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Revista Chapingo serie ciencias forestales y del ambiente

versión On-line ISSN 2007-4018versión impresa ISSN 2007-3828

Rev. Chapingo ser. cienc. for. ambient vol.26 no.2 Chapingo may./ago. 2020  Epub 23-Abr-2021

https://doi.org/10.5154/r.rchscfa.2019.07.054 

Artículo científico

Modelación de áreas susceptibles a deslizamientos de tierra utilizando SIG en bosques semiáridos y evaluación en términos de rehabilitación del bosque

Ender Buğday1  * 

Halil Barış Özel2 

1Çankiri Karatekin University, Faculty of Forestry. Yeni mahalle Bademlik caddesi, 18200-Çankiri, Turkey.

2Bartın University, Faculty of Forestry. 74110-Bartin, Turkey.


Resumen

Introducción:

Para aumentar, proteger y mantener los recursos forestales, es importante determinar los factores que afectan las actividades forestales y minimizar su impacto. En este estudio se abordó el factor de deslizamientos de tierra en aplicaciones forestales. El efecto negativo de factores impredecibles de las actividades silvícolas (construcción de carreteras, cosecha, forestación, etc.) puede reducirse calculando y modelando las relaciones de susceptibilidad a deslizamientos de tierra de bosques degradados.

Objetivo:

Demostrar la aplicabilidad de un mapa de susceptibilidad de deslizamientos de tierra para apoyar a los tomadores de decisiones en la evaluación de bosques semiáridos, en actividades forestales y trabajos de rehabilitación.

Materiales y métodos:

Se introdujeron seis modelos utilizando los enfoques del sistema de inferencia difusa (FIS) y del proceso de jerarquía analítica modificada (M-AHP). Se utilizó una combinación de elevación, pendiente (grado), distancia a las fallas, litología, aspecto y curvatura del plan en los modelos.

Resultados y discusión:

Los modelos más exitosos bajo los enfoques FIS y M-AHP fueron el Modelo 3 del FIS y el Modelo 1 del M-AHP, con áreas bajo la curva (AUC) de 80.2 % y 78.1 %, respectivamente. El uso de la silvicultura con precisión mediante la toma de decisiones basadas en la susceptibilidad a los deslizamientos de tierra, en la etapa de gestión y planificación (por ejemplo, construcción de instalaciones de infraestructura forestal, forestación y aprovechamiento y rehabilitación de bosques), aumentará el éxito de las actividades silvícolas.

Conclusión:

Es muy importante determinar las áreas de deslizamiento de tierra de manera anticipada y confiable para la ejecución efectiva de prácticas silvícolas en tierras forestales susceptibles, con el fin de aumentar el éxito de las actividades silvícolas de acuerdo con el enfoque de gestión forestal sostenible.

Palabras clave: Silvicultura; actividades forestales; mapa de susceptibilidad; sistema de inferencia difusa, proceso de jerarquía analítica modificada

Abstract

Introduction:

In order to increase, protect, and sustain forest assets, it is important to determine the factors that affect forestry activities and minimize their impact. In this study, the landslide factor in forestry applications was tackled. The negative effect of unpredictable factors of forestry activities (road construction, harvesting, afforestation, etc.) can be reduced by calculating and modeling the landslide susceptibility ratios of degraded forests.

Objective:

To demonstrate the applicability of a landslide susceptibility map for supporting decision makers in the assessment of semi-arid and landslide-sensitive forestlands in forestry activities and rehabilitation works.

Materials and method:

Six models were introduced by using the fuzzy inference system (FIS) and modified analytical hierarchy process (M-AHP) approaches. A combination of elevation, slope (degree), distance to faults, lithology, aspect, and plan curvature was used in the models.

Results and discussion:

The most successful models under the FIS and M-AHP approaches were FIS Model 3, and M-AHP Model 1, with areas under the curve (AUC) of 80.2 %, and 78.1 %, respectively. Using precision forestry by making decisions based on the area’s landslide susceptibility in the management and planning stage (e.g., construction of forest infrastructure facilities, afforestation, and forest harvesting and rehabilitation), will increase the success of forestry activities.

Conclusion:

It is very important to determine the landslide areas in advance and reliably for effective execution of forestry practices in landslide sensitive forestlands, in order to increase the success of forestry activities in accordance with the sustainable forest management approach.

