Artículos

 

Alternancia de los ciclos de erosión/acreción de playa relacionados con el oleaje en Rosarito, Baja California, México

 

Alternation of beach erosion/accretion cycles related to wave action off Rosarito, Baja California, Mexico

 

R Lizárraga-Arciniega*, A Martínez-Díaz de León, O Delgado-González, CR Torres, LA Galindo-Bect

 

Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California, Km 103 Carretera Tijuana-Ensenada, Ensenada CP 22830, Baja California, México. * E-mail: jroman@uabc.mx.

 

Recibido en agosto de 2006;
Aceptado en junio de 2007

 

Resumen

Se analizaron 1860 perfiles de playa levantados mensualmente en 29 puntos de control entre octubre de 1995 y diciembre de 2003 en la costa de Playas de Rosarito (Baja California, México). Se estimaron los volúmenes mensuales de arena en la playa subaérea y se relacionaron con registros de olas en mar abierto en California y en aguas cercanas a la costa en dos localidades frente a Rosarito. En el análisis espectral de las series de tiempo de volumen de arena se identificaron dos picos espectrales importantes cuyos periodos son de 12 y 36 meses, respectivamente. Este último se identificó por primera vez en las playas de Rosarito y mostró una amplitud ligeramente mayor en las playas cercanas al rompeolas de la Comisión Federal de Electricidad y en las playas en la parte sur del área de estudio. La contribución al movimiento de arena producido por el ciclo anual fue de 80 m³ m^-1, mientras que el transporte inducido por el ciclo de 36 meses fue de 50 m³ m^-1. El ciclo de erosión y acreción se presentó en invierno y verano, respectivamente, pero en dos localidades este ciclo se muestra invertido. El ciclo estacional del cambio en el volumen de arena, definido en términos del número de Dean (Ω = H_s/w_sT), está controlado por la estacionalidad en las características del oleaje, mientras que en el ciclo invertido es controlado por los cambios locales en la morfología de la costa y por el ángulo de ataque de las olas rompientes. El factor que ayuda a explicar el ciclo de 36 meses está relacionado con los patrones interanuales de oleaje y éstos a su vez con la ocurrencia de eventos ENSO.

Palabras clave: ciclo de playa, erosión/acreción de playa, clima de oleaje, Rosarito, Baja California.

 

Abstract

A total of 1860 beach profiles were surveyed monthly from October 1995 to December 2003 at 29 control points along the coast of Rosarito (Baja California, Mexico). Sand volumes were estimated for the subaerial beach and related to deep-water wave records off California and nearshore waters at two localities off Rosarito. The spectral analysis of the sand volume time series revealed two main spectral peaks of 12- and 36-month periods. The latter cycle was identified for the first time along Rosarito beaches, showing a slightly larger amplitude on the beaches near the Federal Electricity Commission's breakwater and in the southern part of the study area. The contribution to sand movement produced by the annual cycle was 80 m³ m^-1, while the transport induced by the 36-month cycle was 50 m³ m^-1. The erosion and accretion cycle corresponded to winter and summer, respectively, but this pattern was inverted at two localities. The annual or seasonal cycle of sand volume change, defined in terms of the Dean number (Ω = H_s/w_sT), is controlled by the seasonal wave pattern, while the inverted cycle is due to local changes in beach morphology and approach angle of breaking waves. The factor that accounted for this cycle is associated with interannual wave pattern variations and this, in turn, with ENSO events.

Key words: beach cycles, beach erosion/accretion, wave climate, Rosarito, Baja California.

 

Introducción

El municipio de Playas de Rosarito, en adelante Rosarito, es uno de los corredores turísticos de mayor importancia en el noroeste de Baja California y de México. La franja costera de este municipio se encuentra bajo una constante presión de uso de suelo por una población que creció al 7.7% anual en el periodo de 1995 a 2000 (COPLADE 2002). La rápida y extensiva construcción de infraestructura habitacional, industrial y recreativa al borde de cantiles costeros y aun sobre la cara de la playa ha sido producto de un crecimiento pobremente planificado. A pesar de la importancia que tienen las playas de Rosarito para el desarrollo económico y social de su comunidad, poco se conoce sobre los cambios en el frente de playa en el corto, mediano y largo plazo, así como de los agentes que los producen.

