Estudio del intercambio sedimentario playa-duna en la costa externa de la flecha del Fangar, Delta del Ebro

Resumen

Antecedentes Las dunas son acumulaciones de sedimento transportado por la acción del viento. Las dunas se dan en todos los climas, pero los sistemas dónde alcanzan una mayor extensión es en los desérticos, debido a los fuertes vientos y la gran disponibilidad de sedimento. En el caso de las dunas costeras, la fuente de sedimentos son las playas, donde los vientos soplan desde el mar transportando y acumulando la arena. Los sistemas dunares costeros son esenciales por sus funciones de defensa costera y por su relevancia ecológica. Durante el invierno, cuando las condiciones del oleaje son de alta energía, las dunas son erosionadas y el sedimento es depositado en la playa sumergida, formando barras de arena y configurando el perfil de invierno. Cuanto mayor son las olas, las barras migran a mayor profundidad. Estas barras ayudan a disipar la energía, haciendo que las olas rompan más lejos de la orilla, reduciendo la erosión de la costa. En verano el clima marino es menos energético haciendo que las barras migren hacia la costa reconstruyendo la playa y generando el perfil de bonanza. Con esta configuración se genera una berma que proporciona una superficie para que el viento levante los granos del lecho y los deposite tierra adentro. De esta forma las dunas vuelven a regenerarse cerrando el ciclo anual. Los sistemas dunares costeros tienen unas condiciones ambientales dinámicas, haciendo que el número de especies capaces de desarrollar su ciclo de vida en ellos sea muy bajo. Por ello, el conocimiento sobre el estado y evolución de los sistemas dunares, y los intercambios sedimentarios que determinan los mismos, son esenciales desde un punto de vista de gestión y conservación de los recursos naturales. El estado y la evolución de un sistema dunar se puede caracterizar mediante el seguimiento de su volumen y forma. Las dunas estarán degradándose si experimentan una tendencia a la pérdida de sedimento con el tiempo, y estará en crecimiento cuando el balance sedimentario neto tenga una tendencia positiva. El balance neto sedimentario puede obtenerse mediante la comparación de los volúmenes estimados mediante información topográfica. Cuando las dunas se comportan como sumideros de sedimento transportado por el viento, el modelo conceptual de intercambio sedimentario es sencillo y la obtención de las tasas de transferencia sedimentaria son inmediatas. Sin embargo, esta técnica no permite la estimación de los flujos de entrada y salida cuando el sistema de dunas se comporta como fuente y sumidero de sedimentos a la vez. En este tipo de sistemas, es necesario el empleo de modelos numéricos para la caracterización de los intercambios sedimentarios entre la playa y la duna en el corto plazo (meses-estaciones). La evolución de la línea de costa determina el volumen de arena disponible para alimentar los sistemas dunares. Una playa en acreción, tendrá cada vez un volumen mayor de sedimento que podrá pasar a formar parte de las dunas. Una playa en retroceso sufrirá el proceso contrario si esta actúa como fuente de sedimentos para las dunas, incluso facilitando su degradación debido a que la erosión por acción del oleaje será más pronunciada. Por tanto, la evolución geomorfológica de la costa determina las interacciones de transferencia sedimentarias entre los sistemas playa-duna. La caracterización de estas interacciones dentro de los subsistemas dunares y del interfaz playa-duna debe enmarcarse junto a los procesos de transporte sólido litoral que condicionan la evolución geomorfológica de la costa. El área de estudio se sitúa en la Flecha del Fangar (Delta del Ebro, Tarragona, España). Esta flecha litoral se ha formado por el transporte y sedimentación de antiguos lóbulos deltaicos erosionados y por la generación y anexión de barras de arena sumergidas. Debido a la construcción de presas en el tramo bajo del río, la cantidad de sedimentos que aporta el Ebro al sistema de transporte litoral se ha reducido drásticamente. La costa es un ambiente micromareal, sin efectos morfodinámicos considerables por lo que la evolución de la geomorfología del litoral del delta está determinada por la distribución del transporte de sedimentos producido por acción del oleaje. Las olas provienen mayoritariamente del Este, haciendo que el sedimento se transporte en dirección Norte en el Hemidelta Norte y en sentido contrario en el Sur. En la flecha del Fangar, esta distribución del transporte produce acreción en la costa de orientación norte y erosión en la costa de orientación noreste. Sobre