Cambios en la posición de la línea de playa de la boca del Estero de Punta Banda, Baja California, durante 1972-2003
Beach-line changes at the mouth of Punta Banda Estuary, Baja California, during 1972-2003
O. Delgado-González1*, R. Lizárraga-Arciniega1, A. Martínez-Díaz-de-León1, L. Galindo-Bect1, J.L. Fermán-Almada2, A. Sánchez-Arcilla3, C. Mosso3, R. Pérez-Higuera1 y A. Cruz-Varela4
1 Instituto de Investigaciones Oceanológicas Universidad Autónoma de Baja California Apartado postal 423 Ensenada, CP 22800, Baja California, México. * E-mail: odelgado@uabc.mx
]]> 2 Facultad de Ciencias Marinas Universidad Autónoma de Baja California Apartado postal 423 Ensenada, CP 22800, Baja California, México.3 Escuela de Ingeniería Civil Campus Nord - UPC Jordi Girona, 1 - 3, D1 08034 Barcelona, España.
4 Universidad de Sonora, DICTUS Blvd. Luis Encinas y Rosales s/n, Col. Centro, Hermosillo, Sonora CP 83000, México.
Recibido en mayo de 2005;
aceptado en septiembre de 2005.
Resumen
A partir de un conjunto de diez fotografías aéreas y dos imágenes de satélite de la boca del Estero de Punta Banda, Baja California, que cubren el periodo 1972-2003, se obtuvo la representación vectorial de la posición de la línea de playa de las estructuras que la delimitan y se describen sus cambios. La secuencia de fotografías permite observar el cambio de posición y tamaño de la boca del estero, cuyo valor máximo fue de 995 m en 1980. Los cambios observados en la morfología de la boca de 1980 a 1985 sugieren que los sedimentos aportados por las descargas pluviales correspondientes a las tormentas de los periodos invernales de 1977/78, 1980/81 y 1982/83 funcionaron como las fuentes principales de sedimentos de las estructuras que la delimitan. Se observó la presencia de una nueva barra que definió el límite norte de la boca a partir de 1985, la cual pudo haberse generado como una consecuencia del efecto combinado de la disminución de intensidad del flujo y reflujo de marea, debido a un aumento en el tamaño de la boca en 1980; de los excedentes de sedimentos disponibles; y de un transporte litoral de noreste a suroeste. El crecimiento neto que mostró la barra de arena que delimita el sur de la boca de 1978 a 2003 fue de 53 ha, de las cuales 26 ha crecieron hacia el interior del estero. Este crecimiento y la consecuente reducción de la boca pueden ser un reflejo de la disminución del prisma de marea por el cambio de volumen de la cuenca y de la capacidad de autodragado de la marea en la región de la boca.
Palabras clave: Estero de Punta Banda, línea de playa, fotografía aérea, erosión costera.
]]>Abstract
The spatial and temporal variability of the beach-line position at the tidal inlet of Punta Banda coastal lagoon in Baja California, Mexico, is described from the analysis of ten aerial photographs and two satellite images spanning from 1972 to 2003. The results showed that the maximum tidal inlet width (995 m) occurred in 1980. Changes observed from 1980 to 1985 suggest that the extraordinary sediment fluxes that occurred during the winter storms of 1977/78, 1980/81 and 1982/83 were the main source of sediment inducing the growth of the sediment structures that delimit the tidal inlet. By the end of 1985 a new sand bar appeared on the northern side of the tidal inlet and its formation is attributed to a reduction in the ebb and flood tidal intensity as a consequence of the combined effect of the increase in width of the tidal inlet in 1980, of the extraordinary supply of sediments and of the dominant northeast to southwest longshore sand transport. The net growth of the sand bar that shapes the southern side of the tidal inlet was 53 ha from 1978 to 2003, of which 26 ha are located in the inner part of the tidal inlet. This growth and consequent reduction of the tidal inlet could be the result of a reduction in the tidal prism produced by the great amount of sediments supplied to the coastal lagoon by storms and also by the reduction of the lagoon's flushing capacity.
Key words: Punta Banda coastal lagoon, beach line, tidal inlet, aerial photography, coastal erosion.
