ESTUDIO DE LOS EFECTOS DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA MARINA PUERTO MAJAHUA EN LA DINÁMICA Y TRANSPORTE DE SEDIMENTO COSTERO EN LA BAHÍA DE PUERTO MARQUÉS, GUERRERO INSTITUTO DE INGENIERIA, UNAM DICIEMBRE DE 2012 INDICE GENERAL 1 INTRODUCCIÓN ................................................................... 9 1.1 Antecedentes ........................................................................................ 9 1.2 Objetivos .............................................................................................. 9 1.2.1 Objetivo General 9 1.2.2 Objetivos Específicos 9 1.3 Alcance .............................................................................................. 10 1.4 Descripción de la Zona de Estudio .................................................. 10 1.4.1 Entorno Natural 10 1.4.2 Infraestructura Costera 11 1.4.2.1 Restaurantes en Playa Marqués 11 1.4.2.2 Marina Majahua 13 2 ESTUDIOS DE CAMPO ....................................................... 14 2.1 Introducción ..................................................................................... 14 2.2 Análisis granulométrico .................................................................. 14 2.2.1 Metodología 14 2.2.2 Pre-tratamiento de las muestras 15 2.2.3 Metodología de separación de arenas por el método de los tamices. 16 2.2.4 Resultados 18 2.3 Estudio topo-batimétrico ................................................................. 21 2.3.1 Metodología 22 2.3.2 Resultados 25 2.4 Cambios de Línea de Costa ............................................................... 28 2.4.1 Metodología 28 2.4.2 Resultados 28 2.5 30 2.6 Conclusiones y recomendaciones ................................................... 30 2.7 Bibliografía ....................................................................................... 30 3 PARAMETROS OCEANOGRÁFICOS ................................... 32 3.1 Oleaje ................................................................................................. 32 3.1.1 Descripción de la base de datos de oleaje 33 3.1.2 Propagación de oleaje a la zona de estudio 34 3.1.2.1 Datos de entrada: batimetría y dominio computacional 34 3.1.2.2 Datos de entrada: especificaciones del modelo 36 3.1.2.3 Datos de entrada: forzamiento 36 3.1.2.4 Resultados de la propagación de oleaje 37 3.1.3 Clima de oleaje 40 3.1.3.1 Caracterización del clima medio 40 3.1.3.2 Oleaje en la entrada a la bahía de Puerto Marqués 45 3.1.3.3 Oleaje en la Marina Majahua 47 3.1.3.4 Caracterización del oleaje extremal 48 3.2 Viento ................................................................................................. 53 3.2.1 El viento como forzamiento del oleaje de fondo 53 3.2.2 Condiciones atmosféricas locales 53 3.2.3 Descripción de la base de datos de vientos locales 53 2 3.3 Resultados ........................................................................................ 3.4 Variación del nivel del mar .............................................................. 3.4.1 Fuente de datos 61 3.5 Conclusiones .................................................................................... 3.6 Referencias ........................................................................................ 55 61 65 65 4 CARACTERIZACIÓN DE TORMENTAS ............................... 66 4.1 Introducción ..................................................................................... 4.2 Metodología ...................................................................................... 4.3 Resultados ........................................................................................ 4.3.1 Tormentas aguas profundas 67 4.3.2 Oleaje aguas someras en la boca 70 4.4 Comparación de las tormentas más energéticas ........................... 4.4.1 Tormenta Tropical Javier 73 4.4.2 Huracán Jova 74 4.4.3 Huracán Hilary 75 4.5 Conclusiones .................................................................................... 4.6 Bibliografía ....................................................................................... 66 66 67 73 76 76 5 DINAMICA LITORAL ............................................................ 78 5.1 Introducción ..................................................................................... 78 5.2 Metodología ...................................................................................... 78 5.2.1 Estrategia de modelación 78 5.3 Descripción de los modelos ............................................................ 79 5.3.1 MIKE 21 SW 79 5.3.2 MIKE 21 HD FM 80 5.3.3 MIKE 21 ST FM 81 5.4 Datos de entrada a los modelos ..................................................... 81 5.4.1 Malla de cálculo 82 5.4.2 Batimetría 86 5.4.3 Casos simulados y condiciones de frontera 90 5.5 Resultados y discusiones ................................................................. 91 5.5.1 Corrientes generadas por mareas 91 5.5.1.1 Mareas vivas 91 5.5.1.2 Mareas muertas 93 5.6 Corrientes generadas por oleaje ................................................... 94 5.6.1 Descripción del modelo 94 5.6.2 Resultados 94 5.7 Evolución morfológica .................................................................. 100 5.7.1 Transporte de sedimentos y cambios morfológicos 100 5.7.2 Parábola de Hsu y Evans 111 5.7.2.1 Descripción del modelo 112 5.7.2.2 Resultados 112 5.8 Delimitación de las zonas de afectación ...................................... 113 5.9 Conclusiones .................................................................................. 114 5.10 ............................................................................. Bibliografía 115 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................... 116 6.1 Conclusiones .................................................................................. 116 6.2 Recomendaciones ............................................................................ 117 3 INDICE DE FIGURAS Figura 1-­‐1, Bahía de Puerto Marqués y localización de la Marina Majahua. .................................... 11 Figura 1-­‐2 Obras de construcción de los restaurantes en la playa de Puerto Marqués, Guerrero (Fuente: GMD). ......................................................................................................................... 12 Figura 1-­‐3 Perspectiva del muro vertical de protección a los restaurantes en Puerto Marqués (Fuente: GMD). ......................................................................................................................... 12 Figura 1-­‐4 Vista área de la Marina de Majahua (Fuente: GMD). ...................................................... 13 Figura 2-­‐1, Imagen de Bahía Puerto Marqués, donde se muestra los sitios en los cuales se tomaron muestras de sedimento, cada punto tiene tres letras que corresponden a una muestra colectada. .................................................................................................................................. 15 Figura 2-­‐2, Tamaño de grano D50 de las muestras de sedimentos colectadas en la Bahía de Puerto Marqués. ................................................................................................................................... 20 Figura 2-­‐3, Perfil típico de playa (Fuente: Vergara, 2011). ........................................................ 22 Figura 2-­‐4, Batimetría del 2002, antes de la construcción de la marina ........................................... 23 Figura 2-­‐5, batimetría Junio-­‐Julio 2012 ............................................................................................. 23 Figura 2-­‐6, Batimetría general de la zona de estudio septiembre 2012 ........................................... 24 Figura 2-­‐7, Localización de Secciones ............................................................................................... 25 Figura 2-­‐8, Comparación línea de costa 2002 y 2012 ....................................................................... 26 Figura 2-­‐9, Comparación de las batimetrías de 2002 y 2012 ............................................................ 27 Figura 2-­‐10, movimiento neto de la línea de costa entre 2002 y 2012 ............................................ 29 Figura 2-­‐11, Tasa de cambio de línea de costa entre 2002 y 2012 .................................................. 30 Figura 3-­‐1, Posición de los datos de oleaje en aguas profundas del WAVEWATCH III utilizados. .... 33 Figura 3-­‐2. Malla del dominio computacional mostrando el área máxima de los elementos en cada zona. .......................................................................................................................................... 35 Figura 3-­‐3. Detalle de la malla computo en la zona de interés mostrando el área máxima de los elementos en cada zona. .......................................................................................................... 35 Figura 3-­‐4. Batimetría ETOPO1 utilizada en el modelo de oleaje ..................................................... 36 Figura 3-­‐5. Simulación de oleaje en todo el dominio computacional para la tormenta del 3 de septiembre de 1998 .................................................................................................................. 37 Figura 3-­‐6. Detalle de la simulación de oleaje en las bahías de Acapulco y Puerto Marqués para la tormenta del 3 de septiembre de 1998 .................................................................................... 38 Figura 3-­‐7. Posición del punto de extracción de información de oleaje en la entrada de la Bahía de Puerto Marqués ........................................................................................................................ 38 Figura 3-­‐8. Condiciones de oleaje en aguas profundas y a la entrada de la Bahía de Puerto Marqués .................................................................................................................................................. 39 Figura 3-­‐9. Rosa de oleaje anual en aguas profundas ....................................................................... 42 Figura 3-­‐10. Hs vs Tp en aguas profundas. ........................................................................................ 43 Figura 3-­‐11. (a) Histograma de frecuencias de Hs y (b) probabilidad acumulada en aguas profundas. ................................................................................................................................. 43 Figura 3-­‐12, Flujo medio de energía en aguas profundas para sectores seleccionados. .................. 44 Figura 3-­‐13, Hs vs Tp en la entrada de la bahía. ............................................................................... 45 Figura 3-­‐14. (a) Histograma de frecuencias de Hs y (b) probabilidad acumulada en la entrada de la bahía. ........................................................................................................................................ 46 Figura 3-­‐15, Flujo medio de energía en la entrada de la bahía para sectores seleccionados. .......... 46 Figura 3-­‐16, (Izquierda) Histograma de altura de ola significante y períodos y (Derecha) rosa de oleaje en la localización de la marina de Majahua. .................................................................. 47 4 Figura 3-­‐17, Probabilidad acumulada de altura de ola significante en la localización de la Marina Majahua. ................................................................................................................................... 48 Figura 3-­‐18. Histograma de frecuencias para la distribución de oleaje en aguas profundas. .......... 51 Figura 3-­‐19. Histograma de frecuencias para la distribución de oleaje en la entrada a la Bahía de Puerto Marqués. ....................................................................................................................... 51 Figura 3-­‐20, Ajuste de Gumbell para la obtención de periodos de retorno en aguas profundas. .... 52 Figura 3-­‐21, Ajuste de Gumbell para la obtención de periodos de retorno en la entrada a la Bahía de Puerto Marqués. .................................................................................................................. 52 Figura 3-­‐22: esquema de la adquisición de datos por medio de un programa que extrae datos del sitio web de wundergound©. ................................................................................................... 55 Figura 3-­‐23: interface gráfica mostrando el comportamiento de variables meteorológicas en la estación WMMAA. .................................................................................................................... 56 Figura 3-­‐24: PDF de rapidez de viento. Línea punteada: curva Weibull ajustada. ............................ 57 Figura 3-­‐25: comportamiento diurno de rapidez de viento; comparación entre los años 2009, 2010 y 2011. ....................................................................................................................................... 57 Figura 3-­‐26: comportamiento diurno de rapidez de viento. ............................................................. 58 Figura 3-­‐27: comportamiento diurno de la dirección del viento para las distintas estaciones del año (ver marcadores). ...................................................................................................................... 58 Figura 3-­‐28: rapidez de viento y dirección por mes del año. ............................................................ 59 Figura 3-­‐29. rosas de viento estacionales (a-­‐d) y total (e) del año 2011. ......................................... 60 Figura 3-­‐30: PDF de dirección mostrando rapidez de viento promedio por sector. ......................... 61 Figura 3-­‐31. Elevación del nivel del mar en la Bahía de Acapulco (mareógrafo del Sistema Mareográfico Nacional de la UNAM). ....................................................................................... 62 Figura 3-­‐32. Detalle de 32 días de la marea medida en la Bahía de Acapulco .................................. 63 Figura 3-­‐33. Amplitudes de componentes principales de la marea en la Bahía de Acapulco. .......... 64 Figura 3-­‐34. Marea medida (azul), astronómica (verde) y residual o meteorológica (rojo). ............ 64 Figura 4-­‐1, Definición de tormenta con Hs≥2.5 m y Δt≥24 hrs (área roja). ...................................... 67 Figura 4-­‐2. Distribución temporal de los eventos en el nodo de aguas profundas para el periodo 1997-­‐2012. ................................................................................................................................ 68 Figura 4-­‐3. Distribución direccional de los eventos identificados en aguas profundas para el periodo 1997-­‐2012. .................................................................................................................. 68 Figura 4-­‐4, Número de tormentas anuales (panel superior izquierdo), Hs máxima anual (panel superior derecho), número de días de tormenta anual (panel inferior izquierda) y contenido energético anual (panel inferior derecha) del nodo en aguas profundas para el periodo 1997-­‐ 2012. ......................................................................................................................................... 69 Figura 4-­‐5, Distribución temporal de los eventos de tormenta en la boca de la Bahía para el periodo 1997-­‐2012. .................................................................................................................. 71 Figura 4-­‐6, Distribución direccional de los eventos de tormenta en la boca de la Bahía para el periodo 1997-­‐2012. .................................................................................................................. 71 Figura 4-­‐7, Número de tormentas anuales (panel superior izquierdo), Hs máxima anual (panel superior derecho), número de días de tormenta anual (panel inferior izquierda) y contenido energético anual (panel inferior derecha)en la boca de la Bahía para el periodo 1997-­‐2012. . 72 Figura 4-­‐8, Serie de tiempo de Hs para la tormenta Javier para el nodo de aguas profundas (rojo) y para el nodo en la en la boca de la bahía (azul) con su correspondiente umbral de altura mínima de tormenta. ................................................................................................................ 74 Figura 4-­‐9, Serie de tiempo de Hs para el huracán Jova para el nodo de aguas profundas (rojo) y para el nodo en la en la boca de la bahía (azul) con su correspondiente umbral de altura mínima de tormenta. ................................................................................................................ 75 5 Figura 4-­‐10, Serie de tiempo de Hs y dirección de oleaje para el huracán Hilary Jova para el nodo de aguas profundas (rojo) y para el nodo en la en la boca de la bahía (azul) con su correspondiente umbral de altura mínima de tormenta. ........................................................ 75 Figura 5-­‐1. Estrategia de modelación ............................................................................................... 79 Figura 5-­‐2. Malla del dominio computacional con la configuración previa a la construcción de la marina. ...................................................................................................................................... 82 Figura 5-­‐3. Malla del dominio computacional con la configuración incluyendo solo el terraplén. .. 83 Figura 5-­‐4. Malla del dominio computacional con la configuración incluyendo la marina. .............. 83 Figura 5-­‐5. Malla del dominio computacional de la Bahía de Puerto Marqués incluyendo la marina. .................................................................................................................................................. 84 Figura 5-­‐6. Batimetría y malla del dominio computacional en la zona de la marina y la playa adyacente previo a la construcción de la marina. ..................................................................... 85 Figura 5-­‐7. Batimetría y malla del dominio computacional en la zona de la marina y la playa adyacente solo con la configuración del terraplén. .................................................................. 85 Figura 5-­‐8. Batimetría y malla del dominio computacional en la zona de la marina y la playa adyacente con la configuración de la marina. .......................................................................... 86 Figura 5-­‐9. Batimetría y configuración previa a la construcción de la marina. ................................. 87 Figura 5-­‐10. Batimetría y configuración incluyendo solo el terraplén. ............................................. 87 Figura 5-­‐11. Batimetría y configuración con las estructuras de la marina. ....................................... 88 Figura 5-­‐12. Batimetría y configuración de la bahía idealizada previa a la construcción de la marina. .................................................................................................................................................. 88 Figura 5-­‐13. Batimetría y configuración de la bahía idealizada incluyendo solo el terraplén. .......... 89 Figura 5-­‐14. Batimetría y configuración de la bahía idealizada con las estructuras de la marina. ... 89 Figura 5-­‐15. Corrientes de marea generadas durante mareas vivas con la configuración previa a la marina. ...................................................................................................................................... 92 Figura 5-­‐16. Corrientes de marea generadas durante mareas vivas con la configuración de la marina. ...................................................................................................................................... 92 Figura 5-­‐17. Corrientes de marea generadas durante mareas muertas con la configuración previa a la marina. .................................................................................................................................. 93 Figura 5-­‐18. Corrientes de marea generadas durante mareas muertas con la configuración de la marina. ...................................................................................................................................... 93 Figura 5-­‐19. Resultados de superficie del mar instantánea para el caso de oleaje regular (H=1 m y T=10 s) incidente en la entrada de la bahía para los casos sin estructuras (superior) y con marina (inferior). La localización de las series temporales en Figura 5-­‐20 se muestran en panel inferior. ..................................................................................................................................... 95 Figura 5-­‐20. Series temporales de superficie libre en distintos puntos cercanos a la zona de estudio (ver localización en el panel inferior de la Figura 5-­‐19). ........................................................... 96 Figura 5-­‐21. Corrientes inducidas por oleaje bajo condiciones previas a la construcción de la marina. La zona de interés está indicada por el recuadro rojo. ................................................ 97 Figura 5-­‐22. Corrientes inducidas por el oleaje para los casos (panel superior) sin estructuras y (panel inferior) con plataforma de servicios marítimos (terraplén). ........................................ 98 Figura 5-­‐23. Corrientes inducidas por el oleaje para el escenario con marina (terraplén y dique poniente). .................................................................................................................................. 99 Figura 5-­‐24. Propagación de oleaje con la configuración previa a la marina. ................................. 100 Figura 5-­‐25. Corrientes generadas por oleaje con la configuración previa a la marina. ................. 101 Figura 5-­‐26. Transporte de sedimentos con la configuración previa a la marina. .......................... 101 Figura 5-­‐27. Cambios morfológicos con la configuración previa a la marina. ................................. 