Estudio de la Dinámica Hidro – Sedimentológica del Río de La Plata: Observación y Modelación Numérica de los Sedimentos Finos. PROYECTO FREPLATA RLA 99/G31. Parte 7
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- El 18 marzo, 2016
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MODELIZACIÓN SEDIMENTOLÓGICA
Implementación del modelo
El módulo sedimentológico incluido en MARS-3D se compone de un modelo de múltiples capas de sedimentos, que consideran los procesos de erosión, deposición y consolidación, y de un modelo de transporte tridimensional de material particulado (advección-difusión) cuya formulación permite tener en cuenta el transporte de distintas variables y modificar la composición porcentual de los sedimentos del fondo de acuerdo a la sucesión de erosiones o deposiciones de cada una de las componentes. Para la primera implementación de MARS- 3D se tuvieron en cuenta, como primera aproximación, dos tipos de variables sedimentarias: arenas finas y limos. Como condición inicial de la composición del fondo se asignó a cada celda del modelo una proporción de cada una de las variables sedimentológicas basada en observaciones previas. Se incluyo el aporte de los sedimentos finos (limos) transportados en suspensión como descarga sólida desde los tributarios, que fue calculada con una metodología desarrollada específicamente para el Proyecto. Al computar la tasa de sedimentación, el modelo calcula la concentración y la tensión de corte, pero la velocidad de caída y la tensión de corte crítica deben ajustarse como parámetros de calibración.
Similarmente, cuando se computa la tasa de erosión, el modelo calcula la tensión de corte, pero la erosibilidad (relacionada con el estado de consolidación del sedimento de fondo) y la tensión crítica de erosión, también son parámetros de calibración. Se realizaron estudios de sensibilidad en los cuales se consideraron diversas formulaciones de la velocidad de caída de los sedimentos en función de la concentración y del tamaño de grano medio, se tomaron valores de las tensiones críticas de erosión y deposición de trabajos antecedentes sobre modelación sedimentológica en el Río de la Plata Interior y se adoptó un coeficiente de erosibilidad según el rango informado en la literatura.
Modelo conceptual del transporte de sedimentos
Como referencia para el estudio de la dinámica de los sedimentos con el modelo numérico MARS-3D es importante partir de un modelo conceptual previo que sea puesto a prueba durante las simulaciones. En este caso la hipótesis inicial se basa en la evidencia morfológica del fondo del Río de la Plata, que sugiere que las texturas de los sedimentos de fondo serían consistentes con los corredores de flujo o plumas de los tributarios (Figuras 51 y 52). En
ese sentido, una descripción conceptual a priori del transporte de sedimentos en el Río de la Plata Interior se puede realizar a través de los ‘corredores’ Palmas, Guazú y Uruguay y una zona de recirculación, de la siguiente manera
- A lo largo del corredor Palmas, la fracción gruesa de la carga transportada en suspensión por dicho tributario (arenas finas y limos gruesos) se deposita produciendo el avance del sub-frente sur del Frente del Delta del Paraná (50 a 75 m año-1); inmediatamente aguas abajo de este sub-frente ocurre una deposición relativamente alta (que disminuye marcadamente con la distancia a la desembocadura), que produce el crecimiento del Banco Playa Honda. En esta zona, la textura de los sedimentos de fondo predominante es de limos y suelos franco-limosos.
- A largo del corredor Guazú, la fracción gruesa de la carga en suspensión provista por dicho tributario mantiene el avance del sub-frente norte del Frente del Delta del Paraná, a una tasa media de aproximadamente 25 m año-1. Esta zona muestra texturas de sedimento de fondo predominantes del tipo arenas y suelos franco-arenosos. La tasa de deposición es alta en el Río de la Plata Superior, permitiendo también el crecimiento del Banco Playa Honda. En esta región, en la zona del Río de la Plata Intermedio, se mantienen naturalmente profundidades relativamente altas, lo que indica tasas de deposición bajas.
- A lo largo del corredor Uruguay, la mayor parte de las arenas finas en suspensión transportadas por dicho tributario se depositan luego de la desembocadura, por lo que en el fondo dominan las arenas y suelos franco-arenosos. Las tasas de deposición son más bajas que en otras regiones. Aguas abajo, hasta el final del Banco Grande de Ortiz, dominan como texturas de fondo los limos y los suelos franco-limosos. Luego de esta última sección, la influencia del océano se hace importante predominando los suelos franco-arcillo-limosos.
- En la zona de recirculación, dominan las texturas de arcillas, así como en una pequeña zona en la costa uruguaya, en proximidades de Montevideo.
