La estructura jerárquica: vulnerabilidad del territorio

El objetivo de la estructura jerárquica, esquematizada en la Figura 2, es conocer la vulnerabilidad del territorio ante el derrame de hidrocarburos transportados por ductos. Los elementos en el segundo nivel de la estructura están basados en la clasificación de áreas de alta consecuencia del CFR 195.450 e incluyen la agrupación de elementos del territorio, considerando aspectos como ocupación humana, medio ambiente natural e infraestructura de soporte para la economía regional. Las definiciones que se tienen en cuenta en este estudio para los criterios de tercer nivel son las siguientes y corresponden, en su mayoría, a las características ambientales y sociales del territorio colombiano. Para otros contextos se requiere realizar una selección y definición que se ajuste a las necesidades particulares del territorio en estudio.

Fuente: elaboración propia.

Figura 2 Estructura jerárquica para el análisis de la vulnerabilidad del territorio. 

Las áreas pobladas incluyen áreas de alta densidad poblacional, que son áreas urbanas con más de 50 000 habitantes y una densidad poblacional de 1 000 personas por milla cuadrada (^{Legal Information Institute, 2000a}). Las áreas de media densidad poblacional son áreas urbanas o con concentraciones de edificaciones destinadas a la ocupación humana, con población menor a 50 000 habitantes o densidad poblacional menor a 1 000 personas por milla cuadrada. Los lugares con concentraciones de población son edificaciones o conjuntos de edificaciones en los que se pueden presentar concentraciones de personas de forma no permanente, por ejemplo, centros recreativos, centros deportivos, colegios e iglesias.

Los elementos de importancia ambiental incluyen aspectos relacionados con servicios ecosistémicos y de protección. El recurso hídrico para consumo humano incluye los puntos de extracción de agua, las zonas de protección de alrededor (que para este caso se representan como áreas con un radio de 150 m) y las zonas de recarga de acuíferos (49 CFR 195.6). Los ecosistemas de importancia ambiental son áreas en las que se ubican ecosistemas sensibles importantes para el país, entre los que están los complejos de páramos, bosque tropical seco y las áreas de importancia para la conservación de aves. Las áreas declaradas de protección son, por ejemplo, todas aquellas incluidas en el Sistema Nacional de Áreas Protegidas de Colombia y clasificadas como de protección nacional, regional, departamental, municipal, provincial y metropolitano (Ministerio del Medio Ambiente, 2001). Las áreas delimitadas como resguardos indígenas son en las que se resalta la importancia cultural y los valores espirituales en relación con el territorio de los pueblos indígenas que habitan en el territorio colombiano.

Los elementos naturales y artificiales asociados con el sistema de transporte corresponden con los modos de transporte terrestre, ferroviario y fluvial. Los cuerpos de agua navegables incluyen todos aquellos ríos y cuerpos de agua en los que hay alguna posibilidad de transporte de forma permanente o en temporadas del año (^{Arcadis y Jesyca, 2015}). Las carreteras nacionales incluyen la red de carreteras que comunican a las capitales de los departamentos del país y por las cuales se transportan los mayores volúmenes de carga. Las vías férreas, aunque casi exclusivamente se utilizan para el transporte de carbón (^{Márquez, 2017}), son aún de gran importancia económica para el país.

Cálculo de factores de ponderación

A partir de la estructura jerárquica presentada se plantearon las matrices de comparación por pares para cada nivel. La valoración de la vulnerabilidad relativa se realizó mediante la aplicación del método Delphi, con un panel de expertos conformado por profesionales e investigadores en áreas de gestión de integridad y gestión ambiental. Con el uso de la escala de nivel vulnerabilidad presentada en la Tabla 1, modificada en relación con la expuesta por ^{Saaty (1990)}, se pidió a los expertos asignar valores comparando cada elemento en cada uno de los niveles de la estructura. La herramienta utilizada como cuestionario es la plantilla elaborada por ^{Goepel (2013)} (disponible en su sitio de internet https://bpmsg.com), la cual permitió una fácil comprensión de la metodología a cada uno de los participantes que no tenía experiencia en el análisis jerárquico.

