Morphodynamics of carbonate beaches in the Yucatán Peninsula*

Morfodinámica del perfil de playa con sedimentos carbonatados en la Península de Yucatán

A Cuevas–Jiménez^{1, 2}, J Euán–Ávila¹

¹ Centro de Investigación y Estudios Avanzados, Unidad Mérida, Carretera Mérida–Progreso Km 6, 97300 Mérida, Yucatán, México.

² Universidad Marista de Mérida, Periférico Norte, Tablaje Catastral 13941, Carretera a Progreso, 97300 Mérida, Yucatán, México. E–mail: acuevas@marista.edu.mx

Recibido en agosto de 2008.
Aceptado en agosto de 2009.

Abstract

The concept of beach morphodynamics was used to classify the swash zone of carbonate sandy beaches in the central part of the state of Yucatán (Mexico). Several topobathymetric profiles were analyzed to determine the slope of the swash zone, shape parameter A of Dean's model, and shoreline advance and recession. Grain size and wave data were also analyzed to determine the dimensionless fall velocity (Ω). The slope of the swash zone was in general greater during the tropical storm season than during the northerly wind (Nortes) season. Mean profile values according to shape parameter A ranged from –0.186 to –0.074. The Ω values indicated intermediate beaches with a reflective tendency. Shoreline change relative to beach width helped to identify and rank security levels of beach segments.

Key words: beach management, beach morphodynamics, beach profiles, carbonate sands, omega.

Resumen

Se utilizó el concepto de morfodinámica de playas para tipificar el comportamiento de la zona de swash en playas con sedimentos carbonatados de la porción central del Estado de Yucatán, estableciendo su variabilidad espaciotemporal. Los resultados provienen del análisis de múltiples perfiles topo–batimétricos, de los sedimentos y del oleaje, para la determinación de la pendiente en la zona de swash, el parámetro de forma A del modelo de Dean, de los avances y retrocesos de la línea de costa y del parámetro adimensional de velocidad de asentamiento (Ω). La pendiente en la zona de swash en general resultó mayor durante la temporada de ondas tropicales y menor durante la de vientos del norte o Nortes. Los perfiles medios de acuerdo al parámetro de forma A para el modelo de Dean arrojaron valores entre –0.186 y –0.074. Los valores de Ω tipificaron playas intermedias con tendencia a reflectivas. El movimiento de la línea de costa en relación con el ancho de la playa ayudó a identificar y establecer diferentes niveles de seguridad para segmentos de playa.

Introducción

El material sedimentario no consolidado que constituye las playas proviene de la erosión de rocas ígneas, metamórficas y sedimentarias, y de la precipitación de sales (material autigénico) o bien, son fragmentos de estructuras rígidas secretadas por organismos marinos (material biogénico). Estos sedimentos y los procesos que determinan su transporte, juegan un papel preponderante en la conformación y dinámica de la playa creando zonas de acumulación y de erosión que moldean la línea de costa. Los procesos que condicionan la dinámica de las playas mantienen una estrecha relación con una amplia variedad de factores ambientales como el oleaje, la marea, los vientos y las corrientes, así como con la batimetría, el tamaño del sedimento y la disponibilidad del mismo (Bird 2003, Short 1999). Un factor ecológico adicional en el proceso de transporte sedimentario es la comunidad vegetal que se presenta tanto en la duna como en el intermareal actuando como agente estabilizador de sedimento (Bird 2003). Sin embargo, debido a su constitución, caracterizada por sedimento no consolidado, la morfología de la playa responde rápidamente a los cambios en los patrones hidrodinámicos y eólicos. La acción constante del oleaje, la marea y el viento, puede representar una grave amenaza al desarrollo costero (USACE 1984). Con el cambio climático se espera que los efectos erosivos de estos procesos se vean acentuados por la elevación del nivel del mar y fenómenos meteorológicos extremos como los huracanes (Forbes et al. 2004, Curtis y Hodell 1996, Hooke et al. 1995). A su vez, el riesgo de erosión se incrementa cuando los patrones de transporte sedimentario son modificados por acciones del hombre como la construcción inadecuada de infraestructura marítima y de estructuras de protección, y por deforestación del área de duna. Al perder material sedimentario la playa se deteriora, retrocede, pierde calidad de hábitat, y pierde su efecto amortiguador, poniendo en riesgo propiedades y bienes. Aunado a la pérdida económica y de servicios ecológicos, el deterioro de la playa afecta también a los ecosistemas costeros contiguos. Este sistema físico, considerado como uno de los espacios naturales más dinámicos en el planeta (Short 1999, Bird 2003), de alta fragilidad y sumamente atractivo para el desarrollo costero, requiere de series largas de datos que deriven en mayores conocimientos en la planeación para su desarrollo sustentable.