Introducción
Las costas oceánicas son estructuras que están en constante cambio por la acción del oleaje, la marea, el aumento en el nivel del mar, el viento, las lluvias y sus escurrimientos, los deslizamientos y otros movimientos de tipo telúrico (Cupul-Magaña et al., 2004). La dureza o grado de consolidación de cada costa y la presencia de puntos débiles en su interior, como uniones o fallas, determinan su resistencia al cambio. Mientras que el aumento del nivel del mar produce un cambio en la posición de la línea de costa en la escala de décadas, la razón de cambio de la costa por deslizamientos o efectos erosivos cubre una amplia escala temporal que puede ir de días a años, de acuerdo con las características geomorfológicas particulares de la costa y su exposición al agente causante del cambio (CDB, 2002).
La costa noroeste de la Península de Baja California, México, se caracteriza por la presencia de cantiles, terrazas elevadas, puntas rocosas, playas de arena, lagunas costeras, una estrecha plataforma continental y compleja topografía submarina, formaciones geológicas que tienen un origen asociado con la importante actividad tectónica a la que han estado expuestas (Legg et al., 1991). Un rasgo particular de las lagunas costeras en esta zona es la presencia de barras de arena que las separan del mar adyacente. En Baja California se tienen estudios puntuales sobre la razón de cambio de los cantiles ante efectos del oleaje (Cruz-Colín, 1994) y sobre los cambios estacionales y episódicos a los que están expuestas las playas (Lizárraga-Arciniega, 1976; Lizárraga-Arciniega et al., 2003); sin embargo, se desconoce la razón de cambio de sus barras de arena ante los factores físicos a las que están expuestas.
La energía del oleaje es el principal factor que afecta la morfología de la costa noroeste de Baja California (Lizárraga-Arciniega et al., 2003). Durante la estación invernal el oleaje proviene del noroeste con alturas significativas de 2 m y durante el verano proviene del suroeste con alturas significativas de 0.5 m (Martínez-Díaz-de-León et al., 1989). Esta alternancia estacional en la dirección de aproximación del oleaje afecta el sentido de las corrientes litorales que transportan sedimentos a lo largo de las playas dentro de la Bahía de Todos Santos (BTS), Baja California (Lizárraga-Arciniega, 1976; Torres-Navarrete, 1991). Sin embargo, estos estadísticos subestiman las alturas del oleaje generado durante eventos episódicos de tormenta como los observados durante el invierno de 1977/78 (Martínez-Díaz-de-León et al., 1989), cuando se generó oleaje de tormenta que se combinó con condiciones de marea alta y con los aportes pluviales, y afectó la infraestructura costera de la región de Baja California (González-Calvillo y Cupul-Magaña, 1986). Durante esta temporada invernal 1977/78 se registró oleaje con alturas de 3 a 5 m en las costas del sur de California y de más 10 m en las costas norte y central de California que causó daños a la infraestructura costera de esa región (Dormurat, 1978).
Además de la energía del oleaje, la disponibilidad de sedimento es un factor que determina el ancho de las playas y las dimensiones de las barras de arena. Su disponibilidad está relacionada principalmente con el aporte pluvial de los arroyos durante la época de lluvias y en menor medida con la erosión de los cantiles (CDB, 2002). El Estero de Punta Banda (EPB), la más norteña de las lagunas costeras en la costa del Pacífico mexicano, recibe aporte de agua durante las precipitaciones pluviales y principalmente por los arroyos San Carlos y las Ánimas, los cuales desembocan al interior de su cuenca. Las lluvias ocurren durante los meses de invierno y el promedio de la precipitación anual es de 285 mm (Reyes-Coca y Troncoso-Gaytán, 2004). Sin embargo, ante la presencia de El Niño/ Oscilación del Sur (ENOS) la precipitación puede llegar a ser dos o tres veces mayor que el promedio. Durante El Niño de 1977/1978, por ejemplo, el promedio anual fue de 639 mm (Minnich et al., 2000). El material drenado en promedio por año aportado por los arroyos también se duplica durante condiciones El Niño (Pozos-Salazar, 1985; Pou-Alberú y Pozos-Salazar, 1992). Además de estos aportes, la barra del EPB recibe material sedimentario por la erosión de los cantiles de Punta Banda localizados 5 km al suroeste de la boca (Pérez-Higuera y Chee-Barragán, 1984; Cruz-Colín, 1994). Sin embargo, se desconocen los efectos de estos excedentes de sedimento ocasionados por lluvias extremas durante las épocas de El Niño sobre la estructura de la barra de arena y la boca del EPB.
