Análisis de los efectos de la descarga del canal del dique sobre la estratificación salina de su desembocadura a la bahía de Cartagena

Analysis of the effects of the channel release from the dam on the saline stratification of its movement to the Cartagena bay

Los estuarios son "cuerpos de agua semi-cerrados, con conexión libre y abierta hacia el mar, y en el cual la dilución del agua del mar y el agua fresca del río, es medible" [p. 3]. Estos ecosistemas tienen características del río y del mar; entre las características de río está el flujo de agua, transporte de sedimentos, inundaciones ocasionales, y agua fresca en la superficie; las características típicas marinas son la marea, corrientes marinas, oleaje y agua salada [2], [3]. Determinar y predecir la descarga del río, la altura de marea, temperatura, salinidad, densidad, velocidad de corriente, y otros aspectos, en determinados instantes de tiempo y en un punto espacial o un conjunto de estos, es de importancia para comprender la hidrodinámica del ecosistema [4].

Los estuarios se pueden clasificar dependiendo de su forma, la influencia de la marea y del río, la geología, y la salinidad; esta última clasificación es de interés para el objetivo de esta investigación, según la cual los estuarios se clasifican en: i) estratificado, que ocurre cuando la descarga del río es mayor comparada con el flujo de la marea; ii) bien mezclado, cuando el flujo de la marea es mayor que la descarga del río; y iii) parcialmente mezclado, cuando ambas descargas son relativamente iguales, como se muestra en la Fig. 1 [4]. La determinación de la estratificación del ecosistema puede conllevar al desarrollo de nuevas tecnologías de generación de energía, como la energía a partir de gradiente salino (EGS), que puede ser obtenida de la mezcla de agua dulce del río y agua salada del mar en un ciclo hidrológico natural [1].

Fig. 1:
Variación de la salinidad con respecto a la profundidad en un estuario; Estratificado (a), Parcialmente mezclado (b) y Bien mezclado (c).
Fuente: (Savenije, 2005).

En la desembocadura del canal del Dique a la Bahía de Cartagena se han realizado algunas investigaciones con el fin de analizar sus características hidrodinámicas y sedimentológicas, a partir de una caracterización de variables meteomarinas como temperatura y salinidad en los procesos costeros circundantes [6], lo que despertó el interés de diversos actores en este cuerpo de agua y conllevó a los primeros estudios de circulación y transporte de contaminantes [7], considerando además la dependencia de los patrones de circulación dependientes de la temperatura [8]. Uno de los primeros modelos numéricos desarrollados y usados fue CODEGO; se usó para simular la circulación del canal El Zapatero. En el 2009 se realizó la primera simulación de la hidrodinámica de toda la Bahía de Cartagena, usando un modelo 2D [9]. Entre los estudios más recientes se encuentra la caracterización de las corrientes superficiales de la bahía de Cartagena, por medio de la calibración de un modelo hidrodinámico en el 2013 [10].

En la mayoría de los estudios se han analizado los patrones de dispersión del sedimento en la bahía, en uno de estos se determinó la relación que hay entre la dispersión de la turbidez en el agua y la distribución de la salinidad [11]. Sin embargo, este estudio se basa únicamente en la caracterización de la estratificación salina en la desembocadura del canal a la bahía, lo que se puede realizar mediante modelos numéricos que consisten en una solución, en espacio y tiempo, de ecuaciones hidrodinámicas y/o de transporte de materia, a partir de información sobre variables ya conocidas [2].

El software de modelación numérica usado para analizar el comportamiento de la estructura salina fue Delft3D, el cual se centra en la modelación de entornos fluviales y costeros. Desarrollado por el Instituto Holandés de Asuntos Deltaicos Nacionales e Internacionales (Deltares) en el 2008, este simula flujos en dos y tres dimensiones, aplicando flujos no-estacionarios e integrando efectos de marea, viento, presión atmosférica, densidades que se dan por diferencia de temperatura y salinidad, oleaje y turbulencias. Este modelo numérico hidrodinámico resuelve las ecuaciones de Navier-Stokes en una malla curvilínea adaptada a la forma del ecosistema [12].

Área de estudio

La zona de estudio se encuentra ubicada en el municipio de Pasacaballos, al sur de la ciudad de Cartagena, entre las coordenadas 10°16'57,50" y 10°18'23,93" latitud norte y 75°31'16,59" y 75°32'11,11" longitud oeste, en el punto de la desembocadura del canal a la bahía de Cartagena, como se ve en la Fig. 2.