102 Figura 5-­‐28. Propagación de oleaje con la configuración del terraplén. ......................................... 103 6 Figura 5-­‐29. Corrientes generadas por oleaje con la configuración del terraplén. ......................... 103 Figura 5-­‐30. Transporte de sedimentos con la configuración del terraplén. .................................. 104 Figura 5-­‐31. Cambios morfológicos con la configuración del terraplén. ........................................ 104 Figura 5-­‐32. Propagación de oleaje con la configuración de la marina. ......................................... 105 Figura 5-­‐33. Corrientes generadas por oleaje con la configuración de la marina. .......................... 106 Figura 5-­‐34. Transporte de sedimentos con la configuración de la marina. ................................... 106 Figura 5-­‐35. Cambios morfológicos con la configuración de la marina. ......................................... 107 Figura 5-­‐36. Posición de los transectos. .......................................................................................... 108 Figura 5-­‐37. Cambios morfológicos en el transecto T01. ................................................................ 109 Figura 5-­‐38. Cambios morfológicos en el transecto T03. ................................................................ 109 Figura 5-­‐39. Cambios morfológicos en el transecto T06. ................................................................ 109 Figura 5-­‐40. Cambios morfológicos en el transecto T09. ................................................................ 110 Figura 5-­‐41. Cambios morfológicos en el transecto T11. ................................................................ 110 Figura 5-­‐42. Cambios morfológicos en el transecto T12. ................................................................ 110 Figura 5-­‐43. Esquema con la descripción de variables relevantes en la aplicación de la parábola de Hsu & Evans (Tomada de Medellín 2007). .............................................................................. 111 Figura 5-­‐44. Parábola de equilibrio (línea verde) en la playa de Puerto Marqués. El punto de difracción está localizad en la plataforma de servicios marítimos. La línea amarilla representa la posición de la línea de costa en noviembre de 2012 .......................................................... 113 Figura 5-­‐45. Delimitación de zonas de acreción y erosión como respuesta a las estructuras de la marina, utilizando el modelo morfológico MIKE 21 y la parábola de equilibrio de Hsu y Evans. ................................................................................................................................................ 114 INDICE DE TABLAS Tabla 2-­‐1, Rangos de sorteamiento .................................................................................................. 18 Tabla 2-­‐2, Muestra los parámetros estadísticos de las muestras analizadas de Bahía Puerto Marqués. ................................................................................................................................... 19 Tabla 2-­‐3, Escala Udden-­‐Wentworth ................................................................................................ 20 Tabla 2-­‐4, Clasificación del grupo textural de las muestras de sedimento analizadas de la Bahía de Puerto Marqués, tomando como referencia (Escala de Udden-­‐Wentworth) y los percentiles más representativos ................................................................................................................. 21 Tabla 2-­‐5, Coordenadas puntos de control ....................................................................................... 24 Tabla 3-­‐1 Relación entre área máxima y largo aproximado de elemento ........................................ 36 Tabla 3-­‐2. Porcentaje de ocurrencia de oleaje en función a la altura significante y dirección media de oleaje ................................................................................................................................... 41 Tabla 3-­‐3. Porcentaje de ocurrencia de oleaje en función a la altura significante y dirección media de oleaje en la entrada de la bahía de Puerto Marqués. .......................................................... 46 Tabla 3-­‐4. Hs para distintos periodos de retorno en aguas profundas y a la entrada de la Bahía Puerto Marqués. ....................................................................................................................... 50 Tabla 3-­‐5. Amplitudes y fases de las componentes principales de la marea astronómica ............... 63 Tabla 4-­‐1, Características principales de oleaje para las 10 tormentas más energéticas en aguas profundas .................................................................................................................................. 70 Tabla 4-­‐2. Características principales de oleaje para las 10 tormentas más energéticas en la boca de la bahía. ................................................................................................................................ 73 Tabla 5-­‐1. Listado de casos simulados con el sistema de modelación MIKE 21. ............................... 90 7 8 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes La playa de Puerto Marqués, localizada en la bahía del mismo nombre en el estado de Guerrero, ha sufrido cambios en la línea de costa desde el 2011, lo cual coincidió con el avance de la construcción de la Marina Puerto Majahua. En la zona aledaña a la marina se ha presentado un incremento en el ancho de playa en una zona caracterizada por playas rocosas previo a la construcción de estas obras. Por otro lado, enfrente del primer bloque de restaurantes, localizado al Norte de la marina, la línea de costa retrocedió varios metros ocasionando pérdida total o parcial de playa y fallas por socavación en la infraestructura de algunos restaurantes. Esto ha provocado el descontento de los pobladores con la constructora y las entidades de gobierno encargadas de la otorgación de permisos de construcción. En este contexto, el Gobierno del Estado de Guerrero solicitó al Programa Universitario del Medioambiente (PUMA) de la Universidad Nacional Autónoma de México un estudio para diagnosticar el problema de erosión en la playa Sur de Puerto Marqués. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo General Este “ESTUDIO DE LOS EFECTOS DE LA CONSTRUCCIÓN DE LA MARINA PUERTO MAJAHUA EN LA DINÁMICA Y TRANSPORTE DE SEDIMENTO COSTERO EN LA BAHÍA DE PUERTO MÁRQUEZ, GUERRERO”, tiene como objetivo general identificar la(s) causa(s) de la erosión de playas en Puerto Marqués, Guerrero, enfocándose en los efectos de la construcción de la marina. Para ello se requiere hacer un análisis de datos históricos, mediciones de campo, y modelación matemática y numérica. 1.2.2 Objetivos Específicos 1. Caracterizar el clima marítimo dentro de la bahía (clima medio y extremal). 2. Implementar un modelo numérico hidrodinámico, con y sin estructuras, para evaluar el efecto de la construcción de estructuras en el extremo sur de la playa de Puerto Marqués. 3. Implementar un modelo numérico de transporte de sedimentos (con y sin estructura) para evaluar los efectos de la obra en la evolución de la morfología de playas. 4. Analizar la evolución de los perfiles de playa mediante mediciones topo batimétricas actuales e históricas. 5. Determinar la extensión del efecto de la marina. 9 1.3 Alcance Este se estudio se limita, como su título lo indica, en determinar los efectos de la construcción de la Marina en la morfodinámica de las playas de la Bahía de Puerto Marqués, en particular la playa Puerto Marqués. Al final de este reporte se hacen algunas recomendaciones que se deben de tomar en cuenta para emitir alternativas de solución. 1.4 Descripción de la Zona de Estudio 1.4.1 Entorno Natural Puerto Marqués está localizado en las coordenadas 16° 47' 50'' N latitud y 99° 50' 20'' W Longitud en el municipio de Acapulco de Juárez, en el estado de Guerrero (Figura 1-­‐1), con una población de 789,971 habitantes (http://www.inegi.org.mx/) donde una de las actividades económica principales es la de prestación de servicios. Esta población está asentada entorno a una playa encajada, del mismo nombre, protegida de la acción del oleaje de forma natural. La entrada de la bahía tiene una longitud de 800 m y la bahía tienen alrededor de 2 km de playa dividida en tres playas arenosas principales que constituyen el principal atractivo turístico de la zona. La playa de Puerto Marqués está “al fondo” y al centro de la bahía, con relación a la orientación de la entrada de la bahía y su geometría. La playa de Puerto Marqués está separada de la playa de Majahua por una zona rocosa, sin playa de arena, que justamente es la zona donde se construyó la Marina. En general las playas dentro de las bahías, en particular Puerto Marqués y Majahua, se caracterizan por un transporte de sedimento longitudinal bajo, en vista de la refracción del oleaje desde mar abierto. Sin embargo, estas pueden presentar problemas de erosión agudos o crónicos debidos a la disminución en el aporte de arena de los ríos, destrucción de la duna, y construcción de estructuras costeras que modifiquen la propagación del oleaje. 10 Figura 1-­‐1, Bahía de Puerto Marqués y localización de la Marina Majahua. 1.4.2 Infraestructura Costera 1.4.2.1 Restaurantes en Playa Marqués En el año 1994 los años se construyeron tres bloques de restaurantes con 25 restaurantes cada uno, y separados por un acceso a la playa, con el objetivo de ofrecer servicios al turismo nacional y extranjero que visita la zona. Adicionalmente, se construyó como parte integral de la cimentación de dichos restaurantes, un muro vertical con el propósito de proteger la infraestructura durante eventos extremos. Durante el proceso constructivo de los restaurantes fue invadida, fuertemente alterada, y en algunos casos removida la duna costera (ver Figura 1-­‐2 y Figura 1-­‐3) que funciona para proporcionar protección ante el embate de eventos extremos. Las bahías reducen de forma natural la energía del oleaje con respecto a las condiciones en el mar abierto. 11 Figura 1-­‐2 Obras de construcción de los restaurantes en la playa de Puerto Marqués, Guerrero (Fuente: GMD). Figura 1-­‐3 Perspectiva del muro vertical de protección a los restaurantes en Puerto Marqués (Fuente: GMD). 12 1.4.2.2 Marina Majahua En 2010 la empresa Promotora Majahua S. A. de C. V. inicia las obras de construcción de una marina turística en el extremo Sur de la Bahía de Puerto Marqués conocida como Puerto Majahua. El objetivo de este proyecto es ofrecer servicio a embarcaciones, nacionales, y extranjeras, que navegan en esta zona. El proyecto abarca aproximadamente 180 m de la línea de costa y ocupará una superficie de agua de 9.6 hectáreas de las cuales 11,183 m2 son ocupados por estructuras de protección y atraque. Esta Marina se localiza en la parte Sur de la Bahía de Puerto Marqués entre playa Majahua y playa Puerto Marqués. La Marina consiste en la construcción de un rompeolas (paralelo a la línea de costa) a base de tablestaca (Dique Poniente), rellenos (Plataformas: (1) Plataforma principal: paralela y adosada a la costa, (2) “Plataforma de Servicios Marítimos”: perpendicular a la costa, entre plataforma 1 y Dique Norte), y obra marginal en el Norte (Dique Norte: transversal a la costa) por medio de pilotes que permiten el flujo de corrientes hacia el interior de la marina. Asimismo, la obra considera la construcción de un terraplén. Figura 1-­‐4 Vista área de la Marina de Majahua (Fuente: GMD). 13 2 ESTUDIOS DE CAMPO 2.1 Introducción Para estimar afectaciones en la costa uno de los elementos más importantes ha sido la obtención evidencias a partir del análisis de datos de campo. Tradicionalmente se ha requerido de desplazarse a la zona de interés y a partir de estos datos caracterizar y evaluar las zonas de estudio. A pesar del desarrollo de los modelos numéricos, la importancia de obtener los datos en el campo sigue prevaleciendo, ya que a partir de estos se pueden validar los resultados de los modelos numéricos. Asimismo, las mediciones aportan información necesaria para establecer las condiciones iniciales y de contorno de los modelos numéricos. En este sentido, la presente sección presenta el análisis granulométrico, el estudio topo-­‐batimétrico y un estudio del cambio de la línea de costa de la Bahía de Puerto Marqués. La caracterización del tamaño de grano de las playas se hizo ya que las características influyen en los cambios morfológicos y son un indicador de la energía en la zona. Las características del sedimento controlan la forma del perfil de playa y su comportamiento dinámico. Por otro lado, se recopilaron y realizaron levantamientos topobatimétricos en la zona de estudio, los cuales permiten conocer el estado de la playa anterior a la construcción de la marina y su evolución posterior. A partir de esta información fue posible la extracción de la línea de costa (intersección del nivel medio del mar con el perfil de playa) para identificar las zonas con incremento/decremento del ancho de playa. 2.2 Análisis granulométrico Las playas están constituidas de arena de diferentes orígenes. En general son resultado de un proceso de degradación de las rocas y arrastre de este material por los ríos hasta la desembocadura en el mar, donde los sedimentos son depositados en forma de deltas. El material arrastrado por los ríos hasta el mar es distribuido a lo largo de la línea de costa por las corrientes cercanas a la costa. Como es de esperarse, el material más fino es arrastrado más fácilmente ya que se requiere una corriente poco intensa para el inicio de movimiento. Por lo tanto, existe una relación directa entre el tamaño de grano y el nivel de energía asociados a una playa. Esto quiere decir que a mayor energía de oleaje y corrientes mayor tamaño de grano. Por lo tanto, el tamaño de sedimento es un parámetro para modelar el transporte de sedimentos en playas. Es por ello que se colectaron muestras de arena durante la campaña de campo y se les realizó un análisis granulométrico el cual se detalla a continuación. 2.2.1 Metodología Se seleccionaron 4 puntos para la medición de material sedimentario en la playa de Puerto Marqués, Guerrero. El primer punto se localiza en playa Majahua, el segundo punto se localiza al 14 Sur de la playa de Puerto Marqués, el tercer punto se localiza en la parte central de la Bahía, y el cuarto se ubicó en la parte norte de la Bahía (Figura 2-­‐1). En cada sitio se tomaron 3 muestras (12 muestras en total) correspondientes a la zona de rompientes (R), zona de lavado o swash (S), y la duna (D). Figura 2-­‐1, Imagen de Bahía Puerto Marqués, donde se muestra los sitios en los cuales se tomaron muestras de sedimento, cada punto tiene tres letras que corresponden a una muestra colectada. 2.2.2 Pre-tratamiento de las muestras Para poder llevar a cabo el análisis de granulometría por el método de los tamices, se procedió a hacer un pre-­‐tratamiento de las muestras. Los pasos que se siguieron son los siguientes: Secado de la muestra.-­‐ Consiste en secar la muestra en un horno a 90°C debido a que las muestras carecen de arcillas. Cuarteo de la muestra.-­‐ Consiste en la separación sucesiva de la muestra total en cuartos; con el objetivo de obtener una porción representativa que contenga todas las características originales. La mecánica que se realizó para hacer este paso fue hacer un montículo de muestra seca sobre una superficie limpia, y con una espátula o cuchara, se divide en cuatro porciones iguales. Se retiene las dos cuartas partes alternantes (guardando el resto de la muestra) y se repite con ella la 15 operación hasta conseguir aproximadamente el peso de material requerido que en este caso fue de 200 g. Disgregación mecánica.-­‐ Se refiere a la separación de elementos (granos de sedimento) para permitir el análisis de la misma. Generalmente se realiza una disgregación parcial, antes y después del cuarteo, para eliminar todos los grumos y obtener clastos individuales. Este proceso consiste en disgregar todos los grumos, primero con los dedos, después con un rodillo de madera o goma en un mortero de porcelana ejerciendo presión para separar los granos sin que se rompan, pues de los contrario formarán parte de un intervalo granulométrico de menor tamaño. Disgregación química.-­‐ Se refiere a la eliminación de los materiales cementantes. En este caso se hizo una eliminación de materia orgánica (con peróxido de Hidrógeno, H2O2). Con este procedimiento rara vez se elimina por completo la materia orgánica, pero aun así es muy útil para dispersar el sedimento. Si la muestra presenta bajo contenido de materia orgánica: (i) se colocan 100 gr de muestra seca en un vaso de precipitados de 500 ml y se agregan 100ml de H2O2 al 6 % lentamente y con agitación constante; (ii) se repite esta operación hasta que cese el burbujeo; (iii) se enjuaga la muestra con agua destilada y decantar; (iv) se cubre el recipiente con un vidrio de reloj y calentar a 40°C hasta sequedad. Este procedimiento debe repetirse hasta que se haya removido toda la materia orgánica. Finalmente, dar un pequeño hervor para remover el exceso de agua oxigenada controlando el pH que debe de ser entre 6 y 7. Secado y pesado de la muestra.-­‐ Finalizado los ataques químicos y luego de haber lavado la muestra hasta obtener pH neutro, se procede a secar y pesar el material dejándolo preparado para comenzar el análisis granulométrico: (i) la muestra se seca en un horno a 40°C (si no hay arcillas presente se puede subir temperatura hasta 90°C; (ii) posteriormente se deja expuesta 1 hora a la humedad ambiente para que alcance el equilibrio con la del laboratorio; (iii) finalmente, se pesa al miligramo anotando el dato para ser usado posteriormente para los cálculos de porcentajes luego del análisis granulométrico. 2.2.3 Metodología de separación de arenas por el método de los tamices. En un vaso de precipitados se pesaron aproximadamente 50 gr de muestra seca previamente tratada y se registró el peso. Posteriormente se seleccionaron los tamices apropiados para los tamaños de grano de la muestra, refiriéndonos a la luz de malla, que en este caso fueron: 2.8 mm, 2 mm, 1.4 mm, 1 mm, 0.85 mm, 0.71 mm y 0.50 mm. El procedimiento que se siguió para limpiar los tamices fue el siguiente: los tamices se toman y se invierten rápidamente golpeando firmemente sobre una hoja de papel encerado colocada sobre una mesa. La limpieza de cada malla se realiza con una brocha sin ejercer presión sobre la malla. Para añadir la muestra de sedimento al juego de tamices, primero se colocaron los tamices en orden decreciente (con base en la luz de malla), colocando al final la charola donde se colecta la fracción menor PAN. Agregamos la muestra en el tamiz superior y se coloco la tapa. Posteriormente se pone el juego de tamices en el agitador durante 10 minutos. 16 Mientras tanto se procedió a pesar las navecillas donde se colecta cada una de las fracciones de la muestra que se obtiene después del tamizado y anotar el peso en la tabla de datos. Transcurrido los 10 minutos de la agitación, se precedió a colectar las muestras que quedaron de cada tamiz, invirtiendo rápidamente y de un solo golpe el tamiz, sobre el papel encerado que se encuentra en las mesa. Posteriormente se transfirió la muestra a la navecilla y se peso. Anotamos el peso en la tabla de datos. Este paso se repite para cada uno de los tamices que se agitaron, hasta el PAN la fracción más fina del juego de tamices. Posteriormente en la tabla de datos se anotaron todas las cantidades, se calculo el peso en porcentaje individual y el peso en porcentaje acumulado para cada fracción. Finalmente esas cantidades de cada fracción se metieron a una hoja da calculo para calcular la estadística de la muestra. La hoja proporciona tablas y gráficos de resultados de una forma muy sencilla, introduciendo únicamente los pesos retenidos en el proceso de tamizado de la muestra. Los cálculos que realiza proporcionan una serie de parámetros estadísticos, como la media o la desviación típica, y valores de percentiles acumulados, como el D50, cuyos valores dependen del método empleado para su obtención. La hoja de cálculo proporciona resultados obtenidos con varios métodos, entre los que están el método de los momentos aritmético o el geométrico y el método gráfico de Folk & Ward (1957). Los resultados utilizados en este reporte son los obtenidos a partir del método de los momentos aritmético, ya que no existen diferencias muy marcadas con los otros métodos y su interpretación resulta más sencilla. Aún así, se adjuntan todos los resultados obtenidos en el anexo 1. Los parámetros estadísticos que se manejan son: La media.-­‐ Es el promedio aritmético de todos los tamaños de partícula en una muestra. Esta, se obtiene de calcular el promedio del diámetro del percentil 16, 50 y 84 determinados en la curva acumulativa. Mz= ø"#!ø"#!ø"# ! Sorteamiento.-­‐ En este caso se utiliza la expresión matemática para determinar el grado de sorteamiento de una muestra. La ecuación permite calcular la desviación estándar expresada en unidades phi. Los valores obtenidos corresponden a un determinado grado de sorteamiento (ver Tabla 1) σi= ø"!ø"# ! + ø"#!ø" !.! La Kurtosis.-­‐ Es un parámetro que nos indica si hay diferencias sustanciales en una misma muestra, lo que se quiere dar a entender es, si existe un tamaño de sedimento predominante sobre los demás. A menor valor del coeficiente de Kurtosis, más platicúrtica es la representación de los tamaños de la muestra de sedimento. Por lo tanto, podemos decir que las muestras con mayores valores del coeficiente de Kurtosis son muestras en las que existe un tamaño de sedimento predominante. 