DYNA

1. Introducción

Las playas son el resultado de un balance dinámico entre los procesos marinos y terrestres, cumplen diversas funciones entre ellas se puede destacar; uso turístico, habitat de ecosistemas importantes y protección costera. Estas funciones se ven afectadas por los procesos erosivos que ocurren en las playas, aumentando los riesgos para los ecosistemas presentes y el desarrollo humano en estas regiones. En este contexto, la predicción de la evolución de las playas es necesaria para la planificación y toma de decisiones relacionadas con el desarrollo de las zonas costeras alrededor del mundo. Esto es particularmente importante ante los impactos del cambio climático en la costa como el incremento del nivel del mar y la intensificación del oleaje, especialmente en costas de baja elevación y en países en vías de desarrollo. Sin embargo, la necesidad de comprender los procesos en estos sistemas y el desarrollo de modelos que describan su evolución bajo diferentes forzadores, requieren un conocimiento profundo de los procesos físicos de pequeña escala (espacio-temporal) que tienen lugar en las playas. Gran parte de estos procesos se producen en la zona de ascenso-descenso (conocida en inglés como zona de swash).

La zona de swash se define como la parte de la playa que esta consecutivamente húmeda y seca debido a los movimientos del mar: olas y mareas. Sin embargo, ésta definición es obsoleta durante condiciones de oleaje extremo [1]. La zona de swash es una de las áreas más dinámicas en la región cercana a la costa, caracterizada por flujos fuertes e inestables, altos niveles de turbulencia, grandes tasas de transporte de sedimentos y cambios morfológicos en amplias escalas espaciales y temporales [2]. Las dinámicas de la zona de swash son particularmente importantes debido a que en esta tiene lugar el intercambio de sedimentos entre la zona subaérea y subacuática de la playa, lo que contribuye de manera significativa a procesos de acreción y erosión de la línea de costa. Además, una fracción importante del transporte longitudinal de sedimentos se produce en esta zona contribuyendo en gran medida a la deriva litoral total [2,3].

Por las razones mencionadas anteriormente, el interés en estudiar las dinámicas en la zona de swash se ha incrementado considerablemente en las últimas décadas [3].

Sin embargo y a pesar de la importancia de la zona de swash para varios propósitos prácticos, aún existen considerables incertidumbres fundamentales acerca de la dinámica de esta zona debido a la complejidad de los procesos y a la dificultad de mediciones directas en entornos de alta energía. El empleo de la información de corto plazo para predecir la evolución de largo plazo para su aplicación en ingeniería costera es uno de los principales retos para la comunidad científica avocada al estudio de esta zona.

En la literatura están indicados como relevantes una serie de procesos hidrodinámicos en la zona de swash a pequeña escala, algunos de ellos son descritos a continuación:

2. Métodos

Las mediciones para el análisis del transporte de sedimentos en la zona de swash, se llevaron a cabo en las campañas de campo de Enero-Febrero de 2014 en la playa Hollywood, Cartagena y en Febrero de 2015 en la misma playa Hollywood y en la playa de Costa Verde, Ciénaga.

Ambas playas presentan una zona de rompientes altamente disipativa, sin embargo, sus respectivas zonas de swash exhiben pendientes contrastantes. A pesar de que la zona de rompientes en la playa Costa Verde es más disipativa (β= 0.03), su zona de swash tiene una pendiente reflejante (β= 0.09) como se muestra en la Fig. 1.

Figura 1: Zonas de estudio a) y c) Localización y Perfil Playa Hollywood, Cartagena c) y d) Localización y Perfil Playa Costa Verde, Ciénaga.

Fuente: Autores

En las diferentes campañas fue diseñado un montaje para la medición de velocidades transversales y longitudinales en la zona de swash (Fig. 2), a través de un ADV Nortek (Acoustic Doppler Velocimeter) con una frecuencia de muestreo de 10 Hz para la campaña de 2014 y 20 Hz para las campañas de 2015.

Presiones y concentraciones fueron medidas a través de una sonda multiparamétrica OBS 3A Campbell con una frecuencia de muestreo de 1 Hz y 2 Hz, para las campañas de 2014 y 2015, respectivamente. Este sensor fue instalado en la zona de swash, junto con el ADV, a 15 cm del lecho, permitiendo estimar el transporte de sedimentos en esta zona.