Clasificar o regionalizar las playas en función de su morfodinámica facilita su manejo, ya que es posible establecer criterios para reducir los riesgos y aumentar la seguridad en el desarrollo de múltiples actividades costeras (Benedet et al. 2004). Por ello la mayoría de los estudios de playas con este propósito concentran su atención en los cambios de la morfología de los perfiles de playa. Dean (1977) propuso el uso del perfil de equilibrio como una forma de entender y sintetizar el comportamiento del perfil de playa. Otros estudios han incorporado condiciones disipativas y reflectivas para la evaluación de las constantes del perfil de equilibrio (Bernabeu et al. 2003), con resultados que muestran una gran correlación con la pendiente y el tamaño de grano, particularmente en el perfil de surf. Wright y Short (1984) propusieron la utilización del parámetro adimensional de velocidad de asentamiento, Ω, para la clasificación de las playas, relacionando el clima de oleaje y la gravedad específica de los granos de arena. Este esquema establece un comportamiento reflectivo de las playas para valores de Ω<1, playas intermedias para valores de 1 < Ω <6) y playas disipativas para Ω > 6.

El propósito de este estudio fue obtener una tipificación de playas con sedimento carbonatado considerando la variación espaciotemporal de las características morfodinámicas en la zona central de la costa del Estado de Yucatán. Los elementos de caracterización involucraron cambios en la pendiente en la zona de swash, el análisis del perfil medio de playa a través de la estimación del parámetro de forma del perfil de equilibrio de Dean, el avance y retroceso de la línea de costa, así como la caracterización granulométrica del sedimento y la del oleaje para determinar al parámetro Ω en su variación a largo de la costa y durante las temporadas climáticas.

Área de estudio

La plataforma de Yucatán corresponde a la parte sumergida de una placa caliza que incluye la Península de Yucatán. La placa tiene una suave pendiente hacia el norte y es bordeada en el oeste, norte y este por el talud continental que se desploma desde la margen de la plataforma sumergida a profundidades abisales del Mar Caribe y Golfo de México. El régimen mareal es mixto, predominando la marea diurna, y con marea semidiurna durante mareas muertas. El rango mareal varía de 0.1 y 0.8 metros en mareas muertas y vivas, respectivamente; los principales armónicos se indican en la tabla 1 (Reyes, com. pers.). Las condiciones sedimentarias de la plataforma de Yucatán han sido similares desde el Terciario (66Ma) y el Pleistoceno temprano (1.6Ma), hasta el Cuaternario tardío (10,000a); esto es, una depositación de sedimentos carbonatados sobre roca caliza antigua. La tierra emergente adyacente se caracteriza por presentar una topografía cárstica que carece de un sistema de drenaje superficial, por lo que el material sedimentario dominante está constituido de sedimentos carbonatados propios de la misma plataforma y carente de materiales terrígenos (Logan et al. 1969). En este trabajo los estudios se realizaron en una porción de playa donde el material sedimentario que la forma consiste, en su mayoría, de material calcáreo biogénico como fragmentos de concha, coral, algas, espículas de erizo, etc. (Nolasco–Montero y Carranza–Edwards 1988). La forma de la zona costera corresponde a un sistema de restingas (spits) e islas de barrera, que forman un sistema de humedales a lo largo de todo el Estado de Yucatán.

El área de estudio se extiende desde el puerto de Chuburná hasta Uaymitún, Yucatán, que corresponde a la porción central del litoral arenoso del norte del estado (fig. 1). En ella se encuentran diversos asentamientos humanos (las poblaciones de Chuburná, Chelem, Progreso, Chicxulub y Uaymitún) en los que se combinan propiedades veraniegas y de residentes permanentes. Las propiedades veraniegas son particularmente empleadas durante los periodos vacacionales. Otras actividades en la zona están asociadas al puerto de altura y al manejo de carga y pasajeros, la pesca ribereña y de mediana altura, el turismo y la investigación.

