Caracterización y patrones de distribución de los sedimentos superficiales en Bahía Cullera, España

Characterization and distribution patterns of surficial sediments of Cullera Bay, Spain

LA Cupul-Magaña^1,2*, C Mösso-Aranda¹, JP Sierra¹, E Martí³, JL Ferman-Almada², M Rodilla³, J González del Río³, A Sánchez-Arcilla¹

¹ Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 1-3, Campus Nord-UPC, Mòdul D-1, 08034 Barcelona, España.

³ Universidad Politécnica de Valencia Grupo de Evaluación de Impacto Ambiental, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia, España.

Recibido en abril de 2006
Aceptado en septiembre de 2006.

Resumen

Se investigó la variación en la distribución espacial y temporal de las características del tamaño de grano de los sedimentos superficiales y se identificaron áreas susceptibles a contaminación asociadas al tamaño de grano fino en Bahía Cullera, España. Se analizaron 90 muestras de sedimento superficial que fueron recolectadas durante seis campañas de muestreo a mediados y finales de verano y mediados de otoño de 2002, y a mediados de invierno, primavera y verano de 2003. Se analizó el tamaño de grano aplicando diferentes métodos como el análisis bivariante y funciones discriminantes empleadas en la interpretación de mecanismos y ambientes de depositación. Para identificar las zonas con mayor susceptibilidad de ser contaminadas por substancias tóxicas asociadas a tamaños de grano fino, se obtuvieron mapas de contornos de la distribución del tamaño medio de grano para las seis campañas de muestreo. Los sedimentos superficiales de Bahía Cullera se diferenciaron de acuerdo al escenario de depositación en depósitos de sedimentos marinos someros y depósitos de sedimentos fluviales asociados a la descarga del Río Júcar. La variación espaciotemporal mostró que la concentración de sedimentos gruesos se presentó en la región más cercana a la desembocadura del río, mientras que los sedimentos más finos se concentraron en la zona central y norte de la bahía durante la época de escasez de lluvia, por lo que durante esta época los sedimentos superficiales de estas zonas podrían ser susceptibles de contaminación por substancias nocivas asociadas a tamaños de grano fino.

Palabras clave: sedimentos, tamaño de grano, ambientes sedimentarios, Cullera, Río Júcar.

Spatial and temporal variations in the distribution of the grain-size characteristics of surficial sediments were studied and the areas susceptible to contamination associated with fine-grained sediments were identified in Cullera Bay, Spain. We analyzed 90 sediment samples collected during six sampling campaigns in July (mid-summer), September (end of summer) and November (mid-autumn) 2002, and February (mid-winter), April (mid-spring) and July 2003. Different methods of grain-size analysis (bivariant analysis and discriminant functions) were applied to interpret the environments and mechanisms of sediment deposition. To identify zones that showed greater susceptibility to contamination by toxic substances associated with fine-grain sizes, contour maps of sediment distribution were prepared for the six sampling campaigns. The surficial sediments at Cullera Bay were classified according to the deposition scenario into shallow marine deposits and fluvial sediment deposits associated with the Júcar River discharge. The spatiotemporal variation showed that coarse sediments concentrated in the area nearest to the river mouth, whereas the finest sediments concentrated in the central and northern areas of the bay during the dry season, making them susceptible to contamination by harmful substances associated with the fine-grained fraction.

Key words: sediments, grain size, sedimentary environments, Cullera, Júcar River.

Introducción

Para llevar a cabo un manejo adecuado de la zona costera es necesario entender los ambientes costeros, así como los procesos involucrados en su dinámica. Conocer las características de los sedimentos es importante para comprender las interacciones entre el ambiente marino y los depósitos sedimentarios. El tamaño de grano de los sedimentos es la característica fundamental de las partículas que conforman los depósitos sedimentarios, ya que éste afecta su transporte y depositación.

