Capítulo 4 Salinidad e Intrusión Salina

PROPUESTA METODOLÓGICA
PARA DIAGNOSTICAR Y
PRONOSTICAR LAS
CONSECUENCIAS DE LAS
ACTUACIONES HUMANAS EN EL
ESTUARIO DEL GUADALQUIVIR
Septiembre 2010
Capítulo 4: Salinidad e Intrusión Salina
Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales
(Centro Andaluz de Medio Ambiente — Universidad de
Granada)
Grupo de Dinámica Fluvial e Hidrología
(Universidad de Córdoba)
1
2
Antecedentes
El 24 de Mayo de 2007 se firmó el contrato de adjudicación del procedimiento
negociado sin publicidad entre la Autoridad Portuaria de Sevilla y el Consejo Superior
de Investigaciones Científicas para el estudio titulado “PROPUESTA
METODOLÓGICA
PARA
DIAGNOSTICAR
Y
PRONOSTICAR
LAS
CONSECUENCIAS DE LAS ACTUACIONES HUMANAS EN EL ESTUARIO DEL
GUADALQUIVIR” coordinado por D. Javier Ruiz Segura (Instituto de Ciencias Marinas
de Andalucía – Consejo Superior de Investigaciones Científicas) y D. Miguel Á. Losada
Rodríguez (Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales – Universidad de Granada).
Con fecha 17 de enero de 2008, fueron firmados sendos Convenios de
Colaboración entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas
y las Universidades de Granada y Córdoba para la participación
del Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales (GDFA) y del Grupo de Dinámica
Fluvial e Hidrología (GDFH), respectivamente, en la realización del citado
estudio.
Inscrito en dicho marco de colaboración se encuentra el presente Informe que describe
la dinámica del transporte de sal en el estuario, realizado por el GDFA. En este trabajo
han participado, por el GDFA, los doctores Asunción Baquerizo Azofra, Simona
Bramato, Manuel Díez Minguito, Miguel Á. Losada Rodríguez y Miguel Ortega
Sánchez, y, por el GDFH, María José Polo Gómez, actuando de ponentes del Informe el
Dr. Manuel Díez Minguito y la Dra. Simona Bramato, y de director del trabajo el Prof.
Miguel Á. Losada Rodríguez.
3
4
Índice
Índice............................................................................................................................... 5
Lista de Figuras ........................................................................................................... 6
Lista de Tablas ............................................................................................................. 9
Resumen ...................................................................................................................... 13
Estructura del capítulo y sus contenidos ........................................................... 13
4.1.
Introducción........................................................................................................ 15
4.1.1.
Definiciones.................................................................................................... 15
4.1.2.
Procesos de mezcla y escalas espacio-temporales.......................................... 16
4.1.2.1.
Escalas espacio-temporales ........................................................................ 16
4.1.3.
Geometría del estuario del Guadalquivir y su tramificación.......................... 18
4.1.4.
Cinemática mareal y números adimensionales............................................... 20
4.1.5.
Regímenes de salinidad .................................................................................. 23
4.1.5.1.
Variabilidad espacio-temporal de la salinidad media en régimen de bien
estuario mezclado ........................................................................................................... 26
4.2.
Formulación del problema y justificación del modelo unidimensional ............. 27
4.2.1.
Ecuación bidimensional promediada en la columna de agua ......................... 28
4.2.2.
Ecuación unidimensional integrada en la sección .......................................... 28
4.2.3.
Ecuación de conservación unidimensional promediada en la marea semidiurna
30
4.2.3.1.
Caso particular: Ecuación en régimen estacionario (estoas y marea media)
31
4.2.3.2.
Ecuación de conservación de la salinidad a escala submareal .................. 31
4.2.3.3.
Coeficientes de dispersión efectiva ............................................................ 31
4.2.3.4.
Influencia de la topografía-batimetría ........................................................ 32
4.3.
Análisis de los datos de la red de medida........................................................... 32
4.3.1.
Evolución temporal de la variable de estado .................................................. 34
4.3.2.
Análisis armónico y espectral......................................................................... 35
4.4.
Comportamiento de la salinidad según un eje del estuario (marea) y régimen
fluvial de caudal bajo: Régimen estacionario................................................................. 38
4.4.1.
Amplitud, desfase y variabilidad vertical de la salinidad a lo largo del estuario
38
4.4.1.1.
Desfase temporal en el eje del estuario ...................................................... 39
4.4.1.2.
Variación de la salinidad en la columna de agua y promedio vertical ....... 41
4.4.2.
Comportamiento de la salinidad frente al nivel y la velocidad de marea....... 44
4.4.3.
Ciclos de mareas vivas y muertas................................................................... 45
4.4.4.
Predicción de la salinidad a lo largo del estuario en régimen de aguas bajas 46
4.4.5.
Distribución de la salinidad promediada en los periodos mareal y submareal46
4.4.6.
Distribución espacial de la salinidad máxima, mínima y media y variabilidad
estacional y anual ........................................................................................................... 48
4.4.6.1.
Evolución anual de la salinidad .................................................................. 50
4.4.7.
Longitud de la intrusión salina y variabilidad temporal ................................. 51
4.4.7.1.
Evolución temporal de la intrusión salina .................................................. 51
4.4.7.2.
Predicción diaria de la intrusión salina....................................................... 53
4.4.8.
Coeficientes de dispersión longitudinal efectiva y variabilidad espaciotemporal en régimen de aguas bajas ............................................................................... 53
4.5.
Comportamiento de la salinidad según un eje del estuario en régimen hidráulico
de caudal alto y avenidas ................................................................................................ 56
4.5.1.
La salinidad durante las descargas de abril 2008 ........................................... 57
5
4.5.2.
La salinidad durante las descargas de febrero 2009 ....................................... 59
4.5.3.
Salinidad media de equilibrio vs. descarga fluvial ......................................... 61
4.5.4.
Descargas del río y tiempos de relajación de la salinidad de equilibrio......... 63
4.5.5.
Las descargas del periodo diciembre 2009 - enero 2010................................ 66
4.6.
Balance de sal ..................................................................................................... 67
4.6.1.
Resultados....................................................................................................... 67
4.7.
Conclusiones y trabajo futuro............................................................................. 70
Lista de Figuras
Figura 4.1. Parámetros de ajuste geométricos del cauce principal del
Guadalquivir: sección (cruces verdes), anchura (cuadrados rojos) y profundidad
(círculos azules). Para el ajuste de anchura, sección y profundidad media en
todo el estuario no se han considerado los datos en la Broa, más allá de
Bonanza. ....................................................................................................................... 18
Figura 4.2. Definición de los tramos dados en la Tabla 4.1.................................. 19
Figura 4.3. De arriba abajo y en rojo: datos de anchura, sección y profundidad
media a lo largo del eje longitudinal del estuario. Se muestran en azul los
ajustes según la Eq. (4.8) en cada tramo. .................................................................. 20
Figura 4.4. Desfase entre pleamar y la estoa de llenante a lo largo del estuario
en mareas vivas y en muertas................................................................................... 21
Figura 4.5. Distribución de salinidad a lo largo de todo el estuario, régimen
hidráulico de aguas bajas........................................................................................... 24
Figura 4.6. Evolución a lo largo del eje longitudinal del descenso relativo de
salinidad media (g/l) frente a una descarga de 50 m3/s. Las líneas rojas
representan las rectas de tendencia de ajuste de los datos. ............................... 24
Figura 4.7. Distribución de salinidad a lo largo de todo el estuario, régimen
hidráulico de aguas intermedias................................................................................ 24
Figura 4.8. Distribución de salinidad a lo largo de todo el estuario, régimen
hidráulico de avenidas. La falta de datos o datos no válidos se marcan con un
signo de interrogación................................................................................................. 25
Figura 4.9. Función densidad de probabilidad de caudales descargados por la
presa de Alcalá del Río............................................................................................... 26
Figura 4.10. Perfil longitudinal de salinidad máxima (dato registrado en pleamar
en torno al 30 de agosto de 2008, mareas vivas, Qf ,d ≈ 20m 3 / s ), media
(salinidad promediada en el ciclo M2 del mismo día) y mínima (dato registrado
en bajamar en el mismo día). .................................................................................... 26
Figura 4.11. Ubicación a lo largo del cauce de los equipos instalados por el
ICMAN-CSIC, además de los mareógrafos de la REDMAR. En rojo se
muestran los CTDs, en amarillo se muestran los correntímetros ADCPs, en
verde los mareógrafos TGs y en naranja estación meteorológica de Salmedina.
Se indica además la numeración de los equipos cuyos datos han sido usados
en este informe. ........................................................................................................... 34
Figura 4.12. Evolución temporal a 1m de profundidad de la salinidad en los
CTD1 y CTD5. .............................................................................................................. 34
6
Figura 4.13. Evolución temporal instantánea (una medida cada 30min) a 4
profundidades de la salinidad en los CTD1 y CTD5 para regimenes mareal y
fluvial. Los datos de caudal son promedios diarios................................................ 35
Figura 4.14. Panel superior izquierdo: muestra de la serie registrada en CTD0.
Panel superior derecho: ubicación del CTD0. Panel inferior izquierdo: resultado
del análisis armónico en la posición del CTD0; las constituyentes marcadas en
azul suman el 95% del contenido energético del registro. Panel inferior
derecho: resultado en PSU 2hora del análisis espectral en la posición del CTD0.
........................................................................................................................................ 36
Figura 4.15. Panel superior izquierdo: muestra de la serie registrada en CTD4.
Panel superior derecho: ubicación del CTD4. Panel inferior izquierdo: resultado
del análisis armónico en la posición del CTD4; las constituyentes marcadas en
azul suman el 95% del contenido energético del registro. Panel inferior
derecho: resultado en PSU 2hora del análisis espectral en la posición del CTD4.
........................................................................................................................................ 37
Figura 4.16. Panel superior izquierdo: muestra de la serie registrada en CTD7.
Panel superior derecho: ubicación del CTD7. Panel inferior izquierdo: resultado
del análisis armónico en la posición del CTD7; las constituyentes marcadas en
azul suman el 95% del contenido energético del registro. Panel inferior
derecho: resultado en PSU 2hora del análisis espectral en la posición del CTD7.
........................................................................................................................................ 37
Figura 4.17. Salinidad máxima (azul), mínima (rojo) y media (cian) promediado
en un ciclo M2 durante el periodo seco. .................................................................. 39
Figura 4.18. Propagación de la salinidad (curvas instantáneas a escala de
estado) durante dos ciclos en mareas vivas en las 4 profundidades. Las líneas
verticales marcan el máximo y mínimo de salinidad en un ciclo semidiurno en la
posición del CTD. El aparente retroceso del mínimo de salinidad en su
propagación estuario arriba en el CTD2 y CTD3, respecto de CTD1, es debido
a que las medidas son tomadas cada 30min y el desfase entre el CTD1 y el
CTD3 es inferior a ese valor. ..................................................................................... 40
Figura 4.19. Propagación de la salinidad (curvas instantáneas) durante dos
ciclos en mareas muertas en las 4 profundidades. Las líneas verticales marcan
el máximo y el mínimo de salinidad en la posición del CTD. El aparente
retroceso del mínimo de salinidad en su propagación estuario arriba en el
CTD2 y CTD3, respecto de CTD1, es debido a que las medidas son tomadas
cada 30min y el desfase entre el CTD1 y el CTD3 es inferior a ese valor......... 40
Figura 4.20. Series temporales de salinidad, ordenadas de arriba abajo, de
CTD0 a CTD7. Medidas a 1m: línea azul, a 2m: roja, a 3m: verde, a 4m: cian.
........................................................................................................................................ 41
Figura 4.21. Salinidad promediada en la vertical. Nótese el cambio de escala
vertical en cada panel. ................................................................................................ 42
Figura 4.22. Perfiles verticales instantáneos en la primera pleamar del 28 de
agosto de 2008 (marea muerta) en cada CTD. ...................................................... 43
Figura 4.23. Esquemático de la distribución de salinidad vertical a lo largo de
todo el estuario, con las condiciones mostradas en la Figura 4.22..................... 43
Figura 4.24. Débil estratificación durante mareas muertas en CTD2. La
diferencia relativa de densidad en régimen de aguas bajas es inferior al
Δρ / ρ < 0.3% ............................................................................................................... 44
Figura 4.25. Comparación del desfase en las series de nivel (panel superior),
velocidad (panel central) y salinidad (panel inferior). Los datos de salinidad son
7
los observados en el CTD4, los datos de nivel se han tomado del mareógrafo
instalado en la Torre de Tarfía y las velocidades son las medidas por el
ADCP4........................................................................................................................... 45
Figura 4.26 . Por orden de arriba a abajo: Caudales de descarga en Alcalá del
Río, marea astronómica en Bonanza, temperatura y salinidad medidas en el
CTD2 y densidad. Las líneas verticales negras, que sirven de guía, están
numeradas del 1 al 7 de izquierda a derecha......................................................... 46
Figura 4.27. Series temporales de salinidad a 1m promediadas en el ciclo
mareal semidiurno M2, ordenadas de arriba abajo, de CTD0 a CTD7. Nótese
el cambio de escala vertical en cada panel............................................................. 47
Figura 4.28. Series temporales de salinidad a 1m promediadas en el periodo
submareal Msf, ordenadas de arriba abajo, de CTD0 a CTD7. Nótese el
cambio de escala vertical en cada panel................................................................. 47
Figura 4.29. Series temporales de salinidad a 1m promediadas en el ciclo
submareal Mm, ordenadas de arriba abajo, de CTD0 a CTD7. Nótese el
cambio de escala vertical en cada panel................................................................. 48
Figura 4.30. Perfil longitudinal de salinidad máximo, medio y mínimo a escala
Msf. Los puntos considerados son aquellos más próximos al 30 de agosto de
2008 tomando como referencia el 14 de abril de 2008. ........................................ 49
Figura 4.31. Perfil longitudinal de salinidad máxima, media y mínima a escala
Mm Los puntos considerados son aquellos más próximos al 30 de agosto de
2008 tomando como referencia el 14 de abril de 2008. ........................................ 49
Figura 4.32. Desplazamiento horizontal instantáneo (en km) de una partícula
fluida en las ubicaciones que se indican. La velocidad de desplazamiento de la
partícula se ha considerado urms tomado de los ADCPs más próximos a las
ubicaciones de los CTDs............................................................................................ 50
Figura 4.33. Representación de los datos de la Tabla 4.15. ............................... 51
Figura 4.34. Relación entre posición de la intrusión salina (panel 4º),
precipitación en Puebla del Río (panel 3º), descargas en Alcalá del Río (panel
2º) y nivel de marea en Bonanza (panel 1º)............................................................ 52
Figura 4.35. Intrusión salina promediada en el ciclo semidiurno M2. ................. 52
Figura 4.36. Intrusión salina promediada en el ciclo submareal Msf. ................. 53
Figura 4.37. Intrusión salina promediada en el ciclo submareal Mm. ................. 53
Figura 4.38. Tramos considerados en el cálculo de los coeficientes de
dispersión efectivos instantáneos y promediados en el ciclo semidiurno. ......... 54
Figura 4.39. Coeficiente de dispersión efectivo instantáneo en el Tramo 4 - 2. 55
Figura 4.40. Panel inferior: Coeficiente de dispersión medio mareal (línea azul)
y medio Msf (círculos rojos) en el tramo 6-5. Panel central: Caudales
descargados desde la presa de Alcalá del Río. Panel superior: Elevación
registrada en el TG0, Bonanza.................................................................................. 56
Figura 4.41. Por orden de arriba a abajo: caudales de Alcalá del Rio (Q),
precipitación media en la estación RIA de Lebrija 1 (Prem), marea astronómica
registrada en el puerto de Bonanza (marH), altura de ola significante espectral
(Hm0), periodo de pico (Tp), dirección media de procedencia del oleaje (DirM),
velocidad del viento (VelV), dirección media de procedencia del viento(DirV),