17 Tabla 2-­‐1, Rangos de sorteamiento Ø Característica <0.35 0.35 a 0.5 0.50 a 0.70 0.70 a 1.0 1.0 a 2.0 2.0 a 4.0 >4.0 Muy bien sorteado Bien sorteado Moderadamente bien sorteado Moderadamente sorteado Pobremente sorteado Muy pobremente sorteado Extremadamente pobremente sorteado De acuerdo a su valor, la 'puntudez' de los datos puede clasificarse en tres grupos: • Leptocúrticos, con valores grandes para el coeficiente. • Mesocúrticos, con valores medianos para el coeficiente. • Platicúrticos, con valores pequeños para el coeficiente. Las siguientes figuras muestran gráficamente los tres tipos de curvas de acuerdo a la definición anterior: Leptocúrtica Platicúrtica Mesocúrtica Una curva Mesocúrtica tiene un Coeficiente de Curtosis cercano a cero. Una Leptocúrtica, un valor notoriamente mayor que cero y una Platicúrtica valores menores que cero. 2.2.4 Resultados A continuación se muestran los resultados del análisis estadístico de las muestras que se tomaron a lo largo de la Bahía Puerto Marqués. La forma en que se encuentran acomodadas los resultados es: de sur a norte, teniendo los primeros análisis de estadísticos de las 3 muestras que se encuentran en la estación número uno (1R, 1S y 1D), de esta forma sucesivamente hasta la estación número cuatro (Tabla 2-­‐2). Los parámetros presentados en dicha tabla son: Media.-­‐ En general la media de las muestras nos indica que tenemos material sedimentario principalmente arenas y arenas gruesas; a excepción de la R3 la cual es un material más grueso teniendo gravas y en la muestra 2D está presente el material más fino (arenas medias), que se obtuvo de todas las muestras colectadas en la Bahía de Puerto Marqués. Sorteamiento.-­‐ Las muestras 2S, 3D y 4D; presentan un sorteamiento moderado lo cual indica que el rango de tamaños que se encuentran en esas muestras es amplio y tienen diferentes tamaños 18 de sedimento. Por lo contrario en las demás muestras (1R, 1S, 1D, 2R, 2D, 3R, 3S, 4R, 4S) presentan un sorteamiento bueno a muy bueno, lo cual quiere decir que el rango de tamaños presentes en esas muestras son muy parecidas, lo cual indica que la muestra en tamaños de sedimentos es homogénea. Tabla 2-­‐2, Muestra los parámetros estadísticos de las muestras analizadas de Bahía Puerto Marqués. Parámetros Estación Zona Media R 1 S D R 2 S D R 3 S D R 4 S D arenas muy gruesas arenas gruesas arenas gruesas Gravas muy finas arenas gruesas arenas gruesas gravas finas arenas gruesas arenas muy gruesas Gravas finas arenas gruesas arenas gruesas Sorteamiento Asimetría Kurtosis bien sorteado Simétrica Leptocúrtica bien sorteadas Simétrica Mesocúrtica muy bien sorteadas muy bien sorteadas moderadamente bien sorteada bien sorteadas muy bien sorteadas asimétrica hacia los gruesos asimétrica hacia los gruesos asimetría hacia los granos muy gruesos asimetría hacia los granos muy gruesos asimetría hacia los granos muy gruesos muy bien sorteadas asimetría hacia los finos moderadamente bien sorteadas asimetría hacia los finos muy bien sorteadas asimetría hacia los granos muy gruesos bien sorteadas Simétrica moderadamente bien sorteadas asimétrica hacia los gruesos Leptocúrtica Platicúrtica Leptocúrtica Muy Leptocúrtica Muy Platicúrtica Mesocúrtica Muy Platicúrtica Muy Platicúrtica Muy Platicúrtica Platicúrtica Asimetría.-­‐ Se puede observar para las muestras 1R, 1S y 4S, presentan una simetría lo cual indica que hay un ambiente de equilibrio, que no hay depositación ni erosión. Lo contrario para el caso de las muestras 1D, 2R, 2S, 2D,3R,4R y 4D, las cuales presentan asimetría hacia los gruesos, indicando que hay un ambiente donde el material que predomina es el grueso, ya que el material más fino ha sido removido por la acción del oleaje y/o corrientes. La contraparte se puede observar en las muestras 3S y 3D, presentando una asimetría que tiende hacia los finos, permitiendo un ambiente de depositación. Kurtosis.-­‐ Para las muestras 2R, 3R, 3D, 4R, 4S, y 4D, se obtuvieron muestras muy platicúrticas y platicúrticas, los cuales tiene coeficientes de kurtosis bajos esto nos indica que son muestras que se encuentran bien graduadas. Para las muestras 1R, 1D, 2S y 2D, las muestras son leptocúrticas, esto indica que tiene valores del coeficiente de kurtosis grandes y por consiguiente las muestras no están bien gradadas, presentan un tamaño de sedimento predominante. Las muestras 1S y 3S, son mesocúrticas lo cual tiene un coeficiente de kurtosis medio entre los dos casos anteriores. 19 En la Tabla 2-­‐3 se muestra la clasificación de los sedimentos de acuerdo al tamaño del grano. Tabla 2-­‐3, Escala Udden-­‐Wentworth . En la Figura 2-­‐2, se muestra la distribución espacial y resultados del análisis granulométrico donde se puede observar que la playa de Puerto Marqués, está constituida principalmente por arenas gruesas. Figura 2-­‐2, Tamaño de grano D50 de las muestras de sedimentos colectadas en la Bahía de Puerto Marqués. 20 De acuerdo a la Tabla 2-­‐4, podemos observar que el material más grueso presente en cada una de las 4 estaciones, se encuentra en las zonas R (rompiente), lo cual indica que es el lugar donde se presenta la mayor energía de oleaje de cada una de las estaciones. Esto se puede ver claramente en los valores que tenemos en los percentiles tabulados, así como en la clasificación del grupo textural. Si observamos el D50 podemos ver que en la muestra 2R, 3R y 4R presentan los valores más altos de ~2.5 mm, que corresponden a gravas finas. Tabla 2-­‐4, Clasificación del grupo textural de las muestras de sedimento analizadas de la Bahía de Puerto Marqués, tomando como referencia (Escala de Udden-­‐Wentworth) y los percentiles más representativos Estación 1 2 3 4 D10(mm) D50(mm) D90(mm) R 1.1 1.6 2.3 S D R S D R S 0.6 0.5 1.4 0.5 0.3 2 0.9 0.8 0.5 2.5 0.5 0.4 2.4 1.3 1.3 0.7 4.2 1.7 0.7 3 2 D 0.8 1.5 2.8 R S D 1.5 0.5 0.4 2.5 0.8 0.7 3.6 1.4 1.4 Grupo Textural Arenas muy gruesas Arenas gruesas Arenas gruesas Gravas finas Arenas gruesas Arenas gruesas Gravas finas Arenas gruesas Arenas muy gruesas Gravas finas Arenas gruesas Arenas gruesas En el caso que se contemple el relleno artificial de playa en la zona critica se sugiere colocar tamaño de grano entre 2 a 3.5 mm para asegurar su permanencia en el sitio. 2.3 Estudio topo-batimétrico Uno de los sistemas más conspicuos en la zona costera está representado por las playas, las cuales son sistemas compuestos por sedimento no consolidado con tamaños de grano que va desde arenas (0.063-­‐2 mm) a gravas (2-­‐64 mm). Las playas están en constante cambio debido a los diferentes agentes que actúan sobre ellas a diferentes escalas espacio-­‐temporales (oleaje, mareas, tormentas, acción humana, etc.). Un perfil de playa de arena típico está compuesto por la región fuera de la costa, la zona de rompiente, el estrán, y la playa seca (Figura 2-­‐3). La playa actúa como un mecanismo efectivo para disipar la energía del oleaje induciendo la rotura del mismo. De esta manera la playa es un amortiguador natural, protegiendo la zona costera ante la acción del oleaje. Una de las formas tradicionales para determinar los cambios en la playa es a través del análisis temporal de los perfiles de playa. La región fuera de la costa es importante para determinar la transformación del oleaje. En aguas someras, la zona de rompiente generalmente 21 presenta un sistema de barras de arena las cuales están influenciadas por el régimen de oleaje en cada estación. El estrán es básicamente la cara de la playa, que abarca desde la línea de la marea baja hasta la parte más alta de la berma más cercana a la cara de la playa. La playa seca está constituida de las bermas las cuales se hacen a partir de la acción del oleaje y representan el área más alta de la playa en la cual el oleaje puede acarrear y depositar arena. Figura 2-­‐3, Perfil típico de playa (Fuente: Vergara, 2011). 2.3.1 Metodología Se recolectaron los datos de tres batimetrías de la zona: 1) batimetría efectuada en 2002 previa a la construcción de la marina; 2) batimetría efectuada en Junio-­‐Julio del 2012 cuando se percataron de la erosión en la zona de restaurantes; 3) una batimetría general de la zona, solicitada para la realización de este estudio en septiembre 2012: y 4) perfiles playeros realizados en Noviembre del 2012. Con respecto a la batimetría efectuada 2002 previa a la construcción de la marina (Figura 2-­‐4), al momento de sobreponerla sobre las otras batimetrías, se observa que tiene un sistema de referencia diferente, por lo cual, fue movida de manera aproximada de sus coordenadas originales a las coordenadas de la batimetría de septiembre del 2012, tomando como referencia las construcciones dibujadas en ambos levantamientos y la elevación con las curvas de nivel que se supone no han cambiado. Cabe mencionar que esta batimetría no contiene información de elevaciones en la zona afectada. Por otro lado, la batimetría efectuada en Junio del 2012 (Figura 2-­‐5), se ajusta muy bien a la batimetría de agosto del 2012 por lo cual se podrán comparar los perfiles entre ambas fechas. 22 Figura 2-­‐4, Batimetría del 2002, antes de la construcción de la marina Figura 2-­‐5, batimetría Junio-­‐Julio 2012 23 Finalmente, la batimetría general de la zona realizada para este estudio en agosto del 2012 (Figura 2-­‐6), consistió en seccionamientos costa afuera de la bahía de 2000 m de longitud en un ancho de playa de 3500 m y espaciamientos a cada 100 m, lo mismo para toda la bahía con secciones a cada 100 m y en la zona de erosión seccionamientos a cada 25 metros abarcando la zona seca. La metodología y proceso que se siguió cumple con los requisitos técnicos necesarios, por lo que dicha batimetría se tomó como referencia tanto en planta como elevación y los demás levantamientos se ajustaron a este. Se anexa un informe donde se verifica la información proporcionada y se reporta la calidad del levantamiento (Anexo B). Dentro de los trabajos de batimetría efectuados en septiembre de 2012, se colocaron tres puntos de control (Tabla 2-­‐5), los cuales sería muy recomendable se tomaran como base para futuros trabajos. La localización y descripción de los mismos, se encuentran documentados en la memoria técnica de la empresa. Tabla 2-­‐5, Coordenadas puntos de control Punto Coord X Coord Y Elev PM_1 410,613.948 1,857,102.025 1.908 PM_2 410,773.289 1,857,288.379 1.664 Figura 2-­‐6, Batimetría general de la zona de estudio septiembre 2012 Para realizar las comparaciones entre una batimetría y otra, se trazo un eje en toda la zona de interés a partir del cual se obtuvieron secciones perpendiculares a cada 25 m. En la Figura 2-­‐7 se 24 muestra este cadenamiento, considerando el cero del cadenamiento en la parte sur de la marina, aumentando hacia el norte. Figura 2-­‐7, Localización de Secciones 2.3.2 Resultados De los datos existentes, se sobrepusieron las tres batimetrías encontrando que, el levantamiento previo a la construcción de la marina no abarca toda la zona afectada. En las secciones donde existen datos antes y después de la construcción de la marina, se calcularon volúmenes de depositación y erosión de acuerdo al cadenamiento de la Figura 2-­‐7, donde se muestran las secciones en planta a partir del cadenamiento 0+000 antes de la zona de la marina incrementándose hacia el noreste. 25 Se aprecia que la zona tanto de acreción como de erosión, se encuentra entre el cadenamiento 0+325 al 0+600 aproximadamente, tendiendo a estabilizarse a partir del cadenamiento 0+700 y al parecer a partir del 0+800 ya no se registran cambios importantes. Cabe mencionar que estos resultados son en base en las batimetrías efectuadas y cualquier otro cambio no puede determinarse ya que no existen elementos para hacerlo. Por otro lado, se puede observar un claro cambio en la configuración de la playa cerca del terraplén de la marina, donde se aprecia, un aumento considerable de la misma, lo que sugiere que la arena erosionada en la zona de restaurantes fue transportada por el oleaje y las corrientes a esta zona (Figura 2-­‐8), donde el volumen de acreción es de aproximadamente 1000 m3 Por otro lado, se observa que la pendiente de la playa es de aproximadamente 1:10 lo cual es una playa constituida principalmente por arena gruesa >1.5 mm Figura 2-­‐8, Comparación línea de costa 2002 y 2012 De la zona erosionada, (cadenamiento 0+400 en adelante) se tienen tres levantamientos efectuados en Junio (A), Agosto (B) y Noviembre (C) del 2012, en los cuales se puede observar un rápido cambio en la configuración de la costa (2 meses), correspondientes a los perfiles de los cadenamientos 0+425 al 0+600. También se observa que existen dos pendientes en el perfil, la pendiente más pronunciada en zona de rompiente con una relación de entre 1:5 y 1:10 y otra con una relación de aproximadamente 1:20 a 1:15 donde, de acuerdo a las muestras de sedimentos la zona con pendiente más suave son arenas y la zona con pendiente más pronunciada son arenas gruesas y gravas finas. 26 En estas secciones a pesar de que existe erosión en la zona de rompiente, también existe depositación en la zona más profunda lo que sugiere que el material más fino de la playa a sido transportado en sentido longitudinal y transversa. Figura 2-­‐9, Comparación de las batimetrías de 2002 y 2012 27 A partir del cadenamiento 0+800 no se aprecia un cambio considerable de la sección ya que la pendiente y la sección permanecen casi constantes en los levantamientos con una pendiente de 1:10 aproximadamente. Los perfiles de la playa se muestran en el anexo A Se hizo una superposición de las tres batimetrías disponibles (Figura 2-­‐9); 2002 (Antes de la construcción), 2012A (Zona de restaurantes) y 2012B. De esta, se puede observar un desfase entre las curvas de nivel más profunda de entre 1 y 0.50 m pero la configuración del fondo es muy parecida por lo cual es muy probable que el nivel de referencia sea distinto entre una y otra batimetría. Por esta razón, se ajustaron las batimetrías a la batimetría del 2012B para que las líneas batimétricas más profundas que se supone no deberían de cambiar correspondan en nivel en las tres batimetrías 2.4 Cambios de Línea de Costa Como ya se ha visto, la línea de costa es de naturaleza dinámica, la cual es influenciada por una serie de factores hidrodinámicos y geomorfológicos a diferentes escalas espacio-­‐temporales. En este sentido el estudio del cambio de la posición de la línea de costa es de alta importancia para los estudios costeros, como el desarrollo de la infraestructura en la parte trasera de la playa, planeación de áreas propensas a peligros, estudios de erosión-­‐acreción (Sherman and Bauer, 1993; Al Bakri, 1996; Zuzek et al., 2003). De esta manera, la presente sección muestra el estudio del cambio de la línea de costa de los últimos seis meses en la zona norte aledaña a la marina. 2.4.1 Metodología A partir de cuatro diferentes levantamientos topográficos llevados a cabo en junio 2002, junio, agosto y noviembre de 2012, se utilizó la cota Z= 0 con respecto al nivel medio del mar para determinar los cambios en la línea de costa. Se utilizó el sistema de análisis de cambio de línea de costa –DSAS-­‐ (Thieler et al, 2009) para determinar el cambio neto de la línea de costa y la tasa de cambio. Para determinar ambos parámetros, como primer paso se estableció una línea base a partir de todas las líneas de costa, con una distancia hacia la costa de 20 m. De esta línea base se proyectaron transectos perpendiculares cada 10 metros. El cambio neto de la línea de costa reporta una distancia y no una tasa, de esta manera presenta la distancia entre la línea de costa más y menos antigua de cada transecto. La tasa de cambio se calcula utilizando la distancia del cambio neto dividida entre el número de años que han pasado entre estas dos líneas de costa. 2.4.2 Resultados La Figura 2-­‐10, muestra el movimiento neto de la costa (MNC), de la parte norte de la marina. En el recuadro derecho superior se muestra el segundo bloque de restaurantes (de norte a sur) el cual en general presentan un movimiento nulo o muy pequeño, sin embargo existe una sección con cambio de línea de costa de entre -­‐2 y -­‐5 metros (color amarillo) en los transectos 42 al 44. 28 Por otra parte, en el recuadro inferior derecho se observa la zona norte aledaña a la marina, en donde los transectos 3 al 7 muestran un crecimiento de la línea de costa con valores entre 5 y 15 m. A partir del transecto 8 empieza un gradiente de erosión con valores máximos (de hasta -­‐15m entre los transectos 9 – 12) que gradualmente disminuye (valores de -­‐5 y -­‐11) para los transectos 13 -­‐ 25 y finaliza en el transecto 33 con valores de entre -­‐5 y -­‐2m. El resto de los perfiles no se encontró un retroceso significativo. Figura 2-­‐10, movimiento neto de la línea de costa entre 2002 y 2012 Si se toma en cuenta el cambio neto de la costa para el periodo considerado (2002-­‐2012), se obtiene la tasa de cambio de la línea de costa –TC-­‐ (Figura 2-­‐11). En este caso la zona de estudio presento una zona de acreción en la zona norte (desde 0.7 hasta 3 m) a partir del transecto 54. La zona del segundo bloque de restaurantes no presentó de manera general una tasa de cambio, con excepción de los transectos 42 al 44 en los que se observa una tasa negativa con valores de -­‐0.3 a -­‐ 0.4m7año. En el primer bloque de restaurantes, la zona centro presento valores desde -­‐0.8 hasta -­‐ 1m/año, mientras que el extremo sur presentó los máximos valores negativos de cambio de hasta -­‐1.6m/año. Finalmente la zona aledaña a la marina presentó valores positivos con crecimiento de la línea de costa de hasta 3m / año. 29 Figura 2-­‐11, Tasa de cambio de línea de costa entre 2002 y 2012 2.5 Conclusiones y recomendaciones • • • • En la playa de Puerto Marqués existe un claro movimiento de arena hacia la marina (Norte a Sur), lo que ha ocasionado un incremento de la playa adyacente a la marina de manera natural. La erosión de la parte Sur de la playa, al Norte de la marina, sugiere la rotación de la forma en planta de la playa debido al patrón de refracción y difracción del oleaje producido al interactuar con la marina. Existen evidencias de que el primer bloque de restaurantes es el más afectado presentando los niveles máximos de retroceso de línea de costa en la parte sur y que gradualmente va en decremento hasta llegar al final del bloque en donde no hay cambio importante. En el caso de realizar un relleno artificial se requieren un tamaño medio de 2.5 mm para garantizar la estabilidad del relleno en playas con pendientes de 1:10. 2.6 Bibliografía Al Bakri, D., 1996. Natural hazards of shoreline bluff erosion: a case study of Horizon View, Lake Huron. Geomorphology 17, 323–337. 30 Dean, R.G. & Dalrymple R.A. 2002. Coastal Processes with Engineering Applications. Cambridge University Press. United Kingdom. 475 pp. Komar, P.D, 1967. Beach Processes and Sedimentation. Prentice Hall. Inc. New Jersey., E.U.A. 544 pp. Sherman, D.J., Bauer, B.O., 1993. Coastal geomorphology through the looking glass. Geomorphology 7, 225–249. Thieler, E.R., Himmelstoss, E.A., Zichichi, J.L., and Ergul, Ayhan, Digital Shoreline Analysis System (DSAS) version 4.0—An ArcGIS extension for calculating shoreline change: U.S. Geological Survey Open-­‐File Report 2008-­‐1278. Zuzek, P.J., Nairn, R.B., Thieme, S.J., 2003. Spatial and temporal consideration for calculating shoreline change rates in the Great Lakes Basin. J. Coast. Res. 38, 125–146. 31 3 PARAMETROS OCEANOGRÁFICOS 3.1 Oleaje Uno de los peligros que pueden tener una mayor magnitud de daños en la zona costera es el oleaje, el cual repercute en problemas de inundaciones, erosión de playas, y daños a la infraestructura costera. En este estudio el oleaje tiene un papel principal debido a que es el principal agente que genera transporte de sedimentos en la zona de estudio, y por tanto, su caracterización es imprescindible para evaluar el papel de la marina en la erosión de la playa. Debido a la naturaleza aleatoria del oleaje, este es normalmente caracterizado por medio de descripciones estadísticas que permiten obtener los parámetros que definen el oleaje, como lo es altura significante (Hs), periodo pico y medio (Tp y Tm), y dirección media (Dir). Por lo tanto, es necesario comprender los mecanismos de generación, propagación, transformación, y disipación del oleaje para una correcta caracterización, los cuales son fundamentales para determinar el peligro del oleaje en la zona de estudio. El oleaje se caracteriza a partir del análisis estadístico de series temporales de sus parámetros (Hs, Tp, y Dir) . Este análisis consiste en, por un lado, obtener una distribución de los estados de mar más probables en la zona de interés (clima medio), y por otro lado obtener una extrapolación a largo plazo del oleaje de mayor energía pero de menor probabilidad de ocurrencia (clima extremal). De esta manera, se caracteriza el clima medio y el clima extremal de oleaje, entendiendo por el primero como el conjunto de estados de oleaje que más probablemente se puede dar en la naturaleza, y al segundo como el conjunto de estados de oleaje de menor probabilidad pero de valores extremos de altura de ola. Si bien existe una percepción generalizada de que los eventos extremos de oleaje representen un peligro mucho mayor al oleaje medio, es el segundo quien determina el transporte longitudinal de sedimentos, lo que puede dar como resultado una pérdida del ancho de playa y por lo tanto de la capacidad de esta para atenuar la energía del oleaje extremal. Por lo tanto, cuando se presenta un evento extremo es cuando tenemos el desastre, pero este puede ser resultado del déficit de arena en el sistema ocasionado por el clima medio. Por esta razón es importante la caracterización del clima de oleaje medio y extremal. A pesar de la importancia del oleaje como un agente de peligro en la zona costera, y que por lo tanto representa un factor que afecta diversas actividades humanas de gran importancia como lo son la industria pesquera, petrolera, del turismo, entre otras, en México no existe un programa nacional para monitorear este fenómeno. Lo anterior ha resultado en la falta de series temporales de oleaje de largo plazo (O(10) años) que permitan una caracterización adecuadas del clima marítimo. Por otro lado, gracias al desarrollo de modelos de oleaje de tercera generación y la disponibilidad de bases globales de vientos (fuerza generadora de oleaje), existen bases de datos de oleaje globales que pueden utilizarse como condiciones de frontera para habilitar modelos 32 regionales y simular la generación, propagación, y transformación del oleaje desde aguas profundas hasta la costa para obtener series de tiempo a largo plazo en las zonas de interés. En esta sección se caracteriza el oleaje en aguas profundas, la boca de la bahía de Puerto Marqués, y en la localización de la Marina Majahua. Esta información es necesaria para evaluar el efecto de las obras costeras relacionadas con la construcción de la marina en el problema de erosión que afecta la playa sur de la bahía. 