Los cambios de playa erosionales o acrecionales que ocurren en el corto plazo están asociados con eventos aislados, ocasionalmente catastróficos y, por lo tanto, no periódicos. Un evento de esta naturaleza se presentó en las playas de Rosarito durante el invierno 1998, bajo condiciones de El Niño/Oscilación del Sur (ENSO, por sus siglas en inglés), el cual ocasionó pérdidas de arena hasta de 6.6 m³ m^-1 día^-1 y retrocesos de la línea de playa de hasta 2.3 m día^-1 (Lizárraga-Arciniega et al. 2003). Los cambios de playa en el mediano plazo usualmente presentan patrones cíclicos de erosión o acreción a intervalos relativamente regulares, aunque no en un sentido estricto pues en el lapso de algunos años la forma del perfil no es exactamente igual a la inicial (Eliot y Clarke 1989, Jiménez et al. 1997). Los cambios de largo plazo se consideran variaciones que ocurren en lapsos de décadas y los factores que los inducen están asociados a patrones cambiantes en el suministro de arena o al nivel relativo del nivel del mar (Jiménez et al. 1997). Delgado-González et al. (2005) señalan que en playas asociadas a lagunas costeras, además de los factores indicados, la variación en el prisma de marea puede ser factor de control en la erosión o acreción de playas.

El propósito de este trabajo fue determinar los cambios de mediano plazo del volumen de arena en la playa subaérea de Rosarito y su relación con la climatología del oleaje que llega a esa zona.

 

Área de estudio

Rosarito se encuentra 15 km al sur de Tijuana y la frontera con California, EUA. El área de estudio fue el litoral desde San Antonio del Mar hasta Punta La Paloma, con una extensión aproximada de 11 km (fig. 1). La línea de costa es relativamente recta y el depósito costero de arena del cuaternario sobre el que parcialmente se asienta la principal mancha urbana de Rosarito se estrecha hacia el norte hasta su límite con un derrame basáltico. La costa está parcialmente protegida de las condiciones oceánicas por las Islas Coronado, tres cuerpos insulares cuyos ejes longitudinales miden 1, 1.8 y 3.6 km, y que se encuentran 14 km mar adentro frente a Rosarito dando lugar a una compleja topografía submarina entre ellos y el bloque peninsular (fig. 1). Frente a la Planta Termoeléctrica Juárez de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) se encuentran un rompeolas en forma de J y un par de espigones que dan cuerpo a la toma de agua de enfriamiento para la planta y que obstaculizan el transporte litoral de arena generando zonas preferentes de acumulación.

En la sección norte del área de estudio son comunes extensos muros costeros que protegen el pie del cantil sobre el que se asienta la infraestructura residencial. Las playas están constituidas por material sedimentario que vana en tamaño desde arena media hasta canto rodado y en algunas localidades se observan afloramientos rocosos ígneos formando salientes de la línea de costa. Hacia el sur del rompeolas los cantiles se desvanecen, las playas tienden a ser más anchas y exclusivamente arenosas, y los muros costeros son menos numerosos.

Los arroyos Guaguatay y Rosarito, con flujos fuertemente estacionales, drenan una cuenca de aproximadamente 126 km² y son las principales fuentes de arena al sistema litoral (Pou-Alberú y Pozos-Salazar 1992, Appendini-Albretchsen 1998); sus desembocaduras se encuentran a 2000 y 4000 m al sur del rompeolas.

 

Métodos

Los cambios de mediano plazo en el volumen de arena de playa se estudiaron a partir del análisis de 1860 perfiles de playa que se levantaron mensualmente de octubre de 1995 a diciembre de 2003 en 29 puntos de control separados a distancias variables a lo largo de la playa bajo estudio (fig. 1). Los levantamientos se efectuaron con nivel fijo, estadal y cinta métrica usando como datum de referencia el nivel de bajamar media inferior (NBMI) y se efectuaron durante la marea más baja del mes durante el día.