]]> Al realizar una comparación cualitativa de una serie de fotografías aéreas e imágenes de satélite de la boca del EPB, se pueden observar cambios en la posición de ésta y en la morfología de las estructuras que la delimitan, así como en la posición relativa del canal principal de marea. La posición de la línea de playa (PLP) y la cuantificación de sus desplazamientos horizontales en el espacio y el tiempo se puede realizar empleando mapas topográficos, fotografías aéreas verticales e imágenes satelitales (Gaad, 1997; Patterson, 1997; Komar et al. , 2001; Stauble, 2003). El propósito del presente trabajo fue cuantificar y documentar los cambios observados en fotografías aéreas y de satélite de la boca del EPB, los cuales son utilizados para inferir los posibles agentes físicos que los ocasionaron.
Materiales y métodos
El Estero de Punta Banda, localizado dentro de la BTS (31°40'-31°47' N, 116°39'-116°37' W), es una laguna costera en forma de L en el noroeste de la Península de Baja California, México (fig. 1). Su cuenca está separada de la BTS por una barra de arena de 7 km de largo cuya punta actúa como límite sur de su única boca (fig. 2), mientras que una obra de protección costera de aproximadamente 450 m de largo en la parte continental funciona como su límite norte. El intercambio de agua entre el EPB y la BTS está dominado por la marea, cuyo reflujo de aproximadamente 1.5 m s-1 la mantiene abierta (Pritchard et al., 1978; González-Calvillo, 1980).
Para cuantificar los cambios temporales y espaciales de la boca del EPB se utilizó un conjunto de diez fotografías aéreas y dos imágenes de satélite. La fotografía correspondiente a 1978 fue lograda durante febrero, días antes de que se presentara la erosión de la punta de la barra de arena que actúa como límite sur de la boca.
Una vez acotada el área de interés, las fotografías aéreas e imágenes se transformaron en mapas (fig. 3) utilizando un mínimo de 15 puntos de control rectificados mediante una ortofoto INEGI de 1993 (I-26) en el sistema UTM zona 11 y empleando como datum de referencia el geoide NAD 27 (North American Datum, 1927). En el proceso de rectificación se utilizaron las rutinas del programa ERMapper 6.1© y se cuidó que el error mínimo cuadrático del ajuste fuese menor a 2 m.
]]> Se definieron los contornos de la PLP, línea que distingue la frontera entre el sedimento seco y húmedo de la playa y que se puede detectar por el cambio tonal de grises entre la arena húmeda y la seca. La PLP fue digitalizada directamente de la pantalla de la computadora, utilizando el programa ArcView 3.2© para sistemas de información geográfica (SIG). El cambio tonal en algunas fotografías e imágenes también permitió identificar y digitalizar en pantalla los cauces de canales de marea y una serie de bajos en las inmediaciones de la boca. En el proceso de digitalización en pantalla se empleó un intervalo de escala de 1:4000 a 1:7000, debido a que las diferencias de escalas del material fotográfico disponible impiden realizar el proceso en una escala única.Para obtener los cambios en las dimensiones de la boca del estero, se trazaron dos líneas paralelas que tocaron de manera tangencial los puntos más extremos de las estructuras que delimitaban la boca y que al mismo tiempo eran perpendiculares a la línea recta que cruza los puntos seleccionados sobre las coordenadas geográficas 31°46'0"N, 116°37'30"W y 31°46' 30"N , 116°37'0"W, respectivamente (fig. 4).
Se estimaron los cambios de área de las estructuras que delimitaron el ancho de la boca empleando los mapas de la PLP para cada fotografía e imagen disponible. Aun cuando el cambio de área de las estructuras pueda darse en sentido transversal y en ocasiones no afecte directamente el ancho de la boca, su cálculo permite identificar la erosión o acreción a las que están expuestas las estructuras y su participación en la definición del ancho de la boca. Para asegurarse que los cambios en el área de las estructuras fueron ocasionados por procesos naturales, se acotó el área rectangular en la región de la boca, esto evitó incluir aquellos cambios de área por obras de rellenos como las realizadas de 1980 a 1985, en las que se rellenaron la serie de canales que aparecen en el margen superior derecho de la fotografía aérea correspondiente a 1972 (fig. 3).