3.1.1 Descripción de la base de datos de oleaje En este estudio se utilizó la base de datos de oleaje generada por la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) utilizando el modelo WAVEWATCH III (Tolman, 2009), la cual es la única fuente de datos de oleaje a largo plazo disponible en la zona de estudio. La calibración y validación de dicho modelo se muestra en http://polar.ncep.noaa.gov/waves/validation.shtml. El modelo WAVEWATCH III (WW3) es un modelo de oleaje de tercera generación desarrollado por la NOAA/NCEP, en base al modelo WAM (Komen et al., 1994). Este modelo resuelve la ecuación de balance de acción de oleaje y ha sido aplicado a escala global para generar series de tiempo históricas de oleaje (retroanálisis), así como predicciones de oleaje. El modelo utiliza una malla de cálculo con una resolución de 1.25° x 1° para todo el Océano Pacífico con un paso de tiempo de 3 y 6 horas, siendo forzado con vientos del Global Forecast System (GFS), generando información desde 1997 a la fecha. El punto del modelo seleccionado para caracterizar el clima de oleaje en aguas profundas, así como para utilizar de condiciones de frontera para la propagación de oleaje hasta la zona de estudio, fue el ubicado en la coordenada 16°N, 101.25°W, el cual se muestra en la Figura 3-­‐1. Figura 3-­‐1, Posición de los datos de oleaje en aguas profundas del WAVEWATCH III utilizados. 33 3.1.2 Propagación de oleaje a la zona de estudio Para la propagación de los datos de oleaje del modelo WW3 a la zona de estudio se utilizó un modelo de oleaje espectral de tercera generación basado en mallas no estructuradas (MIKE 21 SW). Este modelo incluye dos tipos de formulaciones, la formulación paramétrica direccionalmente desacoplada, y una formulación totalmente espectral. El modelo se basa en la ecuación de conservación de acción de oleaje descrita en Komen et al.(1994) y Young (1999). A continuación se presenta una breve descripción de la formulación empleada, la cual es descrita a detalle en Sørensen et al. (2004) y DHI (2009). El MIKE 21 SW esta formulado en términos de dirección de oleaje, θ, y la frecuencia angular relativa, σ, donde la densidad de acción, 𝑁 σ, θ está relacionada a la densidad de energía, E(σ, θ) por: 𝑁 σ, θ = E σ, θ σ En aplicaciones a gran escala, la ecuación de balance de acción de oleaje se formula en coordenadas esféricas, donde la evolución del espectro de oleaje en una posición esta dado por la latitud ∅, y la longitud 𝜆, en un instante 𝑡 , de la siguiente manera: 𝛿𝑁 𝛿 𝛿 𝛿 𝛿 𝑆 + 𝑐∅ 𝑁 + 𝑐! 𝑁 + 𝑐! 𝑁 + 𝑐! 𝑁 = 𝛿𝑡 𝛿∅ 𝛿𝜆 𝛿𝜎 𝛿𝜃 𝜎 La fuente de energía 𝑆, representa una sobreposición de distintas funciones fuentes que describen los múltiples fenómenos físicos está dada por: 𝑆 = 𝑆!" + 𝑆!" + 𝑆!" + 𝑆!"# + 𝑆!"#$ Donde 𝑆!" representa la energía del viento transferida de manera lineal y no lineal de acuerdo con Janssen (1989), Janssen (1991) y Janssen et al., 1989); 𝑆!" representa las interacciones no lineales ola-­‐ola definidas por Hasselmann & Hasselmann(1985) y Hasselmann et al. (1985); 𝑆!" es la disipación de energía debido a whitecapping descrito en Komen et al. (1994), 𝑆!"# es la disipación de energía por fricción de fondo descrita en Johnson & Kofoed-­‐Hansen (2000); y 𝑆!"#$ es la disipación de energía por rotura inducida por fondo, descrita por Battjes & Janssen (1978) y Eldeberky & Battjes (1996). La discretización de las ecuaciones de gobierno se realiza utilizando el método de volúmenes finitos centrado en la celda, tanto para el espacio geográfico como espectral, utilizando una malla no estructurada para el dominio geográfico. La integración en tiempo se basa en una aproximación de paso fraccional aplicando un método de multisecuencia explícito para la propagación de acción de oleaje. 3.1.2.1 Datos de entrada: batimetría y dominio computacional La malla de cálculo para la propagación del oleaje fue diseñada para poder caracterizar el oleaje en la bahía de Puerto Marqués, utilizando una resolución de 140 m dentro de la bahía , como se muestra en la Figura 3-­‐2, en la Figura 3-­‐3 y en la Tabla 3-­‐1. 34 450 m2 770 m2 110 m2 1400 m2 Figura 3-­‐2. Malla del dominio computacional mostrando el área máxima de los elementos en cada zona. 400 m2 200 m2 140 m2 450 m2 Figura 3-­‐3. Detalle de la malla computo en la zona de interés mostrando el área máxima de los elementos en cada zona. 35 Tabla 3-­‐1 Relación entre área máxima y largo aproximado de elemento Área máxima (km2) 1000000 600000 300000 100000 80000 20000 10000 Largo aproximado del elemento (km) 1400 1100 770 450 400 200 140 La batimetría empleada en el modelo corresponde a la ETOPO1 (Amante and Eakins, 2009) fuera de la bahía y una batimetría de detalle en la zona de estudio realizada en Agosto del 2012. La batimetría utilizada en las modelaciones se muestra en la Figura 3-­‐4. Figura 3-­‐4. Batimetría ETOPO1 utilizada en el modelo de oleaje 3.1.2.2 Datos de entrada: especificaciones del modelo El modelo se utilizó en su modo de formulación paramétrica direccionalmente desacoplada y formulación de tiempo cuasi-­‐estacionaria. Se definió una discretización direccional para 360° divididos en 16 direcciones. 3.1.2.3 Datos de entrada: forzamiento Los campos de viento fueron utilizados por el WW3 a fin de generar el oleaje en la cuenca del Océano Pacífico y para obtener el oleaje en aguas profundas utilizado en este estudio. Por lo 36 tanto, en la propagación del oleaje a la zona de interés, ya no se incluyeron los campos de viento locales, pues se asume que la generación de oleaje en el dominio computacional no es importante debido a que hay un fetch muy corto desde la boca de la bahía a la playa, de modo que el oleaje dominante proviene del swell. A pesar de no tener una influencia significativa en la generación de oleaje, el clima medio de vientos locales se reporta en el Anexo X como un complemento adicional del estudio. De esta manera, se utilizó como forzamiento el conjunto de las condiciones de oleaje del WW3 con los parámetros de altura significante, periodo pico, y dirección media de oleaje. Este forzamiento se estableció en la frontera abierta del dominio computacional correspondiente a aguas profundas. 3.1.2.4 Resultados de la propagación de oleaje Utilizando el modelo de tercera generación MIKE 21 SW para la propagación de oleaje en aguas profundas a la zona de estudio, se obtuvieron las condiciones de oleaje en todo el dominio computacional desde el 1 de febrero de 1997 hasta el 23 de octubre de 2012 con datos de oleaje (Hs, Tp, Tm, y Dir) cada 6 horas. La Figura 3-­‐5 muestra los resultados de la propagación del oleaje de la tormenta del 3 de septiembre de 1998 a las 6:00 am en todo el dominio computacional, mientras que la Figura 3-­‐6 muestra en detalle las condiciones de oleaje para la misma tormenta en la Bahía de Acapulco y la Bahía de Puerto Marqués. Figura 3-­‐5. Simulación de oleaje en todo el dominio computacional para la tormenta del 3 de septiembre de 1998 37 Figura 3-­‐6. Detalle de la simulación de oleaje en las bahías de Acapulco y Puerto Marqués para la tormenta del 3 de septiembre de 1998 Una vez con la información de oleaje de todo el periodo de tiempo simulado, es posible contar con series de tiempo de oleaje cada 6 horas de febrero de 1997 a octubre de 2012 en cualquier punto del dominio computacional de la Figura 3-­‐7. Para fines de este estudio, se obtuvo una serie de tiempo de las condiciones de oleaje (altura significante -­‐ Hs, periodo pico -­‐ Tp, y dirección media de oleaje -­‐DMO) en la entrada de la Bahía de Puerto Marqués (Figura 7) a una posición de 30 m de profundidad, en la posición con coordenadas UTM-­‐14 de 409252.725,1857899.626, y en la localización de la Marina de Majahua a una profundidad de 8.5 m de profundidad. Figura 3-­‐7. Posición del punto de extracción de información de oleaje en la entrada de la Bahía de Puerto Marqués 38 La Figura 3-­‐8 muestra las condiciones de oleaje en aguas profundas (i.e. forzamiento del modelo de oleaje) comparado con las condiciones de oleaje en la entrada de la Bahía de Puerto Marqués. Como se puede observar la altura de oleaje (panel superior en la Figura 8) se reduce considerablemente en la entrada de la Bahía de Puerto Marqués, en particular el oleaje proveniente del segundo sector (oleaje proveniente de direcciones del Este al Sur), debido a que este no puede penetrar a la bahía. Como puede observarse en la figura, el periodo pico se mantiene prácticamente constante, pero las direcciones sufren una gran modificación, puesto que a la entrada de la Bahía de Puerto Marqués solamente llegan direcciones de oleaje similares a la orientación de la entrada a bahía, es decir, únicamente el oleaje con direcciones entre 245° y 270°. De esta manera, tenemos que eventos extremos, como podría ser huracanes, que generen oleaje proveniente del sur no van a tener efectos considerables dentro de la Bahía de Puerto Marqués, mientras que eventos de menor intensidad pero que generen un oleaje con direcciones alineadas a la bahía, si podrán tener repercusiones considerables dentro de la bahía. Figura 3-­‐8. Condiciones de oleaje en aguas profundas y a la entrada de la Bahía de Puerto Marqués En base al oleaje en aguas profundas y al oleaje obtenido en la entrada de la Bahía de Puerto Marqués, es posible caracterizar el clima de oleaje, tanto el clima medio como el extremal, lo cual se presenta en las siguientes secciones. 39 3.1.3 Clima de oleaje 3.1.3.1 Caracterización del clima medio La importancia del clima medio de oleaje para estudiar la afectación de la Marina Majahua sobre las playas adyacentes recae en que las condiciones normales (sin eventos extremos) controlan el transporte longitudinal de sedimentos, quien es responsable de la redistribución de la arena en la playa. Si el clima medio de oleaje es afectado en la zona de influencia de la marina, la redistribución de la arena en la playa puede dar lugar a nuevas zonas de erosión y depositación. De esta manera, es imprescindible determinar el clima medio de oleaje para analizar los efectos de la marina sobre las playas adyacentes. Para caracterizarlo es fundamental el conocimiento estadístico del oleaje en la cercanía de la costa. La estadística se realiza con parámetros de estados de mar (e.g. Hs y Tp) que permiten obtener información estadística de cualquiera de las variables para un período de tiempo determinado, el cual se denomina régimen medio del parámetro. Por ejemplo, el régimen medio de altura de ola significante del mes X de un lugar determinado nos permite obtener la probabilidad de que un determinado valor de altura significante no sea superado en ese lugar durante ese mes en específico. De manera similar, el régimen medio de altura de ola permite calcular la probabilidad de que una determinada altura de ola significante no sea superada en el año medio. Si bien el clima medio se presenta de manera estadística para un año de oleaje, es necesario contar con varios años de información de oleaje para así tener las condiciones medias y no las condiciones de un año o periodo determinado que pudiera haberse presentado con valores altos o bajo con respecto a otros años. El régimen medio se describe, habitualmente, mediante un histograma de frecuencias y una distribución teórica que ajusta dicha zona media o central del histograma. Es decir, no todos los datos participan en el proceso de estimación de los parámetros de la distribución teórica, sólo lo hacen aquellos cuyos valores de presentación caen en la zona media del histograma. La distribución elegida para describir el régimen medio de las series de oleaje es la de Weibull (acumulativa), cuya expresión es la siguiente: ⎛ ⎛ x − B ⎞ C ⎞ ⎟ Fe ( x) = 1 − exp⎜ − ⎜ ⎜ ⎝ A ⎟⎠ ⎟ ⎝ ⎠ El parámetro B es conocido como parámetro de centrado y su valor ha de ser menor que el menor de los valores ajustados; A es el parámetro de escala y ha de ser mayor que 0; finalmente, C es el parámetro de forma y suele moverse entre 0.5 y 3.5. El régimen medio, generalmente, suele representarse de una forma grafica mediante un histograma acumulado y el correspondiente ajuste teórico, todo ello en una escala especial en la cual Weibull aparece representada como una recta. Ajustar los datos a una distribución teórica, en vez de utilizar el histograma permite obtener una expresión compacta que suaviza e interpola la información proporcionada por el histograma. 40 El régimen medio está directamente relacionado con lo que se denominan condiciones medias de operatividad. Es decir, caracteriza el comportamiento probabilístico del régimen de oleaje en el que por término medio se va desenvolver una determinada actividad influida por el estado del mar. Por lo tanto, la caracterización del clima medio en la zona de estudio está basada en el análisis de la serie de tiempo de los datos del WW3 presentados anteriormente. En la Figura 3-­‐9 se muestra la rosa de oleaje anual, en la cual se puede observar que el clima medio está dominado por oleaje proveniente del sector SSW con alturas menores a 2 m, aunque se presentan olas hasta de 3 m provenientes de este sector. El oleaje es muy constante y los periodos de calma no superan 12% de los eventos. Es de resaltar también que se observan eventos esporádicos de gran intensidad provenientes del SE (huracanes ó tormentas tropicales). En la Tabla 3-­‐2 se muestra el porcentaje de ocurrencia del oleaje medio anual en base a su altura significante (Hs) y dirección media de oleaje (DMO). En esta tabla posible observar que el oleaje de mayor ocurrencia es el proveniente del sector SSW (una DMO entre 191° y 214°) con una Hs media de 1.5m, mientras que el oleaje de mayor intensidad (hasta 8.25 m de Hs) tiene una DMO SE entre 123° y 146°, lo cual indica que son resultado de ciclones tropicales. Tabla 3-­‐2. Porcentaje de ocurrencia de oleaje en función a la altura significante y dirección media de oleaje Dir/Hs [m] N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW Total % 0.25 0.004 0.000 0.000 0.000 0.004 0.009 0.013 0.004 0.000 0.000 0.000 0.013 0.013 0.061 0.000 0.000 0.122 0.75 1.25 1.75 0.004 0.004 0.000 0.004 0.000 0.000 0.000 0.026 0.009 0.000 0.017 0.009 0.013 0.009 0.017 0.013 0.161 0.157 0.035 0.109 0.248 0.131 0.453 0.540 0.165 2.189 3.600 1.110 19.090 21.062 0.988 11.034 6.242 0.470 3.652 1.201 0.383 2.881 0.940 0.435 4.509 2.355 0.017 0.044 0.039 0.000 0.004 0.009 3.769 44.183 36.427 2.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.009 0.192 0.361 0.187 1.079 6.873 1.667 0.409 0.161 0.357 0.013 0.000 11.308 2.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.009 0.200 0.257 0.065 0.139 1.493 0.453 0.178 0.026 0.087 0.000 0.000 2.908 3.25 3.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.113 0.078 0.100 0.044 0.057 0.022 0.083 0.022 0.235 0.013 0.157 0.017 0.144 0.044 0.004 0.013 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.892 0.252 4.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.022 0.022 0.009 0.000 0.009 0.000 0.004 0.013 0.000 0.000 0.000 0.078 4.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.013 0.009 0.004 0.004 0.009 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.039 5.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 5.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.004 0.004 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.009 6.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.004 0.009 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.013 6.75 Total % 0.000 0.013 0.000 0.004 0.000 0.035 0.000 0.026 0.000 0.061 0.000 0.966 0.000 1.210 0.000 1.471 0.000 7.282 0.000 49.893 0.000 20.557 0.000 6.115 0.000 4.435 0.000 7.804 0.000 0.113 0.000 0.013 0.000 100.000 41 Figura 3-­‐9. Rosa de oleaje anual en aguas profundas A fin de caracterizar el oleaje es importante también conocer la distribución del periodo pico de oleaje (Tp). Si bien se pueden generar tablas de distribución de Hs vs Tp por sectores de dirección, generalmente se hace una relación del Tp en función de la Hs (ver Figura 3-­‐10). Como se observa, existen dos zonas con mayor densidad de datos. Por un lado el oleaje poco energético y de largo período (swell) y por otro lado el oleaje de menor período (Tp<10 s) y que puede llegar a ser más energético (Hs~7 m). 42 Figura 3-­‐10. Hs vs Tp en aguas profundas. En función de los datos del clima medio de oleaje se realizó un análisis de excedencia a fin de estimar el oleaje máximo esperado asociado a una excedencia determinada. La Figura 3-­‐11(a) muestra el histograma de frecuencias de Hs la mayor parte de los datos se encuentran entre 1.0 m y 2.0 m de Hs. Figura 3-­‐11. (a) Histograma de frecuencias de Hs y (b) probabilidad acumulada en aguas profundas. 43 En la Figura 3-­‐11(b) se presenta la distribución acumulativa de la Hs de la cual se obtiene la excedencia del oleaje. Se puede apreciar de dicha gráfica que la probabilidad de excedencia para alturas mayores a 2.43 m es 5 %, siendo que para este valor la excedencia es de aproximadamente de 400 horas al año. Por encima de este valor de Hs, la excedencia es muy baja, por ejemplo para una Hs de 4 m la excedencia es de aproximadamente 11 horas en un año. Es importante destacar que el análisis de excedencia es en base al clima medio y no es un análisis extremal de oleaje. En este estudio se consideró al clima medio como el principal responsable en la afectación de la obra costera en la dinámica de la playa. El flujo de energía determina el transporte de sedimentos en playas. Este se calcula a partir de la teoría lineal con la siguiente expresión (Dean & Dalrymple 1991): ℱ = 𝐸𝐶! donde la energía del oleaje 𝐸 = 1 8 𝜌𝑔𝐻!! y la celeridad de grupo 𝐶! es función de la profundidad y el período pico Tp. De esta forma, se puede obtener a partir de la serie temporal de 15 años el flujo de energía en función de la dirección para determinar qué componente del oleaje juega un papel más importante en el transporte de sedimentos en playas. Para el caso de aguas profundas la mayor (>50%) parte del flujo de energía del oleaje proviene del SSW (ver Figura 3-­‐12) y contribuciones importantes (~18%) del SW. Figura 3-­‐12, Flujo medio de energía en aguas profundas para sectores seleccionados. 44 3.1.3.2 Oleaje en la entrada a la bahía de Puerto Marqués El oleaje en la entrada a la bahía de Puerto Marqués se ve fuertemente transformado con respecto a las características en aguas profundas (Figura 3-­‐6). A la entrada a la bahía únicamente llega el oleaje proveniente del WSW y W (ver Tabla 3-­‐3), debido a su orientación y las características geomorfológicas de la bahía. Asimismo, las alturas de ola son considerablemente menores que las observadas en aguas profundas debido a que esta zona se encuentra protegida del oleaje proveniente del SE que está asociado con las mayores alturas de ola en aguas profundas frente a esta zona. En cuanto a la relación de la altura de ola y el período pico, el rango de períodos se mantiene igual con respecto al análisis en aguas profundas. Sin embargo, las alturas de ola significante asociadas al oleaje sea y swell son significativamente menores que en aguas profundas (Figura 3-­‐13). La disminución de la energía del oleaje en la entrada de la bahía es evidente en el histrograma de frecuencias (Figura 3-­‐14a) y distribución de probabilidad. Se puede apreciar que la altura de ola con mayor ocurrencia es la de ~0.5 m (Figura 3-­‐14a). Por otro lado, la altura de 0.83 m es únicamente superada el 5 % del tiempo (Figura 3-­‐14b). Esto contrasta fuertemente con el valor que presenta esta misma excedencia en aguas profundas (2.43 m). Figura 3-­‐13, Hs vs Tp en la entrada de la bahía. 45 Tabla 3-­‐3. Porcentaje de ocurrencia de oleaje en función a la altura significante y dirección media de oleaje en la entrada de la bahía de Puerto Marqués. Dir/Hs [m] N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW Total % 0.25 0.83 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 37.66 8.74 0.01 0.00 0.00 47.24 0.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 44.997 5.458 0.000 0.000 0.000 50.455 1.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.354 0.148 0.000 0.000 0.000 1.502 1.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.496 0.109 0.000 0.000 0.000 0.605 2.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.126 0.074 0.000 0.000 0.000 0.200 2.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 3.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 3.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 5.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 5.75 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 6.25 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 6.75 Total % 0.000 0.831 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 84.631 0.000 14.524 0.000 0.013 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 100.000 Figura 3-­‐14. (a) Histograma de frecuencias de Hs y (b) probabilidad acumulada en la entrada de la bahía. En cuanto al análisis de flujo de energía en esta zona, se observa que la mayor parte de ella (>87%) proviene del WSW debido a las restricciones geomorfológicas de esta zona. Figura 3-­‐15, Flujo medio de energía en la entrada de la bahía para sectores seleccionados. 