituto de Protección Civil (2004)} se realizó, con recursos del Fondo para la Prevención de Desastres Naturales (Fopreden) y del gobierno del estado de Chiapas, un estudio de análisis de alternativas para solucionar el problema de inundaciones, a raíz de las lluvias en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez. En el informe correspondiente se detallan los costos por daños provocados por las inundaciones para diferentes periodos de retorno. En el Cuadro 6 se presenta una comparación de los costos por daños generados por las inundaciones para diferentes periodos de retorno estimados por el Instituto de Protección Civil con respecto a los costos estimados con el modelo 1D-2D.

Cuadro 6 Comparación de costos por daños generados por las inundaciones de acuerdo con el análisis hecho por el Instituto de Protección Civil y el modelo de simulación 1D-2D. 

Evaluación del riesgo por inundación (daños a la infraestructura de la vivienda)

Para la evaluación del daño, se considera el daño estructural que puede generarse en una casa de acuerdo con el análisis efectuado por el ^{IMTA (2015)}, donde se especifica que a partir de una altura de 1.599 m de agua se pueden presentar daños por el efecto del cortante (vuelco) en las paredes de la vivienda (ver Figura 12).

Figura 12 Falla en muro de mampostería en Cambridge, Reino Unido, diciembre de 2001. Fuente: ^{Kelman (2002)}. 

Esto reflejaría un costo por reparaciones, por lo que de acuerdo con ^{Velez, Fuentes, Rubio y De Luna (2014)}, genera una curva de daño a la infraestructura con respecto al tirante, donde toma un valor de $85 000 pesos. El Cuadro 7 contiene los valores por el daño estructural, dependiendo del tipo de vivienda y vulnerabilidad.

Cuadro 7 Costo del daño estructural por tipo de vivienda. 

Sobreponiendo el mapa de peligro con lluvia vinculada con un periodo de retorno que va desde los 10 hasta los 1 000 años, se puede establecer el costo total probable que puede generarse por daño estructural (ver Cuadro 8 y Figura 13).

Cuadro 8 Esperanza por daño estructural para los diferentes escenarios analizados. 

Figura 13 Curva daños estructurales-periodo de retorno. 

Reubicación de las zonas de refugio

A consecuencia de estas afectaciones presentadas, se propone la reubicación de los refugios que corren peligro por inundación, a fin de evitar cualquier problema a consecuencia de la ubicación desfavorable en la que se encuentren. Se consideró que los sitios propuestos estuvieran en zonas cercanas a los anteriores, para que tenga la misma cantidad de personas a refugiarse. La Figura 14 muestra la ubicación geoespacial de la reubicación de los refugios.

Figura 14 Reubicación de las zonas afectadas. 

Es fundamental conocer la categoría de la estructura y su dirección, para que su localización sea fácil y eficiente. En el Cuadro 9 se presentan los datos básicos de cada refugio.

Cuadro 9 Zonas de refugio reubicadas.