El análisis de las características texturales de los sedimentos es una herramienta muy importante que provee información sobre su origen, condiciones de transporte y depositación (Folk y Ward 1957; Friedman 1962, 1979). Algunos autores han utilizado las características del tamaño de grano de los sedimentos en el análisis de la evolución de las playas (Guillén y Jiménez 1994, Reed y Wells 2000, Pontee et al. 2004) o en la relación entre el tamaño de grano y la concentración de metales pesados (Rule 1986, Combest 1991, Axtman et al. 1997, Lakhan et al. 2003, Baptista-Neto et al. 2006). Los sedimentos de zonas costeras que se encuentran rodeadas de áreas urbanizadas e industrializadas pueden contener grandes cantidades de metales pesados, los cuales son tóxicos y pueden afectar los procesos biológicos de un ambiente costero (Baptista-Neto et al. 2006). Larson y Jensen (1989) obtuvieron que la distribución del tamaño de grano de los sedimentos puede utilizarse como un indicador sensible para el monitoreo espacial y temporal de las concentraciones de metales pesados en ambientes costeros.

La distribución espacial y temporal del tamaño de grano de los sedimentos refleja la variabilidad de las condiciones ambientales bajo las cuales éste se depositó. De acuerdo a Sahu (1964) cada ambiente de depósito tiene un rango de condiciones de energía en función de la localidad y el tiempo. Sin embargo, dichas condiciones ambientales no sólo pueden reflejar los procesos naturales, sino también procesos inducidos por la actividad humana (construcción de presas, estructuras de protección costera, aporte de aguas residuales, contaminantes, etc.) que afectarían las condiciones ambientales. La consecuencia de estos cambios serían variaciones en la calidad ambiental de una zona costera en particular.

Alsharhan y El-Sammak (2004) investigaron la caracterización y variación de los ambientes sedimentarios en la zona costera de los Emiratos Árabes Unidos, aplicando diferentes métodos de análisis a la distribución de tamaño de grano del sedimento, tales como el análisis de dispersión, análisis estadístico (descriptivo, cluster y análisis de correspondencia), así como las funciones discriminantes propuestas por Sahu (1964) para la interpretación de los ambientes y mecanismos de depósito, y encontraron que cualquier método por sí solo no es efectivo para identificar ambientes similares utilizando los parámetros estadísticos de tamaño de grano, por lo que recomiendan que la discriminación entre ambientes similares deberá de basarse en una combinación de métodos más que en uno solo. Alí et al. (1987) aplicó método de Sahu (1964) en un estudio de sedimentos de fondo provenientes de Ghardaqa, Egipto, obteniendo que sus resultados fueron compatibles con las observaciones de campo en un 70.6%.

Actualmente no existen estudios en el uso de los parámetros estadísticos de la distribución de tamaño de grano para diferenciar ambientes sedimentarios en la zona costera de la Bahía Cullera, España. Por lo que este trabajo está enfocado a la investigación de la variación en la distribución espacial y temporal de las características del tamaño de grano de los sedimentos superficiales, así como de la identificación de áreas susceptibles a contaminación asociadas a tamaño de grano fino, en la Bahía Cullera, España.

Materiales y métodos

Área de estudio

Bahía Cullera está localizada en la costa mediterránea española, entre las coordenadas 39°09'-39°12' N y 0°12'-0°15' O (fig. 1), delimitada al norte por el Cabo Cullera, mientras que se encuentra abierta al mar hacia su parte sur. El núcleo urbano se extiende en semicírculo en torno a la ladera del Monte de Oro, limitando su desarrollo con la margen norte del Río Júcar y el Mar Mediterráneo. La bahía de Cullera es un ecosistema nerítico donde la calidad de las aguas está fuertemente influenciada por las descargas del Río Júcar y de un emisor submarino próximo a la desembocadura del río. El caudal máximo del Río Júcar se observa típicamente durante los meses de invierno, mientras que en el verano éste es mínimo (fig. 2). El caudal de río se ve afectado por la construcción de presas en su cuenca, las cuales modifican el régimen del flujo natural. Además, las aguas del bajo Júcar se caracterizan por sus altas concentraciones de nutrientes (con una abundante cantidad de pesticidas y fertilizantes), debido a la intensa actividad agrícola, así como la gran explotación de los recursos hídricos del río a lo largo de su cuenca y a su uso como vertedero de descargas de aguas residuales (domésticas e industriales) parcialmente depuradas (Mestres 2002).

