Desarrollo de una nueva herramienta para la gestión de estuarios: modelado numérico idealizado

Abstract

Los estuarios y, en particular, los estuarios aluviales constituyen uno de los tipos de área litoral de mayor valor en múltiples aspectos; su elevado potencial como sumidero de carbono, su capacidad de laminación y defensa frente a inundaciones y su papel como hábitat de numerosas especies lo convierten en un entorno de gran valor ecológico. Más aún, el ser humano ha crecido en civilizaciones cercanas a estos lugares, en los que ha encontrado, además de una fuente de suministro, un medio para la explotación económica a través del transporte marítimo-fluvial y el aprovechamiento mediante diversas infraestructuras. Estas actividades antrópicas, así como el incipiente cambio climático, han supuesto una fuerte alteración del sistema que juega en contra del beneficio social; la subida del nivel del mar, sobre el que se producen nuevos y más frecuentes episodios de regímenes extremos, la excesiva regulación en algunos sistemas de explotación y las actividades de dragado para permitir el comercio marítimo son algunas de las causas que están provocando un ascenso del frente salino en los estuarios, con las nocivas consecuencias que ello conlleva, tanto desde el punto de vista ecológico como socioeconómico. Ante el confrontamiento entre el interés y la sensibilidad que presentan estos sistemas, el estado del conocimiento y las herramientas que permiten predecir su comportamiento y evolución son bastante limitadas, estando basadas en numerosos casos en la experiencia. Frente a ello, el presente trabajo desarrolla un modelo numérico de estuario idealizado cuyo fin es constituir una herramienta fiable para la predicción ante diversas situaciones, que se resumen en combinaciones de distinta descarga fluvial interaccionando con el régimen propio de la dinámica litoral. Este modelo pretende ser general y extrapolable, en el sentido de que pueda ser particularizado a estuarios reales para poder ser usado como herramienta para la toma de decisiones en su gestión. Su construcción parte del diseño de la malla de cálculo, que debe guardar un equilibrio entre precisión de resultados y tiempo de computación. El siguiente paso es dotar al modelo de una geometría realista, a través de la generación de la batimetría. En este sentido, y teniendo en cuenta que uno de los objetivos es medir la influencia de la geometría sobre el comportamiento hidrodinámico y la difusión de sustancias conservativas, se diseñarán cuatro modelos distintos en los que variará la convergencia de las funciones exponenciales que constituyen las márgenes del estuario, bajo las hipótesis de estuario idealizado. Tras la imposición de las condiciones de contorno y la consecución de unas condiciones iniciales correspondientes al estado estacionario del sistema en régimen medio, además de la elección de los parámetros físicos y numéricos tras un análisis de sensibilidad, se procede a la simulación del comportamiento del estuario ante descargas de distinta magnitud, tanto en régimen medio como extremal, eligiéndose en el segundo caso distintos rangos de caudal que pretenden generar distintas casuísticas de distribución salina en el sistema. Los resultados principales de la investigación, de cuya forma dependerá la fiabilidad de la herramienta, son el alcance y variación del frente salino y las condiciones de estratificación del flujo, íntimamente ligados al comportamiento hidrodinámico y, en particular, a la existencia de corrientes residuales. Todas estas variables difieren en función de la descarga y la geometría consideradas, obteniéndose comportamientos distintos en cada caso. Por otra parte, es la relación entre estos parámetros la que determine la clasificación del estuario, de la que se estudia su evolución espaciotemporal. Finalmente, se han extraído una serie de conclusiones acerca de los resultados obtenidos y se compararán con el estado del arte actual, tras lo que se establece el procedimiento para la particularización de la herramienta en vistas a conseguir una aplicación real de la misma a estuarios aluviales alrededor del mundo.

Alluvial estuaries are one of the most valuable systems that can be found in nature; its remarkable potential as carbon basins, its capacity for the defense against high river flow conditions and their potential for the development of wide ranging biodiversity suppose a very appreciated ecological value. Moreover, humans have always grown in civilizations clase to these places, where they have found a source of supply and wealth. Anthropogenic activites, as well as climate change, have brought a notable alteration in the behaviour of these systems, which plays against social benefits. Sea leve! rise, rainfiill and storm surge extreme oonditions, the excessive water regulation and the dredging activites along navigation channels are causing the increase of salt intrusion in estuaries, which has several environmental and socioeconomic impact. Despite the importance of these systems and their high sensitivity to changes in the environmental oonditions, the knowledge about their behaviour and the available management tools are quite limited and usually based in experience. To face this challenge, a numerical ideal estuary model is proposed in this document, which intends to be an accurate and reliable predictive tool to obtain the response of an estuary under different combinations of river discharge and tidal oonditions. In addition, this model must be general enough to ensure its applicability to any alluvial estuary as a management tool for decision-makers. The design of the three-dimensional model starts with the generation of geometry (grid and bathimetric files). To achieve one of the aims of this investigation, i.e., the analysis of geometry influence over hydrodynamics and salt transport, four different models were be generated. The difference between them is the value of the oonvergence length which appears in the ideal estuary geometry formulation, that was defined to obtain channel widths of 1000, 750, 500 and 250 meters at the upper boundary. After imposing boundary and initial oonditions, these lasts representing the standing state of the estuary under low-tlow river conditions, physical and numerical parameters were be determined and calibrated. Once the modelling has finished, different scenarios with different river discharges, from 2500 to 30 m3/s were simulated, covering the behaviour under low and high river flow conditions. For the later, the magnitude of the river discharge will determine the type of saline distribution along the estuary. The principal results ofthis research, on which the tool success rely, are salt intrusion and tlow stratification, which are fully oontrolled by hydrodynamics ami, specifically, by residual currents. These variables change in relation to river discharge and geometry and determine the estuarine classification, whose spacial and temporal evolution are analyzed. Finally, the results are discussed in order to compare with theoretical model or recent studies about estuaries dynamics and the main oonclusions found are summarized. After that, the procedure to implement this tool in real estuaries is described, so this investigation can find a real and useful application.