esta península se desarrolla un sistema de dunas activas de unos 6 km de longitud. Su formación está relacionada con la orientación de la costa y la dirección de los vientos de mayor frecuencia e intensidad de dirección Noroeste (Mestral), hacia dónde migran las dunas. El modelo conceptual de interacción playa-duna muestra que los intercambios sedimentarios son complejos. El retroceso de la línea de costa produce la erosión del sistema dunar incorporando el material erosionado al esquema de transporte sólido litoral. La dirección predominante del transporte eólico hace que el sedimento acabe de nuevo en el mar. La acreción que se produce en el norte proporciona una zona fuente de sedimentos para el sistema dunar, permitiendo que el sistema prevalezca en el tiempo. Hasta la fecha, no se ha caracterizado los intercambios sedimentarios entre los sistemas playa-duna de la punta del Fangar, así como su interacción con la evolución geomorfológica de la costa. Objetivos Esta tesis tiene los siguientes objetivos generales y específicos: 1. Caracterizar las interacciones de intercambio sedimentario mediante modelización de la dinámica del sistema de dunas activo de la Flecha del Fangar. Los objetivos específicos necesarios para obtener los flujos eólicos de sedimento son: a. Desarrollar un modelo que permita estimar los flujos eólicos en el sistema de dunas activo, considerando los trabajos precedentes y las adaptaciones necesarias para su aplicación al área de estudio. b. Proponer y aplicar una metodología de calibración. c. Obtención de las tasas de transferencia sedimentaria según el esquema conceptual de la Flecha de El Fangar mediante la modelización de la dinámica dunar. 2. Desarrollar un modelo de dinámica sedimentaria que explique la evolución geomorfológica del Hemidelta Norte, basándose en el balance sedimentario de la región, incluyendo la interacción entre el transporte sólido litoral y el eólico. La evolución de la costa depende de la variación espacial de este balance, por lo que se plantea como objetivos específicos: a. Caracterizar los procesos a lo largo de la línea de costa. b. Caracterizar la distribución las tasas de transporte de sedimento por el oleaje y por procesos eólicos en el área de estudio. c. Evaluar los efectos sobre la evolución geomorfológica de los procesos de transporte. Metodología La estimación de los flujos de entrada y salida del sistema dunar se lleva a cabo mediante la aplicación de un modelo orientado al comportamiento. La alternativa a este tipo de modelos son los modelos de tipo físico. Estos estudian los comportamientos aerodinámicos para explicar cómo la arena se mueve debido a la acción del viento y cómo la tensión de corte se transmite a la superficie de la duna, explicando así la interacción entre morfología, viento y flujo de arena. Estos modelos son difíciles de implementar en un campo de dunas real, dado que la cantidad de datos necesarios para resolver estas ecuaciones es muy elevada. Entre los modelos orientados al comportamiento se encuentran los autómatas celulares (CA). Los CA han demostrado su capacidad para producir la mayoría de las formas dunares y las interacciones duna-duna. Estos discretizan el campo de dunas en una malla de celdas cuyos valores corresponden a la altura de arena media en ese punto. La dinámica de dunas se representa mediante dos algoritmos básicos: el de saltación y el de avalancha. En cada paso de tiempo, el algoritmo de saltación erosiona un volumen de arena de una celda y lo desplaza a un número de celdas a sotavento denominado longitud de saltación. El algoritmo de avalancha representa el fenómeno gravitacional que se da cuando la pendiente generada es inestable. La arena es recolocada en las celdas adyacentes hasta que se consigue un ángulo igual o inferior al ángulo de reposo. Los modelos preexistentes no son directamente aplicables al sistema dunar del Fangar debido a que sólo consideran el desplazamiento de las dunas en una dirección y porque no se vincula la tasa de erosión y la longitud de saltación con datos de viento. Por ello se ha tenido que programar un nuevo modelo que relacione los datos de viento reales (de dirección en intensidad variable) con la migración de las dunas. El modelo propuesto introduce ecuaciones empíricas, obtenidas en estudios experimentales previos en campo, para obtener una estimación del flujo de arena en el campo lejano. La variación del flujo de arena a lo largo del perfil de duna debido a procesos aerodinámicos (tanto el volumen de arena erosionada, como la longitud a la que es transportada) se introduce mediante unas variables fenomenológicas. Para introducir la