Para cada perfil se calculó el volumen de arena contenido por arriba del NBMI y para identificar las características periódicas de la serie de tiempo, los volúmenes calculados se transformaron al campo de frecuencias mediante un análisis espectral utilizando el método de promediado de los periodo-gramas de Welch (1967). Para estimar la contribución de cada una de las frecuencias más energéticas al movimiento de arena, a cada una de las series de tiempo de volumen de arena se ajustó una función seno con dichas frecuencias.

Para determinar la influencia del oleaje en los cambios de volumen de arena se analizaron datos de altura, periodo y dirección de propagación de las olas de tres fuentes de información: de la boya 071 del Programa de Información de Datos Costeros (CDIP 2004), localizada frente a Punta Concepción, California, EUA, de donde se obtuvieron registros históricos (marzo de 1995 a marzo de 2002) a los que se aplicó la técnica de análisis espectral para identificar patrones recurrentes de altura (energía); de la CFE, generados con un sensor de presión autónomo (Sea Data 12) instalado frente a su rompeolas, a 10 m de profundidad, de junio de 1995 a enero 1999, y de los que se obtuvieron promedios estacionales de altura, periodo y dirección de viaje de las olas; y, por último, de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC) se obtuvieron datos de octubre de 2002 a julio de 2003 con un sensor de oleaje (Analizador Doppler de presión, tipo Triton) a 10 m de profundidad frente a la localidad El Oasis ubicada a 4 km al norte del rompeolas de la CFE, en particular para analizar la dirección de viaje de las olas.

El efecto acrecional o erosional del oleaje sobre el perfil de playa depende del nivel energético de las olas. Un indicador para predecir una u otra condición es el parámetro conocido como velocidad de asentamiento adimensional o número de Dean, cuya expresión es:

Ω = H_s/w_sT

donde H_s es la altura significativa de la ola, w_s es la velocidad de asentamiento del sedimento y T es el periodo de la ola (Dean 1973). Este parámetro es ampliamente utilizado para predecir la formación de barras (erosión de playa) o de bermas (acreción de playa) (Dalrymple 1992).

El tamaño de grano del sedimento en la zona de estudio es arena media y sólo algunos segmentos de playa presentan canto rodado durante el invierno; sin embargo, en la mayoría de las playas la arena en la zona subaérea está presente prácticamente todo el año. Por ello, para estimar el número de Dean, se empleó un tamaño medio de grano de 0.34 mm (Carrillo-Berumen 1998).

 

Resultados

Los perfiles de playa presentaron cambios morfológicos con una marcada estacionalidad donde se observa que la máxima acreción fue en verano y la máxima erosión en invierno (fig. 2). La presencia de una berma fue típica del verano y la pendiente de la playa en su conjunto resultó ser mayor que en el invierno; en contraste, la ausencia de berma y la menor pendiente de la playa resultó ser el perfil típico de invierno. En la primavera y el otoño los perfiles mostraron una característica transicional entre las condiciones extremas de invierno y verano. Estos cambios ocurrieron en todos los puntos de control a lo largo de la playa, excepto en los puntos 2 y 3, en los que por primera vez se registró la estacionalidad invertida, esto es, la máxima acreción se presentó en invierno y la máxima erosión en verano (fig. 3).

Del análisis espectral de las series de volumen resultaron tres picos dominantes de potencia espectral, uno con periodo menor a un año, otro con periodo de un año y el tercero con periodo entre dos y tres años. El pico con periodo menor a un año se presentó en los 29 puntos de control aunque con poca potencia espectral. La señal anual se notó en sólo 23 puntos, pero en particular en 11 de ellos, y sólo en 5 fue relativamente baja. El pico espectral con periodo entre dos y tres años mostró mayor energía en sólo 8 de los 29 puntos de control. En general, la limitación en el número de datos indica que el intervalo de confianza al 95% no permite establecer una diferencia significativa entre los periodos de recurrencia (fig. 4).

