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Introducción En el presente estudio se realizó la evaluación del impacto del incremento del nivel del mar por efecto de cambio climático en el diseño de los rompeolas; se utilizaron 5 escenarios, en el primero se contemplaron las condiciones normales de diseño y a partir de ello se construyeron otros 4 escenarios con los cuales se tomaron en cuenta diferentes incrementos del nivel del mar, seleccionados con base al estado del arte. Se analizó cómo impacta cada uno de los incrementos del nivel del mar en el diseño de elementos de coraza y se realizó la comparación para los puntos de control. Con esta información se obtuvo como primera aproximación, un nivel de comparación para revisar el efecto que tienen los diferentes niveles del mar en las condiciones de diseño y el grado de impacto esperado en un rompeolas. Se seleccionó para el caso de estudio, el puerto de Veracruz, para ello, se integró la información de oleaje de las diferentes fuentes con las que cuenta el IMT, además se complementó con la caracterización batimétrica de la zona de estudio, posteriormente se realizó la construcción de los diferentes escenarios, se investigaron las proyecciones con respecto al aumento del nivel del mar, y se recopiló información meteorológica del sitio. Dentro de los alcances, se realizó la evaluación del impacto económico en el diseño de rompeolas, en el cual se utilizó un caso de estudio en específico, el puerto de Veracruz. Antecedentes La relación de cambio climático e incremento del nivel medio del mar, es que al ser el cambio climático un fenómeno que impacta en todo el mundo, su entendimiento y atención son prioridad para los países, la sociedad y las comunidades. De acuerdo a las más recientes investigaciones científicas, se entiende que la emisión de gases con efecto invernadero emitidos principalmente por el uso de combustibles fósiles, como el dióxido de carbono y el metano, tienen un efecto negativo en los patrones de la temperatura y la precipitación. Estas variaciones tienen efectos adversos en otros fenómenos como la elevación del nivel medio del mar, su acidificación, la migración de especies y el aumento en la frecuencia e intensidad de eventos meteorológicos extremos como los ciclones y tormentas tropicales (IPCC, 2014). Uno de los efectos del cambio climático con mayor impacto en la infraestructura portuaria y costera, que afecta a un gran número de países y poblaciones, es el incremento del nivel medio del mar, el cual se ha presentado progresivamente en las últimas décadas, se ha calculado un incremento de alrededor de 1.7 mm/año entre 1950 y 2009, acelerándose a 3.3 mm/año entre 1993 y 2009 (IPCC, 2014). Los efectos del aumento del nivel del mar debido al cambio climático son, el incremento en la erosión en las líneas de playa, reduciéndose las franjas costeras, el aumento en los eventos hidrometeorológicos extremos, que cada vez son más frecuentes e intensos y que provocan inundaciones en zonas costeras, el deterioro de la infraestructura portuaria, costera, turística, comercial y habitacional; dentro de los escenarios más catastróficos está el hundimiento de islas habitadas, cuyos pobladores han tenido que emigrar ante una emergencia climática. La variación climática es un proceso natural, pero en los últimos 100 años el calentamiento se ha acelerado por el efecto del incremento de los gases con efecto invernadero, derivados de la quema de combustibles fósiles para el transporte y la industria, combinado con la destrucción y disminución de bosques y selvas, que han aumentado con esto, el bióxido de carbono. Las principales causas asociadas al incremento del nivel medio del mar son:
Fuente: El cambio climático y sus efectos asociados con el ascenso del nivel del mar en los sectores costeros de Costa Rica por Ricardo Valverde Sánchez. El incremento del nivel medio del mar es un factor que afectará las zonas portuarias y costeras por lo que se considera que la evaluación técnica y económica del impacto del incremento del nivel del mar debido a los efectos del cambio climático en las obras de infraestructura portuaria y costera, en especial en los rompeolas y escolleras es un tema prioritario. Para considerar estos aspectos, es necesario asociar los proyectos de infraestructura portuaria y costera a un tema sumamente relevante, que son los Objetivos de Desarrollo Sostenible, los cuales sientan la base de las acciones y propuestas ante los efectos adversos del cambio climático. Efectos del incremento del nivel medio del mar Los efectos del incremento medio del nivel del mar debido al cambio climático son el aumento en la frecuencia de las inundaciones y cambios morfológicos, como la erosión de las playas y la reducción de las dunas. El incremento del nivel medio del mar que se espera a finales de este siglo, es de aproximadamente 1 m, los impactos que se pronostican con dicho incremento son: alteraciones de oleaje, marea, marea por tormenta o la morfología costera. Los efectos más importantes del incremento del mar son: inundación de zonas costeras, cambio en zona de humedales, erosión de la línea de costa, intrusión salina en estuarios y acuíferos, cambios en la