Figura 2: a) Configuración del sensor de velocidades (velocidades positivas flechas grises) b) Montaje de equipos para la medición de velocidades y concentraciones en la zona de swash c) Backwash y uprush

Fuente: Autores

El ADV permite medir el perfil de velocidades en una celda de 3 cm, sin embargo se observó que la variación de la velocidad fue mínima en las celdas medidas, por lo que se optó por trabajar con la velocidad promedio en el perfil.

El OBS muestra las mediciones en “counts”. Para obtener la transformación de counts a unidades de concentración es necesario hacer la calibración del equipo con los sedimentos de la zona. Sin embargo, para los propósitos acá analizados, las mediciones muestran las variaciones de las concentraciones, por lo que no se calibró el equipo.

El montaje usado para las mediciones es mostrado en (Fig. 2). Además, durante la campaña de campo se dispuso de un arreglo de sensores transversales a la playa para la medición de presiones y velocidades (Fig. 1,c,d). Siendo S1 el sensor más alejado de la costa y S5 el montaje de la zona de swash.

3. Resultados

Para analizar la influencia de la pendiente de la zona de swash en las principales variables que controlan el transporte de sedimentos en esta zona, se realizó un análisis de las diferentes series medidas en la campaña de 2015 en las dos playas de estudio.

La Fig. 3 muestra un ejemplo de la evolución de la energía en la playa Costa Verde, Ciénaga. Como puede ser visto, en el sensor S1 (panel superior), la energía de SS domina el espectro de energía (peridos ~ 8 s o menores). Además, se observa que en los sensores cercanos a la costa, la energía IG comienza a ser igual de importante (peridos ~ 16 s o superiores) (Fig. 3 panel inferior)

Figura 3: Evolución de los espectros de densidad de energía Ciénaga desde aguas intermedia hasta aguas someras. Panel superior: Sensor S1. Panel Inferior: Sensor S4.

Fuente: Autores

Similares resultados a los observados en la Fig. 3, fueron encontrados en la Playa Hollywood, sin embargo, en los sensores cercanos a la costa, la energía SS fue casi totalmente disipada, con lo que la energía IG dominó el espectro (no mostrado). Estos cambios en la distribución de la energía cerca de la costa, pueden ser explicados debido a las diferencias en las pendientes en las zonas más cercanas a la costa (zona de swash). Playas más disipativas (Hollywood, Cartagena) tendrán más influencia de las ondas IG, mientras la energía de SS es disipada en la zona de rompiente. Por el contrario, playas con pendientes más reflejantes causaran menos disipación de la banda SS.

En las Figs. 4 y 5 se observan los valores de profundidades, velocidades transversales y longitudinales y concentraciones de solidos suspendidos, para la playa de Ciénaga y Cartagena, respectivamente. Una comparación entre ambas figuras, muestra que las profundidades (presiones) en la zona de swash son mayores en Ciénaga (zona de swash reflejante). Además se observa una simetría entre el uprush y backwash, con duraciones promedio en los ciclos de swash es de aproximadamente 8 segundos, observándose una separación temporal entre ciclos de swash consecutivos, sin interacciones swash-swash considerables (Fig. 4a).

Figura 4: Variables medidas en la zona de swash en la playa Costa Verde (Ciénaga), Febrero de 2015. Panel Superior a) Presiones, panel medio b) Velocidades transversales -Vx (línea negra) y longitudinales-Vy (línea gris), panel inferior c) concentración de sólidos suspendidos.

Fuente: Autores

La Fig. 4b muestra que las velocidades transversales a la playa Vx (línea negra), alcanzan magnitudes hasta de 1.8 m/s en el uprush y backwash, sin embargo, se observa que no es posible capturar el ciclo completo de swash, principalmente durante el backwash, esto puede ser debido a la alta pendiente en esta zona y la porosidad de la playa, lo que hacía que la lámina de agua se redujera rápidamente impidiendo la medición de esta variable por el equipo. También se observa que las velocidades longitudinales tienen magnitudes hasta de 1.2 m/s, siendo principalmente negativas (dirección S-O, Fig. 7). Es importante notar también que la diferencia registrada en el perfil de velocidades transversales en la Playa de Costa Verde, Fig. 4b, se debe a que la duración del uprush es menor que la del backwash, indicando el trabajo efectivo de las tensiones de corte con el fondo en el retardo del flujo.