Keywords: Forestry; forest activities; susceptibility map; fuzzy inference system; modified-analytical hierarchy process

Introducción

Varios factores bióticos y abióticos están involucrados en la degradación y destrucción del bosque, uno de los recursos naturales más importantes del mundo. Esta situación es el resultado del calentamiento global que, en la actualidad, es el principal problema ambiental para la población de la Tierra. Las incidencias de sequía y desertificación son los indicadores más fuertes de esta situación. La formación de zonas semiáridas es resultado de la destrucción del ecosistema forestal, y la sequía y la desertificación surgen debido a la creciente gravedad en las consecuencias del cambio climático causado por el hombre (Türkeş, 2012). Desde una macroperspectiva, el patrimonio forestal y la diversidad de especies también se ven afectados debido a la disminución cuantitativa de las precipitaciones (Fang et al., 2005; Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación [FAO], 2018; Park & Sohn, 2010; Yang, Fang, Ma, & Wang, 2008).

Es muy difícil mantener la continuidad de los recursos forestales en las regiones semiáridas, lo que ha dado lugar a la disminución de estos en los últimos 40 años (Song et al., 2018). Los factores que aumentan la deforestación también desencadenan deslizamientos de tierra y erosión, lo que reduce la cantidad de cobertura viva que protege la capa superior del suelo. El incremento de la cobertura vegetal, en la medida de lo posible, es crucial tanto para la retención de agua como para la reducción de los puntos extremos del balance hídrico (Tang et al., 2018).

Turquía está situada en la zona templada y es considerada un macroclima (Yilmaz & Cicek, 2018). El mar le delimita en tres de sus costados y existen más recursos forestales en las regiones costeras que en aquellas del interior, las cuales se consideran zonas semiáridas y de precipitaciones escasas, debido a los efectos del cambio climático (Dirección General de Silvicultura [GDF], 2015). Durante muchos años se han llevado a cabo actividades de forestación y rehabilitación con el fin de aumentar la cantidad y la productividad de los bosques, las cuales son especialmente escasas en el interior de Turquía (GDF, 2017). Teniendo en cuenta que aproximadamente 43 % de los bosques de Turquía está degradado (GDF, 2015), la gravedad de la situación va en aumento.

En las zonas donde los bosques degradados están muy extendidos, es necesario aumentar la efectividad de los trabajos de mantenimiento, regeneración y rehabilitación de los bosques y asegurar el aprovechamiento forestal con un daño mínimo (Keller, Asner, Silva, & Palace, 2004; Soriano, Kainer, Staudhammer, & Soriano, 2012; Sirén, Ala-Ilomäki, Mäkinen, Lamminen, & Mikkola, 2013; Wilson & Oliver, 2000). La importancia de las aplicaciones forestales de precisión, especialmente en las regiones semiáridas, está aumentando. Los bosques pueden estabilizarse y luego rehabilitarse, incluso después de muchos años, mediante medidas técnicas y ecológicas como la restauración ecológica, la rehabilitación y la forestación, especialmente en zonas de clima extremo (zonas semiáridas, áridas, de dunas y de erosión). No obstante, para restablecer los bosques productivos en zonas semiáridas y áridas, es necesario obtener primero datos detallados, relevantes y de alta calidad durante la aplicación de las medidas técnicas y ecológicas, y posteriormente planificar cuidadosamente las actividades de establecimiento de los bosques sobre la base de estos datos (Raum, 2017). Estas actividades de planificación forestal atienden las principales preocupaciones de la administración y la evaluación objetiva de los proyectos silvícolas, desde un punto de vista científico y económico. Por esta razón, se pueden implementar procedimientos de planificación bien diseñados que permitan el monitoreo de todo, desde simples perturbaciones antropogénicas hasta las más complejas como las perturbaciones climáticas, geomorfológicas y físicas (Vallauri, Aronson, Dudley, & Vallejo, 2005).

Teniendo en cuenta las delicadas condiciones ecológicas de los climas semiáridos y áridos, el éxito de las aplicaciones previamente mencionadas en esas zonas puede aumentarse mediante: a) actividades de rehabilitación de los bosques degradados, de reforestación y de recolección realizadas en los recursos forestales existentes (Daoyin & Yaoxiang, 2007); b) la planificación de esas mismas actividades con un enfoque multidireccional, teniendo en cuenta los factores que las afectan (Bizikova & Krcmar, 2015).