El problema de erosión de playa en las costas de Yucatán es preocupante, y dado que afecta las propiedades próximas a la línea de costa, cobra gran importancia por la vocación turística y recreativa de la zona, así como por el alto grado de urbanización que presentan algunas porciones costeras. Por su ubicación geográfica, la costa de Yucatán se encuentra expuesta continuamente al efecto de tormentas tropicales, huracanes y Nortes, fenómenos naturales que intensifican los efectos de los procesos de transporte de sedimento y causan cambios importantes en la morfología de las playas. Entre las acciones de protección más utilizadas en la región se encuentran la construcción de escolleras y espigones, y recientemente la alimentación de playas (Meyer–Arendt 1991, 1993).

Material y métodos

Perfiles de playa

Con base en los estudios de perfiles propuestos por Bernabeu et al. (2003), se caracterizaron perfiles de playas en función de algunos descriptores fisiográficos a partir de los promedios en las diferentes épocas del año. Se empleó un levantamiento topográfico (Bannister et al. 2002, Compton 1985) bimestral de febrero de 2002 a julio de 2006 utilizando un nivel óptico, iniciando las mediciones del perfil en la zona de duna, o bien, al frente de alguna propiedad o construcción, y extendiéndolas a la zona sumergida hasta donde el estadal puede ser sostenido por una persona de pié. Generalmente este límite en la zona sumergida comprende la rompiente de ola, lo que permite registrar la zona de surf. La distancia de muestreo a lo largo de cada perfil fue sistemáticamente de aproximadamente 3 m entre cada dato. Adicionalmente se registraron los rasgos fisiográficos sobresalientes como escarpes de dunas y otros cambios abruptos que se encontraban. Para comparar los perfiles en el tiempo, cada perfil se inició desde una referencia cuya posición geográfica y altura ortométrica fueron determinadas con un sistema de posicionamiento global diferencial. Los 15 perfiles utilizados en el trabajo se distribuyen de acuerdo con la figura 1. Los cinco sitios en las playas de Chuburná (Zona A) tienen una separación aproximada de 1500 m entre ellos, los de las playas de Puerto Progreso (Zona B) 350 m, y los localizados en las playas de Uaymitún (Zona C) de 1500 m. Las características de las series de datos analizadas y presentadas en este estudio se muestran en la tabla 2. Se analizó un total de 365 perfiles a lo largo de aproximadamente 35 km de playas, en los que se presentan celdas y subceldas de transportes cuyos límites se encuentran definidos por infraestructuras portuarias y la propia configuración costera. Para estimar el perfil medio, la desviación estándar y la pendiente en la zona de swash, los datos de altura fueron interpolados linealmente a un intervalo constante. Se determinó el parámetro de forma A de la expresión del perfil de equilibrio propuesta por Bruun (1954) y Dean (1977) tipo h = Ax^2/3. Dicho parámetro de forma fue estimado con una regresión para cada perfil medio y para cada temporada climática. El estudio de tendencia erosiva/ acumulativa en los perfiles está basado en el seguimiento en el tiempo de la posición de la línea de costa. La referencia a la línea de costa fue definida como la altura cero ortométrica.

Caracterización del oleaje

Granulometría del sedimento

Se tomaron muestras de sedimento a lo largo de los perfiles de playa para realizar un análisis granulométrico en las zonas de cara de playa y surf. Las muestras fueron secadas y tamizadas empleando tamices de 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 y 4.0 phi, y las fracciones separadas por tamaño fueron pesadas con una balanza analítica de 0.001 g de precisión. Los datos fueron graficados a escala logarítmica para obtener los percentiles que permitrían estimar la media, mediana, desviación estándar (dispersión o sorteo), asimetría y kurtosis (Folk 1966).

Determinación de Ω.

Se empleó la ecuación de condición de frontera morfodinámica (MBC, morphodynamic boundary condition) adaptada por Benedet et al. (2004) que identifica límites paramétricos y permite clasificar una playa en sus diferentes morfotipos. Empleando el parámetro Ω es posible identificar playas disipativas (Ω > 6), intermedias (Ω entre 1 y 6) o reflectivas (Ω <1).

donde Hb es la altura de ola en rompiente (m), Ws es la velocidad de asentamiento de la partícula (m s^–1) y T es el período de ola (s).

