Susceptibilidad y amenaza a los movimientos en masa de suelos de laderas en zonas cafeteras colombianas

Los movimientos en masa (MM) son procesos geológicos destructivos responsables al nivel mundial de miles de muertes y pérdidas económicas directas anuales. De la misma manera, en la región Andina de Colombia, los MM detonados por lluvias causan grandes pérdidas económicas. Es así que los sistemas tropicales húmedos de montaña, se caracterizan por su complejidad y fragilidad, de allí surge la necesidad de generar conocimiento propio de ese ambiente con el fin de conceptualizar y buscar la interrelación de sus componentes para un adecuado ordenamiento del territorio y el direccionamiento hacia el desarrollo sostenible. En estas áreas, cultivadas en café en Colombia, al nivel de cuenca hidrográfica donde la información es escasa o está en diferentes escalas y formatos, se desconoce de manera objetiva cuáles son las áreas más susceptibles a estos fenómenos y en mayor detalle los factores que condicionan los diferentes tipos de MM. Por lo anterior el objetivo de esta investigación fue determinar la susceptibilidad y amenaza a los MM superficiales detonados por lluvias en zonas cafeteras colombianas al nivel de cuenca hidrográfica. Por lo anterior en la cuenca hidrográfica cafetera La Mica del municipio de Pácora, Caldas con un área de 12,6 km² se llevó a cabo el estudio donde inicialmente se caracterizaron factores involucrados en la susceptibilidad a los MM, para lo cual se reunió información geoambiental de la misma (suelos, clima, geomorfología, geología, hidrología), la información fue georeferenciada y procesada por capas en el sistema de información geográfica (GIS) mediante el programa ArcGIS 10.3.1 con resolución espacial (tamaño de celda) de 10 m x 10 m. A partir de información secundaria y primaria se obtuvieron los siguientes mapas: complejos cartográficos de suelos (Escala 1:100.000), unidades geológicas (Escala 1:25.000), modelo de elevación digital (DEM) con resolución espacial de 10 m x 10 m, inventario de los MM, vías y propiedades de los suelos, para éste último se realizó el levantamiento de la información de propiedades físicas y químicas para ello se realizaron 21 calicatas mediante un muestreo aleatorio estratificado de acuerdo al área de ocupación del complejo cartográfico de suelo. En cada calicata, en el horizonte A y en un monolito de 0,25 m x 0,30 m x 0,30 m ubicado sobre el potencial plano de deslizamiento, se analizaron variables químicas, físicas y mecánicas. En cada monolito de suelo se determinó la resistencia al corte del suelo mediante el método de corte directo consolidado y drenado bajo cargas normales de 19 kPa hasta 111 kPa a una velocidad de corte de 0,08 mm min-1. Posteriormente se realizó el análisis de la distribución de deslizamientos en función de los factores condicionantes por medio del índice de relación de frecuencias (RF) y se determinaron los factores de mayor influencia en la ocurrencia de deslizamientos por el método de regresión logística múltiple (RLM). Se estudiaron dos modelos para la evaluación de la susceptibilidad a MM así: modelo RLM y modelo probabilístico conceptual basado en procesos físicos SHIA-Landslide. En el primero, se estimó un modelo funcional y la asignación de valores de importancia relativa a los factores que intervienen con mayor significancia estadística mediante los coeficientes de regresión obtenidos. Estos coeficientes sirvieron como valores de importancia relativa en un algoritmo que fue usado en la base de datos de SIG para producir un mapa que representó la probabilidad de ocurrencia espacial de deslizamientos. En el segundo, por el modelo SHIA-Landslide, para cada celda se calculó la probabilidad de ruptura espacial (factor de seguridad -FS 1) sin efecto de la lluvia, esto basado en el método del talud infinito, modelo de Simulación Hidrológica Distribuida Abierta (SHIA) y método probabilístico de Primer Orden Segundo Momento (FOSM) incluido en el paquete computacional RiskLab soportado