METODOLOGÍA GENERAL DEL PROYECTO
Se establecerá un plan de trabajo estructurado en 12 actividades o tareas, al final de cada una de las cuales se fija un hito parcial consistente en la elaboración de un sencillo informe-memoria de las labores realizadas y de los resultados obtenidos. Como algunas tareas conllevan actividades que se repiten dos o más veces en el desarrollo del proyecto, y eso multiplicaría el número de hitos, se establecen tres grandes hitos al final de cada uno de los tres años de duración, en los que se prevé alcanzar una memoria completa de cada una de las zonas de ensayo metodológico seleccionadas; estas recopilaciones facilitarán a su vez la elaboración de los informes anuales y final del proyecto.
Para la realización de las actividades y tareas previstas en el plan de trabajo, se aplicarán de forma simultánea y complementaria enfoques metodológicos de análisis y síntesis, compaginando secuencialmente métodos de adquisición de datos en campo, métodos de estudio en laboratorio, y métodos de tratamiento y análisis en gabinete.
MÉTODOS DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN CAMPO
1. Caracterización geomorfológica
2. Caracterización florística
3. Muestreo de ejemplares
4. Adquisición de datos topográficos detallados
MÉTODOS DE ESTUDIO EN LABORATORIO
5. Preparación de las muestras
6. Conteo y medida de los anillos de crecimiento
7. Estudio anatómico e histológico
MÉTODOS DE TRATAMIENTO Y ANÁLISIS DE LOS DATOS EN GABINETE
8. Sincronización de las series y datación de anillos
9. Detección y datación de eventos
10. Modelación hidráulica de tramos
11. Análisis estadístico de caudales de avenida
12. Cartografía de las áreas de peligrosidad por avenidas torrenciales y mapas de riesgo
MÉTODOS DE ADQUISICIÓN DE DATOS EN CAMPO
1. Caracterización geomorfológica
La caracterización geomorfológica de las cuencas torrenciales estudiadas se realizará mediante métodos clásicos de cartografía de formas y depósitos, utilizando tanto fotointerpretación de pares estereoscópicos de fotografías aéreas verticales (distintas fechas y escalas), como interpretación de la cartografía básica (morfometría, hidrografía, toponimia...) y temática (mapas geológico, geomorfológico, formaciones superficiales, procesos activos...). Ello requerirá además la realización de recorridos de campo para comprobar la cartografía, resolver zonas problemáticas, evaluar el grado de actividad de los procesos activos, y determinar la potencia y origen de las formaciones superficiales, con especial incidencia en aquéllas de origen fluvial-torrencial.
También se emplearán criterios geomorfológicos, de evidencias morfológicas o sedimentarias sobre eventos pretéritos, a la hora de seleccionar los tramos concretos de corrientes torrenciales en las cuales se van a ensayar y calibrar estos métodos dendrogeomorfológicos. En principio, se han seleccionado el conjunto de las cabeceras montañosas en las cuencas altas de los ríos Alberche (cuenca del Tajo, Sierra de Gredos, Ávila), Eresma (cuenca del Duero, Sierra de Guadarrama, Segovia) y Tajo (Sistema Ibérico, Guadalajara). La elección de estas zonas se ha basado en un adecuado conocimiento de la dinámica de procesos activos por parte de los miembros del equipo; la existencia de evidencias de avenidas torrenciales y corrientes de derrubios previas; y un aumento de la exposición y vulnerabilidad por el incremento de los visitantes a estas zonas con motivo de su declaración como espacios naturales protegidos (reserva botánica, futuro parque nacional y parque natural, respectivamente), y la consiguiente construcción de infraestructuras de acceso e instalaciones de servicio.
Paralelamente se hará la necesaria caracterización geológica-litológica de las zonas, estudio del contexto climatológico y edáfico, y análisis de la dinámica hidrológica superficial y subterránea.
La caracterización florística de las cuencas torrenciales y su entorno se realizará también empleando métodos clásicos, como: la cartografía de la vegetación mediante fotointerpretación de ortofotos y fotografías aéreas verticales (distinguiendo especies, asociaciones, edades y grado de cobertura); la realización de inventarios florísticos mediante parcelas homogéneas (10x10 m) evitando cambios bruscos relacionados con el sustrato y la topografía; y los transectos, tanto longitudinales a lo largo del desarrollo altitudinal de las laderas (catenas), como transversales a las corrientes torrenciales estudiadas, indicando distintos parámetros cuantitativos y estructurales de la vegetación, algunos de ellos reflejando los daños en los árboles (árboles vivos y muertos, adultos o jóvenes, con heridas visibles o no, forma del tronco, distancia a la corriente central, y diámetro a la altura del pecho).