En la Fig. 4, al comparar las gráficas correspondientes a las velocidades y a las concentraciones de sedimentos representadas en counts, se pueden apreciar comportamientos asimétricos entre el uprush y el backwash, con magnitudes muy bajas en este último. Esto puede ser debido a que el transporte de fondo y/o el transporte de flujo laminar es mucho mayor que el transporte en suspensión, sin embargo, debido a la robustez del instrumento es posible que éste no registrara valores de concentraciones de sólidos suspendidos, debido a la reducción súbdita de la lámina de agua.

Por otra parte, la Fig. 5a muestra que las presiones en la zona de swash en la playa Hollywood (zona de swash disipativa) presenta ciclos de swash promedio más largos que los registrados en Ciénaga, además se observa que los ciclos no son completos (existencia de interacción swash-swash). Las velocidades en esta zona (Vx y Vy) fueron mucho menores a las registradas en Costa Verde porque la energía asociada a la banda SS se ha disipado por completo a su llegada a la zona de swash, predominando la energía en la banda IG en esta parte de la playa. Esto también ha permitido observar en muchos casos el ciclo completo de velocidades (uprush y backwash); además las velocidades longitudinales y transversales muestran un comportamiento y magnitudes similares (Fig. 5b) contrario a lo reportado en Costa Verde. Los valores de concentraciones de solidos, fueron menores que los medidos en Costa Verde, sin embargo, se observó el mismo comportamiento, con valores muy bajos durante el backwash.

Figura 5: Variables medidas en la zona de swash en la playa Hollywood (Cartagena), Febrero de 2015. Panel superior a) Presiones, panel medio b) Velocidades transversales-Vx (línea negra) y longitudinales-Vy (línea gris), panel inferior c) concentración de sólidos suspendidos.

Fuente: Autores

Una comparación más detallada de los resultados descritos anteriormente, es mostrada en la Fig. 6, donde se analizan dos ciclos de swash consecutivos en ambas playas. La Fig. a y b muestran que dos ciclos de swash consecutivos en playa Hollywood (Cartagena), equivalen a 2.5 veces el tiempo necesario para dos ciclos de swash en la playa de Costa Verde (Cienaga).

Figura 6: Dos ciclos de swash consecutivos en la playa Hollywood (Cartagena) (a,c y e) y en la playa Costa Verde (Cienaga) (b,d y f), Febrero de 2015. a) y b) Presiones; c) y d) Velocidades transversales-Vx (línea negra) y longitudinales-Vy (línea gris); e) y f) concentración de sólidos suspendidos. T r equivale al tiempo de referencia (duración de dos ciclos de swash consecutivos en Costa Verde).

Fuente: Autores

En la Fig. 6c y d se observan detalladamente las diferencias en los patrones de velocidades, mostrando que en la playa Hollywood (Cartagena) fue posible capturar ciclos de velocidades completos e interacciones swash-swash, presentando magnitudes y direcciones similares en dirección transversal y longitudinal durante el uprush y el backwash. El comportamiento de las velocidades similares transversales y logitudinales para playa Hollywood (Fig 6d) se podría explicar por el hecho de que la playa se encuentra entre dos espolones y por tanto puede estar dejando atrapada parte de la energía liberada IG en ondas de borde, sin embargo esta hipótesis se debe profundizar con medidiones de mayor detalles. Por el contrario, en Costa Verde (Cienaga) las velocidades transversales y longitudinales tuvieron diferente comportamiento, siendo estas últimas principalmente negativas.

La Fig. 6e y f muestran comportamientos muy similares en los patrones de concentración en ambas playas, a pesar de las diferencias en las demás variables medidas, incluso en la playa Hollywood (Cartagena) no son observadas interacciones swash-swash en esta variable, lo que puede ser debido a las limitaciónes de la técnica de medición con el OBS, como fue argumentado anteriormente.