variabilidad direccional del viento, se introducen sus componentes vectoriales para calcular la posición dónde deposita el volumen de arena erosionado. La variabilidad del viento también se introduce mediante la evaluación de las celdas que son susceptibles de ser erosionadas en función de su orientación relativa a la dirección del viento. El modelo lee modelos digitales del terreno (MDT) con la información topográfica del sistema dunar del estado inicial y final. El número de pasos de tiempo se establece en función del número de registros de datos de viento con una intensidad superior al valor umbral de transporte (determinada empíricamente para el área de estudio en trabajos previos). En cada paso de tiempo se ejecuta el algoritmo de saltación y avalancha, fijando como condición de contorno que no se produce la entrada de arena en el sistema. Por tanto, el modelo representa la migración de la arena preexistente. La principal asunción de este método es que se puede realizar una estimación razonable de los flujos de entrada y salida basado en a las diferencias de volumen entre los estados inicial y final medidos y el volumen del MDT resultante de la simulación. El flujo de salida se estima como la diferencia entre el volumen inicial y el obtenido con el modelo. La tasa de entrada se calcula como la diferencia entre el volumen del estado final medido y simulado. La calibración del modelo se aplicó a una pequeña región del sistema dunar de la Flecha de El Fangar. Esta se topografió con sistema de posicionamiento global diferencial (DGPS) entre el 15 y el 18 de Abril de 2012. Los datos de viento proceden de una estación meteorológica situada en el puerto de L¿Ampolla, al norte de la zona de estudio. Los datos de velocidad de viento se transformaron mediante una relación empírica para obtener la velocidad esperable en el campo de dunas. Durante este periodo se registraron rachas de viento superiores a los 15 m/s procedentes del noroeste. El procedimiento de calibración consiste en un análisis de sensibilidad del efecto que tienen los valores de las variables fenomenológicas en la reproducción geomorfológica del estado final del campo de dunas. La bondad del ajuste se establece en función de la migración obtenida y la posición de la cresta, así como la no aparición de efectos no observables en la escala de trabajo (como la formación de ripples, la pérdida de la morfología de la duna o la fuerte erosión de la misma). De la aplicación de esta metodología se derivaron los valores de las variables fenomenológicas a aplicar en todo el sistema. El modelo se aplica a los MDE recopilados previamente como seguimiento del campo dunar de El Fangar. El campo se divide en cuatro zonas en función de la morfología de las dunas. La existencia de diferentes morfologías se debe a que las tasas de intercambio sedimentario son diferentes. Por tanto, los flujos de entrada y salida de sedimento se estiman para cada área del campo dunar. La base de datos cubre el periodo 2005-2006, permitiendo hacer seis simulaciones para cada zona. El modelo conceptual de intercambio sedimentario planteado considera la alimentación remota a cada sistema desde la playa en acreción situada en el norte de la flecha, la transferencia entre zonas, la cesión por eólica al mar y la retirada de sedimento por la erosión producida por el oleaje. La probabilidad de erosión durante los periodos de simulación se evalúa considerando el perfil topográfico del sistema playa-duna y la estimación del nivel del mar. Este depende conjuntamente de la relación entre la marea meteorológica, la astronómica y el run up. A partir de los flujos eólicos de entrada y salida obtenidos con el modelo de dunas, el esquema de intercambio sedimentario se completa siguiendo las siguientes asunciones: (1) los flujos eólicos promedios obtenidos a partir de las simulaciones con una buena reproducción de la evolución geomorfológica son representativos de un año normal, (2) la principal fuente de sedimentos para cada subsistema dunar es su precedente, (3) la tasa a la cual el oleaje retira sedimento de las dunas se estima como el desajuste entre el balance sedimentario observado y el obtenido a partir de las tasas eólicas promedias, (4) si la salida de sedimento de una zona precedente es menor que la entrada predicha para una zona, entonces la zona recibe de forma remota sedimento eólico con una tasa igual a este descuadre, (5) la salida eólica desde la zona 4 va a parar al mar, (6) la salida de transporte eólico hacia el mar es estimada como la diferencia entre la salida promedia del área precedente y el intercambio sedimentario hacia la siguiente y, (7) la zona 1 