composición y productividad de los ecosistemas, pérdida de biodiversidad, alteración del régimen de mareas, cambios en patrones de sedimentación, disminución de la penetración de la luz para organismos bentónicos, y los impactos socioeconómicos como el daño a la infraestructura costera entre muchos otros (Hernández, 2007; Estrada, 2001). Desde el punto de vista socioeconómicos se pronostican los siguientes efectos: • Pérdida directa de valores económicos, ecológicos, culturales y de subsistencia a causa de la pérdida de tierras, infraestructura y hábitats costeros. • Aumento del riesgo de inundación para personas, tierras e infraestructura. • Otros efectos relacionados con cambios en el manejo del agua, la salinidad y la actividad biológica, tales como la pérdida de turismo, la pérdida de hábitats costeros y los efectos en la agricultura y acuacultura.
En el estudio realizado para la “Guía Metodológica para la Evaluación de la Vulnerabilidad ante Cambio Climático” (INE/PNUD,2012), se generaron escenarios regionales del incremento del nivel medio del mar por efecto del cambio climático, así como de fenómenos hidro-meteorológicos extremos en zonas costeras, se tomó en cuenta la configuración topográfica de los diferentes sitios; se analizaron los impactos de los fenómenos hidro-meteorológicos extremos, en los ecosistemas de las zonas costeras y los asentamientos humanos que los rodean; también se identificaron los deltas más vulnerables ante el incremento del nivel medio del mar. Proyecciones del incremento del nivel medio del mar en México En la fuente de información, se realizó el análisis de las tendencias en el nivel del mar para 17 sitios en México, se presentaron las proyecciones realizadas para costas en el Golfo de México. Es muy importante señalar que, en el reporte de la fuente de información seleccionada, destaca que los pronósticos de los datos de nivel medio del mar en México tuvieron tendencias similares a las proyecciones globales, adicionalmente se realizaron estimaciones de los ciclos anuales en 50 años de los sitios analizados (INE/PNUD,2012). En los siete sitios analizados en el Golfo de México, se encontró una tendencia de aumento en el nivel del mar. Las series de tiempo muestran claramente variaciones interanuales y de escala decadal que, para ser separadas del cambio producido por el calentamiento global del planeta, es deseable tener series más largas, de varias décadas. Aunque estas series tienen longitudes variables, se buscó tener más información al comparar las tendencias de cada sitio con relación a las variaciones del nivel del mar en Veracruz, que se encuentra en la parte central de las costas mexicanas del Golfo de México y tiene la serie de tiempo más larga. Es importante notar que la tendencia de aumento en el nivel del mar en Veracruz, de 1.89 mm/año, es muy similar a la reportada por el IPCC para el océano mundial lo que sugiere que, en principio, no ha habido movimientos verticales de la corteza terrestre importantes en la región lo que hace que el sitio sea una buena referencia para comparar con la variación en otros sitios. Los valores que se obtienen muestran tendencias positivas en los siete sitios analizados, tanto en el análisis de cada una de las series como en la comparación con Veracruz. Los resultados muestran una menor tendencia en Veracruz y Alvarado con 1.89 mm/año y 1.79 mm/año, respectivamente, y de 2.76 mm/año en Alvarado cuando se considera la tendencia relativa a Veracruz. Evaluación de la vulnerabilidad La principal amenaza relacionada con el cambio climático, son las pérdidas humanas y los daños materiales, ocasionados por el aumento en la intensidad y frecuencia de eventos naturales extremos, los cuales tienen mayor impacto en las poblaciones económicamente más vulnerables y en los países en desarrollo. La forma más efectiva para poder determinar la vulnerabilidad en un sistema portuario o costero, es establecer índices o indicadores que utilicen modelos cualitativos o cuantitativos con los que se realiza el análisis a partir de un estado inicial o en condiciones actuales y comparándolo con los diferentes escenarios de acuerdo a la identificación de las amenazas, los riesgos y los impactos asociados. Los ambientes costeros y los ecosistemas se verán significativamente afectados tanto por el cambio climático (incremento del nivel del mar a largo plazo y la intensificación de las tormentas), como por los cambios ambientales ocasionados por los seres humanos. Estos cambios tendrán un impacto significativo en las zonas portuarias y costeras altamente vulnerables. Los modelos conceptual y analítico son los más usados para determinar el grado de vulnerabilidad, de tal forma que se requiere establecer un marco conceptual, el grado de exposición a riesgos y amenazas y al nivel de sensibilidad, adaptación y resiliencia que tienen los sistemas portuarios y costeros. Los elementos que definen la vulnerabilidad ante los efectos del cambio climático son: · La zona de estudio. · Una variable definida como primaria en el análisis de la vulnerabilidad vs. Riesgo. · La determinación de las principales amenazas en la zona de estudio. · Establecer un escenario en el tiempo, acotar la temporalidad.