Para entender las implicaciones que tienen estas altas velocidades longitudinales negativas en los procesos erosivos presentados en la playa de Costa Verde, se muestra la Fig. 7, donde se observa la evolución de la línea de costa desde Julio de 2005 hasta Noviembre de 2014. La Fig. 7, a muestra la línea base en Julio de 2005, antes de la construcción de dos espolones y la Fig. 7b muestra el estado de la costa en Noviembre de 2014. En este periodo de tiempo fueron analizados un total de 15 fechas diferentes, de las cuales 5 estuvieron comprendidas entre Julio de 2005 y Enero de 2012 (antes de la construcción del espolón), en las cuales no se observaron cambios significativos en la línea de costa.

Figura 7: Evolución de la línea de costa en la playa Costa Verde antes y después de la construcción del espolón. a) línea base en Julio de 2005, antes de la construcción de dos espolones, b) la costa en Noviembre de 2014, c) líneas de costa analizadas antes y después de la construcción del espolón.

Fuente: Autores

Por el contrario, cuando se analiza la evolución de la línea de costa entre Enero de 2012 y Mayo de 2012, se observa en este corto intervalo de tiempo, un retroceso en la línea de costa en la margen izquierda del espolón de aproximadamente 40 m, ésta erosión se extiende hasta 1 kilómetro de la margen izquierda del espolón. En la Fig. 7c se muestran algunas de las líneas de costa analizadas antes y después de la construcción del espolón.

Debido a las altas velocidades longitudinales negativas Vy (en dirección NE - SW), observadas en las Fig. 4b y Fig. 6c y la interrupción del suministro de sedimentos debido al espolón, se observan fuertes procesos de erosión en esta playa (Fig. 8), ya que estas altas velocidades no tiene sedimento que transportar. La persistencia de velocidades longitudinales en el sentido NE-SW en la zona de swash de Costa Verde, medidas durante las campañas realizadas en diferentes épocas de los años 2014 y 2015, permiten inferir que esta playa se encuentra la mayor parte del año bajo el efecto de este patrón de corrientes, independientemente de los cambios estacionales en la región del caribe Colombiano. Esto quiere decir que el flujo neto longitudinal de sedimentos en la zona de swash en esta playa tiene un sentido NE-SW. Este análisis, permite explicar cómo las dinámicas de pequeña escala (ciclos de swash), pueden contribuir al entendimiento de las dinámicas espacio temporales mayores como la evolución de la línea de costa.

Figura 8: Erosión de la línea de costa en la playa Costa Verde a) Noviembre de 2014 b) Febrero de 2015.

Fuente: Autores

Un análisis similar de las características de los ciclos individuales de swash (uprush y backwash) para los datos recolectados en la campaña de campo de 2014 fue llevado a cabo en la playa de Cartagena. Resultados de dos ciclos característicos son mostrados en la Fig. 9. En este caso los ciclos de swash tienen una duración aproximada de 25 s. Las líneas grises en la Fig. 9c y d muestran las velocidades transversales 𝑉 𝑥 (positivas hacia la costa, negativas hacia el mar) en la celda superior e inferior, donde no se observan cambios significativos; las velocidades longitudinales 𝑉 𝑦 están representadas por la línea negra, siguiendo las direcciones mostradas en la Fig. 2.

Figura 9: Ciclos de swash individuales, Playa Hollywood (Cartagena), Febrero de 2014 a,b) Presiones c,d) Velocidades transversales-Vx (líneas grises) y longitudinales-Vy (línea negra) e,f) concentración de sólidos suspendidos g,h) Transporte de sedimento transversal. Nota: Los valores de transporte de sedimentos no se encuentran calibrados, pero permiten hacer una correcta interpretación física.

Fuente: Autores

Para la campaña de 2014, el montaje de sensores en la zona de swash se encontraba a profundidades mayores, sin embargo, las características durante el uprush y el backwash en las presiones y profundidades (Fig 9a,b) son similares a las observadas en 2015 en la misma playa (Fig. 5a). Los patrones de concentraciones de sólidos y de transporte de sedientos son diferentes (entre Feb 2014 y Feb 2015), ya que se observan magnitudes similares (~100-150 Kg/m s) durante el uprush y el backwash (Fig 9g,h), al contrario que en Feb 2015, donde las magnitudes de concentraciones y velocidades entre uprush y backwash son diferentes (Fig 5b,c). Para la campaña de 2014 el equipo midió en unidades de concentración (no en counts). Sin embargo, aunque las magnitudes no están calibradas, los patrones observados tienen las mismas interpretaciones físicas.

