Automatas celulares para la modelizaci?n y simulaci?n de sistemas complejos: lahares. Estudio de casos de lahares primarios y secundarios en Ecuador

 

Authors
Machado Sotomayor, Guillermo Edvin
Format
DoctoralThesis
Status
publishedVersion
Description

Lahars represent one of the most destructive natural disasters regarding the loss of human lives and property damage in their path. Lahars are very complex surface flows of two types: primary lahars originated directly from eruptive volcanic activity, and secondary lahars originated in post-eruptive events or quiescent periods. Lahars are a complex combination of many interrelated processes besides the process of surface flow: rainwater percolation in the soil (secondary lahars), volcanic stratum erosion, water inclusion and extrusion in lahar, ice melting and mixing with volcanic emissions (primary lahars). Evaluating the hazard posed by lahars constitutes a significant challenge within the framework of modeling and simulation of complex systems for reducing hazard in many, sometimes very populous, inhabited areas next some dangerous volcanoes. A variety of approaches has been taken to modeling the behaviors of lahars and the hazards posed to downstream communities: empirical models based on smart correlations of phenomenon observables, simple rheological and hydrological models and Partial Differential Equations (approximating numerical methods of fluid dynamics). Cellular Automata (CA) represent an alternative approach for modeling and simulating complex systems evolving on the base of local interactions of their elementary components. Lahars may be classified as such a type of phenomenon. Moreover, a CA modeling methodology has been developed for simulating surface flows. CA are a parallel computational paradigm for modeling complex systems by defining ?simple? laws at a local level that generate a global ?complex? evolution. The research, reported in this thesis, adopts a Multicomponent (or Macroscopic) Cellular Automata (MCA) approach that was applied to other complex surface flows. The model LLUNPIY has been developed in this frame, and successful simulations of real events were performed. The goal of this thesis has been to develop a CA model, LLUNPIY (Lahar modeling by Local rules based on an UNderlying PIck of Yoked processes, from the Kichwa word llunp?iy meaning flood), which is based on the CA semi-empirical approach to macroscopic phenomena of Di Gregorio and Serra, in order to simulate the complex dynamics of lahars, taking into account experience of models like SCIDDICA, SCIARA, PYR, VALANCA and SCAVATU. Before and during the development of the model, a comprehensive study was carried out on models not only for modeling complex macroscopic phenomena with Cellular Automata, but also two main models have been studied, which have previously modeled the lahars. LAHARZ is an empirical model, which computes the inundation area on the base of lahar volume and channel sections. TITAN2D model (for simulating granular, mud, debris flows and lahars) is based on physical Partial Differential Equations (PDE), related to the Coulombmixture theory. Both LAHARZ and TITAN2D did not account for all the processes of the previous cited three phases. An example is the erosion process. The erosion process does not exist in LAHARZ, because of the simplicity of the model. In the case of TITAN2D, it was necessary to omit the erosion process because the calculation times are not sustainable because of the complexity of the complete differential equations system. The MCA incremental method of modeling, applied in this research, permitted to LLUNPIY model to manage the erosion process and other ones with satisfactory results. This research considered real events of primary and secondary lahars to develop and validate the model. CA modeling and simulation of lahars needs a time-space correspondence, which may be explicitly established between the model and the real world to compare phenomenon development with simulation progress. To find sufficient data with an appropriate precision according to MCA methodology was not easy. Data about 1877 Cotopaxi primary lahar were found, analyzed, compared and interpreted. Analog study was performed with less effort for the more recent 2005 and 2008 Tungurahua secondary lahars. The candidate collected important data for developing the model directly on the field in the first person. The LLUNPIY model was validated through simulations of the three selected events: the 2005 and 2008 Tungurahua secondary lahars and afterward the 1877 Cotopaxi primary lahar. Results of the LLUNPIY simulations demonstrate that modeling choices, allowed by CA properties, permit to account for more processes (e.g., erosion process) that are not considered in other models. Therefore, LLUNPIY extends the potentiality of analysis and scenarios development in applications that needs computer simulations of real or conjectured lahar events.
Los lahares representan uno de los desastres naturales m?s destructivos en t?rminos de p?rdida de vidas humanas y da?os materiales a su paso. Los lahares son flujos superficiales muy complejos, se distinguen dos tipos: lahares primarios que se originan directamente de la actividad eruptiva volc?nica y lahares secundarios que ocurren en eventos post-eruptivos o en periodos de inactividad. Estos eventos se caracterizan por tener una combinaci?n compleja de muchos factores interrelacionados, adem?s del proceso de flujo de superficie: percolaci?n del agua-lluvia en el suelo (lahares secundarios), erosi?n del estrato volc?nico, inclusi?n y extrusi?n de agua en el lahar, fusi?n del hielo y la mezcla con las emisiones volc?nicas (lahares primarios). Evaluar el peligro que representa el lahar, constituye un reto importante en el contexto de la modelizaci?n y simulaci?n de sistemas complejos para reducir el riesgo en muchas