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 8

Ensayos de laboratorio

En el marco del Proyecto se realizaron ensayos de laboratorio de columnas de sedimentaciónconsolidación de sedimento fino. El objetivo de dichos ensayos es conocer las características de estos procesos y determinar la variación temporal de los mismos. Debido a que los procesos de deposición y consolidación generalmente ocurren en la dirección vertical, con un movimiento descendente del sedimento y ascendente del agua, se considera razonable simular estos procesos con condiciones 1D en laboratorio. Para realizar los ensayos se cuenta con muestras de sedimento de fondo extraídas en las campañas 4 y 5 del proyecto.

Para realizar los ensayos se construyó un dispositivo formado por 3 columnas de 2 metros de altura de PVC (transparente) y 88 mm de diámetro (Figura 67). El dispositivo consiste de una base de hierro donde se apoya cada columna y una parte superior donde se enganchan las mismas de forma de permanecer verticales. Se adosaron a las columnas cintas métricas para realizar las mediciones. La metodología general del ensayo consiste en verter una cantidad determinada de una muestra de barro en suspensión bien mezclada y medir la variación temporal de la interfase.

Se realizaron dos series de ensayos, cuyos objetivos específicos son: 1- Determinar la influencia de la concentración inicial del depósito en las curvas de consolidación para el sedimento del Río de la Plata, y 2- Determinar la influencia de las características del depósito en las curvas de consolidación para el sedimento del Río de la Plata.

Los ensayos realizados variando la concentración de sedimento en la columna muestran una modificación en los tiempos de consolidación en función de la misma pero un comportamiento igual en todos los casos. Por otro lado, los ensayos realizados utilizando materiales de diversa composición muestran una variación en la forma de sedimentación decantación en función de la composición, siendo muy rápidos los procesos cuanto más material limoso haya en la columna y más lentos a medida que los materiales finos aumentan su proporción (arcillas). Si bien hay diferencias entre las condiciones de laboratorio y las condiciones reales, los procesos simulados en los ensayos permiten prever ciertos comportamientos en la realidad, principalmente a lo que se refiere a los procesos de sedimentación consolidación del sedimento en suspensión en una capa cercana a la de fondo en situaciones posteriores a un evento de resuspensión. En ese caso, los resultados muestran procesos diferentes según la zona del Río de la Plata, que sirven como guía a los trabajos de modelación numérica de la dinámica de sedimento fino en el Río de la Plata y aportan al conocimiento general de dicha dinámica.

Conclusiones

La colección de datos remotos e in situ conjuntamente con la aplicación de modelos numéricos al estudio de la dinámica hidro-sedimentológica del Río de la Plata en el marco del Proyecto FREPLATA-FFEM ha contribuido significativamente a mejorar nuestro conocimiento de los procesos que ocurren en este importante sistema costero. Se presentan a continuación las principales conclusiones sustantivas del Proyecto, es decir, las asociadas a una mejora en el conocimiento de la dinámica hidro-sedimentológica del Río de la Plata.

Los datos in situ permiten, por primera vez, estudiar la variabilidad temporal de numerosos parámetros oceanográficos en la región y su covariabilidad. Los resultados muestran que dichos parámetros y la turbidez exhiben gran variabilidad en todas las escalas de tiempo observadas, desde la estacional a la sub-anual. La asociación de esta gran variabilidad con la de la atmósfera sugiere que este sistema responde rápida e intensamente a cambios en sus forzantes. En este sentido, es esperable que en otras escalas no observadas en este conjunto de datos (inter-anual o mayores) se produzcan cambios importantes, cuyo estudio sólo es posible a través de un monitoreo continuo a lo largo de varios años.

Los resultados del análisis de las imágenes satelitales de sedimentos inorgánicos suspendidos en superficie indican que su concentración es máxima a lo largo de la costa argentina del Río de la Plata Superior y Medio, lo que está vinculado con la mayor carga de sedimentos del río Paraná respecto del Uruguay y con las corrientes de marea más intensas.

