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En este estudio se realizó un análisis para determinar los principales impactos en el avance y retroceso en una sección transversal de playa ante los efectos del cambio climático, se determinó la importancia de investigar los efectos en la costa, concentrándose en la evolución geométrica de los perfiles de playa bajo esta premisa.
El perfil de equilibrio es un concepto teórico que se utiliza en el estudio de la morfodinámica de playas, como ejemplo el modelo de perfil de equilibrio de Inman et al (1993), que propone un perfil en dos tramos, donde el modelo ajusta una expresión al tramo de rompiente, donde la disipación de energía se debe a la rompiente del oleaje y una segunda parte está relacionada con el tramo de decaimiento, en aguas poco profundas donde la disipación está asociada a la fricción del oleaje con el fondo.
La ingeniería de costas se integra del cálculo del transporte y corrientes litorales, para realizar un planteamiento de un sistema que quiere estudiarse, se requiere simplificar el sistema del perfil de equilibrio, esta idealización toma en cuenta una parte mínima de aspectos geológicos, con un enfoque dirigido a la hidrodinámica.
En el estudio de los procesos costeros se realiza una simplificación en la que se toma en cuenta de forma independiente el transporte transversal y longitudinal de sedimentos, lo que permite utilizar y trabajar en dos escenarios morfológicos: la línea de playa en planta y el perfil o sección transversal de playa.
Las características y evolución morfológica del perfil de playa son determinantes para conocer los procesos costeros, así como para una gestión eficiente de la zona costera (Bernabeu, 2001). El perfil de playa es el fundamento teórico de modelos hidrodinámicos con disipación de oleaje en aguas someras, así como en modelos de corrientes litorales y su relación con el transporte de sedimentos, también en modelos donde se analiza la evolución de la línea de playa, como el modelo GENESIS (Hanson y Kraus, 1989) y en el perfil de playa el modelo SBEACH (Larson y Kraus, 1989).
En general todas las secciones transversales de playa tienen una disposición similar, ya que encontramos una pendiente más pronunciada en la zona cercana a la línea de playa y una pendiente más suave conforme nos alejamos de la parte continental. La similitud nos lleva al pronóstico de la evolución del perfil de playa con modelos matemáticos, así como a la obtención o aproximación del perfil de equilibrio.
Las principales aplicaciones de este concepto son:
1.- Medir el impacto de cambios en las variables.
Es un instrumento para medir el impacto de los agentes inductores llámense oleaje, corrientes, etc., y su relación con las características sedimentológicas en el perfil de playa y su influencia en la pendiente y forma del perfil.
2.- Modelo de predicción.
Al establecer dichas relaciones se puede pronosticar el comportamiento de un perfil de playa, lo que permite realizar análisis ante diferentes condiciones de oleaje incidente y de las características del sedimento.
La principal utilidad es tomar en cuenta los cambios morfológicos en una playa tanto cualitativa como cuantitativamente para el análisis del impacto y grado de influencia de los cambios en el oleaje, corrientes, etc., que se tendrán debido a la construcción, ampliación o modernización de las obras de infraestructura portuaria y costera en los procesos costeros.
Es de suma importancia estimar el grado de vulnerabilidad del impacto que se pronostica para los diferentes escenarios del incremento del nivel del mar por efecto del cambio climático, con el fin de poder proponer medidas que permitan evitar, mitigar o bien recuperar zonas costeras ante los impactos y la materialización de los riesgos de los diferentes pronósticos y proyecciones que las fuentes prevén.
La vulnerabilidad de un sistema está en función del grado de sensibilidad, su grado de respuesta, y el grado de adaptación al cambio. Los sistemas costeros tienen una gran capacidad de adaptación; su respuesta ante incremento en el nivel del mar además de la inundación será la reorganización de la dinámica de los sedimentos. Existe una relación entre el incremento en el nivel medio del mar y el retroceso de la línea de costa; a largo plazo en sistemas abiertos de playas de duna, el retroceso depende de la aportación de arena, el gradiente costero y el incremento del nivel del mar; dicho retroceso puede pronosticarse mediante el uso de la metodología propuesta por Bruun, la cual aplica para playas desprotegidas y no consolidadas, está metodología no considera otros factores como oleaje por tormenta o vegetación (Figura 1).
