Amenaza volcánica por caída de ceniza

Las simulaciones de dispersión de ceniza fueron realizadas con el código Ash 3D. Además de los parámetros vulcanológicos indicados en la Tabla 2, el código utiliza los datos de velocidad y dirección de los vientos proporcionados por el Servicio Meteorológico de los Estados Unidos (NWS, por su acrónimo en inglés).

Ash 3D es un modelo atmosférico euleriano en tres dimensiones que simula el transporte, dispersión y sedimentación de la ceniza (^{Mastin et al., 2013}). El código Ash 3D no simula la dinámica de una pluma ascendente, en lugar de ello, inyecta ceniza con una descarga constante, en una columna de celdas sobre el volcán. EL usuario establece si las partículas se distribuyen uniformemente a través de la columna o verticalmente siguiendo la ecuación (1) de Suzuki (^{Carey, 1996}; ^{Carey y Sigurdsson, 1982}; ^{Suzuki, 1983}):

Modelaciones de dispersión y caída de ceniza

Las modelaciones se realizaron para el período 2008-2017, una simulación por mes cada año (Figuras 2a, 3a, 4a y 5a), alternando el inicio del evento cada seis horas (00:00, 06:00, 12:00 y 18:00) el día 15 de cada mes, obteniendo con esto un total de 120 modelaciones (Tablas 3 y 4) para cada uno de los eventos descritos en la Tabla 2. Los resultados fueron automatizados mediante el uso de los Sistemas de Información Geográfica (SIG), utilizando la metodología descrita en los trabajos realizados en el volcán Cayambe, los cuales fueron tratados para la actualización del mapa de amenazas del volcán por parte del Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (IGEPN) (^{Bernard et al., 2017}). A partir de herramientas de análisis espacial y programación en Python, se utilizaron las modelaciones y una cobertura generada de 40 000 puntos con una separación de 200 m entre cada punto para cada evento; esto con el objetivo de mejorar las interpolaciones de los datos (^{Pavón, 2017}; ^{Pavón et al., 2019}) para la generación de isopacas del volcán Guagua Pichincha a diferentes probabilidades, según el VEI.

Figura 2 Resultado de las 120 simulaciones utilizadas para el análisis probabilístico (a). Mapas de amenazas (b, c, d, e, f) para el escenario VEI2 - Guagua Pichincha a diferentes probabilidades (99%, 75%, 50%, 25%, 1%). 

Figura 3 Resultado de las 120 simulaciones utilizadas para el análisis probabilístico (a). Mapas de amenazas (b, c, d, e, f) para el escenario VEI3 - Guagua Pichincha a diferentes probabilidades (99%, 75%, 50%, 25%, 1%). 

Figura 4 Resultado de las 120 simulaciones utilizadas para el análisis probabilístico (a). Mapas de amenazas (b, c, d, e, f) para el escenario VEI4 - Guagua Pichincha a diferentes probabilidades (99%, 75%, 50%, 25%, 1%). 

Figura 5 Resultado de las 120 simulaciones utilizadas para el análisis probabilístico (a). Mapas de amenazas (b, c, d, e, f) para el escenario VEI5 - Guagua Pichincha a diferentes probabilidades (99%, 75%, 50%, 25%, 1%). 

Mediante un análisis espacial (mostrado en las Figuras 2a, 3a, 4a, 5a) y estadístico utilizando la mediada de los datos interpolados siguiendo la metodología descrita en el estudio realizado por ^{Pavón et al. (2019)}, se obtuvieron mapas de probabilidad de acumulación de espesores de ceniza (Figuras 2b, c, d, e; Figuras 3b, c, d, e; Figuras 4b, c, d, e y Figuras 5b, c, d, e) asociada a los escenarios eruptivos planteados. El resultado final de este proceso es un archivo shapefile en el cual los polígonos representan las zonas potencialmente afectadas por ceniza, según distintos espesores validados con las muestras de los depósitos de ceniza del IGEPN que dispone de información de los eventos ocurridos en los últimos 11 000 años de actividad del Guagua Pichincha (^{Robin et al., 2008}, ²⁰¹⁰). Los espesores de estas muestras han sido comparados con el estudio estadístico, resultado de las simulaciones de los escenarios (Figura 6). Ninguna muestra obtenida en campo se ubica fuera del rango de los espesores alcanzados con las modelaciones (0.01-3.9 mm) y la mayoría de los eventos se ubica cerca de la mediana de la distribución de los resultados de las modelaciones (3 mm), lo que concuerda con lo reportado en el mapa de amenazas del volcán Guagua Pichincha en su tercera versión (^{IGEPN, IGM, IRD, 2019}).

