Germán Rivillas-Ospina1, Jesús Pérez2, Gabriel Ruiz³, Marianella Bolívar1, Ximena Arguelles1, Alejandra Builes1, Vilma Alvarez1, Carlos Ramos1, Carlos Gutierrez2,
1Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad del Norte, Km 5 Vía Puerto Colombia, 1569, Colombia
2Departamento de Ingenería Civil, Universidad EAFIT, Cp 574, Medellín, Colombia
3 Laboratorio de Procesos Costeros, CINVESTAV Mérida, 97310, México
Palabras Clave: Erosión costera, Ciénaga de Mallorquín, Bocas de Ceniza, Morfodinámca de Playas, Hidrodinámica
PRESENTACIÓN
Este estudio se enfoca en la celda litoral asociada al humedal costero conocido como Ciénaga de Mallorquín, que abarca desde el espigón en la desembocadura del río Magdalena hasta la punta Solinilla (Punta Roca). Esta investigación tiene como propósito evaluar las fuentes de sedimento del sistema de manera, efectuar un análisis histórico de la evolución morfológica del humedal mediante el análisis en planta de los cambios de la línea de costa para diferentes escalas espaciales y temporales y determinar el transporte de sedimentos mediante simulación numérica.
OBJETIVOS
Identificar los principales impactos en la barra costera asociada a la Ciénaga de Mallorquín para establecer una línea base del estado actual del sistema y evaluar los cambios morfológicos en la playa con los desarrollos de infraestructura portuaria durante los próximos años.
Analizar las variaciones de la línea de costa como consecuencia de un intenso proceso erosivo y pérdida del equilibrio del sistema asociado modificaciones en las fuentes de sedimento, que desde hace varios años se viene presentando en la zona de estudio.
MARCO TEÓRICO
El fenómeno de la erosión costera constituye en la actualidad un problema de grandes dimensiones pues involucra a todas las regiones del planeta, con procesos de recesión de la línea de costa que afectan las actividades humanas, el bienestar social y la pérdida de los servicios eco sistémicos de los ambientes costeros del mundo. Esta problemática que no es ajena a las costas del Caribe Colombiano se ha intensificado en las últimas décadas debido forzamientos de diverso origen como: extracciones no controladas de arena para actividades constructivas, pérdida de la fuente de sedimentos por la construcción de embalses en las partes medias y altas de las cuencas, establecimiento inadecuado de infraestructura costera, entre otros.
Para identificar los cambios que a nivel morfológico ha sufrido el humedal costero Ciénaga de Mallorquín, se llevó a cabo una revisión de la información secundaria publicada acerca de las problemáticas del cuerpo de agua. Esta incluyó no solo la revisión de textos científicos sino también información de bases de datos nacionales e internacionales, como IDEAM, INVEMAR, DIMAR, CIOH, NOAA y ETOPO. Posteriormente para la caracterización física del sitio se llevó a cabo una campaña de medición para recopilar información de datos batimétricos, topografía y muestras de sedimento. Se realizó una caracterización y estimación de las propiedades físicas de las muestras de sedimento a través de análisis estadístico.
Con relación al material que componen las playas, los métodos de análisis para cuantificar la forma, el tamaño y la composición del sedimento se basan en postulados estadísticos que han sido desarrollados a lo largo de los años. Sin embargo, el hecho significativo es que bajo el principio de la caracterización de los granos del material se puede llegar a un estudio detallado del origen y la forma.
El procedimiento estadístico se aplica a problemas donde es necesario realizar la clasificación del material (composición y tamaño), establecer los mecanismos que dieron origen a la playa y conocer la manera en cómo fue depositado el sedimento. La clasificación se realiza a partir de los principales parámetros estadísticos de la muestra y con base en ello se puede determinar si la dispersión y depositación del material fue originada por el oleaje y/o las corrientes, así como definir cuáles son los factores físicos que intervienen en la configuración de la playa. Esta información es muy relevante a la hora de llevar a cabo el diagnóstico y el análisis de los agentes que pueden generar erosión en un sistema litoral y valorar la interacción del sedimento con los procesos físicos presentes en la zona costera.
