IAHR - Universidad Nacional de Colombia

AIHR
AIIH
XXIII CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA
CARTAGENA DE INDIAS COLOMBIA, SEPTIEMBRE 2008
MODELACIÓN HIDRODINÁMICA DE LA PLUMA DEL RÍO ATRATO EN
EL GOLFO DE URABÁ, COLOMBIA.
Luis Javier Montoya (1), Francisco Maurico Toro (2) y Evelio Andres Gómez (3)
(1) Estudiante de Doctorado en Ingeniería Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín, Colombia,
ljmontoyj@unalmed.edu.co
(2) Profesor Asociado. Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín, Colombia, fmtoro@unalmed.edu.co
(3) Profesor Asistente. Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín, Colombia, eagomezgi@unalmed.edu.co.
RESUMEN:
En este artículo se realiza un estudio numérico para explicar el comportamiento de la pluma
estuarina del río Atrato. Se presentan los resultados obtenidos en la calibración del modelo
ELCOM, la cual fue realizada con datos de campo recolectados en tres campañas oceanográficas.
Se realizaron una serie de experimentos numéricos para analizar la respuesta del sistema a
diferentes condiciones climáticas y oceánicas. Dicho análisis ayudó en la descripción de los
patrones de circulación en el golfo de Urabá. Se encontró que el río Atrato forma una pluma
estuarina estable, que esta principalmente dominada por la acción del viento. La marea mostró ser
importante solo a lo largo del ciclo diurno. La descarga de los ríos también mostró que tiene
importancias especialmente en la formación de una pluma boyante.
ABSTRACT:
This paper presents a numerical study done in order to explain the behavior of the Atrato’s river
plume. Calibrations results of ELCOM model are showed, which one was conducted using three
field data campaigns. Several numerical experiments were conducted to analyze the response of the
system to different climatic and oceanic conditions. This analysis helps us to describe the
circulation patterns in the gulf of Uraba. A stable buoyant plume formed by Atrato’s river were
found, which one was dominated by wind. Others drive forces as tides were important particularly
at diurnal cycle. The river discharges were important at buoyant plume formation.
PALABRAS CLAVES:
Calibración de modelos hidrodinámicos, plumas turbias, circulación hidrodinámica, análisis de
sensibilidad, golfo de Urabá.
INTRODUCCIÓN
En este artículo se busca explicar la circulación oceánica en el golfo de Urabá y el papel que
cumplen el viento, las mareas y la descarga del río Atrato en la hidrodinámica de la zona; para ello
se han empleado mediciones de campo y simulaciones numéricas. Para las simulaciones se utilizó el
modelo hidrodinámico ELCOM desarrollado por el Centre for Water Research (CWR) de la
Universidad de Western Australia, el cual ha sido aplicado exitosamente en una gran variedad de
ambientes acuáticos (Hodges y Dallimore , 2001, Hodges et al, 2000, Laval et al, 2003). Para la
calibración del modelo se prestó especial atención a su capacidad para representar adecuadamente
la estratificación superficial de las aguas dulces de los ríos, encontrada en gran parte de la zona de
estudio durante las campañas de medición. Dicha estratificación se produce por la acción del río la
cual domina sobre el mar; las aguas del río se internan en el mar y forman una pluma turbia o frente
estuarino. Los frentes estuarinos cumplen un importante papel en la circulación en las regiones
cercanas a la costa por su productividad, el transporte de sedimentos y contaminantes e influyen
significativamente en procesos que afectan la calidad de las aguas (Largnier, 1993). La modelación
numérica ha sido ampliamente utilizada para el estudio de dichos frentes o plumas, por mencionar
algunos se tienen los trabajos de Baptista et al. (2005), Wong et al. (2004), Simionato et al. (2004),
Marsaleix et al. (1998), Ulses et al. (2005), Ruddick et al. (1995), Xing y Davies (2002) , Estournel
et al. (1997), Kourafalou (2001) entre otros.
DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO
El golfo de Urabá es un cuerpo de agua semi-cerrado en la costa Caribe Colombiana en cercanías a
la frontera entre Colombia y Panamá. Se ubica entre las latitudes 7°55’ N y 8°40’ N y las longitudes
76°53’ W y 77°23’ W (figura 1). Tiene una forma alargada con una orientación sur-norte al sur del
delta del río Atrato y una sureste-noroeste al norte de dicho delta. Tiene aproximadamente 80 km de
largo, 25 km de ancho en promedio y bajas profundidades con un promedio de 30 m y valores
máximos de 80 m en la frontera abierta, al norte. El río Atrato desemboca en la parte central del
golfo, formando un gran delta. El caudal promedio multianual del río Atrato esta entre de 2700 y
4500 m3/s y el aporte promedio anual de sedimentos es de 11.26×106 ton/año (Restrepo y Kjerfve,
1999).