En la información investigada se destacan tres componentes en la vulnerabilidad relacionadas con el cambio climático. · Físico-ambiental. · Socio-económica. · Grado de adaptación y resiliencia. El marco conceptual de la vulnerabilidad integra dos diferentes dimensiones independientes de la vulnerabilidad: la escala, y el nivel de dominio (Tabla 1).
Tabla 1. Factores de vulnerabilidad en relación con la escala y el domino de conocimiento.
Fuente: Tesis: Evaluación de la Vulnerabilidad Costera y Medidas de Adaptación al Cambio Climático en la Región Sur de la Bahía de La Paz. Arturo González Baheza, México, 2013. (Adaptado por el autor, de Füsell, 2007). Metodología Definición de clima de oleaje Se realizó una recopilación de datos de oleaje de las diferentes fuentes con las que cuenta el IMT, en primer lugar, se tomó la información registrada por la boya direccional medidora de oleaje, la cual se encuentra instalada en la zona exterior de la ampliación del puerto de Veracruz; el IMT, analizó y definió el clima de oleaje registrado durante el año 2019, año en el que se tuvo el registro más completo de datos.
Se obtuvo el oleaje del análisis extremal del Atlas de Oleaje Oceánico de México (ATLOOM), y se revisaron datos de la fuente Wavewatch III (Tabla 2). A continuación, se muestran los resultados del análisis realizado, en el cual se utilizó el Método de picos sobre el umbral, se utilizó 2.90 m de umbral. Los datos enmarcados en el recuadro verde, son los datos que se utilizaron en la propagación del oleaje desde aguas profundas para las corridas de refracción de oleaje, más adelante se realizará la descripción de este proceso.
· Atlas de Oleaje Oceánico Mexicano (enero/1958 – diciembre/2001) · Wavewatch III Hindcast Phase 2 (enero/1979 – diciembre/2009) · Red Nacional de Estaciones Oceanográficas y Meteorológicas ü Veracruz (diciembre/2004 – marzo/2020) ü Bahía de Vergara (mayo/2013 – marzo/2020)
Tabla 2. Análisis de oleaje extremal para el puerto de Veracruz, Ver.
Modelación numérica de la refracción de oleaje extremal Se tomó como base, la información del levantamiento batimétrico que realizó el IMT en el año 2017 para el proyecto de investigación VI-02/17, se discretizaron las profundidades de dicha información, con el objeto de crear los archivos de profundidades que abarcaron la zona de estudio. Para tal efecto se definieron las mallas de cálculo donde se establecieron las profundidades correspondientes en cada uno de los nodos (figura1), para este proceso se utilizó el Programa Mike 21.
Figura 1 Malla de discretización de profundidades para el sitio de estudio
Al definirse los datos de oleaje representativo, se realizó la modelación numérica de la refracción de oleaje extremal, los resultados que se obtuvieron de las simulaciones numéricas con las diferentes direcciones de incidencia de oleaje, se utilizaron para definir las alturas de oleaje en el diseño de la sección transversal que se propone utilizar en la sección de estudio.