Fuente: (Bruun, 1962). Figura 1. Representación del retroceso de la playa (Bruun,1962).
Para el desarrollo de este estudio, se realizó la recopilación de información de oleaje y de secciones de playa necesarias para determinar las variables principales para los modelos numéricos e hidráulicos, así como el perfil de playa y pendiente tipo, se revisó el estado del arte referente a la relación entre los perfiles de playa y el cambio climático. Se definió como caso de estudio la zona Norte de la ampliación del puerto de Veracruz, donde se construyeron los diferentes escenarios para comparar las condiciones en el estado actual y de los diferentes incrementos del nivel del mar pronosticados por efecto del cambio climático.
Fuente imagen: Google Earth. Figura 2. Puerto de Veracruz, Ver.
Se definió como zona de estudio, el polígono ubicado al norte del conocido puerto de Veracruz en la zona de la Ampliación, misma que se delimita por el río medio y el rompeolas Poniente como se puede observar en la figura 3.
Fuente imagen: Google Earth. Figura 3. Zona norte de la Ampliación del Puerto de Veracruz, Ver.
Secciones Transversales de playa La sección de playa tipo que se utilizó para este trabajo se obtuvo de los levantamientos de secciones transversales de playa en la zona comprendida entre el río de La Antigua y la playa Norte del rompeolas Poniente de la ampliación del Puerto de Veracruz. Las secciones se realizaron a cada 250 m del cadenamiento 0+000 a 12+942, ver figura 4.
Fuente: Google Earth. Figura 4. Línea de costa entre el Puerto de Veracruz y la desembocadura del rio La Antigua.
MODELACIÓN NUMÉRICA DE LA EVOLUCIÓN DE LOS PERFILES DE PLAYA Para la revisión del comportamiento del perfil de playa se realizaron simulaciones numéricas con el programa SBEACH, que permitieron conocer el comportamiento de una sección playera para diferentes condiciones de incremento del nivel del mar por cambio climático, para mismas condiciones de oleaje. Se tomó en cuenta la información del levantamiento de las secciones transversales de playa se seleccionó una sección transversal tipo para obtener el perfil de playa que se utilizó en el modelo numérico, se utilizó la pendiente promedio obtenida de las secciones.
Fuente: IMT (2023). Figura 5. Sección transversal tipo utilizada para las modelaciones numéricas.
DESCRIPCIÓN DEL MODELO NUMÉRICO Modelo basado en el algoritmo de Leont’yev (1996), dicho modelo utilizó las aproximaciones energéticas (Battjes ans Janssen, 1978), con el balance de energía del oleaje en la dirección transversal de la playa controlada por el ángulo de propagación del oleaje, la velocidad de grupo, la energía del oleaje y la disipación debido a la rompiente.
Fuente: Larson, 1988. Figura 6. Comparación teórica de perfiles, donde s es el retroceso de la línea de playa y α es el incremento del nivel del mar por efecto de cambio climático.
El modelo de Larson and Kraus (1989), es un modelo morfodinámico, el cual consiste en la combinación de la hidrodinámica y el transporte de sedimentos en el sitio de estudio. La parte hidrodinámica consiste en la transformación del oleaje, la cual se expresa de la siguiente manera:
Donde: k es el coeficiente empírico del decaimiento del oleaje EF es el flujo de energía del oleaje EFs es el flujo de energía estable del oleaje El transporte de sedimentos está definido por el flujo de energía de oleaje y la pendiente de la playa, y su expresión se muestra de la siguiente manera:
Donde: K = es el coeficiente empírico del transporte. D = es la disipación de energía de oleaje por unidad de volumen. Deq = es la disipación de energía en equilibrio por unidad de volumen. Finalmente, el desarrollo de las ecuaciones se realiza mediante el método de diferencias finitas y el perfil de playa se discretiza para su análisis.