El muestreo de ejemplares individuales de árboles y arbustos comenzará con una rigurosa y objetiva selección de los mismos, basada en criterios de caracteres externos susceptibles de evidenciar la interferencia entre el ejemplar y la dinámica torrencial. Estas evidencias externas pueden ser: descortezados y marcas de impacto; crecimientos de ramas en candelabro; pérdida de copas y partes culminantes; erosiones, bifurcaciones e inclinaciones en los troncos; y raíces expuestas. También se muestrearán ejemplares no perturbados, para que sirvan de patrón de comparación de los patrones de crecimiento, y discernir anomalías debidas a variabilidad climatológica, plagas y epidemias.
Asimismo se procurará que el muestreo se realice de forma ordenada y científica, para que su posterior tratamiento estadístico sea representativo. Además se seleccionarán especies vegetales de crecimiento homogéneo, dando prioridad a aquellas especies incluidas como más idóneas en los listados especializados (preferiblemente coníferas, http://web.utk.edu/~grissino/species.htm), por su adecuado reconocimiento de los anillos anuales, y escasa tendencia a la formación de anillos ausentes o múltiples.
Cada ejemplar a muestrear será convenientemente localizado (mediante receptor GPS) y siglado (mediante etiquetado unívoco), apuntándose todos los caracteres del mismo (especie, subespecie, dimensiones, estado...) y del medio circundante (sustrato, pendiente, orientación de la ladera, proximidad de otros ejemplares...) reseñables. Posteriormente se realizará, según la gestión forestal que se haga del mismo y el elemento a estudiar (tronco, ramas, raíces...), bien una extracción de testigo cilíndrico, o bien una cuña o rodaja (utilizando sierra manual o motosierra).
En el primer caso, la extracción de las muestras de árboles en pie se realizará en dirección aproximada a la del radio del fuste, utilizando la barrena de Pressler estándar de 400 mm de longitud y 5 mm de diámetro interior, lo cual permite obtener una representación de todos los anillos de crecimiento formados desde la corteza hasta el interior del tronco. Habitualmente, se extraerán a 1,30 m del suelo, excepto en aquellos casos en que, por deformaciones y defectos del tronco o la aparición de ramas bajas, ello no sea posible y se tomarán a menor altura. De cada ejemplar se obtendrán, generalmente, dos testigos con orientaciones opuestas y lo más largos posibles, pues la elaboración de dos secuencias dendrocronológicas por ejemplar facilita los procesos de sincronización y su media es una mejor aproximación al crecimiento real en grosor.
Las muestras se insertarán tras su extracción en un soporte de madera, con una ranura de un diámetro próximo al de la muestra, lo cual facilitará un secado paulatino e impedirá su deformación o rotura por efecto de posibles grietas.
4. Adquisición de datos topográficos detallados
En los tramos de la corriente torrencial donde se localicen y muestreen ejemplares con evidencias de interferencia con avenidas, se realizarán levantamientos topográficos detallados a escala 1:200 ó superior, utilizando una combinación de receptores GPS en modo diferencial, y estación total, en función de las características topográficas y de vegetación del entorno. En dichas topografías se ubicarán los ejemplares muestreados con mayor precisión. Además se realizarán perfiles longitudinales y transversales a la corriente y registro de puntos singulares de utilidad en los modelos hidráulicos. Todo ello se introducirá y gestionará desde un sistema de información geográfica, que permita una adecuado almacenamiento y análisis de la misma (obtención de MDEs, vistas 3D, esquemas de pendientes, perfiles y secciones, cálculos de áreas y volúmenes, etc.).
