Análisis del efecto de los dragados en la distribución de salinidad de estuarios aluviales

Abstract

Los estuarios aluviales son ecosistemas singulares donde se encuentran la desembocadura de un río y el mar, constituyendo la zona de transición entre el régimen litoral y fluvial donde se produce la mezcla entre el agua dulce y salada. Estas formaciones se caracterizan por su gran dinamismo hidrodinámico, ya que son influenciados por diversos agentes como las mareas, el oleaje, la descarga fluvial y el transporte de sedimentos proveniente de diferentes fuentes, entre otros. Así, la compleja interacción de todos los factores que intervienen en su equilibrio dinámico los convierte en medios altamente sensibles, con un tiempo de vida generalmente corto. No obstante, estas condiciones confieren a los estuarios el desarrollo de características propias de ambos cuerpos de agua (litoral y marino), lo que resulta en un hábitat único para una amplia diversidad de fauna y flora, ya que poseen una alta riqueza de nutrientes y variedad de recursos. Al mismo tiempo, los estuarios desempeñan un papel estratégico en el desarrollo y realización del comercio internacional desde tiempos remotos, ya que son vías de navegación hacia los puertos interiores. De esta manera, son áreas de gran interés e importancia económica para la sociedad, por lo que se debe asegurar su mantenimiento regular para garantizar la navegabilidad de los barcos a través de las operaciones de dragado. Asimismo, la diversa circulación de nutrientes y sus características topográficas, siendo terrenos generalmente llanos y fértiles, los convierten en lugares ideales para la agricultura. La coexistencia de diferentes intereses en los estuarios genera inevitablemente la confrontación entre diversos sectores de la sociedad. Ante estas presiones antrópicas, es crucial reconocer que estos ecosistemas requieren de una protección ambiental especial para su conservación, debido a la alta sensibilidad y valor ecológico que tienen. Para lograr esto, deben estudiarse detenidamente los procesos físicos que se llevan al cabo en estas formaciones, para su correcta gestión y promover el desarrollo sostenible de las actividades que se realizan en su dominio. En este sentido, este trabajo se dedica a analizar el efecto que tienen los dragados en la distribución de salinidad de los estuarios, que es uno de los aspectos más importantes en la salud ambiental de estos entornos, ya que puede tener un impacto considerable en la vida silvestre, así como en la producción de la agricultura local. Para ello, la primera parte del trabajo se centrará en describir y clasificar el comportamiento general de los estuarios aluviales, así como los principales factores que intervienen en su dinámica, que son la marea astronómica y la descarga fluvial. Asimismo, se destaca cómo la forma de los estuarios aluviales influye significantemente en su respuesta hidrodinámica, y cómo muchos de estos estuarios comparten características geométricas similares en todo el mundo, lo que nos permite introducir el concepto de estuario idealizado. A grandes rasgos, un estuario idealizado se define como aquel que se encuentra en un régimen síncrono, es decir, en equilibrio energético; donde la pérdida de energía por los efectos de la fricción es igual a la ganada por unidad de anchura debido a la convergencia de los márgenes. La geometría de los estuarios ideales que permite alcanzar este régimen se caracteriza por una convergencia exponencial de los márgenes y una profundidad del lecho aproximadamente constante. En este trabajo, utilizaremos un modelo numérico tridimensional en el software Delft3D que ha sido previamente realizado y validado tras un análisis de sensibilidad (G. Martín Llanes, 2022). Este modelo se construye sobre la base de la definición geométrica de los estuarios ideales y ha sido desarrollado específicamente para evaluar los cambios en la salinidad en respuesta a modificaciones geométricas de la batimetría, lo que lo hace adecuado para nuestro estudio. Esto nos permite adentrarnos plenamente en el análisis hidrodinámico del modelo original, que se encuentra en condiciones razonablemente intermedias, para así pasar a estudiar las consecuencias que conllevan los cambios en el perfil longitudinal del estuario al simular los dragados. Para cuantificar la evolución de la distribución de salinidad, utilizaremos varios parámetros de interés entre los que destacamos fundamentalmente la intrusión salina. Esta se define como la posición a lo largo del estuario donde los niveles de salinidad son de 3.6psu, que corresponde al 10% de la concentración del agua del mar. Por tanto, los resultados principales de la investigación se centran en el seguimiento espaciotemporal del frente salino, que estará estrechamente relacionado con el comportamiento hidrodinámico del sistema. De ahí la importancia de comprender adecuadamente el marco teórico de los estuarios, que nos permitirá la correcta interpretación y conclusión de los resultados obtenidos por el modelo. Por último, se pretende ampliar el alcance del trabajo analizando el efecto que tiene el incremento de la descarga fluvial en la distribución de la salinidad en los estuarios. Esto nos permitirá evaluar valores de descarga asociados a eventos extremos, como avenidas provocadas por regímenes de lluvias intensas, así como posibles descargas puntuales provenientes de cauces regulados aguas arriba con la presencia de una presa. Esto último podría considerarse una medida interesante para contrarrestar el avance del frente salino, y explorar posibles estrategias de gestión para mitigar los impactos negativos que tienen las operaciones de dragado.