Figura 1. Ubicación de la zona de estudio.
Por su ubicación geográfica, el area de estudio está afectada por el desplazamiento de la zona de
convergencia intertropical (ZCIT) y se pueden identificar dos temporadas climáticas bien definidas:
una temporada seca con vientos alisios del nordeste, provenientes del mar Caribe, cuando la ZCIT
se encuentra al sur en los meses de diciembre, enero y febrero; y una temporada húmeda con
vientos alisios del sudoeste, cuando la ZCIT se encuentra más al norte, entre mayo y noviembre. En
el período seco, la magnitud del viento es mayor que en el período lluvioso, en el cual las
direcciones del viento son variables y las magnitudes promedio son menores (ver INVEMAR, 2003,
Universidad de Antioquia, 1997). La temperatura promedio del aire se encuentra entre los 26 °C y
los 28 °C, con máximos en los meses de marzo a junio y mínimos en febrero, agosto y octubre
(INVEMAR, 2003). La humedad relativa media mensual fluctúa entre el 83% y 86% a lo largo del
año (INVEMAR, 2003).
Son pocos los estudios que se han realizado sobre la hidrodinámica en el golfo de Urabá, pero se
destacan los estudios de Molina et al. (1992) y de Chevillot et al. (1993) quienes realizan una
descripción de las corrientes superficiales en el golfo apoyándose en los patrones de la pluma de
sedimentos del río Atrato utilizando imágenes de satélite. Dichos estudios presentan una corriente
de entrada por la margen occidental y otra de salida por la margen oriental. También describen una
deriva litoral en la costa en sentido norte a sur en las dos márgenes. Chevillot et al. (1993) reportan
fuertes variaciones en la salinidad en las aguas del golfo entre la temporada lluviosa y seca,
registrando mayores salinidades en la época lluviosa. Dicho comportamiento lo explican por las
variaciones del régimen de vientos entre estas dos temporadas, así en la temporada seca los vientos
confinan las aguas del río Atrato al interior del golfo, mientras que en la época húmeda los vientos
ayudan a que las descargas de agua fresca sean evacuadas (Chevillot et al., 1993). Lonin y Vázquez
(2005), utilizando simulaciones numéricas, encuentran que la circulación en la zona varía de
acuerdo a la dirección predominante de los vientos, dirigiendo la pluma hacia el sur en la época seca
(vientos del norte) acumulando el agua salobre en los primeros cinco metros en Bahía Colombia y
en la época húmeda la pluma se distribuye predominantemente hacia el norte. Montoya y Toro
(2006) encuentran que existe un efecto significativo de la dirección del viento, de las mareas y de
las descarga del río Atrato en la hidrodinámica de la zona, que el golfo presenta una fuerte
estratificación salina generando una pluma estuarina estable, cuyos efectos se extienden por gran
parte del golfo.
DATOS Y MÉTODOS
Campañas de medición:
Se recolectaron datos de campo en tres campañas de campo en los meses de Octubre de 2004, Junio
de 2005 y Junio de 2006 a bordo del BI/Ancón, del Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras
José Benito Vives de Andreis (INVEMAR). Se realizaron mediciones en 117 estaciones (ver figura
2), en las que se tomaron perfiles de salinidad, temperatura y oxígeno disuelto utilizando un CDTO
(Sea Bird) y se tomaron muestras de 3 litros agua a diferentes profundidades mediante una botella
tipo Nansen para la medición de la concentración de sólidos suspendidos mayores a 6 micras
mediante filtración y peso del material retenido en filtros 595, también se midió la turbidez con un
turbidímetro HACH 2100A. Los datos de la campaña fueron utilizados para la calibración del
modelo de simulación hidrodinámico ELCOM.
Los datos mostraron que en el golfo existe una fuerte estratificación salina, con variaciones medidas
en la salinidad entre 2.3 y 36.4 para la primera campaña, entre 1.8 y 36.2 para la segunda campaña y
entre 0.34 y 36.4 para la tercera campaña; estratificación que también se pudo observar en los
perfiles tomados de temperatura. Los datos mostraron que las mayores variaciones de temperatura y
salinidad se producen en la superficie, a profundidades menores de 2 m, tal como se puede observar
en las curvas salinidad-temperatura, presentadas en la figura 3, a las cuales se ha adicionado los
contornos de profundidad en los que se realizaron dichas mediciones, permitiendo identificar dos
masas de agua; una primera masa de agua con valores de salinidad entre 0 y 34, correspondiente a
la zona de influencia de la pluma estuarina del río Atrato y otra con valores de salinidad entre 34 y
36, correspondiente a la zona de influencia oceánica.