Resultados
Se observaron cambios temporales en el ancho de la boca del EPB durante los 31 años que cubre el estudio (fig. 5). De 1972 a 1978 el ancho de la boca disminuyó de aproximadamente 595 a 445 m. A partir de 1978 el ancho de la boca empezó a crecer y alcanzó una dimensión de 995 m en 1980. Posterior a 1980 la boca disminuyó nuevamente, alcanzando 220 m en 1989. De 1989 en adelante el ancho de la boca presenta una tendencia a disminuir, de tal manera que en 2003 su valor fue de sólo 110 m. Un ajuste lineal por cuadrados mínimos entre 1972 y 2003 muestra una disminución en el ancho de la boca a razón de 17.6 m año-1 (r2 = 0.52). Estos cambios en el ancho de la boca están relacionados principalmente con el desplazamiento de la PLP de la punta de la barra de arena sur.
Los mapas con los contornos de la PLP en la boca permiten observar el aumento o la pérdida de área de las estructuras que definen la boca (fig. 7a, b). De 1972 a 1978 la punta de la barra sur presentó un desplazamiento de la PLP hacia el noreste; sin embargo, de 1978 a 1980 tal comportamiento se invirtió y alcanzó su límite más sureño durante 1980. De 1985 a 1993 los contornos de la PLP permiten identificar el desplazamiento hacia el noreste y aumento en el grosor de la barra sur, así como la aparición de la barra curva que delimitó y desplazó hacia el sureste la posición de la boca del EPB. De 1998 a 2003 continuó el desplazamiento hacia el noreste de la PLP de la barra sur. Al sobreponer los mapas de la PLP correspondientes a 1978 y 2003 la diferencia de áreas es de aproximadamente 50 ha, de las cuales 26 ha aparecen como relleno de la cuenca del EPB.
Los contornos de los canales y bajos de arena permiten observar su posición relativa en la región de la boca (fig. 7c, d). En la escena de 1972 se observa un solo canal principal, confinado al extremo norte de la boca con la presencia de dos bajos de arena. Para 1980 tal configuración cambió a cuatro canales a lo largo de la boca y la presencia de tres bajos de arena, uno de los cuales se juntó con la punta de la barra de arena. Para 1985 la boca redujo su número de canales a dos, al desaparecer los canales en los extremos norte y sur de la boca (ver fig. 3), y de 1989 a 2003 la boca funciona con un solo canal principal confinado a una posición similar a la que tenía en 1972.
Discusión
La disminución del ancho de la boca de 1972 a 1978 de 593 a 444 m debido al incremento en el área de la punta de la barra de arena al sur de la boca a razón de 1 ha año-1, se invirtió en los dos años posteriores. De 1978 a 1979 la boca de la laguna costera creció a 756 m debido a la erosión de aproximadamente 9 ha de la punta de la barra de arena que limita el sur de la boca. Tal aumento se puede atribuir a los efectos ocasionados por las tormentas registradas durante el invierno de 1977/78 (Dormurat, 1978; González-Calvillo y Cupul-Magaña, 1986). El efecto erosivo que ocasionó el retroceso de la punta de la barra de arena que actúa como límite sur de la boca, también debió aumentar su vulnerabilidad al embate del oleaje en condiciones de invierno y eventos de lluvias durante 1980. Tal condición explicaría la erosión de 5 ha más de 1979 a 1980 con el correspondiente retroceso de la PLP y aumento del ancho de la boca a 995 m, que es el máximo valor registrado durante los 31 años que cubre este estudio. Las hectáreas de acreción observadas en la punta de la barra de arena de 1972 a 1978 se debieron erosionar durante los días en los que se recibieron los efectos de oleaje de tormenta, sin descartar su combinación con otras condiciones oceánicas como la elevación del nivel del mar por apilamiento de tormenta y las mareas vivas de los meses invernales, entre otros.