MÉTODOS DE ESTUDIO EN LABORATORIO
5. Preparación de las muestras
Las muestras recogidas en campo (testigos, cuñas o rodajas) serán adecuadamente preparadas para su estudio, siendo preciso en ocasiones su cortado, pulido, limpieza y secado (en estufa o al aire libre). Una vez secas las muestras y tras extraerlas de su soporte de madera, se realizan cortes longitudinales y perpendiculares a la dirección de las traqueidas en toda su longitud. Para ello se colocarán las muestras o testigos en un tornillo de carpintero y se cortan al ras lo más finamente posible con una cuchilla enmangada bien afilada, poniendo el máximo cuidado en evitar su rotura, con lo que se consiguen visualizar de forma correcta y adecuada los anillos de crecimiento. Posteriormente se contabilizan y marcan por grupos los anillos de los testigos y se señalan las áreas que, eventualmente, pueden presentar problemas de medición.
En otras ocasiones y especies no tan idóneas para la observación, las labores de preparación conllevan también las tinciones con colorantes, como el azul de metileno o safranina.
6. Conteo y medida de los anillos de crecimiento
La medición de las muestras y la obtención de series dendrocronológicas datadas será llevada a cabo en las instalaciones del Laboratorio de Dendrocronología de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Forestal de la Universidad Politécnica de Madrid.
El equipo consiste en un medidor semiautomático LINTAB asociado al programa TSAP (Time Series Analysis and Presentation) acoplado a PC, que permite una precisión en la medida de hasta 0,01 mm. Otros equipos imprescindibles son: lupa binocular, fuente de luz fría y otros programas específicos para el tratamiento de los datos dendrocronológicos.
7. Estudio anatómico e histológico
Tras el tratamiento de las muestras mediante disolventes y tinciones (histoclear, alcohol, safranina...) y su preparación para observación microscópica (cortado de la lámina delgada para su colocación sobre portaobjetos), se procederá a su estudio en lupa binocular y microscopía óptica de luz transmitida con campo oscuro. En ella se observarán las anomalías en los tejidos y células asociadas a eventos de crecidas torrenciales, con especial incidencia en: anchura del anillo, número de células, tamaño de las células, volumen celular interno, espesor de la pared celular, tipo de límite madera tardía-temprana, porcentaje de madera tardía, canales resiníferos (filas causadas por traumatismos, TRDs), número de traqueidas, diámetro máximo de la luz de las traqueidas...
Finalmente se llevarán a cabo análisis de varianza (ADEVA) de las diferentes variables consideradas en el análisis anatómico, para verificar o no diferencias estadísticamente significativas entre distintos grupos de medias.
MÉTODOS DE TRATAMIENTO Y ANÁLISIS DE LOS DATOS EN GABINETE
8. Sincronización de las series y datación de anillos
La datación consiste en la transformación de las series de incrementos de crecimiento en secuencias dendrocronológicas, mediante la asignación precisa de fechas que asegure que cada valor se corresponde con el año en que fue formado el anillo de crecimiento.
Los análisis dendrocronológicos previos a la datación requieren la existencia de ciertas pautas comunes de variación en las series de crecimiento de los árboles. El grosor de los anillos formados simultáneamente en diferentes individuos no suele presentar coincidencias en sus valores, a causa de diferencias en cuanto a la edad o en relación con muchos otros factores intrínsecos o extrínsecos, pero tampoco cuando proceden de un mismo individuo en diferentes orientaciones (por razones similares) y por ello es preciso utilizar diversas técnicas que permitan comparar las series entre sí y localizar patrones sincrónicos de crecimiento. Asimismo es preciso detectar posibles errores de conteo y medida y, sobre todo, localizar determinadas anomalías en las series de crecimiento.
Las diferentes técnicas de sincronización consisten, básicamente, en la comparación de numerosas series de crecimiento mediante análisis cualitativos y cuantitativos que pueden emplearse alternativa o simultáneamente y que, en cualquier caso, resultan ser complementarias. En la aplicación de estas técnicas se utilizarán programas específicamente dendrocronológicos, entre los que destaca el COFECHA. Ello sin descartar el uso de otras herramientas estadísticas, y de observaciones comparativas más intuitivas.