Muchos estudios realizados en zonas de deslizamientos han utilizado enfoques de modelación diferentes para evaluaciones multidireccionales. La base de estos enfoques es la evaluación de factores múltiples. Algunos de estos enfoques son los siguientes: aprendizaje automatizado (Sahin, Colkesen, & Kavzoglu, 2018), sistema adaptativo de inferencia neurodifusa (Sezer, Pradhan, & Gokceoglu, 2011), redes neuronales artificiales (Chen, Pourghasemi, & Zhao, 2017), máquina de vectores de soporte (Chen, Pourghasemi, & Naghibi, 2018), regresión logística (Ayalew & Yamagishi, 2005), sistema de inferencia difusa (Pourghasemi, Pradhan, & Gokceoglu, 2012), proceso de jerarquía analítica modificado (Kornejady, Pourghasemi, & Afzali, 2019), análisis estadístico bivariado (Jiménez-Perálvarez, Irigaray, El Hamdouni, & Chacón, 2011), índice estadístico (Pourghasemi, Moradi, & Aghda, 2013) y relación de frecuencia (Akgun, Dag, & Bulut, 2008).

Varios factores son utilizados para presentar el mapa de susceptibilidad a los deslizamientos (MSD), entre ellos la elevación (Ayalew & Yamagishi, 2005; Lee & Sambath, 2006), la distancia a los caminos (Dahal et al., 2008), el uso de la tierra (Bai et al., 2010), la pendiente (Gokceoglu & Aksoy, 1996), la distancia a las fallas (Pourghasemi et al., 2012), la litología (Yalcin, 2008), la distancia a los arroyos (Pourghasemi et al., 2013), el aspecto (Yesilnacar & Topal, 2005), la curvatura del plano (Nefeslioglu, Duman, & Durmaz, 2008) y el índice de humedad topográfica (Devkota et al., 2013)

Este estudio se llevó a cabo en una región semiárida susceptible a deslizamientos de tierra, que es uno de los factores que afectan negativamente a los recursos forestales. El objetivo de la investigación fue modelar la susceptibilidad a los deslizamientos de tierra en función de factores topográficos (elevación, pendiente, fallas, litología, aspecto y curvatura del plano) y apoyar la toma de decisiones en las actividades realizadas en esas zonas. Esto permitirá llevar a cabo actividades forestales más efectivas (construcción de infraestructura forestal, cosecha, forestación y rehabilitación) en bosques susceptibles de deslizamientos durante la planificación y la aplicación en el contexto de la silvicultura de precisión. Además, si se añade la susceptibilidad de los deslizamientos de tierra a los procesos de toma de decisiones como un factor, podría aumentar el éxito de las actividades forestales que son inversiones a largo plazo.

Materiales y métodos

Área de estudio

El área de estudio está situada dentro de la zona de responsabilidad de la Dirección del Subdistrito Forestal de Sarikaya en la Dirección de Ordenación Forestal de Cankiri, afiliada a la Dirección Regional Forestal de Ankara. La zona está situada entre los 40° 47' 56" - 40° 46' 51" de latitud norte y los 33° 58' 08" - 34° 01' 06" de longitud este; tiene un tamaño de 171.37 km2 y en años recientes han ocurrido deslizamientos de tierra de diversas magnitudes (Figura 1). El área de estudio está situada en una zona montañosa alta. La pendiente promedio de esta zona es de 15°, el aspecto dominante es la dirección de orientación sur y la altura media es de 1 410 m, con un rango entre 1 083 m y 2 061 m.

Figura 1 Ubicación del área de estudio (Sarıkaya-Turquía) y los deslizamientos de tierra ocurridos (antes de 2017). 