]]> De 1980 a 1985 la posición de la boca se desplazó hacia el suroeste y redujo su ancho a 379 m. Esto se debió a la formación de una barra de arena curva en el lado norte de la boca que se combinó con el aumento de 12 ha en la punta de la barra de arena en el lado sur. El crecimiento de manera simultánea de la punta en el lado sur y la formación de la barra al norte se pueden atribuir a la mayor disponibilidad de sedimentos en el sistema costero como producto de las lluvias registradas en los inviernos de 1978, 1980 y 1983 (Pozos-Salazar, 1985), los cuales fueron reacomodados por los procesos costeros de oleaje, corrientes litorales y las corrientes de marea. La morfología que presentan ambas barras sugiere una convergencia del transporte de sedimentos hacia la boca, lo que concuerda con los resultados obtenidos con base en el transporte litoral inferido mediante el análisis textural de sedimentos (Pérez-Higuera y Chee-Barragán, 1984).De 1985 a 1989 el proceso de acreción continuó en ambas barras y el área de la barra de arena al sur de la boca aumentó 13 ha más, mientras que la barra al norte de la boca sólo aumentó 3 ha, estos aumentos ocasionaron que el ancho de la boca se redujera a aproximadamente 220 m.
De 1989 a 1993 el ancho de la boca continuó determinado por la configuración de las dos barras. Sin embargo, el aumento en la anchura a 392 m se debió a la erosión de 5 ha en la barra al norte de la boca, ya que las 13 ha ganadas por la barra de arena al sur de la boca fueron en su dirección transversal más que longitudinal. Este crecimiento transversal ocasionó un corrimiento o desfase de la línea de playa en la punta de la barra al sur de la boca relativo a la correspondiente en el límite opuesto de la boca.
El proceso erosivo observado durante 1993 en la barra de arena norte, atribuido a la inercia del reflujo de marea al girar para salir por la boca (Ortiz et al., 2003), terminó por consumirla en 1998. La acreción de 19 ha que se observó en la punta de la barra al sur de la boca durante esta etapa fue el mayor aumento proporcional observado, lo cual sugiere que parte del material erosionado en la barra al norte de la boca se haya incorporado a la punta de la barra al sur de la boca. El aumento de área de la punta de la barra al sur de la boca nuevamente se dio más en el sentido transversal y la boca sólo redujo su ancho a 325 m. Este comportamiento sugiere que el material erosionado en la barra al norte de la boca fue transportado hacia afuera por el reflujo de marea y hacia la punta de la barra sur por el efecto del oleaje. Tal trayectoria del sedimento puede ser sustentada por el efecto del delta de reflujo sobre el oleaje, el cual provoca un cambio local en el sentido del transporte litoral (Hayes et al., 1974).
Durante 1998 y 1999 la boca continuó disminuyendo su ancho aun cuando se presentó un proceso de erosión de 4 ha en la parte expuesta de la punta de la barra al sur de la boca. Durante este breve periodo se revirtió el proceso de acreción observado en los 18 años anteriores, lo cual puede asociarse con las tormentas de invierno que generaron oleaje extremo que afectaron las costas de California y Baja California asociadas con El Niño 1998 (Lizárraga-Arciniega et al., 2003). Parte del material erosionado fue transportado y se depositó en la parte interna de la barra al sur de la boca, formando su prolongación a manera de punta, lo que hizo disminuir el ancho de la boca a 220 m aun cuando ésta registró erosión.
La tendencia de la boca a disminuir su ancho a una razón de 17.6 m año-1 resume el comportamiento general observado de 1972 a 2003. Esta razón debe ser tomada con cautela ya que tanto el número de fotografías e imágenes disponibles como la presencia de eventos episódicos, como los observados en el periodo 1978-1980, que ocasionaron razones de cambio de la PLP de cientos de metros por año, influyen en la estimación de dicha tendencia y en la medida del ajuste reportado r2 = 0.52. Además, dicha tendencia no proporciona información sobre la etapa de 1985 a 1993, en la que dos barras determinaron el ancho y la posición relativa de la boca. Los cambios de área de las estructuras que delimitan la boca son útiles para explicar el comportamiento del ancho de la boca, mas no son suficientes dada la posibilidad de que el crecimiento de área se presente en el sentido transversal y no afecte el ancho de manera directa.