Fig. 2
Ubicación del área de estudio.
Fuente: Google earth, modificado por los autores.

El canal del Dique fue creado artificialmente en 1952, tiene longitud de 115 km desde su desviación en el río Magdalena [13], [14], cuenta con un caudal máximo aproximado de 540 m³/s, el cual desemboca en la bahía de Cartagena, y su profundidad oscila entre 0,6 y 2,1 m [15]. Además, en la zona las condiciones de marea presentan amplitud de 16,76 cm en la bahía, con un periodo de aproximadamente 12 horas a un rango promedio de 33,5 cm [10], lo que la clasifica como un régimen de marea micromareal. La dinámica de flujo en la bahía se presenta de la siguiente forma: el flujo de ingreso es a través del estrecho de Bocachica, y el flujo de salida por Bocagrande [2]. Desde el inicio, la influencia de las aguas del canal del Dique a la Bahía de Cartagena han causado cambios en el régimen natural del cuerpo de agua, convirtiéndola de un ecosistema coralino a un estuario y con una alta concentración de sólidos en suspensión, los que puede llegar a ser de 1.000 mg/L en la desembocadura del canal [11], [16].

La caracterización de la estratificación salina en la desembocadura del canal del Dique a la Bahía de Cartagena se realizó a través de la simulación numérica en el software Delft3D, en la que se modelaron los parámetros hidrodinámicos más influyentes sobre la estratificación salina como son: marea, caudal, temperatura, salinidad y viento. El modelo numérico se validó con información recolectada en campo por un punto de control instalado en el área de turbidez máxima, la cual es producida por la mezcla de los dos cuerpos de agua, en las coordenadas 10°18'30,49" latitud norte y 75°32'3,13" longitud oeste (Fig. 3, a).

Fig. 3
a) Ubicación del punto de control en el área. b) Niveles de marea medidos. c) Salinidad medida. Fuente: a) Google Earth modificado por los autores.

En el punto de control se ubicaron dos sensores para recolectar datos de salinidad y de profundidad del agua, ambos instalados a 0,8 m de la superficie; un sensor HOBO U24-002-C para captar los datos de salinidad a una frecuencia de 30 segundos (Fig. 3, c); y para recolectar los datos de profundidad, un sensor DCX-25 PVDF con una frecuencia de 1 segundo (Fig. 3, b).

Para la aplicación del modelo numérico se determinaron actividades, entre las que están la determinación de las condiciones iniciales del área de estudio, la configuración del modelo teniendo en cuenta los datos recolectados en la primera etapa, la aplicación del modelo numérico, la obtención de los resultados y su validación; la Fig. 4 describe las actividades mencionadas anteriormente.

Fig. 4
Esquema de la aplicación del modelo numérico Delft3D.

Ecuaciones del modelo

Para la presión barotrópica de aguas poco profundas, las ecuaciones 3D se resuelven mediante una factorización tipo ADI [17]. La ecuación de la continuidad (1) linealizada por los flujos del paso del tiempo, para términos que contienen la velocidad en el plano vertical. En la ecuación, ξ representa el componente en el plano horizontal, es el coeficiente de transformación de las coordenadas curvilíneas, y e representa el índice de fracción de sedimento.

Los términos del momentum en el plano horizontal en una malla tipo Z están aproximados por diferentes métodos. Las discretizaciones de Explicit MultiDirectional Upwind (MDUE) y Implicit Multi-Directional Upwind (MDUI) [3]. La discretización del flujo con un componente U y V (que son velocidades horizontales promediadas en la vertical) positivos viene dada por las ecuaciones (2) y (3), donde , son los coeficientes de transformación de coordenadas curvilíneas, y m, n, y k representan los tres ejes (x, y, z).

Y:

En plano vertical, las capas adyacentes están acopladas por la advección vertical y el término de viscosidad vertical. En la dirección vertical, el término eddy viscosity en flujos estratificados la advección puede ser dominante porque el intercambio turbulento se reduce. Para esta se usa una diferencia central de segundo orden (4).

Donde h_m,n,k denota el espesor de la capa con el índice k definido por h_m,n,k=z_k- z_{k_L}.

Los términos de viscosidad vertical están discretizados por la ecuación (5).

Donde el eddy viscosiy vertical se calcula en la interfaz de la capa.