La concentración de sedimentos exhibe un máximo en invierno y un mínimo en verano, que está relacionado con el período de aporte de sedimentos desde los tributarios y con un aumento de la intensidad media del viento -y, consecuentemente, de la altura y frecuencia de las olas que resuspenden el sedimento-. La concentración de sedimentos inorgánicos suspendidos se reduce drásticamente aguas abajo de la Barra del Indio, en asociación con la región del frente de salinidad, donde influyen los procesos de floculación y consecuente decantación que ocurren en esa región.

Los resultados del análisis de las imágenes de clorofila-a sugieren que esta variable está condicionada por los sedimentos y estrechamente ligada con la hidrodinámica. En efecto, en la zona de la Barra del Indio, la reducción de la concentración de sedimentos inorgánicos es acompañada por un marcado incremento de la concentración de clorofila-a, lo cual se vincula con la mayor disponibilidad de luz. Las concentraciones de clorofila-a y sedimentos inorgánicos aumentan a lo largo de la costa uruguaya del Río de la Plata exterior en invierno y disminuyen en verano, mientras que lo recíproco ocurre a lo largo de la costa argentina del Río Exterior. Esto parece vincularse con el desplazamiento medio de la pluma de agua dulce a lo largo de esas estaciones, que se mueven hacia el sur en verano y hacia el norte en invierno, en respuesta a la variabilidad del viento. Finalmente, la concentración de clorofila-a en el Río de la Plata es máxima en verano, mientras que en la Plataforma Continental lo es en primavera. Una explicación posible es que en este sistema fluvio-marino los nutrientes no constituyen un limitante al desarrollo de algas, sino que más probablemente la temperatura y la cantidad de horas de luz sean los condicionantes principales. En verano, la temperatura es alta, favoreciendo el desarrollo de la vida y la cantidad de horas de luz aumenta por efectos astronómicos. Al mismo tiempo, durante esta estación y en todo el Río de la Plata, la concentración de sedimentos inorgánicos también disminuye, constituyendo un factor favorable adicional.

En relación con la dinámica de los sedimentos, la interpretación de los datos disponibles muestra que las texturas de sedimentos de fondo predominantes son consistentes con la hidrodinámica de los corredores de flujo y la concentración de sedimentos en suspensión. Se efectuaron simulaciones numéricas de la dinámica sedimentológica forzada por la descarga continental, el viento local y la marea astronómica. Con ese fin se desarrolló una metodología para la obtención de series temporales diarias de descarga sólida para material fino y grueso en los ríos Paraná de las Palmas y Paraná Guazú que se basa en datos continuamente accesibles, lo que la torna de suma utilidad para estudios de gestión del recurso. La comparación de las soluciones numéricas obtenidas con los datos adquiridos durante las campañas oceanográficas y datos históricos muestra que el modelo reproduce adecuadamente el orden de magnitud y el rango de variabilidad exhibido por las observaciones. La comparación de la solución numérica con observaciones satelitales MODIS indica que con el grado actual de desarrollo, el modelo reproduce razonablemente las zonas de máxima concentración de sedimentos suspendidos en el Río de la Plata Superior, las proximidades y el norte de Punta Piedras y Punta Rasa. A lo largo de la costa norte, entre Colonia y Montevideo, y a lo largo de la costa sur, en proximidades de Buenos Aires, el modelo subestima la concentración de sedimentos. La inclusión de olas en la simulación, aún no consideradas, incrementará la resuspensión de los sedimentos en las zonas someras del Río de la Plata, dando lugar a un incremento generalizado de la concentración.

El análisis de las simulaciones permitió hacer inferencias acerca de los procesos físicos que determinan la dinámica sedimentológica en el Río de la Plata. En este sentido, se concluye que éste puede dividirse en cuatro regiones fundamentales en términos de dichos procesos:

