METODOLOGIA PARA LA ELABORACION DE UN MAPA DE PELIGROSIDAD DE DOLINAS Methodology for elaboration of a hazard map of alluvial doline María Asunción Soriano(*)

RESUMEN Mediante la elaboración de un mapa de peligrosidad de formación de dolinas aluviales el alumno aprenderá a conocer los procesos que favorecen e inhiben el desarrollo de las mismas, conocerá la metodología apropiada para realizarlo (tanto manualmente como usando programas de cartografía automática para ordenadores personales) y comprenderá la importancia y utilidad de los trabajos multidisciplinares. Como ilustración, se aplica a la zona NW de Zaragoza donde estas dolinas son frecuentes y causan graves pérdidas económicas. ABSTRACT With the elaboration of a hazard map of alluvial doline genesis the student will learn to know the processes which favours and inhibit its development, they start to know the proper methodology for mapping (manually and utilising software of automated cartography for personal computers) and they will realise of the importance and utility of carrying multidisciplinary studies. As an example this process will be applied to the area located NW of the city of Zaragoza were alluvial dolines are abundant and causes great economic losses. PALABRAS CLAVE: cartografía automática, dolinas, mapas de riesgo, trabajos multidisciplinares KEY WORDS: automated cartography, doline, hazard maps, multidisciplinary studies

1. INTRODUCCIÓN. Las clases prácticas en las distintas licenciaturas tienen una enorme importancia. En efecto, constituyen una vía apropiada para lograr cumplir los objetivos propuestos en cualquier asignatura, para la iniciación en métodos y técnicas específicos y promueven la colaboración entre los alumnos. En este artículo se propone la realización de una clase práctica que se puede impartir en asignaturas de Geomorfología, Riesgos Geológicos, Geología Ambiental, Ordenación del Territorio, entre otras, alguna de las cuales pueden estar incluidas en licenciaturas de Geología o Ingeniería Geológica, por ejemplo. Dicha práctica consistirá en la elaboración de un mapa de peligrosidad de un fenómeno producido por factores exógenos como es la karstificación. La elección de este tipo de práctica reside en varios motivos. Es un fenómeno que se ha estudiado con cierto detalle en gran número de áreas a escala mundial y, en concreto, por nosotros en varios lugares de la depresión del Ebro. Sin embargo, en escasas ocasiones se ha plasmado mediante una cartografía la distribución de las variables que influyen en su desarrollo. Estos estudios detallados generan gran cantidad de información que se puede transmitir a los alumnos y que permite darles la documentación apropiada y suficiente para la elaboración de la práctica. Por otra parte se propone una práctica que entra dentro del campo de la Geología Aplicada y Geología Ambiental con el interés que suscitará a

los alumnos al comprobar la utilidad de conceptos que van estudiando a lo largo de la licenciatura. Con ella aprenderán la metodología que requiere la elaboración de un mapa de peligrosidad independientemente del fenómeno que se analice. El material didáctico que consideramos necesario para su realización es muy variado, desde las ya tradicionales diapositivas, transparencias (y cómo no, la pizarra) recomendadas para la introducción de la práctica, hasta las fotocopias que se les dará a los alumnos junto con el acceso a un programa de cartografía automática elaborado para ordenadores Macintosh, aunque puede haber programas similares para otro entorno. Pese a que los ordenadores personales son herramientas de uso común para la mayoría de los universitarios, no es tan frecuente su utilización en las aulas de la licenciatura de Geología, lo que evidentemente añade un nuevo aliciente a la realización de esta práctica. Todo ello configurará una experiencia variada y atractiva para los alumnos que son a quienes va dirigida. A continuación expondremos unas breves nociones que consideramos que el alumno debe conocer tanto sobre las dolinas aluviales y los problemas que generan. Características de las dolinas aluviales. Si sobre las rocas karstificables se encuentran suelos u otros depósitos detríticos, éstos pueden penetrar en las fracturas y conductos ensanchados por

(*) Dpto. de Geología. Facultad de Ciencias. Universidad de Zaragoza. 50009 Zaragoza