Recolección y análisis de las muestras

Como parte del proyecto europeo ECOSUD (Estuaries and Coastal Areas. Basis and Tools for a More Sustainable Development), de julio de 2002 a julio de 2003 se realizaron seis campañas de muestreo: julio de 2002 (mediados de verano), septiembre de 2002 (finales de verano), noviembre de 2002 (mediados de otoño), febrero de 2003 (mediados de invierno) abril de 2003 (mediados de primavera) y julio de 2003. Para abarcar toda el área de Bahía Cullera se estableció una red de 15 estaciones de muestreo, comprendida entre la desembocadura del Río Júcar y el Cabo Cullera en la parte norte (fig. 1). En cada estación fueron recolectadas muestras de sedimento superficial (5 cm) por medio de buceo autónomo utilizando un nucleador de mano. En el laboratorio las muestras colectadas fueron lavadas, secadas y tamizadas en seco a intervalos de 1 phi (-1 phi, 0 phi, 1 phi, 2 phi, 3 phi, 4 phi, Pan).

A los resultados obtenidos del análisis granulométrico (tabla 1) se aplicó la función discriminante propuesta por Sahu (1964) con el objetivo de caracterizar el escenario de depósito de las diferentes estaciones en todas las campañas de muestreo. Esta función es obtenida por medio de un estudio cuantitativo de métodos de discriminación de diferentes mecanismos y ambientes de depósito, suponiendo que la distribución de tamaño de grano de sedimentos clásticos refleja el factor de fluidez (viscosidad) del medio de depósito y la energía del ambiente (sitio) de depósito. Para ello, se muestrearon diferentes ambientes como corrientes de turbidez, ambientes deltaicos, planicies de inundación, canales de ríos, litoral marino somero (hasta 90 m de profundidad), depósitos de duna y planicies eólicas. De acuerdo con Sahu (1964), para el caso general de p normalmente distribuida, las variables X₁, X₂, .... X_p, los coeficientes λ¹, λ²....λ^p y una función discriminante Y relacionada linealmente a las variables, pueden definirse como:

Y₁ = λ¹X₁ + λ²X₂ +...+ λ^pX_p

donde las λ_s son escogidas para que la proporción de la diferencia entre medias de la muestra a la desviación del estándar, dentro de los dos ambientes de depósito, sea maximizada. Los resultados del análisis de Sahu (1964) producen funciones discriminantes que pueden ser utilizadas para propósitos de clasificación de los ambientes de depósito. Por ejemplo, para distinguir entre procesos eólicos y ambiente litoral (playa) (I), entre playa y ambiente marino agitado (II),entre ambiente marino somero y procesos fluviales (III), y entre ambiente fluvial (deltaico) y depósitos de corrientes de turbidez (IV), cada una de ellas con sus correspondientes λs para cada Y.

De acuerdo a las características ambientales (playa, marino somero y fluvial) del área de estudio se utilizaron las funciones discriminantes II y III.

Para la discriminación entre playa y marino somero agitado (Y₂) se utilizó la ecuación II:

Y₂ = 15.6534 Mz + 65.709 SøI² + 18.1071 Sk₁ + 18.5043 KG

donde Mz es el tamaño medio de grano, S øI² es la desviación estándar (clasificación), Sk₁ es la asimetría y KG es la curtosis. Si Y₂ < 65.365 se sugiere un depósito de playa, si Y₂ > 65.365 éste corresponde a un depósito de mar somero agitado.

Para discriminar entre un ambiente marino somero y uno fluvial (Y3), se utilizó la ecuación III:

Y₃ = 0.2852 Mz - 8.7604 SøI² - 4.8932Sk₁ + 0.0483 KG

Para identificar las áreas susceptibles a contaminación asociadas a tamaños de grano fino se realizaron mapas de la distribución del tamaño medio de grano para cada una de las campañas de muestreo.