El ajuste de la función seno con periodos de un año y tres años de cada una de las series de tiempo del volumen resultó de mayor amplitud para el ciclo anual (fig. 5). La contribución máxima al movimiento de arena representada por la amplitud del seno con frecuencia de 12 meses fue de 79 m³ m^-1 de playa, y la mínima fue de 10 m³ m^-1. En contraste, la contribución máxima del ciclo de 36 meses fue de 50 m³ m^-1 y la mínima fue de 2 m³ m^-1. En general, la cantidad de varianza que explican estos ajustes (R²) resultó mayor de 0.5 en 11 puntos de control para el ciclo anual, mientras que el R² máximo en el ajuste del seno con frecuencia de 36 meses fue de 0.5 sólo en el punto de control 11 y entre 0.1 y 0.4 en el resto.

Del análisis espectral de los registros de oleaje en condiciones de mar abierto frente a Punta Concepción (EUA) resultaron dos picos espectrales, uno con periodo de un año y otro con periodo de 2.8 años. En particular, las alturas significativas medias de las olas en los inviernos fue de 2.6 m, en los veranos de 1.7 m y en las primaveras y otoños de 2.1 m. La dirección de proveniencia de las olas en mar abierto fue de los cuadrantes NW y SW aunque con más frecuencia provenían del primero.

El registro de oleaje en aguas someras frente a la costa de Rosarito mostró un patrón estacional en las alturas de las olas (tabla 1). La altura media de las olas en los inviernos de 1994 a 1999 fue de 1.3 a 2.1 m, mientras que en los veranos de 1994 a 1998 ésta fue de 1.0 a 1.3 m, y en las primaveras y los otoños mostró un carácter transicional entre ambas, de 1.2 a 1.4 m. Generalmente, el número de Dean presentó valores mayores (Q > 3.2) en los inviernos, particularmente en los de 1995 y 1998, menores (Q < 3.2) en el verano, y valores de transición en primavera y otoño (fig. 6).

El comportamiento interanual invernal del oleaje en mar abierto frente a la costa de California en términos de duración del arribo de oleaje de tormenta, mostró una variación relativamente periódica (fig. 7). Sobresale la mayor duración en el arribo del oleaje de tormenta en los inviernos de 1995 y 1998 cuyas olas con alturas medias respectivas de 2.5 y 3.1 m atacaron la playa. En contraste, en los inviernos de 1996-2002 (excepto en 1998) las tormentas fueron de menor duración y produjeron olas con alturas medias de 2.3 a 2.7 m.

 

Discusión

Los cambios cíclicos asociados con periodos menores de 0.5 años y que se presentaron en todos los puntos de control se han identificado principalmente como la respuesta a eventos individuales de tormenta. Larson y Kraus (1994) estimaron que la incidencia del oleaje de dos tormentas extremas (H_s > 4 m) ocurridas en un lapso de aproximadamente 40 días fue capaz de remover un promedio de 230 m³ m^-1 de arena en cuatro perfiles de playa. Lizárraga-Arciniega et al. (2003) documentaron el impacto del oleaje de tormentas de intensidad similar a las analizadas por Larson y Kraus (1994) y calcularon pérdidas de arena de hasta 180 m³ m^-1, pérdidas de hasta 70 m de ancho de playa y reducciones de hasta 3.5 m en la altura del perfil de playa, lo que facilitó el ataque de las olas sobre la infraestructura urbana-residencial de Rosarito. Sin embargo, aunque las tormentas pueden producir cambios dramáticos en el volumen de arena de la playa en el corto plazo, la contribución media al movimiento de arena de los ciclos de erosión/acreción con periodo menor de 0.5 años para las playas de Rosarito, definida en términos de la amplitud de la función seno que mejor se ajusta al registro temporal de volumen, sólo representa un movimiento de 22 m³ m^-1 en comparación con la amplitud media de 32 m³ m^-1 del ciclo anual.