Análisis de sensibilidad del módulo sedimentológico de MARS-3D
Se realizó un ajuste preliminar del modelo sedimentológico a partir de datos históricos (observaciones colectadas durante campañas realizadas en 1966 e información recabada a lo largo de los canales de navegación en 1992) y las observaciones adquiridas durante las primeras campañas del Proyecto. Un análisis de todas las observaciones muestra una tendencia decreciente de la concentración de sedimentos desde la costa argentina hacia la uruguaya. La similitud generalizada de los valores de fondo y superficie en el Río de la Plata Superior sugiere que la mezcla vertical es significativa. Los datos de las tres campañas iniciales del Proyecto permitieron establecer que la variabilidad temporal de la concentración de sedimentos suspendidos aumenta desde el Río de la Plata Interior hacia el Exterior y es máxima aguas abajo de la Barra del Indio.
Simulaciones
Durante el Proyecto se realizaron una serie de simulaciones que tuvieron como objetivo precalibrar el modelo numérico con las observaciones disponibles en ese momento y contribuir a mejorar la comprensión de la dinámica sedimentológica en el Río de la Plata. Como primera aproximación sólo se consideró la descarga de sedimentos finos sin tener en cuenta el proceso de consolidación. Se modelaron dos tipos de variables sedimentológicas (arenas finas y limos) y se generaron condiciones iniciales para la composición del material de fondo en función de la interpretación de antecedentes. Así, los parámetros sedimentológicos que debieron ser especificados en las simulaciones fueron: la velocidad de caída del sedimento en suspensión, la constante de erosibilidad, la tensión crítica de deposición, la tensión crítica de erosión y la capa inicial de sedimentos de fondo. Se realizaron dos tipos de simulaciones en condiciones simplificadas. En la primera serie, sin viento, se incluyó como forzante del modelo hidrodinámico únicamente a la marea astronómica. En la segunda serie, con viento, se incluyó el efecto atmosférico local en el dominio de simulación. En ambos casos la simulación tiene un año de duración con el objetivo de evaluar los efectos de la estacionalidad en la descarga de los tributarios (particularmente del Paraná) y de los vientos. En ninguna de estas series de simulaciones se incluyo el oleaje como forzante.
Resultados e interpretación preliminar
Simulaciones sin viento
El primer grupo de ensayos tuvo por objetivo comprender las diferencias en el mecanismo de deposición que resultan de considerar diferentes velocidades de caída del sedimento; por esa razón en estos ensayos no se consideró el proceso de erosión. Los resultados de las simulaciones reproducen de manera satisfactoria las observaciones realizadas durante 1992 a lo largo de los primeros 120 km de los canales de navegación cuando se considera una velocidad de caída relacionada con un d50 de 5 μm. Cuando se incorporó el mecanismo de erosión, el modelo produce una zona de erosión observada en la naturaleza entre los kilómetros 130 y 200 del canal de navegación, que origina un aumento de la concentración de sedimento. En los ensayos resulta evidente la sensibilidad de los resultados a la velocidad de caída del sedimento y a la tensión crítica de erosión. La mejor correspondencia con las observaciones ocurre cuando se considera una velocidad de caída de 0,025 mm s-1 y una tensión crítica de erosión de 0,15 N m-2 (Figura 53). Los diferentes ensayos sugieren que la hipótesis de que en este tramo del Río de la Plata se puede suponer que la mezcla vertical es muy abundante, es correcta. Una comparación de los resultados de este ensayo numérico con las observaciones adquiridas durante la primera campaña del Proyecto se resume en la Figura 54. El desempeño cuali-cuantitativo es adecuado, aún cuando no se completó el ajuste de los parámetros de calibración. Los valores relativamente altos de concentración registrados en la zona exterior del Río de la Plata no son explicados por el modelo en su actual configuración. Una hipótesis es que los mismos estarían asociados a sedimentos provenientes del Océano o a eventos de resuspensión de sedimentos de fondo generados por forzantes no representados en estas simulaciones (por ejemplo oleaje o efecto del viento en las corrientes y el nivel del mar). Otra hipótesis es que correspondan al porcentaje de material fino en suspensión (arcilloso) no incluido en esta configuración.
A pesar de la relativa simplicidad de la configuración del modelo sedimentológico, los resultados obtenidos permiten comprender los mecanismos básicos que intervienen en la dinámica de los sedimentos suspendidos en el Río de la Plata Interior. Cuando el efecto del viento es menor se produce disminución en la concentración por la deposición de una gran parte del material en el tramo superior del río y cuando la erosión se da en la parte inferior (Río de la Plata Intermedio) conduce al incremento de la concentración.
Para complementar esta descripción, la Figura 55 muestra las regiones en las cuales, durante el período simulado, sólo actuó el mecanismo de deposición (en azul), el de erosión (en celeste), ambos (en blanco) o ninguno de ellos (en verde). Se observa una amplia zona de deposición que se desarrolla aguas abajo del Frente del Delta. Además, se observan zonas definidas de erosión en el Río de la Plata Intermedio, acompañadas de zonas de deposición de ese material aguas abajo, en la región de la Barra del Indio. Este patrón de erosión/ deposición es consistente con las inferencias de estudios previos en base a observaciones.