Ubicación de los puntos de medición
8.8
Línea de costa
Campaña 1
Campaña 2
Campaña 3
8.7
8.6
8.5
Latitud
8.4
8.3
8.2
8.1
8
7.9
7.8
-77.4
-77.2
-77
Longitud
-76.8
-76.6
Figura 2. Ubicación de las estaciones de medición utilizadas.
31
32
31
2
2
2
1
2
27
2
4
6
64
1
2105 0
30
1 42
101520
30
Temperatura (ºC)
2
1
2
1
1
1
Temperatura (ºC)
2
2
201510 4 6
1
1
2
Temperatura (ºC)
1
1
28
29
26
26
25
25
25
24
24
5
10
15
20
Salinidad
25
30
35
(a) Campaña 1 (Octubre 2004)
0
5
10
15
20
Salinidad
25
30
35
6
15
2
4
10
6
20
30
15
40
27
26
0
42 1
10
28
21
2
1
2
4
1
1
1
0
430
4
27
1
4
1
24 6
10
15
1
29
1
1
64
2
1
2
2
1
28
2
2
2
2 1
2
30
2
2 1
1
30
2
1
1
2
1
29
1
1
1
1
1
1
30
4
32
31
10
32
24
0
5
10
15
20
Salinidad
25
30
35
(b) Campaña 2 (Junio de 2005) (c) Campaña 3 (Junio 2006)
Figura 3. Curva Salinidad Temperatura con contornos de igual profundidad
Modelo hidrodinámico utilizado:
El modelo ELCOM (Estuary and Lake Computer Model), desarrollado por “Centre of Water
Research” (CWR) de la Universidad de “Western Australia”, resuelve las ecuaciones de Reynolds y
la de transporte, usando la aproximación de Boussinesq, despreciando los términos no hidrostáticos
en la presión. Para el manejo de la turbulencia utiliza una aproximación del coeficiente de torbellino
en la horizontal (Hodges et al. 2000) y un modelo uni-dimensional de mezcla en la vertical
(Imberger y Paterson, 1990). La cota de la superficie libre se calcula utilizando una ecuación
resultante del promediado a lo largo de la vertical de las ecuaciones de continuidad. Para la solución
numérica de las ecuaciones, el modelo utiliza un método semi-implícito con una discretización
cuadrática tipo Euler-Lagrange de los términos advectivos en las ecuaciones de momentum
(Cassulli y Cheng, 1992) y el esquema ULTIMATE QUICKEST para la ecuación de transporte
(Leonard, 1991). Detalles sobre el modelo se pueden encontrar en el manual científico en la
dirección electrónica del CWR (http://cwr.uwa.edu.au).
Parámetros ambientales
Mareas
En la zona de estudio se tiene un régimen micromareal, con mareas de amplitud de no más de 40 cm
(vea Correa y Vernete, 2004). El mareógrafo más cercano es el de San Cristóbal en Panamá
(ubicado en la latitud 9° 21’ N y los 79° 54’ W de longitud). Registros horarios de este mareógrafo
obtenidos de http://uhslc.soest.hawaii.edu/uhslc/ fueron utilizados para realizar un análisis de las
frecuencias astronómicas principales de la señal de marea, con el fin de eliminar los efectos
meteorológicos y locales de la señal, para esto se utilizó el modelo GNOTIDE (ver Cardona y
Fernandez, 2002); los armónicos principales encontrados se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1. Frecuencias dominantes en para la estación San Cristóbal (Panama)
Componente
Mf
Período (h)
Amplitud (cm)
14.062530
5.565355
68.482313
95.159287
72.424266
327.86
164.28
25.82
23.93
12.42
O1
K1
M2
Fase (º)
-12.480600
-118.707059
-100.703974
-110.354922
-161.702042
Utilizando la técnica de análisis de armónicos presentada por Pawlowicz et al. (2002), se encuentra
que son necesarias gran cantidad de componentes para representar la marea, un análisis de los
armónicos necesarios para un ajuste con un 95% de nivel de significancia se presenta en la figura 4
y la predicción de dicha marea con estos armónicos se muestra en la figura 5.