Fuente: Larson, 1988. Figura 7. Esquema del modelo SBeach.
Las condiciones que se utilizaron para las modelaciones numéricas y físicas se muestran a continuación:
Tabla 1. Condiciones para las simulaciones numérica y física de la evolución del perfil de playa.
Fuente: IMT (2023).
Los resultados de las simulaciones numéricas con el software SBEACH con las condiciones de diseño se resumen a continuación en la siguiente figura.
Figura 8. Resumen de los resultados de las modelaciones numéricas para la evolución del perfil de playa con el programa SBEACH.
Se analizaron y compararon los datos obtenidos para los incrementos del nivel del mar (ICC= 0.00,0.50,1.00,2.00 y 3.00m), para cada altura de ola (H=1.00 y 2.00m), así como para cada periodo considerado (T= 6, 8,11s).
ENSAYOS EN MODELO HIDRÁULICO DEL CAMBIO EN EL PERFIL DE PLAYA DEBIDO AL INCREMENTO DEL NIVEL DEL MAR
Se realizó un modelo hidráulico de fondo móvil para determinar la evolución de un perfil de playa, en el canal de olas ancho ubicado en el Instituto Mexicano del Transporte, para revisar el efecto del incremento del nivel del mar debido al cambio climático. El principal objetivo fue determinar el cambio en la geometría de un perfil de playa, debido al incremento del nivel del mar y analizar sus principales efectos e impactos, identificar el comportamiento del perfil de playa y analizar ante las diferentes condiciones el oleaje incidente en relación con las características del sedimento. Con la información analizada y los escenarios de oleaje propuestos, se calculó el retroceso de la línea de playa en la sección transversal, con base a los resultados del modelo hidráulico, se realizó el análisis de la información. La selección de las escalas de líneas con las que se construyó el modelo hidráulico en el canal de olas se realizó al considerar la configuración batimétrica del perfil de playa, se seleccionó la relación entre las alturas de ola del prototipo y la capacidad de generación del oleaje de los equipos, el tirante máximo a representar y de las condiciones de oleaje a estudiar en el modelo hidráulico, la escala vertical fue de 1:20 y la horizontal de 1:24 con una distorsión de 1V:5H. El modelo hidráulico de fondo móvil se construyó, en un canal de olas de 35 m de largo, 4.90 m de ancho y 1.20 m de profundidad; las simulaciones se realizaron para alturas de ola de 1 y 2m y para periodos de 6.39s, 8.60s y 11.01s, y para incrementos del nivel del mar de 0,0.5,1.0,2.0 y 3.0m; para la generación del oleaje se utilizó el espectro BRETSCHNEIDER-MITSUYASU. Para la medición de la altura de ola del modelo hidráulico, se utilizaron 2 sensores de oleaje tipo resistivo de ±5 volts de resolución, colocados a una distancia de 1.5 veces la longitud de la ola frente al perfil de playa, esto con objeto de medir la altura de ola incidente. Adicionalmente, se colocaron 2 sensores de tipo capacitivo colocados en la orilla de playa del perfil playero, con la finalidad de medir las alturas de ola incidentes en esa zona.
Figura 9. Puntos de control para las mediciones de los cambios del perfil de playa en el modelo hidráulico.
El nivel de referencia fue 0.00 m, referido al Nivel de Bajamar Media (N.B.M.), los ensayos consistieron en someter la sección de playa durante 24 horas (prototipo) a las alturas de ola [H] de 1 m y 2 m (12 horas cada una), para cada uno de los periodos [T] establecidos (6.39 s, 8.6 s y 11.01 s).