Dimensionamiento de los elementos de coraza El dimensionamiento de las estructuras se realizó mediante el uso de la fórmula de Hudson. La fórmula de Hudson se expresa como sigue:
Donde: P.- Peso de los elementos de coraza (ton). Hd.- Altura de ola de diseño (m). gs.- Peso específico del material de los elementos de coraza (ton). Sr.- Densidad relativa del material. a.- Ángulo del talud con respecto a la horizontal (°). Kd.- Coeficiente de estabilidad.
En la tabla 3, se presentan las alturas de ola de diseño, obtenidas de la refracción del oleaje extremal para el cálculo de la coraza de las diferentes secciones con elementos cubos ranurados y Core-locs. El peso de los elementos se calculó con base a la altura de ola obtenida para cada sección y para cada incremento de nivel del mar de los escenarios de cambio climático propuestos (Tabla 4).
Tabla 3. Alturas de ola de diseño (Hd) para las secciones cuerpo y morro.
Tabla 4. Datos de diseño para las secciones cuerpo y morro.
Con los datos anteriores, se realizó el cálculo del peso de los elementos de coraza (Tabla 5), los cuales se hicieron para cubos ranurados y Core-locs. Para realizar la comparación entre la diferencia en el diseño de los elementos, se utilizó como principal indicador del impacto del incremento del nivel del mar en los rompeolas.
Tabla 5. Peso de los elementos de coraza, calculados para los diferentes escenarios.
A continuación, se muestran los resultados obtenidos y las comparaciones que se realizaron para las diferentes variables y con ello poder determinar el efecto del incremento de nivel del mar debido al cambio climático en el diseño de rompeolas, se tomaron en cuenta las diferentes variables y consideraciones.
Análisis de resultados Se seleccionaron 5 escenarios de incremento del nivel del mar que corresponden a las diferentes proyecciones por los efectos debidos al cambio climático, dentro de estos escenarios se planteó como primer escenario un estado cero o actual que permite tener un punto base para poder evaluar el impacto en el diseño de estructuras portuarias, para el presente estudio, se consideró el cálculo del elemento de coraza como el principal indicador del cambio que puede tener un rompeolas y que el diseño de este elemento rige el resto del diseño de la sección transversal de un rompeolas; para esto se seleccionó un área de análisis que es del cadenamiento 0+100 a 1+400 del rompeolas poniente de la ampliación del puerto de Veracruz. Por tal razón, se compararon en peso, volumen de concreto utilizado y el costo o precio unitario por pieza, lo anterior se realizó tomándose como ejemplo el cálculo de 4 secciones, 3 secciones cuerpo, para lo cual se diseñaron los elementos para las secciones en los cadenamientos 0+100, 0+600, 1+000 y como sección morro se escogió el cadenamiento 1+400, con las alturas de ola de diseño obtenidas de las modelaciones numéricas de la refracción del oleaje extremal (ver tabla 3). A continuación, se muestra el resultado de esta comparación, el cual se resume en las siguientes gráficas y tablas, donde se compararon las diferencias en altura de ola por cada dirección en relación con el incremento del nivel del mar.
Gráfica 1. Comparación para los escenarios de incremento del nivel del mar de 0.00, 0.50, 1.00, 2.00, 3.00 m para la dirección Norte.
Gráfica 2. Comparación para los escenarios de incremento del nivel del mar de 0.00, 0.50, 1.00, 2.00, 3.00 m para la dirección N30E.
Gráfica 3. Comparación para los escenarios de incremento del nivel del mar de 0.00, 0.50, 1.00, 2.00, 3.00 m para la dirección N60E.
Gráfica 4. Comparación para los escenarios de incremento del nivel del mar de 0.00, 0.50, 1.00, 2.00, 3.00 m para la dirección Este.
Gráfica 5. Comparación para los escenarios de incremento del nivel del mar de 0.00, 0.50, 1.00, 2.00, 3.00 m para la dirección N30W.
Gráfica 6. Comparación para los escenarios de incremento del nivel del mar de 0.00, 0.50, 1.00, 2.00, 3.00 m para la dirección N60W.