Figura 6 Histograma de frecuencia de caída de ceniza de simulaciones volcán Guagua Pichincha VEI2 (barras azules) comparado con el espesores de ceniza y lapilli identificadas en campo (estrellas amarillas). 

Mapas de amenazas por caída de ceniza

Considerando el análisis probabilístico de las modelaciones, se obtuvieron diferentes mapas de amenaza de dispersión y caída de ceniza para los escenarios planteados. De esta manera, se representaron los mapas al 99%, 75%, 50%, 25%, 1% de probabilidad, observando diferencias marcadas entre ellos. Así, el mapa más pesimista corresponde al de 1% de probabilidad de caída de ceniza máxima esperada en los diferentes sectores; mientras que el mapa al 99% de probabilidad refleja un escenario más conservador, al considerar una caída mínima de ceniza esperada según los diferentes sectores.

Para el propósito de este estudio, los mapas de amenaza al 75% (Figura 7) que cubren la superficie afectada y representada en los mapas de amenazas elaborados en el Ecuador (^{IGEPN, IGM, IRD, 2019}), han sido utilizados en la aplicación de la metodología Index For Risk Management (INFORM por su acrónimo en inglés), desarrollada para entender el riesgo en catástrofes y crisis humanitarias (^{INFORM, 2020}), en respuesta a varias recomendaciones de organizaciones como el ^{Banco Mundial (BM) (2012)}.

Figura 7 Mapa de amenazas al 75% de probabilidad para los escenarios planteados del volcán Guagua Pichincha: VEI2 (a), VEI3 (b), VEI4 (c), VEI5 (d). 

Vulnerabilidad y falta de afrontamiento o respuesta

Para obtener el impacto de caída de ceniza se utilizó la metodología de INFORM y datos de población a nivel parroquial¹ (^{INEC, 2010}). Estos datos permitieron identificar y priorizar a los habitantes de mayor riesgo y determinar los peligros asociados. Esta información es vital para la toma de decisiones, activación de sistemas de alerta temprana y adopción de medidas para aumentar la resiliencia de la población más vulnerable (^{EIRD/ONU, 2004}). Las modelaciones de caída de ceniza, corresponden al indicador de peligro y exposición de la amenaza volcánica, planteada en la metodología INFORM. Con respecto a los indicadores propuestos de vulnerabilidad y falta de respuesta (Tabla 5), se recopiló información oficial disponible a nivel parroquial en el Ecuador.

Procesamiento de datos y espacialización de indicadores

El procesamiento consistió en la organización de los datos censales a nivel parroquial tomados del Sistema Integrado de Consultas-REDATAM (^{INEC, 2010}), así como las coberturas recopiladas por los organismos generadores de información a nivel nacional.

Mediante herramientas de análisis espacial de los SIG se enlazó la información de las tablas generadas para su espacialización y posterior almacenamiento en una base de datos geográfica, obteniendo como resultado una cobertura con desagregación parroquial para cada uno de los indicadores priorizados.

Para su simbolización y representación, cada una de las coberturas espacializadas fue clasificada en cinco grupos con intervalos definidos en función de los datos de cada cobertura. Para esta clasificación se utilizó el método de cortes naturales (natural breaks), el cual se basa en las agrupaciones de los datos de manera natural (^{Longley et al., 2005}). Estos cortes se caracterizan por la agrupación de valores similares, maximizando las diferencias entre clases, es decir, los límites entre clases se dan cuando existen diferencias considerables entre los valores de los datos de cada una de las variables analizadas. A manera de ejemplo, en la Figura 8 se aprecia la clasificación y simbología utilizada para el indicador de porcentaje de población dedicada a la agricultura y ganadería; en este caso, los tonos claros representan las parroquias con menor proporción de población dedicada a la agricultura, mientras que, en tonos oscuros se simbolizan las parroquias con mayor concentración de población dedicada a esta actividad.

Figura 8 Clasificación y simbolización de la población dedicada a la agricultura. Datos censales (^{INEC, 2010}), Uso de suelo (^{MAGAP, 2014}). 