Para entender la influencia de un ciclo de swash característico (procesos de pequeña escala) en escalas espacio-temporales mayores como la evolución de la línea de costa, se procedió a cuantificar para un estado de mar, el transporte de sedimentos durante el uprush y el backwash. La Fig. 10 muestra que para el estado de mar seleccionado el transporte de sedimentos promedio es principalmente direccionado hacia el mar (backwash) (~50 Kg/m s), mientras que en dirección costa (uprush) los valores son menores (~ 35 Kg/m s), lo cual podría estar relacionado con procesos erosivos, y por tanto pérdida de línea de costa.

Figura 10: Promedio de transporte de sedimentos hacía la costa (agradación) y hacia el mar (erosión) para un estado de mar debido al transporte durante el uprush y el backwash, respectivamente (el eje X representa cada ciclo de swash). Nota: Los valores de transporte de sedimentos no se encuentran calibrados pero permiten hacer una correcta interpretación física.

Fuente: Autores

4. Conclusiones

Una comparación entre las principales variables que dominan el transporte de sedimentos en la zona de swash fue analizado para la playa Costa Verde (Ciénaga) y playa Hollywood (Cartagena). En ambas playas la energía IG en las zonas cercanas a la costa fue alta, sin embargo, se observó mucha más disipación en la banda de SS en la playa Hollywood, mientras en Costa Verde, parte de la energía de SS es observada incluso muy cerca a la costa.

Se llevó un análisis detallado de las dinámicas de pequeña escala, mostrando que existen diferencias entre los ciclos de swash entre ambas playas. El análisis de las profundidades en la playa de Costa verde (Cienaga) mostró ciclos más ordenados, con separación temporal entre ciclos, mientras que la playa Hollywood (Cartagena) tuvo mayores asimetrías entre el uprush y backwash, mayor duración en cada ciclo e interacciones swash-swash. Las diferencias en los patrones de las excursiones de swash en ambas playas son atribuidas a las pendientes en la zona de swash, mostrando más interacciones swash-swash y asimetrías en la playa dominada por las ondas IG (Playa Hollywood), en contraste con lo reportado en estudios previos. Sin embargo, esta playa mostró variaciones más graduales en el aumento de las profundidades y velocidades, que la playa influenciada por las ondas de SS (Playa Costa Verde).

Las velocidades transversales en Costa verde fueron mayores que las registradas en playa Hollywood, dificultándose la obtención de ciclos completos de swash, ya que el descenso de la lámina de agua durante el backwash era rápido debido a la fuerte pendiente en esta zona y una mayor porosidad, lo que contribuía a una rápida infiltración de la lámina de agua.

Las velocidades longitudinales en la playa de Costa Verde fueron altas e incluso mayores que las medidas en la dirección principal (velocidades transversales) en la playa Hollywood, además se observó que las velocidades longitudinales (Vy) fueron principalmente negativas, lo que indica direcciones (NE- SW), lo que puede explicar el rápido retroceso en la línea de costa, después de la construcción del espolón, debido a la interrupción del suministro de sedimentos.

Por otro lado, en la Playa Hollywood, Cartagena, se observó que las velocidades longitudinales fueron similares a las transversales en magnitud y dirección, esto podría ser atribuido a una onda atrapada entre los dos espolones (Fig. 2), sin embrago se deben llevar a cabo más estudios para comprobar esta hipótesis.

En ambas playas debido a las limitaciones del instrumento es difícil conocer el comportamiento del trasporte de sedimentos durante el backwash.

El estudio de la influencia de los ciclos de swash individuales (uprush y backwash), y su influencia en los procesos de erosión y agradación, en playa Hollywood durante la campaña de campo de 2014, fue llevado a cabo, encontrando que el transporte hacia el mar (erosión/backwash) fue mayor que el transporte hacia la costa (uprush/agradación), para el estado de mar analizado.