En la Tabla 2 se presentan las valoraciones consolidadas para el segundo nivel de la estructura jerárquica. Las conclusiones del panel de expertos pusieron a la población en el primer lugar, por ser el elemento más frágil debido a la alta consecuencia directa en la salud y la vida de las personas. En segundo lugar quedaron las áreas de importancia ambiental porque incluyen elementos que podrían afectar indirectamente a la población, como los puntos de captación de agua para consumo humano y las áreas de poblamiento indígena. En tercer lugar se enlistan las vías de transporte que pueden tener consecuencias indirectas en el mediano y largo plazo sobre la población. En las Tablas 3, 4 y 5 se presentan las matrices de comparación para los criterios de tercer nivel. Las áreas de alta densidad poblacional son las cabeceras municipales y en ellas se localiza la sede administrativa del municipio y, por lo tanto, su afectación tendrá consecuencias sobre el resto del territorio con menor densidad poblacional. Las áreas de captación de agua para consumo humano representan un impacto indirecto sobre la salud y calidad de vida de la población, por lo que este elemento tiene la mayor vulnerabilidad en este nivel. En relación con la infraestructura de transporte, las carreteras se califican con un mayor nivel de vulnerabilidad, debido a que por éstas se transporta la mayor parte de carga comercial en Colombia.

El procedimiento de cálculo de los factores de ponderación para las categorías del segundo nivel inicia con la multiplicación de los tres juicios para cada fila de la matriz (^{Zhong-Wu et al., 2007}) y después se obtiene su raíz cúbica (ecuación 1).

En esta ecuación bij es el valor de la matriz en la fila i y la columna j. Con los valores obtenidos para cada fila de la matriz se calcula el factor de ponderación con la ecuación 2. Los valores computados son 0.6816 para las áreas pobladas, 0.2158 para las áreas de importancia ambiental y 0.1025 para las vías de transporte comercial.

Para evaluar la consistencia de los factores de ponderación calculados, se determina el radio de consistencia (RC), el cual requiere el cálculo del valor propio máximo (λmax).

Donde B corresponde a la matriz con la comparación por pares para las categorías del segundo nivel. Para este caso, λmax = 3.0026. El radio de consistencia se calcula para n = 3 (^{Alonso y Lamata, 2006}).

El resultado es RC = 0.002755. Considerando que este valor es menor a 0.10, se tiene que la matriz tiene una adecuada consistencia (^{Apostolou y Hassell, 1993}). Los radios de consistencia en el tercer nivel son 0.026, 0.059 y 0.068 para las áreas pobladas, las áreas de importancia ambiental y las vías de transporte, respectivamente. Los factores de ponderación calculados para los criterios de cada nivel se presentan en las Tablas 2, 3, 4 y 5. Estos factores fueron utilizados en los modelos cartográficos para hacer la sumatoria ponderada de las capas raster en las que se representa la proximidad entre la tubería y los elementos analizados del territorio.

Modelos cartográficos

El objetivo de los dos modelos cartográficos propuestos es calcular un índice de consecuencia que permita determinar los potenciales impactos negativos desde puntos equidistantes sobre el trazado del ducto. En el primer modelo se estima el costo de transporte superficial del fluido sobre la superficie del terreno usando la ecuación de Manning para flujo en canales. En el segundo se determina el CMA entre cada elemento y la tubería, se sobreponen los costos mínimos acumulados para cada elemento y se asignan valores del índice de consecuencia a cada punto del trazado.

Modelo 1: costo de transporte superficial

Se elabora un modelo cartográfico para obtener una capa raster en la cual se representa, para cada pixel, el costo del transporte superficial del fluido (Figura 3), incluyendo el transporte sobre la superficie del suelo y el transporte por corrientes hídricas. Para el cálculo del costo del derrame directamente a la superficie del suelo, se utiliza la ecuación de Manning suponiendo secciones transversales rectangulares muy anchas (para terrenos planos y convexos) y secciones de forma parabólica (terreno con curvatura cóncava). La ecuación de Manning permite calcular la velocidad del fluido en función de la rugosidad del suelo (n), el radio hidráulico del canal (R) y la pendiente (s), y ha sido utilizada para describir derrames desde ductos por algunos autores (^{Farrar et al., 2005}; ^{Galagan, Fontenault y Turner, 2014}). El modelo planteado tiene como datos de entrada las capas de cobertura del suelo (con los correspondientes valores de rugosidad), el modelo digital de elevación y las corrientes hídricas superficiales.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3 Modelo cartográfico para el cálculo del costo de la afectación indirecta.  