en MATLAB. En la determinación de la amenaza por movimientos en masa se calculó la probabilidad de ruptura anual por el modelo SHIA-Landslide probabilístico al simular un año influenciado por el periodo de La Niña del año 1999 -2000 de 3460 mm de lluvia anual, lluvia máxima de 120 mm/día y un periodo de retorno de 7 años. La validación del modelo RLM se hizo al separar aleatoriamente el 50% de las celdas para la calibración y el 50% para validación y en SHIA-Landslde se hizo con el 50% de las celdas de validación, ambos se realizaron por la técnica ROC. El análisis del inventario de deslizamientos mostró un número total de deslizamientos (NLT) de 356, con un área promedio de ((A_L ) ̃ ) 1387,7 m2, el área afectada de la cuenca por deslizamientos fue el 3,91%, con una concentración de deslizamientos (LC) de 29,4 km-2, la distribución de frecuencias del área de deslizamientos se asimiló a la distribución teórica Gamma Inversa usada por autores reconocidos, y presentó mejor ajuste para las áreas mayores a 450 m2 y un aumento en la frecuencia para las áreas menores a este valor, asociado a la generación de nuevos deslizamientos producto de la acción antrópica. La cuenca está conformada por cuatro complejos de suelos Chinchiná, Pácora (CH-PA-I-1bc) con valores de cohesión efectiva entre 9,5 kN m-²– 33,7 kN m-² y de ángulo de fricción interna entre 23,7° a 40,6°. Chinchiná, Pácora (CH-PA-II-2bc) con cohesiones efectivas entre 0,51 kN m-² a 27,9 kN m-² y valores de ángulo de fricción interna entre 33,2° y 44,3°, Tablazo, Chuscal, Maiba, Pácora (TB-CHU-MA-PA I2cde) y Tablazo Chuscal (TB-CHU), presentaron valores muy similares entre sí, de cohesión y ángulo de fricción interna que oscilaron entre 11,2 kN m-² a 23,1 kN m-² y 31° a 40° respectivamente. El peso unitario seco γseco y saturado γsat del suelo fue bajo entre 5,3 kN m-3 a 15,8 kN m-3 y 12,4 kN m-3 a 22,8 kN m-3 respectivamente. La cuenca se conforma por el Complejo Quebradagrande en su constitución sedimentaria (Kqs) en el 57,4% y en su constitución de volcanitas básicas (Kqv) en el 23,0%, además del complejo ofiolítico de Pácora en la constitución gabros isotrópicos (Kog) y basalto (Kob) en 10,3% y 9,2% respectivamente, se presenta además alta influencia de la falla geológica de Salamina en dirección N-S. .De acuerdo con el modelo de elevación digital (DEM) la cuenca presenta pendientes entre 0° y 65°, con promedio de 29,2°, además está influenciada por lluvias máximas hasta de 148 mm/día con un periodo de retorno (TR) de 25 años. El análisis de RF mostró alta relación de los deslizamientos (índice RF1) con la pendiente entre 26,6° a 65,05°, la altitud entre 2100 m a 2420 m, distancia a drenajes naturales entre 0 m a 40 m, distancia a las fallas geológicas .entre 0 a 200 m, distancia a las vías entre 20 m a 400 m, unidades geológicas Kog y Kob, complejo de suelos CH-PA II 1bc, capacidad de almacenamiento máximo entre 165,6 mm a 210 mm, capacidad máxima de agua gravitacional entre 463 mm a 1320 mm, profundidad de falla entre 2,22 m a 4,81 m, aspecto de la pendiente N, SE, S, SO, W., Índice topográfico de humedad (TWI) entre 8,3 a 11,6, curvatura plana cóncava y convexa. El modelo RLM mostró relación de máxima verisimilitud de los factores geología, geoformas, pendiente, altitud, dirección de flujo, curvatura plana y distancia a los drenajes naturales, fallas y vías con la probabilidad de ocurrencia de deslizamientos. El modelo de susceptibilidad a deslizamientos obtenido por RLM obtuvo un área bajo la curva (AUC) del análisis ROC de 0,732, tasa de verdaderos positivos (tpr) de 67% y tasa de falsos positivos (fpr) de 33% en tanto, el modelo de susceptibilidad SHIA-Landslide alcanzó una tpr de 62% y una fpr de 50%. El modelo de amenaza por el mismo modelo obtuvo un tpr de 73% y un fpr de 59%. Los modelos RLM y SHIA-Landslide probabilístico permitieron predecir la susceptibilidad a los deslizamientos con una probabilidad del 73,2% y un valor de acierto del 62% respectivamente. El modelo SHIA-Landslide-probabilístico puede llegar a predecir hasta el 73% de la probabilidad anual de deslizamientos bajo escenario de eventos La Niña. El área descrita como inestable que no falló con esta simulación (fpr) indica que se deben tomar medidas de prevención en estas áreas ya que el inventario de MM fue incompleto.