Una vez hecho este análisis, se realizó la comparación de los pesos de los elementos prefabricados de concreto estudiados (Cubos ranurados y Core-locs), donde se muestra como varía el peso en relación al incremento del nivel del mar y a la sección correspondiente. Posteriormente se realizó la comparación del volumen de concreto calculado por pieza para cada uno de los elementos prefabricados de concreto, cubos ranurados y Core-locs, donde se muestra la variación de acuerdo al incremento del nivel del mar y a la sección correspondiente. Finalmente se procedió a realizar un análisis de precio unitario por pieza para cada uno de los elementos prefabricados de concreto, lo anterior se hizo para cubos ranurados (Tabla 6) y para Core-locs (Tabla 7), se tomaron en cuenta las variables propuestas en los diferentes escenarios del incremento del nivel del mar y a la sección correspondiente, los resultados se muestran a continuación.
Tabla 6. Comparación del cálculo del precio unitario de los cubos ranurados como elementos de coraza para los diferentes escenarios y las diferentes secciones de análisis.
Gráfica 7. Comparación del precio unitario de los cubos ranurados como elementos de coraza.
Tabla 7. Comparación del cálculo del precio unitario de los Core-locs como elementos de coraza para los diferentes escenarios y las diferentes secciones de análisis.
Gráfica 8. Comparación del precio unitario de los Core-locs como elementos de coraza.
Con este análisis se procedió a hacer una comparación con los máximos de las alturas de ola obtenidas al largo de la sección en planta seleccionada que corresponde a una longitud de 1,400 m para observar el grado de impacto del incremento del nivel del mar debido al cambio climático a lo largo de la sección, de lo cual se pudo observar el comportamiento que se presenta a continuación.
Gráfica 9. Diferencias de Hd en puntos de control.
Conclusiones El cambio climático es una realidad, si bien la falta de datos y el monitoreo continuo de las diferentes variables no permiten tener datos más precisos, se ha utilizado la proyección de datos con respecto al incremento del nivel del mar para poder establecer los diferentes escenarios, los cuales nos ayudan a poder definir estrategias para los próximos años. Para ello resulta sumamente importante determinar el impacto esperado de acuerdo a estas proyecciones; desde la perspectiva de las obras marítimas, es necesario saber cuál será el impacto que puede esperarse en este tipo de estructuras, en especial de los rompeolas cuyas variables de diseño principales están totalmente relacionadas con la altura de la ola y el nivel de incremento del nivel del mar, asociado a los diferentes fenómenos meteorológicos y oceanográficos que se presentan en puertos y costas. Se observa que si tomamos en cuenta los valores de Hd para cada escenario de incremento, este valor varía desde 1.99 m para un estado cero de incremento del nivel del mar hasta 3.30 m para el escenario de incremento más alto en la sección 0+100, en el caso de la sección 0+600 los valores varían de 3.52 m a 4.42 m, en 1+000 estos valores varían de 4.50 m a 4.76 m y en el morro que corresponde al cadenamiento 1+400, estos valores oscilan de 4.99 m a 5.03 m, como se puede observar en el morro la variación es muy pequeña y en el cadenamiento 0+100 y 0+600 esta diferencia es mucho más considerable. Lo anterior se traduce en las diferencias de peso, volumen y costo. Como se puede observar, las diferencias en peso de cubos para los 5 escenarios son, en la sección 0+100, de 3.52 ton, en 0+600, de 5.01 ton, en 1+000, de 2.51 ton y en 1+400, la sección morro, la diferencia es de 0.51 ton. Para Core-locs esta diferencia es en la sección 0+100, 1.59 ton, en 0+600, 2.14 ton, en 1+000, 1.43 ton y en 1+400 sección morro 0.46 ton. Se puede observar que la sección que presenta más diferencia en peso es la sección 0+600. Con respecto al cálculo de volumen de concreto las diferencias fueron la sección 0+100, 1.45 m3 ton, en 0+600, 2.27 m3, en 1+000, 1.14 m3 y en 1+400 sección morro la diferencia es de 0.23 m3. Para Core locs, esta diferencia fue en la sección 0+100, 0.73 m3, en 0+600, 0.97 m3, en 1+000, 0.65 m3 y