No existen procedimientos comunes para establecer los factores más influyentes en estudios de MSD (Sahin et al., 2018). En cada estudio de MSD se utilizan combinaciones de factores. La característica más importante que afecta a estas combinaciones proviene de si los datos están disponibles o no. Esta situación, que ha de afectar el éxito de los modelos directos, conduce a los investigadores a realizar la modelización utilizando varios factores y sus combinaciones en diversas zonas de deslizamiento de tierra. Pourghasemi et al. (2012) afirmaron que los factores de altura, pendiente (grado), aspecto y litología eran los más utilizados en los estudios de MSD. Además, la calidad de los datos afecta significativamente la efectividad del modelo (Jacobs et al., 2018). En este estudio se utilizaron datos de 12.5 m × 12.5 m de alta resolución del modelo digital de elevación (MDE). Todos los factores utilizados en el estudio se obtuvieron de este MDE. Se evaluaron seis factores para la modelación en el estudio: elevación, pendiente (grado), distancia a las fallas, litología, aspecto y curvatura del plano.

Factores

La elevación es uno de los factores más utilizados en los estudios de susceptibilidad a los deslizamientos de tierra (Buğday, 2018; Meng et al., 2016). La altura promedio en el área de estudio es de 1 410 m, la altura mínima es de 1 100 m y la máxima es de 2 050 m. En este estudio, el factor de elevación se ha clasificado en cinco clases (1 000 m a 2 250 m; Figura 2a). La pendiente (grado) también es uno de los factores utilizados frecuentemente en los estudios de susceptibilidad a los deslizamientos (Behling, Roessner, Kaufmann, & Kleinschmit, 2014; Eskandari, Homaee, & Falamaki, 2016; Niu et al., 2018). La pendiente promedio en el área de estudio es de 14.33°, mientras que la mínima es de 3.25° y la máxima de 54.83°. En este estudio, la pendiente se clasificó en cinco grupos: 0-4.99°, 5-11.99°, 12-17.99°, 18-21.99° y 22-65.8° (Figura 2b). Por otra parte, la distancia a las fallas es un factor importante que aumenta considerablemente la formación y el tamaño de los deslizamientos de tierra (Feizizadeh, Blaschke, & Nazmfar, 2014; Meng et al., 2016). La distancia a las fallas se clasificó en seis grupos: 0-0.99 km, 1-1.99 km, 2-2.99 km, 3-3.99 km, 4-4.99 km y 5-10 km (Figura 2c). La litología es un factor comúnmente incluido en los estudios de susceptibilidad a los deslizamientos (Pourghasemi & Kerle, 2016). El mapa de litología se derivó del mapa geológico a escala 1:100 000 (Duman, Çan, & Emre, 2011) obtenido de la Dirección General de Investigación y Exploración Minera (MTA). Existen seis grupos litológicos en el área de estudio: rocas clásticas y carbonatadas (k2: Cretácico), rocas clásticas terrestres (pl: Plioceno), rocas sedimentarias evaporitas (olm1: Oligoceno-Mioceno), rocas clásticas (e1-2: Eoceno), rocas básicas y ultrabásicas (of: Mesozoico) y formaciones del Cuaternario (Q) (Figura 2d). El área de estudio es una de las zonas en que frecuentemente ocurren deslizamientos de tierra al interior de los límites provinciales; es muy propensa debido a la edad cretácica y al contenido de arenisca (Sahin et al., 2018). El aspecto es uno de los factores también incluidos en este tipo de estudio (Niu et al., 2018; Yalcin, Reis, Aydinoglu, & Yomralioglu, 2011), y en el presente se clasificó en cinco grupos: llanura, norte, este, sur y oeste (Figura 2e). El aspecto dominante del área de estudio es el sur. El factor curvatura del plano es uno de los factores frecuentemente mencionados para establecer la dirección de la pendiente en los estudios de deslizamientos (Oliveira, Zêzere, Guillard-Gonçalves, Garcia, & Pereira, 2017; Pourghasemi & Kerle, 2016). La curvatura del plano se dividió en cinco grupos para este estudio: -0.098, -0.023, 0.013, 0.093 y 0.639 (Figura 2f).

Figura 2 Factores utilizados en la modelación de la susceptibilidad a los deslizamientos de tierra.  

Proceso de cartografiado de la susceptibilidad a deslizamientos de Tierra

El proceso y los procedimientos implementados para establecer el MSD en este estudio se muestran en el diagrama de flujo de la Figura 3.

Figura 3 Diagrama de flujo del mapa de susceptibilidad a deslizamientos de tierra. 