simulados en el nodo WANA frente a la desembocadura y, finalmente, valores
de salinidad (S) medidos a 1m desde la superficie libre por el CTD Cepillos
(CTD1). .......................................................................................................................... 58
Figura 4.42. Por orden de arriba a abajo: Valores de salinidad (S) medidos a 1
m desde la superficie libre por los CTDs ubicados a lo largo del cauce principal
8
(desde CTD0 hasta CTD7) para el periodo que va desde 04/04/2008 hasta
03/06/2008. ................................................................................................................... 59
Figura 4.43. Por orden de arriba a abajo: caudales en Alcalá del Rio (Q),
precipitación media en la estación RIA de Lebrija 1 (Prem), marea en el
mareógrafo de Bonanza (marH), parámetros atmosféricos (VelV, DirV, Ps) en
Salmedina, parámetros de oleaje simulados en el WANA 3 frente a la
desembocadura (Hm0, TP, DirM), y valores de salinidad (S) medidos a 1 m
desde la superficie libre por el CTD1; representados de arriba hacia abajo, para
el periodo de estudio que va desde 12/01/2009 hasta 12/03/2009..................... 60
Figura 4.44. Por orden de arriba a abajo: Valores de salinidad (S) medidos a 1
m desde la superficie libre por los CTDs ubicados a lo largo del cauce principal
(desde CTD0 hasta CTD7) para el periodo de estudio que va desde
12/01/2009 hasta 12/03/2009. ................................................................................... 61
Figura 4.45. Evolución longitudinal de la salinidad promediada en un ciclo de
marea semi-diurna (g/l) en función del desembalse medio desde la presa de
Alcalá. ............................................................................................................................ 62
Figura 4.46. Salinidad media mareal S M estacionaria frente al caudal medio
descargado Qf (promediado en 4 días) que provocó el cambio en las
condiciones estacionarias. ......................................................................................... 63
Figura 4.47. Curvas de salinidad instantánea (línea azul) , promediada en ciclo
semidiurno M2 (círculos rojos) y ajustes a la salinidad media mareal (líneas
negras) para el CTD1 como respuesta a la descarga media de 339 m 3 / s y pico
de 531.2 m 3 / s . Los parámetros de ajuste se muestran la Tabla 4.18. .............. 64
Figura 4.48. Curvas de salinidad instantánea (línea azul) y ajustes a la
salinidad media mareal (líneas negras) para cada CTD0 como respuesta a la
descarga media de 91 m 3 / s y pico de 121.1 m 3 / s . Los parámetros de ajuste se
muestran la Tabla 4.20. .............................................................................................. 65
Figura 4.49. Salinidad en PSU en los CTD0-CTD6 comparada con las
descargas de la presa Alcalá del Río (panel inferior). Nótese el cambio de
escala vertical para la salinidad en cada panel. ..................................................... 66
Figura 4.50. Equipos CTD considerados y tramos que los comprenden,
definidos por las líneas color cian............................................................................. 68
Figura 4.51. Descomposición del flujo medio mareal en el CTD2....................... 69
Figura 4.52. Variación con la distancia a la desembocadura de los términos del flujo
promediados en todo el intervalo temporal analizado. ................................................... 69
Lista de Tablas
Tabla 4.1. Tramos del cauce principal (véase Figura 4.2).................................... 19
Tabla 4.2. Áreas y anchuras de salida y parámetros de convergencia para cada
tramo. Valor medio de h, A y B en cada tramo. Se completa con los parámetros
del estuario global, por comparación. Los datos “Completos” no incluyen el
tramo de la Broa (T1), desde Bonanza hasta Alcalá. ............................................ 20
Tabla 4.3. Número de estuario por tramos.............................................................. 21
9
Tabla 4.4. Número de prisma de marea por tramos. El punto kilométrico está
medido desde la presa de Alcalá del Río. ............................................................... 22
Tabla 4.5 Número de Richardson y número de Froude densimétrico. Para
determinar Δρ se ha hecho uso de los datos de los CTDs a 1m y a 4m de
profundidad. Se ha considerado una velocidad media en aguas bajas de
u f = 0.01 m / s y Q f = 25 m3 / s . .................................................................................... 22
Tabla 4.6. Velocidad media en un ciclo M2, desplazamiento E de una partícula
en un semiciclo M2 (TM 2 / 2 ), carrera de marea a observada en cada
mareógrafo y relación entre E y a . ......................................................................... 23
Tabla 4.7. Carrera de marea observada en cada mareógrafo (estuario
mesotidal)...................................................................................................................... 23
Tabla 4.8. Ancho, profundidad, celeridad y longitud de onda de la constituyente
semidiurna M2, relación entre anchura y profundidad y relación entre longitud
del estuario y la longitud de onda. Los datos “Completos” no incluyen el tramo
de la Broa (Tramo 1). .................................................................................................. 23
Tabla 4.9. Puntos kilométricos donde se ubican los equipos CTD en km desde
la Broa. .......................................................................................................................... 32
Tabla 4.10. Puntos kilométricos donde se ubican los mareógrafos en km desde
la Broa. .......................................................................................................................... 33
Tabla 4.11. Puntos kilométricos donde se ubican los mareógrafos en km desde
la Broa. .......................................................................................................................... 33
Tabla 4.12. Puntos kilométricos donde se ubican los correntímetros en km
desde la Broa. .............................................................................................................. 33
Tabla 4.13. Amplitudes en PSU de las constituyentes más significativas para
cada CTD. ..................................................................................................................... 38
Tabla 4.14. Variaciones de salinidad (en PSU) ΔS en la vertical para los
distintos equipos el 28/08/2008. ................................................................................ 43
Tabla 4.15. Salinidad media s a anual, mínima s a ,min (estación húmeda) y
máxima s a ,max (estación seca) en cada CTD. El umbral entre húmeda y seca se
ha fijado el 1 de octubre de 2008. ............................................................................. 50
Tabla 4.16. Reducción (de invierno a verano) aproximada estacional en % en
cada CTD. ..................................................................................................................... 51
Tabla 4.17. Caudales aliviados en la presa de Alcalá del Río en m3/s que
superan los 500m 3 / s , desde enero de 2008. ........................................................... 57
Tabla 4.18. Parámetros de ajuste para la salinidad media mareal en el CTD1 en
respuesta a las descargas fluviales en torno al 7 de febrero de 2009. NA = No
aplicable. ....................................................................................................................... 64
Tabla 4.19. Tiempo de recuperación total en cada CTD. Se obtiene como la
suma de los tiempos de recuperación lineal y el TR del ajuste de tangente
hiperbólica. .................................................................................................................... 65
Tabla 4.20. Parámetros de ajuste para la salinidad media mareal en el CTD0 en
respuesta a las descargas fluviales en torno al 7 de febrero de 2009. .............. 65
Tabla 4.21. Puntos kilométricos donde se ubican los equipos CTD en km
(desde la Broa) y longitudes de los tramos correspondientes. ............................ 68
10
11
12
Resumen
Los aportes salinos en el estuario provienen, principalmente, del flujo de agua marino asociado
a la dinámica mareal y las corrientes marinas. Comparado con éste, el aporte global de sales
de origen fluvial no es significativo. La evolución temporal de la salinidad promediada en una
sección transversal del estuario depende de la magnitud relativa del prisma de marea frente al
volumen de agua dulce de origen fluvial. La salinidad experimenta variaciones cíclicas anuales,
variaciones asociadas a ciclos de mareas vivas o muertas, a lo largo del ciclo mareal y
puntuales asociadas a los pulsos de entrada de agua dulce causadas por descargas de
embalses y escorrentía por precipitación. En el interior del estuario, y a lo largo del año, la
salinidad en una sección varía ligeramente con la profundidad y la anchura, si bien solo en
determinadas fases del ciclo mareal, tanto más acusados cuanto más cerca de la
desembocadura, se pueden producir frentes salinos longitudinales y pequeñas variaciones en
la vertical. Con carácter general, el estuario del Guadalquivir está bien mezclado y la
estratificación vertical es escasa y poco frecuente. Cuando las descargas fluviales superan
100 m 3 / s se reduce la intrusión salina en cada ciclo de marea.
Cuando las descargas fluviales son bajas Q f ,d < 100 m
3
/ s , donde Qf ,d se refiere al caudal
medio diario, el estuario del Guadalquivir está bien mezclado y la estratificación vertical es
escasa y poco frecuente. Por el contrario, cuando Q f ,d
> 500 m 3 / s el río "mantiene" el agua
salada en la desembocadura, donde se forma una cuña salina y las aguas dulces dominan el
estuario penetrando la intrusión solamente unos pocos kilómetros en el estuario. Los tiempos
de recuperación de la intrusión depende del volumen de agua vertido, del ciclo mareal, vivas o
muertas, del viento y del oleaje en la desembocadura y en la costa.
En la desembocadura y en la zona de confluencia y mezcla de agua dulce y salada,
principalmente, existe un gradiente vertical de salinidad, tanto menor cuanto mayor sea el
grado de mezcla de la columna de agua. Las descargas fluviales, evaporación y corrientes
pequeñas de entrada y salida (mareas muertas) favorecen la segregación vertical de la
salinidad. Los eventos climáticos tienen escalas temporales entre dos y cinco días asociados al
paso de bajas presiones y pueden alterar la circulación en el estuario, pudiendo favorecer la
mezcla o la segregación. Vientos fuertes, condiciones turbulentas, rugosidad del lecho,
incremento de la temperatura del agua, aguas someras, etc. son factores y condiciones que
favorecen el grado de mezcla. Las variaciones estacionales de la temperatura del agua de mar
repercuten asimismo en la salinidad.
Estructura del capítulo y sus contenidos
Inicialmente se hace una introducción general de los procesos y las escalas espaciotemporales presentes en los procesos de transporte salino. Seguidamente, se describe
teóricamente el problema de la salinidad y se justifica el uso de modelos unidimensionales para
la descripción del transporte salino a lo largo del eje longitudinal en el estuario del Guadalquivir.
A partir de los datos recogidos por la extensa red de medida (véase Anejos) se realiza un
análisis y descripción exhaustiva de la salinidad a lo largo del estuario, permitiendo caracterizar
la dinámica y su variabilidad con los agentes externos en régimen de aguas bajas y avenidas.
Para finalizar, se presentan los resultados del balance de sal en el estuario, importantes para
predecir las características estuarinas y cuantificar la circulación de agua y los procesos de
mezcla.
13
14
4.1.
Introducción
4.1.1.
Definiciones
s(x , y, z ; t ) es la concentración de sales totales en el agua del estuario; varía en el
espacio (x , y, z ) y en el tiempo (t ) y se expresa como la masa (en gramos) de sales disuelta
La salinidad
en 1 kg de agua. La definición estándar de la salinidad se realiza a partir de una medida de la
conductividad eléctrica del agua (PSS78) en condiciones específicas. Apoyándose en ella, es
habitual expresar la salinidad en PSU, (Practical Salinity Unit), que es aproximadamente el
peso en gramos de la sal disuelta en 1 kg de agua y por tanto tiene su fundamento
experimental en la medida de la conductividad en el agua. En este Informe se expresa la
salinidad en PSU y a todos los efectos se considera como una medida de la concentración de
sales disueltas en el seno del fluido. En la mayor parte de las aguas marinas del mundo, su
salinidad media se encuentra entre 33 g / kg y 37 g / kg (o, de forma equivalente, 33 y 37
‰), siendo dos órdenes de magnitud superior a la salinidad del agua continental (de ahí que
ésta sea denominada agua dulce), y con iones dominantes diferentes. En un punto cualquiera
del estuario, en un momento dado, la salinidad se aproximará más o menos a la del agua
marina según el grado de mezcla con las aguas fluviales.
La densidad del agua en el estuario es su masa por unidad de volumen y en este Informe sus
3
unidades son kg / m ; es función de la temperatura, la salinidad, la presión y de la
concentración de los sólidos en suspensión. En un estuario de profundidades reducidas como
el Guadalquivir, la dependencia de la densidad con la presión es despreciable, pudiendo
considerarse el agua como un fluido incompresible. La anomalía de la densidad con la
temperatura y la salinidad σ ρ que se define como
σ ρ ( x, y, z; t ) = ρ ( x, y, z; t ) − ρ ref ,
donde
(4.1)
ρ ref = 1000 kg / m3 . La variación de la densidad del agua con la temperatura viene, a
su vez, dada por
ρT ª (kg / m3 ) = 1000 − 0.019549 ⋅ T ª (°C ) − 3.98
−4
donde el coeficiente de expansión térmica es αT = 1.95 ⋅ 10
densidad del agua con la salinidad es
1.68
,
y la dependencia de la
ρ sT ª = ρT ª (1 + β s ⋅ s(‰)),
−4
donde βS = 7.8 ⋅ 10
(4.2)
(4.3)
.
La densidad de la mezcla de agua, incluyendo los sólidos en suspensión, depende de la
densidad de las partículas de sedimento ρ s y de la densidad de los flóculos ρ floc . En este
capítulo no se ha considerado esa dependencia, y se admite que la densidad del agua en el
seno del fluido depende solamente de la salinidad y de la temperatura. Cuando se dispone de
información suficiente sobre la materia en suspensión en un tramo dado, se puede recurrir a la
expresión
ρc
ss sT
ª
= ρT ª (1 + β s ⋅ s (‰) + 6.2 ×10−4 ⋅ css (kg / m3 )),
(4.4)
15
siendo css la concentración de sólidos en suspensión. Cuando se ha dispuesto de datos
simultáneos de temperatura, salinidad y presión se ha calculado la densidad utilizando la
ecuación de estado de la UNESCO (véase Anejo J) sin considerar la concentración de sólidos
en suspensión.
4.1.2.
Procesos de mezcla y escalas espacio-temporales
El estuario del Guadalquivir es la zona de transición entre el ambiente fluvial y el marino y se
caracteriza por los gradientes espacio-temporales de la magnitud de mezcla de aguas dulce y
salada que determinan su temperatura, salinidad, material en suspensión, densidad y
producción primaria. Todas ellas son variables locales, por lo que su valor depende de su
posición espacial y del tiempo.
En el estuario del Guadalquivir, las sales penetran desde la desembocadura en mayor o menor
extensión en función de la intensidad de los procesos de mezcla que dependen,
principalmente, de la marea y la descarga fluvial, y de su variabilidad debida a, (i) la geometría
del estuario, (ii) el ciclo mareal, (iii) la secuencia de mareas vivas y muertas, (iv) las condiciones
meteorológicas relacionadas al paso de ciclones extratropicales y anticiclones, y sus
manifestaciones: viento, presión atmosférica y precipitación y (v) la circulación global
(atmosférica y oceánica) que regula y controla la temperatura y la salinidad del océano. La
competencia entre aquellos agentes determina la magnitud de los gradientes espaciotemporales de la salinidad e, indirectamente, de la densidad del agua y de los sólidos en
suspensión.
En el estuario del Guadalquivir coexisten varios mecanismos que fuerzan la mezcla longitudinal
y transversal de las sales y mitigan los efectos sobre la salinidad debidos a los flujos advectivos
de sales relacionados con la acción mareal y fluvial. Los principales mecanismos de mezcla se
deben a la acción de los siguientes agentes:
1. Marea astronómica: turbulencia, la tensión tangencial mareal, la retención de agua en
llanos y caños mareales y lucios y las corrientes residuales transversales y
longitudinales.
2. Río: aportación de agua dulce y la circulación gravitacional relacionada con las
variaciones de densidad y las corrientes secundarias longitudinales y transversales
debidas a las descargas fluviales.
3. Viento y oleaje: acción tangencial en la superficie y en el fondo y gradiente longitudinal
de nivel superficial.
Todos ellos fuerzan la difusión longitudinal y transversal de la salinidad, y cada uno de ellos
determina el sentido del flujo de sales, hacia la cabecera del estuario o hacia su
desembocadura. El número de Richardson de estuario cuantifica la importancia relativa entre la
circulación gravitacional y los procesos de mezcla asociados a la marea astronómica.
Con los datos disponibles no es posible separar, con fiabilidad, los flujos correspondientes a
cada uno de los mecanismos de mezcla, por lo que el modelo predictivo elaborado en este
Informe se apoya en la determinación de unos coeficientes efectivos de dispersión que
dependen de la escala de trabajo.
4.1.2.1.
Escalas espacio-temporales
La variabilidad espacio-temporal de la salinidad, temperatura y densidad está relacionada con
las escalas de los movimientos de los agentes que los gobiernan y de la geometría del
estuario. En el ámbito temporal, los valores de las tres variables de estado evolucionan durante
el ciclo mareal y responden a la secuencia de mareas vivas y muertas y ciclos anuales y,
asimismo, de forma puntual, a las descargas fluviales. De forma análoga, en el ámbito espacial,
16
aquellos valores varían a lo largo y ancho del estuario y, además, con la profundidad. En
cualquier sección del interior del estuario, la salinidad varía ligeramente con la profundidad y la
anchura, si bien en determinadas fases del ciclo mareal, tanto más acusados cuanto más cerca
de la desembocadura, se pueden producir frentes salinos longitudinales, y variaciones en la
distribución longitudinal y vertical que dependen principalmente del régimen hidráulico del río.
En función del objetivo del análisis y de la información disponible en este capítulo se aplican
diferentes promedios en el espacio y en el tiempo de las variables de estado.