Alluvial estuaries are unique ecosystems where a freshwater river or stream meets the ocean, so they constitute the transition zone between the coastal and fluvial regime where the mixture between fresh and salt water occurs. These formations are characterized by a high hydrodynamic activity, since they are influenced by various external drivers such as tides, waves, fluvial discharge, and sediment transport from different sources, among others. Thus, the complex interaction between all these factors makes them highly sensitive systems, resulting in their generally short lifetime. However, these conditions provide estuaries with a unique habitat for a wide diversity of fauna and flora, since the influence of both bodies of water (coastal and marine) result in a high concentration of nutrients and a variety of natural resources. At the same time, estuaries play a strategic role in the development of international trade since ancient times, as they are the only navigation channels to reach inland ports. In this way, these areas are of great interest for the economic wealth of society, so their optimum conditions must be ensured through periodic dredging operations for their maintenance. In addition, the diverse circulation of nutrients that occurs as well as their natural topography makes them ideal places for agriculture, since they generally consist of flat and fertile land. The coexistence of different activities that take place in estuaries inevitably generates confrontation between different sectors of society. However, it is crucial to recognize that these ecosystems require special environmental protection due to their high sensitivity and ecological value, which can be threaten by these anthropogenic pressures. To achieve this, a detailed study of the behaviour and physical processes of estuaries must be carried out, so that their sustainable management is possible. In this way, this report aims to contribute to the sustainable development by analysing the effect that dredging has on the distribution of salinity in estuaries, which is a strong indicator of environmental health in these environments. As a result, the potential negative impact affecting wildlife and local agricultural production could be mitigated. The first part of the work will focus on describing and classifying the general behaviour of alluvial estuaries, as well as the main factors affecting their fluid dynamics. Out of these agents, astronomical tide and river floods are the two most important. Furthermore, this essay focuses on the importance of the shape of alluvial estuaries in their hydrodynamic response, observing similar geometric characteristics among a wide range of estuaries all over the world. This allows us to introduce the concept of ideal estuary, which is defined by approximately constant depth and exponentially varying width. In an ideal estuary (according to Langbein, 1963) the convergence of the estuary banks is just sufficient to balance the damping of the tidal range due to friction, reaching an energetic equilibrium. We we will use a three-dimensional numerical model thought the Delft3D software that was previously carried out by G. Martín Llanes in 2022, where a sensitivity analysis was also made. The implementation of the model was based on the geometric definition of ideal estuaries and was specifically developed for the study of salinity changes in response to geometric modifications, which makes it suitable for our study. This allows us to deepen the hydrodynamic analysis of the original model, which reasonably represents intermediate conditions, for the correct study of the effects of dredging operations. To quantify the evolution of the salinity distribution, we will use several parameters of interest, among which we highlight the saline intrusion. It is defined as the position along the estuary where salinity levels are 3.6psu, which corresponds to 10% of the seawater concentration. Therefore, the main results of the research focus on the spatiotemporal monitoring of saline levels, which will be closely related to the hydrodynamic behaviour of the system. Hence the importance of a correct understanding of the theoretical framework of estuaries necessary to interpret and conclude the results obtained by the model. Finally, it is intended to broaden the scope of the research by analysing the effect that an increase in river flow discharge on the distribution of salinity in estuaries. Hereby we can evaluate discharge values associated with extreme events, such as floods caused by heavy rains, as well as possible controlled discharges from an upstream dam. This could be an interesting measure to counteract the advance of saline intrusion and improve management strategies to mitigate the negative impacts of the dredging operation.