Del modelo digital de elevación se obtienen la curvatura y la pendiente. La curvatura (Cu) puede. En el modelo se supone que en las superficies convexas el flujo corresponde a secciones trasversales rectangulares muy anchas, por lo tanto, en el raster correspondiente los valores mayores a 0 son reemplazados por 0. La pendiente (s) se calculó haciendo uso del modelo digital de elevación; esta cuantificación se llevó a cabo aplicando el método de máximo promedio (^{Burrough y McDonell, 1998}). Para el cálculo de la pendiente se eliminaron las pendientes iguales a 0 para poder hacer uso de la ecuación de Manning, por lo tanto, para estas pendientes se asigna el valor mínimo de 0.1%.

Para el caso de flujo sobre superficies cóncavas, en la Figura 3 se plantea la solución de un sistema de tres ecuaciones, en el cual las incógnitas son el costo (c), la profundidad de la lámina de líquido (h) y el ancho de la lámina de líquido (T). En la ecuación 5 el caudal es igual al área de la sección transversal parabólica multiplicada por la velocidad del fluido (v = 1/c). En la ecuación 6 la curvatura del terreno está en función de la profundidad del fluido y el ancho superficial, teniendo en cuenta que el resultado del cálculo de la curvatura en el software ArcGIS está multiplicado por 100 y es negativo para terrenos convexos. En la ecuación 7 el costo se calcula utilizando el inverso de la ecuación de Manning (c = 1/v). Para el caso de terrenos planos, únicamente se resuelve la ecuación 7 considerando que el ancho del derrame no se puede determinar y, por lo tanto, se asume un valor de profundidad constante de lámina de líquido igual a 2 cm, que también corresponde al valor del radio hidráulico.

Para el sistema de ecuaciones mencionado, las demás variables conocidas son el caudal del derrame (Q) y el coeficiente de rugosidad (n). El caudal depende de las características hidráulicas del sistema de transporte y del tamaño del orificio en la tubería. El coeficiente de rugosidad se puede asignar con base en valores de referencia presentados por el ^{US Army Corps of Engineers (1998)} y por el ^{United States Department Agriculture (1986)}, considerando los resultados obtenidos por ^{García (2005)} para flujos de poca profundidad y asumiendo que las características son homogéneas en cada tipo de cobertura del suelo para la zona de estudio.

Para diferenciar entre el transporte sobre la superficie del suelo, por corrientes hídricas y en zonas de encharcamiento, se propuso el uso de la constante k en el modelo. Para el transporte directamente sobre el suelo, la constante k será igual a 1. Para el caso del costo asociado a corrientes hídricas, k es mayor a 1, considerando que se tendrán mayores velocidades cuando el fluido llegue a estos cuerpos de agua. Este factor está asociado principalmente con un incremento en la velocidad y, en consecuencia, la reducción del costo de transporte. El factor fue estimado con base en los aforos de estaciones limnimétricas para la zona de estudio y calculando el tiempo de la corriente hídrica con la ecuación propuesta por ^{Jobson (1996)}. Por otro lado, los valores de k serán menores a 1 para los lugares de encharcamiento y su magnitud dependerá de la cantidad de fluido que se puede acumular. Los valores menores a 1 representan un incremento en el costo de transporte superficial, es decir, un mayor tiempo en alcanzar el elemento susceptible a ser afectado. El valor de k para áreas de encharcamiento se estimó con base en la experiencia del panel de expertos, con relación a los volúmenes de fluido y tiempos de encharcamiento en las depresiones del terreno.