K1
0
NM4 M4
S4
2M M
2M
N66
S6
8
M
Nivel de significancia del 95%
K7
5
2S
K
K5
3M
2M
SN
4
SO
3
ET
A2
2M 2 M
K6SM SK
6 6
SKMKS4
44
M
O
3
M
K3 SK
3
M
M
3
H2 2HKN1 NU
22 2
E M
O
G Q
R2T2 PS2 LUD2MKL2
AM 2M
A2 S
S
2
2 N2
M
M
SF
M
SM
M
-3
10
10
M
Amplitud (m)
-2
10
N Q
O J1SO1 1 1
O
1
-1
10
AL 2
S
P1 Q1 BE CTPHI P IG STRAH
P
T1 HI1E1 HUI1P 1 OUO11 SI1
1 S1 1
SS
A
S2
SA M
F
N2
P1
O
1
M
2
10
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Frecuencia (ciclos/h)
Figura 4.Armónicos con un nivel de significancia del 95%
0.45
0.5
Prediccion de la marea en la estacion San Cristobal
4
3
Elevacion (m)
2
1
0
-1
-2
-3
0
50
100
150
200
250
300
350
Dias
Figura 5. Predicción de la marea en la estación San Cristóbal con armónicos con nivel de
significancia superior al 95%.
Caudales de los ríos
El aporte de caudales de los ríos es muy importante en la circulación estuarina, pues la formación de
una pluma turbia depende en gran medida de que la descarga sea lo suficientemente grande tal que
los otros forzamientos (vientos y mareas) no sean capaces de romper la estabilidad generada por la
capa boyante superficial generada por el agua menos densa descarada por el río (vea Bowman,
1988). Algunos autores han estudiado el efecto de las descargas de los ríos y han encontrado, que
dichas descargas afectan los patrones de circulación local (Usles et al., 2005, Simionato et al.,
2004). Los caudales de los principales afluentes se calcularon utilizando registros históricos
medidos en estaciones del IDEAM (Instituto de hidrología, meteorología y estudios ambientales),
para los ríos que contaban con estaciones de medición; en algunos casos fue necesario realizar
estimaciones de los caudales en la desembocadura para lo cual se utilizó el HidroSig Java (vea
Vélez et al., 2000), el cual realiza un balance hídrico en la cuenca para realizar estas estimaciones.
La descarga del río Atrato es muy superior a de los otros ríos, por lo que es la descarga dominante,
en la figura 6 se presenta el ciclo anual del río Atrato estimado en la desembocadura, utilizando el
HidroSig Java.
Vientos
La circulación de los vientos en la zona de estudio esta muy afectada por la localización de la zona
de interconvergencia tropical, la cual varía a lo largo del año su ubicación, haciendo que cambien
las condiciones de los vientos (vea Universidad de Antioquia, 1997). En la zona se pueden
identificar dos zonas climáticas bien definidas, una época lluviosa o húmeda de abril a noviembre
con vientos provenientes del sur y suroeste y una época seca con vientos principalmente del norte y
noroeste de diciembre a marzo (vea Universidad de Antioquia, 1997 y Chevillot et al., 1993).
Prediccion de caudales del rio Atrato
5000
4500
4000
Caudal (m3/s)
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
Mes
Figura 5. Caudales estimados en la desembocadura en el río Atrato.
En el golfo de Urabá se genera una circulación local de los vientos debido al efecto brisa mar-tierra
que puede modificar o reforzar los efectos de la circulación general durante el día y la noche (vea
Universidad de Antioquia, 1997). La figura 6 presenta la rosa de vientos de la estación Los Cedros
ubicada al sur de la zona de estudio, en ella se muestra que existe una componente proveniente del
noroeste con una gran persistencia a los largo de todo el año y con velocidades mayores
particularmente en la época seca. Según Universidad de Antioquia, 1997 los vientos del sur en
época de lluvias y los alisios del noroeste en el período seco, son los principales patrones de
circulación de los vientos.
Norte
Norte
30%
30%
20%
20%
10%
10%
Oeste
Oeste
Este
Este
Velocidad
Velocidad (m/s)(m/s)
Sur
Sur
3.52
5.4
5.4- -7.6
-4.4
7.6
2.64
3.4
3.4- -5.4
-3.52
5.4
1.76
1.5
1.5- -3.4
-2.64
3.4
0.88
0.6
0.6- -1.5
-1.76
1.5
0
0.88
0--0.6
0.6
Figura 6. Rosa de vientos estación Los Cedros.