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disolución, formándose depresiones en la superficie del terreno (dolinas aluviales) cuyas dimensiones y morfología pueden ser muy variables. Los procesos principales que intervienen en el desarrollo de estas dolinas son: disolución, arrastre de materiales, colapso de cavidades y subsidencia. Estos suelen actuar combinados (Yuan, 1987; Newton y Tanner, 1987; White, 1988) . Los factores más importantes que intervienen en la génesis de las dolinas aluviales son muy variados, como señalan distintos autores (Palmquist, 1979; Beck, 1986; White et al., 1986; Benito, 1987; Soriano et al., 1994) y determinarán las características de los materiales afectados por los procesos, la cantidad de agua que circule y el poder de disolución que ésta tenga. Puesto que en este trabajo se aplican las técnicas anteriores a una región concreta, la del sector central de la Depresión del Ebro, veamos escuetamente algunas características de esta zona, y la influencia de las dolinas en ella. En el sector central de la Depresión del Ebro es frecuente encontrar sobre los sedimentos cuaternarios dolinas aluviales causadas por la disolución del yeso neógeno infrayacente y, de manera especial en los tres niveles de terrazas más recientes (van Zuidam, 1976; Gutiérrez et al., 1985; Soriano, 1986 y 1992). Las pérdidas económicas que provocan estos hundimientos son cuantiosas, especialmente, por su incidencia sobre las obras civiles (construcciones, vías de comunicación, redes de abastecimiento...) (Soriano et al., 1994). Esto motivó que se llevase a cabo un estudio de tipo regional donde se realizó una evaluación general de los hundimientos en el área al NW de Zara-

goza, de sus condicionantes genéticos y de las variables o combinaciones de variables que pueden explicarlos de forma satisfactoria (Gracia et al. 1991). Parte de la documentación generada se va a utilizar para la realización de esta práctica.

2. OBJETIVOS DE LA PRACTICA Como ya se señaló, la experiencia que se sugiere en este trabajo está pensada, fundamentalmente, para alumnos universitarios. Seguramente, todos hemos sido testigos de las dudas que ellos tienen sobre que los conocimientos teóricos impartidos en las aulas tengan realmente una aplicación práctica en la vida ordinaria. Esta experiencia pretende llenar al menos parcialmente este vacío y por ello muestra un caso de Geomorfología Aplicada en el que se realizará un mapa de peligrosidad (en este caso concreto de karstificación). Con ella se pretende facilitar el aprendizaje de la metodología para elaborar mapas de este tipo ya que ésta es bastante semejante, independientemente de los fenómenos que se estén considerando. De cualquier forma, convendrá señalarles otros ejemplos (zonas susceptibles de inundarse, de sufrir deslizamientos, etc.) a los que se puede aplicar la realización de mapas de peligrosidad, para insistir en que no es una metodología específica para el caso que nos ocupa. Es evidente que los alumnos serán sujetos activos, ya que realizarán la mayoría de las etapas del proceso, si bien bajo la continua supervisión del docente.

T2 T1 T3

2 km.

Figura 1.- Cartografía geomorfológica de dolinas sobre los tres niveles inferiores de terrazas del río Ebro realizado a partir de los fotograms aéreos de 1957 (Soriano, 1986).

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En segundo lugar se pretende que ellos comprendan y comprueben la importancia que tienen algunas de las variables ya mencionadas en los procesos de formación de dolinas (es decir, en disolución, arrastre y colapso de los materiales), y consecuentemente, en su génesis. Para ello, los alumnos confrontarán y discriminarán qué variables colaboran, y en que medida lo hacen o no en la formación de dolinas. Del mismo modo deben comprender qué factores intervienen en los distintos procesos que propician la génesis de estas depresiones. Así, el escaso espesor de la cubierta aluvial favorece el proceso de colapso o bien de subsidencia de la cobertera, mientras que los otros cuatro factores seleccionados (bajo contenido en sulfatos del agua, zonas de vaguada en la superficie de contacto entre Mioceno y Cuaternario, bajo porcentaje de lutitas en este último y las elevadas variaciones anuales del nivel freático) propician el aumento de la disolución y arrastre y la consiguiente creación de cavidades. Otro objetivo que se pretende lograr es la utilización del ordenador con el software apropiado como una técnica didáctica novedosa (por lo poco frecuente) en este tipo de prácticas. En la actualidad todos somos conscientes de que la mayoría de nuestros alumnos están familiarizados con la utilización de ordenadores. Por otra parte hay un tendencia clara en los últimos años en la utilización de Sistemas de Información Geográfica para almacenar datos de diferente tipo en ordenadores para su posterior comparación y análisis, ya que el ordenador facilita sobremanera esta tarea. De esta forma, los alumnos comenzaran a habituarse a trabajar adaptándose a las nuevas líneas que se están imponiendo hoy día. Esta iniciación al manejo de programas para cartografía automática les facilitará, sin duda, su aprendizaje en la utilización de otros de mayor complejidad y que se empleen habitualmente para resolver problemas de Geología Ambiental o de Ordenación Territorial, por ejemplo.