Resultados

La distribución de la media (Mz) del tamaño de grano de los sedimentos, en todas las estaciones y durante las diferentes campañas de muestreo (tabla 1, fig. 3a) mostró que la variabilidad fue mayor en las estaciones 3 y 5, donde el tamaño medio de grano del sedimento fluctuó entre arenas muy gruesas y arenas muy finas. En el caso de la estación 3 durante julio, septiembre y noviembre de 2002 y julio de 2003 la arena es muy fina, mientras que durante febrero de 2003 la arena es gruesa y en abril es muy gruesa. En la estación 5 se observó una predominancia de arenas muy gruesas durante julio, septiembre y noviembre de 2002, cambiando a arena media durante febrero de 2003, muy gruesa en abril y muy fina durante julio del mismo año. Se observó también que en la estación 4 la variación del tamaño de grano fue de arenas finas en julio, septiembre y noviembre de 2002, a arenas muy finas en febrero y abril de 2003 y arenas medias en julio de 2003. En el resto de la estaciones el tamaño de grano de los sedimentos fluctuó entre los límites de arenas finas y muy finas.

Los valores de la clasificación del sedimento (fig. 3b) mostraron arenas con valores correspondientes a arenas moderadamente bien clasificadas en las estaciones 10, 11 y 12; de bien clasificadas a moderadamente clasificadas en las estaciones 13, 14 y 15; de moderadamente bien clasificadas a moderadamente clasificadas en las estaciones 2, 6, 7, 8 y 9; de moderadamente clasificadas a pobremente clasificadas en las estaciones 1, 3 y 5; y de moderadamente clasificadas a muy pobremente clasificadas en la estación 4. En cuanto a los valores de asimetría (fig. 3c), la mayoría de las muestras tienen valores asimétricos con tendencia negativa (hacia los gruesos); sólo la estación 3 en febrero y abril de 2003, y la estación 5 en julio, septiembre y noviembre de 2002, y en febrero y abril de 2003, muestran valores asimétricos con tendencia positiva (hacia los finos). Mientras tanto los valores de curtosis (fig. 3d) mostraron que la mayoría de las muestras presentaron un estrecho rango entre leptocúrtica y muy leptocúrtica, y solamente las estaciones 3, 4 y 5 mostraron un rango más amplio, de mesocúrtica a muy leptocúrtica, de muy platicúrtica a muy leptocúrtica, y de platicúrtica a muy leptocúrtica respectivamente.

Gráficas bivariantes de dispersión de los parámetros de tamaño de grano

En la relación entre el tamaño medio de grano (Mz) y la clasificación (Sø) de los sedimentos (fig. 4a) se observó que la mayoría de las muestras se encontraron en el rango de bien clasificadas a moderadamente clasificadas, con tamaños de grano entre arena fina a muy fina durante toda las campañas de mues-treo. Además, se puede observar otro grupo de muestras entre moderadamente y muy pobremente clasificadas, con tamaños medios de grano entre arenas gruesas y muy gruesas, las cuales corresponden a las estaciones 5 (julio, septiembre, noviembre de 2002 y febrero y abril de 2003), 3 (febrero y abril de 2003) y 4 (julio de 2003).

La relación entre asimetría (Sk) y clasificación (Sø) (fig. 4b), presentó tres agrupamientos de las muestras de sedimento. Un primer grupo, cuyas características es que son asimétricos hacia la fracción fina (+), con clasificación de moderada a pobre en la estación 5 durante julio, septiembre y noviembre de 2002 y abril de 2003, y en la estación 4 en febrero de 2003; un segundo grupo de muestras de sedimentos simétricos pobremente clasificados, representados en las estaciones 5 y 3, en febrero y julio de 2003, respectivamente; y un tercer grupo con sedimentos asimétricos hacia la fracción gruesa de moderadamente a bien clasificados, en el que se encuentra la mayoría de las muestras.

En cuanto a la relación entre asimetría (Sk) y curtosis (k) (fig. 4c), se observó que los sedimentos de las estaciones 3 y 5 presentaron un agrupamiento con tendencias hacia una asimetría positiva con curtosis de platicúrtica a muy leptocúrtica, mientras que en la mayoría de las muestras los sedimentos tienen una asimetría hacia la fracción gruesa (-) de leptocúrticas a muy leptocúrticas.