CALIBRACIÓN DEL MODELO
La calibración es la fase más importante en el desarrollo e implementación de un modelo
hidrodinámico (Mouthaan et al., 1994). En la actualidad no se reporta en la literatura especializada
una metodología completamente aceptada para la calibración y generalmente se requiere de un
laborioso proceso de ensayo y error.
En este estudio se siguió la metodología presentada por Palacio y Toro (2002) en la cual realiza un
estudio de la sensibilidad del modelo a diferentes parámetros tanto físicos como numéricos, tal
como se presenta en Montoya y Toro (2006); con el análisis de sensibilidad se estudia el
comportamiento del modelo frente a cambios en los principales parámetros, con el fin de identificar
que variables que se deben controlar para la calibración y con el fin de encontrar parámetros que
ofrezcan una adecuada representación de los fenómenos que se quieren simular. Del análisis de
sensibilidad del modelo a parámetros físicos, para este caso de estudio se encontró, que se requiere
una adecuada discretrización especialmente en la vertical, siendo necesario un alto nivel de detalle
en las primeras capas para representar adecuadamente la estratificación; también analizaron la
sensibilidad a algunos forzamientos físicos, encontrando que existen dos posibles modos de la
pluma: un primer modo, con dirección suroeste-noreste, inducido por vientos provenientes del
suroeste, y otro modo se presenta cuando los vientos soplan del noroeste, que producen una
inversión orientándola hacia el sur. Las descargas de los ríos y la magnitud de las mareas
intensifican o disminuyen la intrusión del la pluma en el golfo, pero siempre conservando la
dirección impuesta por el viento (vea Montoya y Toro, 2006).
Para la calibración se realizaron una serie de experimentos numéricos en los que se variaron
diferentes parámetros numéricos y físicos en el modelo con el fin de encontrar un adecuado ajuste
del modelo con las mediciones. La Tabla 2 resume las principales características que fueron tenidas
que fueron tenidas en cuenta para la calibración.
Tabla 2.- Características consideradas en la modelación
Característica
Hidrodinámico
Batimetría
Carta Batimétrica
Características simulación
Malla horizontal
Malla vertical
Paso temporal
Período de simulación
Forzamientos externos
Radiación
Cobertura de nubes
Temperatura del aire
Vientos
Mareas
Caudales de los ríos
Detalles
Carta batimérica. Fuente: CIOH
Malla regular con celdas de 500 × 500 m
Malla irregular con celdas de 0.25 m cerca a la superficie y con aumentos graduales
a medida que se hace más profunda. Se utilizaron un total de 33 divisiones en la
vertical.
112.5 segundos
1 mes
Se utilizaron datos obtenidos de NCEP/NCAR Reanalysis Project
http://www.cdc.noaa.gov/cdc/reanalysis/reanalysis.shtml
Se utilizaron la predicción de las mareas considerando sus componentes principales
Se estimaron los caudales en las desembocaduras utilizando balances hídricos
Para la calibración se compararon los resultados de la simulación con los perfiles de salinidad y
temperatura medidos. Puesto que no se tenía absoluta certeza de algunas de las variables de entrada
al modelo se variaron con el fin de mejorar los ajustes obtenidos. Se realizó primero una calibración
a las descargas de los ríos, luego se varió la salinidad y la temperatura de las descargas de los ríos.
Puesto que la descarga del río Atrato se produce por varias bocas, se realizó un proceso de
calibración de la distribución de la descarga por cada. Se planteó un proceso de calibración inverso
en el cual se asumía una descarga por las diferentes bocas y se comparaban los resultados del
modelo con los perfiles de salinidad medidos, especialmente en las estaciones más cercanas a cada
una de las bocas. Otra metodología para la estimación de caudales, la presenta Roux y Dartus, 2005
quienes utilizan una metodología inversa para el cálculo de los caudales que podría ser usada en
este caso para encontrar la distribución de caudales. En la figura 7 se presenta una comparación
entre los datos simulados y medidos en una estación cercana a la principal del río Atrato; se
presenta una comparación de los resultados de las simulaciones obtenidos con seis distribuciones
diferentes de caudales para las diferentes bocas. Después de la comparación de estos perfiles se
seleccionó la distribución de caudales que presentó menores diferencias con los datos medidos en la
primera campaña.