Se define el promedio temporal de una variable instantánea
ζ (x , y, z ;T ) =
ζ como
t +T
1
T
∫
ζ (x , y, z ; τ )d τ ,
(4.5)
t
siendo T el periodo de tiempo sobre el que se promedia. En este capítulo son relevantes los
siguientes promedios temporales a escala
•
•
•
•
•
•
•
•
Turbulenta: escala en la que se promedian los valores instantáneos para separar el
valor medio y las fluctuaciones turbulentas (T= 1-3 s). En este estudio no se disponen de
datos con una frecuencia de muestreo tan alta.
Instrumental o de estado: escala de tiempo fijada por la resolución temporal
proporcionada por los instrumentos instalados que, en el contexto mareal, se adopta
como la duración del estado mareal o tiempo en el que se admite que la dinámica
mareal es estacionaria.
Mareal: asociada a la variación semidiurna de la marea astronómica, M2, S2, N2, con
TM 2 = 12.45 h .
Sobremareal: movimientos a frecuencias múltiplos de la mareal semidiurna generadas
por la interacción no lineal entre constituyentes semidiurnas entre sí. A frecuencia doble
de la M2 se tiene la M4, TM 4 = TM 2 / 2 = 6.22 h , y con otras de periodo cercano
MN4, MS4.
Submareal: movimientos de baja frecuencia por interacción no lineal de las
constituyentes mareales entre sí; Msf, Mm, con periodos significativos de
TMsf = 14.22 días y TMm = 28.44 días .
Escalas meteorológicas: típicamente unos pocos días, asociadas a descargas
fluviales, al paso de las borrascas extratropicales y al régimen de brisas locales y
remotas.
Estacional: con periodos de varios meses relacionados con la duración de las
estaciones en el estuario del Guadalquivir y su entorno.
Anual: con periodos de TAnual = 365 días .
En cuanto a los espaciales, el promedio en la columna de agua de una variable instantánea ζ
es:
ζ=
1
η + h0
∫
η
−h0
ζ (x , y, z ; t )dz
(4.6)
siendo z la componente vertical. En este capítulo son relevantes los siguientes promedios
espaciales (véase Glosario en Anejos)
• En la profundidad η + h y se denota ζ .
•
En la anchura de la sección B , y se denota ζ .
•
En la sección A , y se denota ζ
•
En un tramo longitudinal del estuario Tr.
17
4.1.3.
Geometría del estuario del Guadalquivir y su
tramificación
Desde su desembocadura hasta la presa de Alcalá del Río, el estuario del Guadalquivir está
formado por un canal principal y varios secundarios, siendo relevantes el caño de la Torre y el
caño del Este, el caño que conecta el antiguo cauce del río Guadiamar, Rivera de Huelva y los
humedales del Espacio Natural de Doñana. La marea astronómica circula, principalmente, por
el canal principal que sirve, a su vez, de canal de navegación hasta el Puerto de Sevilla.
Figura 4.1. Parámetros de ajuste geométricos del cauce principal del Guadalquivir: sección (cruces verdes),
anchura (cuadrados rojos) y profundidad (círculos azules). Para el ajuste de anchura, sección y profundidad
media en todo el estuario no se han considerado los datos en la Broa, más allá de Bonanza.
Anchuras y secciones decrecen exponencialmente con la distancia a la desembocadura.
Considerando el estuario completo, los parámetros de convergencia se pueden estimar a partir
de una ley de la forma
A( x) = A0 e − x / α0
B ( x) = B0 e − x / β0
siendo
(4.7)
A0 = 5839.4 m 2 , B0 = 795.15 m , α 0 = 60.26 km y β 0 = 65.5 km . Se ha considerado
el origen en la Broa de Sanlúcar a 8.65km de Bonanza y a 108.9km de la presa de Alcalá del
Río.
En el canal principal se puede reconocer seis tramos en función de la variación del área de la
sección y la anchura del canal. Los tramos se dan en Tabla 4.1. Se puede suponer que ambas
magnitudes, área y anchura, decrecen según leyes exponenciales,
18
A( x) = Ak ,0 e
−( x − xk ) / α k
B ( x) = Bk ,0 e
−( x − xk ) / β k
(4.8)
donde k = {1,2, 3, 4, 5, 6} representa el tramo y x k es el punto kilométrico inicial del tramo,
Ak ,0 y Bk ,0 son el área y la anchura a la salida de cada tramo y αk y βk son los respectivos
coeficientes de convergencia. Los resultados se encuentran en la Tabla 4.2 y en la Figura 4.3.
Id
T1
T2
T3
T4
T5
T6
Tramos
Broa de Sanlúcar – Bonanza
Bonanza – Pta. de los Cepillos
Pta. de los Cepillos – Tarfía
Tarfía – Corta Jerónimos
Corta Jerónimos – Punta del Verde
Pta. del Verde – Alcalá del Río
Kilómetros
0 – 5.3
5.3 – 16.5
16.5 – 26.3
26.3 – 51.3
51.3 – 79.3
79.3 – 108.9
Tabla 4.1. Tramos del cauce principal (véase Figura 4.2).
Figura 4.2. Definición de los tramos dados en la Tabla 4.1.
En el primer tramo (T1), entre la Broa de Sanlúcar y Bonanza, la reducción del área y de la
anchura tiene lugar en una distancia relativamente corta. El segundo tramo (T2), hasta
Cepillos, es relativamente homogéneo, aunque presenta un subtramo convergente, seguido de
otro divergente. En la primera curva, entronca el cauce del Guadiamar y los caños que drenan
el Entorno Natural Doñana, y en la segunda el caño de la Torre.
Después, en el tramo T3, hacia aguas arriba, el cauce reduce ligeramente su sección y
anchura describiendo una "S invertida" en un tramo de curva y contracurva con sección
transversal asimétrica, mostrando aguas someras en la parte interior de la curva, y aguas
profundas en la exterior. Esta geometría da lugar a la formación de corrientes secundarias y a
la variación transversal de la velocidad horizontal (véase Capítulo 7).
Aguas arriba, desde Tarfía hasta la presa del Alcalá del Río, el área y la anchura del canal
decrecen más suavemente e igualmente se pueden aproximar por leyes exponenciales. El
último tramo, el T6, se extiende desde la esclusa hasta la presa de Alcalá del Río y es un tramo
caracterizado por una onda estacionaria. En este tramo no es habitual realizar labores de
dragado y la onda de marea alcanza la presa con amplitud finita y se refleja en ella. El
parámetro de convergencia es menor que en los tramos T2 - T4 y está acotado por algunas
obras en las márgenes.
Parám. / Tramos
T1
6113.1
T2
5434
T3
5130
T4
3783.80
T5
2421.4
T6
2224
Completo*
5839.4
ak ,1 (km )
4.71
31.64
102.62
204.84
282.08
27.41
60.26
Bk ,1 (m )
9910
777.84
698.70
477.57
437.86
354.99
795.15
bk ,1 (km )
4.64
40.84
636.28
289.21
62.48
25.11
65.5
h k (m )
6.22
6.91
7.33
8.129
6.8
6.58
7.14
2
Ak ,1 (m )
19
Ak (m 2 )
41890
4803
4898
3575
2299
1552
3425.4
B k (m 2 )
6758.6
706.35
703.99
458.70
349.46
240.28
491.75
Tabla 4.2. Áreas y anchuras de salida y parámetros de convergencia para cada tramo. Valor medio de h, A y B
en cada tramo. Se completa con los parámetros del estuario global, por comparación. Los datos “Completos”
no incluyen el tramo de la Broa (T1), desde Bonanza hasta Alcalá.
Figura 4.3. De arriba abajo y en rojo: datos de anchura, sección y profundidad media a lo largo del eje
longitudinal del estuario. Se muestran en azul los ajustes según la Eq. (4.8) en cada tramo.
4.1.4.
Cinemática mareal y números adimensionales
Los procesos asociados a la salinidad en el estuario están controlados por la propagación de
onda de marea. El carácter dinámico del estuario en condiciones habituales (aguas bajas)
puede determinarse a partir de los parámetros que se muestran en esta sección. Ya en el
capítulo dedicado a la dinámica mareal (Capítulo 3) se presentaron estos valores de la
cinemática mareal y de los números adimensionales cuya magnitud depende de la geometría
del cauce. Los datos han sido obtenidos a partir de la red de medidas instalada por el ICMANCSIC (véase Anejo A)
•
•
Es un estuario convergente, poco estratificado o bien mezclado.
Es un estuario mesotidal con rangos de marea en la desembocadura Δη < 4m , con
dominio de la constituyente M2, de periodo TM 2 = 12.45 h .
•
20
•
El estuario varía de hiposíncrono en la desembocadura a hipersíncrono a partir del km
60.
Profundidad media del estuario, sin incluir el tramo de la Broa de Sanlúcar, es
h = 7.09 m . Véase Tabla 4.2.
•
Celeridad media de la onda de marea: C 0
•
Longitud de onda λM 2
•
Longitud del estuario LEst = 109.8 km (incluye el tramo de la Broa), Tabla 4.8.
•
Existe un desfase mareal entre pleamar y las estoas correspondientes (onda
progresiva-onda estacionaria), Figura 4.4.
gh
8.34 m / s , Tabla 4.8.
C 0TM 2 = 373.79 km , Tabla 4.8.
Figura 4.4. Desfase entre pleamar y la estoa de llenante a lo largo del estuario en mareas vivas y en muertas.
En la Tabla 4.3, Tabla 4.4 y Tabla 4.5 se recogen, respectivamente, los valores del número de
Estuario, Prisma de marea Pt y Número de Richardson a lo largo del estuario. Los datos
pueden ser interpolados a las cuatro transiciones consideradas anteriormente para caudales en
3
régimen mareal (régimen de aguas bajas), i.e. Q f ,d < 100 m / s . Los parámetros han sido
calculados durante marea viva, desde el 15 hasta el 16 de octubre de 2008
3
(Q f ,d = 2 − 7 m / s ).
Número de estuario : N E = Q fTM 2 / Pt
Véase Tabla 4.3. La magnitud Q f es el caudal del río, TM 2 el periodo semidiurno de la marea
astronómica y Pt ,k el prisma de marea o volumen de agua que pasa por la sección k en un
semiciclo mareal. Relaciona la descarga fluvial con el prisma de marea. Puesto que los datos
de prisma de marea han sido calculados a partir de los datos de correntímetros ADCP, el
número de estuario se refiere a las ubicaciones de éstos (véase Anejos y Figura 4.11) que,
aproximadamente, coincide con la tramificación antes dada. Los datos pueden ser interpolados
3
a los tramos definidos anteriormente (valores obtenidos para caudales inferiores a 50 m / s ).
ADCP1
4704.1
ADCP2
5566.6
ADCP3
4158.0
ADCP4
4389.8
ADCP5
2350.9
ADCP6
2617.2
Pt (107 × m 3 )
6.9427
6.8152
4.7903
6.2842
3.5252
3.6438
NE
0.0045
0.0046
0.0065
0.0050
0.0089
0.0086
2
A (m )
Tabla 4.3. Número de estuario por tramos.
Número de prisma de marea N P = Pt / (A ⋅ Lk )
21
Véase Tabla 4.4. Relación entre el área de la sección en mareas vivas y el prisma de marea;
Lk es la longitud del estuario, hacia aguas arriba, desde la sección.
A (m )
ADCP1
4704.1
ADCP2
5566.6
ADCP3
4158.0
ADCP4
4389.8
ADCP5
2350.9
ADCP6
2617.2
x (km )
95.5
89
78
70
60.5
46
Pt (107 × m 3 )
6.9427
6.8152
4.7903
6.2842
3.5252
3.6438
NP
0.1545
0.1375
0.1477
0.2045
0.2478
0.3026
2
Tabla 4.4. Número de prisma de marea por tramos. El punto kilométrico está medido desde la presa de Alcalá
del Río.
Número de Richardson de estuario:
N R = gQ f ( Δρ / ρ ) / ( Bmut3,rms )
Véase Tabla 4.5. Con Δρ la diferencia de densidad entre la superficie y el fondo, g la
aceleración gravitatoria y
ρ
la densidad media en la columna de agua, Bm el ancho medio
mareal, Q f el caudal por sección media asociado a la descarga fluvial y ut ,rms la velocidad
cuadrática media asociada a la marea. Para valores inferiores a 0.08 el estuario está bien
mezclado. Como se observa en la Tabla 4.5, en todos los puntos de medida esas son
precisamente las condiciones que presenta el estuario, revelando la baja estratificación del
estuario. También se muestra el número de Froude densimétrico Fm = u f /
ghm ( Δρ / ρ ) ,
con u f el caudal medio por unidad de área asociado a la descarga fluvial. Según estos valores
de Fm se trata de un estuario prototípico bien mezclado en el cual la estratificación salina es
débil.
Δρ (kg / m 3 )
ADCP1
/ CTD1
1
ADCP2
/ CTD2
1
ADCP3
/ CTD3
1
ADCP4
/ CTD4
0.5
ADCP5
/ CTD5
0.5
ADCP6
CTD6
0.2
ut (m / s )
0.71
0.81
0.68
0.70
0.72
0.53
Fm
NR
0.0382
0.0381
0.0381
0.0538
0.0537
0.0848
8.94e-4
5.89e-4
1.02e-3
4.72e-4
4.30e-4
4.19e-4
Tabla 4.5 Número de Richardson y número de Froude densimétrico. Para determinar
Δρ
/
se ha hecho uso de
los datos de los CTDs a 1m y a 4m de profundidad. Se ha considerado una velocidad media en aguas bajas de
u f = 0.01 m / s
y
Q f = 25 m3 / s .
Para su utilización posterior, en la Tabla 4.6, Tabla 4.7 y Tabla 4.8, se recogen los siguientes
números obtenidos por tramos
urms (m )
TG0
/
ADCP1
0.2
TG1
/
ADCP2
0.18
TG2
/
ADCP3
0.12
TG3
/
ADCP4
0.08
TG4
/
ADCP5
0.21
TG5
/
ADCP6
0.1
TG6
/
ADCP6
0.1
E (m )
4482
4033.8
2689.2
1792.8
4706.1
2241
2241
urms TM 2 / 2
22
a (m )
2.75
1.75
1.8
1.35
1.7
2.1
2.56
E /a
1629.81
2305.2
1494
1328
2768.29
1067.14
875.39
Tabla 4.6. Velocidad media en un ciclo M2, desplazamiento
carrera de marea
a
E
de una partícula en un semiciclo M2 (TM 2
observada en cada mareógrafo y relación entre
E
y
/ 2 ),
a.
a (m )
TG0
2.75
TG1
1.75
TG2
1.8
TG3
1.35
TG4
1.7
TG5
2.1
TG6
2.56
a /h
0.3879
0.2468
0.2539
0.1904
0.2398
0.2962
0.3611
Tabla 4.7. Carrera de marea observada en cada mareógrafo (estuario mesotidal).
Parám.
Tramos
/
1
2
3
4
5
6
Completo*
B (m )
6758.6
706.35
703.99
458.70
349.46
240.28
491.75
h (m )
6.22
6.91
7.33
8.13
6.80
6.58
7.14
C 0 (m / s )
7.81
8.23
8.48
8.93
8.17
8.03
8.37
λM 2 (km )
350.29
369.20
380.26
400.45
366.25
360.28
375.29
LEst / λM 2
B /h
0.31
0.30
0.29
0.27
0.30
0.30
0.29
1086.6
102.22
96.04
56.42
51.39
36.51
68.51
Tabla 4.8. Ancho, profundidad, celeridad y longitud de onda de la constituyente semidiurna M2, relación entre
anchura y profundidad y relación entre longitud del estuario y la longitud de onda. Los datos “Completos” no
incluyen el tramo de la Broa (Tramo 1).
En los cuatro tramos del río se satisfacen las siguientes desigualdades,
a < hm
Bm
E
λM 2
(4.9)
que apoyan el desarrollo de modelos predictivos 1D tanto para el flujo de agua como de
salinidad y sedimentos.
4.1.5.
Regímenes de salinidad
A efectos de análisis y gestión de la salinidad en el estuario se pueden distinguir tres
3
regímenes de salinidad: (i) de aguas bajas o estuario bien mezclado (Q f ,d < 100 m / s ), (ii)
de aguas altas y avenidas o estuario dominado por el agua dulce y presencia de cuña salina en
3
la desembocadura (Q f ,d > 500 m / s ) y (iii) aguas intermedias o estuario en régimen de
transición entre ambas situaciones anteriores.
La Figura 4.5 representa la salinidad media mareal
bajas
Sm en el estuario en régimen de aguas
3
Q f ,d < 100m / s ; la salinidad apenas varía con la profundidad y reduce
progresivamente su valor desde la desembocadura hacia la cabecera del estuario. El estuario
tiene sus aguas bien mezcladas. En la Figura 4.6 se muestra el descenso relativo de la
23
salinidad media a lo largo del eje longitudinal del cauce, presentando un decrecimiento máximo
a unos 20km en la zona de Esparraguera.