sólo recibe sedimento de la playa de alimentación situada al norte de la flecha. El estudio de la interacción que tiene el intercambio sedimentario playa-duna con la evolución geomorfológica de la flecha se plantea mediante la modelización de la línea de costa. La interacción entre la forma de la costa y los gradientes en el transporte sólido litoral (TSL) determina la acreción o erosión de las playas. El sedimento acumulado en playas en acreción es retirado por el viento alimentando al sistema de dunas. El modelo planteado es del tipo ONE-LINE. Estos modelos simulan la evolución de la línea de costa mediante la estimación de los gradientes de TSL que se producen entre los extremos de tramos de costa denominados celdas litorales. Estos gradientes son introducidos en la ecuación de continuidad de sedimento, que junto a unas condiciones de contorno y a la profundidad de cierre del sistema, permite estimar el desplazamiento de los nodos prediciendo así la evolución de la línea de costa. El intercambio sedimentario playa-duna y los aportes de sedimento del río se introducen como un término de transporte transversal en la ecuación de continuidad que modifica los gradientes. Para poder asumir unas condiciones de contorno razonables para la simulación de la evolución de la flecha de El Fangar, el sistema modelado se debe ampliar a todo el Hemidelta Norte, asumiéndose unas condiciones abiertas en el extremo de la flecha del Fangar y en Cap Tortosa. El modelo puede estimar el TSL mediante dos ecuaciones empleando datos de altura y dirección de oleaje en rotura y considerando además la corriente local correlacionada empíricamente con la intensidad del viento. Para calibrar ambas ecuaciones se realiza un cálculo independiente de la tasa de transporte neto en cada nodo a partir de la evolución de la línea de costa observada para el periodo 1990-2011. Las características del oleaje a lo largo de la línea de costa se obtienen mediante la transformación de los datos en aguas profundas mediante el modelo SWAN y aplicando el método de las matrices de transformación. La altura y ángulo de ola en rompiente se estiman mediante formulación directa. El transporte eólico se calcula mediante formulación empírica considerando la orientación relativa al viento en cada celda y la dirección del viento. La descarga del rio se estima como el transporte de fondo a partir de los datos de caudal y de un modelo que considera las características del sedimento y la morfología de la sección del río. Para evaluar el posible efecto del intercambio eólico de sedimento en la evolución de la línea de costa, y la representatividad del efecto del viento sobre la generación de corrientes locales, se plantean cuatro simulaciones que combinan todas las dos posibilidades de cálculo de TSL y la consideración o no del transporte eólico. Estas simulaciones emplean como dato de entrada la línea de costa del 2004. El ajuste se evalúa mediante comparación del resultado de la simulación en 2010 con la posición de la línea de costa medida para ese año. Conclusiones Conclusiones generales Este trabajo constituye un aporte al conocimiento sobre la influencia de los procesos eólicos en el balance sedimentario de sistemas de baja energía (como el caso del Delta del Ebro).La evolución del litoral depende de los balances sedimentarios entre los diferentes subsistemas costeros, por lo que el desarrollo de herramientas que contribuyan a caracterizarlos es especialmente interesante. La principal contribución de este trabajo es el desarrollo de herramientas que ayudan a la definición del balance sedimentario en sistemas playa-duna. Los modelos desarrollados permiten cuantificar esta transferencia sedimentaria y evaluar de forma integrada la influencia de los procesos eólicos y litorales en la evolución de la línea de costa. El estudio realizado sobre la dinámica del sistema de dunas ha permitido mejorar la comprensión sobre los intercambios sedimentarios que se dan entre los sistemas playa-duna y entre los diferentes subsistemas del campo de dunas activo de la Flecha de El Fangar. La modelización de la evolución de la línea de costa ha permitido identificar la importancia de los fenómenos de transporte que se dan a nivel local a lo largo del Hemidelta Norte. Los resultados presentados, tienen implicaciones importantes a la hora de orientar futuras labores de conservación y gestión de los sistemas estudiados. Conclusiones sobre los métodos La revisión sobre los modelos de dunas preexistentes ha permitido orientar los trabajos de programación necesarios para caracterizar los intercambios sedimentarios que se dan en el sistema de dunas de la