Condiciones iniciales

Se tuvo en cuenta la descarga promedio del canal del Dique en épocas: húmeda y seca, que tuvo una variación de caudales de 125 m³/s hasta 150 m³/s [16], respectivamente. En cuanto al forzador de marea, se localizaron tres fronteras abiertas con 10 componentes armónicos micromareales, correspondientes a la bahía de Cartagena (K1, M2, O1, P1, SSA, N2, S2, MF, Q1, NO1) [19], entre otros forzadores como la salinidad en 35 partes por mil (ppt) y temperatura en 27 °C en la bahía de Cartagena [4]. Por otra parte, se tomó la velocidad y dirección del viento promedio de 3.017 m/s y en dirección suroeste [10]. El tiempo de simulación se configuró de 65 días; de estos, los cinco primeros días son de estabilización del sistema, en los cuales los errores que se deben a aproximaciones se aminoran hasta lograr la estabilidad natural.

Dominios de cálculos

La bahía de Cartagena, en promedio, tiene una profundidad de 16 m, con profundidades máximas hasta de 30 m y mínimas de hasta más o menos 1 m, cerca de las orillas y en el sector de la desembocadura del canal del Dique, que cuenta con un ancho aproximada- mente de 100 metros, y con profundidades que varían entre 1 a 3 m dentro del canal. En la Fig. 5 se muestra una batimetría de la zona.

Fig. 5
Batimetría de la zona de simulación.

Se construyó una malla de cálculo curvilínea en la horizontal, que se ajusta a la forma y los requerimientos para la simulación, la malla se conforma por un total de 122 por 102 celdas, con celdas de hasta 50 m en la desembocadura del canal (Fig. 6, a). En la vertical se usaron coordenadas Z; se discretizó en 40 capas distribuidas en porcentajes diferentes con respecto a la distancia en la vertical, con el fin de lograr el mayor número de capas en la desembocadura del canal, obteniendo una distribución de 0,20 m en las capas más superficiales y 25 m en las más profundas; sin embargo, en la desembocadura, la última capa es de 1.7 m, consiguiendo así un nivel de resolución óptimo en la vertical para la descripción de la estratificación (Fig. 6, b).

Fig. 6
a) Malla hidrodinámica en la horizontal. b) Malla hidrodinám ;a en la vertical.

El modelo hidrodinámico Delft3D ha sido ampliamente usado en el ámbito mundial para el estudio de estos tipos de sistemas [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], mostrando su robustez desde condiciones promedio o típicas, hasta eventos extremos, lo que se confirma con los resultados del presente trabajo, que muestran un porcentaje de correlación alto 97% con respecto a las variables de salinidad y niveles de marea. Entre los estudios internacionales en los que se ha usado este software, se encuentra [27] en el estuario de Yangtsé en China, en donde se analizó la interacción flujo-sedimento en los perfiles verticales dentro de la zona de máxima turbidez (TMZ), obteniendo además las corrientes verticales y cómo estas afectan la instrucción salina mediante el modelo hidrodinámico Delft3D.

Son pocos los estudios que se han basado en los patrones de salinidad de la desembocadura del canal del Dique. No obstante, [11, p. 87] presenta la relación de la salinidad basada en lo obtenido con respecto a los patrones de turbidez en la bahía, resultados que se atribuyen a la magnitud del caudal del canal del Dique, que produce un efecto de flotación en la capa superior de las aguas, concordando con los datos derivados de esta investigación con respecto a la estratificación en la desembocadura.

Se determinó la estratificación en la desembocadura del canal como se muestra en la Fig. 12, además está dada por la predominancia del caudal del canal, teniendo en cuenta que se simuló bajo condiciones promedio, considerando los picos de mínimos y máximos caudales; en comparación con el régimen de la micromareal de la bahía. Esta condición se considera importante para llevar a cabo la cuantificación de la estratificación y en futuras investigaciones determinar el potencial de la zona para la producción de energía a partir de gradiente salino (EGS). El uso de modelos numéricos como Delft3D son útiles debido a su capacidad de recrear y predecir bajo condiciones dadas, la hidrodinámica que se presente en ecosistemas estuarinos como la desembocadura del canal del Dique a la bahía de Cartagena, sin embargo, un criterio de selección de modelos sería fundamental para la escogencia del más adecuado a las condiciones presentes, tanto geográficas, meteomarinas e hidrodinámicas, propias del estuario del canal del Dique a la Bahía de Cartagena.