Comparacion entre los perfiles de salinidad para diferentes distribuciones de caudal ,
en la estación ubicada en la latitud 8.1718 N y la longitud -76.784 W
0
-2
-4
Profundidad (m)
-6
-8
-10
-12
Perfil de Salinidad medida
Perfil de Salinidad Distribución 1
Perfil de Salinidad Distribución 2
Perfil de Salinidad Distribución 3
Perfil de Salinidad Distribución 4
Perfil de Salinidad Distribución 5
Perfil de Salinidad Distribución 6
-14
-16
-18
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Salinidad
Figura 7. Comparación de diferentes distribuciones de caudales.
También fue necesario calibrar la salinidad en las bocas, para dicho proceso se utilizó los valores de
salinidad y temperatura medidos en cercanía de las desembocaduras. Este proceso fue necesario
para tener una mejor representación de la mezcla en el campo cercano. En la figura 8 se presenta
una comparación de los perfiles obtenidos con diferentes salinidades en las descargas de los ríos.
Comparacion entre los perfiles de salinidad obtenidos con diferentes valores de salinidad en las descargas
en la estación ubicada en la latitud 8.2522 N y la longitud -76.87 W
0
Profundidad (m)
-5
-10
-15
-20
-25
0
Perfil de Salinidad medido
Perfil de Salinidad con salinidad en las descargas de 7
Perfil de Salinidad en las descargas de 10
5
10
15
20
25
30
35
40
Salinidad
Figura 8. Comparación con diferentes salinidades las descargas de los ríos.
Después de ajustados los parámetros anteriores se realizaron unas simulaciones para las condiciones
medidas durante las campañas de campo. En la figura 9 se presentan los perfiles de salinidad y
temperatura medidos y los simulados para la campaña 3, se presentan 3 estaciones ubicadas al
norte, centro y sur del golfo. Se observan buenos ajustes en los perfiles de salinidad, especialmente
en las capas más profundas del golfo. En la figura 10 se presentan perfiles a lo largo de un corte
transversal, el cual muestra la presencia de una capa de agua dulce en la capa superior del golfo (los
tonos más oscuros corresponden a valores menores de salinidad), esta estratificación es
especialmente notoria en la parte central del golfo (lugar donde se presenta el corte), este efecto que
se puede explicar por la descarga de los ríos. En las capas más profundas, por debajo de los 5
metros, las salinidades son prácticamente constantes a lo largo de todo el golfo. Se puede observar
la similitud entre el corte resultante de la interpolación de las mediciones y el resultado del modelo,
lo cual indica resultados de la calibración satisfactorios.
Comparacion entre los perfiles de salinidad medidos y simulados.
Estación ubicada en la latitud 8.5058 N y longitud -77.0406 W.
Campaña 3
0
-5
-10
Profundidad (m)
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
0
Perfil de Salinidad medido
Perfil de Salinidad simulado
5
10
15
20
Salinidad
25
30
35
40
35
40
35
40
Comparacion entre los perfiles de salinidad medidos y simulados.
Estacion ubicada en la latitud 8.2522 N y la longitud -76.87 W.
Campaña 3.
0
Profundidad (m)
-5
-10
-15
-20
-25
0
Perfil de Salinidad medido
Perfil de Salinidad simulado
5
10
15
20
Salinidad
25
30
Comparacion entre los perfiles de salinidad medidos y simulados.
Estación ubicada en la latitud 8.0856 N y la longitud -76.7858 W.
Campaña 3
0
-2
Profundidad (m)
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
Perfil de Salinidad medido
Perfil de Salinidad simulado
5
10
15
20
Salinidad
25
30
Figura 9. Comparación entre perfiles de salinidad medidos y simulados.
Interpolacion de las salinidades medidas - Campaña 3.
Corte a lo largo de la latitud 8.25 N
0
35
-5
30
-10
25
Profundidad (m)
-15
-20
20
-25
15
-30
-35
10
-40
5
-45
-50
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0
20
Coorenada X (km)
Simulación de las salinidades.
Corte a lo largo de la latitud 8.25 N
0
35
-5
30
-10
25
Profundidad (m)
-15
-20
20
-25
15
-30
-35
10
-40
5
-45
-50
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
Distancia (km)
Figura 10. Comparación entre cortes de salinidad medidos y simulados.
Resultados de las simulaciones para las condiciones de las campañas de medición
Los resultados de las simulaciones calibradas para las condiciones de los días de las campañas
ayudaron a completar e interpretar las condiciones presentes durante las campañas. Se analizaron
diferentes efectos, entre los que se destacó el efecto del viento, el de las mareas y el de las descargas
de los ríos.