46 3.1.3.3 Oleaje en la Marina Majahua Finalmente, se obtuvo la serie temporal de oleaje en un punto cercano a la localización de la marina Majahua, con el propósito de caracterizar el oleaje que incide en el sector de la playa afectado por el problema de erosión. La energía del oleaje que se propaga dentro de la bahía, a través de la entrada de ~800 m, disminuye debido a la refracción del oleaje. Por lo tanto, la altura de ola con mayor ocurrencia se ve disminuida a 0.125 m asociados con períodos de oleaje tipo swell (Figura 3-­‐16). La dirección del oleaje WNW es normal a la orientación de la playa antes de la construcción de la marina. Sin embargo, este oleaje se verá afectado al interactuar con los diques que la conforman. La probabilidad acumulada de Hs para esta zona muestra un oleaje poco energético con altura de mayor ocurrencia de ~0.15 m y Hs=0.25 m que es superada el 5% del tiempo. Figura 3-­‐16, (Izquierda) Histograma de altura de ola significante y períodos y (Derecha) rosa de oleaje en la localización de la marina de Majahua. 47 Figura 3-­‐17, Probabilidad acumulada de altura de ola significante en la localización de la Marina Majahua. 3.1.3.4 Caracterización del oleaje extremal La altura de ola es el factor principal para el diseño de estructuras y determinación de zonas de riesgo en la costa. Por lo tanto, la mayoría de los estudios que involucren al oleaje como el forzamiento principal de un sistema requieren conocer la distribución de probabilidad de ocurrencia de las olas más grandes. Si bien el clima medio de oleaje caracteriza las condiciones oleaje que podemos esperar en una zona determinada, no nos da ninguna información sobre cuáles son los eventos de oleaje de mayor intensidad que podemos esperar para una probabilidad de ocurrencia determinada. Es decir, las estadísticas ordinarias que tratan con las propiedades de datos aleatorios dispersos alrededor de un valor central no son muy útiles cuando se está especialmente interesado en el comportamiento de valores que están localizados lejos del valor medio, como sucede cuando se trata de predecir las características del oleaje extremo. Por lo tanto, el régimen extremal de un determinado parámetro de oleaje representa la probabilidad de que el valor máximo de dicho parámetro en un período de tiempo determinado no supere un valor determinado. Para poder caracterizar los eventos extremos de oleaje, es necesario un conjunto de métodos estadísticos especialmente diseñados para tratar la ocurrencia de eventos raros, más que de las desviaciones normales, como lo es el método de Gumbell. El método de Gumbell nos dice que la probabilidad de que una cierta altura de ola no sea rebasada está dada por la siguiente ecuación: 48 P( X ≤ x) = exp[− exp(− Ax + B)] Las alturas de ola extraordinaria y el periodo de retorno están relacionadas a través de una variable reducida ¨y¨ que es función del período de retorno. A continuación se describe el método de Gumbell para calcular la altura de olas extremas. 1. Los valores máximos alcanzados se arreglan en orden descendente indicando con el índice i de rango. 2. A cada valor alcanzado Xi se le asigna una posición de dibujo dada por el valor de frecuencia Pi=(N-­‐i)/N N= número de elementos 3. Se calcula: media, varianza y desviación estándar con las siguientes ecuaciones Xmed = σn2 = 1 N ∑ Xi N i =1 1 N 2 ∑ ( Xi − Xmed ) N i =1 σn = σn2 4. Se introduce una variable reducida, y obtenemos la ecuación de una recta y = a( x − u ) = ax − au donde a es una pendiente y u es una moda. Esta variable está relacionada al valor de frecuencia por y = − ln(− ln( p)) La pendiente a y la moda u se determina como a= E (σn) σn y u = Xmed − E ( yn) a donde: E (σn) = valor esperado de la dispersión de N valores E ( yn ) = valor esperado de la variable reducida E (σn) = π 6 ≈ 1.28255 E ( yn ) = 0.5772 numero de Euler ⇒ la curva de extremos está dada por: 49 y = ax − au x= y +u a sustituyendo a y u en la ecuación anterior se obtiene que a = E (σn) σn y u = Xmed − E ( yn) a x = Xmed + 0.7797σn( y − 0.5772) Donde el periodo de retorno se calcula a partir de: ( ) y 1 Tr = e + 2 ⇒ y = ln Tr − 1 2 haciendo las operaciones necesarias se obtiene una ecuación en la que se relaciona la altura de la ola(X) con el periodo de retorno (Tr). ( ) x = Xmed + 0.7797σn⎛⎜ ln Tr − 1 ⎝ ⎞ − 0.5772 ⎟ 2 ⎠ El análisis extremal de oleaje se aplicó al oleaje en aguas profundas como al oleaje a la entrada de la Bahía de Puerto Marqués, obteniendo la altura de oleaje para distintos periodos de retorno (en años) como se muestra en la Tabla 3-­‐4. Tabla 3-­‐4. Hs para distintos periodos de retorno en aguas profundas y a la entrada de la Bahía Puerto Marqués. Oleaje e n aguas profundas Periodo de Hs ( m) retorno 2 3.98 5 4.71 10 5.28 20 5.90 30 6.30 50 6.84 Oleaje e n Bahia Puerto Marques Periodo de Hs ( m) retorno 2 1.90 5 2.19 10 2.39 20 2.57 30 2.68 50 2.81 La Figura 3-­‐18 y la Figura 3-­‐19 muestran los histogramas de frecuencias para la distribución del oleaje en aguas profundas y a la entrada de la Bahía de Puerto Marqués respectivamente. De manera similar, la Figura 3-­‐20 y la Figura 3-­‐21 muestran el ajuste de Gumbell y los periodos de retorno para aguas profundas y la entrada de la Bahía de Puerto Marqués. 50 Figura 3-­‐18. Histograma de frecuencias para la distribución de oleaje en aguas profundas. Figura 3-­‐19. Histograma de frecuencias para la distribución de oleaje en la entrada a la Bahía de Puerto Marqués. 51 Figura 3-­‐20, Ajuste de Gumbell para la obtención de periodos de retorno en aguas profundas. Figura 3-­‐21, Ajuste de Gumbell para la obtención de periodos de retorno en la entrada a la Bahía de Puerto Marqués. 52 3.2 Viento El viento es una componente importante del clima costero. Éste actúa a través de la interface entre la atmósfera y el océano deformándola y provocando oleaje y corrientes superficiales. Las interacciones mar-­‐océano pueden ser muy complejas debido a que existen procesos no lineales que intervienen en la formación y rotura del oleaje (sobre todo con olas grandes), así como por medio de intercambio de calor y fenómenos relacionados (Janssen, 1989, 1991). 3.2.1 El viento como forzamiento del oleaje de fondo El punto de partida para generar oleaje es el viento. Los vientos que más influencia tienen en el clima de oleaje son los responsables del swell u oleaje de fondo, el cual contiene la mayor parte de la energía que llega a la playa. Los vientos responsables del swell pueden haber actuado a distancias enormes del sitio de interés, ya que las ondas de longitudes de onda considerable viajan a gran velocidad y recorren distancias muy grandes sin haber disipado mucha de su energía. Dos factores importantes que influyen la manera como esta energía se transfiere a partir del viento son el tiempo y la distancia (fetch) ininterrumpidos de forzamiento (que pueden ser considerables) de modo que para alimentar un modelo de propagación de oleaje se tienen que tomar en cuenta prácticamente todas las zonas del océano que se conecten con la zona de estudio (en este caso el Océano Pacífico). Las bases de datos de viento remoto que fuerzan al modelo de propagación de oleaje al que se refiere la sección titulada “Descripción de la base de datos de oleaje” comprenden información de reanálisis de modelos de mesoescala como ECMWF ó NCEP, así como mediciones recopiladas por boyas oceanográficas, barcos, estaciones meteorológicas, satélites, etcétera (ver por ejemplo: http://polar.ncep.noaa.gov/mmab/papers/tn259/mmab259.pdf) . 3.2.2 Condiciones atmosféricas locales Como se menciona en secciones anteriores, para el caso particular de la bahía de Puerto Marqués la generación de oleaje por viento local no es un factor preponderante, sin embargo el lector interesado puede necesitar datos de viento (local) para tareas diversas. El clima en Acapulco se caracteriza por ser tropical, con estaciones húmedas y secas. La temporada de lluvia se extiende desde junio hasta septiembre, con precipitaciones que pueden llegar fácilmente a 289mm en septiembre. Anualmente se registran tormentas tropicales y huracanes en el período de mayo a noviembre, como se ha discutido en secciones anteriores. Las temperaturas máximas se registran en agosto y septiembre y pueden llegar a 45 grados centígrados, mientras que las más bajas pueden rondar los 16 grados, reportadas en el mes de marzo para los años 2003, 2005 y 2008 del período estudiado, que se extiende desde enero de 1997 a octubre de 2012. 3.2.3 Descripción de la base de datos de vientos locales Desafortunadamente no se tiene información meteorológica de Puerto Marqués, pues no hay estaciones meteorológicas (hasta donde se sabe) en la locación del estudio. Se tiene acceso, sin embargo, a los datos de una estación meteorológica localizada en el aeropuerto internacional de 53 Acapulco, cuya base de datos puede proveer información suficiente para formarse un panorama del clima de vientos en la zona. Nótese que la orografía compleja de los alrededores de Acapulco y Puerto Marqués puede generar condiciones de viento distintas a las aquí reportadas. Los datos de viento se obtuvieron de una estación meteorológica cuyos datos se encuentran disponibles a la comunidad por medio del sitio web wunderground© (ver http://www.wunderground.com/q/zmw:00000.2.WMMAA). Cabe mencionar que también la NCAR (National Center of Atmospheric Research) se refiere a esta estación en su red de estaciones meteorológicas (ver por ejemplo http://weather.rap.ucar.edu/surface/). Esta estación está localizada en el aeropuerto internacional de Acapulco en la longitud 16.760N 99.750W, a 4m sobre el nivel del mar. Este sitio engloba un número muy importante de estaciones meteorológicas en todo el mundo, y cuenta con una serie de recomendaciones para el control de calidad, así como con un sistema de información que compara datos de estaciones cercanas para detectar errores y publicar pronósticos. El sitio cuenta con una interface gráfica que permite hacer consultas de condiciones meteorológicas para distintos rangos de tiempo. La Figura 3-­‐23 muestra una tabla con las variables instrumentadas en la estación del aeropuerto internacional de Acapulco que son: temperatura, humedad, punto de rocío, velocidad de viento, presión atmosférica y dirección de viento. Es posible extraer información en formato CSV del portal, sin embargo el detalle de la información no se puede extraer de esta manera para periodos largos. Dichos datos se encuentran promediados aproximadamente cada hora, y se extrajeron por medio de un programa informático que hizo una serie de consultas “de detalle” consecutivas al servidor de wunderground© y guardó los resultados en una base de datos que se pone a disposición de nuestros colaboradores en forma de archivo CSV o Excel© (también disponible a través de una base de datos OpenSource en línea almacenada en uno de los servidores del II-­‐UNAM). 54 Figura 3-­‐22: esquema de la adquisición de datos por medio de un programa que extrae datos del sitio web de wundergound©. Una vez guardados los datos se hizo una exploración visual de los mismos para detectar errores, y se eliminaron picos provenientes de lecturas claramente erróneas antes de hacer promedios e histogramas de frecuencias. 3.3 Resultados El clima medio de viento en Acapulco se caracterizó por medio de los datos de la estación antes mencionada para una altura sobre la superficie de 10m. Estos resultados excluyen eventos extremos como huracanes, pues normalmente los vientos que alcanzan dichos sucesos no pueden ser medidos con precisión por la instrumentación de las estaciones meteorológicas convencionales (normalmente se usan anemómetros de copas). A pesar de que es relativamente sencillo encontrar información de estaciones meteorológicas en Guerrero por medio de la CONAGUA, dichas estaciones en su mayoría reportan solamente información sobre temperatura, humedad, presión atmosférica y precipitaciones (ver por ejemplo la página web: http://smn.cna.gob.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=42&Itemid=75c Se localizaron algunos documentos que reportan información parcial acerca del clima de vientos en Guerrero, como Niño (2008), que concuerdan en general con nuestros resultados, que se reportan a continuación. 55 Figura 3-­‐23: interface gráfica mostrando el comportamiento de variables meteorológicas en la estación WMMAA. La Figura 3-­‐23 muestra valores máximos y mínimos de las variables meteorológicas más importantes, de donde se observa que los vientos pasan de 10m/s en muy raras ocasiones (salvo en caso de tormenta). La rapidez de viento se puede caracterizar por medio del PDF (función de distribución de probabilidad) obtenido a partir del histograma de frecuencias, como se muestra en la Figura 3-­‐24, donde se presenta la antes mencionada PDF en forma de diagrama de barras, junto con un ajuste a una curva Weibull (Justus, 1978). Los correspondientes parámetros son A= 2.4755 y C= 3.3262, siendo valores del último parámetro (de forma) del orden de 3 típicos de zonas costeras. El parámetro A es el parámetro de escala en m/s. Este tipo de ajustes puede ser útil para calcular energía contenida en el viento para distintos fines. 56 PDF 0.35 todos fit unimodal 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 rapidez de viento (m/s) 8 10 Figura 3-­‐24: PDF de rapidez de viento. Línea punteada: curva Weibull ajustada. El comportamiento diurno de la rapidez de viento se puede observar de la Figura 3-­‐25, que muestra promedios por hora del día para los años 2009 a 2011. Se observa una tendencia muy similar para los distintos años, donde es de resaltar un pico de intensidad aproximadamente a las 3pm. En la Figura 3-­‐26, se muestran promedios por hora del día de la rapidez de viento para las distintas estaciones del año 2009, representadas por distintos marcadores, descritos en la etiqueta localizada en la parte superior izquierda de la figura. 5 2009 2010 2011 4.5 U (m/s) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 0 5 10 hr local 15 20 Figura 3-­‐25: comportamiento diurno de rapidez de viento; comparación entre los años 2009, 2010 y 2011. 57 5.5 primavera verano otoño invierno total 5 4.5 U (m/s) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 0 5 10 hr local 15 20 Figura 3-­‐26: comportamiento diurno de rapidez de viento. 300 250 θ 200 150 A3: primavera A3: verano A3: otoño A3: invierno A3: total 100 50 0 0 5 10 hr local 15 20 Figura 3-­‐27: comportamiento diurno de la dirección del viento para las distintas estaciones del año (ver marcadores). Así mismo, la Figura 3-­‐27 muestra el mismo tipo de gráfico para la dirección de viento (convención meteorológica, N es cero grados y E es 90 grados), donde se observa la predominancia de vientos del SSW, combinados con la brisa marina proveniente del SW. En la costa del pacífico, debido a la presencia de serranías paralelas a la costa, el viento suele ser canalizado en esa misma dirección 58 (NW), sin embargo los vientos dominantes en la zona vienen del SW, de modo que probablemente esta tendencia observada se explique por circulaciones a una escala más grande. De las Figura 3-­‐26 y Figura 3-­‐27 se observa esta tendencia dominante, al igual que en las rosas de viento de la Figura 3-­‐29. A dicha componente se suma otra proveniente de tierra (con un aumento correspondiente en rapidez de viento) característico de un ciclo diurno de brisa marina, cuyo pico ocurre aproximadamente a las tres de la tarde. En la Figura 3-­‐28 se muestra un gráfico que resume el comportamiento de la dirección de viento por mes del año. 250 4 240 230 210 200 3 190 rapidez (m/s) dirección (grados) 220 180 170 160 150 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 mes 2 12 Figura 3-­‐28: rapidez de viento y dirección por mes del año. Las rosas de viento se representan en la Figura 3-­‐29, para el año 2011 y las diferentes estaciones (recuadros a-­‐d), así como de todo el año (e). Se observa de dicha figura que los vientos más frecuentes (sectores más grandes) e intensos (ver escala de colores) corresponden a direcciones provenientes del SW (del mar). Cabe destacar que esta situación puede cambiar en algunos puntos dentro de la bahía de Puerto Marqués, debido a lo accidentado del terreno, de acuerdo a la información descrita en secciones anteriores (topografía, localización y batimetría). En este gráfico resumen se puede observar que el máximo de rapidez de viento se observa en el mes de marzo, mientras en agosto los vientos no promedian más de 3m/s. El rango de variación de la dirección promedio va desde la dirección S a SE. 59 (a) PRIMAVERA VERANO (b) NORTH NORTH 15% 8% 6% 10% 4% 5% 2% 10 - 11 WEST EAST 10 - 11 WEST EAST 8-9 8-9 7-8 7-8 6-7 6-7 5-6 5-6 4-5 4-5 3-4 3-4 2-3 2-3 1-2 1-2 SOUTH 9 - 10 9 - 10 0-1 SOUTH (c) OTOÑO INVIERNO (d) NORTH NORTH 8% 15% 6% 10% 4% 5% 2% WEST EAST 10 - 11 WEST EAST 10 - 11 9 - 10 9 - 10 8-9 8-9 7-8 7-8 6-7 6-7 5-6 5-6 4-5 4-5 3-4 3-4 2-3 2-3 TOTAL 1-2 SOUTH 1-2 SOUTH NORTH (e) 15% 10% WEST 5% 10 - 11 EAST 9 - 10 8-9 6-7 4-5 2-3 0-1 SOUTH 7-8 5-6 3-4 1-2 Figura 3-­‐29. rosas de viento estacionales (a-­‐d) y total (e) del año 2011. 60 Por último, se muestra la Figura 3-­‐30, que muestra un PDF representado por un diagrama de barras, junto con la correspondiente rapidez de viento promediada por cada sector, dependiendo de la dirección de viento. Se confirma el viento dominante del SW, y se observa también que los vientos del E, aunque poco frecuentes, pueden ser de rapidez considerable. Estos resultados muestran un acuerdo razonable con resultados previos publicados por la SCT (ver http://www.sct.gob.mx/fileadmin/CGPMM/PNDP2008/doc/mdi/dcap03.pdf). Las diferencias pueden provenir del hecho de que la estación meteorológica de la SCT se encuentra en una posición diferente (muy probablemente en la cabecera, del otro lado del puerto de Acapulco). 0.25 4.5 4 dirección 0.15 3.5 0.1 3 0.05 0 rapidez(m/s) 0.2 2.5 N NE E SE S SW W 2 NW Figura 3-­‐30: PDF de dirección mostrando rapidez de viento promedio por sector. 3.4 Variación del nivel del mar El análisis histórico de la variabilidad del nivel del mar es importante para este estudio para determinar su importancia relativa en la morfodinámica de la playa. Por un lado la marea astronómica, genera variaciones primordialmente diarias (oscilaciones diurnas y semidiurnas), las cuales se insertan dentro de la variabilidad normal del sistema. Por otro lado, las ondas de mayor periodo (ondas de borde o atrapadas), así como las perturbaciones del nivel del mar debido a eventos meteorológicos (marea o sobreelevación de tormenta), pueden jugar un papel no despreciable en la dinámica de la costa. 3.4.1 Fuente de datos De un registro horario de 2.7 años del mareógrafo de la UNAM en Acapulco, se desprende que: • El nivel máximo registrado en ese período fue 0.68m SNMM (sobre el nivel medio del mar). El nivel mínimo fue -­‐0.63m SNMM (Figura 3-­‐31). 61 • • • • La marea en Puerto Marqués es mixta semidiurna (factor de forma = 0.8; Pugh, 1987), con una marcada desigualdad diaria en las alturas de las pleamares y bajamares en varios días del ciclo lunar. Sin embargo, dadas las fases diferenciadas de las componentes de la marea, en ciertos períodos la marea es prácticamente diurna (Figura 3-­‐32). La amplitud de la marea llega a ser 90cm en mareas vivas y 30-­‐40 cm en mareas muertas (Figura 3-­‐32). Las componentes principales y correspondientes fases de la marea astronómica se presentan en la Tabla 3-­‐5. En la Tabla 3-­‐5 y Figura 3-­‐33 se puede ver que la componente anual (SA) tiene una amplitud de 9.1cm, comparable con la amplitud de las componentes diurnas, y la componente semianual una de 4.1cm. Por lo tanto, la modulación de baja frecuencia es importante en esa zona del Pacífico. Figura 3-­‐31. Elevación del nivel del mar en la Bahía de Acapulco (mareógrafo del Sistema Mareográfico Nacional de la UNAM). 62 Figura 3-­‐32. Detalle de 32 días de la marea medida en la Bahía de Acapulco Tabla 3-­‐5. Amplitudes y fases de las componentes principales de la marea astronómica Componente SA SSA MSM MF Q1 O1 P1 S1 K1 MU2 N2 M2 L2 S2 K2 Período (días) 365.18 182.59 31.81 13.66 1.12 1.08 1.003 1.000 0.997 0.536 0.527 0.518 0.508 0.500 0.499 Amplitud (cm) 9.1 4.1 1.4 1.2 1.9 9.3 3.8 1.0 11.9 1.3 4.7 18.3 1.2 7.8 2.2 Fase (o) 240.6 212.3 104.6 15.5 146.3 147.8 140.9 31.1 145.1 152.5 180.3 230.4 21.5 59.7 68.6 63 Figura 3-­‐33. Amplitudes de componentes principales de la marea en la Bahía de Acapulco. Por otro lado, la marea meteorológica también puede deducirse del mismo registro, como se muestra en la Figura 3-­‐34. Se puede apreciar en dicha figura que la marea residual (meteorológica) sobre elevó el nivel del mar hasta 40-­‐45 cm en varias ocasiones durante el período que abarca el registro. Figura 3-­‐34. Marea medida (azul), astronómica (verde) y residual o meteorológica (rojo). Dicha sobreelevación, sumada eventualmente con pleamares de mareas vivas y oleaje asociado a eventos extremos u oleaje de distante de 15s de período puede sin duda tener repercusiones en la estabilidad de playa, particularmente en el caso de que existan estructuras poco disipativas cercanas a la línea de costa, como es el caso en Playa Puerto Marqués. 