Figura 10. Imagen representativa de la ubicación de los puntos de control para las mediciones de los cambios del perfil de playa del modelo físico.
Con objeto de determinar el cambio en el perfil de playa sujeto a las condiciones de oleaje previamente establecidas en los programas de ensayo, se llevaron a cabo las pruebas en modelo físico del perfil de playa seleccionado con la siguiente metodología: (1) Se representó en el modelo físico el perfil de playa seleccionado, se indicó el trazo de dicho perfil en las ventanas de observación del canal de olas con el objeto de tener identificada la línea original y poder tomar las mediciones del cambio que sufrió dicho perfil después de ser sometido al oleaje. (2) Se seleccionaron los puntos de referencia, los cuales se midieron durante el desarrollo de los ensayos en el modelo físico (ver figura 10). (3) Se dio inicio con el nivel del mar 0.00 con el primer periodo de la ola, se sometió al perfil de playa a las alturas de ola de 1 m y 2 m (prototipo) durante 12 horas cada una con la finalidad de completar las 24 horas (prototipo). (4) Para el presente estudio se realizaron mediciones en los puntos de referencia seleccionados cada 4 horas hasta completar las 24 horas (prototipo). (5) Posteriormente, al finalizar el lapso de 24 horas se reconstruye el perfil de playa y se somete nuevamente a las alturas de ola establecidas (1 m y 2 m prototipo) pero esta vez con el siguiente periodo de ola y así sucesivamente para todos los periodos de ola seleccionados. (6) Una vez terminados los periodos de ola seleccionados para el nivel del mar 0.00, se realiza el mismo procedimiento incrementando el nivel del mar de acuerdo con el programa establecido en la tabla 1 (+0.5 m, +1.0 m, +2 m y +3 m) con la finalidad de verificar el cambio que sufre el perfil de playa con cada incremento al nivel del mar.
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS De los resultados obtenidos en los ensayos experimentales del cambio del perfil de playa por el incremento del nivel del mar debido al cambio climático, se desataca lo siguiente: En los ensayos en modelo físico de fondo móvil para obtener el cambio del perfil de playa debido al incremento del nivel del mar, se pudo observar que después de determinado tiempo de ser sometido a ciertas condiciones del oleaje, el perfil de playa adquiere estabilidad de forma tal que ya no sufre ningún cambio en la sección. En las siguientes gráficas se pueden observar los cambios que sufrió el perfil de playa al incrementar el nivel del mar de 0.0 m a +3.00 m, con cada uno de los periodos analizados, donde se observó que el más desfavorable fue el incremento de +3.00 m.
Gráfica 1. Cambios del perfil de playa con los diferentes niveles del mar estudiados para el periodo [T] de 6.39 s.
Gráfica 2. Cambios del perfil de playa con los diferentes niveles del mar estudiados para el periodo [T] de 8.60 s.
Gráfica 3. Cambios del perfil de playa con los diferentes niveles del mar estudiados para el periodo [T] de 11.01 s.
PROPUESTA DE MEDIDAS DE MITIGACIÓN Al identificar el fenómeno de cambio climático, la primera estrategia para la mitigación de sus efectos fue el reducir a toda costa las emisiones de CO2, conforme de acuerdo a lo que se investigó acerca del comportamiento y de todos los efectos, se determinó que hasta ahora, la estrategia que resulta más factible y práctica es impulsar políticas de adaptación y mitigación que permitan reducir sus efectos, se debe tomar en cuenta que los dos tipos de estrategias se complementan y están dirigidas al mismo objetivo. Las estrategias de mitigación están encaminadas a combatir la causa y minimizar los posibles impactos del cambio climático y las estrategias de adaptación se enfocan en “analizar la forma en la que se pueden disminuir las consecuencias negativas del cambio climático, así como en identificar las oportunidades para mejorar el medio ambiente”.