Ponderación y síntesis de indicadores

El procesamiento de la información disponible permitió contar con mapas que representan por separado los 15 indicadores priorizados de la situación al 2010 por parroquia a nivel nacional. Sin embargo, para un análisis completo de la vulnerabilidad de los territorios potencialmente afectados por caída de ceniza fue necesario construir un mapa síntesis que muestre la vulnerabilidad y resiliencia en función del análisis integrado de los indicadores considerados.

Para el análisis integrado, mediante SIG se generaron modelos cartográficos para la automatización del proceso tomando en consideración los parámetros previamente establecidos mediante los cuales, se asignaron pesos a cada una de las categorías o clases de los indicadores priorizados. Tomando como punto de partida un archivo de tipo vector, se transformaron a formato ráster las coberturas de los indicadores conservando la información de la variable analizada, la cual queda almacenada en el valor del pixel o celda. Estos valores posteriormente son utilizados para la reclasificación del archivo en cinco clases, considerando la ponderación previamente establecida.

La asignación de pesos se realizó en función de la variable o indicador analizado; así, por ejemplo, en el caso de la variable “tipo de cubierta”, se le asignó un menor peso a las parroquias que concentran edificaciones con cubierta de hormigón (valor 1), mientras que un mayor peso le fue asignado a las parroquias con mayor concentración de viviendas con el tipo de cubierta de palma (valor 5) (Figura 9).

Figura 9 Automatización de procesos-modelo cartográfico utilizado para análisis del indicador: Porcentaje de tipo de cubierta. 

Una vez obtenidos los archivos ráster de cada una de las categorías por indicador con sus respectivos pesos, se realizó, mediante álgebra de mapas, la suma de las coberturas ráster para su integración y síntesis. El mapa resultante constituye la sumatoria de cada uno de los archivos reclasificados, en una única cobertura con valores de pixel que sintetizan los pesos asignados por variable (Figura 10). En este sentido, en tonos rojos se representan las parroquias con mayor vulnerabilidad a la caída de ceniza por tener mayor concentración de viviendas con un tipo de cubierta de palma, mientras que, en color verde, se aprecian aquellas parroquias que concentran viviendas menos vulnerables por el tipo de cubierta de hormigón.

Figura 10 Síntesis del indicador porcentaje de tipo de cubierta fuerte (hormigón). Datos censales (^{INEC, 2010}). 

Los indicadores procesados y analizados fueron el insumo en la determinación de la vulnerabilidad y poca resiliencia de las parroquias afectadas por caída de ceniza del volcán Guagua Pichincha.

Para este análisis se sobrepusieron los valores de cada uno de los indicadores utilizando la herramienta Weighted Overlay, tomando en consideración los pesos planteados previamente (Tabla 6). Como resultado de este proceso, se obtienen archivos ráster (Figura 11) de cada una de las variables y pesos considerados en la metodología ^{INFORM (2020)} para la determinación de escenarios de impacto y zonificación de la amenaza volcánica tomando en cuenta que la información es procesada a nivel parroquial.

Figura 11 Variables utilizadas en la construcción de escenarios de impacto y zonificación: a) síntesis indicador amenaza por caíza de ceniza del volcán Guagua Pichincha, b) síntesis de los ocho indicadores de vulnerabilidad planteados (Tabla 6) y c) síntesis de los siete indicadores de resiliencia planteados (Tabla 6). 

Escenarios de impacto y zonificación de la amenaza volcánica

Los archivos resultantes de la ponderación y síntesis de los indicadores analizados fueron el insumo para la determinación de los escenarios de impacto y zonificación de la amenaza volcánica, considerando escenarios al 75% de probabilidad de ocurrencia de erupción del volcán Guagua Pichincha. En este sentido, se utilizó la media geométrica de cada una de las variables planteadas en la ecuación (2) de la metodología ^{INFORM (2020)}. Con ayuda de los SIG y automatización de procesos, se obtuvo el impacto con desagregación parroquial de cada escenario del volcán en estudio (Tabla 7) que concuerdan con la clasificación planteada en la metodología ^{INFORM (2020)}. En la Figura 12 se aprecia el impacto del volcán Guagua Pichincha VEI5 al 75% de probabilidad, resultado del proceso antes descrito.

Figura 12 Impacto y zonificación de la amenaza volcánica volcán Guagua Pichincha VEI5. 