//Abstract: Mass movements (MM) are destructive geological processes responsible worldwide for thousands of deaths and direct annual economic losses. In the Andean region of Colombia, one of the natural phenomena causing greater economic losses is related to the instability of hillsides due to MM triggered by rainfall. Humid tropical mountain systems are characterized by their complexity and fragility, hence the need to generate knowledge for that environment in order to conceptualize the interrelation of its components for a territorial planning driving to sustainable development. At river basin level in the Colombian coffee region, information is scarce and this is available in different scales and formats, there is not objectively known which are the most susceptible areas to these phenomena and in more detail the factors that condition the different types of MM. Therefore, the aim of this investigation was to determine the susceptibility and hazard to the surface MM triggered by rainfall in Colombian coffee growing areas at the river basin level. Therefore, in the La Mica river basin grown in coffee, of the municipality of Pácora, Caldas, with an area of 12.6 km², the study was carried out where factors involved in the susceptibility to MM were initially characterized, for which geoenvironmental information was obtained (soils, climate, geomorphology, geology, hydrology), the information was georeferenced and processed in the geographic information system (GIS) through the ArcGIS 10.3.1 program with spatial resolution (cell size) of 10 mx 10 m The following maps were obtained from secondary and primary information: cartographic soil maps (1: 100,000), geological units (1: 25,000), digital elevation model (DEM) with spatial resolution of 10 mx 10 m, inventory of the MM, roads and soil properties, for the latter the information of physical and chemical properties was carried out, for which 21 soil pits were made by means of a stratified random sampling according to the occupation area of the soil cartographic complex. In each soil pit, in the A horizon and in a undisturbed soil monolith of 0.25 m x 0.30 m x 0.30 m located on the potential failure plain, chemical, physical and mechanical variables were analyzed. In each soil monolith the shear strength of the soil was determined by the direct shear test under consolidated drained conditions and normal stress from 19 kPa to 111 kPa at a uniform rate of displacement of 0.08 mm min-1. Subsequently, the analysis of the distribution of landslides as a function of the landslide conditioning factors was carried out by means of the frequency relation index (RF) and the factors with the greatest influence on the occurrence of landslides were determined by the multiple logistic regression method (RLM). Two models were studied for the evaluation of MM susceptibility: RLM and a conceptual probabilistic physically based model - SHIA-Landslide. For RLM, a functional model was estimated and the assignment of values of relative importance to the factors that intervene with greater statistical significance through the regression coefficients were obtained. These coefficients served as values of relative importance in an algorithm that was used in the GIS database to produce a map that represented the probability of spatial occurrence of landslides. For SHIA-Landslide model, the probability of spatial failure was calculated (safety factor -FS 1) without rainfall effect by each cell, this based on the infinite slope method, model of Distributed Hydrological Simulation (SHIA) and Probabilistic First Order Second Moment Method (FOSM) included in the RiskLab computer package supported in MATLAB. To landslide hazard determination, the probability of annual