y a menudo muy pobladas, ?reas residenciales cercanas a algunos volcanes peligrosos. Varios enfoques se han adoptado para modelar los comportamientos de los lahares y los peligros que representan para las comunidades aguas abajo, tales como: modelos emp?ricos basados en correlaciones inteligentes de fen?menos observables, modelos reol?gicos e hidrol?gicos simples y ecuaciones diferenciales parciales (que se aproximan a los m?todos num?ricos de din?mica de fluidos). Los Aut?matas Celulares (AC) representan un enfoque alternativo para el modelado y simulaci?n de sistemas complejos que evolucionan sobre la base de las interacciones locales de sus componentes elementales. Los lahares pueden ser clasificados como tal tipo de fen?meno. Por otra parte, una metodolog?a de modelado de AC ha sido desarrollada para simular flujos de superficie. Los AC representan un paradigma de c?lculo paralelo para el modelado de sistemas complejos mediante la definici?n de leyes "simples" a nivel local que generan una evoluci?n global "compleja". La investigaci?n, reportada en esta tesis, adopta un enfoque de Aut?matas Celulares Multicomponente (o Macrosc?picos) (ACM) que ha sido aplicado a otros flujos complejos de superficie. El modelo LLUNPIY se ha desarrollado en este contexto y ha permitido la realizaci?n de simulaciones exitosas de eventos reales. La tesis tuvo como objetivo principal desarrollar un modelo de AC denominado LLUNPIY (t?rmino que proviene de la palabra Kichwa llunpi?y que significa inundaci?n), fundamentado en el enfoque semi-emp?rico de AC propuesto por Di Gregorio y Serra para fen?menos macrosc?picos, con la finalidad de simular la din?mica compleja de los lahares, tomando en cuenta la experiencias previas con modelos como SCIDDICA, SCIARA, PYR, VALANCA y SCAVATU. Este trabajo se enfoc? sobre el modelo de AC para fen?menos complejos, tanto de lahares primarios como secundarios, cuyas din?micas y procesos se consideran en esta tesis y se dividen en tres principales fases: Fase de generaci?n: En el caso de lahares primarios, ?stos se generan a partir de flujos pirocl?sticos y la fusi?n del casquete glaciar del volc?n, debido a la interacci?n de los productos eruptivos con la cima del glaciar. En el caso de lahares secundarios, las fuertes lluvias movilizan abundantes sedimentos no consolidados en pendientes pronunciadas por la percolaci?n de una cantidad de agua, lo que determina el colapso de las fuerzas de cohesi?n de los componentes del suelo. Fase de inundaci?n: Los flujos de lahar se desarrollan a lo largo de las empinadas laderas del volc?n con una alta energ?a potencial gravitacional y una turbulencia con un incremento de volumen debido a la erosi?n del suelo y la inclusi?n de agua a lo largo de los causes de los r?os. Fase de agotamiento: El flujo del lahar reduce su energ?a cin?tica y velocidad en las ?reas planas; la r?pida disminuci?n de la turbulencia causa la formaci?n de dep?sitos a trav?s de la estrucci?n de agua. En ?sta ?ltima, en algunos casos, el lahar puede parcialmente ?ser diluido? y ?desaparecer?, si converge a un flujo de agua lo suficientemente grande como para ser embebido el material del lahar. Antes y durante el desarrollo del modelo, se llev? a cabo un estudio exhaustivo sobre modelos, no s?lo para modelar fen?menos macrosc?picos complejos con Aut?matas Celulares, sino adem?s, se estudiaron dos modelos principales, los cuales previamente han modelado lahares, estos son: LAHARZ, es un modelo emp?rico que calcula el ?rea de la inundaci?n sobre la base del volumen del lahar y las secciones transversales del canal y el modelo TITAN2D (para simular flujos granulares, lodo y escombros), basado en las ecuaciones diferenciales parciales f?sicas, relacionado con la teor?a de la mezcla de Coulomb. Tanto el LAHARZ como el TITAN2D, no tuvieron en cuenta todos los procesos de las tres fases citadas anteriormente. Un ejemplo es el proceso de erosi?n que no existe en LAHARZ, debido a la simplicidad del modelo. Esta investigaci?n ha considerado eventos reales de lahares primarios y secundarios con la finalidad de desarrollar y validar el modelo. La modelizaci?n y simulaci?n de lahares con Aut?matas Celulares requiere una correspondencia espacio-temporal, que puede establecerse de forma expl?cita entre el modelo y el mundo real con el prop?sito de comparar el comportamiento del fen?meno con el progreso simult?neo. El encontrar suficientes datos con la precisi?n adecuada utilizando la metodolog?a de ACM, no ha sido f?cil. Los datos sobre el lahar primario del Cotopaxi 1877 han sido encontrados, analizados, comparados e interpretados. Un estudio similar y reciente se llev? a cabo con menos esfuerzo, para los lahares secundarios del volc?n Tungurahua en el 2005 y 2008. El candidato recolect? directamente importantes datos de campo para desarrollar el modelo. El modelo LLUNPIY fue validado a trav?s de las simulaciones de tres diferentes eventos seleccionados: los lahares secundarios ocurridos en el volc?n Tungurahua tanto en el 2005 como en el 2008, y posteriormente el lahar primario del volc?n Cotopaxi en 1877. Los resultados de las simulaciones del modelo LLUNPIY demuestran que las opciones de modelado, permitidas por las propiedades de los Aut?matas Celulares, posibilitan tomar en cuenta m?s procesos (por ejemplo, el de erosi?n), aspectos fundamentales que no son considerados en otros modelos. Por lo tanto, LLUNPIY ampl?a la potencialidad del an?lisis y desarrollo de posibles escenarios en aplicaciones que requieren simulaciones por ordenador de eventos de lahares reales o conjeturados.

Publication Year
2015
Language
eng
Topic
AUT?MATAS CELULARES
MODELIZACI?N Y SIMULACI?N
GEOLOG?A
LLUNPIY
Repository
Repositorio SENESCYT
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http://repositorio.educacionsuperior.gob.ec/handle/28000/2422
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