1. En el Río de la Plata Superior la dinámica está dominada por la deposición de sedimentos provenientes de los tributarios y, en menor medida, por la marea. En esta región el viento impacta como tercer forzante en orden de magnitud, advectando el sedimento junto con el agua.
2. En el Río de la Plata Medio la concentración de los sedimentos en suspensión se reduce significativamente, como consecuencia de que los sedimentos decantan mayoritariamente en la región precedente.
3. En proximidades y al norte de Punta Piedras, en condiciones hidro-meteorológicas moderadas, los sedimentos son resuspendidos por efectos de la marea, que incrementa su magnitud significativamente hacia la Punta. En cambio, durante las grandes tormentas esta región probablemente se rellene, de modo de conducir al relativo equilibrio morfológico observado en la naturaleza. En esta zona se observa una fuerte vinculación entre la concentración de los sedimentos suspendidos y los ciclos de sicigias y cuadraturas de la marea.
4. En la región comprendida entre Punta Piedras y Montevideo y la Barra del Indio, en condiciones hidro-meteorológicas moderadas se produce la deposición del sedimento resuspendido en la zona anterior. Aquí el efecto del viento es máximo y el de la marea mínimo. Durante las grandes tormentas, se resuspende el material depositado, generando erosión la erosión de los depósitos.

Prospectiva

La buena dinámica grupal de los participantes del Proyecto augura fructíferas colaboraciones futuras y se está trabajando en la redacción de nuevas propuestas para proyectos de investigación. Es posible que alguna de ellas pueda prosperar en el marco de la UMI-IFAECI (Unidad Mixta Internacional “Instituto Franco-Argentino para el estudio del clima y sus impactos”). Las tareas posibles para el futuro incluyen:

1. El análisis exhaustivo de las observaciones remotas e in-situ adquiridas en el marco del Proyecto FREPLATA-FFEM durante 2009-2011 para incrementar la comprensión de la dinámica de los sedimentos finos en el Río de la Plata y su variabilidad. Esta tarea puede involucrar muchos meses (y hasta años) de trabajo para un equipo de investigadores calificados y, dada la riqueza de los datos, se espera que concluya en por lo menos una Tesis Doctoral.
2. Completar/ajustar la calibración del modelo MARS-3D en base a dichos datos y los resultados del análisis mencionado, a fin de disponer de una herramienta de estudio, pronóstico y gestión de la dinámica de los sedimentos finos en el Río de la Plata.
3. Incorporar, en los modelos, procesos más complejos vinculados con la dinámica sedimentológica, no incluidos en las investigaciones iniciales.
4. Estudiar la sensibilidad del sistema a la variabilidad observada de los diversos forzantes (vientos, mareas, olas).
5. Explotar las herramientas desarrolladas para estudiar escenarios de variabilidad climática natural y cambio climático.
6. Desarrollar algoritmos específicos de calibración de los datos satelitales de turbidez para el Río de la Plata, que permitan obtener observaciones confiables de la turbidez y concentración de sedimentos.

Las observaciones realizadas en el marco del Proyecto cubren más de un año, lo cual permitirá obtener valiosa información acerca de los procesos hidro-sedimentológicos que ocurren en el Río de la Plata fundamentalmente en las escalas de tiempo cortas, dominadas por la variabilidad de escala sinóptica del viento (escala de las tormentas) o menores. Pese a los grandes esfuerzos observacionales realizados, la determinación de los impactos del ciclo estacional no será adecuada, debido a que el mismo se encuentra fuertemente modulado por ciclos de variabilidad natural en escalas más largas, denominada variabilidad interanual. La variabilidad en estas últimas escalas no habrá sido muestreada en sólo un año. En este sentido es importante notar que el Río de la Plata se encuentra fuertemente afectado por el fenómeno conocido como El Niño-Oscilación del Sur o ENSO (las fases cálida y fría del fenómeno son conocidas como El Niño y La Niña, respectivamente), con escalas de variabilidad del orden de 3 a 4 años. En gran medida como consecuencia de este proceso, aunque la descarga media de los tributarios al sistema es del orden de los 22.000 m3 s-1 se observan picos de descarga superiores a los 80.000 m3 s-1 e inferiores a 8.000 m3 s-1. Los impactos de esta variabilidad sobre todas las demás variables físicas y sedimentológicas del sistema y su biota es muy significativo y su monitoreo requiere devarios años continuos de observaciones directas. La variabilidad estacional e interanual en las condiciones oceanográficas influencia varios comportamientos de los peces (por ejemplo, migración, desove, apareamiento y fidelidad al fondo) e influencian el uso de hábitat en las mismas escalas, lo cual determina la capturabilidad y susceptibilidad de las especies. La salinidad, la temperatura y, se cree, la turbidez son los principales factores relacionados a los cambios a lo largo de la historia de vida y en las asociaciones de hábitat de los ensambles de peces y su variación espacial, como consecuencia de la descargas continentales y del
viento predominante, y afecta la disponibilidad de los mismos a la pesquerías artesanales a lo largo de la costa. Los impactos de estos ciclos sobre el transporte de sedimentos, la contaminación y la erosión costera no son conocidos.