Una metodología adoptada para efectuar el análisis de la distribución de tamaños de la muestra de sedimento consiste en expresar los estadísticos mediante una expresión logarítmica que describe la conversión del diámetro (????) en milímetros a unidades phi (∅), por medio de la ecuación ∅=−????????????2???? (Krumbein 1936a). Para llegar a esta clasificación y en particular en el caso de los sedimentos, se toman como medidas de tendencia central la media o la mediana del diámetro de la muestra, donde una de estas dos variables puede llegar a adquirir mayor importancia que la otra. En una distribución normal, la media es el valor del diámetro que representa el centro de gravedad de la distribución de frecuencias mientras que la mediana desde un punto de vista geométrico, es la cantidad que divide de forma simétrica la curva de frecuencias (Inman, 1952).
En procesos de erosión, transporte y sedimentación es muy común el hecho de determinar la distribución del tamaño de los sedimentos para conocer la capacidad de movilidad que éstos pueden llegar a tener. El cálculo para establecer la distribución de tamaños de las partículas de una muestra de sedimento requiere establecer la distribución de las frecuencias del tamaño de las partículas y mediante un método gráfico determinar los diferentes percentiles del tamaño del sedimento (Poppe, Eliason and Hastings, 2004).
Con la caracterización física del sitio y de las propiedades del sedimento fue posible realizar un diagnóstico del sistema, destacando las principales problemáticas y los impactos antropogénicos que desde la parte costera afectan a la distribución del sedimento en la zona.
Posteriormente, una modelación matemática fue realizada para entender el comportamiento de la hidrodinámica local en las proximidades del humedal. La modelación hidrodinámica fue realizada con el modelo Delft 3D, que se encuentra compuesto por diversos módulos para representar el comportamiento desde aguas indefinidas hasta aguas someras (Uittenbogaard R. E., et al., 1992). Posee el módulo Wave que simula procesos de propagación de oleaje mediante el modelo numérico Shoreline WAve Simulation (SWAN). Este modelo considera la interacción no lineal entre componentes de oleaje, white capping, corrientes y fenómenos de transformación del oleaje como la refracción. Posee otro módulo conocido como el FLOW el cual permite determinar la hidrodinámica local al resolver un modelo Navier-Stokes.
ANTECEDENTES
Un humedal costero es un cuerpo de agua que se encuentra separado del océano mediante una barrera natural, el cual se conecta de manera intermitente con el mar por una o más bocas lagunares que se activan con la variación de la marea (Kjerfve, 1994). De acuerdo con Kjerfve (1994) éstos se clasifican en tres grupos de acuerdo con las condiciones hidromofológicas: a) humedales ahogados (“choked”); b) humedales restringidos (restricted) y c) humedales de derrame (leaky). Esta clasificación se basa en el número de canales que permiten el intercambio de agua continental con agua salobre que arriba con la marea. La morfología, evolución y dinámicas de los humedales costeros se encuentran definidas mediante el transporte de sedimentos hacia su interior, por medio de mecanismos de transferencia como el oleaje, las mareas, las corrientes costeras y las condiciones meteorológicas que definen las características meteo-marinas del clima marítimo (Bird, 1994).
Por otro lado, es importante mencionar que los principales impactos antropogénicos que afectan este tipo de sistemas son las actividades extractivas; cambios en la línea de costa; expansión de la mancha urbana; cambios de uso de suelo por actividades de agricultura, industria y ganadería; construcción de comunicaciones artificiales para favorecer la navegación, entre otras. Estas afecciones han generado un proceso de erosión y una pérdida de resiliencia de los humedales costeros, especialmente ante eventos de tormenta y fenómenos hidrometeorológicos extremos.
A lo largo de su historia la ciénaga de Mallorquín ha sufrido cambios morfológicos importantes debido a la presencia de forzamientos de diferente naturaleza. Al principio la laguna estaba compuesta por un sistema de barras costeras originadas por la dinámica de lo que constituía para esa época el delta activo del río Magdalena (Martínez, 1990). Posteriormente, fueron establecidas una serie de obras marítimas para favorecer las actividades navegación de la Sociedad Portuaria de Barranquilla a través de un canal de navegable que inicia en Bocas de Ceniza y que junto con obras de estabilización del cauce aguas arriba de la desembocadura, generó una disminución en la fuente de sedimentos del sistema al rigidizarse la margen derecha del río (desde aguas abajo hacia aguas arriba). Esto generó por un lado, cambios en la dinámica natural de delta del río Magdalena y a futuro variaciones morfológicas en la zona litoral adyacente a su desembocadura.