64 3.5 Conclusiones Un hindcast de oleaje (1997-­‐2012) en aguas profundas fue utilizado para caracterizar el oleaje en la zona de estudio. En aguas profundas el oleaje de mayor ocurrencia es el proveniente del sector SSW con una Hs media de 1.5 m, mientras que el oleaje de mayor intensidad (hasta 8.25 m de Hs) proviene del SE asociado con el paso de tormentas tropicales. Sin embargo, el oleaje en la entrada de la bahía a Puerto Marqués presenta diferencias importantes debidas a las características geomorfología de la bahía (dimensiones, orientación, fondo marino). En esta zona el oleaje incidente proviene del WSW y W con alturas de ola media considerablemente menores (Hs=0.5 m) que las observadas en aguas profundas. La orientación de la bahía protege a la zona de estudio del oleaje proveniente SE, asociado con las mayores alturas de ola en aguas profundas. Por lo tanto, el flujo de energía medio (>87%) proviene del WSW. Finalmente, el oleaje dentro la bahía, en la localización de la Marina Majahua, presenta las características típicas del oleaje refractado en playas encajadas dentro de bahías con alturas de ola significante cercanas a los 0.15 m orientados localmente normales a la orientación de la playa (WNW). Sin embargo, las características del oleaje (Hs y Dir) se verán modificadas localmente debido a la presencia de la marina. El clima de viento en Acapulco es brevemente analizado por medio de herramientas estadísticas como son distribución de probabilidad y rosas de vientos. Los datos provienen de una estación meteorológica ubicada en el aeropuerto internacional de Acapulco, pues desgraciadamente no se tiene conocimiento de una estación meteorológica ubicada en Puerto Marqués. El clima de vientos característico de la zona costera de Acapulco está dominado por vientos del WSW de enero a junio, y SSW de junio a diciembre, con intensidades promedio que no superan los 10 m/s. Eventos poco frecuentes pero de gran intensidad se presentan provenientes del ESE, debido a ciclones y huracanes. El ciclo diurno muestra un incremento en intensidad a las 15 hrs con rapideces de viento del orden de 4 a 5 m/s (brisa marina). Los vientos son en general consistentes con los resultados de clima medio de oleaje, así como datos de otras fuentes. Las condiciones dentro de la bahía pueden discrepar de los datos aquí presentados debido a la accidentada orografía de la zona. En los datos de marea analizados, se observa que la marea residual (meteorológica) sobre elevó el nivel del mar hasta 40-­‐45 cm en varias ocasiones durante el período que abarca el registro. La sobreelevación del nivel del mar observada, sumada eventualmente con pleamares de mareas vivas y oleaje asociado a eventos extremos u oleaje de distante de 15s de período puede sin duda tener repercusiones en la estabilidad de playa, particularmente en el caso de que existan estructuras poco disipativas cercanas a la línea de costa, como es el caso en Playa Puerto Marqués. 3.6 Referencias Justus, C.G., Mikhail, A. and Graber, D. Methods for Estimating Wind Speed Frequency Distributions. J. Appl. Meteorol., 17, 350-­‐353, 1978. Niño, N.S. Ambiente de la isla Roqueta de Acapulco Guerrero, México. El periplo sustentable, UAEM, 5-­‐25, 2008. 65 4 CARACTERIZACIÓN DE TORMENTAS 4.1 Introducción El impacto del oleaje de tormentas en la zona costera induce una serie de respuestas morfo-­‐ dinámicas que son especialmente importantes en ambientes sedimentarios como las playas. Estos causan perdida de playa, incremento del nivel del mar produciendo rebase de la duna e inundación, especialmente en las zonas costeras de cota baja (Sallenger,2000; Morton, 2002; Hill et al.,2004). Este problema se ha agravado en las últimas décadas por el aumento de la población en las zonas costeras (UN, 2004) causando daños y afectación a los usos y recursos costeros y la aparente tendencia en el aumento en el numero de tormentas con mayor contenido energético (Webster et al., 2005; Komar y Allan 2008). En este sentido los protocolos de Manejo Integral de la Zona Costera (PAP, 2007 ) aconseja a las autoridades gubernamentales y gestores, hacer una evaluación de los agentes forzantes (oleaje de tormentas) que causan el peligro potencial y vulnerabilidad, para tomar medidas de prevención, mitigación y adaptación frente a los efectos de este tipo de desastres naturales. Debido a los puntos anteriores, se observa una clara necesidad de entender de una manera adecuada la caracterización de tormentas y su interacción con la zona costera para establecer la extensión de su impacto. Se han generado una serie de propuestas de clasificación basadas en diferentes parámetros como, la intensidad y duración del viento (Simpson, 1971; Saffir, 1979; Allen, 1981) o las características del oleaje (Bryant, 1988; Dolan y Davis, 1992; Mendoza y Jiménez, 2011). Si bien algunas de las caracterizaciones de tormentas tienen la intención de ser aplicadas en el ámbito global, estas no se acoplan enteramente a diferentes locaciones ya que fueron concebidas para lugares con características particulares del entorno -­‐dimensión de masa de agua, sistemas de vientos, fetch, islas, tipo de costa, etc.-­‐ que dictaminan la naturaleza y el potencial de impacto de los eventos. Esta sección plantea la caracterización de tormentas de la costa de Acapulco en términos de oleaje, tanto en aguas profundas como en aguas someras y así establecer el potencial de peligrosidad en la costa. 4.2 Metodología Para la identificación de tormentas en términos de oleaje, se utilizaron dos criterios de selección; altura mínima de oleaje de tormenta y duración mínima de la tormenta. La altura mínima de oleaje tormenta; es el valor de altura significativa (Hs), a partir del cual se considera que existe una tormenta, en este trabajo se utilizó el criterio de Birkemeier et al., (1999), que considera el umbral como la Hs media más dos desviaciones estándar. La duración mínima se estableció en 24 horas, considerando que una tormenta dura por lo menos un día. 66 Para caracterizar la intensidad de las tormentas, se ha utilizado el contenido energético E, el cual se parametrizó como: t2 E=∫ Hs2dt. t1 donde t1 y t2 definen la duración de la tormenta, (área roja en la Figura 4-­‐1). Figura 4-­‐1, Definición de tormenta con Hs≥2.5 m y Δt≥24 hrs (área roja). Una vez que se identificaron las tormentas, se hizo un análisis anual del número de tormentas, de la Hsmax anual, del número de días de tormenta por año y del contenido energético total de cada año para evaluar posibles tendencias de incremento de tormentas. Se identificaron las 10 tormentas con mayor contenido energético y se obtuvieron sus características de oleaje principales para ambos nodos De estas, se seleccionaron las tres tormentas más energéticas para su comparación en ambos nodos. 4.3 Resultados 4.3.1 Tormentas aguas profundas La altura mínima del oleaje resultó en 2.5 m (obtenido a partir los valores de Hs media = 1.59m y una desviación estándar = 0.45m). Considerando este valor y utilizando 24h como la duración mínima se encontraron un total de 84 eventos. Con una Hs media durante los eventos = 2.9m y un Tp medio durante los eventos= 11.2s. La distribución estacional de las tormentas registradas en la zona permite definir un año climático medio con dos épocas en función del régimen de temporales dominante: la época de tormentas que se extendería desde Junio a Octubre y la época de calmas 67 de Diciembre a Mayo (Figura 4-­‐2). Las tormentas más energéticas se presentan durante los meses de Septiembre y Octubre que corresponden a los meses con mayor intensidad en tormentas tropicales. Figura 4-­‐2. Distribución temporal de los eventos en el nodo de aguas profundas para el periodo 1997-­‐ 2012. La dirección de la ocurrencia de las tormentas es un parámetro trascendente a considerar para un plan de respuesta de la playa durante una tormenta y también determina el control morfodinámico de la configuración costera. La Figura 4-­‐3 muestra la distribución direccional de las tormentas en el nodo de aguas profundas, donde puede identificarse la presencia de dos sectores principales; sursuroeste (SSO) y Este-­‐Sureste (ESE) y una pequeña pero importante componente del oeste (0) cubriendo tanto el Oeste-­‐Noroeste (ONO) como del Oeste-­‐Suroeste (OSO). Figura 4-­‐3. Distribución direccional de los eventos identificados en aguas profundas para el periodo 1997-­‐ 2012. 68 De ellos, el sector SSO es el que se corresponde con el mayor número de tormentas, de tal forma que el 55 % del total de tormentas en la zona provendrían de esta dirección. Las tormentas de la dirección ESE representan el 38% y las tormentas del O (incluyendo las de componente ONO y OSO) un 7% del total de las tormentas las cuales corresponden a las tormentas más energéticas registradas. Se evaluaron los valores anuales de: número de tormentas, Hs máxima, días de tormenta y contenido energético (Figura 4-­‐4) para los 15 años. Figura 4-­‐4, Número de tormentas anuales (panel superior izquierdo), Hs máxima anual (panel superior derecho), número de días de tormenta anual (panel inferior izquierda) y contenido energético anual (panel inferior derecha) del nodo en aguas profundas para el periodo 1997-­‐2012. A pesar de que existió un repunte en 1998, tanto en número de tormentas, días de tormenta y contenido energético, los años subsecuentes durante el periodo de estudio, presentaron una tendencia negativa. De esta manera no existe un incremento ni en el número de tormentas ni en su contenido energético para la zona de estudio. 69 La Tabla 4-­‐1 presenta las 10 tormentas más energéticas (enlistadas de menor a mayor contenido energético), para el nodo de aguas profundas con sus principales características en términos de oleaje. En negritas se identifican las 2 tormentas más energéticas para los 15 años estudiados. Tabla 4-­‐1, Características principales de oleaje para las 10 tormentas más energéticas en aguas profundas Hs Id Año Mes día Hora max Tp max Dir med Dur (días) Dir (Hsmax) Energía(m2h) 71 77 72 43 23 10 33 22 81 14 16.5 12.1 8.8 16.2 16.0 15.5 8.9 16.3 14.9 16.2 203 176 225 172 223 194 172 209 245 236 4 1.75 4.5 4 4 3.75 4.25 5 5.25 10.5 201 120 237 116 229 116 144 206 260 259 864 873 895 942 976 996 1231 1234 1515 2429 4.3.2 2010 2011 2010 2004 1999 1998 2001 1999 2011 1998 8 7 8 6 10 7 9 9 10 9 24 20 31 2 7 15 23 16 9 3 6 6 18 12 18 6 6 12 18 12 3.5 6.4 3.2 4.1 3.6 5.6 3.8 4.6 4.4 4.0 Oleaje aguas someras en la boca La altura mínima del oleaje resultó en 1m (obtenido a partir los valores de Hs media = 0.52m y una desviación estándar = 0.22m). Considerando este valor y utilizando 24hrs como la duración mínima se encontraron un total de 42 eventos. Con una Hs media durante los eventos = 1.45m y un Tp medio durante los eventos= 8.2s. La distribución estacional de las tormentas registradas en la boca de la bahía permite definir un año climático medio con dos épocas en función del régimen de temporales dominante: la época de tormentas que se extendería desde Agosto a Octubre y la época de calmas de Noviembre a Julio (Figura 4-­‐5). Las tormentas más energéticas se presentan durante los meses de Septiembre y Octubre. 70 Figura 4-­‐5, Distribución temporal de los eventos de tormenta en la boca de la Bahía para el periodo 1997-­‐ 2012. La distribución direccional de la ocurrencia de las tormentas que se presentan en la boca de la bahía tiene una componente OSO para todos los eventos registrados (Figura 4-­‐6). Esto es debido que tanto la parte norte y sur de la bahía está protegida de las tormentas de otras direcciones. Figura 4-­‐6, Distribución direccional de los eventos de tormenta en la boca de la Bahía para el periodo 1997-­‐2012. 71 La Figura 4-­‐7 muestra los valores de numero de tormentas anuales (panel superior izquierdo), la Hs máxima por año (panel superior derecho), número de días de tormenta por año (panel inferior izquierda) y contenido energético anual (panel inferior derecha) para evaluar la tendencia de las características de las tormentas de los últimos 15 años. El número de tormentas presentó una ligera tendencia positiva, mientras que el resto de las características de las tormentas (Hs máxanual, días de tormenta y el contenido energético anual, presentaron una tendencia negativa. Figura 4-­‐7, Número de tormentas anuales (panel superior izquierdo), Hs máxima anual (panel superior derecho), número de días de tormenta anual (panel inferior izquierda) y contenido energético anual (panel inferior derecha)en la boca de la Bahía para el periodo 1997-­‐2012. Las características principales en términos de oleaje para las 10 tormentas más energéticas se presentan en la Tabla 4-­‐2. Los dos eventos más energéticos (en negritas) coinciden con las 72 tormentas más energéticas presentadas en dicha tabla , que en este caso los valores de Hs y contenido energético han disminuido. Tabla 4-­‐2. Características principales de oleaje para las 10 tormentas más energéticas en la boca de la bahía. id año mes día hora Hs max Tp max Dir med Dur. (días) Dir (Hsmax) Energía 9 17 19 24 13 15 31 11 39 6 1.7 1.9 2.1 2.2 2.2 1.8 2.2 2.1 2.3 2.3 8.9 8.6 7.8 7.4 15.7 10.6 8.7 16.0 11.5 10.6 252.4 253.1 261.0 260.3 252.2 256.8 252.9 256.1 259.1 255.6 3.0 2.8 2.3 2.5 3.0 4.5 4.0 6.0 4.3 11.8 255.5 252.9 262.2 261.3 254.8 255.6 255.7 255.9 261.0 256.9 149.8 174.8 188.9 212.9 215.4 227.5 268.9 365.1 383.8 935.0 1999 2001 2002 2005 1999 2000 2010 1999 2011 1998 8 9 6 10 10 9 9 9 10 9 21 12 9 5 8 8 2 3 10 6 12 0 12 0 12 6 0 12 0 6 4.4 Comparación de las tormentas más energéticas 4.4.1 Tormenta Tropical Javier La tormenta más energética para ambos nodos y del periodo estudiado corresponde a la tormenta tropical Javier. Esta tormenta surgió el 6 de septiembre de 1998 cuando un área de convección se empezó a desarrollar cerca de Acapulco. Esta perturbación se definió de mejor manera para el día 5 con una trayectoria oeste-­‐noroeste, para el día 7 la convección estaba lo suficientemente organizada y persistente que el Servicio Meteorológico Nacional la clasificó como la depresión tropical No. 11 de la temporada de ciclones tropicales en el Océano Pacífico Nororiental. Por la noche, la DT-­‐11 se desarrolló a la tormenta tropical "Javier". El día 8 "Javier" siguió intensificándose hasta que al anochecer alcanzó su mayor intensidad con vientos máximos de 90 km/h y rachas de 110 km/h. A partir del día 9 empezó a disminuir la fuerza de sus vientos degradándose a depresión tropical. Durante los días 10 y 11, "Javier" siguió debilitándose en forma gradual hacia el Sureste. La Figura 4-­‐8 muestra la serie de tiempo de la Hs para la tormenta Javier, en aguas profundas (rojo) y aguas someras –en la boca de la bahía-­‐ (azul). Para las aguas profundas la altura máxima registrada fue de 4 m mientras que para las aguas someras la altura máxima registrada fue de 2.3 m, en términos de duración en el primer caso el evento duró 10 días y medio (área en rojo) y para aguas someras este duró 12 días (área azul). 73 Figura 4-­‐8, Serie de tiempo de Hs para la tormenta Javier para el nodo de aguas profundas (rojo) y para el nodo en la en la boca de la bahía (azul) con su correspondiente umbral de altura mínima de tormenta. 4.4.2 Huracán Jova La segunda tormenta con mayor contenido energético se identificó como el huracán Jova, el cual se formó el 5 de octubre como la depresión tropical No. 10-­‐E de la temporada 2011 en el Pacífico Nororiental. Esta depresión continuó su desplazamiento hacia el Noroeste y el día 6 por la tarde, se convirtió en la tormenta tropical “Jova”. El día 8 por la tarde, se ubicó a 710 km al Oeste-­‐Suroeste de Manzanillo, Col., ya como huracán. El 9 de octubre por la noche, se convirtió en huracán de categoría II y en la mañana del día 10, alcanzó su mayor intensidad con vientos máximos sostenidos de 205 km/h y rachas de 250 km/h dentro de la categoría III de la escala Saffir-­‐Simpson, a 400 km al Suroeste de Manzanillo, Col. A partir del día 11 se debilitó a huracán de categoría II. Para el día 12, se encontraba en tierra debilitándose rápidamente hasta desaparecer. La Figura 4-­‐9, muestra la serie de tiempo de la Hs para Jova, la altura máxima fue de 4.4m y una duración 5.25 días en aguas profundas y una Hs max. de 2.3m y una duración de 4.3 días, para aguas someras. 74 Figura 4-­‐9, Serie de tiempo de Hs para el huracán Jova para el nodo de aguas profundas (rojo) y para el nodo en la en la boca de la bahía (azul) con su correspondiente umbral de altura mínima de tormenta. 4.4.3 Huracán Hilary Para ejemplificar la importancia de la dirección en el impacto de las tormentas, la Figura 4-­‐10 muestra el huracán Hilary el cual se formó entre el 17 y 21 de septiembre de 1999, con un oleaje en aguas profundas de 4.6 m una duración de 5 días y una dirección media de 209° (SSO) para el nodo de aguas profundas. Figura 4-­‐10, Serie de tiempo de Hs y dirección de oleaje para el huracán Hilary Jova para el nodo de aguas profundas (rojo) y para el nodo en la en la boca de la bahía (azul) con su correspondiente umbral de altura mínima de tormenta. 75 Al tener una protección de la parte sur el oleaje que se presentó en la boca de la bahía presentó una altura máxima de 1.4 m una duración de 2.25 días y una dirección media de 250° (OSO). Si bien en aguas profundas Hilary se clasificó como una de las de mayor contenido energético, al llegar a la boca de la bahía la misma tormenta se convirtió en una tormenta de mucho menor contenido energético y en consecuencia de de menor impacto para la costa. 4.5 Conclusiones Utilizando la series de oleaje de 1997 a 2012 se identificaron de 84 eventos para el nodo de oleaje profundo y 47 para el nodo en la boca de la bahía La distribución estacional permitió definir dos épocas en función del régimen de temporales dominante: la época de tormentas (Junio a Octubre) y la época de calmas (Diciembre a Mayo). Si bien existen dos componentes principales de dirección del oleaje, existe una pequeña componente del O que incluye ONO y OSO, las cuales está asociada a las tormentas más energéticas. Las tendencias de los diferentes elementos de las tormentas ( Hs max anual, numero de tormentas, días de tormenta y contenido energético ) presentaron una tendencia negativa, por lo que no se puede establecer un crecimiento ni del numero de tormentas ni de el contenido energético de las mismas para la zona de estudio. Finalmente las tormentas más energéticas que impactaron en la Bahía de Puerto Marqués fueron la tormenta tropical Javier y el huracán Jova. 4.6 Bibliografía Allen, J. R. L. 1981 Beach erosion as a function of variations in the sediment budget, Sandy Hook, New Jersey, USA. Earth Surface and Landforms 6, 139–150. Amante, C. and Eakins, B.W., 2009. Etopo1 1 arc-­‐minute global relief model: Procedures, data sources and analysis. Appendini, C.M. et al., 2013. Wave modeling performance in the gulf of mexico and western caribbean: Wind reanalyses assessment. Applied Ocean Research, 39(0): 20-­‐30. Battjes, J.A. and Janssen, J.P.F., 1978. 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Elsevier. 77 5 DINAMICA LITORAL 5.1 Introducción La dinámica litoral se refiere a la interacción de los factores oceánicos que interactúan en la zona costera para moldear las playas, como lo son el oleaje, la hidrodinámica (corrientes de mareas y generadas por viento y oleaje), y el transporte de sedimentos. Estos tres factores interactúan entre sí para dictar la configuración de la línea de costa en el corto, mediano, y largo plazo. De esta manera, se dice que las playas se encuentran en un equilibrio dinámico, donde la playa puede cambiar su forma en respuesta a los cambios inducidos por el oleaje, la hidrodinámica, y el transporte de sedimentos. Los factores que definen la morfología de la playa pueden ser alterados y por tanto la playa también, al buscar una nueva forma de equilibrio, debido a la disminución de los aportes de sedimento, la destrucción de la duna, y la construcción de estructuras que modifican la dinámica. En base a lo anterior, es de esperarse que las estructuras de la Marina Majahua en la Bahía Puerto Marqués modifique los patrones de oleaje y corrientes, y por tanto el transporte de sedimentos. Para determinar si la modificación de dichos patrones ha derivado en la erosión de la playa adyacente, es necesario evaluar la dinámica litoral antes y después de la construcción de la marina. Para esto es necesario el uso de modelos numéricos que permitan evaluar los efectos de la marina en la dinámica litoral y su relación con la erosión de playas en la playa de Puerto Marqués. 5.2 Metodología 5.2.1 Estrategia de modelación Como se mencionó anteriormente es imprescindible modelar las condiciones de oleaje, hidrodinámica, y transporte de sedimentos previo a la construcción de la marina, durante la construcción, y posterior a esta. Si bien la modelación de cada uno de estos factores puedes realizarse de modo independiente, en este estudio se realiza de manera acoplada. El grado de acoplamiento está en función del tipo de modelo empleado. En este estudio se utilizaron dos tipos de modelos: (1) modelos promediados en la fase, y (2) modelos transitorios. Para cada paso de tiempo de la simulación, en los modelos promediados, los resultados del modelo de oleaje retroalimentan al modelo hidrodinámico con información de los tensores de radiación, y el modelo de oleaje se retroalimenta del modelo hidrodinámico por medio de información del nivel del mar y corrientes. Asimismo, el modelo de transporte de sedimentos se retroalimenta del modelo de oleaje para simular la resuspensión de sedimento y del modelo hidrodinámico a fin de generar el transporte de sedimentos en base a las corrientes calculadas. Para este caso, se utilizarán los modelos acoplados del sistema MIKE 21, donde el modelo MIKE 21 SW se utilizará para la propagación del oleaje dentro de la Bahía Puerto Marqués, el modelo MIKE 78 21 HD FM para describir la hidrodinámica dentro de la bahía, y el modelo MIKE 21 ST FM para obtener los patrones de transporte de sedimentos dentro de la zona de interés. La Figura 5-­‐1 muestra el esquema de modelación adoptado por el MIKE 21. Oleaje (Hs, Tp, DMO) Nivel del mar Batimetría MIKE 21 SW Hs, Tp, DMO MIKE 21 HD FM Tensores de radiación Nivel del mar Corrientes (componentes u, v) MIKE 21 ST FM Cambios en profundidad Transporte de sedimentos (componentes p, q) Figura 5-­‐1. Estrategia de modelación 5.3 Descripción de los modelos 5.3.1 MIKE 21 SW El modelo MIKE 21 SW ha sido previamente descrito en la Sección de Oleaje, dentro del capítulo de Clima Marítimo, por lo cual en esta sección únicamente hacemos referencia a dichas secciones y sólo remarcamos que en Sørensen et al. (2004) y DHI (2009) se encuentra la descripción y validación detalladas del modelo. 