Modelo 2: costo mínimo acumulado e índice de consecuencia

En la Figura 4 se muestra el modelo cartográfico para el cálculo del CMA, su transformación, la posterior sumatoria ponderada para calcular el índice de afectación y la asignación del índice a puntos sobre la tubería. El costo acumulado para recorrer la superficie del suelo se calcula como el producto del costo almacenado en cada pixel y la distancia recorrida entre los pixeles que conectan el origen y el destino (^{De Smith, Goodchild y Longley, 2018}; ^{Etherington, 2016}). El costo mínimo acumulado representa el menor tiempo necesario para que el derrame recorra la distancia entre la tubería y cualquiera de los elementos analizados del territorio. Los datos requeridos para el cálculo en el software ArcGIS son el raster de costos, el modelo digital de elevación y los factores de costo verticales y horizontales (^{Environmental Systems Research Institute Inc., 2012}). El factor de costo vertical utilizado es de tipo binario, con un factor de multiplicación igual a 1 entre los ángulos de 0 y -90 grados, e infinito para los valores menores a 0 y mayores a -90. Este factor permite controlar que solamente se tengan en cuenta pixeles de igual o menor elevación para el trasporte del fluido desde el origen. Otro parámetro utilizado es la dirección del desplazamiento, la cual, en este caso, es desde el elemento afectado hacia el origen del derrame. Con esto se estima el tiempo de transporte superficial originado desde cualquier pixel del modelo digital de elevación que cubre el área de estudio.

Fuente: elaboración propia.

Figura 4 Modelo cartográfico para el cálculo del índice de afectación. 

Los costos mínimos acumulados para cada tipo de elemento del territorio se transformaron en un rango de 0 a 1 utilizando la función sigmoidal de la ecuación 10, en donde z_i es el costo transformado para el criterio i, mi es el costo mínimo acumulado y b corresponde al costo para el cual el valor transformado (z_i) es igual a 0.5. Los valores cercanos a 0 representan la menor afectación sobre el elemento de interés y los valores cercanos a 1, la máxima afectación. Las capas de costo mínimo transformadas se sobreponen algebraicamente utilizando cada uno de los criterios en el tercer nivel de la estructura jerárquica (ecuación 11). En el último paso se asignan los valores a cada punto del trazado de la tubería. Para esto, el trazado de la tubería fue transformado de geometría lineal a punto. Los puntos fueron equidistantes sobre el trazado y su separación depende del tamaño de pixel de los datos utilizados, por lo que se sugiere que la distancia entre puntos sea igual, como mínimo la resolución espacial del raster, para evitar que se tengan varios puntos sobre un mismo pixel.

Datos espaciales

Para la implementación de la metodología desarrollada se requieren grandes volúmenes de datos espaciales de la zona de influencia de una tubería. La mayor parte de los datos utilizados en este caso son generados y distribuidos por entidades públicas y privadas que tienen como uno de sus objetivos la producción de cartografía básica y temática. En Colombia el acceso a datos espaciales producidos por entidades del gobierno está garantizados para todos los ciudadanos en la Ley 1712 de 2014. Complementariamente hay portales en internet desde los cuales se pueden adquirir datos producidos a partir de imágenes de sensores remotos activos y pasivos. Estas condiciones aseguran la disponibilidad de datos para la aplicación de la metodología en casi todo el territorio colombiano.

Los datos espaciales fueron consultados y descargados de los portales del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) y del Sistema de Información Ambiental de Colombia (SIAC). El IGAC produce cartografía base de Colombia y para este caso se utilizaron datos a escala 1:25 000, que es la mayor escala con el cubrimiento para la zona de estudio. Los datos extraídos de la cartografía base fueron las áreas urbanizadas, la localización de construcciones representadas como punto, las corrientes hídricas, las carreteras y las vías férreas. Del SIAC se obtuvieron los datos de localización de captaciones de agua para consumo humano, la cobertura del suelo, el trazado de poliductos, las áreas de importancia para la conservación de aves, los bosques tropicales secos, los complejos de páramos, los humedales Ramsar, las áreas declaradas de protección ambiental y los resguardos indígenas. Todos los datos se encontraban en los sistemas de coordenadas oficiales para Colombia (EPSG 4686 o 3116).