Figura 4.5. Distribución de salinidad a lo largo de todo el estuario, régimen hidráulico de aguas bajas.
Figura 4.6. Evolución a lo largo del eje longitudinal del descenso relativo de salinidad media (g/l) frente a una
3
descarga de 50 m /s. Las líneas rojas representan las rectas de tendencia de ajuste de los datos.
En la Figura 4.7, se representa la salinidad media mareal en el estuario cuando la descarga
3
diaria media en 5 días es del orden de Q f ,d = 424 m / s y el caudal punta supera
Qf ,d
531 m 3 / s (descarga del 7 de febrero de 2009). Los datos muestran un estuario lleno
de agua dulce y una transición brusca en la desembocadura entre las aguas marinas y las
aguas fluviales. La transición define una cuña salina; por la parte superior descarga el río y por
la inferior penetra el agua salada. También es este caso el estuario se encuentra bien
mezclado.
Figura 4.7. Distribución de salinidad a lo largo de todo el estuario, régimen hidráulico de aguas intermedias.
En la Figura 4.8 se representa el comportamiento del estuario, tras recibir una descarga media
3
del orden de Q f ,d = 225 m / s , inferior al caso anterior, con un caudal punta mayor:
24
Qf ,d = 557 m 3 / s (descarga del 11 de abril de 2008). Hacia aguas arriba la salinidad no varía
con la profundidad, mientras que entre Tarfía y la desembocadura, la transición entre las aguas
dulces y saladas se va inclinando en la vertical mostrando un comportamiento segregado de
aquellas aguas. A pesar de que en la Figura 4.8 hay datos no válidos en distintos puntos, es
claro que las descargas hacen que la mayor parte del estuario esté ocupado por agua dulce.
Figura 4.8. Distribución de salinidad a lo largo de todo el estuario, régimen hidráulico de avenidas. La falta de
datos o datos no válidos se marcan con un signo de interrogación.
En el Capítulo 2 se ha presentado la función de densidad de probabilidad anual de los caudales
vertidos en la presa de Alcalá del Río y la extremal (o régimen de avenidas) que se repite aquí
por conveniencia (en Figura 4.9). De ella, se deduce que al menos en el 85% de los días del
año, el régimen de salinidad del estuario es el correspondiente a "bien mezclado",
aproximadamente, un 2% de los días del año el régimen de salinidad es "parcialmente
mezclado" en desembocadura y menos del 1% el estuario se comporta como un estuario con
cuña salina en la desembocadura. En promedio, el periodo de retorno para avenidas de
Q f ,d > 2000 m 3 / s es de 10-11 años; en esos casos el estuario forma cuña salina que se
mantiene durante varios días, a veces semanas, en la desembocadura y las aguas dulces
dominan el estuario.
En régimen intermedio, el número de estuario N E , número de Richardson N R y el número de
Froude densimétrico F pueden llegar a incrementarse en 100 veces, llegando a tomar valores
−5
del orden de N E ≈ 0.5 , N R ≈ 2 ⋅ 10 y F = 4 en la parte alta del estuario. En régimen de
avenidas estas figuras se verían incrementadas en un factor 10.
25
Figura 4.9. Función densidad de probabilidad de caudales descargados por la presa de Alcalá del Río.
4.1.5.1. Variabilidad espacio-temporal de la salinidad media en
régimen de bien estuario mezclado
En la Figura 4.10 se representa la salinidad media a lo largo del estuario cuando éste se
encuentra en el régimen de bien mezclado, en el instante en el que se producen las estoas
(instante de velocidad nula) de llenante y de vaciante. Las tres curvas de recesión son similares
y se pueden superponer por simple traslación (del orden del desplazamiento horizontal mareal
E ). Debido a la geometría del estuario, muy convergente en la desembocadura y débilmente
convergente aguas arriba, su forma se mueve entre una exponencial y una gaussiana. El tramo
entre los puntos kilométricos 0 y 15, esto es, entre los CTD0 y CTD1 realmente no es lineal
como se muestra en la curva, que une mediante rectas los puntos observados, sino que
debería ser una curva cóncava primero con pendientes pequeñas cerca del punto kilométrico 0
y luego incrementando su pendiente al acercarse al CTD1.
Figura 4.10. Perfil longitudinal de salinidad máxima (dato registrado en pleamar en torno al 30 de agosto de
2008, mareas vivas,
Qf ,d ≈ 20m 3 / s ), media (salinidad promediada en el ciclo M2 del mismo día) y mínima
(dato registrado en bajamar en el mismo día).
Presentan un tramo inicial, al menos entre la Broa y Bonanza, en el que la salinidad varía poco
(no mostrado en la Figura 4.10 por falta de resolución espacial), después se tiene una zona en
el que el gradiente espacial de la salinidad es máximo, y finalmente, el último tramo (del que se
disponen medidas), donde el gradiente de salinidad decrece. El acercamiento entre las curvas
del kilómetro 25 puede ser debido a pérdidas de carga en el tramo T2 y por estar el equipo de
medida CTD3 ubicado en un tramo curvo, con aportaciones de agua dulce y donde los efectos
de segundo orden pueden ser importantes. Se requeriría una campaña de campo adicional
para confirmar este resultado.
De acuerdo con este comportamiento, se puede anticipar que el transporte de sales en el
primer tramo está dominado por la advección y la difusión turbulenta mareales, mientras que en
el último tramo las sales se transportan fundamentalmente por la advección y la difusión
turbulenta fluviales y, además, por el gradiente de salinidad a lo largo del cauce; ya que ambos
mecanismos son de pequeña magnitud y el caudal del río bajo, la salinidad media en el tramo
final varía poco y se encuentra en equilibrio "estacionario y uniforme".
En el tramo intermedio, la circulación asociada al gradiente de densidad (circulación
gravitacional) y los procesos de mezcla promovidos por la asimetría transversal de la sección, y
las corrientes residuales dominan la distribución de la salinidad y ponen límite a la advección
26
mareal y a la intrusión salina. La contribución del río a la distribución media de salinidad es, en
estas condiciones, poco significativa pero participa en la variación de la intrusión en un ciclo
mareal.
Las curvas de recesión varían con las mareas vivas y muertas, con la acción del viento y,
sobretodo, con las descargas fluviales. Asimismo, se observa en la figura que a 10 PSU la
variación espacial en un ciclo mareal puede llegar a los 15-20 kms. De hecho, la intrusión
salina en algunos ciclos de mareas vivas puede llegar hasta los 40 kms.
4.2.
Formulación del problema y justificación del
modelo unidimensional
Para calcular la variación espaciotemporal de la salinidad en el estuario, esto es, la función
s(x,y,z; t) , se realiza un balance de la cantidad de sales presentes en un tramo del mismo
durante un intervalo dado de tiempo. Esta formulación considera que la cantidad de sales es
una variable conservativa cuya dinámica puede expresarse a partir de una ecuación de
continuidad, semejante a la usada para describir el flujo de agua. Ésta, en ausencia de fuentes
y sumideros, y aplicando la descomposición de Reynolds en valores medios y fluctuaciones
turbulentas, tiene la forma de una ecuación de advección – difusión turbulenta para las
variaciones de la salinidad, a saber
∂s
∂s
∂s
∂s ∂ ⎛
∂s ⎞
+ u + v + w - ⎜ Kx
⎟∂t
∂x
∂y
∂z ∂x ⎝
∂x ⎠
∂ ⎛
∂s ⎞ ∂ ⎛
∂s ⎞
- ⎜ Ky
⎟ - ⎜ Kz
⎟=0
∂y ⎝
∂y ⎠ ∂z ⎝
∂z ⎠
(4.10)
donde s(x,y,z; t) es el campo de salinidad y u(x,y,z;t) , v(x,y,z;t) y w(x,y,z; t) son las
componentes del vector de velocidad instantánea. Las cuatro variables satisfacen las reglas de
la descomposición de Reynolds, verificando
ξ = ξ + ξ'
ξ=
1
Tt
∫
t+Tt
t
ξ(x0 ,y0 ,z0 ,t)dt
(4.11)
ξ' = 0 ,
donde ξ es una variable genérica y ξ ' la desviación respecto de su media ξ .
La salinidad, temperatura, densidad del agua y el campo de velocidad evolucionan durante el
ciclo mareal y con las descargas fluviales. Por ello, la integral temporal debe hacerse en un
intervalo de tiempo durante el que se admita que se conserva la energía turbulenta. Este
requisito se puede satisfacer, razonablemente, si el intervalo de la integración es del orden de
Tt = 10 min . En cualquier caso, la frecuencia de muestreo de los instrumentos es
5.6 ⋅ 10−4 s −1 por lo que, en este Informe, se adopta un intervalo de 30 minutos para definir el
estado de marea y el valor medio de las principales variables del problema.
Los términos entre paréntesis en Eq.(4.10) son los términos difusivos en las tres direcciones
espaciales asociados a la salinidad. Se modela la difusión turbulenta como difusión fickiana con
K x , Ky y K z , coeficientes de difusión turbulenta en las direcciones x,y,z (medidos en m2/s),
respectivamente. Dado que la difusión molecular es mucho menor que la difusión turbulenta, se
27
supone que aquella está incluida en ésta. Estos términos representan el incremento del flujo de
sal debido a las fluctuaciones turbulentas en el fluido.
4.2.1.
Ecuación bidimensional promediada en la columna
de agua
Descomponiendo las variables cinemáticas y de concentración en un valor uniforme en la
columna de agua y un término desviador que depende de x e y, se tiene
ξ = ξ +ξ ' ,
(4.12)
e integrando la ecuación (4.10) en la dirección vertical (columna de agua) entre el lecho del
tramo (z0) y la superficie libre del agua (η), utilizando la regla de Leibnitz, y aplicando las
condiciones de flujo en la superficie y en el fondo, se obtiene
h
∂s ∂
∂
∂ ⎛
∂s ⎞
+ (hus)+ (hvs) =
⎜ h K xx
⎟+
∂t ∂x
∂y
∂x ⎝
∂x ⎠
∂ ⎛
∂s ⎞
+ ⎜ h K yy
⎟,
∂y ⎝
∂y ⎠
(4.13)
donde, la barra inferior indica integración en la columna de agua según
η
1
ξ=
ξ dz
h + z0 z∫0
(4.14)
ξ'= 0 .
Los términos a la derecha de la igualdad incluyen los términos de difusión turbulenta y de
difusión numérica adicional por el hecho de expresar las ecuaciones en función de una variable
uniforme integrada en la vertical. El término difusivo adicional cuantifica el flujo de masa
adicional debido a la desviación de las variables en la vertical con respecto al valor medio. Esta
difusión se modela como una difusión fickiana, donde K xx y K yy , son los coeficientes de
dispersión (tangencial) en la dirección x e y (longitudinal y transversal), respectivamente. En
general, K x K xx , K y K yy .
4.2.2.
Ecuación unidimensional integrada en la sección
Descomponiendo las variables cinemáticas y de concentración en un valor uniforme en la
sección y en un desviador que depende de x, se tiene
ξ = ξ +ξ ' ,
e integrando la ecuación (4.13) en la sección transversal de área
la expresión,
A
28
(4.15)
A a la dirección x, se llega a
∂S ∂(AUS) ∂ ⎛
∂S ⎞
+
- ⎜ AK
⎟= 0
∂t
∂x
∂x ⎝
∂x ⎠
(4.16)
donde el término difusivo incluye la sección A(x ) , la difusión turbulenta y la difusión numérica
adicional por el hecho de expresar las ecuaciones en función de una variable uniforme
integrada en la columna de agua y en la anchura del cauce. Esta difusión adicional se modela
igualmente como una difusión fickiana. La expresión utiliza la notación siguiente (véase Anejo
H),
b
1 2
ξ = ∫ ξ dy
B −b1
(4.17)
ξ ' = 0.
B es la anchura de la superficie libre del agua en la dirección transversal, −b1 y b2 las
coordenadas de sus límites y, según los promedios definidos anteriormente, se define
U ≡u, S ≡s.
(4.18)
El término difusivo adicional cuantifica el flujo de masa adicional debido a la desviación de las
variables en la vertical y en la anchura con respecto al valor uniforme en la sección. K es un
coeficiente de dispersión longitudinal (efectivo) que engloba todos los efectos descritos
anteriormente y, en general, K xx K . Se ha encontrado que los valores instantáneos del
coeficiente de dispersión en el estuario del Guadalquivir se encuentran en el intervalo
100 < K ( m 2 / s ) < 1200 . Los valores instantáneos son superiores a los promediados, como
más abajo se verá.
La ecuación anterior indica que la variación local de la salinidad en una sección es igual al flujo
neto de sal transportado por advección, U ⋅ S , y al flujo dispersivo relacionado con la
turbulencia y las variaciones vertical y transversal de los campos de velocidad y de salinidad.
Dado que en el estuario del Guadalquivir se satisfacen las siguientes desigualdades (véase
Capítulo 3),
a < hm
Bm
E
λM 2 ,
(4.19)
la Eq.(4.16) describe adecuadamente la dinámica salina en el estuario completo sin perjuicio de
que en secciones con radios de curvatura pequeños los efectos secundarios puedan ser
notorios. En este capítulo se trabajará con la ecuación de advección-dispersión unidimensional
y se determinarán los coeficientes de dispersión longitudinales efectivos a partir de los datos
medidos. Las variables A , U y S representan la sección, la velocidad y la salinidad integrada
en la sección; éstas son representativas de las condiciones "medias" un estado de marea de 30
minutos de duración. De esta forma, el ciclo mareal está formado por una secuencia de
estados de marea. El producto A ⋅U ⋅ S representa el flujo instantáneo advectivo de sal y
∂S ⎞
⎛
⎜ AK
⎟ el flujo dispersivo, ambos integrados para la sección transversal A. La velocidad
∂x ⎠
⎝
instantánea U (a escala de estado) está compuesta por el movimiento mareal y el caudal del río
U = Um +U f .
(4.20)
29
4.2.3.
Ecuación de conservación unidimensional
promediada en la marea semidiurna
Interesados en el transporte residual de sal en un ciclo mareal, las variables promediadas en el
espacio (y promediadas en la escala turbulenta), S , U se pueden separar en la suma de dos
componentes: la media mareal
Sm y U m , U m y su desviación S , U .
S = S + Sm
U = U +Um ,
(4.21)
siendo
Um =
1
TM 2
∫
t +TM 2
t
Udt
(4.22)
donde TM es algo menos de 12 horas y media (periodo semidiurno de la marea astronómica).
Asimismo, el área, la anchura y la profundidad de la sección se pueden descomponer en su
valor medio mareal y la variabilidad relacionada con la carrera de marea,
h = hm + h
A = Am + A
(4.23)
B = Bm + B,
Y, análogamente, el coeficiente de dispersión
K = Km + K .
(4.24)
Sustituyendo estas expresiones en la ecuación de conservación y promediando en la marea, se
obtiene el transporte advectivo promedio o flujo medio de sal en un ciclo de marea
( ASU ) m = Am S mU T + U m i
ASi
i
i U
i Si ⎤
⎡
AU
U T = ⎢U m +
+
⎥
Am S m ⎥⎦
⎢⎣
U m = U E + U f + U St + U ρ .
La corriente media mareal
(4.25)
U m está generada por la interacción no lineal entre el flujo mareal y
la topografía del estuario, los gradientes de densidad, la acción del viento y las descargas del
río. Incluye, por tanto, la corriente euleriana U E , la descarga fluvial promediadas en el ciclo
mareal
U f , y la corriente por gradiente de densidad U ρ ; U St = UA / Am es la deriva de
Stokes, y i
ASi es el flujo de sal debido al "bombeo mareal" (tidal pumping) a consecuencia del
desfase entre el campo de velocidades y la salinidad. El último término, para el canal principal
del Guadalquivir, representa el flujo de sal debido a las desviaciones de la sección y la
salinidad con respecto al valor medio mareal y tiene en cuenta la asimetría de la sección y de la
distribución transversal de la salinidad. Este término se incluye en el término dispersivo.
El término de transporte difusivo está formado por,
∂S m
∂S ⎞
∂S ∂S m i i
⎛
i ∂S + K i
+ Am K
+
AK .