Efecto del viento:
El viento cumple un papel fundamental en la circulación en una pluma estuarina, cumpliendo un
papel significativo sobre su circulación (vea Chao, 1988, Garcia et al., 2002, Baptista et al., 2005,
Marsaleix et al., 1998, Simionato et al., 2004 y Piñones et al., 2005). En este caso se compararon
los resultados de las simulaciones para las condiciones medidas de vientos en las tres campañas de
medición. En la figura 11 se presentan los resultados de las simulaciones para las condiciones de las
campañas.
Salinidades y velocidades superficiales
promedio campaña 1
970
35
Rosa de vientos simulación
campaña 1
Norte
960
30
Coordenada Y (Km)
950
45%
25
940
30%
930
20
15%
920
15
910
Oeste
Este
10
900
0.5 m/s
Velocidad (m/s)
2.76 - 3.45
2.07 - 2.76
1.38 - 2.07
0.69 - 1.38
0 - 0.69
890
5
880
240
250
260
270
280
290
300
310
0
320
Coordenada X (Km)
Sur
Salinidades y velocidades superficiales
promedio campaña 2
970
Rosa de vientos simulación
Campaña 2
35
Norte
960
30
45%
Coordenada Y (Km)
950
25
940
30%
930
20
15%
920
15
910
Oeste
Este
10
900
0.5 m/s
Velocidad (m/s)
890
2.232 - 2.79
1.674 - 2.232
1.116 - 1.674
0.558 - 1.116
0 - 0.558
5
880
240
250
260
270
280
290
300
310
320
0
Sur
Coordenada X (Km)
Salinidades y velocidades superficiales
promedio campaña 3
970
35
960
Norte
Norte
Rosa de vientos simulación
Campaña 3
30
Coordenada Y (Km)
950
120%
45%
45%
25
940
90%
30%
30%
930
60%
20
15%
15%
920
30%
15
910
Oeste
Oeste
Este
Este
10
900
0.5 m/s
890
5
880
240
250
260
270
280
290
Coordenada X (Km)
300
310
320
0
Sur
Sur
Velocidad (m/s)
Velocidad
(m/s)
0.472
2.752
- 3.44
0.59
2.752
- 3.44
0.354
2.064
- 2.752
0.472
2.064
- 2.752
0.236
1.376
- 2.064
0.354
1.376
- 2.064
0.118
0.688
- 1.376
0.236
0.688
- 1.376
0
0.118
0--0.688
0.688
Figura 11. Resultados de la simulación – Salinidad y velocidades en la superficie en las campañas
de medición.
Al comparar los resultados de las simulaciones se observaron diferencias en las salinidades
superficial (los tonos mas oscuros indican zonas de menor salinidad) en las tres campañas. Tal
como se observa en la figura 11 los vientos fueron predominantemente del noreste para las tres
campañas, con valores mayores de velocidad del viento en las campañas 1 y 3 y con mayores
variabilidad en las campañas 1 y 2. En las tres campañas la pluma sale recostada a la margen
oriental del golfo. Comparando las tres campañas, en la primera la pluma se recostó más a la
margen oriental, ocupando una mayor extensión hacia el norte; la campaña 3 presentó mayores
valores de salinidad al sur, en Bahía Colombia. Esto puede ser explicado en gran parte por el
comportamiento de los vientos, pues en las campañas 1 y 3 se tuvieron vientos con velocidades
mayores que generan mayores esfuerzos, haciendo que el agua de las capas superficiales sea
arrastrada en la dirección del viento con mayor intensidad.
Efecto de la marea:
Otro efecto que afecta la circulación es la marea, la cual cumple un papel fundamental en los
procesos de mezclado. Al comparar los resultados de las simulaciones para los escenarios predichos
se encontró que las diferencias por el efecto de la marea sobre la circulación promedia es pequeña,
sin embargo, se observa que esta afecta la posición de la capa superficial, generando oscilaciones de
la misma. La marea tiene un efecto importante en el ciclo diario, pero no afecta significativamente
la circulación promedio. Se observa que la marea no es lo suficientemente grande para causar una
mezcla significativa de las aguas dulces descargadas por el río, las cuales permanecen en las capas
superiores por efecto de las fuerzas de flotación pues tienen menor densidad que la masa de agua de
las capas más profundas que son más saladas.