mación disponible acerca de cada una de las variables que pueden intervenir en el proceso y que constituyen potenciales factores de peligro, realizando mapas temáticos de todas ellas (espesor de los depósitos cuaternarios, altura del contacto entre los sedimentos cuaternarios y terciarios, características litológicas del Cuaternario, características litológicas y solubilidad del yeso Mioceno, principales direcciones de fracturación en los sedimentos miocenos y cuaternarios, parámetros geotécnicos del Cuaternario, isopiezas y direcciones teóricas del flujo de agua subterránea, profundidad del nivel freático, potencia de los depósitos cuaternarios saturados, variaciones anuales máximas del nivel freático, contenido en sulfatos del agua subterránea, residuo sólido total en el agua subterránea y conductividad eléctrica). Posteriormente se comparan visualmente con los mapas de distribución de dolinas. (3) Efectuar un análisis empírico de las relaciones espaciales entre los fenómenos de hundimiento y las variables contempladas, mediante un programa informático de tratamiento de datos y cartografía automática (programa Cartographie para Apple Macintosh). La combinación óptima implica a las tres primeras variables del párrafo anterior y a las variaciones anuales máximas del nivel freático y contenido en sulfatos del agua subterránea. Todas ellas se han sometido a un análisis matemático utilizando distintos coeficientes para ponderarlas y determinar la correlación óptima con la densidad de dolinas. La ecuación empírica resultante constituye la expresión matemática del modelo de peligrosidad válido para la zona estudiada y que indica la probabilidad de desarrollo de dolinas. Pt= 850 / (0.5 S + 70 IC + 5 L + 20 EC - 125 Vn) (1) donde: Pt. = Índice de peligrosidad teórico. S

= Contenido en sulfato del agua (en ppm).

IC = Índice de altura del contacto Terciario-Cuaternario (valor arbitrario de 1 a 5).

3. ELABORACIÓN DEL MAPA DE PELIGROSIDAD.

L

Uno de los motivos de la elección de la zona central de la depresión del Ebro para la realización de la práctica es que el mapa de peligrosidad ya ha sido realizado previamente (Simón et al., 1991). Si quisiéramos construirlo para otra zona o para ver la influencia de otro fenómeno deberíamos realizarlo previamente. Para determinar los factores más importantes que intervienen en la génesis de las dolinas aluviales desarrolladas al oeste de Zaragoza y, consiguientemente, un mapa de peligrosidad de este fenómeno (todo ello a escala 1:50.000) Simón et al. (1991) proponen varias etapas :

EC = Potencia de la cubierta cuaternaria (en metros).

(1) Realizar la identificación, cartografía y análisis de la evolución temporal de las dolinas, ya que reflejan en superficie los fenómenos de hundimiento registrados en el área. (2) Llevar a cabo una recopilación de la infor-

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= Porcentaje de lutitas en los sedimentos cuaternarios.

Vn = Variación anual máxima del nivel freático (en metros). Comparando el mapa de densidad de dolinas con el se obtiene al aplicar la formula anterior, la correlación entre ambos es buena, con lo que Simón et al. (1991) piensan que para esta zona de la Depresión del Ebro este modelo da una explicación teórica satisfactoria a la distribución espacial de dolinas aluviales para una escala 1:50.000. 4. MATERIAL A EMPLEAR Se les proporcionarán las cartografías de dolinas, a escala 1:50.000, realizadas a partir de los fotogramas aéreos de: 1946, 1957, 1970 y 1986. Se