La mayor variación anual en el volumen durante verano/ otoño y la menor durante invierno/primavera está en fase en todos los puntos de control excepto en dos de ellos. Este comportamiento indica que la predominancia de los procesos erosionales/acrecionales estacionales de la playa subaérea está controlada por el transporte de arena perpendicular a la playa que responde al arribo de oleaje más energético en invierno que en verano. La fase constructiva o acrecional de la playa está claramente definida durante el verano-otoño, cuando el oleaje es de menor altura ocasionando la predominancia del transporte de arena de atrás de la zona de rompiente hacia la playa subaérea como lo indica el número de Dean (Ω < 3.2) (fig. 6) (USACE 1992). Durante la fase destructiva o erosional de la playa característica de invierno-primavera, cuando el oleaje es de mayor altura, el número de Dean, Ω = 3.2 (fig. 6), indica que el transporte de arena ocurre en sentido inverso, esto es, la arena se transporta desde la zona subaérea de la playa y se deposita en la parte posterior de la zona de rompiente como ha sido señalado para otras playas alrededor del mundo (USACE 1992). En su conjunto, estos comportamientos permiten concluir que el patrón de cambio estacional en el volumen de arena responde fielmente a la variación estacional del oleaje expresada en términos del número de Dean (Ω) y que puede corresponder a playas de tipo disipativo o reflectivo de acuerdo a lo descrito por Anfuso y Benavente (2006).

Bajo la consideración general de las características del oleaje estacional, el número de Dean predice adecuadamente la condición erosional/acrecional de la playa en Rosarito. Sin embargo, esta predicción no concuerda satisfactoriamente con el comportamiento de las playas en las que se detectó el ciclo invertido de erosión/acreción, ya que en éstas hubo acumulación de arena durante el invierno a pesar del arribo del oleaje más energético. Por el contrario, durante el verano, aun con el arribo de oleaje de baja energía, dominó la erosión de la playa. Esto indica que en particular en estas playas, son otros factores los responsables de la inversión erosional/acrecional observada y, por tanto, es necesario tener considerar tales excepciones al utilizar el número de Dean como predictor de la erosión/acreción de playa.

Los factores que afectan el desfase en la erosión y acrecion durante invierno y verano, respectivamente, observado en dos de los puntos de control, no son tan evidentes. Si bien el efecto del oleaje estacional está presente, la forma arqueada de la playa, con fondo rocoso en sus extremos y ligeros cambios en el ángulo del oleaje rompiente con respecto a la playa, son los responsables del desfase erosional/acrecional y dan lugar al ciclo de playa anual invertido. Aunque este comportamiento es poco usual en playas arenosas rectas y semiexpuestas (Masselink y Pattiaratchi 2001), es común que ocurra en playas de bolsillo, ya que los ángulos de rompiente con respecto a la orientación de la playa son por lo general contrarios en uno y otro extremo de la playa de bolsillo (Short et al. 2000). Eliot y Clarke (1982) y Bittencourt et al. (1997) señalan que es común que las características fisiográficas locales en el litoral ocasionen ligeras variantes en el ciclo de playa.

La importancia relativa del cambio estacional en la variación de volumen se incrementa con la proximidad de un obstáculo y con el tamaño de éste. En playas rectas y no interrumpidas por estructuras costeras el ciclo estacional responde principalmente al régimen estacional de oleaje y la amplitud del ciclo estacional es generalmente menor que en playas cercanas a rompeolas o espigones (Masselink y Pattiaratchi 2001). Anfuso et al. (2006) también señalan que las playas cercanas a estructuras costeras antrópicas son las que presentan mayor variabilidad. Este comportamiento se verifica para las playas de Rosarito, en donde la contribución media al movimiento de arena inducido por el ciclo estacional de 32 m³ m^-1 alcanzó sus máximos valores (59-79 m³ m^-1) en la playa inmediata al sur del espigón de la CFE, en respuesta a la combinación del transporte de arena en sentido perpendicular y en sentido paralelo a la playa. Este último es sugerido por el efecto de trampa de arena que tiene el espigón sur al retener la arena que potencialmente se transportaría en sentido paralelo a la playa del sureste hacia el noroeste tal y como lo sugiere el patrón de dirección de aproximación del oleaje en esta zona (Marichal-González 2001).