A partir del archivo resultante, se realizó una conversión de formato ráster a vector de las coberturas obtenidas (Figura 13) respecto del impacto a nivel parroquial para cada uno de los escenarios de impacto. La cobertura de puntos con información del impacto fue integrada a la cobertura de parroquias, así se pudo obtener, mediante herramientas de geoprocesamiento (Figura 14), el archivo shapefile de parroquias afectadas por caída de ceniza del volcán Guagua Pichincha a nivel nacional.

Figura 13 Proceso de vectorialización del impacto y zonificación a nivel parroquial. 

Figura 14 Herramientas de geoprocesamiento. 

Modelaciones y zonificación de la amenaza por caída de ceniza

En este estudio, los escenarios de impacto y zonificación (Figura 15) sirvieron para determinar la afectación a poblaciones, utilizando como insumo la cartografía base (poblados² y zona urbana³) del Instituto Geográfico Militar (IGM) (^{IGM, 2016}), datos censales (^{INEC, 2010}) e información del uso de suelo disponible del Ministerio de Agricultura y Ganadería (^{MAGAP, 2014}); con el objetivo de cuantificar el número de población rural - urbana (impacto a la población) y el impacto al uso del suelo que se verían afectados por los diferentes escenarios planteados (VEI2, VEI3, VEI4, VEI4 y VEI5) al 75% de probabilidad de ocurrencia.

Figura 15 Impacto y zonificación de la amenaza volcánica del volcán Guagua Pichincha por parroquias y VEI planteados. 

Impacto en la población

La última erupción del volcán Guagua Pichincha en 1999 registró múltiples consecuencias por caída de ceniza en las zonas afectadas (^{D’Ercole y Metzger, 2000}); entre ellas se pueden mencionar evacuación de la población del Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), y de la comunidad rural de Lloa, pérdidas económicas, cierre del aeropuerto y exportaciones desde la capital, entre otras. En este sentido, a medida que se incrementa el VEI; el número afectados lo haría también (Figuras 16 y 17).

Figura 16 Número de posibles poblados afectactos clasificados por espesor de ceniza y evento analizado del volcán Guagua Pichincha. 

Figura 17 Número de posibles zonas urbanas afectactas clasificados por espesor de ceniza y evento analizado del volcán Guagua Pichincha. 

Guagua Pichincha VEI2: los resultados del análisis espacial realizado, ante una erupción pequeña del volcán Guagua Pichincha (VEI2), la cual es frecuente dentro de un ciclo eruptivo cada año (^{IGEPN, 2003}), al 75% de probabilidad de ocurrencia, revelan que un total de 57 poblados se verían afectados por la caída de ceniza con espesores de 0.01 mm hasta 5 mm de acumulación. De estos posibles poblados afectados, 15 corresponden a cabeceras parroquiales y 11 son zonas urbanas. Considerando el impacto y su zonificación, en una parroquia el impacto sería medio y en siete parroquias el impacto registrado sería bajo; contabilizando 1 958 963 habitantes afectados, según los datos disponibles al 2010 (^{INEC, 2010}).

Guagua Pichincha VEI3: una erupción moderada del volcán Guagua Pichincha (VEI3), la cual es frecuente entre uno y dos eventos dentro de un ciclo eruptivo cada 100-850 años (^{Robin et al., 2008}, ²⁰¹⁰), con un 75% de probabilidad de ocurrencia, daría como resultado un total de 3 678 poblados y 318 zonas urbanas afectadas por caída de ceniza con espesores de 0.01 mm hasta 45 mm de acumulación. De estos posibles poblados afectados, 50 corresponden a cabeceras parroquiales. Considerando el impacto y su localización territorial, 20 parroquias registrarían un impacto alto, 119 parroquias impacto medio y 78 parroquias tendrían un impacto bajo; dando un total de 4 520 750 habitantes afectados, considerando los datos disponibles (^{INEC, 2010}).

Guagua Pichincha VEI4: un total de 3 051 posibles poblados serían los afectados ante la caída de ceniza de un evento grande del volcán Guagua Pichincha (VEI4), el cual es frecuente cada tres a cinco ciclos eruptivos registrados cada 300-4 250 años (^{Robin et al., 2008}, ²⁰¹⁰). Los espesores esperados se encontrarían entre los 0.01 mm y 90 mm de acumulaciones, afectando a 56 cabeceras parroquiales y 264 zonas urbanas. Considerando el impacto y su localización territorial, en 98 parroquias se obtendría un impacto medio y en 66 el impacto sería bajo; registrando 4 240 559 habitantes directamente afectados, acorde a los datos disponibles (^{INEC, 2010}).