Los resultados del análisis de la función discriminante (tabla 2) mostraron que los valores calculados de Y₂ indican que 98% de las muestras corresponden a un ambiente sedimentario marino somero; solamente la estación 5 en julio y septiembre de 2002 correspondió a un ambiente de playa. Los valores de Y₃ indican que la mayoría de las muestras corresponden a un ambiente sedimentario marino somero, aunque las muestras de las estaciones 3 (en febrero y abril de 2003), 4 (en julio de 2003) y 5 (en julio y noviembre de 2002, y febrero y abril de 2003) representaron escenarios de un ambiente sedimentario fluvial. Lo anterior se puede observar más claramente en la gráfica de Y₂ contra Y₃ (fig. 5), en la que se pueden identificar cuatro campos de ambientes sedimentarios (Sahu 1964): marino somero/playa, marino somero/agitado, fluvial/playa y fluvial agitado.

Mapas de distribución de sedimentos

Con el objetivo de identificar cuáles fueron las zonas de la bahía que presentaron mayor susceptibilidad de ser contaminadas por substancias tóxicas asociadas a tamaños de grano fino, metales pesados por ejemplo, se obtuvieron mapas de contornos de la distribución del tamaño medio de grano en cada una de las campañas (fig. 6). En ellos se identificó que la concentración de las arenas gruesas y arenas medias se localizó en la zona cercana a la desembocadura del Río Júcar, los tamaños más finos (mayores de 3 phi) se distribuyeron en la parte central de la bahía durante los meses sin lluvia y en consecuencia cuando el caudal del río es mínimo. En febrero y abril de 2003, que fue cuando se registraron las lluvias más intensas y cuando el aporte del río es mayor, se observó un cambio en la distribución del tamaño de grano de los sedimentos en el sector de la desembocadura del río, cambiando de arenas finas a arenas más gruesas en dirección mar adentro, pero manteniendo los tamaños más finos (mayores de 3 phi) en la zona central de la bahía (fig. 6).

Discusión

En un intento de discriminar los diferentes ambientes de depositación de los sedimentos a través de gráficas bivariantes de dispersión, se ha supuesto que los parámetros estadísticos (tamaño medio de grano, clasificación, asimetría y curtosis) reflejan las diferencias entre los mecanismos hidrodinámicos de transporte y sedimentación (Sutherland y Lee 1994). Griffiths (1967) explica que tanto el tamaño medio de grano y la clasificación de los sedimentos están hidráulicamente controlados y que en todos los ambientes sedimentarios la mejor clasificación se asocia a rangos de tamaños finos. Generalmente la distribución del tamaño de grano de los sedimentos se relaciona al nivel de energía del ambiente. Esta relación universal ha sido confirmada por muchos estudios subsecuentes (Tucker 1990), existiendo la tendencia general a que, cuando los valores de la clasificación se incrementan, el tamaño medio de grano se incrementa, por lo que los sedimentos de grano fino son de moderadamente a bien clasificados.

Los resultados obtenidos sugieren que los sedimentos de la Bahía Cullera presentaron una dominancia de los tamaños de grano finos, con asimetría negativa, y moderadamente clasificados en la mayoría de las estaciones y durante todas las campañas de muestreo. Sin embargo, la excepción se observa en las estaciones 3 y 5, donde la distribución de tamaños está dominada por la fracción gruesa, con asimetrías hacia la fracción fina (positivas) y curvas platicúrticas a leptocúrticas. Lo anterior coincide con lo encontrado por Tucker (1990) para ambientes de playas donde la arena tiene una buena clasificación con asimetrías negativas, mientras que las arenas de los ríos están menos clasificadas y usualmente tienen una asimetría positiva. En el caso de la Bahía Cullera, la mayoría de las muestras correspondieron a un ambiente sedimentario marino somero, mientras que las estaciones 3 y 5 representaron un ambiente sedimentario fluvial.