en 1+400 sección morro la diferencia es de 0.20 m3; el mismo caso las mayores diferencias se presentan para ambos tipos de elementos en la sección 0+600. Al realizar el mismo análisis para el cálculo del precio unitario por pieza los cubos calculados, se puede observar que en la sección 0+100, $3,615.00, en 0+600, $5,658.64, en 1+000, $2,841.76 y en 1+400 sección morro la diferencia es de $573.34; el mismo caso las mayores diferencias se presentan para ambos tipos de elementos en la sección 0+600. Para Core locs, hay una diferencia en la sección 0+100, de $3,614.55, en 0+600, $5,658.64, en 1+000, $2,841.76 y en 1+400 sección morro la diferencia es de $573.34; al igual que en los casos anteriores la mayor diferencia del costo se presenta en la sección 0+600. Se calculó por sección, el Índice de vulnerabilidad (Iv), se consideró el escenario cero el cual representa un valor normal y los escenarios de incremento del nivel del mar por efecto de cambio climático para 0.50 m ,1.00 m, 2.00 m y 3.00 m. Como parte de la metodología, se propuso una escala para categorizar el índice de vulnerabilidad, los resultados se basan tomando el precio unitario calculado por pieza para determinar el índice de vulnerabilidad por sección, el cual se calculó utilizando la siguiente ecuación:
Dónde: Iv = Índice de vulnerabilidad. x mín = Valor mínimo del rango de datos. x máx = Valor máximo del rango de datos.
Tabla 8. Escala para clasificación del Índice de vulnerabilidad (Iv).
Tabla 9. Índice de vulnerabilidad para el escenario de Incremento del nivel del mar de 3 m.
Gráfica 10. Indicadores de vulnerabilidad para el escenario de Incremento del nivel del mar de 3 m.
Se observa que la mayor vulnerabilidad está en la línea cercana a la costa, en los cadenamientos 0+100 y 0+600, en el cadenamiento 1+400 el impacto en el diseño de los elementos de coraza prácticamente tiende a cero. Por lo que se concluye que en los rompeolas diseñados con cubos ranurados o Core locs las zonas más vulnerables y con mayor impacto en el diseño ante los efectos del incremento del mar debido al cambio climático son las zonas más cercanas a la costa, entre más lejanas, este incremento no tiene un efecto significativo, como se puede ver en las siguientes tablas y gráficas. Para cubos ranurados tenemos: Tabla 10. Índice de vulnerabilidad para el escenario de Incremento del nivel del mar para los cuatro escenarios de incremento del nivel medio del mar.
Gráfica 11. Indicadores de vulnerabilidad para cubos ranurados.
Para Core-locs: Tabla 11. Índice de vulnerabilidad para el escenario de Incremento del nivel del mar para los cuatro escenarios de incremento del nivel medio del mar.
Gráfica 12. Indicadores de vulnerabilidad para Core-locs.
Con lo anteriormente expuesto, se puede interpretar que, si se contempla como medida preventiva para reforzar un rompeolas, esto no es necesario hacerlo a lo largo de toda la estructura, sino sólo en las partes con mayor índice de vulnerabilidad como se muestra en los resultados presentados. Cabe señalar la importancia de realizar la aplicación de esta metodología a otros casos de estudio y de elementos para mejorar la metodología propuesta y validar y hacer extensivos los resultados presentados en esta investigación que se realizaron como primera aproximación. En la publicación técnica No. 704 “Impacto del incremento del nivel del mar por cambio climático en el diseño de rompeolas“, en la cual se basa el presente artículo, se revisó la base de datos de la Comisión Nacional del Agua y de la estación meteorológica con la que cuenta el aeropuerto de la Ciudad de Veracruz, Ver., a fin de observar el comportamiento de las temperaturas y de las variables meteorológicas en la zona de estudio de 2002 a 2021, los resúmenes anuales de las diferentes variables, se presentan en tablas y gráficas, los cuales se pueden observar en el Anexo 1 de dicha publicación.
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OCAÑA Karina SERVÍN María Dolores “Las opiniones expresadas en esta publicación son de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista del Instituto Mexicano del Transporte.”
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