En este estudio, las ubicaciones y los tamaños de los deslizamientos de tierra (Duman et al., 2011) se obtuvieron de la MTA. Se formaron tres modelos utilizando seis factores de estudio. Los modelos se generaron conforme a los enfoques del sistema de inferencia difusa (FIS) y al proceso de jerarquía analítica modificado (M-AHP). El FIS es un enfoque que se utiliza ampliamente en procesos de simulación (Bellman & Zadeh, 1970; Chang & Zadeh, 1996). Los valores del enfoque FIS no se limitan a 0 a 1, sino que los estudios con valores intermedios se reflejan en la base de datos. En los modelos generados según el enfoque FIS, las funciones de pertenencia son asignadas primero. En esta etapa, el grado al cual la susceptibilidad a los deslizamientos de tierra será afectada (muy bajo - muy alto) se registra y las reglas de aprendizaje se determinan dependiendo de qué factor sea bajo o alto. En el proceso siguiente, el modelo se genera como resultado de la combinación de factores en la escala de estas reglas. El enfoque M-AHP tiene varias ventajas en el proceso de modelación en cuanto a la eliminación de la subjetividad del enfoque del AHP clásico y en cuanto a que no requiere experiencia del usuario (Banuelas & Antony, 2004; Pourghasemi & Rossi, 2017). Después de que los valores incluidos en los factores son normalizados, se les asigna un valor según la tasa de afectación de la susceptibilidad a los deslizamientos de tierra (1, 3, 5, 7, 9, etc.); posteriormente, estos factores se combinan y se obtienen los modelos para el MSD. Los puntajes utilizados para el M-AHP se muestran en el Cuadro 1 y las combinaciones de los factores utilizados en los modelos formados según los enfoques FIS y M-AHP se muestran en el Cuadro 2.

Cuadro 1 Puntajes de los factores del proceso de jerarquía analítica modificado (M-AHP) en este estudio.  

Factores Clases Puntaje Factores Clases Puntaje
Elevación (m) 1 000 - 1 250 1 Pendiente (grado) 0 - 5 1
1 250 - 1 500 3 5 - 12 3
1 500 - 1 750 5 12 - 18 5
1 750 - 2 000 7 18 - 22 7
2 000 - 2 250 9 22 - 66 9
Aspecto Plano 1 Curvatura del plano -0.098 9
Norte 3 -0.023 7
Este 3 0.013 5
Sur 7 0.093 3
Oeste 5 0.639 1
Distancia a las fallas (km) 0-1 9 Litología Aluvión 9
1-2 9 Arenisca 7
2-3 7 Arenisca - Lutita 5
3-4 5 Mélange 3
4-5 3 Shale 1
5-10 1 Roca volcánica - Roca sedimentaria 5
Conglomerado - Arenisca - Lutita 5

Cuadro 2 Combinación de factores utilizados en los modelos formados según los enfoques del sistema de inferencia difusa (FIS) y del proceso de jerarquía analítica modificado (M-AHP). 

Factores Modelo 1 Modelo 2 Modelo 3
Elevación ( ( (
Pendiente (grado) ( ( (
Distancia a las fallas ( ( (
Litología ( ( (
Aspecto ( ( -
Curvatura del plano - ( -

Validación del modelo

En este estudio se prefirió la ampliamente utilizada y fiable curva característica operativa relativa (ROC) (Buğday, 2018; DeLong, DeLong, & Clarke-Pearson, 1988; Oh & Pradhan, 2011) para la validación de los modelos generados. La curva ROC se calcula mediante la relación entre sensibilidad y precisión, en la que el valor umbral para los sistemas de clasificación binaria difiere (el valor umbral se determinó como 0.50). La tasa de éxito de los modelos se determinó mediante el área bajo la curva (ABC).

Resultados y discusión

Se determinó que en el área de estudio ocurrieron 107 deslizamientos de tierra en total (1965-2017), con un tamaño promedio de 12.9 ha, un mínimo de 1.11 ha y un máximo de 144.76 ha, según el inventario de deslizamientos de tierra obtenido de la MTA. El área total de los deslizamientos dentro de esta zona es de 1 357.68 ha. Los deslizamientos de tierra ocurridos, de acuerdo con la clasificación de la MTA, consisten en 430.75 ha de zonas de deslizamiento anteriores y 926.93 ha de zonas de deslizamiento activas. Es razonable suponer que el área bajo estudio está sometida a una presión constante de deslizamientos de tierra.