La variación espaciotemporal de los sedimentos superficiales de la bahía mostró una concentración de la fracción más gruesa en la zona cercana a la desembocadura del río, mientras que la fracción más fina se concentró en la zona intermedia (entre la boca del río y el Cabo Cullera) durante los meses sin lluvia, cuando el aporte del río es mínimo y, por lo tanto, la distribución de los sedimentos está sujeta a los patrones del oleaje y a las corrientes costeras de la zona. En el área de la Bahía Cullera el oleaje incidente viene básicamente de tres direcciones, NE, E y SE, con una altura de ola significativa de 0.5 m y un periodo medio de 6 s. El promedio anual de máximas de altura de ola significante fue de 2.55 m, con período máximo medio de 8 segundos para 2002 y de 2.65 m y 8 segundos para 2003 (Puertos del Estado 2006). El patrón de corrientes está controlado principalmente por los vientos locales (Mestres 2002), predominantemente del NW, NE y ESE, los cuales pueden originar corrientes costeras con direcciones N, NE y NW con velocidades de hasta 15 y 11.23 cm s^-1 a 7 y 10 m de profundidad (Mösso et al. 2005).

Asociados a estos patrones de circulación costera, los sedimentos aportados por el Río Júcar se distribuyeron hacia la parte central y norte de la bahía, donde se observó la concentración de sedimentos de tamaño más fino (mayores a 3 phi). Bajo estas circunstancias la contaminación vertida por el Río Júcar y por el emisor submarino pueden llegar a representar un riesgo de contaminación para los sedimentos superficiales de la zona costera, por substancias contaminantes asociadas a tamaños de grano fino (metales pesados, materia orgánica, coliformes, etc.). Además de la actividad agrícola, urbana e industrial de la región, la actividad turística es muy intensa durante los meses de verano, cuando la población aumenta de un poco más de 21,500 personas a 150,000 (Pineda et al. 2003), lo que ocasiona que se exceda la capacidad de tratamiento de aguas residuales y que éstas sean vertidas a la bahía tanto por el río como por el emisor submarino sin un tratamiento adecuado poniendo en riesgo la calidad de las aguas costeras. Cupul-Magaña et al. (2006) demostraron que las descargas del Río Júcar y del emisor submarino tienen un impacto en la zona costera por el incremento de la concentración de coliformes en las aguas de la Bahía Cullera, sobre todo en los meses de verano. El incremento en la acumulación de bacterias en los sedimentos finos significa un factor de riesgo, ya que estas acumulaciones podrían ser removidas y resuspendidas por la acción de un oleaje fuerte y, en consecuencia, disminuir la calidad de las aguas poniendo en riego la salud de sus usuarios. Este comportamiento se ha observado también en la costa noroccidental de Baja California (Orozco-Borbón y Segovia-Zavala 1986).

En conclusión, los sedimentos superficiales de la Bahía Cullera pueden ser diferenciados de acuerdo al escenario de depositación en depósitos de sedimentos marinos someros y depósitos de sedimentos fluviales asociados a la descarga del Río Júcar. La concentración de sedimentos gruesos se presentó en la región más cercana a la desembocadura del río, mientras que los sedimentos más finos se concentraron en la zona central y norte de la bahía. Esta distribución de sedimentos finos se observó predominantemente durante la época de escasez de lluvia, por lo que es entonces cuando los sedimentos superficiales de estas zonas podrían ser susceptibles de contaminación por substancias nocivas asociadas a tamaños de grano fino descargadas por las aguas a través del Río Júcar y el emisor submarino.

De esta manera se mostró que los parámetros texturales del tamaño de grano de los sedimentos pueden usarse para diferenciar un ambiente sedimentario en particular, así como también las características de los sedimentos nos pueden servir como una herramienta para comprender o predecir una condición ambiental.

Agradecimientos

Se agradece a la Unión Europea el apoyo a través del proyecto ECOSUD (ICA4-CT-2001-10020) del programa INCO-DC; al proyecto ARTEMISA del Ministerio de Ciencia y Tecnología de España (003-07585-C02-01/MAR); al convenio de colaboración docente (2004) entre la Universidad Politècnica de Catalunya (España), la Universidad Autónoma de Baja California (México) y la Universidad de Sonora (México); al Programa Mexicano de becas PROMEP.

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