Asimismo, es de dominio público que el planeta se encuentra enfrentando un cambio climático, en gran medida como consecuencia de acciones antropogénicas. Los cambios observados incluyen el aumento del nivel medio del mar (con gran impacto en las regiones bajas, como el Río de la Plata particularmente en la Bahía Samborombón y la Ciudad de Buenos Aires), cambios en la temperatura del agua y del aire, cambios en el régimen de precipitaciones y por lo tanto de la descarga continental, cambios en el régimen de tormentas y ondas de tormenta (sudestadas), en la marea y en el régimen de olas. Estos cambios tienen el potencial de afectar la estructura y posición del frente de salinidad del Río de la Plata, con impacto directo en las pesquerías. El cambio climático tiene, por lo tanto, un impacto potencialmente profundo sobre las tasas de sedimentación y erosión, la calidad de las aguas y las pesquerías regionales y su determinación a fin de realizar las acciones necesarias para la mitigación de los potenciales efectos negativos requiere, nuevamente, de observaciones continuas durante períodos prolongados de tiempo.

Así, la información adquirida con los instrumentos que actualmente se encuentran en el agua es de vital importancia para el desarrollo de investigación oceanográfica, biológico-pesquera y ambiental y para la gestión sustentable del Río de la Plata y su Frente Marítimo. El sistema de monitoreo hidro-sedimentológico proporcionado por los instrumentos adquiridos durante el Proyecto FREPLATA-FFEM y los modelos numéricos que resultan de estas investigaciones servirían además de base a la generación de un programa de monitoreo y alerta ambiental y calidad de agua, clave como parte del Plan de Acción Estratégica propuesto por FREPLATA.

Además, hoy en día en el mundo se tiende a la llamada ‘oceanografía operacional’ cuyo fin es, por un lado, proporcionar descripciones continuas del estado presente de los océanos y, por otro lado, proporcionar pronósticos continuos de su estado futuro, tal como se realiza con el pronóstico del tiempo. Esto se consigue asimilando, o integrando, observaciones en los modelos numéricos, lo que contribuye a que los mismos sean más realistas en su representación de los procesos que ocurren en la naturaleza. Las aplicaciones prácticas de estos desarrollos, desde la navegación deportiva y comercial y el dragado hasta las pesquerías, son evidentes. No obstante, para lograr dicho propósito se requiere no sólo de modelos numéricos debidamente implementados y de observaciones satelitales, sino también de observaciones in situ continuas, como las que se adquieren con la boya instalada en el Río de la Plata en el marco del Proyecto, para alimentar y validar el modelo. El desarrollo y la sustentación de un sistema de este tipo a nivel regional, no sólo sería de fuerte interés para las naciones involucradas, sino que sería solidario a importantes iniciativas internacionales, como GOOS (Global Ocean Observing System) y lograr el mismo sólo es posible a través de un importante esfuerzo conjunto por parte de ambos países a lo largo de varios años.

En función de lo antedicho, se recomienda el mantenimiento de las estaciones de observación medioambiental instaladas en el Río de la Plata en el marco del Proyecto durante un período de tiempo inicial de no menos de tres años. Sería deseable, durante ese período, prever los mecanismos para el mantenimiento de dichas estaciones durante por lo menos los próximos 10 años, para el monitoreo de la variabilidad climática y el cambio climático y propender al desarrollo de un sistema de modelado operacional en la región.

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