Efecto de los aportes de los ríos:
El aporte de los ríos cumple un papel muy importante en la circulación, se puede observar que la
formación de la pluma turbia depende en gran medida de estas descargas. Las simulaciones
realizadas con diferentes descargas de los ríos (vea figura 7) muestra que existen variaciones en los
valores de la salinidad en las capas superficiales de acuerdo a los valores del caudal de los ríos. En
la figura 11 se puede observar que en la campaña 1 las aguas menos saladas superficiales ocuparon
una mayor extensión del golfo, lo cual puede también explicarse pues en estos meses se tienen
mayores descargas de los ríos. Hay que mencionar, que a pesar de que los caudales variaron en un
rango muy amplio, la estratificación se mantuvo en los primeros metros, lo cual indica que para la
pluma del río Atrato, la mezcla generada por los vientos y las mareas es insuficiente para romper la
estabilidad generada por la descarga de los ríos.
DISCUSIÓN
Gran cantidad de estudios en ríos como lo realizado por otros autores en las plumas de los ríos
Ródano (Marsaleix et al., 1998, Periañes, 2005, Estournel et al. 2001), Rin (Kok, 1996, Kok et al.,
2001), Ebro (Xing y Davies, 2002, Sierra et al., 2002), Columbia (Hickey et al., 2005, Baptista et
al., 2005), Río de la Plata (Simionato et al.,2004) entre otros, muestran que existe un fuerte efecto
de la fuerza de Coriolis, originando que la pluma del río tiende a desviarse en la dirección norte (en
el hemisferio norte) a lo largo de la costa. En este caso, el peso que tiene la fuerza de Coriolis es
relativamente bajo, lo que hace que sea necesario estudiar el papel de otros agentes físicos como el
viento, para así explicar las variaciones en dicha pluma. Se encontró que existe una fuerte tendencia
de la pluma del río Atrato a dispersarse de acuerdo a la dirección del viento. Este comportamiento
ha sido reportado por otros autores como el caso del río Amazonas (vea Nikiema et al., 2007). Otro
factor que controla este movimiento es la batimetría, pues el río Atrato descarga de forma lateral y
el agua dulce al encontrarse con la margen oriental del golfo se ve obligada a desviarse, por lo que
la salida de las aguas más dulces se produce por el extremo nororiental.
Varios estudios han señalado que la distribución de la pluma estuarina cumple un rol importante en
la distribución de sedimentos (vea Hoekstra, 1989), nutrientes (vea Sierra et al., 2002) y otras
sustancias contaminantes (vea Periáñez, 2005). Tanto las modelaciones, como las campañas de
campo, mostraron que existe una fuerte la estratificación debida a las diferencias de densidad entre
el agua del río y la del mar, las modelaciones y las campañas de campo, mostraron que esta se
limitó a las capas superficiales, esto hace que gran cantidad de los materiales aportados por el río
Atrato, se dispersen junto con las capas superficiales. La diferencia de densidades entre la masa de
agua de las capas superficiales y las profundas dificulta la mezcla, esta se encuentra limitada por la
estabilidad generada por el cambio súbito de densidades entre las dos masas de agua. Esto hace que
la distribución de la salinidad, sedimentos en suspensión y otras sustancias aportadas por los ríos,
den una idea de la dirección de las corrientes, por lo menos para las capas superficiales. Así, esta
capa superficial, que se encuentra más sujeta a la acción del viento y cumple un importante papel en
los procesos de transporte y dispersión de contaminantes y sedimentos superficiales en el golfo.
CONCLUSIONES
Se presentó el proceso seguido para la calibración de un modelo hidrodinámico en el golfo de
Urabá. Utilizando modelación numérica y campañas de campo se describió la dinámica de la pluma
formada por el río Atrato y se encontró que este genera una pluma estuarina estable, cuyos efectos
se extienden por gran parte del golfo.
De acuerdo con las mediciones de campo y con los resultados de las simulaciones es posible
diferenciar dos masas de agua presentes en el golfo de acuerdo con su origen: una de origen fluvial,
proveniente del río Atrato principalmente y otra masa oceánica, cuyo origen se encuentra en el mar
Caribe.
Los resultados de las simulaciones y los datos medidos en campo permiten inducir el movimiento
de la pluma de agua dulce descargada por el río Atrato, la cual se dispersa a lo largo del golfo
quedando atrapada en las capas superficiales. Esta masa de agua superficial, tiende a ser evacuada
por el flanco oriental del golfo y a dejar una zona al sur, en Bahía Colombia, con valores de
salinidad relativamente altos, cuando los vientos son del norte, noreste o noroeste. Los vientos
afectan fuertemente la circulación de las capas superficiales, pero tienen menor efecto sobre la
circulación de las masas de agua más profundas.
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