Posterior a la adquisición fue necesario procesar los datos espaciales para crear una capa que correspondiera a cada uno de los criterios del tercer nivel de la estructura jerárquica. La capa de zonas urbanizadas fue separada en áreas de alta y media densidad con base en los datos de proyección de población del Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE). De la capa de construcciones con representación punto se extrajeron los elementos correspondientes a instituciones educativas, hoteles, cementerios, iglesias y centros de salud. Los ecosistemas de importancia ambiental corresponden a la sobreposición de las capas de las áreas de importancia para la conservación de aves, los bosques tropicales secos, los complejos de páramos y los humedales Ramsar. Las áreas protegidas se conforman con la sobreposición de los polígonos de las diferentes categorías de áreas protegidas declaradas según el Decreto 2372 de 2010. Los cuerpos de agua navegables se seleccionaron de la capa de corrientes hídricas teniendo en cuenta la caracterización realizada por la Superintendencia de Puertos y Transporte (^{Paredes, Garces y Villa, 2010}), entidad adscrita al Ministerio de Transporte. La clasificación de las carreteras en Colombia está establecida por el Instituto Nacional de Vías (Invias), y para este caso se seleccionó la red primaria de la capa de carreteras obtenida de la cartografía base. Para los demás criterios, las capas descargadas se ingresan directamente a los modelos.

Además de los datos descritos, se trabajó con modelos digitales de elevación para simular el derrame superficial del líquido desde la tubería. Se utilizaron modelos digitales de elevación generados a partir de imágenes de la misión ALOS PALSAR, con tamaño de pixel 12.5 m, y sistemas de coordenadas con código EPSG 32618. Estos modelos fueron obtenidos del sitio web de Alaska Satellite Facility (^{ASF DAAC, 2015}) y fueron transformados a un sistema de coordenadas compatible con los datos descritos anteriormente. Fue necesario evaluar la calidad del modelo para detectar posibles falencias que pudieran afectar los resultados. Los errores identificados y corregidos están relacionados con la presencia de elevaciones fuera del rango altitudinal para la zona de estudio, la inconsistencia de las elevaciones sobre las corrientes hídricas y la presencia de depresiones que no corresponden con una representación de la realidad.

Cálculo de costo mínimo acumulado para un elemento

Con el fin de mostrar los resultados intermedios de la metodología se implementó el modelo cartográfico de la Figura 3 y el cálculo del CMA para un punto de extracción de agua para consumo humano ubicado en una corriente hídrica. En las Figuras 5 y 6 se muestra la bocatoma y los costos mínimos acumulados estimados desde este punto y dentro de la cuenca hídrica correspondiente. El costo mínimo acumulado se expresa en horas utilizando caudales de derrame de 0.01 m3/s (Figura 6a) y 0.1 m3/s (Figura 6b), así como normalizaciones con la función sigmoidal con valores para b de 5 y 10 horas para los dos caudales. El resultado obtenido es coherente con el relieve del terreno y coincide adecuadamente con la red de drenaje, por lo tanto, los menores tiempos de transporte entre la tubería y la bocatoma están asociados con el transporte sobre la corriente hídrica. También se aprecia el efecto causado por la divisoria de aguas de las cuencas hidrográficas, que permite separar claramente los tramos que podrían afectar el área de análisis. Es importante aclarar que el tiempo estimado es un indicativo de la proximidad y no representa un valor exacto del tiempo transcurrido entre el derrame y el momento en que alcanza la bocatoma.

Fuente: elaboración propia.

Figura 5 Proximidad de un tramo de tubería a una bocatoma. 

Fuente: elaboración propia.

Figura 6 Consecuencia para el tramo presentado en la Figura 5. 

Para el tramo analizado, la consecuencia sobre el punto de interés es máxima en el lugar que atraviesa la corriente hídrica principal de la subcuenca en la distancia 141.6 km. Como es de esperarse, un derrame en este punto iría directamente a la corriente hídrica y su transporte sería directamente sobre este cuerpo de agua. Los valores de consecuencia disminuyen en las dos direcciones de la tubería desde este punto de máxima afectación. Esta disminución implica un costo acumulado mayor porque el derrame, inicialmente, es de forma directa sobre el suelo hasta alcanzar una corriente hídrica. El caso en que el valor de consecuencia es 0 (antes del kilómetro 46 y después del 15.6) ocurre cuando la tubería hace parte de una subcuenca diferente de la que contiene la bocatoma. Entre los kilómetros 117 y 127.5 se tienen valores altos de costo acumulado causados porque la tubería está ubicada en una microcuenca diferente al tramo adyacente. Esta situación implica que un posible derrame requeriría un tiempo considerablemente mayor para alcanzar la bocatoma; con valores de afectación menores a 0.1 se considera que la posibilidad de afectación es casi nula y un derrame desde este tramo no representa un peligro para el punto de análisis.