METODOLOGÍA
El caribe colombiano se encuentra localizado en las coordenadas 7°30’ y 16°30’ N, y 71° y 82° O. Los países limítrofes en la frontera norte son Jamaica, Haití y República Dominicana. Por el este con Venezuela y al Oeste con Nicaragua, Costa Rica y Panamá. En la frontera donde el mar limita con el continente el país cuenta con 1600 km de línea de costa (Figura 1).
Este importante mencionar que este cuerpo de agua se encuentra localizado en el departamento del Atlántico en las coordenadas 11°05’55” N y 74°51’00” W. Limita al noroeste con el mar Caribe y al sur con la zona Norte del Distrito de Barranquilla (Figura 2). Hace parte de la antigua llanura de inundación del cauce del río Magdalena antes de que el sistema fuera intervenido con obras de abrigo para la navegación. Se encuentra delimitada por una barra costera de espesor variable que la separa del mar, con una comunicación natural que varía espacialmente en función de las condiciones marinas, particularmente la altura y dirección del oleaje y las variaciones del nivel medio del mar (marea).
1. Clima Marítimo
El análisis de clima marítimo consistió en la determinación de los procesos que interactúan en la dinámica atmósfera-océano. Consiste en determinar las magnitudes de viento, altura de ola y periodo para diferentes condiciones climáticas a lo largo del año, bajo escenarios pasados, presentes y futuros. Es posible identificar los estados de mar más representativos en la zona de estudio ante escenarios de régimen medio y extremal mediante técnicas de análisis estadístico. Para ello se empleó información de oleaje y viento de dos boyas virtuales cercanas a la desembocadura del río Magdalena. La información sintética fue obtenida de la empresa Buoyweather la cual emplea el modelo WAVEWATCH III para estimar mediante re-análisis, con una resolución temporal horaria y para un periodo de 30 años, valores de altura de ola y su período asociado. El WAVEWATCH III es un modelo espectral desarrollado por la NOAA, el cual resuelve la fase espectral mediante la ecuación de balance de acción de densidad (Tolman, 1999a). En la actualidad es el modelo más utilizado para generar oleaje en aguas profundas.
Mediante este análisis fueron determinadas las probabilidades de excedencia de los estados de mar característicos y la probabilidad conjunta para diferentes intervalos de clase. Es importante resaltar que para la estimación de eventos extremos se definió como valor de tormenta, aquel valor de altura de ola que superara un umbral característico definido a partir de la metodología “Peak Over Threshload” (por sus siglas en inglés). Adicionalmente se construyeron las rosas de oleaje y viento con base en la información contenida en la boya virtual.
2. Aumento del nivel medio
La predicción de la marea astronómica se efectuó mediante un análisis armónico. Para ello se empleó el modelo GRENOBLE (Le Provost et al, 1994) con el fin de generar las componentes armónicas de la marea en la zona de estudio. Se llevó a cabo una modelación de 52 años (2008-2032) y luego de efectuar el análisis armónico se obtuvo la serie sintética de marea en el área de estudio.
3. Estudio de Propagación de Oleaje
Para el estudio de propagación de oleaje se empleó el modelo matemático espectral Simulating WAves Nearshore (SWAN, por sus siglas en inglés), el cual resuelve la función fuente de densidad y la ecuación de balance de energía. Este modelo describe la propagación de los frentes de onda generados por viento, los procesos de transformación y la interacción no lineal entre las componentes de oleaje.