79 5.3.2 MIKE 21 HD FM El modelo MIKE 21 HD de malla flexible (FM) se basa en la solución numérica de las ecuaciones de Navier-­‐Stokes para flujos incompresibles bajo las suposiciones de Boussinesq y de presión hidrostática. Así, el modelo se conforma con las ecuaciones de continuidad, momento, temperatura, salinidad y densidad (solo en función de temperatura y densidad), bajo un esquema cerrado de turbulencia. Las ecuaciones de gobierno utilizan coordenadas cartesianas y se presentan a continuación. Ecuación local de continuidad: Las ecuaciones de momento para las componentes x-­‐ e y-­‐ son respectivamente: donde t es el tiempo; x, y, z las coordenadas cartesianas; u, v, w las componentes de velocidad en la dirección x, y, z; ƞ la elevación de superficie libre; d la profundidad; f el parámetro de Coriolis; g la aceleración gravitacional; ρ la densidad del agua; ρo la densidad de referencia del agua; Pa la presión atmosférica; Fu y Fv son los términos horizontales del esfuerzo; S la magnitud de la descarga debido a fuentes puntuales y us,vs es la velocidad de descarga. La discretización espacial de las ecuaciones fundamentales se realiza por el método de celdas centradas de volúmenes finitos, utilizando mallas no estructuradas en el plano horizontal. Entre los datos de entrada al modelo están la malla computacional con la batimetría de la zona de estudio; la resistencia del fondo; las condiciones iniciales de nivel de la superficie libre y/o las componentes de velocidad; las condiciones de frontera que puede ser cerrada, nivel de la superficie libre o la descarga; así como otras fuerzas relevantes como pudiera ser la velocidad y dirección del viento, fuentes y sumideros de descargas, y en aplicaciones marinas las mareas y los tensores de radiación del oleaje. 80 Los resultados que arroja el modelo numérico en cada uno de los elementos de la malla computacional y para cada paso de tiempo consisten en la elevación de la superficie libre y profundidad, velocidades y flujos en u y v, de los cuales es posible derivar otros parámetros. Además de obtener los resultados en todo el dominio computacional es posible extraer series temporales en puntos determinados, así como secciones transversales de los niveles, y flujos en zonas de interés. 5.3.3 MIKE 21 ST FM El modelo de transporte de sedimentos utilizado en este estudio es el MIKE 21 ST FM, el cual calcula la capacidad de transporte de sedimento por velocidad de arrastre y las tasas iniciales de erosión/sedimentación para materiales no cohesivos, las cuales se obtienen con el modelo MIKE 21 HD FM. De esta manera, los modelos MIKE 21 HD FM y el MIKE 21 ST FM se complementan, al utilizar los resultados del primero para forzar el segundo de manera interactiva para cada paso de tiempo (modelos acoplados). De igual manera, los resultados del MIKE 21 SW también son utilizados por el MIKE 21 ST FM para el cálculo del transporte de sedimentos. Debido a la posibilidad de incluir una retroalimentación de las tasas de erosión/sedimentación para actualizar la batimetría, es posible utilizar el modelo de manera morfológica para simular la evolución morfológica de la batimetría. El modelo MIKE 21 ST FM calcula el transporte de sedimentos bajo la acción de corrientes, incluyendo un efecto de desfasamiento entre el flujo y la carga de transporte suspendido, para el desarrollo morfológico. Estos efectos de desfasamiento en la carga suspendida son determinados por la ecuación de advección/dispersión. Incluyen efectos de sobrecarga y subcarga de la concentración de sedimento suspendido y los patrones de flujo helicoidal, lo cual es conocido normalmente como una aproximación de no equilibrio en donde la erosión y sedimentación sobre el fondo es controlado por sobrecarga o subcarga de sedimento suspendido en la columna de agua. La capacidad de transporte de sedimentos se calculan en base a la profundidad en cada elemento de la malla, componentes medias de velocidad horizontal del flujo, número de Manning, condiciones de oleaje, y las características del sedimento. El tamaño de sedimento puede ser constante o variar a lo largo del dominio computacional. Entre los datos de entrada del modelo tenemos la malla computacional y la batimetría, duración de la simulación, datos hidrodinámicos como profundidad de la columna de agua y campos de corrientes (ambos proporcionados por el modelo hidrodinámico), propiedades del sedimento, y los parámetros morfodinámicos para la frecuencia de actualización de la batimetría. Los datos de salida del modelo incluyen las tasas de transporte de sedimento (transporte suspendido, carga de fondo, carga total), y los cambios morfológicos resultantes. 5.4 Datos de entrada a los modelos A continuación se da una descripción de los datos de entrada a los modelos de oleaje, hidrodinámico y de transporte de sedimentos. 81 5.4.1 Malla de cálculo La malla de cálculo utilizada en las simulaciones con el sistema MIKE 21 fue elaborada a base de elementos flexibles triangulares, con el fin de tener mayor resolución en las zona de interés, es decir, la playa en la Bahía Puerto Marqués. Esta malla de cálculo debe elaborarse de manera que se resuelvan los rasgos que tienen influencia sobre la dinámica litoral. En este trabajo se elaboraron tres mallas de cálculo, una que no incluye a la marina, una que incluye únicamente el terraplén, y otra en la cual se incluyen todas las obras (terraplén y dique) que componen la marina. Las tres mallas se muestran a continuación, donde la Figura 5-­‐2 muestra la configuración previa a la construcción de la marina, la Figura 5-­‐3 el terraplén, y la Figura 5-­‐4 la configuración de la marina. El tamaño más fino de los elementos, abarcando la zona litoral de la playa, tiene una longitud máxima de 11 m, con lo cual se asegura que todos los rasgos morfológicos de la zona litoral están resueltos por la malla. Figura 5-­‐2. Malla del dominio computacional con la configuración previa a la construcción de la marina. 82 Figura 5-­‐3. Malla del dominio computacional con la configuración incluyendo solo el terraplén. Figura 5-­‐4. Malla del dominio computacional con la configuración incluyendo la marina. 83 Si bien se realizaron simulaciones con la configuración real de la bahía, se optó de la misma manera realizar una malla suavizada para evitar los rasgos accidentados de la marina y obtener de esta manera resultados que permiten identificar más fácilmente las diferencias en los patrones de corrientes y transporte con y sin marina. La Figura 5-­‐5 muestra la malla de cálculo de la Bahía de Puerto Marqués suavizada incluyendo la marina, si bien solo se muestra esta malla, se generaron mallas similares con la configuración previa a la construcción y con la situación con el terraplén. Figura 5-­‐5. Malla del dominio computacional de la Bahía de Puerto Marqués incluyendo la marina. Finalmente, para las simulaciones morfológicas se realizó un caso idealizado de la zona de la marina y la playa adyacente, a fin de obtener un modelo morfológico fiable que arroje resultados sobre la erosión y acumulación de sedimento en la playa a consecuencia de la marina. Para esto se generaron las mallas que se presentan a continuación, donde la Figura 5-­‐6 muestra la situación sin marina, la Figura 5-­‐7 muestra la situación sólo con el terraplén y la Figura 5-­‐8 la situación con la marina. En dichas figuras se está presentando la batimetría empleada en cada malla, la cual conservó las mismas características de pendiente que la que se presenta en la realidad en dicha zona en Bahía Puerto Marqués. 84 Figura 5-­‐6. Batimetría y malla del dominio computacional en la zona de la marina y la playa adyacente previo a la construcción de la marina. Figura 5-­‐7. Batimetría y malla del dominio computacional en la zona de la marina y la playa adyacente solo con la configuración del terraplén. 85 Figura 5-­‐8. Batimetría y malla del dominio computacional en la zona de la marina y la playa adyacente con la configuración de la marina. 5.4.2 Batimetría El levantamiento topobatimétrico realizado para este estudio y presentado en la Sección correspondiente, fue utilizado para la modelación numérica. Sin embargo, este levantamiento refleja la afectación ya ocasionada por las obras de la marina y la tendencia de la playa hacia una nueva forma de equilibrio y por tanto no es recomendable utilizarla para simular las condiciones previas a la construcción de la marina ni para estimar el efecto de la marina en la dinámica litoral. Por esta razón se utilizó un levantamiento batimétrico realizado en el año 2002 a fin de simular las condiciones previas, y también para hacer las simulaciones de los cambios morfológicos ocasionados por el terraplén y la marina. A continuación se muestran las batimetrías utilizadas en las simulaciones numéricas. Para las simulaciones de propagación de oleaje y corrientes en la bahía la Figura 5-­‐9 muestra la batimetría previa a la construcción de la marina (levantamiento de 2002), la Figura 5-­‐10 con el terraplén de playa (levantamiento 2012), y la Figura 5-­‐11 muestra la batimetría con las obras de la marina (levantamiento 2012). 86 Figura 5-­‐9. Batimetría y configuración previa a la construcción de la marina. Figura 5-­‐10. Batimetría y configuración incluyendo solo el terraplén. 87 Figura 5-­‐11. Batimetría y configuración con las estructuras de la marina. Las batimetrías idealizadas de la bahía se muestran a continuación, donde para las cuales se utilizó el levantamiento de 2002. La Figura 5-­‐12 muestra la bahía idealizada sin obras de la marina. Figura 5-­‐12. Batimetría y configuración de la bahía idealizada previa a la construcción de la marina. 88 La Figura 5-­‐13 la bahía idealizada con el terraplén, y la Figura 5-­‐14 con la marina. Figura 5-­‐13. Batimetría y configuración de la bahía idealizada incluyendo solo el terraplén. Figura 5-­‐14. Batimetría y configuración de la bahía idealizada con las estructuras de la marina. 89 Para las simulaciones morfológicas se utilizaron las batimetrías ya mostradas en la Figura 5-­‐6, Figura 5-­‐7, y Figura 5-­‐8 5.4.3 Casos simulados y condiciones de frontera En base a la información disponible se realizaron simulaciones con distinta información a fin de estudiar distintos procesos. La Tabla 5-­‐1 muestra un resumen de las simulaciones realizadas y las condiciones de frontera y estas se describen a continuación. 1) Corrientes generadas por mareas vivas: Estas simulaciones buscan describir los cambios inducidos en las corrientes generadas por mareas vivas, para lo cual se simulan las configuraciones a) previa y b) posterior a la construcción de la marina. En este caso es importante conocer la configuración real de la bahía, por lo cual se utiliza dicha batimetría. 2) Corrientes generadas por mareas muertas: Estas simulaciones buscan describir los cambios inducidos en las corrientes generadas por mareas muertas, para lo cual se simulan las configuraciones a) previa y b) posterior a la construcción de la marina. En este caso es importante conocer la configuración real de la bahía, por lo cual se utiliza dicha batimetría. 3) Corrientes generadas por oleaje: Estas simulaciones buscan describir los cambios inducidos en las corrientes generadas por oleaje, para lo cual se simulan las configuraciones a) previa, b) primera fase -­‐ terraplén y c) posterior a la construcción de la marina. En este caso es necesario suavizar los contornos a lo largo de la franja litoral para evitar inestabilidad numérica durante la implementación de los modelos numéricos, por lo cual se utiliza la batimetría con la bahía idealizada. 4) Transporte de sedimentos y cambios morfológicos: Estas simulaciones buscan describir los cambios inducidos en la topo-­‐batimetría debido a los gradientes en el transporte de sedimentos, como consecuencia de la configuración del litoral y/o la introducción de estructuras en el litoral. Debido a que el transporte de sedimento es muy susceptible a la orientación de la línea de costa y las cotas batimétricas de poca profundidad, el utilizar la batimetría real produce resultados difíciles de interpretar. De esta manera, para estas simulaciones se utiliza la configuración batimétrica idealizada para simular las configuraciones a) previa, b) durante (primera fase -­‐ terraplén), y c) posterior a la construcción de la marina. Tabla 5-­‐1. Listado de casos simulados con el sistema de modelación MIKE 21. Caso 1a 1b 2a 2b 3a 3b 3c 4a 4b 4c Batimetría 2002 2012 2002 2012 2002 2002 2002 2002 2002 2002 Configuración Bahía real Previo Bahía real Marina Bahía real Previo Bahía real Marina Bahía suavizada Previo Bahía suavizada Terraplén Bahía suavizada Marina Ideal Previo Ideal Terraplén Ideal Marina Oleaje 1 m 1 m 1 m 1 m 1 m 1 m 1 m 2 m 2 m 2 m Mareas Vivas Vivas Muertas Muertas Modelos HD, SW HD, SW HD, SW HD, SW SWASH SWASH SWASH HD, SW, ST HD, SW, ST HD, SW, ST Morfológico Habilitado Habilitado Habilitado 90 5.5 Resultados y discusiones A continuación se presentan los resultados y las discusiones de estos en base a los casos que fueron simulados y descritos en la sección anterior. 5.5.1 Corrientes generadas por mareas Las corrientes generadas por mareas fueron caracterizadas en base a la simulación de un ciclo de mareas vivas y un ciclo de mareas muertas, de manera independiente, para así determinar las corrientes que estas generan en la bahía. La caracterización de las corrientes generadas por marea y su afectación por la marina tiene una connotación importante para el tema de calidad de agua, sin embargo no es de esperarse que estas tengan una afección importante en relación al origen de la erosión de playas. Esto se debe a que las corrientes generadas por marea son de menor magnitud en la zona de rompientes, donde las corrientes de oleaje son dominantes y se lleva a cabo la mayor parte del transporte de sedimentos en playas. Asimismo, las corrientes generadas por marea pueden tener una repercusión en el transporte de sedimento cuando se trata de sedimento cohesivo o de tamaños finos, lo cual no es el caso en la zona de estudio. A continuación se presentan los resultados de las simulaciones. 5.5.1.1 Mareas vivas En la Figura 5-­‐15 y la Figura 5-­‐16 se muestran los campos de corrientes instantáneas generados por mareas vivas sin y con marina, respectivamente. Una de las diferencias más importantes entre estos dos escenarios es la ausencia del giro anticiclónico cercano a la costa con la presencia de la marina. El dique norte de la marina intensifica la corriente hacia el sur que va paralela al dique poniente, impidiendo la formación del giro anticiclónico. Las repercusiones de este efecto generado por la marina son en torno a calidad del agua, sin tener implicaciones significantes sobre el transporte de sedimentos y la estabilidad de playas. 91 Figura 5-­‐15. Corrientes de marea generadas durante mareas vivas con la configuración previa a la marina. Figura 5-­‐16. Corrientes de marea generadas durante mareas vivas con la configuración de la marina. 92 5.5.1.2 Mareas muertas El efecto de la marina en la circulación no es significante para el caso con mareas muertas. Las dimensiones e intensidad del giro anticiclónico cercano a la costa es menos intenso que en el caso con mareas vivas. Por lo tanto, este giro no se ve afectado con la marina (Figura 5-­‐18). Figura 5-­‐17. Corrientes de marea generadas durante mareas muertas con la configuración previa a la marina. Figura 5-­‐18. Corrientes de marea generadas durante mareas muertas con la configuración de la marina. 93 5.6 Corrientes generadas por oleaje 5.6.1 Descripción del modelo Para la estimación de corrientes inducidas por el oleaje utilizamos el modelo Simulating Waves till Shore (SWASH) desarrollado por la Universidad de Delft. El modelo SWASH (Zijlema et al. 2011) resuelve las ecuaciones promediadas de aguas someras en forma no conservativa. Este modelo es un modelo transitorio no-­‐lineal de transformación del oleaje que por lo tanto permite la modelación ola a ola. El SWASH modela el proceso de rotura en analogía a un resalto hidráulico. El criterio para el inicio de rotura está dado por el peralte del frente de onda. Por lo tanto, cuando el peralte de la onda es una fracción de la velocidad de la onda tal que !" !" > 𝛼 𝑔ℎ, es decir que la presión no-­‐hidrostática puede ser despreciada. El parámetro α>0 determina el inicio de la rotura. Un valor de α=0.6 funciona adecuadamente para varias condiciones de oleaje consistente con el valor propuesto por Longuet-­‐Higgins & Fox (1977). El modelo resuelve las ecuaciones de gobierno mediante un esquema en diferencias finitas, donde el número de Courant controla el paso de tiempo de manera automática. El modelo ha sido validado para diferentes aplicaciones costeras por Zijlema et al. (2011). El modelo fue utilizado para simular los escenarios: (i) (ii) (iii) 5.6.2 Anterior a la construcción de la marina Durante la construcción de la marina (plataforma de servicios marítimos) En la situación actual (Marina) Resultados Para estudiar la afectación de la marina en la zona de estudio se modelaron los tres escenarios utilizando oleaje irregular (Hs=2 m y Tp=12 s) y oleaje regular (H=1 m y T=10 s). La Figura 5-­‐19 muestra la superficie libre instantánea en la bahía para los casos sin y con marina. La marina afecta el patrón de propagación del oleaje incidente mediante la difracción en el dique poniente y plataforma de servicios marítimos y reflexión del oleaje en el dique poniente. El modelo modela ola por ola, por lo que permite comparar las diferencias entre los distintos escenarios. Como ejemplo, en la Figura 5-­‐20 se muestran las series temporales de superficie libre frente al dique poniente (Figura 5-­‐20a), dentro de la marina (Figura 5-­‐20b), y frente a la zona afectada (Figura 5-­‐20c). Frente al dique poniente la altura de ola se amplifica, en un factor de dos, para el caso con marina debido a la reflexión total del oleaje. Por otro lado, dentro de la marina existe una reducción en la energía del oleaje para el caso con marina. Sin embargo, sigue existiendo energía dentro de la dársena para el caso con marina debido a la difracción del oleaje en los dos extremos del dique poniente que puede ingresar a la marina por el dique Norte y la entrada sur. Finalmente, se muestra la superficie libre al Norte del terraplén (plataforma). En este caso las diferencias entre 94 los dos casos se debe a la difracción del oleaje que modifica su altura de ola (Figura 5-­‐20c) y dirección. (c) (a) (b) Figura 5-­‐19. Resultados de superficie del mar instantánea para el caso de oleaje regular (H=1 m y T=10 s) incidente en la entrada de la bahía para los casos sin estructuras (superior) y con marina (inferior). La localización de las series temporales en Figura 5-­‐20 se muestran en panel inferior. 95 Figura 5-­‐20. Series temporales de superficie libre en distintos puntos cercanos a la zona de estudio (ver localización en el panel inferior de la Figura 5-­‐19). Las corrientes generadas durante la rotura del oleaje son las principales responsables del transporte de sedimento en playas. El transporte puede ser perpendicular a la costa (asociado con eventos extremos) y/o paralelo a esta (asociado con el clima medio). Por lo tanto, la capacidad/dirección del transporte del oleaje depende de la altura de ola y el ángulo de incidencia con respecto a la costa. Se modelaron condiciones medias para evaluar el efecto de la marina en las corrientes litorales. El modelo numérico fue ejecutado para los tres escenarios por 2000 s y se obtuvieron las corrientes medias promediando durante los 5 minutos finales de la ejecución. El patrón de corrientes inducidas por el oleaje en la bahía se muestra en la Figura 5-­‐21. La figura muestra una dirección predominante de la corriente litoral de Norte a Sur en la parte sur de la playa de Puerto Marqués. Por otro lado, la playa de Majahua presenta una corriente de Sur a 96 Norte que converge con la proveniente de la playa de Puerto Marqués en la zona donde se construyó la marina. Figura 5-­‐21. Corrientes inducidas por oleaje bajo condiciones previas a la construcción de la marina. La zona de interés está indicada por el recuadro rojo. El gradiente de la magnitud de las corrientes es un indicador de la erosión o acreción en una playa dependiendo de si es positivo o negativo, respectivamente. La modelación sin marina (Figura 5-­‐22, panel superior) muestra un gradiente negativo (acreción) de la magnitud de la corriente en la zona crítica (x=1550-­‐1600 en Figura 5-­‐22, panel superior), que anteriormente tenía playa, y un gradiente positivo (erosión) en la zona del viejo muelle (x=1450 en Figura 5-­‐22, panel superior) que estaba caracterizado por una playa rocosa. 97 Figura 5-­‐22. Corrientes inducidas por el oleaje para los casos (panel superior) sin estructuras y (panel inferior) con plataforma de servicios marítimos (terraplén). Lo anterior es consistente con las fotografías de la zona de estudio anteriores a la construcción de la marina, que muestran ausencia de playa de arena entre playa Majahua y playa Puerto Marqués, y un ancho de playa de más de 20 m en la playa erosionada en la parte sur de Puerto Marqués. 98 Para la modelación de las corrientes con terraplén se observa un gradiente negativo (x=1500-­‐1525 en Figura 5-­‐22, panel inferior) en la zona donde se creó la nueva playa, y un gradiente positivo (x=1525-­‐1550) asociado con erosión en la playa erosionada. Esto significa que al interactuar el oleaje con la estructura se modifica debido a la difracción del oleaje por lo que se modifica su altura y ángulo de incidencia, generando gradientes en la capacidad de transporte del sedimento. Finalmente, la Figura 5-­‐23 muestra las corrientes inducidas por el oleaje con la presencia de la marina de Majahua. Figura 5-­‐23. Corrientes inducidas por el oleaje para el escenario con marina (terraplén y dique poniente). En general el patrón es similar al observado para el caso de la marina de Majahua. Los gradientes en la intensidad de la corriente sugieren acreción en la zona cercana a la plataforma de servicios marítimos y erosión al norte de esta. Sin embargo, dichos gradientes son menos drásticos que para el caso de sólo terraplén. Lo anterior sugiere que la difracción producida por el dique poniente disminuye los gradientes. 