flecha del Fangar. La modelización de la dinámica dunar supone un avance respecto a las estimaciones de balance sedimentario neto que ofrecen los métodos de topografía de dunas, dado que permite la estimación de los flujos de entrada y salida del sistema. El CA generado y la metodología de calibración son de utilidad a la hora de caracterizar la dinámica de un sistema de dunas activo en un contexto de viento variable, con un requerimiento de datos bajo (Topografía, Intensidad y dirección de viento). Debido a la naturaleza estocástica del proceso de generación de dunas, la estimación de los flujos de entrada y salida requiere de la comparación de los MDE obtenidos mediante la simulación con los topografiados en campo. Para que estos MDE sean comparables, la escala temporal de trabajo debe ser lo suficientemente pequeña. Por ello, la estimación de los flujos eólicos mediante el CA sólo es posible cuando se cuenta con información topográfica del estado inicial y final del sistema de dunas. Esta estimación requiere también de una expresión empírica que relacione intensidad de viento con transporte eólico. Los valores de las variables fenomenológicas obtenidos durante la calibración han sido empleados en la simulación de la evolución de las cuatro zonas del sistema de dunas del Fangar. En la mayoría de las simulaciones planteadas, la reproducción de la migración de las dunas fue razonablemente ajustada a la observada, por lo que se pudieron obtener los flujos de entrada y salida con órdenes de magnitud consistentes con trabajos previos. La bondad del ajuste de la reproducción de la geomorfología final resultó ser independiente de las características de las dunas, validando la aplicabilidad de del procedimiento de calibración. El modelo de dinámica dunar tiene aplicaciones importantes en zonas donde es necesaria la caracterización de la dinámica de sistemas dunares activos, siendo una herramienta útil en tareas de gestión. Se ha conseguido desarrollar un modelo que permite evaluar la evolución de la línea de costa del sistema basado en la distribución de los balances sedimentarios locales, integrando los procesos de transporte longitudinal por acción del oleaje, las interacciones de intercambio sedimentario playa-duna y las entradas de sedimento por parte del río. Las distribuciones de transporte sólido litoral obtenidas por el modelo son similares a las observadas. Las tasas de transporte eólico obtenidas con el modelo de línea de costa son más bajas que con el modelo de dunas, sugiriendo un alto efecto en las estimaciones de flujo eólico cuando se considera la morfología de las dunas. La obtención de la distribución de las tasas de transporte sólido litoral y por procesos eólicos ha permitido identificar las regiones dónde el transporte eólico tiene efectos significativos en la evolución de la línea de costa. Las metodologías de transformación de oleaje, simulación de la línea de costa y estimación de la distribución de las tasas de transporte, han resultado muy útiles para discutir las diferencias entre los resultados del modelo y la evolución observada de la costa, permitiendo la identificación de las los procesos de intercambio que determinan localmente los balances sedimentarios con influencia significativa en los patrones de erosión y acreción costera. Por tanto, los métodos desarrollados son aplicables a cualquier región costera en la que se quiera caracterizar la importancia relativa de los fenómenos de transporte de sedimento en los patrones evolutivos a medio plazo, pudiendo tener importantes repercusiones en la planificación y gestión de la costa. Conclusiones sobre el Sistema El estudio y modelización de la dinámica del sistema dunar de la Flecha del Fangar ha permitido mejorar la comprensión sobre cómo las transferencias de sedimento determinan su evolución. Se observó en la zona 3, caracterizada por sus dunas de mayor tamaño, el mayor balance sedimentario positivo de todo el sistema. La zona 1, dónde se generan las protodunas también mostró una ganancia de sedimento, pero dos órdenes de magnitud por debajo de la zona 3. Las zonas 2 y 4 mostraron un promedio de pérdidas de sedimento. Las tasas de captación normalizadas por el área, mostraron que la zona 1 atrapa aproximadamente el doble de arena que la zona 4, a pesar de tener características geomorfológicas similares. La implicación de este resultado es que existe una dependencia fuerte con la posición relativa de la duna con respecto a la playa de alimentación. Las zonas 1 y 2 mostraron una tasa nula de transporte eólico de sedimento hacia el mar. Esto es debido a su posición respecto a la dirección predominante del