El arrastre pluvial asociado con las tormentas ocurridas durante los inviernos de 1978, 1980 y 1983, aportó en cada año el doble del volumen promedio de sedimentos aportados en 34 años (Pozos-Salazar, 1985), lo cual contribuyó a modificar la posición de los canales de marea y por ende la circulación en las inmediaciones de la boca. De tener un canal principal para el intercambio de agua por marea de 1972 a 1978, la boca pasó a un sistema de cuatro canales en 1980.
Los volúmenes extraordinarios de sedimentos aportados durante la etapa de 1978 a 1983 contribuyeron a obstruir dos canales de marea: el que fue canal principal de marea de 1972 a 1978, situación observable en la escena de 1985, y el canal que sirvió de límite interno a la barra de arena al sur de la boca hasta 1980. De estas obstrucciones y por la forma de crecer de ambas barras, se puede inferir que el oleaje y sus corrientes litorales tuvieron mayor participación en el reacomodo de los excedentes de sedimento disponibles que la capacidad de auto-dragado del estero durante el reflujo de marea.
La formación y mantenimiento de la barra que se formó en la parte norte de la boca, al menos de 1985 a 1993, sugieren la existencia de un transporte litoral de noreste a suroeste y de una fuente al noroeste de la boca, o bien que los bancos de arena depositados frente a la boca, después del periodo lluvioso de 1978 a 1983, funcionaron como fuente y que al disminuir su volumen el reflujo de la marea debió superar al transporte litoral que la mantenía y terminó por erosionarla. De haberse mantenido la tendencia observada en la razón de cambio en la parte norte por la barra, ésta debió desaparecer durante 1996-1997.
Los cambios en la forma y dimensiones de las estructuras que delimitaron la boca de 1985 en adelante contrastan con los de 1972-1978, lo que sugiere relacionarlos con los efectos de las tormentas invernales de 1978 a 1983, más que con el material erosionado de los cantiles o los bancos de sedimento profundo. Por un lado, las tormentas generaron oleaje que afectó las costas de California y Baja California (Dormurat, 1978; González-Calvillo y Cupul-Magaña, 1986) y debieron erosionar la parte distal de la barra de arena que funciona como límite sur de la boca, y por otro, sus lluvias asociadas aportaron volúmenes extraordinarios de agua y sedimentos (Pozos-Salazar, 1985) que permitieron su reconstrucción con las dimensiones observadas de 1985 en adelante. La contribución de material por la erosión de los cantiles al sur de la boca del EPB de 42,895 t año-1 (Cruz-Colín, 1994) es aproximadamente 20% del volumen aportado por los arroyos, similar al porcentaje observado en las costas de California (10-30%; Best y Griggs, 1991), desconociéndose la contribución cuantitativa del transporte de sedimento hacia la costa por oleaje extremo de los bancos de sedimentos localizados en profundidades mayores a 10 m.
]]> La diferencia de áreas entre las escenas de 1978 y 2003 para la punta de la barra de arena que limita el sur de la boca es de aproximadamente 53 ha, de las cuales 26 ha rellenaron la cuenca de la laguna. Esta reducción en el espacio de la cuenca se debe sumar al ocasionado por el dique construido en los años ochenta que delimitó un área de 33 ha y que modificó la dinámica interna de sus procesos naturales (O'Brien, 1969; Ibarra-Obando y Escofet, 1987; González-Yajimovich y Escofet, 1991; Ibarra-Obando y Poumián-Tapia, 1991), más el efecto de los volúmenes extraordinarios de sedimentos aportados durante 1978-1983 (Pozos-Salazar, 1985; Pou-Alberú y Pozos-Salazar, 1992) que quedaron atrapados en la parte interna del EPB y que debieron reducir su volumen. Al reducir el volumen de la cuenca del EPB debió disminuir el prisma de marea y la capacidad de autodragado en la región de la boca, debido a que la magnitud del reflujo es proporcional al volumen de agua que se evacua entre pleamar y bajamar, y a que pequeños cambios en la magnitud del reflujo ocasionan grandes cambios en su capacidad de arrastre de sedimentos (Ortiz et al., 2003) ocasionando que el transporte litoral debido al oleaje aumentara el área de la punta de la barra de arena al sur de la boca y se redujera el ancho de la boca.
Agradecimientos
Al CONACYT por el apoyo SEP-2004-C01-47656/A-1 y a la UABC por el apoyo dentro del marco de la 9a Convocatoria de Apoyo a Proyectos de Investigación.
Referencias
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