La evolución del espesor de la capa de fondo (inicialmente de 0,15 m) a lo largo de la ruta de navegación (Figura 56) muestra agradación en la zona superior. A lo largo del resto de la ruta predomina la erosión, aunque se observan zonas con efectos combinados. Los resultados indican que, con el tiempo, se afianzan las zonas de deposición y erosión netas, por lo cual es evidente que este patrón de evolución no es sustentable, ya que implica una erosión sostenida en el Río de la Plata Intermedio que no se observa en la naturaleza. Dado que las simulaciones se realizaron sin considerar el efecto del viento, se especula con que durante las grandes tormentas (asociadas a Sudestadas y/o Pamperos) se produce una redistribución de material de fondo, que rellena las zonas de erosión. La Figura 57 muestra las envolventes de los valores concentración de sedimentos para el año de simulación a lo largo del canal de navegación para un nivel intermedio del modelo, conjuntamente con las observaciones colectadas en 1992. El hecho de que los valores medidos tiendan a ser algo superiores a la envolvente de máximos puede atribuirse a una diferente descarga de sedimentos durante el año de observación (1992), durante el cual el caudal del Río de la Plata era mayor que durante el año simulado (2002). La pequeña diferencia entre las envolventes de fondo, profundidad media y superficie es consistente con la idea de mezcla casi completa en la vertical en el Río de la Plata Superior.
Simulaciones con viento local
En el caso de las simulaciones con viento local, la observación global de los resultados indica que, excepto en algunas regiones puntuales, el modelo proporciona valores de concentración de sedimentos que respetan tanto el orden de magnitud como el rango de los valores observados (ver, por ejemplo, la Figura 58). Nótese que tanto el rango observado como el simulado son grandes.
Los valores medios de concentración de sedimentos en suspensión para el año completo de simulación (Figura 59) muestran cuatro regiones en las cuales esta variable maximiza tanto en el fondo como en la superficie. Ellas son: el Río de la Plata Superior, en proximidades del Frente del Delta del Paraná; en la zona de Punta Piedras y en proximidades de Punta Rasa. La concentración de sedimentos en el fondo siempre es superior a la de superficie, aunque no cambia el orden de magnitud, y ambos campos muestran un marcado gradiente de concentración en la región de la Barra del Indio. La simulación presenta un mínimo de concentración entre los máximos asociados a las regiones del Río de la Plata Superior en proximidades del Delta y la región de Punta Piedras, lo que indicaría que los extremos en la concentración no están directamente vinculados. En el Río de la Plata Superior el máximo se debe mayormente al aporte de los tributarios. En la región de Punta Piedras las corrientes de marea aumentan significativamente, lo cual produce la resuspensión de los sedimentos. El patrón de variabilidad para el año simulado (desvío estándar) es consistente con el de las observaciones, así como el mínimo de concentración a lo largo de la costa uruguaya, entre Colonia y Montevideo. Sin embargo, también en esta última región, las observaciones muestran concentraciones de sedimentos mayores que las simulaciones.
Se observa, además, abundante variabilidad inter-mensual en las siguientes regiones: i) en el Río de la Plata Superior en proximidades de los tributarios, donde la dinámica está fuertemente afectada por la descarga sólida y la sedimentación; ii) en Punta Rasa y Punta Piedras, donde la dinámica está fuertemente vinculada con la marea; en efecto, la distribución de la concentración de sedimentos en suspensión mostrada por el modelo en estas regiones coincide con las regiones en las que la corriente de marea y la disipación energética de la marea por fricción de fondo maximizan (ver Figura 11); y iii) en Punta Piedras-Montevideo y la Barra del Indio donde la dinámica parece asociarse en alguna medida con el efecto del viento (Figura 60). Para confirmar lo antedicho, la Figura 61 muestra ejemplos de series de tiempo de la solución numérica a lo largo del año para distintos puntos del Río de la Plata, que caracterizan las regiones mencionadas. Entre el Río de la Plata Superior y Medio, el efecto de la descarga continental es importante, con un aumento de la concentración de sedimentos suspendidos entre los meses de marzo y mayo (ver por ejemplo, Colonia en la Figura 61). En estas regiones la variabilidad de alta frecuencia asociada a la marea tiene un efecto en la concentración de los sedimentos suspendidos; éste aumenta claramente a medida que el punto considerado se encuentra progresivamente más lejos de la desembocadura de los tributarios. En las regiones próximas a Punta Piedras y Punta Rasa, la variabilidad a lo largo del año de la concentración de sedimentos, tanto en la superficie como en el fondo, se asocia fundamentalmente a los ciclos de sicigias a cuadraturas de la marea, con algunos picos esporádicos que, según sugiere la elevación de la superficie libre, se deben al efecto del viento. Finalmente, en el Río de la Plata exterior (sitios tales como Montevideo, Punta del Este, Boya Oceánica y Banco Inglés) la concentración de sedimentos tanto en el fondo como en la superficie es mucho más irregular a lo largo de la simulación y se vincula en mayor medida con el efecto del viento que con la marea.