Identificación del problema: Debido a las variaciones en los patrones de corrientes, a la disminución en el aporte hídrico desde las zonas altas de la cuenca, disminuyó el caudal ecológico, lo que ocasiona que las desembocaduras reduzcan su aporte de sedimentos a los litorales, una de las consecuencias puede ser el cierre o la disminución de las áreas hidráulicas, lo que disminuye el intercambio de agua dulce y salada, modificándose las condiciones morfodinámicas de la zona y ocasiona zonas de erosión y de azolvamiento o depósito que desequilibra el balance natural de la zona. Descripción del Escenario de Línea Base: Actualmente los pobladores de las zonas costeras buscan otras formas alternativas de trabajo, la disminución en producción pesquera y acuícola es notable y los cambios en la diversidad de especies, también el cambio en los patrones de circulación costera ocasiona que los cierres o la disminución de las áreas hidráulicas de las desembocaduras sean prácticamente permanentes cuando eran cíclicos y había recuperación natural del entorno, se crean zonas de erosión y depósito que afectan al ecosistema. Solución planteada al problema: Realizar una investigación integral y sistémica acerca de las principales variables que impactan en el cierre de las desembocaduras y el desequilibrio en el balance sedimentario, como la gestión de los recursos hídricos y los caudales ecológicos, para establecer las medidas de regulación de los recursos hídricos como medida de mitigación y las propuestas de obras que protejan las costas. Resultados Esperados y Contribución a la Acción Climática (Escenario con proyecto): Establecer las medidas necesarias de adaptación y mitigación ante los efectos del cambio climático para recuperar el balance sedimentario en la zona Norte de la playa aledaña a la ampliación del puerto de Veracruz y con ello mejorar la situación de las poblaciones cercanas a la costa. Cobeneficios Ambientales
Cobeneficios Sociales
CONCLUSIONES
Se puede observar que las secciones tienen una variación con respecto al perfil de playa inicial, las diferencias se revisaron en los puntos 1,3, 5, 6, 9 y del 10 a 12, para determinar el grado de impacto del incremento del nivel del mar debido al cambio climático, el cual varió en los puntos 1 a 9 desde 0 hasta 16m de retroceso y en los puntos 10 a 16 no hubo una variación significativa, pero si la presencia de formación de rizos. Este modelo sirvió para determinar la evolución de un perfil de playa, y representar numérica y físicamente la relación que existe entre la altura y periodo del oleaje con las características de los sedimentos que conforman una playa y la variabilidad en su geometría de acuerdo al incremento del nivel del mar debido al cambio climático; se observó que existe un punto en la sección, donde estas variables ya no tienen un efecto en la pendiente, se observó también la formación de rizos en el fondo los cuales también tienen un patrón relacionado con la distancia y la profundidad de la sección y con el inicio de movimiento del sedimento. En las simulaciones numéricas se observó que el principal efecto del incremento del nivel de mar debido al cambio climático se presenta entre los 150 a 300 m de la sección transversal, en la parte de la cara de la playa el efecto es similar en casi todas las secciones, lo anterior a las condiciones que se idealizan en el modelo numérico, se puede observar que la mayor diferencia es para el incremento de +3.00m, para el incremento de +0.50m se observa que la influencia en la geometría del perfil sólo afecta en un grado menor el perfil. En el modelo hidráulico se observa que, a diferencia de la simulación numérica, el retroceso en cada una de las secciones si se vio directamente impactada por el incremento del nivel del mar en la cara de la playa, los retrocesos variaron de acuerdo con el incremento del nivel del mar. En los ensayos en modelo físico de fondo móvil para obtener el cambio del perfil de playa debido al incremento del nivel del mar, se pudo observar que después de determinado tiempo de ser sometido a ciertas condiciones del oleaje, el perfil de playa adquiere estabilidad de forma tal que ya no sufre ningún cambio en la sección. Para los resultados de la sección ensayada con el incremento de+3.00m se detectó que se forma un escalón a una elevación diferente en dos partes de la sección, la forma del retroceso varía de acuerdo con el periodo al que fue sometido el perfil playero y se registraron cambios en el fondo de una distancia de 150m a 250m de distancia, después de esa distancia se estabiliza la pendiente de la sección.