Guagua Pichincha VEI5: el escenario más pesimista analizado del volcán Pichincha, corresponde a un evento grande a muy grande (VEI5), el cual es frecuente cada 25 ciclos eruptivos y ha sido registrado cada 2 500-21 250 años (^{Robin et al., 2010}). Al 75% de probabilidad de ocurrencia afectaría a un total de 7 040 poblados, 71 cabeceras parroquiales y 469 zonas urbanas. Esta afectación presentaría acumulaciones de ceniza de al menos 0.01 mm hasta espesores que alcanzarían los 150 mm en zonas proximales al volcán. Considerando el impacto y su localización territorial, 33 parroquias registrarían un impacto alto, 235 parroquias un impacto medio y 139 parroquias un impacto bajo; con un total de 6 470 176 habitantes afectados, tomando en cuenta los datos analizados (^{INEC, 2010}).

Impacto en el uso del suelo

La caída de ceniza sobre zonas agrícolas se traduce en importantes pérdidas económicas para la población que vive de estas actividades; asimismo, la afectación en infraestructuras y el normal desenvolvimiento en las zonas urbanas, también representan un alto impacto para su economía dada la interrupción en la continuación de sus negocios. De allí la importancia de un análisis de los modelos de localización del impacto por caída de ceniza y su cruce con información de uso del suelo para la implementación de mecanismos de alerta temprana pertinentes y oportunos y planes de continuidad de negocio, según la zona y la actividad económica.

En ese marco, en la presente investigación se realizó un estudio del impacto por uso de suelo de la caída de ceniza ante una erupción del Guagua Pichincha; considerando que espesores mayores o iguales a 1 mm de acumulación, tendrían afectaciones a la actividad productiva por pérdidas de cultivos (^{Jenkins et al., 2015}). Con este fin, se utilizó la información de uso de suelo generada por el MAGAP (2014); arrojando los siguientes resultados para cada uno de los escenarios planteados y resumidos en la Figura 18 y Tabla 8.

Figura 18 Superficie de uso de suelo posiblemente afectado clasificados por evento analizado del volcán Guagua Pichincha. 

Guagua Pichincha VEI2: se determinó una superficie total de 114 605 hectáreas afectadas con espesores de 0.01 mm hasta 5 mm de acumulación ante un evento VEI2 del volcán Guagua Pichincha al 75% de probabilidad. De las cuales, el uso de suelo predominante es bosque nativo con una superficie de 67 511 ha que representan el 59% del total afectado. La superficie dedicada a agricultura y ganadería corresponde a 23 436 ha, lo que constituye el 20% de afectación.

Guagua Pichincha VEI3: la superficie que sería afectada por la caída de ceniza alcanza un total de 3 386 879 hectáreas con espesores que van desde 0.01 mm hasta 45 mm de acumulación ante un evento VEI3 del volcán Guagua Pichincha al 75% de probabilidad. De la superficie total afectada, el uso de suelo predominante es bosque nativo con 836 929 ha que representan el 25% del total afectado. La superficie dedicada a agricultura y ganadería que sería afectada alcanza las 1 101 848 ha, correspondiente al 33% del total.

Guagua Pichincha VEI4: ante un evento VEI4 del volcán Guagua Pichincha al 75% de probabilidad; 4 572 656 hectáreas se encontrarían afectadas por caída de ceniza con espesores de 0.01 mm hasta 90 mm de acumulación. De las cuales, el uso de suelo predominante es bosque nativo con una superficie de 1 559 642 ha que representan el 34% del total afectado. La superficie dedicada a agricultura y ganadería se encuentra en 1 130 406 ha; correspondiente al 25% del total.

Guagua Pichincha VEI5: la superficie total potencialmente afectada en este caso alcanzaría 7 905 440 de hectáreas afectadas con espesores que van desde 0.01 mm hasta los 150 mm ante un evento VEI5 del volcán Guagua Pichincha al 75% de probabilidad. De la superficie total afectada, la mayor parte corresponde a bosque nativo con una superficie de 3 023 863 ha que representan el 38% del total afectado. La superficie afectada dedicada a agricultura y ganadería alcanza las 1 899 861 ha, correspondiente al 24% del total.