⎜ AK
⎟ = Am K m
m A
∂x ⎠ m
∂x
∂x
∂x ∂x
⎝
30
(4.26)
El segundo, tercer y cuarto términos son difusiones adicionales y, dada la dificultad en su
cuantificación, se han supuesto incluidos en el primero a través del coeficiente de dispersión
efectivo K m ,ef . La ecuación de conservación unidimensional promediada en el ciclo mareal es
por tanto
Am
∂S m ∂( AmU m Sm ) ∂ ⎛
∂S ⎞
+
− ⎜ Am K m ,ef m ⎟ = 0
∂t
∂x
∂x ⎝
∂x ⎠
(4.27)
donde K m ,ef incluye la dispersión de los nuevos términos debidos a la desviación con respecto
a la media mareal. El orden de magnitud del coeficiente de dispersión medio mareal es
∼ 100 m 2 / s siendo un orden de magnitud menor que el instantáneo, como se demostrará
más abajo.
4.2.3.1. Caso particular: Ecuación en régimen estacionario (estoas
y marea media)
En las estoas de pleamar y bajamar todos los flujos medios se pueden suponer nulos excepto
la descarga fluvial (y, en su caso, la acción del viento). Integrando la ecuación con la condición
de que a pie de presa la salinidad tiende hacia un valor de equilibrio, S f se tiene,
U f Aet (Set − S f ) − Aet K m* ,et
dSet
=0
dx
(4.28)
donde "et" indica estoa de pleamar y estoa de bajamar.
4.2.3.2. Ecuación de conservación de la salinidad a escala
submareal
A su vez, el flujo mareal oscila con las escalas temporales largas asociadas a los ciclos de
mareas vivas y muertas, de aproximadamente TMsf = 14.22 días y TMm = 28.44 días . y
sus correspondientes escalas espaciales largas X1, X2; en consecuencia
Sm = Sm (Tm ,T1,T2 , X1, X 2 )
U m = U m (Tm ,T1,T2 , X1, X 2 )
(4.29)
y dado que la circulación residual se forma por interacción con el flujo mareal, aquella también
depende de las variables largas. Las ecuaciones de conservación de la sal para las escalas
largas son,
Am
∂S m ∂( AmU m S m )
∂ ⎛
∂S m ⎞
∂ 2 Sm
A
K
2
A
K
+
−
+
= 0.
⎜ m m ,ef
⎟
m m ,ef
∂T1
∂X 1
∂X 1 ⎝
∂X 1 ⎠
∂x ∂X 1
(4.30)
4.2.3.3. Coeficientes de dispersión efectiva
31
Kef * (x , t, X ,T ) es un coeficiente efectivo de dispersión longitudinal que varía con el tiempo y
el espacio (x , t ) y con las escalas largas (X ,T ) de la dinámica mareal (las submareas).
En el caso del estuario del Guadalquivir, Kef debe cuantificar, principalmente, (i) el efecto de la
marea cuya amplitud
a y desplazamiento horizontal Ell de llenante (o Ev de vaciante) es
*
sensiblemente uniforme en el canal principal ( Kef = const . ), (ii) la mezcla forzada por la
*
circulación gravitacional debida al gradiente de densidad ( Kef ∝ dS / dx ) y, finalmente, (iii)
la mezcla por la asimetría transversal de la sección tanto en flujo como en gradiente salino
*
(
( Kef ∝ dS / dx
)
2
*
). En consecuencia, Kef (x , t, X ,T ) debe tener tres términos,
Kef (x , t, X ,T ) = Kef ,0 + γ1Kef ,1 + γ2Kef ,2 ,
siendo
(4.31)
∂S
∂x
2
⎛ ∂S ⎞
∼ ⎜⎜⎜ ⎟⎟⎟
⎝ ∂x ⎠
Kef ,1 ∼
Kef ,2
Kef
Kef ,broa
⎛ S
= ⎜⎜⎜
⎝S
(4.32)
k
f
⎟⎟⎞ .
⎟⎟
broa ⎠
4.2.3.4. Influencia de la topografía-batimetría
Las pérdidas de carga localizadas en cambios bruscos de sección y por contracciones y
expansiones del estuario dan lugar a cambios en la distribución de salinidad. Los cambios en el
transporte salino están inducidos por cambios en la propagación de la onda de marea y de la
descarga fluvial, a saber, cambios en amplitud y fase, en estos puntos. En tramos
convergentes el gradiente salino se incrementa.
4.3.
Análisis de los datos de la red de medida
La red de instrumentos instalada en el estuario del Guadalquivir y la plataforma adyacente
contiene equipos para la medida de parámetros ambientales, fluviales, meteorológicos, y
oceanográficos.
Los equipos de parámetros ambientales CTD (Current-Temperature-Depth) están instalados en
las boyas de balizamiento y ayuda a la navegación (Tabla 4.9 y Figura 4.11) desde la
desembocadura (CTD0) hasta el puerto de Sevilla (CTD7). Estos registran temperatura (ºC),
conductividad (S/m), oxígeno (V), turbidez (NTU), fluorescencia (V), salinidad (PSU), oxígeno
disuelto (mg/l) y saturación oxigeno (mg/l). Asimismo, los correntímetros ADCP0 - ADCP6
están localizados en la citada red de boyas y registran la corriente euleriana por componentes
(horizontales, Norte y Este y vertical). Algunos de los datos de la red de medida ya han sido
mostrados en secciones y figuras anteriores.
CTD0
0
CTD1
17.30
CTD2
23.60
CTD3
26.20
CTD4
35.30
CTD5
47.10
CTD6
57.60
Tabla 4.9. Puntos kilométricos donde se ubican los equipos CTD en km desde la Broa.
32
CTD7
84.30
La estación de Salmedina proporciona datos a 10m de altura de radiación media, máxima y
mínima (W/m2), temperatura media del aire, máxima y mínima (ºC), velocidad del viento media,
máxima y mínima (m/s), dirección del viento media, máxima y mínima (360º/0º=N, 270º=W,
180=S, 90=E), humedad relativa, y presión atmosférica (mbar). Esta información puede ser
utilizada como condición de contorno (o condición inicial) en la plataforma continental interior
para modelar la propagación. El punto de control de los parámetros fluviales, caudal, lámina de
agua, temperatura, entre otros, están en la presa de Alcalá del Río y, en consecuencia, puede
utilizarse como condición de contorno aguas arriba del estuario o condición inicial.
Los equipos de la red de mareógrafos registran la presión en la columna de agua y la
temperatura, están ubicados en estacas a lo largo del cauce (véase Tabla 4.10 y Figura 4.11) y
referenciados respecto a los clavos del Instituto Geográfico Nacional. La red integra los equipos
instalados para este trabajo y los dos equipos de la de Red de Mareógrafos del Estado
(REDMAR) ubicados en Bonanza y en el Puerto de Sevilla. La Figura 4.11 incluye la ubicación
de la estación meteorológica de Salmedina, ubicada frente a los bajos de Chipiona.
TG0
5.30
TG1
21.55
TG2
26.80
TG3
36.45
TG4
51.80
TG5
62.55
TG6
76.00
Tabla 4.10. Puntos kilométricos donde se ubican los mareógrafos en km desde la Broa.
Además de los mareógrafos mostrados en la Tabla 4.10, en una campaña de campo específica
para el estudio de la reflexión en el tramo T6 (Anejo Ñ) y la presa de Alcalá del Río se
instalaron tres nuevos mareógrafos, de características similares a los anteriores, en los puntos
kilométricos mostrados en la Tabla 4.11.
TG Isla de la Cartuja
93.73
TG La Algaba
99.97
TG Alcalá del Río
108.5
Tabla 4.11. Puntos kilométricos donde se ubican los mareógrafos en km desde la Broa.
Los correntímetros acústicos perfiladores (ADCPs) en el estuario interior, también instalados y
mantenidos por el ICMAN-CSIC (véase ubicaciones en Figura 4.11) toman muestras de
velocidad desde el 8 de enero de 2008 de la corriente euleriana por componentes (Norte, Este
y vertical) cada 15 min a 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 metros de la superficie libre. Los datos vienen dados
en cm/s. Al igual que los equipos CTDs (descritos, además de en el Anejo A), los
correntímetros están instalados en boyas de balizamiento de la Autoridad Portuaria de Sevilla.
Las ubicaciones se muestran en la Tabla 4.12.
ADCP1
14.30
ADCP2
20.80
ADCP3
31.80
ADCP4
39.80
ADCP5
49.30
ADCP6
63.80
Tabla 4.12. Puntos kilométricos donde se ubican los correntímetros en km desde la Broa.
En los Anejos A y U puede encontrarse información detallada relativa a la instalación de la
instrumentación y contiene una descripción detallada de los equipos, su calibración, la
ubicación del punto de medida, el registro y la transmisión y preanálisis de validación de los
datos y, en su caso, su transformación en las unidades de trabajo.
33
Figura 4.11. Ubicación a lo largo del cauce de los equipos instalados por el ICMAN-CSIC, además de los
mareógrafos de la REDMAR. En rojo se muestran los CTDs, en amarillo se muestran los correntímetros
ADCPs, en verde los mareógrafos TGs y en naranja estación meteorológica de Salmedina. Se indica además la
numeración de los equipos cuyos datos han sido usados en este informe.
4.3.1.
Evolución temporal de la variable de estado
En la Figura 4.12 se muestra el registro de la salinidad medida en el CTD1 y CTD5 a un metro
bajo la superficie del agua, entre principios de febrero de 2008 y finales de junio 2009 en el
CTD1, y entre principios de mayo 2008 y finales de junio 2009 en el CTD5. En el primer
instrumento, la mayor parte del registro la salinidad se encuentra en el intervalo 15-35 PSU,
mientras que en el segundo CTD, aguas arriba, los valores observados se encuentran en el
intervalo 0-15 PSU. Ambos registros muestran una variación lenta anual de la salinidad, que
adquiere los valores más elevados en verano y se reducen progresivamente en otoño e
invierno; aproximadamente dos veces al mes, se observan máximos y mínimos relativos.
Figura 4.12. Evolución temporal a 1m de profundidad de la salinidad en los CTD1 y CTD5.
A mediados de abril 2008 y principios de enero 2009, la salinidad baja bruscamente y se
recupera con mayor lentitud pero conservando, en este caso, el patrón de máximos y mínimos
relativos. En la Figura 4.12 se incluye la curva de caudales medios diarios vertidos desde la
presa de Alcalá del Río.
34
En la Figura 4.13 (y también en la Figura 4.20) se muestra la evolución temporal de la salinidad
en cuatro profundidades observada en los mismos CTDs durante dos intervalos de tiempo de
aproximadamente una semana de duración; el primero de ellos (paneles a la izda.) se
corresponde con el dominio de la dinámica mareal, mientras que en el segundo intervalo
temporal (paneles a la dcha.) domina la dinámica fluvial, apreciándose una leve estratificación
temporal por efectos gravitatorios.
Figura 4.13. Evolución temporal instantánea (una medida cada 30min) a 4 profundidades de la salinidad en los
CTD1 y CTD5 para regimenes mareal y fluvial. Los datos de caudal son promedios diarios.
4.3.2.
Análisis armónico y espectral
Se han realizado los análisis armónico y espectral de las series temporales de salinidad. Para
medir con fiabilidad las constituyentes armónicas y para que el espectro sea representativo de
la dinámica mareal, se han tomado registros de más de 3 meses de duración y en régimen de
aguas bajas, siendo la descarga media diaria desde la presa de Alcalá del Río muy inferior a
100 m 3 / s .
Los resultados obtenidos para el CTD0 (en desembocadura), CTD3 (medio estuario) y CTD7
(Pta. del Verde), se muestran en la Figura 4.14, Figura 4.15 y Figura 4.16, respectivamente. En
los tres puntos, la salinidad exhibe las constituyentes más energéticas en las frecuencias
semidiurnas (M2, S2, N2), diurnas (K1, O1, Q1), sobremareales (M4, MN4, MS4) y
submareales (Msf, Mm). La componente más energética es la semidiurna M2. Los análisis
espectrales y armónico del resto de equipos y a diferentes profundidades son análogos a los
del mostrados en este apartado.
35
Figura 4.14. Panel superior izquierdo: muestra de la serie registrada en CTD0. Panel superior derecho:
ubicación del CTD0. Panel inferior izquierdo: resultado del análisis armónico en la posición del CTD0; las
constituyentes marcadas en azul suman el 95% del contenido energético del registro. Panel inferior derecho:
resultado en
36
PSU 2hora
del análisis espectral en la posición del CTD0.
Figura 4.15. Panel superior izquierdo: muestra de la serie registrada en CTD4. Panel superior derecho:
ubicación del CTD4. Panel inferior izquierdo: resultado del análisis armónico en la posición del CTD4; las
constituyentes marcadas en azul suman el 95% del contenido energético del registro. Panel inferior derecho:
resultado en
PSU 2hora
del análisis espectral en la posición del CTD4.
Figura 4.16. Panel superior izquierdo: muestra de la serie registrada en CTD7. Panel superior derecho:
ubicación del CTD7. Panel inferior izquierdo: resultado del análisis armónico en la posición del CTD7; las
constituyentes marcadas en azul suman el 95% del contenido energético del registro. Panel inferior derecho:
resultado en
PSU 2hora
del análisis espectral en la posición del CTD7.
En la Tabla 4.13 se muestran los valores de amplitud para las constituyentes más
representativas en los ocho puntos de medida, desde la desembocadura hasta la cabecera del
estuario. La tendencia general es que la amplitud de todas las componentes decrece hacia
aguas arriba del estuario, siendo especialmente significativo el decrecimiento de la M2 y K1. La
amplitud de la componente M4 también decrece, pero lo hace de forma oscilatoria.
37
CTD0
CTD1
CTD2
CTD3
CTD4
CTD5
CTD6
CTD7
M2
0.7±
0.3
4.9±
0.5
3.8±
0.4
3.9±
0.5
1.7±
0.5
1.70±
0.17
1.1±
0.1
0.069±
0.017
S2
N2
M4
0.18±
0.3
1.6±
0.4
1.2±
0.4
1.0±
0.5
0.5±
0.5
0.60±
0.10
0.36±
0.10
0.024±
0.016
0.1±
0.3
0.6±
0.4
0.5±
0.4
-
0.24±
0.14
0.47±
0.13
0.21±
0.10
0.40±
0.12
0.06±
0.07
0.10±
0.03
0.16±
0.05
0.032±
0.015
0.3±
0.5
0.22±
0.14
0.1±
0.1
0.024±
0.017
MS4
0.10±
MN4
0.11±
0.11
0.23±
0.12
0.1±
0.1
0.1±
0.1
0.10±
0.06
0.07±
0.03
0.10±
0.04
0.022±
0.016
0.11
0.1±
0.1
0.05±
0.09
0.02±
0.05
0.04±
0.03
0.03±
0.04
0.013±
0.013
K1
O1
0.4±
0.4
0.50±
0.09
0.49±
0.07
0.52±
0.14
0.26±
0.07
0.16±
0.03
0.113±
0.019
0.006±
0.008
0.2±
0.3
0.51±
0.08
0.35±
0.07
0.40±
0.11
0.24±
0.06
0.15±
0.03
0.102±
0.016
0.009±
0.008
Q1
0.1±
Msf
0.2±
Mm
0.1±
0.3
0.1±
0.1
0.11±
0.06
-
0.5
1.5±
0.40
1.0±
0.4
0.89±
0.10
0.6±
0.2
0.32±
0.16
0.21±
0.12
0.01±
0.04
0.5
0.5±
0.4
0.2±
0.3
-
0.07±
0.05
0.03±
0.02
0.019±
0.017
0.004±
0.007
0.07±
0.17
0.13±
0.16
0.14±
0.12
0.05±
0.06
Tabla 4.13. Amplitudes en PSU de las constituyentes más significativas para cada CTD.
4.4.
Comportamiento de la salinidad según un eje del
estuario (marea) y régimen fluvial de caudal bajo:
Régimen estacionario
Se analiza en primer lugar el comportamiento de la salinidad cuando el régimen fluvial es de
caudal bajo. En estas condiciones, la distribución espacial de la salinidad está forzada por la
dinámica mareal, la advección fluvial, el gradiente gravitacional y las corrientes residuales. Las
medidas en los ocho instrumentos (CTD0 al CTD7) están sincronizadas, lo que permite analizar
los valores simultáneos de la salinidad a lo largo de un eje del estuario que une todos los
equipos.
4.4.1.
Amplitud, desfase y variabilidad vertical de la
salinidad a lo largo del estuario
La Figura 4.17 muestra las amplitudes máximas, mínimas y medias en un ciclo de marea M2 en
3
el CTD1. Durante los meses que se muestran el caudal descargado no superó los 50m / s .