REFERENCIAS Alexandra, T., Inigo, J. & Paula, C. (2016). Managing costal erosion under climate change at regional scale. US: Coastal Engineering. Allenbach, K. Garonna, I., Herold, C. Monioudi, I., Giuliani, G., Lehmann, A & Velegrakis, A. (2014). Black sea beaches vulnerability to sea level rise. USA: Enviromental Science and Policy. Bruun, P. (1988). The Bruun rule of erosion by sea-level rise: A discussion on large-scale two and three dimensional usages. USA: Journal of Coastal Research. Comisión Económica para América Latina [CEPAL]. (2007). Presentación Regional del Reporte, Cambio Climático 2007: Impactos, Adaptación y Vulnerabilidad por autores del Grupo de Trabajo II del IPCC de México, Costa Rica y Venezuela. México: CEPAL. Conde, C. (2003). Cambios y variabilidad climáticos, Dos estudios de casos en México. [Tesis de Doctorado en Ciencias de la Tierra]. México: UNAM. Conde, C. y Palma, B. (2005) Escenarios de riesgo para el territorio veracruzano ante un posible cambio climático. México: Universidad Veracruzana. Dean, R. (1991). Equilibrium beach profiles: characteristics and applications. USA: Journal of Coastal Research. González Moreno, J. (2017). Metodología de análisis geoespacial para estudios de hidráulica marítima-costera mediante la aplicación de Vehículos Aéreos No Tripulados y equipos topográficos de última generación. [Publicación técnica No.527]. México: Instituto Mexicano del Transporte. Instituto Nacional de Ecología. (2012). Guía Metodológica para la Evaluación de la Vulnerabilidad ante Cambio Climático. México: INE/PNUD. Intergovernmental Panel on Climate Change [IPCC]. (2007). Climate change and its impacts in the near and long term under diferent scenarios. [Synthesis report]. USA: WMO. Intergovernamental Panel on Climate Change [IPCCC]. (2007). Summary for Policymakers. In: Climate Change 2007: Mitigation. Contribution of Working Group III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. USA: Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York. Marcomini, S. (2008). Erosión y manejo costero en Villa Gesell. Argentina: Departamento de Geología, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. Ocaña, K. (2016). Metodología para la caracterización de zonas costeras. [Tesis de doctorado]. España: Universidad Politécnica de Madrid. Patrick, D. (1998). Sea-Level over the past 1000 years in the Pacific. USA: Journal of Coastal Research. Tejeda, A. (2003). Los cambios climáticos actuales. [Gaceta 62]. México: Universidad Veracruzana. Tsanakas, K. (2017). Sea level rise impact on the beach zone of Katerini region NW Aegean sea, USA: 15th International Conference on Enviromental Science and Technology. Universidad Nacional Autónoma de México [UNAM]. (2001). Potencial de la investigación científica y tecnológica en materia de cambio climático en México. México: Secretaría de Investigación y Desarrollo de la UNAM. United Nations Environment Programme. (2010). Linking Ecosystems to Risk and Vulnerability Reduction. The Case of Jamaica. Results of the Pilot Assessment. Suiza: Manual RIVAMP. Vázquez Botello, A. (2008). Evaluación regional de la vulnerabilidad actual y futura de la zona costera mexicana y los deltas más impactados ante el incremento del nivel del mar debido al cambio climático y fenómenos hidrometeorológicos extremos. México: Instituto Nacional de Ecología. OCAÑA Karina Griselda CASAS Cindy “Las opiniones expresadas en esta publicación son de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista del Instituto Mexicano del Transporte.” |