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les facilitarán varios mapas temáticos seleccionados entre los confeccionados por Simón et al. (1991) a la misma escala que los anteriores elaborados manualmente. Concretamente se les entregaran los siguientes: (a) Espesor de los depósitos cuaternarios. (b) Cota de la superficie del contacto entre el Cuaternario y substrato terciario. (c) Características litológicas del Cuaternario (especialmente de su porcentaje en lutitas). (d) Isopiezas (elaborados para los niveles máximo y mínimo anual de una serie de años entre 1.978 y 1.988) y direcciones de flujo teórico del agua subterránea. (e) Profundidad del nivel freático. (f) Variación máxima anual del nivel freático. (g) Contenido en sulfatos del agua subterránea. Junto con ellos se les dará un cuestionario cuya finalidad es centrar su atención en áreas concretas para cada variable, con lo que se facilita la tarea de comparación de estos mapas con los de dolinas. Posteriormente se les presentará también los mapas digitalizados mediante el programa Cartographie que abarcan una área mucho más reducida que la anterior (ver figuras 2 y 3). Deberán utilizar esas nuevas copias y también dicho programa de ordenador trabajando los alumnos en grupos reducidos.

Figura 2.- Mapa de densidad de dolinas realizado mediante el programa Cartographie para Apple Macintosh (SIMON et al., 1991). Ver localización en figura 3.

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Figura 3.- (a) Mapa de situación que corresponde con la zona SE de la figura 1 (Gracia et al., 1991).

Figura 3.- (b) Mapa digitalizado de la potencia de los depósitos cuaternarios (Gracia et al., 1991).

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Figura 3.- (c), (d), (e), (f), (g) y (h) Mapas digitalizados del resto de variables seleccionadas para determinar cuales influyen en la formación de dolinas a escala 1:50.000 (Gracia et al., 1991).

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5. ACTIVIDADES PROPUESTAS En primer lugar, los alumnos observarán las distintas cartografías de dolinas, a escala 1:50.000, que se realizaron a partir de los fotogramas aéreos de: 1946, 1957 (figura 1), 1970 y 1986, para determinar cual es su distribución general en cada año y sus variaciones de tamaño y número a lo largo del tiempo. En ellos observarán que la mayor densidad de dolinas se produce sobre el nivel T2. La disminución de éstas al pasar a T1 es muy brusca. No ocurre así entre T2 y T3 donde la desaparición de dolinas parece algo más paulatina. Después se les entregarán los 7 mapas de los factores que previamente se habían elegido a partir de los efectuados por Simón et al. (1981), descartándose algunos porque resultaban redundantes con los resultados obtenidos a partir de otro mapa, o porque los datos utilizados en su elaboración eran escasos. A partir de ellos, analizarán cuestiones tales como las características de distribución espacial de cada una de estas variables. Para facilitarles esta labor, tras un tiempo en que habrán examinado los mapas anteriores se les propondrán preguntas para que observen ciertas áreas en cada uno de los mapas, lo que les ayudará en su investigación y reducirá el tiempo que emplearán para su estudio. Posteriormente, se pretende que comparen cada uno de estos mapas con el de distribución de dolinas. De esta manera determinarán si hay relación o no con ellas, y caso de haberla, si ésta es positiva o negativa. A continuación señalamos de forma breve las características más importantes en cada mapa: Espesor de los depósitos cuaternarios. El espesor del Cuaternario varía en la zona entre 2 y 40 m. Los valores mayores se encuentran en la terraza T3 y los mínimos, en general, en la T1. Muchas de las dolinas se encuentran en áreas de espesor de terraza bajo. En el nivel T3, las dolinas que existen coinciden también con las zonas de menor potencia relativa (en general, inferior a 30 m). Topografía de la superficie de contacto Mioceno-Cuaternario. Al tratar este mapa digitalmente se asignó a cada elemento de la cuadrícula un índice de 1 a 5 en función de su posición dentro de la topografía de dicho contacto. En zonas bajas aumenta la densidad de hundimientos, probablemente por haber funcionado como vías preferentes del flujo subterráneo de agua y, por tanto, como zonas de mayor disolución Características litológicas en los depósitos cuaternarios (% de lutitas). Mediante datos obtenidos en afloramientos y sondeos mecánicos y geoeléctricos, se conoce que en los niveles T2 y T3 dominan las gravas y en T1 predominan lutitas, siendo la densidad de dolinas mayor en las primeras. Su incidencia se justifica en virtud de su relación con la transmisividad tanto vertical como horizontal del acuífero. Isopiezas y direcciones de flujo teóricas del agua subterránea. Gradiente hidráulico. A partir de un mapa de isopiezas de marzo de 1980 realizado