failure was calculated by the probabilistic SHIA-Landslide model when simulating a year influenced by the La Niña period of the year 1999 -2000 of 3460 mm of annual rainfall, maximum rainfall of 120 mm/day and a return period of 7 years. The validation of the RLM model was made by randomly separating 50% of the cells for training and 50% for validation and in SHIA-Landslde it was done with 50% of the validation cells, both were performed by the ROC method. The landslide inventory analysis showed a total number of landslides (NLT) of 356, with an average area of ((A_L ) ̃ ) 1387.7 m2, the affected area of the watershed due to landslides was 3.91%, with a landslide concentration (LC) of 29.4 km-2 the frequency distribution of the landslide area was assimilated to the theoretical Gamma Reverse distribution used by recognized authors, and presented a better fit for areas greater than 450 m2 and an increase in the frequency for areas smaller than this value, associated with the generation of new landslides resulting from anthropic action. La Mica basin consists of four complexes of soils Chinchiná, Pácora (CH-PA-I-1bc) with effective cohesion values between 9.5 kN m-²- 33.7 kN m-² and internal friction angle between 23.7° to 40.6°, Chinchiná, Pácora (CH-PA-II-2bc) with effective cohesion between 0.51 kN m-² to 27.9 kN m-² and values of internal friction angle between 33.2° and 44.3°, Tablazo, Chuscal, Maiba, Pácora (TB-CHU-MA-PA I2cde) and Tablazo Chuscal (TB-CHU), presented values very similar to each other, of cohesion and internal friction angle that oscillated between 11.2 kN m-² a 23.1 kN m-² and 31° to 40° respectively. The dry unit weight γdry and saturated unit weight γsat of the soils was low between 5.3 kN m-3 to 15.8 kN m-3 and 12.4 kN m-3 to 22.8 kN m-3 respectively. The basin consists of the Quebradagrande geological complex in both constitutions sedimentary (Kqs) 57.4% and basic volcanoes (Kqv) 23.0%, in addition to the ophiolitic complex of Pácora in two forms isotropic gabbros (Kog) and basalt (Kob) in 10.3% and 9.2% respectively, there is also a high influence of the Salamina fault in NS direction. According to the digital elevation model (DEM) the basin presents slope angle between 0° and 65°, with average of 29.2°, it is also influenced by maximum daily rainfall of 148 mm/day with a return period (TR ) of 25 years. The RF analysis showed a high relation of the landslides (RF index 1) with slope angle 26.6° to 65.05°, elevation 2100 m and 2420 m, distance from natural drainages 0 m to 40 m, distance from faults 0 to 200 m, distance from roads 20 m to 400 m, Kog and Kob geological units, CH-PA II 1bc soil complex, maximum soil storage capacity between 165.6 mm to 210 mm, maximum soil capacity of gravitational water between 463 mm to 1320 mm, depth of slip failure between 2.22 m to 4.81 m, aspect of slope N, SE, S, SO, W., topographic wetness index (TWI) 8.3 to 11.6, plan curvature (concave and convex). The RLM model showed maximum verisimilitude relation of geology, landforms, slope angle, elevation, flow direction, plan curvature and distance from natural drainages, faults and roads with the probability of occurrence of landslides. The landslide susceptibility model obtained by RLM reach an area under the curve (AUC) of the ROC analysis of 0.732, true positive rate (tpr) of 67% and false positive rate (fpr) of 33% while the model of susceptibility SHIA-Landslide reached tpr of 62% and fpr of 50%. The landslide hazard model by the same model obtained tpr of 73% and fpr of 59%. The RLM and SHIA-Landslide-probabilistic models allowed predicting the susceptibility to landslides with a probability of 73.2% and hit rate of 62.0% respectively. The SHIA-Landslide-probabilistic model can predict up to 73% of the annual probability of landslides under the La Niña events scenario. The area described as unstable that did not fail with this simulation (fpr) indicates that preventive measures should be taken in these areas since the MM inventory was incomplete.Doctorad