También se puede ver el efecto del uso de caudales de derrame de 0.01 y 0.1 m3/s en los costos acumulados desde el trazado de la tubería. Un mayor caudal de derrame conlleva a un menor tiempo de transporte y, en consecuencia, una mayor posibilidad de afectar la bocatoma. La transformación aplicada a los costos acumulados utilizando diferentes valores para el parámetro a permite simular el tiempo de respuesta frente a una contingencia. Asumiendo que este parámetro representa el tiempo en que se controla el derrame, se puede ver que una intervención en un tiempo de 5 horas produce valores de consecuencia más bajos.

Cálculo del índice de consecuencia para la tubería

Como resultado de la aplicación de los modelos cartográficos se asignan valores de consecuencia a cada uno de los puntos del trazado de la tubería con equidistancia de 10 m. Estos valores permiten identificar los tramos con mayor afectación a varios elementos utilizando un caudal de derrame de 0.1 m3/s y valores de b para la función sigmoidal de 5 y 10 horas para la transformación. En la Figura 7 se puede ver cómo los primeros 10 km del trazado tienen valores medios de afectación debido a su proximidad con una corriente hídrica caudalosa que transportaría el derrame hasta algunos elementos ubicados aguas abajo. En los siguientes kilómetros, hasta la abscisa 62, los valores son bajos debido a que el terreno es relativamente plano, esto está asociado a mayores tiempos de recorrido del derrame y mayores encharcamientos. Desde la abscisa 60 la tubería empieza su ascenso a una zona montañosa en la cual se incrementan los valores de la pendiente y, en consecuencia, el costo mínimo acumulado será menor al tener mayores velocidades para el derrame.

Fuente: elaboración propia.

Figura 7 Resultado del cálculo de la consecuencia para el ducto estudiado.  

En la Figura 8 algunos de los valores máximos de afectación corresponden a los tramos alrededor de los kilómetros 141, 189, 221 y 245. En los detalles que se presentan en la Figura para cada uno de estos puntos se muestran flechas en color rojo para indicar la dirección aproximada del derrame desde la tubería. En los cuatro casos los valores altos están relacionados con la afectación a áreas urbanizadas de alta y media densidad poblacional. La abscisa 141 está localizada sobre la corriente hídrica principal de una sub-cuenca y transportaría el derrame con relativa rapidez hasta una bocatoma (caso analizado en el apartado anterior) y una carretera nacional, además de tener una posible afectación sobre un punto con concentración de población. En la abscisa 189 es posible la afectación de puntos con concentración de población. En el kilómetro 221 se afectarían una carretera nacional y la vía férrea, mientras que en el kilómetro 245 el derrame podría alcanzar puntos con concentración de población y una carretera nacional.

Fuente: elaboración propia.

Figura 8 Nivel de afectación calculado para la tubería.  

El uso de dos valores diferentes de transformación del costo acumulado permite evidenciar situaciones particulares para la tubería; su localización se puede apreciar en la Figura 7. En algunos tramos, por ejemplo, en el kilómetro 221, no se incrementa el valor de la afectación para los dos casos porque los elementos afectados se encuentran cerca del trazado de la tubería en ese punto. En la abscisa 189 parte de la tubería está ubicada en una divisoria de aguas, por lo tanto, este tramo podría afectar los elementos en las dos microcuencas. Como se puede apreciar, el derrame en dirección noroeste alcanzaría un área de alta densidad poblacional y en la dirección sureste llegaría a un área de media densidad poblacional. En el kilómetro 245, el tramo que se encuentra en una microcuenca diferente a la de los tramos adyacentes, el incremento notable es causado por la presencia de elementos consecutivos sobre la posible ruta del derrame, lo cual hace que se incremente el valor de afectación al aumentar el valor de b, es decir, el tiempo de respuesta. Estos ejemplos permiten identificar los tramos críticos con valores altos de afectación o aquellos en los elementos a ser afectados y que están relativamente cerca de la tubería.