Para observar mejor la relación entre la concentración de sedimentos en suspensión, el viento y la marea, se observó el comportamiento conjunto del viento, la elevación de la superficie libre y la concentración de sedimentos en la capa de fondo y en la superficie a lo largo de diversos períodos de tiempo. Como ejemplo, se observa en la Figura 62 que el viento juega un rol menor en la determinación de la concentración de los sedimentos en el Río de la Plata Superior y Medio. En la parte exterior (por ejemplo, en la posición de la boya oceanográfica) la concentración, en cambio, está mayormente condicionada por las condiciones meteorológicas.
Para analizar en más detalle el efecto del viento sobre la concentración de sedimentos en suspensión se calcularon composiciones de los campos simulados para cuatro direcciones características del viento, noroeste, noreste, sudoeste y sudeste, según sectores de 45° centrados en los mismos, que, acorde con trabajos anteriores determinan la dinámica de las corrientes en el Río de la Plata.
Los resultados se muestran en las Figuras 63 y 64, que representan promedios de las soluciones numéricas para los momentos en los cuales (punto a punto) el viento soplaba de las direcciones mencionadas. Los resultados revelan que los vientos sólo parecen afectar la concentración de sedimentos suspendidos en la superficie en las regiones de la Barra del Indio, en el Río de la Plata Superior en proximidades de la desembocadura de los tributarios y en Punta Rasa. Se observan mayores anomalías de la concentración de sedimentos en superficie para vientos con una componente del norte, con un aumento (disminución) de la concentración en las regiones mencionadas para vientos del noroeste (noreste). Vientos con componente sur parecen tener un efecto menor, con una disminución aguas arriba (un aumento aguas abajo) de la Barra del Indio de la concentración. El comportamiento de los sedimentos en suspensión en la capa de fondo es algo diferente. Para vientos del noreste se produce una disminución generalizada de la concentración, que maximiza en la Barra del Indio y Montevideo y parece vincularse con el desplazamiento de la pluma de agua dulce hacia la costa sur asociado a estos vientos. Para vientos del sudoeste, la advección de la pluma hacia la costa uruguaya se manifiesta como un aumento de la concentración de los sedimentos en proximidades de Montevideo y una disminución en Punta Piedras. Para vientos del noroeste (sudeste) se observa un aumento (disminución) de la concentración en el Río de la Plata Superior, la Barra del Indio y Punta Rasa.
Los diversos forzantes de la simulación impactan de manera diferente en los procesos de erosión/deposición. El efecto de la descarga continental es evidente en la desembocadura del principal tributario, el Río Paraná Guazú, que transporta la mayor parte del agua y los sedimentos que ingresan al sistema y, en menor medida en la desembocadura del Paraná de las Palmas y Colonia. En el resto de los sitios se observa un crecimiento o decrecimiento monótono del espesor que, en ocasiones, erosiona completamente la capa establecida inicialmente. El efecto de la marea y, particularmente, del viento, se hace más evidente a medida que los puntos se encuentran más alejados de los tributarios. Para observar mejor el efecto del viento, la Figura 65 muestra el espesor de la capa de fondo (en m) y los vectores viento en un punto localizado en la porción sur de la Barra del Indio a lo largo de la segunda mitad del año de simulación. Más allá del crecimiento monótono asociado a la deposición semipermanente de sedimentos en este punto, el efecto del viento se manifiesta como episodios de intensa erosión, como los que ocurren alrededor del 10 de agosto o el 20 de noviembre.
Finalmente, se calcularon composiciones del espesor de la capa de fondo y su anomalía para diferentes direcciones del viento (Figura 66). Para vientos con una componente norte (noroeste y noreste) se observa un aumento de la deposición en el Río de la Plata Superior y un aumento de la erosión en la costa sur del Río de la Plata Medio. En la porción externa del Río y la región de la barra, así como en proximidades de Montevideo, se observan patrones opuestos de erosión/deposición para estas direcciones del viento. Para vientos del sudoeste el patrón es casi inverso al observado para vientos del sector noreste. Para vientos del sudeste el patrón es más homogéneo, con una deposición generalizada a lo largo de toda la costa sur. Para esta dirección del viento la Barra del Indio es erosionada en su porción exterior, mientras que se acreciona en su parte interior.
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