Los valores medios y máximos más altos tienen lugar en las mareas vivas. Las variaciones de
salinidad en un punto fijo del estuario medio durante un ciclo semidiurno pueden llegar hasta
los ΔS m ≈ 20 PSU en vivas y los ΔSm ≈ 10 PSU en muertas, mientras que las
variaciones
relativas
ΔSm / Sm,max = (Sm,max − Sm,min ) / Sm,max
no
presentan
gran
variabilidad temporal, siendo su valor próximo a ΔSm / S m ,max ∼ 0.5 , tanto en mareas vivas
como en muertas.
38
Figura 4.17. Salinidad máxima (azul), mínima (rojo) y media (cian) promediado en un ciclo M2 durante el
periodo seco.
4.4.1.1. Desfase temporal en el eje del estuario
La Figura 4.18 muestra el desfase temporal entre las señales medidas en los CTD1 y CTD6
durante una marea viva (2 de agosto de 2008). El desfase es de 1hora, aproximadamente; la
velocidad media de propagación del frente salino es del orden de 35 km/h, que es del orden de
magnitud de la velocidad media de propagación de la onda de marea. Para una marea muerta,
por ejemplo, la ocurrida en torno al 28 de julio de 2008 (véase Figura 4.19), los desfases
obtenidos son similares.
Tampoco se registra desfase entre los datos a 1m y a 4m de profundidad, al menos no superior
a la resolución temporal de medida del instrumento.
39
Figura 4.18. Propagación de la salinidad (curvas instantáneas a escala de estado) durante dos ciclos en mareas
vivas en las 4 profundidades. Las líneas verticales marcan el máximo y mínimo de salinidad en un ciclo
semidiurno en la posición del CTD. El aparente retroceso del mínimo de salinidad en su propagación estuario
arriba en el CTD2 y CTD3, respecto de CTD1, es debido a que las medidas son tomadas cada 30min y el
desfase entre el CTD1 y el CTD3 es inferior a ese valor.
Figura 4.19. Propagación de la salinidad (curvas instantáneas) durante dos ciclos en mareas muertas en las 4
profundidades. Las líneas verticales marcan el máximo y el mínimo de salinidad en la posición del CTD. El
aparente retroceso del mínimo de salinidad en su propagación estuario arriba en el CTD2 y CTD3, respecto de
CTD1, es debido a que las medidas son tomadas cada 30min y el desfase entre el CTD1 y el CTD3 es inferior a
ese valor.
40
4.4.1.2. Variación de la salinidad en la columna de agua y promedio
vertical
En el régimen hidráulico de caudales bajos, tanto para mareas vivas como muertas la salinidad
no varía significativamente con la profundidad, tal y como se corresponde con un estuario bien
mezclado (Figura 4.21). En consecuencia, el promedio en la vertical coincide, prácticamente,
con el valor de la salinidad a cualquier profundidad.
Figura 4.20. Series temporales de salinidad, ordenadas de arriba abajo, de CTD0 a CTD7. Medidas a 1m: línea
azul, a 2m: roja, a 3m: verde, a 4m: cian.
41
Figura 4.21. Salinidad promediada en la vertical. Nótese el cambio de escala vertical en cada panel.
42
En la Figura 4.22 y Figura 4.23 se muestra el perfil vertical medio en un ciclo semidiurno
observado para cada uno de los CTDs en mareas muertas en régimen de aguas bajas. Se ha
considerado un día (y los anteriores) con caudales de descarga de Alcalá del Río pequeños
3
(inferiores a 20m / s ), para que no interfiera en la medida. En todos los casos la
estratificación es muy débil o nula, incluso en mareas muertas.
Figura 4.22. Perfiles verticales instantáneos en la primera pleamar del 28 de agosto de 2008 (marea muerta) en
cada CTD.
Figura 4.23. Esquemático de la distribución de salinidad vertical a lo largo de todo el estuario, con las
condiciones mostradas en la Figura 4.22.
Las variaciones de salinidad en la vertical, mostradas en la Tabla 4.14, no superan 2 PSU en
el mayor de los casos ( < 11% ). Si Δs es la diferencia de salinidad en la columna de agua, el
estuario de Guadalquivir se caracteriza por la condición: Δs / s
1 ; esta condición se
satisface en todos los puntos del estuario (estuario bien mezclado).
CTD0
0.3425
35
0.0098
CTD1
0.2938
22
0.0134
CTD2
1.1572
16.5
0.0701
Tabla 4.14. Variaciones de salinidad (en PSU)
CTD3
0.3760
14
0.0269
ΔS
CTD4
0.5246
9.5
0.0552
CTD5
0.3508
6
0.0585
, salinidades medias y relación
ΔS / S
CTD6
0.1643
3.5
0.0469
en la vertical para
los distintos equipos el 28/08/2008.
43
En algunas ocasiones, durante mareas muertas puede haber un débil incremento de la
variación de la salinidad en la columna de agua (Figura 4.24) por una reducción en el número
de Richardson causado por un decremento en la mezcla turbulenta que genera la marea.
Durante mareas vivas, la estratificación es aún más débil, pues el incremento de energía
cinética de las masas de agua favorece la mezcla turbulenta.
Figura 4.24. Débil estratificación durante mareas muertas en CTD2. La diferencia relativa de densidad en
régimen de aguas bajas es inferior al
Δρ / ρ < 0.3% .
4.4.2.
Comportamiento de la salinidad frente al nivel y la velocidad
de marea
En la Figura 4.25 se muestra la relación entre máximos y mínimos de la salinidad en el CTD4
en varios ciclos de marea, la marea vertical (nivel en mareógrafo TG3) y la marea horizontal
(corriente en el ADCP4) en el mareógrafo y correntímetro, respectivamente, más próximos al
CTD4.
44
Figura 4.25. Comparación del desfase en las series de nivel (panel superior), velocidad (panel central) y
salinidad (panel inferior). Los datos de salinidad son los observados en el CTD4, los datos de nivel se han
tomado del mareógrafo instalado en la Torre de Tarfía y las velocidades son las medidas por el ADCP4.
Los máximos y mínimos de salinidad coinciden con los puntos donde la velocidad es nula, a
saber, en la estoa de llenante y la de vaciante, respectivamente, y marca los puntos de máxima
y mínima intrusión. El desfase entre nivel y salinidad coincide con el desfase entre nivel y
velocidad (véase Figura 4.4).
4.4.3.
Ciclos de mareas vivas y muertas
Las mareas vivas, que generan velocidades de entrada y salida mayores que en muertas,
favorecen el intercambio de masas de agua entre el estuario y mar abierto, dando lugar a
salinidades y densidades instantáneas mayores dentro del estuario (Figura 4.26, líneas
verticales 3, 4, 5 y 6). Asimismo, durante mareas vivas, el máximo de salinidad y densidad se
incrementa y disminuye ligeramente el mínimo (líneas 3 y 6). En mareas muertas, los valores
máximos y mínimos de la salinidad y densidad no alcanzan los valores de las mareas vivas
(líneas 4 y 5).
Las mareas vivas y muertas también dejan sentir su efecto en la temperatura, aunque depende
de la estación y, más específicamente, de la diferencia de temperatura del agua que entra
desde mar abierto y el agua del estuario. En la Figura 4.26 (líneas verticales 3 y 4) durante el
mes de julio, la marea viva da lugar a una reducción local de la temperatura puesto que el agua
que proviene de mar abierto tiene menor temperatura que las aguas continentales. En cambio,
con mareas muertas, la temperatura presenta máximos locales, debido a un mayor intercambio
de calor entre agua del estuario y tierra que entre agua del estuario y agua marina.
45
12
34
56
7
Figura 4.26 . Por orden de arriba a abajo: Caudales de descarga en Alcalá del Río, marea astronómica en
Bonanza, temperatura y salinidad medidas en el CTD2 y densidad. Las líneas verticales negras, que sirven de
guía, están numeradas del 1 al 7 de izquierda a derecha.
4.4.4.
Predicción de la salinidad a lo largo del estuario en régimen
de aguas bajas
Cuando
el
estuario
se
encuentra
en
el
régimen
hidráulico
de
caudales
bajos
3
Qf ,d < 100 m / s , la predicción de la evolución temporal (y el desfase) de la salinidad en
cualquier punto del estuario puede hacerse a partir de la curva predictiva del nivel de marea y
de su desfase con la velocidad mareal horizontal en ese punto, ya que los máximos y mínimos
de la salinidad ocurren aproximadamente en el mismo instante en el que ocurren las estoas de
pleamar y de bajamar. Tanto la curva predictiva del nivel de marea como el desfase son
conocidos (véase Capítulo 3). La primera se obtiene fácilmente a partir de las constituyentes
armónicas, determinadas a partir del análisis armónico y espectral. El desfase es obtenido a
partir de los datos de la marea horizontal y vertical y se muestra en la Figura 4.4. En estas
condiciones, solo el viento (borrasca extratropical o régimen local y regional) soplando en la
plataforma continental o desde tierra puede alterar esta predicción.
4.4.5.
Distribución de la salinidad promediada en los periodos
mareal y submareal
En la Figura 4.27, Figura 4.28 y la Figura 4.29 se representan, respectivamente, las señales
promediadas en el ciclo mareal M2 TM 2 = 12.4 horas , que es la componente de mayor
energía, en el periodo submareal TMsf = 14.22 días y en el periodo TMm = 28.44 días , para
todos los equipos CTD. En todas las ubicaciones la salinidad promediada en un ciclo de marea
contienen la variabilidad asociada a: (i) la secuencia de mareas vivas y muertas, y (ii) las
variaciones bruscas relacionadas con las descargas fluviales y (iii) la evolución estacional:
aumento de la salinidad en verano y descenso en invierno.
46
Figura 4.27. Series temporales de salinidad a 1m promediadas en el ciclo mareal semidiurno M2, ordenadas de
arriba abajo, de CTD0 a CTD7. Nótese el cambio de escala vertical en cada panel.
En la Figura 4.27 se muestran los valores de Sm . Se aprecia claramente la variación con los
ciclos de mareas vivas y muertas así como los efectos de las descargas, presentando tiempos
3
de recuperación del orden de 3-4 semanas para descargas superiores a 500 m / s .
Figura 4.28. Series temporales de salinidad a 1m promediadas en el periodo submareal Msf, ordenadas de
arriba abajo, de CTD0 a CTD7. Nótese el cambio de escala vertical en cada panel.
47
En la Figura 4.28 se muestra la salinidad promediada en ciclos Msf. Se observa que las
oscilaciones asociadas a las mareas vivas y muertas quedan absorbidas en el promedio, pero
que aún quedan la variabilidad asociada a los ciclos anuales y a las descargas de la presa de
cabecera. Ya en la Figura 4.29, las descargas de menor cuantía desaparecen, siendo
perceptibles sólo las avenidas (abril 2008). La variación anual es también evidente.
Figura 4.29. Series temporales de salinidad a 1m promediadas en el ciclo submareal Mm, ordenadas de arriba
abajo, de CTD0 a CTD7. Nótese el cambio de escala vertical en cada panel.
4.4.6.
Distribución espacial de la salinidad máxima, mínima y
media y variabilidad estacional y anual
En la Figura 4.10, Figura 4.30 y la Figura 4.31 se representan la distribución espacial (curvas
de recesión) de las salinidades máxima y mínima y, conjuntamente, la salinidad promediada en
el ciclo correspondiente (en un ciclo M2, Msf y Mm). Los valores máximos y mínimos en cada
punto se han obtenido en el instante en el que la velocidad es nula, es decir durante las estoas
de llenante y vaciante. En las figuras sólo se consideran situaciones en las que el régimen
hidráulico es el de aguas bajas. Se asume que estas curvas representan la salinidad media en
la columna de agua y en la sección.
Se aprecia que las tres curvas son similares y que se pueden superponer con una traslación
horizontal igual a la mitad (aproximadamente) del desplazamiento horizontal máximo de la
partícula de agua debido a la onda de marea (véase Figura 4.32). El desplazamiento horizontal
máximo se representa como E =
∫
teb
tep
uvdt , siendo tep y teb los tiempos, dentro del ciclo de
marea M2, en los que tienen lugar las estoas de pleamar y bajamar, respectivamente. En todas
las posiciones E es del orden de 15km, aunque decrece suavemente aguas arriba.
48
Figura 4.30. Perfil longitudinal de salinidad máximo, medio y mínimo a escala Msf. Los puntos considerados
son aquellos más próximos al 30 de agosto de 2008 tomando como referencia el 14 de abril de 2008.
Figura 4.31. Perfil longitudinal de salinidad máxima, media y mínima a escala Mm Los puntos considerados son
aquellos más próximos al 30 de agosto de 2008 tomando como referencia el 14 de abril de 2008.
49
Figura 4.32. Desplazamiento horizontal instantáneo (en km) de una partícula fluida en las ubicaciones que se
indican. La velocidad de desplazamiento de la partícula se ha considerado urms tomado de los ADCPs más
próximos a las ubicaciones de los CTDs.
4.4.6.1. Evolución anual de la salinidad
Independientemente de los cambios puntuales o de corta duración que puede experimentar la
salinidad por la acción del viento y las descargas fluviales, ésta evoluciona de forma cíclica por
la variabilidad estacional de la evapotranspiración y, sobretodo, de la salinidad oceánica
relacionada con los cambios de temperatura, en definitiva, de la densidad. Esta variabilidad se
refleja en la evolución anual de la longitud de la intrusión salina.
En la Tabla 4.15 se muestran las salinidades medias anuales así como las salinidades medias
entre mayo y septiembre de 2008 (periodo seco) y entre octubre y abril (periodo húmedo). Los
resultados mostrados de la Tabla 4.se han representado en la Figura 4.33.
Equipo
s a ,max (PSU)
CTD0
33.34
CTD1
19.08
CTD2
13.84
CTD3
13.37
CTD4
9.62
CTD5
5.25
CTD6
2.94
CTD7
0.65
s a (PSU)
s a ,min (PSU)
31.86
31.32
16.90
14.40
10.60
8.47
9.05
6.93
5.53
3.73
2.98
1.95
1.88
1.27
0.77
0.80
km
0
17.5
23.8
26.4
35.5
47.3
Tabla 4.15. Salinidad media s a anual, mínima s a ,min (estación húmeda) y máxima
cada CTD. El umbral entre húmeda y seca se ha fijado el 1 de octubre de 2008.
50
57.8
s a ,max
84.5
(estación seca) en
Figura 4.33. Representación de los datos de la Tabla 4.15.
Los perfiles anuales y estacionales tienen, aproximadamente, forma exponencial; durante
primavera y verano las salinidades se incrementan; durante otoño e invierno decrecen. Esta
variación estacional es más notoria en los CTDs del cauce medio del estuario (CTD2-CTD6).
En el CTD7 la variación estacional de la salinidad no es significativa. En el CTD0 la variación
estacional se corresponde con el valor de la señal en el océano.
CTD0
0%
CTD1
40%
CTD2
60%
CTD3
60%
CTD4
50%
CTD5
60%
CTD6
60%
Tabla 4.16. Reducción (de invierno a verano) aproximada estacional en %
CTD7
0%
en cada CTD.
4.4.7.
Longitud de la intrusión salina y variabilidad
temporal
En los apartados anteriores se han presentado las curvas de recesión A partir de las curvas de
recesión instantáneas se cuantifica la longitud de la intrusión salina y su variabilidad asociada a
la secuencia de mareas vivas y muertas cuando el régimen hidráulico es de aguas bajas. Se
puede definir la intrusión salina como
LS = s /
∂s
,
∂x
(4.33)
esto es, la longitud característica o longitud de difusión, del proceso advectivo – difusivo salino.
Aplicando este criterio a los datos de los CTD0 a CTD4, en la Figura 4.34 (panel inferior) se
representa el límite instantáneo de la intrusión.
4.4.7.1. Evolución temporal de la intrusión salina
Con los datos del periodo que comprende desde el 1 agosto de 2008 al 27 de enero de 2009,
se ha analizado la evolución temporal de la intrusión salina definida por la Eq. (4.33)
promediando la salinidad en los periodos mareales y submareales (Figura 4.34, Figura 4.35,
Figura 4.36, Figura 4.37). Con ellos se suaviza el efecto de las descargas fluviales y la acción
del viento, y se muestra la evolución temporal de la intrusión salina en el estuario debida a la
variabilidad de la dinámica mareal y de la salinidad a la entrada del estuario. Se puede apreciar
que los valores máximos de la intrusión se tienen en verano, y llegan a alcanzar hasta los 70
kms estuario arriba, y decrecen sustancialmente durante el otoño e invierno retrocediendo
51
hasta los 40kms. Esta longitud se puede modificar sustancialmente con las descargas del río y
más ligeramente por la acción del viento.
Figura 4.34. Relación entre posición de la intrusión salina (panel 4º), precipitación en Puebla del Río (panel 3º),
descargas en Alcalá del Río (panel 2º) y nivel de marea en Bonanza (panel 1º).