transporte y la orientación de la costa. La zona 3 sí pierde sedimento por transporte eólico hacia el mar y es la más eficiente en la captación de sedimentos. En la zona 4, las pérdidas de sedimento por transporte eólico son mayores que las estimaciones de erosión por oleaje. Para esta, la única fuente de sedimentos es la que se genera por el transporte eólico desde la zona 3 que supone el mayor reservorio de sedimento del sistema de dunas. A pesar de tener un bajo volumen de arena, la zona 1 es de vital importancia ya que genera las primeras dunas que migran, y crecen hasta formar parte de la zona 2, aumentando progresivamente la eficacia en la captación de arena. Las dunas de la zona 4 provienen de la migración de los defectos generados en la zona 3, tendiendo a ser más pequeñas a medida que avanzan debido a que el suministro desde la zona anterior disminuye y no se compensa con la captación remota desde la playa de alimentación. En promedio, durante el periodo de estudio, el sistema presentó una tendencia a aumentar su volumen debido a la captación de sedimento de la zona 3. El intercambio sedimentario que se da de forma remota desde la playa norte de la flecha de El Fangar hasta las dunas de la Zona 2 y 3 es importante para el mantenimiento de su volumen. Dado que estas dunas suponen el mayor reservorio de sedimento del sistema, las medidas de conservación del campo de dunas deben estar orientadas a la reducción de la erosión y a aumentar la captura de sedimentos que se da mediante esta transferencia, especialmente para la zona 3. La tasa de acreción observada para la playa norte de El Fangar varía entre los 2 y 6 m/año. El retroceso de la costa hasta la playa de Riumar es de unos 4 m/año. La mayor tasa de erosión se da en la Isla de San Antonio, con tasas cercanas a los 30 m/año. El transporte sólido litoral neto máximo se estimó en 86·103 m3/año siendo consistente con los cálculos realizados en estudios previos y mostrando una tendencia a disminuir con los aportes del río. De acuerdo con esta, el transporte máximo disminuirá hasta alcanzar un mínimo de 70·103 m3/año. La distribución de las tasas netas de transporte tiene una alta correlación con la morfología de la costa y con la distribución de las condiciones de oleaje a lo largo de la misma. Los resultados de la transformación del oleaje durante el periodo de estudio ha permito estimar una profundidad de cierre en torno a los 2 m. El ajuste de las tasas de transporte observadas y estimadas con el modelo sugieren que la profundidad de cierre se ha sobreestimado en estudios previos, por lo que tuvo que corregirse el efecto de este parámetro con la reducción proporcional de la constante de transporte. La consideración del transporte eólico en el modelo de evolución de línea de costa sólo tuvo efectos en la punta del Fangar y en la playa de Riumar en secciones de costa dónde el TSL es reducido. En este último caso, la reproducción de la evolución de la línea de costa si se ajustó a la observada, indicando un papel importante del transporte eólico. Los resultados de las simulaciones mostraron discordancias importantes con la evolución observada en ciertas regiones, sugiriendo que existen otros procesos no recogidos en el modelo conceptual propuesto que son determinantes en la remodelación de la costa en estos puntos, como la anexión de barras sumergidas. El punto de movimiento nulo en la flecha del Fangar se ajustó mejor en las simulaciones que consideran el transporte eólico y la relación entre el viento y las corrientes locales. Líneas futuras de investigación Los resultados obtenidos han permitido satisfacer los objetivos de caracterización de las transferencias sedimentarias playa-duna en la Flecha de El Fangar, y la influencia de los procesos de transporte en la evolución de la línea de costa. Sin embargo, existen algunas líneas de investigación abiertas en torno a la mejora de la modelización matemática. Una de ellas es a inclusión de algoritmos en el CA que permitan la caracterización de la retención de arena en las dunas y de los mecanismos que controlan la generación de protodunas en la costa norte del Fangar. También son interesantes las mejoras orientadas a considerar la presencia de obstáculos en la trayectoria de saltación, así como la separación del flujo en la cara de sotavento de las dunas. El modelo de línea de costa necesita incorporar algoritmos que permitan predecir el efecto del oleaje generado localmente por el viento en el norte de la flecha. Otro objeto de estudio es la inclusión en los términos de transporte transversal del efecto de la morfología de las dunas y de la anexión de las barras sumergidas. ¿