99 5.7 Evolución morfológica 5.7.1 Transporte de sedimentos y cambios morfológicos Para evaluar el efecto de la marina en el transporte de sedimentos cercano a la playa se modelaron diferentes escenarios en la zona cercana a la estructura, siguiendo la estrategia presentada en la Figura 5-­‐1, usando el sistema de modelos acoplados MIKE 21. Para ello, se definió un oleaje con un ángulo de incidencia normal a la costa. En la Figura 5-­‐24, Figura 5-­‐25, Figura 5-­‐26 y Figura 5-­‐27 se presentan la propagación de oleaje, corrientes, patrones de erosión/depositación en base al transporte de sedimento, y morfología de la playa al finalizar la modelación para el caso sin estructuras. Figura 5-­‐24. Propagación de oleaje con la configuración previa a la marina. 100 Figura 5-­‐25. Corrientes generadas por oleaje con la configuración previa a la marina. Figura 5-­‐26. Transporte de sedimentos con la configuración previa a la marina. 101 Figura 5-­‐27. Cambios morfológicos con la configuración previa a la marina. El oleaje en este caso incide normal a la costa (Figura 5-­‐24) por lo que las corrientes longitudinales son débiles y uniformes a lo largo de la playa (Figura 5-­‐25), por lo que no hay cambios importantes en la morfología de la playa (Figura 5-­‐27) debido al transporte de sedimentos (Figura 5-­‐26). Para el caso de la modelación con el terraplén (Plataforma de servicios marítimos), la Figura 5-­‐28 muestra el efecto de la estructura en el oleaje incidente. Existe una disminución en la altura de ola y cambio de dirección debido a la difracción del oleaje en la plataforma. Esto ocasiona una intensificación de la corriente litoral debido al gradiente de altura/dirección de ola (ver Figura 5-­‐29). La Figura 5-­‐30 muestran los patrones de erosión/depositación en base al transporte de sedimento resultante y los cambios morfológicos se presentan en la Figura 5-­‐31. Es claro cómo la presencia de la estructura induce mayores cambios en la morfología en relación con el caso sin estructuras. Por una parte el terraplén actúa como estructura de apoyo, interrumpiendo el transporte de sedimento, y por otro lado transforma la altura del oleaje. En la Figura 5-­‐31 es evidente el retroceso en la línea de costa en la zona aledaña a la estructura. El análisis de la variación de los perfiles a lo largo de la playa es analizada a detalle más adelante. 102 Figura 5-­‐28. Propagación de oleaje con la configuración del terraplén. Figura 5-­‐29. Corrientes generadas por oleaje con la configuración del terraplén. 103 Figura 5-­‐30. Transporte de sedimentos con la configuración del terraplén. Figura 5-­‐31. Cambios morfológicos con la configuración del terraplén. 104 Finalmente, se analiza el caso con marina la cual incluye además del terraplén al dique poniente. En este escenario se observa la disminución de la altura de ola dentro de la marina por efecto del dique poniente. El dique ocasiona una disminución en la energía que incide en la plataforma marina (terraplén) (comparar Figura 5-­‐31 y Figura 5-­‐35). Las diferencias son analizadas a continuación extrayendo perfiles de playa. Figura 5-­‐32. Propagación de oleaje con la configuración de la marina. 105 Figura 5-­‐33. Corrientes generadas por oleaje con la configuración de la marina. Figura 5-­‐34. Transporte de sedimentos con la configuración de la marina. 106 Figura 5-­‐35. Cambios morfológicos con la configuración de la marina. Los cambios morfológicos que se observan en planta (Figura 5-­‐27 para la situación previa, Figura 5-­‐31 para la situación con terraplén y Figura 5-­‐35 para la situación con la marina), son resultado de un balance entre las fuerzas del oleaje, las corrientes generadas durante la rotura, y el material que compone la playa y el lecho marina. La presencia de estructuras modifican el equilibrio pre-­‐ existente, con lo cual, el lecho marino intenta alcanzar un nuevo equilibrio relacionado con el nuevo patrón de fuerzas, generando zonas de acreción y depositación. La playa busca una nueva orientación de equilibrio, es decir una nueva configuración morfológica de la línea de costa, lo cual es evidente en las fotografías de la zona aledaña a la estructura. A fin de determinar las zona de depositación (acreción) y erosión por influencia de la marina, se extrajeron secciones transversales de los resultados de las simulaciones. A partir de estas secciones es posible obtener la evolución del perfil de playa a lo largo del dominio de cálculo y determinar la zona de influencia de la marina. La posición a la cual se extrajeron dichos transectos se muestran en la Figura 5-­‐36. 107 Figura 5-­‐36. Posición de los transectos. Las estructuras de la marina propician la acumulación de sedimento en la zona contigua a la marina, consistente con los resultados del modelo hidrodinámico, la cual se muestra hasta el transecto T2 (Figura 5-­‐37), donde la zona amarilla representa el perfil de playa inicial, la línea roja la posición del perfil de playa al termino de la simulación para el caso sin marina y la línea azul para el caso con la presencia de la marina. A partir del transecto T3 (Figura 5-­‐38) y hasta el transecto T6 (Figura 5-­‐39) hay un claro patrón de erosión extrema. Posteriormente, del transecto T7 al T11 (Figura 5-­‐41), se presenta una erosión menos definida caracterizada por el transecto T9 (Figura 5-­‐40), por tanto puede considerarse como zona afectada por la marina, pero de menor intensidad. A partir del transecto T11 la influencia de la marina es imperceptible, como se muestra en el perfil T15 (Figura 5-­‐42). 108 Figura 5-­‐37. Cambios morfológicos en el transecto T01. Figura 5-­‐38. Cambios morfológicos en el transecto T03. Figura 5-­‐39. Cambios morfológicos en el transecto T06. En base a lo descrito con los perfiles de playa, es posible delimitar una zona de acreción o depósito de arena en los primeros 70 m de playa adyacente a las obras de la marina, seguida por una zona aproximada de 100 m de playa propensa a sufrir erosión extrema, seguida por una zona de 130 m 109 de playa propensa a sufrir erosión media, al término de la cual no se espera que exista influencia de la marina. Figura 5-­‐40. Cambios morfológicos en el transecto T09. Figura 5-­‐41. Cambios morfológicos en el transecto T11. Figura 5-­‐42. Cambios morfológicos en el transecto T12. 110 5.7.2 Parábola de Hsu y Evans Las playas en general alcanzan una configuración de equilibrio en planta debida a la acción combinada del oleaje, la marea, y el viento (Medellín 2007). Las corrientes de marea varían de una manera predecible, mientras que el oleaje y el viento de forma aleatoria, por tanto la línea de costa puede presentar desviaciones aleatorias a partir de una configuración promedio (O’Brien, 1976). La forma en planta de equilibrio más simple es la de una playa en donde no existe transporte neto de sedimento en el largo plazo. Esta condición, denominada equilibrio estático, se aproxima a la de las playas encajadas, ya que se encuentran aisladas sin ningún, o muy poco, aporte o pérdida de sedimento. Por lo tanto, la forma de la playa depende del patrón de refracción y difracción al cual está sometido, dando como resultado una forma arqueada, típica de las playas encajadas entre cabos o salientes (Komar, 1998). Existen formulaciones de equilibrio que describen la forma en planta de las playas encajadas o apoyadas en un cabo o saliente rocoso (e.g. Yasso, 1965; Silvester & Ho, 1972; Hsu & Evans, 1989). Las playas encajadas han sido objeto de varios estudios y han recibido varios nombres referentes a su forma en planta. Estas playas se encuentran protegidas por barreras naturales (cabos o salientes) o por obstáculos artificiales (espigones o diques). Hsu & Evans (1989) desarrollaron un modelo parabólico cuya expresión calcula la longitud de los radios que parten del punto de difracción hacia la periferia de la playa, expresado como: R ! R ! = C! + C! β θ! + C! β θ! ! Esta ecuación tiene dos parámetros físicos principales que son el ángulo de incidencia del oleaje β y la línea de control con longitud R ! . La línea de control representa la distancia que une al punto de difracción (X ! , Y! ) hasta el límite de la playa (X! , Y! ). Los ángulos β y θ! se miden a partir del frente de oleaje, el cual debe ser paralelo a la tangente en el limite de la playa. Los coeficientes C! , C! , y C! están en función del ángulo β que representa la oblicuidad del oleaje. Esta ecuación predice la forma en planta a lo largo de toda la periferia en playas que se encuentran en equilibrio estático (ver Figura 5-­‐43). Figura 5-­‐43. Esquema con la descripción de variables relevantes en la aplicación de la parábola de Hsu & Evans (Tomada de Medellín 2007). 111 5.7.2.1 Descripción del modelo En este trabajo se utilizó el modelo morfológico Model for equilibrium planform of bay beaches MEPBAY (http://siaiacad17.univali.br/mepbay/) para evaluar la estabilidad de la playa y predecir los cambios de la línea de costa debidos a la construcción de la marina en esta zona. El modelo está basado en la formulación de Hsu & Evans (1989), el cuál puede ser aplicado sobre una imagen de satélite, fotografía aérea o raster de la zona de interés. Para la aplicación del modelo se requiere: (1) Seleccionar el punto de difracción (2) Seleccionar el punto de control costa abajo para definir la línea de control. (3) Seleccionar el punto tangente a la playa en (2). 5.7.2.2 Resultados El modelo MEPBAY fue implementado en el área de estudio. Debido a que la afectación de la playa en la zona de estudio ocurrió durante la etapa de construcción de la marina, se decidió implementar el modelo utilizando como punto de difracción la plataforma de servicios marítimos (ver Figura 5-­‐44). En la Figura 5-­‐44 se muestra la línea de costa obtenida durante el levantamiento topográfico de noviembre del 2012. En la fotografía área se aprecia el avance de la línea de costa en la zona cercana a la plataforma y el retroceso en la parte sur de la playa de Puerto Marqués, alcanzando la posición de los restaurantes. El frente de oleaje en esta zona está orientado aproximadamente paralelo a la costa. Para determinar la posición de equilibrio el modelo requiere la localización del punto de difracción, el ángulo de incidencia del oleaje en la estructura, y un punto de control en la costa donde se asume que ya no habrá cambios. En este caso, el punto de difracción y ángulo de incidencia son conocidos, y lo que se quiere determinar es hasta qué punto de la playa termina la afectación de la obra. Por lo tanto, la zona de afectación fue determinada mediante el ajuste del modelo a la forma de equilibrio observado en la zona cercana a la estructura. En la Figura 5-­‐44 se muestra la forma en planta obtenida con esta expresión (línea verde) la cual predice la creación de una nueva playa cerca de la estructura y el retroceso de la línea de costa en los siguientes 200 m. Es importante mencionar que esta forma no podrá ser alcanzada por la playa debido a la infraestructura existente en la zona. Sin embargo, este modelo permite cuantificar la extensión de la afectación de la construcción de la marina en la playa de Puerto Marqués. Este modelo sugiere que todo el primer bloque de restaurantes y parte del segundo bloque pueden ser afectados como consecuencia de la marina. 112 Figura 5-­‐44. Parábola de equilibrio (línea verde) en la playa de Puerto Marqués. El punto de difracción está localizad en la plataforma de servicios marítimos. La línea amarilla representa la posición de la línea de costa en noviembre de 2012 5.8 Delimitación de las zonas de afectación En base a los estudios de evolución morfológica presentados anteriormente y el ajuste del modelo parabólico de Hsu y Evans, es posible delimitar la zona de influencia de la marina sobre la playa adyacente. Es importante recalcar que esta delimitación es en base a modelos numéricos y teóricos que responden a un forzamiento dado, el cual es muy variable en el medio natural. Debido a esta variación, la estimación de la zona de influencia de la marina es una aproximación realizada como resultado de la aplicación de dichas herramientas y la información generada como parte de este proyecto. Por lo tanto, es posible que estos valores puedan diferir en un momento dado. El uso de dos métodos distintos (MIKE 21 y parábola de Hsu y Evans), permiten tener un rango de valores a fin de ilustrar el orden de magnitud de dicha incertidumbres. En la Figura 5-­‐45 se muestra las zonas de acreción (relleno amarillo), de erosión extrema (relleno rojo), y erosión media (relleno anaranjado) obtenida a partir del modelo MIKE 21 y la parábola de Hsu y Evans. Como se puede apreciar en la figura, ambos modelos establecen una zona de acreción inmediatamente adyacente a la marina, seguida por una zona de erosión extrema y finalmente una zona de erosión media, después de la cual no se espera que exista influencia de la marina. Es importante destacar que el método de la parábola estima una mayor zona de influencia de la marina, y en particular una zona más extensa de erosión extrema. En base a los estudios, se considera que el método de la parábola debe considerarse como el peor escenario, mientras que el método de modelación morfológica con MIKE 21 debe considerarse como el escenario más optimista. 113 Figura 5-­‐45. Delimitación de zonas de acreción y erosión como respuesta a las estructuras de la marina, utilizando el modelo morfológico MIKE 21 y la parábola de equilibrio de Hsu y Evans. 5.9 Conclusiones En base al estudio de dinámica litoral se puede concluir lo siguiente: • • • La influencia de la marina sobre las corrientes de marea es únicamente relevante durante mareas vivas, debido a que la presencia de la marina evita que se forme la circulación anticiclónica en la zona frente a la playa de Puerto Marqués. Estas corrientes son únicamente relevantes para la calidad de agua de la bahía. Por otro lado, su papel en la erosión de playas no es significante. Las corrientes generadas por oleaje son fuertemente alteradas por la presencia de la marina. La interacción del oleaje con el dique poniente y la plataforma de servicios marinos induce modificaciones en la altura y dirección del oleaje incidente a la playa. Lo anterior ocasiona gradientes en la intensidad de la corriente longitudinal que predicen los patrones de acreción y erosión observada en el campo. En base a la modelación numérica del oleaje, corrientes, transporte de sedimentos y cambios morfológicos, se determinó que la zona de erosión extrema a media, ocasionada por la marina, tiene una extensión que abarca en su totalidad el primer bloque de restaurantes. Es posible que los primeros restaurantes del segundo bloque sean afectados en alguna medida por la erosión de la playa, sin embargo no se espera que esta afección sea crítica. Por otro lado, no se espera ninguna influencia de la marina en la mayor parte de los restaurantes del segundo bloque ni las zonas que se encuentran al norte. 114 • • • Los nuevos patrones de transporte de sedimento generados por la presencia de las obras de la marina ocasionan un cambio en la morfología de la playa. Se aplicó el modelo parabólico de Hsu & Evans para evaluar la estabilidad de la playa y predecir los cambios de la línea de costa debidos a la construcción de la marina en esta zona. Los resultados del modelo sugieren una acreción los primeros 70 m, erosión extrema a lo largo del primer bloque de restaurantes, y erosión moderada en la primera mitad del segundo bloque de restaurantes. Considerando los estudios realizados en este trabajo, queda claro que la presencia de la marina tiene un efecto sobre la morfología de la playa, la cual busca una nueva configuración morfológica de equilibrio. Para mitigar los efectos de la marina en las playas adyacentes es necesario realizar intervenciones que estabilicen la nueva forma de equilibrio y restablezcan el ancho de playa en la zona afectada. Las intervenciones necesarias para lograr esto deben contemplar al menos un componente de regeneración de playa (relleno de arena) y alguna estructura que sirva de apoyo a la forma morfológica de equilibrio. Estas intervenciones pueden contener medidas correctivas por parte de la marina. Debido a que la zona de estudio es muy susceptible a las alteraciones del medio físico (oleaje, corrientes y transporte de sedimentos), es imprescindible llevar a cabo un estudio de alternativas riguroso y detallado que permitan identificar las posibles intervenciones necesarias para mitigar los problemas de erosión, ya que cualquier intervención en la zona que no cuente con los estudios necesarios podrá trasladar el problema a zonas no afectadas. 5.10 Bibliografía DHI, 2009. MIKE 21. Spectral Wave Module. Scientific Documentation. DHI Water & Environment. Sørensen, O.R., Kofoed-­‐Hansen, H., Rugbjerg, M. and Sørensen, L.S., 2004. A third-­‐generation spectral wave model using an unstructured finite volume technique. In: J.M. Smith (Editor), Proceedings of the 29th International Conference on Coastal Engineering. ASCE, Lison, Portugal, pp. 894-­‐906. 115 6 Conclusiones y recomendaciones 6.1 Conclusiones En vista de lo presentado anteriormente, podemos decir, en términos generales, que: • • • • Dada la naturaleza misma de la costa, y dados el número y complejidad espacio-­‐temporal de todos los aspectos (características físicas, alteraciones antropogénicas y procesos energéticos) involucrados en la erosión playera en general, los estudios de este tipo pueden únicamente determinar si tal o cual aspecto ha contribuido a la afectación de una zona específica, pero definitivamente no pueden determinar con presición el grado de participación de cada uno de ellos en el o los problemas de erosión crónica que se puedan presentar. Ese es el caso en la playa de Puerto Marqués. La construcción de insfraestructura fija y no disipativa en la playa seca, específicamente en la primera duna, que es parte integral de la playa, disminuye de manera muy importante la capacidad de la playa a adaptarse o ajustarse a condiciones cambiantes o perturbaciones adicionales, sean estas de origen natural o antropogénico. Por un lado, y en orden cronológico, la ubicación de los restaurantes sobre la primera duna de la playa hizo que gradualmente la playa de Puerto Marqués se fragilizara y causara que su equilibrio se hiciera altamente sensible a cualquier perturbación de importancia, ya sea de origen natural y/o antropogénica, como pueden ser huracanes o la construcción de infraestructura nueva. Por otro lado, la presencia de la marina ha desiquilibrado el sistema playero que se encuentra inmediatamente al Norte (playa Puerto Marqués), lo que se tradujo en la actual pérdida de playa. En efecto, las mediciones de campo muestran cambios en la posición de la línea de costa en dicha zona. Existen evidencias de un avance (terrenos ganados al mar) en los primeros 70 m al Norte de la marina y un retroceso en los siguientes 230 m. Adicionalmente, se concluye, de manera más específica, que: • • • Durante mareas vivas las corrientes de mareas se ven alterada por la presencia de la marina. Sin embargo, estas no son responsables de la erosión observada en la playa. El oleaje se modifica debido a su interacción con el dique poniente y la plataforma de servicios marítimos. Esto ocasiona que la altura y ángulo del oleaje en rotura se vea modificado en la zona cercana a la marina. Las corrientes inducidas por la rotura del oleaje son el mecanismo de transporte de sedimento más importante en esta zona. Los resultados de modelos numéricos demuestran que las corrientes inducidas por el oleaje se modifican debido a la presencia de la marina y generan gradientes en el transporte longitudinal de sedimento. Estos gradientes explican la depositación en la zona cercana a la marina y la erosión al norte de esta. 116 • Para determinar la zona afectada por la marina se utilizaron dos modelos. Por un lado, se aplicó un modelo parabólico para evaluar la estabilidad de la playa y predecir los cambios de la línea de costa debidos a la construcción de la marina en esta zona. Los resultados del modelo sugieren que el ancho de playa aumentará en los primeros 90 m, presentará erosión extrema en los siguientes 240 m al Norte de la marina (frente al bloque 1), y erosión moderada en los 90 m posterior a este (frente al bloque 2). Por otro lado, los resultados de un modelo que modela oleaje, corrientes, transporte de sedimento, y cambios en el fondo, sugieren incremento en el ancho de playa los primeros 70 m y erosión los siguientes 240 m de los cuales 115 m corresponden a un nivel crítico. 6.2 Recomendaciones • • • • • La solución al problema de erosión debe ser definitiva. No recomendamos que se pretenda implementar una solución emergente, incierta, y que representa un gasto importante que de cualquier forma no restablecerá la playa de manera inmediata. Con el fin de maximizar las probalidades de éxito a largo plazo con la solución que se proponga, y dada la urgencia que se tiene para resolver el problema, estimamos que estudios adicionales serios no pueden concluirse en menos de 3-­‐4 meses. El diseño de una solución definitiva debe necesariamente contemplar varios escenarios, de los cuales se seleccionará el mejor: desde posibles adecuaciones (modificaciones y/o obras complementarias) a la marina y/o zona de restaurantes, hasta rellenos playeros y eventualmente estructuras de protección y/o apoyo de distintos tipos. El presente estudio deberá servir de base para el estudio específico de alternativas y selección de la solución óptima, con el fin de evitar que el problema de erosión se resuelva sólo parcialmente o que sea extendido a otras zonas actualmente no afectadas. En caso de un relleno artificial el tamaño de grano debe ser compatible con el observado en la zona (d50=0.25 mm) y, en caso de disponer de material de la misma bahía, el polígono de dragado no debe de afectar la estabilidad del perfil de playa. 117