4. Modelación Hidrodinámica
Para el estudio de hidrodinámica se empleó el software Delft 3D mediante su módulo de cálculo 3DFlow. Este modelo numérico resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes considerando la aproximación de Boussinessq, en la cual el efecto de la variable de densidad es tenida en cuenta en los términos de presión (Ecuación 1.1 a 1.3). Es un modelo robusto y multipropósito que puede ser aplicado para representar procesos físicos en zonas costeras, estuarios y ríos. Adicionalmente, presenta un módulo de simulación morfológica que junto con el hidrodinámico permite simular procesos de transporte y su interacción con el oleaje, mareas y diferentes condiciones meteorológicas
Donde Fx y Fy son los esfuerzos de Reynolds, los cuales son solucionados mediante la hipótesis de viscosidad de remolino. El transporte de sedimentos es simulado a través de la ecuación de advección-difusión (ecuación 4), la cual es conocida como la ecuación de transporte de cantidad de movimiento mediante la aplicación de las ecuaciones de la energía cinética turbulenta k y la tasa disipación turbulenta (ε)
Donde w es el flujo en la dirección z, w_s es la velocidad de asentamiento de partícula en agua saturada, c la concentración de masa (kg/m3), DH y Dv son la tasa de deposición del sedimento cohesivo kg/(m2s) en la horizontal y vertical respectivamente.
Con base en la disponibilidad de información in situ, se establecieron casos de modelación orientados a facilitar la compresión de los procesos hidrodinámicos de corto plazo o de un año característico. Se seleccionó el año 2010 como el año a estudiar por la presencia de máximos históricos en la zona.
DISCUSIÓN
Se realizó una comparación dentro de un contexto histórico para evidenciar los cambios morfológicos que en planta ha sufrido el humedal de Mallorquín. En la Figura 3-A se evidencia para el año de 1953 un humedal compuesto por diversos cuerpos de agua en la margen derecha del río Magdalena (vista de aguas abajo hacia aguas arriba). El espejo de agua posee de mayor dimensión con barras en que conectan con el continente en su interior. Mientas que en la imagen derecha (Figura 3-B) se puede observar un humedal reducido y el humedal se limita al espejo de agua que se encuentra al sur de la imagen presenta en la Figura 3-A. Se efectuó adicionalmente un análisis de la evolución de la línea de costa desde el año 2002 hasta el 2016, donde se evidencia un proceso de erosión intenso en los últimos 14 años con una pérdida de 309 metros de frente de playa aproximadamente.
1. Clima Marítimo
Los resultados del análisis de los campos de viento demuestran que la mayor parte del año la zona de estudio presentó vientos predominantes del noreste Figura 4, siendo diciembre y enero los meses de mayor magnitud del viento, con registros entre 8 y 10 m/s. El mes de octubre presentó los vientos de menor magnitud y mayor variabilidad, registrándose vientos del noroeste, norte y noreste.
Mediante análisis estadísticos y probabilísticos, fue posible identificar los estados de mar más representativos. La rosa de oleaje de la serie sintética (Figura 5-A), indicó que la dirección predominante del oleaje fue hacia el suroeste, entre los 33.75° y 45°, un valor medio entre los 2 y 2.5 m, y valores máximo de altura de ola entre los 5 y 6 m. Con base en la curva de probabilidad de excedencia extremal, se encontró que el oleaje extremo más recurrente presentó una altura de 3.6 m, y el oleaje extremal crítico, el cual supera el 95% (Figura 5-B), comprende desde los 4.23 m hasta el máximo registro de altura significante de 5.55
2. Aumento del nivel medio
Para la calibración de los modelos numéricos se empleó información de niveles de la estación limnimétrica de “Casa Pilotos” e información de oleaje disponible en internet de la boya direccional de oleaje más cercana perteneciente a la Dirección General Marítima. Los resultados de calibración hidrodinámica según las variaciones del nivel del mar demuestran una buena correlación entre los datos medidos y modelados (Figura 6). A pesar de que la información disponible está sujeta a procesos y variaciones por parte de forzamientos de diferente naturaleza como con el caudal, el oleaje y/o el viento, fue posible simular las variaciones de nivel del mar de manera horaria durante un periodo de 4 meses.
3. Propagación del Oleaje
El comportamiento del oleaje durante la época seca de 2010 presentó alturas de ola frente al canal de acceso con valores de máximos hasta de 2 m (Figura 7) en comparación con la húmeda donde se alcanzan valores de 1.6 m. Al interior del canal de acceso, en la estación de Casa Pilotos se obtuvieron valores máximo de 0.77 m, una mediana de 0.37 m y una altura significante mínima de 0.05 m.