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por el IGME (Instituto Geo-Minero de España) donde disminuye la cota de las isopiezas hacia el río, se diseñó un mapa de gradiente hidráulico (que es el que se proporciona a los alumnos) ya que puede informar acerca de la disolución y arrastre en el subsuelo. No se aprecia apenas correlación con el de dolinas. Profundidad del nivel freático. Va disminuyendo de T3 a T1. No se observa una buena correlación con la distribución de las dolinas. Variación máxima anual del nivel freático. El nivel freático varía estacionalmente entre un mínimo a final del invierno y un máximo en septiembreoctubre a causa del regadío de la zona. La variación es mayor en las terrazas altas. Un cambio grande implica un aumento de gradiente, lo que incentiva la capacidad de disolución y arrastre de los materiales. No se ve relación con el mapa de dolinas. Contenido en sulfatos del agua subterránea. El aumento en el contenido en sulfatos de la T2 hacia el Ebro es lógico ya que ése es el sentido de flujo del agua que disuelve los yesos miocenos y se carga en sulfatos. El aumento brusco del contenido en sulfatos que se produce a la altura del escarpe entre T2 y T1 sugiere que es bajo los depósitos de T2 donde hay mayor disolución de yesos. El aumento que se aprecia en el sur puede deberse a que las muestras de pozos existentes en esa área se tomaron a gran profundidad. La correlación entre densidad de dolinas y concentración de sulfatos es inversa. Con este primer análisis visual hay 3 variables que, en principio, no parecen mostrar una correlación clara con la distribución de dolinas: isopiezas y direcciones de flujo teóricas del agua subterránea, la profundidad del nivel freático y la variación máxima anual del nivel freático. Sin embargo, no se van a desechar por completo sino que se esperará a la siguiente fase. Una vez establecida la conexión entre la ubicación de las dolinas y las variables que influyen en su formación, se les entregará un fragmento digitalizado de esos mapas (de su zona este próxima a la ciudad de Zaragoza) y ellos podrán trabajar directamente sobre los datos y seguir comparando y combinando las distintas variables (figuras 2 y 3). Las características señaladas anteriormente para las distintas variables pueden determinarse también en los mapas digitalizados. La siguiente actividad propuesta es que los alumnos comiencen a manejar el programa Cartographie. Se les proporcionará la cuadrícula utilizada para hacer los cálculos (figura 3a) y los listados de datos para cada variable. A continuación, efectuarán distintas combinaciones de estas variables con la finalidad de lograr un modelo que se ajuste a la distribución de dolinas. De todas las composiciones que hayan obtenido, se elegirá la mejor de ellas que posteriormente se comparará con el mapa de peligrosidad elaborado por Simón et al. (1991). Aplicando la ecuación (1) de Simón et al. (1991) y utilizando de nuevo el programa Cartographie se obtiene un mapa de los valores que arro-

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ja dicha ecuación en cada uno de los elementos de superficie definidos en esta área (figura 4). Por último, se comparará con el mapa de densidad de dolinas tratado cuantitativamente por el mismo procedimiento y se estudiarán las semejanzas y diferencias entre ambos, discutiendo cuáles pueden ser las causas de ello.

omecánico dependerá que se formen o no depresiones en la superficie del terreno), la importancia de factores hidrogeológicos (debido a variaciones en el nivel freático y también a la composición química de las aguas subterráneas ya que determinarán la mayor o menor facilidad para disolver a los materiales karstificables), la paleotopografía (que va a condicionar la existencia de vías preferentes de circulación del agua subterránea y por lo tanto de disolución), etc. Todo ello puede hacerles entender que cualquier Ciencia no es un compartimento estanco e independiente de otro. De la misma forma por la imposibilidad de alcanzar un conocimiento profundo de todas estas ramas que intervienen en la formación de dolinas es necesario trabajar con expertos en otros campos de la Ciencia, con lo que se abren vías para facilitar el trabajo pluridisciplinar. 7. BIBLIOGRAFÍA Beck, B. (1986) A generalized genetic framework for the development of sinkholes and karst in Florida, U.S.A. Environ. Geol. Water Sci. vol 8, pp. 5-18. Benito, G (1987) Karstificación y colapsos kársticos en los yesos del sector central de la Depresión del Ebro. Cuaternario y Geomorfología, vol. 1, pp. 61-76. Argo Infographie S.A. (1989) Cartographie 2D versión 1.1.