Los resultados de la aplicación de las distintas técnicas de sincronización permiten la corrección de las anomalías o errores detectados en las series y la aceptación o el rechazo de éstas como representativas o coincidentes con los patrones locales de crecimiento. Su aplicación ofrece una gran complejidad y requiere un arduo aprendizaje para obtener la necesaria experiencia que permita tomar las decisiones más adecuadas en cada problema planteado. La comparación cruzada se realiza muchas veces utilizando diferentes series o, incluso, entre series parciales, medias individuales o cronologías cercanas ya establecidas, hasta verificar la correcta datación del conjunto de las secuencias de una localidad o región. Ello permite, finalmente, elaborar un banco de datos por localidad de series dendrocronológicas individuales datadas que, posteriormente, podrá utilizarse en diferentes aplicaciones.
9. Detección y datación de eventos
A partir de las series de anillos sincronizados se puede proceder a la datación de los elementos anatómicos asociados a fenómenos torrenciales (growth disturbances, como TRDs, heridas, tejidos de callos, maderas de reacción, reducción o aumento del crecimiento); y a la obtención de un listado o base de datos de eventos de avenida con fechas asignadas, indicando si se trata de fechas fijas o aproximadas, y el tipo de evidencia marca nivel máximo, mínimo o exacto. Igualmente, en función de en qué parte del anillo se sitúen las GDs (madera tardía o temprana), puede incluso inferirse la época del año (a nivel estacional y en ocasiones con precisión mensual), en la que se produjo el evento.
También se investigará sobre la posible identificación de eventos de avenida que produjeron desenterramiento y exposición del aparato radicular de árboles (por ejemplo, por erosión de bancos de orilla o efecto pedestal en barras e islas), y que pudieron derivar en la disminución de la producción de aparato foliar (copa), observándose posibles cambios en el patrón de anillos del tronco a la altura estándar (1,30 m).
Estas fechas, especialmente las que se repitan y sean comunes, serán contrastadas con los registros históricos próximos de precipitaciones intensas y crecidas, allí donde exista información hidrometeorológica. Con la información se calcularán índices de similaridad y probabilidades condicionales.
También, al objeto de calibrar los elementos utilizados para la detección de eventos y su datación, se utilizarán los mismos métodos y fuentes de datos aplicados sobre eventos recientes bien estudiados, como el acontecido en Venero Claro (Alto Alberche) en 1997, y del que se conservan numerosos efectos en la vegetación ribereña.
10. Modelación hidráulica de tramos
A partir de las topografías de detalle de los tramos de las corrientes fluviales, y de la localización y altura de los elementos asociados a fenómenos torrenciales, se elaborarán diferentes modelos hidráulicos que permitan aproximar el orden de magnitud de los caudales circulantes durante dichos eventos, y su dinámica (rangos de velocidades, potencial contenido en carga sólida). Para ello se emplearán tanto adaptaciones a corrientes de alta pendiente de los modelos unidimensionales (Lang et al., 2004) en régimen gradualmente variado (aplicaciones tipo HEC-RAS), como fórmulas y cálculos específicamente adaptados a las situaciones de las corrientes torrenciales (fórmula simplificada para localizaciones de régimen crítico; Daugherty et al., 1989).
Para ello se requerirá de un análisis de detalle del flujo supercrítico que con generalidad va a darse en este tipo de cauces. En este análisis se prestará especial importancia al carácter transitorio de la corriente, a su densidad condicionada por fenómenos de arrastre, y a las pérdidas de energía localizadas, factor importante en este tipo de corrientes. El nivel de detalle del trabajo requerirá de un análisis bidimensional del flujo (tipo MIKE-FLOOD) en localizaciones como conos y abanicos, que permitan conocer con detalle cada caso analizado, y permitan extrapolar los resultados con un cierto grado de aproximación.
Previamente se precisan los MDE derivados de los levantamientos topográficos y medidas con GPS diferencial (ver tarea 4), el establecimiento de unas condiciones de contorno, y la adquisición de información sobre parámetros, tales como los coeficientes de rugosidad, o las funciones caudal-energía de las estructuras hidráulicas que pueda haber en el cauce (puentes, vertederos, azudes...).
Los modelos tratarán de ser calibrados allí donde se disponga de marcas y medidas, y serán sometidos a diferentes análisis de sensibilidad, tanto de las condiciones de contorno como de la rugosidad y variaciones geométricas.