Durante este periodo el área de estudio se caracteriza por registrar las mayores velocidades de viento y mayores alturas de ola. Los trenes de onda predominaron desde el nor-noreste en el canal de acceso y el frente de playa del humedal para los tres estados de mar de ésta época, propagándose hacia el interior del canal de acceso y de manera frontal a la línea de costa asociada al humedal.
4. Hidrodinámica
Para evaluar la manera como los factores físicos activan los procesos costeros se consideraron las variaciones de las corrientes en la zona de estudio. Las componentes de velocidad durante el proceso de pleamar para la época húmeda, que va desde octubre hasta noviembre, evidenciaron en las proximidades de la costa una distribución de vectores superficiales (Figura 8-A) con trayectorias definidas. Se puede observar una corriente litoral paralela a la playa con velocidades de 0.5 m/s en dirección oeste. El campo superficial de corrientes durante el nivel máximo en la época de húmeda describe velocidades de flujo entre 0.13 m/s y 2.33 m/s, y una media de 1.59 m/s. Es importante resaltar el papel que juega el Tajamar en la dinámica de la zona, puesto que da origen a unos patrones de difracción del oleaje forzando al flujo a desplazarse con una trayectoria sur hasta que por efectos del fondo y la frontera física que constituye la línea de costa hace cambiar de dirección a la corriente.
En la capa media del perfil (Figura 8-B) se puede observar un flujo que de igual manera viaja hacia el sur pero con campos de velocidades con trayectorias irregulares pues ya se empieza a notar el efecto de fondo. Esta condición turbulenta activa los procesos de transporte de sedimento en suspensión desde la desembocadura del río Magdalena por las tensiones que se generan entre las capas fluido, las cuales transportan una importante cantidad sedimento hacia el cañón submarino junto con una pequeña cantidad no cuantificada de material que alcanza a evitar esta formación geológica, y que por efectos de difracción del oleaje debido al espigón (Tajamar), es depositada en la margen izquierda de esta estructura costera.
El campo de velocidad en la capa profunda (Figura 8-C) durante los niveles máximos de la época de húmeda, presentó registros de velocidad entre 0.64 m/s y 1.83 m/s en la desembocadura, y velocidades menores viajando a lo largo de la costa frente al humedal. En ésta zona se presenta una turbulencia totalmente desarrollada, con velocidades inferiores respecto a la capa de superficie, pero con trayectorias caóticas de los campos de velocidades por el efecto de los esfuerzos turbulentos en el interior de la capa límite de fondo. Debido a la interacción no lineal entre la condición de contorno de fondo-fluido y entre las propias capas del fluido, se da origen durante la época húmeda a un importante mecanismo arrastre de los sedimentos en la región marino-costera del río Magdalena, y a la formación de un flujo de retorno que forma vórtices de gran escala. Estos vórtices pueden ser los responsables de la formación de las barras sumergidas a la entrada del canal de acceso y que continuamente impiden el desarrollo adecuado de las actividades portuarias. Igual que en la capa intermedia, una porción del sedimento alcanza a pasar a la margen izquierda del espigón y con la ayuda de los fenómenos de transformación del oleaje y las corrientes costeras, dan origen a la flecha que actualmente existe justo al frente de la Ciénaga de Mallorquín. Esa es la principal evidencia de que una parte del sedimento viaja y es depositado en las proximidades de éste humedal costero.
5. Fuentes de Sedimento del Sistema
El incremento en los procesos hidrodinámicos durante el mes de junio de 2010 origina frente a la desembocadura una acumulación de material y procesos de erosión con pérdidas de material hasta de 4 m hacia los sectores circundantes. Durante esta época que se tiene un régimen medio de oleaje se aprecia en la Figura 9-A una migración hacia la zona de la ciénaga bordeando el margen derecho del Tajamar (vista de aguas arriba hacia aguas abajo del río). Esta cantidad de material forma la flecha que se produce en la mitad de la sección de éste y es la evidencia de que no todo el material termina en el cañón submarino.