Figura 4.- Mapa de peligrosidad teórica (Simón et al., 1991).

6. CONCLUSIONES Con la experiencia propuesta en este artículo, se pretende que los alumnos entiendan el método de trabajo a seguir para la elaboración de un mapa de peligrosidad. La comparación de mapas de distintos factores que intervienen en la formación de dolinas con los de distribución espacial de éstas obligará a los alumnos a analizar cuales son los que favorecen y los que inhiben el desarrollo de las mismas. En este proceso además del análisis visual se propone la utilización de programas de cartografía automática fácilmente utilizables en ordenadores de tipo personal. Con ello se incentiva el uso de este tipo de técnicas en la docencia universitaria de licenciaturas tales como la de Geología. Pensamos que lo más interesante en el desarrollo de esta experiencia es que los alumnos comprobarán el carácter interdisciplinar de la misma ya que la formación de dolinas no es el resultado de la acción de un único factor, sino de varios cuya suma genera estas depresiones. Permite que contemplen aspectos geológicos tales como: la importancia de la litología de los materiales (tanto del sustrato terciario que es susceptible de disolverse, como de los detríticos cuaternarios de cuyo comportamiento ge-

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Gracia, J.; Salvador, T.; Simón, J.L. y Soriano, M.A. (1991) Proyecto de evaluación de riesgo de hundimientos a lo largo del trazado de tuberia alternativa que se proyecta para el abastecimiento de agua al barrio de Casetas y polígonos intermedios. Proyecto realizado para el Ayuntamiento de Zaragoza. (inédito). 95 p. Gutiérrez, M.; Ibáñez, M.J.; Peña, J.L.; Rodríguez, J. & Soriano, M.A. (1985) Quelques exemples de karst sur gypse dans la Depression de l’Ebre. Karstologia 6, pp. 29-36. Newton, J.G. y Tanner, J.M. (1987) Case histories of induced sinkholes in the eastern United States. 2nd Multidisciplinary Conference on sinkholes and the environmental impacts of karst, pp. 15-23. Orlando. Palmquist, R. (1979) Geologic controls on doline characteristics in mantled karst. Z. Geomorph. N.F. Suppl. Bd. 32, pp. 90106. Simón, J.L.; Soriano, M.A.; Gracia, J. y Salvador, T. (1991) Dolinas aluviales en las terrazas del Ebro al oeste de Zaragoza: Un análisis empírico de los factores de riesgo. Cuaternario y Geomorfología vol.5, pp. 139-148 Soriano, M.A. (1986) Dolinas de disolución normal y dolinas aluviales en el sector centro-meridional de la Depresión del Ebro. Bol. Geol. Min. t. XCVII pp. 328-337. Soriano, M.A. (1992) Characteristics of the alluvial dolines developed because of gypsum dissolution in the central Ebro Basin.Z. Geomorphology Suppl. Bd. 85, pp. 59-72. Soriano, M.A.; Simón, J.L.; Gracia, J. y Salvador, T. (1994) Alluvial sinkholes over gypsum of the Ebro basin (Spain): Genetical factors and environmental impact. Hydrological Sciences Journal v.39, pp. 257-268. Yuan, D. (1987) Environmental and engineering problems of karst geology in China. Second Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Environmental Impacts of Karst pp 1-11. White, W.B. (1988) Geomorphology and Hydrology of karst terrains. Oxford. 464 p. White, E.L.; Gert, A. y White, W.B. (1986) The influence of urbanization on sinkhole development in central Pennsylvania. Environ. Geol. Water Sci. vol. 8, pp. 91-97. van Zuidam, R.A. (1976) Geomorphological development of the Zaragoza region, Spain. Processes and landforms related to climatic changes in a large Mediterranean river basin. I.T.C. 211p. Enschede. ■

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