Figura 4.35. Intrusión salina promediada en el ciclo semidiurno M2.
52
Figura 4.36. Intrusión salina promediada en el ciclo submareal Msf.
Figura 4.37. Intrusión salina promediada en el ciclo submareal Mm.
4.4.7.2. Predicción diaria de la intrusión salina
En condiciones de aguas bajas y en avenidas, se puede predecir la intrusión salina en
cualquier ciclo mareal o ciclo de mareas vivas y muertas aplicando los resultados obtenidos en
el apartado 4.4.4.
4.4.8.
Coeficientes de dispersión longitudinal efectiva y
variabilidad espacio-temporal en régimen de aguas bajas
53
A partir de los datos medidos de salinidad s(x , t ) , corriente u(x , t ) y la variación de la sección
a lo largo del estuario A(x , t ) , la ecuación de advección – difusión 1D para la salinidad se
puede integrar, conocidas las condiciones en la desembocadura
( A0
= A(x = 0, t ) y
K 0 = K (x = 0, t ) ) y en la cabecera del estuario al pie de la presa de Alcalá
( AAlc = A(x = LEst , t ) y K Alc = K (x = LEst , t ) ), y estimar los coeficientes de dispersión
instantáneos no estacionarios K (x , t ) . A tal efecto se ha integrado la ecuación (4.16) en los
tramos indicados en la Figura 4.38, definidos según la ubicación de los equipos CTDs.
Figura 4.38. Tramos considerados en el cálculo de los coeficientes de dispersión efectivos instantáneos y
promediados en el ciclo semidiurno.
54
En cada tramo k se ha considerado la sección A constante y el campo de velocidades se ha
obtenido de los correntímetros ADCPs, y los valores de la salinidad los registrados por los
CTDs. Se ha discretizado la ecuación en el esquema de diferencias finitas FTCS siguiente:
S j +1 − 2S j + S j −1
Si − Si−1 (uS )j − (uS )j −1
.
+
= Kk
(ti − ti −1 )
(x j − x j −1 )
(x j − x j −1 )(x j +1 − x j )
(4.34)
El periodo de muestreo de los CTDs es de 30min, luego Δt = ti − ti −1 = 30 min . El
subíndice j indica el CTD considerado y x j la ubicación del mismo. Para el término (uS )j se
ha considerado el ADCP más próximo al CTD j . En la Figura 4.38 se muestran los tramos
considerados para el cálculo de los coeficientes de dispersión.
En la Figura 4.39 se presentan los valores del coeficiente de dispersión efectivo para el tramo
4-2. Los cambios de signo son consecuencia de los semiciclos de llenante y vaciante. Los
valores de K en llenante ( K > 0 ) son distintos de los de vaciante ( K < 0 ) apuntando a una
clara asimetría en la dinámica salina. Los valores máximos instantáneos superan
los valores mínimos son del orden de
1000 m 2 / s ;
200 m 2 / s .
Figura 4.39. Coeficiente de dispersión efectivo instantáneo en el Tramo 4 - 2.
A escala mareal y en régimen de aguas bajas, los coeficientes de dispersión se pueden estimar
a partir de la ecuación de advección – difusión estacionaria (Eq.(4.28)). Para resolver la
ecuación, se ha vuelto a considerar un esquema en diferencias finitas similar al (4.34). Sin
embargo, para el caso estacionario, los tramos considerados son aquellos definidos entre cada
dos CTDs, y condiciones de contorno de tipo Dirichlet de salinidad nula en cabecera. El
coeficiente de dispersión efectivo medio mareal para el tramo 6-5 se muestra en la Figura 4.40.
En el Anejo K se muestran los resultados para el resto de tramos.
55
Figura 4.40. Panel inferior: Coeficiente de dispersión medio mareal (línea azul) y medio Msf (círculos rojos) en
el tramo 6-5. Panel central: Caudales descargados desde la presa de Alcalá del Río. Panel superior: Elevación
registrada en el TG0, Bonanza.
2
El orden de magnitud del coeficiente de dispersión es 150 − 200 m / s , presentando valores
significativamente mayores durante las descargas. Estos valores son consistentes con los
obtenidos en otros estuarios y con los obtenidos con trazadores en el mismo Guadalquivir. Una
3
2
descarga de 100 m / s puede triplicar el coeficiente de dispersión ∼ 600 m / s . Durante las
mareas vivas los valores del coeficiente de dispersión crecen por encima de la media, mientras
que durante las mareas muertas decrecen; las descargas fluviales pueden alterar este
comportamiento.
Los coeficientes γ1 y γ2 (definidos en (4.31)) son, en todos los casos, muy inferiores a la
unidad.
4.5.
Comportamiento de la salinidad según un eje del
estuario en régimen hidráulico de caudal alto y
avenidas
El régimen de estuario bien mezclado se ve alterado por la acción del viento en la plataforma y
en el estuario y, principalmente, por el régimen hidráulico del río, es decir, por el caudal vertido
desde la presa de Alcalá, los caudales aportados por los restantes cursos fluviales y por
escorrentía. Cuando esto ocurre, la propagación de la onda de marea se ve obstaculizada por
3
la descarga fluvial y, si la descarga fluvial supera 500m / s , la transición de las aguas dulces
y salada se realiza en la Broa, fuera del estuario interior formando una cuña salina, es decir,
una transición brusca de aguas dulces y saladas (véase Figura 4.7 y Figura 4.8) formado por
un plano inclinado a través del cual se produce la mezcla de las aguas.
Cuando el caudal remite y la velocidad instantánea mareal de llenante, iguala y supera la
velocidad fluvial, la salinidad comienza a crecer, haciéndolo más rápidamente en los tramos
más próximos a la desembocadura donde los efectos advectivos y las corrientes residuales
(gradiente de salinidad y tidal pumping) y los dispersivos son de mayor magnitud.
56
El tiempo (de relajación) necesario hasta alcanzar, de nuevo, el equilibrio correspondiente al
caudal de aguas bajas depende de la curva de recesión de los caudales fluviales y del caudal
residual, del ciclo mareal (vivas o muertas), y del régimen de vientos. Los datos recogidos
durante las campañas de campo hasta el 18 de enero de 2010 han permitido obtener unas
curvas de evolución de la salinidad tras la ocurrencia de una avenida. Con ella se puede
predecir su comportamiento a corto y medio plazo en función de los regímenes hidráulicos y de
viento.
04-Jan-2010
05-Jan-2010
06-Jan-2010
07-Jan-2010
08-Jan-2010
09-Jan-2010
10-Jan-2010
1026.9
1655.9
1958.9
1844.6
1775.5
1599.1
1303.3
17-Jan-2010
03-Jan-2010
1398.2
1808.5
02-Jan-2010
1665
16-Jan-2010
01-Jan-2010
1664.7
1809.6
31-Dec-2009
1503.3
15-Jan-2010
30-Dec-2009
933.51
1743.8
29-Dec-2209
824.14
14-Jan-2010
28-Dec-2009
968.02
1388.2
27-Dec-2009
1226.3
13-Jan-2010
23-Dec-2009
624.95
736.82
22-Dec-2009
518.77
11-Jan-2010
07-Feb-2009
531.16
Tabla 4.17. Caudales aliviados en la presa de Alcalá del Río en m3/s que superan los
671.47
11-Apr-2008
557.21
Durante la campaña de medidas se han presentado varias avenidas tal y como se recoge en la
Tabla 4.17. Las últimas y más acusadas han ocurrido en el mes de diciembre de 2009 y el
comienzo de año de 2010. En todos los casos, el estuario quedó totalmente ocupado por agua
dulce, la salinidad en todos los tramos fue inferior a 2 PSU y la transición de agua dulce y
salada ocurrió en la Broa de Sanlúcar, aguas afuera de la Punta del Malandar.
500m 3 / s , desde enero
de 2008.
4.5.1.
La salinidad durante las descargas de abril 2008
En la Figura 4.41 se observa la caída de la salinidad en el estuario con dos descargas casi
consecutivas ocurridas en el mes de abril 2008. Los picos de descarga estuvieron,
3
respectivamente, por encima y por debajo de 500 m / s , el crecimiento de la avenida fue muy
similar (alrededor de tres días), mientras que el tiempo de recesión de la segunda fue superior
al de la primera. Entre los picos de las dos avenidas pasaron unos ocho días, 16 ciclos de
marea. La intrusión salina sólo pudo llegar hasta la Esparraguera.
Después, el agua salada fue empujada de nuevo hacia el mar pero, esta vez, el retroceso fue
3
menor por tres razones, (1) el caudal fue menor, inferior a 500 m / s , (2) el pico de la avenida
coincidió con mareas vivas y con (3) viento de intensidad superior a los 10 m/s y dirección del
SW, con transporte de Ekman asociado en dirección a la desembocadura. La caída de la
salinidad no alcanzó la Broa y el agua dulce se extendió desde la presa hasta la curva de los
Cepillos aguas abajo. Después los caudales de agua dulce cayeron a los valores mínimos,
3
inferiores a 50 m / s y la recuperación salina del estuario hasta las condiciones de equilibrio
tardó más de tres semanas y estuvo gobernada, además de por la dinámica mareal, por la
descarga fluvial y los vientos moderados y persistentes del oeste.
57
Figura 4.41. Por orden de arriba a abajo: caudales de Alcalá del Rio (Q), precipitación media en la estación RIA
de Lebrija 1 (Prem), marea astronómica registrada en el puerto de Bonanza (marH), altura de ola significante
espectral (Hm0), periodo de pico (Tp), dirección media de procedencia del oleaje (DirM), velocidad del viento
(VelV), dirección media de procedencia del viento(DirV), simulados en el nodo WANA frente a la
desembocadura y, finalmente, valores de salinidad (S) medidos a 1m desde la superficie libre por el CTD
Cepillos (CTD1).
58
Figura 4.42. Por orden de arriba a abajo: Valores de salinidad (S) medidos a 1 m desde la superficie libre por
los CTDs ubicados a lo largo del cauce principal (desde CTD0 hasta CTD7) para el periodo que va desde
04/04/2008 hasta 03/06/2008.
4.5.2.
La salinidad durante las descargas de febrero 2009
En la Figura 4.43 se muestra el efecto en la salinidad de la avenida ocurrida en febrero de
3
2009. El caudal punta fue del orden de 500m / s pero los tiempos de crecimiento y recesión
fueron superiores a los de las dos avenidas de abril de 2008. Las condiciones exteriores en la
plataforma fueron similares, viento del oeste, bajada brusca de la presión atmosférica, pero con
temporal del suroeste de altura de ola significante y periodo de pico superiores a los de
aquellos.
Sin embargo, lo que hace singular este episodio desde el punto de vista del conocimiento es
que tras un intervalo de tiempo de algo más de dos semanas con caudal de aguas bajas y sin
recuperarse el equilibrio salino (correspondiente a aguas bajas) en todo el estuario, se produce
59
3
durante varios días una descarga fluvial superior a 150m / s que generan un nuevo punto de
equilibrio del estuario (Figura 4.44).
Figura 4.43. Por orden de arriba a abajo: caudales en Alcalá del Rio (Q), precipitación media en la estación RIA
de Lebrija 1 (Prem), marea en el mareógrafo de Bonanza (marH), parámetros atmosféricos (VelV, DirV, Ps) en
Salmedina, parámetros de oleaje simulados en el WANA 3 frente a la desembocadura (Hm0, TP, DirM), y valores
de salinidad (S) medidos a 1 m desde la superficie libre por el CTD1; representados de arriba hacia abajo, para
el periodo de estudio que va desde 12/01/2009 hasta 12/03/2009.
60
Figura 4.44. Por orden de arriba a abajo: Valores de salinidad (S) medidos a 1 m desde la superficie libre por
los CTDs ubicados a lo largo del cauce principal (desde CTD0 hasta CTD7) para el periodo de estudio que va
desde 12/01/2009 hasta 12/03/2009.
4.5.3.
Salinidad media de equilibrio vs. descarga fluvial
3
Tras descargas del orden y superiores a ∼ 500m / s la salinidad y la densidad caen
bruscamente a los valores del agua dulce aliviada por el embalse (Figura 4.26, líneas verticales
1, 2 y 7). En todos los casos, la caída de la salinidad ocurre en unos pocos ciclos de marea y la
tasa de descenso depende del caudal del río, del ciclo mareal (viva o muerta) y del tramo del
3
estuario. Cuando el caudal medio supera 500m / s , y dura tiempo suficiente, 3-5 ciclos de
marea, (dependiendo del caudal), el agua en el estuario es completamente dulce y se forma
una cuña salina en la Broa. En la Figura 4.42 y Figura 4.44 se observa el descenso local de la
salinidad media al crecer el caudal del río. En promedio, la salinidad que llega a la curva de los
Cepillos no supera 10 PSU.
61
Este comportamiento se recoge en la Figura 4.45 y Figura 4.46; en la primera figura, el eje de
abscisas es la distancia a la Broa, el eje vertical la magnitud de la descarga media diaria y las
curvas son las isolíneas de salinidad.
Figura 4.45. Evolución longitudinal de la salinidad promediada en un ciclo de marea semi-diurna (g/l) en
función del desembalse medio desde la presa de Alcalá.
Aplicando la ecuación estacionaria de la salinidad media a los datos medidos en cada uno de
los CTDs disponibles, se ha obtenido un campo de salinidad de equilibrio según un diagrama
3
del caudal de descarga ( m / s ) frente a la distancia a la Broa (véase Figura 4.46) donde la
curva en cada sección de medida se identifica con diferente color y trazo y representan la
salinidad media de equilibrio en ese punto para el correspondiente caudal de descarga. Si éste
aumenta hasta un nuevo valor y se mantiene durante un tiempo suficiente (igual o superior
tiempo de relajación), la salinidad decrece hasta un nuevo valor de equilibrio. Análogamente, si
el caudal decrece con tiempo de recesión menor o igual que el de recuperación del equilibrio, la
salinidad media en el punto crece hasta su valor de equilibrio con ese caudal.
En cada una de las situaciones de equilibrio la salinidad máxima y mínima en ese punto se
obtiene por simple traslación horizontal de la curva de salinidad media un valor igual al semidesplazamiento debido a la onda de marea. De forma aproximada, (ignorando la interacción no
lineal entre el caudal del río y la onda de marea) se pueden estimar los semidesplazamientos
Ep, Eb en las estoas de pleamar y de bajamar respectivamente por,
[ull ( x, t ) − uR ( x, t )] dt
Ev = ∫ tt +T [uv ( x, t ) − uR ( x, t ) ] dt
Ell = ∫ t
t +T p
(4.35)
b
donde ull y uv son las velocidades mareales en llenante y vaciante y uR es la velocidad en la
sección considerada cuando descarga fluvial es Q f . Se debe cumplir la condición,
ull ≥ uR ya que en otro caso la salinidad media en el punto no alcanzaría la proporcionada por
el diagrama.
62
Figura 4.46. Salinidad media mareal
SM
estacionaria frente al caudal medio descargado
Qf
(promediado en 4
días) que provocó el cambio en las condiciones estacionarias.
4.5.4.
Descargas del río y tiempos de relajación de la
salinidad de equilibrio
Cuando las condiciones de salinidad en el estuario sólo dependen de un caudal de descarga
constante y de la dinámica mareal, en todos los puntos del estuario se alcanzan unas
condiciones de equilibrio representadas por la salinidad media en un ciclo mareal cuyo valor
oscila con las mareas vivas y muertas en función de su amplitud. Cuando el caudal cambia,
crece o decrece, la salinidad de equilibrio varía y su valor se proporciona en la Figura 4.46. Se
admite que los cambios de equilibrio se realizan en condiciones de mezcla completa. Esta
hipótesis puede no satisfacerse plenamente en las inmediaciones de la Broa.
El tiempo necesario para pasar de una salinidad de equilibrio SQ1 a la siguiente SQ2 se
denomina tiempo de relajación. Este tiempo se aproxima por una función hiperbólica de la
forma,
(
)
S (t ) = SQ1 + ( SQ2 − SQ1 ) 1 + tanh ( ( t − t0 ) / TR ) / 2
(4.36)
cuando hay un incremento significativo de caudal Q2 > Q1 , dando lugar a SQ2 < SQ1 . En (4.36),
t0 es un tiempo intermedio entre ambas situaciones y TR es el tiempo característico de
relajación.
