Análisis del efecto de la descarga fluvial en la distribución de salinidad de estuarios

Abstract

Los estuarios, especialmente los aluviales, son un tipo de morfología de transición entre el régimen fluvial y el litoral, con unas características únicas que surgen de la síntesis de los dos anteriores. Pese a que participan una gran multitud de factores puede establecerse que, a grandes rasgos, su hidrodinámica es fruto de la combinación entre la descarga fluvial, que afecta en mayor medida a la zona superior, y la marea astronómica, que predomina en la zona más cercana a la desembocadura. Es claro que la concentración de sal en estas mismas dos zonas será, o bien la correspondiente a la del agua dulce (primer caso) o bien la asociada al agua del mar (36 psu). La zona intermedia entre las dos anteriores, de comportamiento también intermedio, variará su posición de equilibrio en función de los condicionantes externos en el estuario, concretamente, debido a la variabilidad de la marea y de la descarga fluvial. La marea astronómica, causada por la interacción gravitatoria de la Tierra, la luna y el sol, provoca oscilaciones de nivel principalmente en dos escalas temporales distintas, con periodo diruno o semidiurno (pleamares y bajamares) o cada quince días (mareas vivas y muertas). Por otra parte, la variabilidad de la descarga estará asociada fundamentalmente al régimen de lluvias, de tal forma que el caudal medio en el río experimentará crecidas en las estaciones húmedas y se verá reducido durante el periodo estival. Estas variaciones provocarán la migración de la zona intermedia hacia posiciones más altas cuando las descargas sean reducidas o el régimen litoral sea de marea viva (acentuado en pleamar). En este mismo caso, la intrusión salina alcanzará sus valores máximos. Por el contrario, la zona de transición se concentrará en la parte baja del estuario cuando la descarga fluvial sea de gran envergadura o la participación de la marea se vea reducida por la ocurrencia de mareas muertas (aún menor en bajamar). La intrusión asociada a este escenario será, a su vez, mínima. Además de estudiar el alcance de la sal en el estuario, puede realizarse un análisis acerca de su distribución. Así, las condiciones hidrodinámicas en el estuario podrán dar lugar a situaciones en las que puedan distinguirse regiones de concentración homogéneas u otras en las que exista una fuerte variación de concentración en la columna de agua. Se habla en este último caso de un estuario estratificado y la ocurrencia o no del mismo puede determinarse en función de una serie de parámetros que dependen de la variación de concentración en la vertical (parámetro de estratificación) o del balance energético entre la descarga fluvial y la marea (número de Richardson). El objetivo de este trabajo es determinar cómo cambia la posición de la zona de transición y la distribución salina en el estuario, fruto de la interacción entre la dinámica litoral y la descarga fluvial, representada por posibles avenidas de distinto periodo de retorno. Concretamente, el estudio se centrará en torno al estuario del río Guadiana, en el cual se analizará la influencia de la construcción de la Presa de Alqueva en condiciones medias y el efecto de avenidas en régimen extremal de 500, 1000 y 2500 m3/s de caudal punta. Para ello, se elaborará un modelo numérico tridimensional en el software Delft 3D, que pasará por una serie de etapas. En primer lugar, deberá establecerse el dominio espacial del problema, lo cual se realizará partiendo de la aproximación geométrica que supone la consideración de un estuario idealizado. Se entiende por el mismo, a grandes rasgos, un entorno caracterizado por unos márgenes que convergen siguiendo una función exponencial y una profundidad aproximadamente constante. Los coeficientes que gobiernan estas formas geométricas se obtendrán de forma experimental. Una vez definida la geometría del modelo, sin perder de vista la discretización temporal, se procede a la definición de las condiciones iniciales y de contorno. El primer grupo de condiciones estará asociado a la posición de equilibrio de la cuña salina durante el régimen medio del estuario, mientras que el segundo deberá responder a condiciones hidráulicas que reflejen un comportamiento real. El último paso para completar el modelo será definir los parámetros físicos de mayor relevancia en el análisis, lo cual será fruto de un análisis de sensibilidad. Concretamente, se considerará el efecto de la fricción, la viscosidad y la difusividad en los ejes horizontal y vertical. Una vez finalizado el modelo se definirán las simulaciones necesarias para obtener los resultados del análisis, que serán discutidos y permitirán extraer una serie de conclusiones. Por último, se expondrán los aspectos a mejorar y la consecuente apertura de nuevas líneas de trabajo.

Alluvial estuaries are a kind of transition morphology between a river and the sea. However, its hydraulic characteristics are unique and different from those belonging to both mentioned. Despite the existence of many agents that take part in this performance, river discharge and astronomical tide are prevailing. Actually, the tide will control the closest part to the mouth and the discharge will determine the hydrodynamic of the highest area. Therefore, the salt concentration will be the one associated to sea and fresh water, respectively. The position of the space placed between these two zones will vary according to the dynamic balance between the river discharge and the tide. Astronomical tide, which is a result from the gavitational interaction between the Earth, the moon and the sun causes level variations along two different time scales, due to the existence of neap and spring tides and the short intra tidal period. On the other hand, the river discharge variability is determined by the rain regime. In this way, it will be reduced during the dry season and will reach it maximum volume during the wet months. Those variations will generate the migration of the intermediate zone upstream the river when the discharge is low or there is spring tide. In this case, saline intrusion is maximum. Conversely, salt concrentracion will be limited to the mouth when high discharge takes place or the sea level is in period of neap tide. Salt intrusion is, in this case, close to its lowest values. Additionally, a salt distribution analysis can be carried out. Considering different situations of river discharge, the salt distribution will respond to a well mixed estuary, where homogeneous regions can be distinguished, or a stratified estuary. The last case, associated to a high discharge on the river, implies hard vertical gradient of salt concentration and its determination is possible thanks to some numerical parameters. Two of them will be used during this investigation, and they are the stratification parameter, result of the salt difference between surface and bottom, and the Richardson’s Number, defined as the energetic balance between tidal and riverine energy. The main objective of this study is to determine how the salt intrusion (and distribution) changes due to different regimes in the estuary, considering tidal and discharge variation. Concretely, the study is focused on the Guadiana’s estuary, where two type of analysis are going to be excuted. First of all, the study is centered on ordinary conditions in the estuary and the influence of the construction of Alqueva’s Dam. After that, different hydrographs in extreme regime will be taken into account. In purpose to ahieve the aim of the study, a three dimensional numerical model is going to be generated in making use of Delft 3D software. First of all, geometry has to be generated. In order to represent it, the definition of an ideal estuary is taken as an approximation where banks are represented by an exponential function and depth is approximately constant. The numerical parameters needed will be extracted from different empirical studies. Once geometry is generated, the model proceeds with the definition of initial and boundary conditions. The first group of conditions will be associated to the equilibrium position of salt concentration during the normal situation in the estuary. The second one, on the other hand, needs to respond to a real hydraulic restriction. The last part of the model definition will be the determination of the main physical parameters, which are friction and vertical and horizontal viscosity and diffusivity. Once the modelling has finished, simulations will be defined in order to obtain the required results. After that, this document includes the discussion and conclusions from the analysis and the improvable aspects and future research lines.