En este estudio se generaron seis modelos en total; tres modelos según el enfoque FIS y tres según el M-AHP (Figura 4). Los valores obtenidos tras la validación de estos modelos fueron los siguientes: Modelo 1 ABC = 79.9 %, Modelo 2 ABC = 78.3 % y Modelo 3 ABC = 80.2 %, conforme al enfoque FIS. En cuanto al enfoque M-AHP, se determinaron los siguientes valores: Modelo 1 ABC = 78.1 %, Modelo 2 ABC = 75.9 % y Modelo 3 ABC = 72.9 % (Figura 5).

Figura 4 Arreglo de los modelos según los enfoques del sistema de inferencia difusa (FIS) y del proceso de jerarquía analítica modificado (M-AHP). 

Figura 5 Validación de los modelos (valores de la curva característica operativa relativa y del área bajo la curva [ABC]) utilizando los enfoques sistema de inferencia difusa (FIS) y proceso de jerarquía analítica modificado (M-AHP).  

La susceptibilidad a los deslizamientos de tierra debería considerarse un factor en todas las actividades silvícolas que se llevan a cabo en Turquía, a fin de aumentar el patrimonio forestal en las zonas semiáridas y asegurar su sostenibilidad. En este contexto, el presente estudio se llevó a cabo con el fin de apoyar la planificación en las zonas susceptibles a los deslizamientos de tierra y sus zonas forestales aledañas utilizando métodos avanzados de SIG. El modelo que mejor expresó el MSD entre los seis modelos obtenidos del estudio fue el Modelo FIS 3 (ABC = 80.2 %). Los factores que componen el Modelo FIS 3 son la elevación, la distancia a las fallas y la litología. Utilizando el método FIS, Vahidnia et al. (2010), Akgun et al. (2012) y Pourghasemi et al. (2012) generaron modelos MSD con tasas de éxito de 90.5 %, 85.5 % y 89.7 %, respectivamente. Jiménez-Perálvarez (2011) y Buğday (2019) obtuvieron resultados similares a los de este estudio, generando modelos con 83.2 % y 82.1 % de tasa de éxito, respectivamente, utilizando al FIS en la zona semiárida montañosa. En este estudio se obtuvieron más resultados exitosos con los modelos FIS que con los modelos M-AHP. De manera similar a este estudio, Pourghasemi et al. (2012) compararon los enfoques FIS y AHP y encontraron que el FIS generaba modelos más exitosos. Como en todos los estudios de modelación, el éxito en la realización de modelos de susceptibilidad a los deslizamientos de tierra depende de la calidad de los datos (Buğday, 2018; Yalcin, 2008). Los principios de la silvicultura de precisión pueden utilizarse para acceder a información de calidad. En esos estudios, se consideró que la obtención de datos relevantes y el éxito de los modelos generados a partir de esos datos fueron más altos.

Conclusiones

El propósito principal de la modelación es realizar análisis con múltiples parámetros y datos para revelar los modelos más exitosos con el menor número de factores. En el marco del manejo forestal sostenible y de los principios de la silvicultura de precisión, la evaluación de los factores impredecibles mediante modelos aumenta la confiabilidad de la realización de aplicaciones forestales (construcción de caminos, cosecha, reforestación, forestación, protección, etc.) en tierras forestales susceptibles de sufrir deslizamientos. Por lo tanto, es importante modelar los efectos negativos como los climáticos, topográficos, medioambientales y antropogénicos, que puedan afectar el éxito de las actividades silvícolas. En estudios ulteriores se puede aumentar el éxito de la planificación mediante la utilización de otros parámetros en la modelación de las zonas sensibles a los deslizamientos de tierras en terrenos forestales. Además, estos parámetros pueden obtenerse con mayor precisión utilizando nuevas tecnologías (vehículos aéreos no tripulados, LiDAR o altimetría láser, etc.) para producir modelos más satisfactorios. Esto sería una gran ventaja tanto para los encargados de la toma de decisiones como para los planificadores.

Agradecimientos

Los autores desean expresar su agradecimiento a la NetCAD Software Inc. por el apoyo mediante software e información.

REFERENCIAS

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Recibido: 01 de Julio de 2019; Aprobado: 17 de Marzo de 2020

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