El cambio de estación y el consecuente amento en el régimen de viento y la presencia de oleaje con mayor contenido energético para la época de octubre de 2010 (Figura 9-B), se puede observar un proceso de acumulación de material a cada lado de la desembocadura generando la formación las barras de arena sumergidas que ante bajos caudales del río Magdalena durante el fenómeno del niño, tantos problemas generan a las actividades de navegación y al viaje de las embarcaciones al puerto de Barranquilla. En consecuencia, se tiene para ésta época muy poco transporte de sedimentos hacia la barra litoral de la ciénaga de Mallorquín, generándose una reducción del ancho de la barra y comúnmente la apertura de la boca lagunar, que habilita el ingreso del mar hacia el interior del humedal. Se aprecia que las obras hidráulicas intensifican la erosión en los primeros kilómetros aguas arriba de la desembocadura.. En este punto el río tiene a generar acumulación de material de hasta 14 m, y pérdidas de hasta 4.9 m hacia el sector frente al extremo izquierdo del Tajamar. Un comportamiento similar se presenta en los espolones ubicados aguas arriba de la desembocadura.
Es muy importante mencionar que este equilibrio cuasi-estático que presenta la barra puede ser alterado ante el establecimiento de nueva infraestructura portuaria, por ejemplo el Superpuerto, debido a que generaría un cambio en los patrones de difracción del oleaje y en la dinámica del sistema. Básicamente, el escaso transporte de sedimento que actualmente se presenta desde la desembocadura viajaría hasta el fondo del canal navegable que permite el ingreso al interior puerto, con una profundidad de 20 metros. Esto en definitiva puede generar erosiones excesivas en el borde costero y ante una condición extrema, podría llegar a perderse esta barrera natural que conforma el humedal.
Esta nueva condición debe ser tenida en cuenta por las entidades gubernamentales, no gubernamentales y los tomadores de decisiones para que con anticipación consideren las medidas necesarias que permitan mantener las condiciones que actualmente presenta el humedal, a fin de que no se tengan impactos negativos por la construcción de esta obra portuaria. Soluciones como los rellenos de playa pueden ser una gran solución para mantener el equilibrio del sistema.
CONCLUSIONES
Se encontró que la ciénaga de Mallorquín en las últimas décadas ha sufrido pérdidas importantes de arena en la barra costera que la separa del mar. Fundamentalmente por la interrupción de las fuentes de sedimento y por la dinámica marina presente en la zona. Además, se pudo evidenciar mediante simulación numérica y mediante imágenes de satélite, que existe en la actualidad un transporte de sedimentos que si bien no es importante, ayuda a mantener un equilibrio cuasi-estable del frente de playa.
Con el establecimiento de la nueva infraestructura la condición del humedal va a sufrir cambios importantes. Por lo tanto, se pueden tener efectos negativos y no esperados por las obras de gran magnitud que se están desarrollando en las proximidades del humedal costero. Esta investigación se deja como línea base que permita identificar a priori los impactos que esta obra pueda generar a futuro, y constituye una gran ayuda para que de parte de las entidades de gobierno se tomen las medidas necesarias que conduzcan a mantener el sistema sin alteraciones en su dinámica
Aportes de la investigación a la toma de decisiones
Esta investigación constituye un elemento fundamental para la toma de decisiones en lo referente a la gestión integrada de las zonas costeras, donde se debe considerar cada uno de los impactos generados por la infraestructura costera no solo desde la perspectiva del comportamiento físico del humedal, sino también de la componente ambiental y social. Con la presentación del estado actual y consecuencias futuras de las diferentes obras propuestas deben ser consideradas las medidas de fortalecimiento, mitigación, restauración y/o rehabilitación de los cambios causados a la dinámica del ecosistema y la playa en general. Constituye más que un pensamiento crítico, una vía para trabajar conjuntamente con las personas involucradas en el proyecto para mantener la estabilidad de la Ciénaga de Mallorquín.
Aportes de la investigación a los temas de la región
A nivel regional se busca fortalecer el conocimiento de los ambientes naturales, generar una línea base de información de la ciénaga y asociar las diferentes problemáticas del humedal en cuanto a pérdida de material sedimentario, con los problemas de erosión costera que se vienen presentando a lo largo de todo el litoral Caribe Colombiano. Esto permitirá contrastar metodologías, resultados positivos y negativos e identificar el origen de esta problemática que de forma general, viene afectando a las zonas costeras de Colombia.
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