11. Análisis estadístico de caudales de avenida
Una vez que se dispone de las fechas de los eventos de avenida torrencial y de la estimación de sus caudales, se trata de realizar con los mismos un análisis estadístico que permita ajustar una función de distribución de frecuencias a dichos caudales. Para ello se emplearán diversas fórmulas de asignación de la probabilidad muestral a los distintos eventos, según sean niveles exactos, mínimos o máximos, y su grado de certidumbre (clasificación en tipos EX, LB, UB y DB); y se emplearán funciones de distribución de frecuencia específicas (tanto para modelos estacionarios como no estacionarios), basadas en el establecimiento de umbrales o rangos, y que ya han sido empleadas con éxito para la incorporación de datos históricos y paleohidrológicos (Francés, 2004). Al objeto de facilitar estos análisis, se emplearán de forma comparada diferentes aplicaciones informáticas que implentan dichas formulaciones, como los programas FRESH (Universidad de Québec; Ouarda et al., 2004), AFINS (Grupo de Investigación de Hidráulica e Hidrología; UPV) y MAX (Stendiger et al., 1988). Para finalizar, se realizarán estos mismos análisis incorporando los datos procedentes de la dendrogeomorfología en series de caudales del registro sistemático procedentes de estaciones de aforo próximas, observándose la posible mejora del ajuste mediante la aplicación de distintos test estadísticos (Kolmogorov-Smirnov, PPCC, relación de L-momentos, etc.).
12. Cartografía de las áreas de peligrosidad por avenidas torrenciales y mapas de riesgo
Una vez establecidos y mejorados los cuantiles de caudales asociados a diferentes frecuencias o periodos de retorno en cada corriente y localización, se procederá a su expresión cartográfica mediante la realización de mapas de peligrosidad que combinen diferentes parámetros: áreas potencialmente inundables, profundidad, velocidad de la corriente, tiempo de permanencia, carga sólida transportada... Para ello se combinarán modelos hidráulicos uni- y bidimensionales (aplicaciones HEC-RAS, MIKE11 y MIKE21) con los sistemas de información geográfica (programas ArcView, ArcGIS y ArcInfo) empleando extensiones y módulos de conexión (tipo HEC-GeoRAS o MIKE-FLOOD). Del cruce de estas cartografías en el SIG con las coberturas que contienen los elementos expuestos y su vulnerabilidad, derivará un mapa de riesgo de inundación en estas zonas (Díez et al., 2006).
REFERENCIAS CITADAS
Benito, G. & Thorndycraft, V. (2004). Use of systematic, palaeoflood and historical data for the improvement of flood risk estimation: an introduction. In: G. Benito & V.R. Thorndycraft (eds.), Systematic, palaeoflood and historical data for the improvement of flood risk estimation: Methodological guidelines. 5-14. CSIC- Centro de Ciencias Medioambientales, Madrid.
Daugherty, R.L., Franzini, J.B. & Finnemore, E.J. (1989). Fluid mechanics with Engineering Applications. McGraw Hill, Singapore, 596 pp.
Díez, A., Lain, L. y Llorente, M. (2006). Mapas de peligrosidad de avenidas e inundaciones. Métodos, experiencias y aplicación. Publicaciones del Instituto Geológico y Minero de España, Serie Medio Ambiente, Riesgos Geológicos nº 7, 230 págs., Madrid.
Francés, F. (2004). Flood frequency analysis using systematic and non-systematic information. In: G. Benito & V.R. Thorndycraft (eds.), Systematic, palaeoflood and historical data for the improvement of flood risk estimation: Methodological guidelines. 55-70. CSIC- Centro de Ciencias Medioambientales, Madrid.
Lang, M., Fernández, J.F., Recking, A., Naulet, R. & Grau, P. (2004). Methodological guide for palaeoflood and historical peak discharge estimation. In: G. Benito & V.R. Thorndycraft (eds.), Systematic, palaeoflood and historical data for the improvement of flood risk estimation: Methodological guidelines. 43-53. CSIC- Centro de Ciencias Medioambientales, Madrid.
Ouarda, T.B.M.J., Hamdi, Y. & Bobée, B. (2004). A general system for frequency estimation in hydrology (FRESH) with historical data. In: G. Benito & V.R. Thorndycraft (eds.), Systematic, palaeoflood and historical data for the improvement of flood risk estimation: Methodological guidelines. 71-74. CSIC- Centro de Ciencias Medioambientales, Madrid.
Stedinger, J., Surani, R. & Therivel, R. (1988). MAX Manual. Cornell University, Ithaca, 51 pp.