El mecanismo de interacción descrito, también se aplica para otros puntos de control (e.g., 2, 3 y 4) en los que la amplitud de la contribución al movimiento de arena, por arriba del promedio pero de menor magnitud que las observadas en las cercanías del espigón de la CFE, también está asociado a la cercanía con afloramientos rocosos, a manera de salientes, que producen cambios en la orientación de la línea de playa, y al efecto trampa de arena señalado y que ha sido caracterizado en playas morfológicamente similares (Bokuniewicz y Tangren 1985, Masselink y Pattiaratchi 2001). Como lo indican los perfiles de playa, las estructuras costeras en combinación con las salientes rocosas, al modificar la incidencia del oleaje, han cambiado el transporte litoral de arena (perpendicular y paralelo) dando como resultado zonas preferenciales de erosión/acreción en el litoral estudiado, tal y como se esquematiza en la figura 8.

La continua acumulación de arena en la parte sur del espigón en combinación con los registros de oleaje de Marichal-González (2001) indican que las inversiones estacionales en la dirección del transporte de arena en sentido paralelo a la playa son pocas o nulas, dominando el transporte en dirección noroeste. Esta condición contrasta con la estimación de Marmolejo-Lara (1985) de que el transporte litoral neto de arena entre 130,000 y 150,000 m³ es hacia el sur, aunque también indica que las corrientes litorales al sur del espigón son hacia el norte. El registro de series de tiempo de largo plazo del perfil de playa y el oleaje en la zona de Rosarito permitirá caracterizar y cuantificar con mayor certidumbre los volúmenes y direcciones de transporte litoral.

El ciclo de erosión/acreción con periodo de 36 meses que se evidenció en todas las series de tiempo es generalmente de menor amplitud que el anual. Se han identificado ciclos de erosión/acreción con periodos de alrededor de 29 meses (Clarke y Eliot 1988, Lacey y Peck 1998, Bittencourt et al. 1997) que se han asociado con variaciones en los patrones de transporte litoral, que a su vez se han relacionado con fenómenos de escala planetaria como el ENSO. Storlazzi y Griggs (2000) analizaron la ocurrencia del ENSO (1910 a 1995) y su relación con la erosión de cantiles costeros, y demostraron que conforme aumenta la intensidad de un ENSO, existen incrementos en la altura de las olas, del nivel del mar, de la precipitación y la actividad ciclónica, de manera que la erosión y daño costero por tormentas puede ser tres veces mayor que cuando no hay ENSO.

Dolan y Davis (1992) señalan que el impacto del oleaje de tormenta sobre la erosión de la playa no sólo depende de la intensidad de la tormenta en términos de la altura máxima de ola, sino también en términos de su duración. De acuerdo con Seymour et al. (1984), quienes definen un evento de tormenta como aquel que presenta alturas de olas mayores de 4 m por un lapso de 9 horas o más continuas, se encontró una periodicidad de 36 meses entre inviernos severos (1995, 1998 y 2000) que coincide con la periodicidad del cambio cíclico de volumen de arena para las playas de Rosarito. De esta manera, se puede concluir que la periodicidad de aproximadamente 36 meses entre inviernos en los que se observó una mayor duración en el arribo de oleaje de tormenta es el factor responsable del cambio cíclico de volumen de arena con el mismo periodo encontrado en este trabajo.

 

Agradecimientos

Se agradece el apoyo financiero de la Universidad Autónoma de Baja California y de CONACYT (proyecto SEP-2004-C01-47656). Se reconoce y agradece la información de oleaje y perfiles de playa facilitada por el grupo de oceanografía física de CFE con sede en Rosarito, Baja California, y a todos los estudiantes de la licenciatura en oceanología de la Facultad de Ciencias Marinas quienes apoyaron con entusiasmo el trabajo de campo bajo la supervisión de E Gil-Silva, R Blanco-Betancourt y R Cano.

 

Referencias

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