En el caso de reducción del caudal, la salinidad media mareal puede aproximarse bien por uno
o varios tramos rectos de la forma
S (t ) = χ ⋅ t + S (t0 )
(4.37)
χ es la pendiente de la recta y t0 el tiempo de referencia en el origen del tramo recto,
seguidos de una función hiperbólica similar a (4.36), con TD el tiempo de relajación (véase
donde
Figura 4.47). El crecimiento lineal se corresponde con un proceso puramente difusivo,
consecuencia de la baja estratificación vertical. En general TR ≠ TD , es decir, el proceso de
63
mezcla tiene histéresis, tanto más acusada cuanto más aguas arriba del estuario. Los
parámetros TD y TR controlan, respectivamente, los tiempos de recuperación y relajación, esto
es, la pendiente en el punto de inflexión en la tangente hiperbólica.
En la Figura 4.47 se muestran las curvas de salinidad en el CTD1, ajustadas según las
ecuaciones (4.36) y (4.37) para los primeros tramos, para las descargas en torno al 7 de
3
3
febrero de 2009 (descarga media Q f = 339 m / s y máxima de Q f ,max = 531.2 m / s ).
Los parámetros de ajuste se muestran en la Tabla 4.18. Los resultados para el resto de los
equipos se muestran en el Anejo I.
En la Tabla 4.19 se presenta el tiempo de recuperación en cada lugar de medida de la
salinidad. Los tiempos de recuperación totales Ttotal se obtienen como la suma de los tiempos
de recuperación lineal más el TR asociado a la recuperación en forma de tangente hiperbólica.
Tras la descarga el tiempo de recuperación del estuario es de dos semanas aproximadamente,
existiendo variaciones de hasta casi 4 días entre las áreas próximas a la desembocadura y las
próximas a la ciudad de Sevilla. El tiempo crece hacia aguas arriba del estuario debido a la
menor contribución de la marea tanto en la deriva de Stokes como en la dispersión.
Figura 4.47. Curvas de salinidad instantánea (línea azul) , promediada en ciclo semidiurno M2 (círculos rojos) y
ajustes a la salinidad media mareal (líneas negras) para el CTD1 como respuesta a la descarga media de
339 m 3 / s
CTD1
y pico de
531.2 m 3 / s . Los parámetros de ajuste se muestran la Tabla 4.18.
tini
t fin
χ
TR
SQ1 (PSU)
SQ2 (PSU)
1.39
(días)
NA
NA
NA
0.11
NA
NA
NA
NA
3.5
8.6845
17.13
(PSU/día)
Lineal
1
Lineal
2
Tanh
08-Feb-2009
17:30:00
12-Feb-2009
21:00:00
18-Feb-2009
01:30:00
12-Feb-2009
21:00:00
18-Feb-2009
01:30:00
∞
Tabla 4.18. Parámetros de ajuste para la salinidad media mareal en el CTD1 en respuesta a las descargas
fluviales en torno al 7 de febrero de 2009. NA = No aplicable.
64
Ttotal (días )
CTD1
12.83
CTD2
13.10
CTD3
13.37
CTD4
14.16
CTD5
14.41
CTD6
16.5
Tabla 4.19. Tiempo de recuperación total en cada CTD. Se obtiene como la suma de los tiempos de
recuperación lineal y el TR del ajuste de tangente hiperbólica.
En la Figura 4.48 se muestra la curva de salinidad en el CTD0, ajustadas según la ecuación
(4.36), para las descargas en torno al 5 de marzo de 2009 de descargas medias
Q f = 91 m 3 / s y máximo de Qf ,max = 122.1 m 3 / s . Los parámetros de ajuste se muestran
en la Tabla 4.20. Los ajustes para el resto de equipos se muestran en los Anejos.
Figura 4.48. Curvas de salinidad instantánea (línea azul) y ajustes a la salinidad media mareal (líneas negras)
para cada CTD0 como respuesta a la descarga media de
91 m 3 / s
y pico de
121.1 m 3 / s .
Los
parámetros de ajuste se muestran la Tabla 4.20.
CTD0
t0
TD (días) SQ1 (PSU) SQ2 (PSU)
Tanh
05-Mar-2009 03:30:00
2
32.77
30.87
Tabla 4.20. Parámetros de ajuste para la salinidad media mareal en el CTD0 en respuesta a las descargas
fluviales en torno al 7 de febrero de 2009.
En los ajustes, cuyos parámetros se muestran en la Tabla 4.20 y en los Anejos, no se aprecia
incremento del tiempo de relajación hacia aguas arriba del estuario debido a la menor
contribución de la marea. La diferencia entre las salinidades estacionarias SQ1 y SQ2 es
3
3
pequeña (Q2 = 91 m / s y Q1 = 31 m / s ) lo que no permite determinar con precisión los
tiempos de relajación; aunque, de manera similar a lo observado en la descarga caracterizada
en la Figura 4.47, es de esperar que, en efecto, el tiempo se incremente estuario arriba.
65
Coeficientes de dispersión durante los transitorios
Aplicando la ecuación 1D no estacionaria con el término de la variación local de la salinidad
(supuesto que el cambio de caudal es instantáneo) a la serie de datos medidos, se puede
obtener los coeficientes de dispersión efectivos en el tramo para las variaciones de caudal
observadas.
4.5.5.
Las descargas del periodo diciembre 2009 - enero
2010
En la Figura 4.49 se muestra las descargas fluviales ocurridas en diciembre 2009 - enero 2010
mostrando una secuencia de picos de descarga que superaron mil metros cúbicos segundo y
3
alcanzando un pico máximo de 2000 m / s .
En todos los casos, la caída de la salinidad ocurre en unos pocos ciclos de marea y la tasa de
descenso depende del caudal del río, del ciclo mareal (viva o muerta) y del tramo del estuario.
3
Cuando el caudal medio supera 500m / s , el agua en el estuario es completamente dulce y
se forma una cuña salina en la desembocadura que persiste durante varios días; el número
exacto de días depende de la magnitud de la descarga y de las condiciones climáticas y
mareales. Esta situación se da en promedio, aproximadamente, 3 veces al año.
En todos los casos, la caída de la salinidad ocurrió en unos pocos ciclos de marea y se formó
una cuña salina en al Broa.
Figura 4.49. Salinidad en PSU en los CTD0-CTD6 comparada con las descargas de la presa Alcalá del Río
(panel inferior). Nótese el cambio de escala vertical para la salinidad en cada panel.
66
4.6.
Balance de sal
Para predecir las características estuarinas es necesario cuantificar las circulación de agua y
los procesos de mezcla. Esto se realiza calculando los flujos de sal entrantes y salientes a
través de secciones y evaluando el cambio de salinidad dentro del volumen de control entre
cada dos secciones. Para realizar este cálculo se ha considerado una dinámica unidimensional
y una situación estacionaria (bajos caudales de descarga). En esas condiciones, el flujo
instantáneo de sal se cuantifica de la siguiente manera:
F=
η
∫
−h
us dz ,
(4.38)
donde h la profundidad media y η la elevación, u y c son, respectivamente, la velocidad y la
concentración de sal en agua. Promediando F sobre el ciclo semidiurno M2 se tiene
F = h ⋅ u ⋅ s + s ⋅ η ⋅ u + u ⋅ η ⋅ s + h ⋅ u ⋅ s + η ⋅ u ⋅ s + h ⋅ uv ⋅ sv + η ⋅ uv ⋅ sv , (4.39)
T1
T2
T4
T3
T5
T6
T7
donde se han adoptado las usuales definiciones:
El promedio en la columna de agua de una magnitud
ξ=
ξ se define como
1
ξ dz ,
h ∫−h
η
(4.40)
y en tal caso la magnitud instantánea se puede descomponen a cada profundidad z como
ξ = ξ + ξv .
(4.41)
El promedio en el ciclo semidiurno de ξ se define como
ξ=
1
TM 2
∫
T +TM 2
T
ξ dt .
(4.42)
Así pues una magnitud instantánea puede descomponerse (a cada z ) como
ξ =ξ+ξ.
(4.43)
Por ejemplo, según estas definiciones, una magnitud promediada en la vertical se
descompone así:
ξ =ξ+ξ.
(4.44)
El término T1 del flujo promediado en el ciclo M2 (Eq.(4.39)) es la deriva no mareal o deriva
Euleriana. El término T2 es el flujo asociado a la deriva de Stokes. Los términos T3, T4 y T5
son los del bombeo mareal o tidal pumping. Estos términos se producen por las diferencias de
fase entre salinidad, velocidad y elevación. El término T6 es la circulación vertical por
gravedad, que surge por la correlación entre (1) la corriente media hacia la cabecera y una
concentración elevada de sal en el fondo y (2) entre la corriente de superficie hacia la
desembocadura y salinidades bajas. El término T7 surge de las variaciones de los perfiles
verticales de la velocidad y salinidad en un ciclo mareal.
4.6.1.
Resultados
Para determinar el balance de sal en el estuario se hace uso, entre otros equipos, de los CTD
instalados. Se considera que las medidas de cada CTD son representativas del tramo o
volumen de control que lo contiene. Los tramos han sido definidos considerando los puntos
medios entre cada dos CTDs. Los volúmenes que contienen los CTDs primero y último son
simétricos respecto a cada CTD (véase Figura 4.50). Los datos de corriente y elevación
necesarios para realizar el balance se han tomado, respectivamente, de los correntímetros y
67
mareógrafos más cercanos a los CTDs. Los puntos donde se ubican los CTDs y la longitud de
los respectivos tramos se muestran en la Tabla 4.21.
Punto km (km)
Longitud tramo (km)
CTD1
17.30
6.3
CTD2
23.60
4.45
CTD3
26.20
5.85
CTD4
35.30
10.45
CTD5
47.10
11.15
CTD6
57.60
18.6
CTD7
84.30
26.7
Tabla 4.21. Puntos kilométricos donde se ubican los equipos CTD en km (desde la Broa) y longitudes de los
tramos correspondientes.
Figura 4.50. Equipos CTD considerados y tramos que los comprenden, definidos por las líneas color cian.
En la Figura 4.51 se muestran cada uno de los flujos de sal en el CTD2 calculados según
Eq.(4.38). Los resultados en el resto de equipos se muestran en el Anejo O. El signo del flujo
indica el sentido del transporte: positivo estuario arriba y negativo estuario abajo.
En todos los equipos, los términos T6 y T7 ( h ⋅ uv ⋅ cv
y η ⋅ uv ⋅ cv , respectivamente),
asociados con la variabilidad vertical del flujo, son muy inferiores al resto, lo cual es consistente
con un estuario bien mezclado y poco estratificado. En general, el término dominante es el T1
( h ⋅ u ⋅ s ) asociado a la deriva euleriana, superior al resto (en promedio), aunque es del mismo
orden de magnitud que los términos T2 y T4 ( s ⋅ η ⋅ u y h ⋅ u ⋅ s , respectivamente). Estos
últimos términos representan la correlación entre la elevación y la corriente (T2, deriva de
Stokes), cuyo desfase induce un transporte neto, siendo en todos los casos positivo (dominio
de la llenante) y (T4, tidal pumping), que está producido por el transporte inducido por el
desfase entre la corriente y la distribución del sedimento, típicamente asociado a los retardos,
respecto de la corriente, en la deposición del sedimento y en el lavado o dispersión por la
columna de agua del material erosionado.
Las variaciones de mareas vivas y muestras son observables en la descomposición por
términos. En algunos casos, el sentido del flujo puede cambiar dependiendo del ciclo; así, por
ejemplo, en el CTD2 durante mareas vivas el flujo es hacia la desembocadura mientras que en
muertas el sentido es de menor magnitud y de sentido hacia cabecera. En todos los puntos el
término asociado a la deriva de Stokes es siempre hacia la cabecera.
En la Figura 4.52 se muestra el promedio durante el periodo de tiempo completo considerado
en este análisis (desde el 22/07/2008 al 16/08/2008) para cada uno de los 7 términos en
Eq.(4.39). El panel inferior más a la derecha representa el flujo neto F , suma de todos los
términos. Fijándonos en este último, se puede observar que durante el régimen de aguas bajas
el transporte de sal es en todo el estuario hacia la cabecera (positivos). Esto significa que los
aportes salinos en el estuario provienen, principalmente, del flujo de agua marino asociado a la
dinámica mareal y las corrientes marinas. De hecho, comparado con éste, el aporte global de
sales de origen fluvial no es significativo. La curva, al igual que la curva de salinidad
promediada en un ciclo semidiurno, es, aproximadamente, exponencial decreciente. En efecto,
los términos asociados a la circulación y variabilidad vertical son muy inferiores al resto, lo cual
es indicativo de la estratificación débil del estuario. Los términos más significativos (en
promedio) son, como se comentó anteriormente, los T1, T2 y, en último lugar, T4.
68
Figura 4.51. Descomposición del flujo medio mareal en el CTD2.
Figura 4.52. Variación con la distancia a la desembocadura de los términos del flujo promediados en todo el intervalo
temporal analizado.
69
4.7.
Conclusiones y trabajo futuro
Al igual que en el resto de capítulos, se han puesto de manifiesto las escalas espaciotemporales de los procesos de transporte de la salinidad. La salinidad está controlada por la
dinámica mareal. Según las características geométricas e hidrodinámicas del estuario, la
dinámica y transporte de la salinidad es un proceso eminentemente unidimensional, aunque
localmente puede haber efectos bidimensionales de importancia. Los flujos de sal en todo el
estuario están dirigidos hacia cabecera.
La salinidad experimenta variaciones temporales cíclicas semidiurnas, sub- y sobremareales,
anuales y plurianuales; ésta decrece monótonamente desde la plataforma interior (35 PSU,
aproximadamente) hasta la presa de Alcalá del Río (0 PSU). En un instante dado en régimen
de aguas bajas, la salinidad presenta un tramo corto entre la Broa y Bonanza donde apenas
varía, después sigue una zona donde el gradiente negativo de salinidad es máximo para luego
hacerse más suave estuario arriba. Asimismo, la salinidad depende fuertemente de los aportes
fluviales directos y por escorrentía, presentando una variabilidad espacialmente importante
según la estación del año.
Los números de Estuario, de Prisma de Marea, de Richardson y de Froude densimétrico
indican que, en régimen de aguas bajas, el estuario se encuentra poco estratificado o bien
mezclado. La variación relativa de densidad en la columna de agua no supera el 0.3%.
Ocasionalmente, en el tramo de desembocadura, sus aguas se encuentran parcialmente
estratificadas.
En este informe se han determinado las curvas de equilibrio en cada punto del estuario para
cada caudal descargado y las curvas de intrusión y recesión salina. Las curvas intrusión y de
recesión varían periódicamente con los ciclos mareales, con los ciclos de las mareas vivas y
muertas, con la acción del viento y, sobre todo, con las descargas fluviales. El alcance de la
intrusión salina en un ciclo mareal en mareas medias varía entre los 15-20 kms, dependiendo
del estado de marea. Se ha observado que la intrusión salina (punto nulo) puede llegar en
régimen de aguas bajas hasta los 80km estuario arriba (Sevilla) en verano durante algunas
mareas vivas. En mareas muertas alcanza sólo hasta la Pta. de la Mata. En invierno, los
aportes desde la cuenca se incrementan y la intrusión salina retrocede de 10 a 20kms respecto
a lo anterior.
En régimen de avenidas, el caudal descargado desde Alcalá del Río mantiene el límite de la
intrusión salina en la desembocadura e induce estratificación temporal en la columna de agua
en la plataforma interior (cuña salina). Los tiempos de recuperación de la intrusión depende del
volumen de agua vertido, del ciclo mareal, vivas o muertas, del viento y del oleaje en la
desembocadura y en la costa. Por ejemplo, para descargas de
∼ 500 m 3 / s , el tiempo de
recuperación de la intrusión salina varía entre los 13 días en la zona de Cepillos hasta los 17
días en Sevilla. Esta situación se da en promedio 3 veces al año.
Se han determinado los coeficientes de dispersión efectivos a parir de la ecuación advectivo –
difusiva promediada en la sección y en el ciclo semidiurno para el transporte salino. Los
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coeficientes resultantes son del orden de 150 m / s − 200 m / s . Estos coinciden con los
obtenidos en otros estuarios atlánticos y con los obtenidos en este mismo estuario mediante
trazadores. La magnitud de los coeficientes de dispersión está asimismo sujeta a las
variaciones mareales de mareas vivas y muertas y, además, a las descargas fluviales. Por
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ejemplo, una descarga de 100 m / s eleva los coeficientes hasta los
600 m 2 / s .
Como trabajo, futuro sería especialmente recomendable realizar una campaña de campo
específica para monitorizar el intercambio de masas de agua y de sustancias, concretamente
salinidad, en la desembocadura (a la altura de Bonanza) y en otras secciones transversales a
lo largo del cauce (El Puntal y El Mármol). Para ello habría que medir elevaciones, corrientes y
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otras sustancias pasivas simultáneamente en toda la sección de control durante, al menos,
varios ciclos de marea.
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