Los valores requeridos para la determinación de Ω fueron estimados a partir de los datos de oleaje estimados con el sensor de presión del ADCP y de los resultados del análisis de granulometría. La estimación de la altura de ola en la zona de rompiente (Hb) se realizó a partir de la fórmula propuesta por Komar y Gaughan (1972), utilizando los registros de oleaje del sensor de oleaje.

donde Ho es la altura de ola en aguas profundas (m) y Lo es la longitud de la ola en aguas profundas (m).

Para determinar la velocidad de asentamiento de la partícula (Ws) se empleó la fórmula de Toledano y Silva (2005), quienes trabajaron con arenas de playa de la región de estudio con arenas finas biogénicas carbonatadas, y basados en Bruun (1954) y Dean (1977) para partículas carbonatadas cuya mediana (D50) está entre 0.1 y 1 mm:

Resultados

Perfiles medios de playa

Los perfiles medios y su desviación estándar se muestran en la figura 2. Las curvas de desviación estándar claramente muestran la dinámica del perfil y, de forma consistente, los mayores cambios se presentan en la zona de swash. En todas estas playas la desviación estándar de la altura escasamente supera los 0.6 m a excepción del perfil A4 (0.9 m), sito donde se encontraba un espigón que generó una amplia playa y que, por acciones de manejo, fue retirado en 2002 provocando una importante pérdida de playa a pesar de la alimentación artificial de arena realizada en ese sitio. El menor valor de desviación estándar fue registrado en el perfil C2, con 0.3 m, en una zona correspondiente al extremo oriental del área de estudio, una zona de baja densidad poblacional y que ha estado sujeta a menos acciones de manejo.

Parámetro de forma A

Los valores del parámetro A de los perfiles medios se muestran en la tabla 3. Se observa que los valores de este parámetro estuvieron entre –0.1863 y –0.904, y que sus mayores valores se presentan en perfiles someros o de acumulación, que corresponden a perfiles cercanos a la escollera de Chuburná (A1, A2 y A3). Respecto a la variación de A en relación a las épocas climáticas, se observó consistentemente que los menores valores se presentan en época de Nortes. En la figura 3 se observan los perfiles medios obtenidos con las estimaciones del perfil de equilibrio tipo h = Ax^2/3. En la zona A se observa mayor heterogeneidad entre perfiles, en la que los cercanos a la escollera de Chuburná, en el extremo oeste, presentan pendientes más suaves en relación al perfil A5 localizado en el extremo oriental de esta zona. Los perfiles de la zona B son más homogéneos entre sí, con pendientes intermedias. Los perfiles de la zona C muestran pendientes más pronunciadas.

Pendiente en zona de swash

Como lo muestran las desviaciones estándares de los perfiles medios de playa, esta zona es la más dinámica. En la figura 4 se observa cómo en ondas tropicales se presentan los promedios más altos de la pendiente, mientras que en temporadas de Nortes los valores son menores. Si bien esto generalmente es cierto, se puede apreciar que las pendientes en las zonas A y B tienden a ser menores durante la época de Nortes en contraste con la época de ondas tropicales; sin embargo, en la zona C este comportamiento se invierte.

Tendencia de la posición de la línea de costa

El análisis de la posición de la línea de costa a lo largo del tiempo muestra que en la zona A (fig. 5), en los perfiles A3 y A4 ésta tiende a retroceder significativamente, en particular en el sitio A4 con una tasa de 7.76 m año^–1; mientras que en los perfiles A1 y A2 se observa una tendencia a incrementar el ancho de playa. En la zona B, de Puerto Progreso, se observa que la posición de la línea de costa en los sitios B1 y B2 tiende a retroceder pero en B3 se mantiene estable, mientras que B4 y B5 presentan una tendencia a progradar. A excepción del perfil B3, en el resto de los perfiles de esta zona se observa un tendencia significativa. Para el caso de la zona C, al este del área de estudio, la posición en C2 y C4 presenta una tendencia a retroceder, en particular en C4 donde esta tendencia es mayor respecto a los otros sitios de la misma zona, a razón de 2 m año^–1. Los sitios C1, C3 y C5 muestran una tendencia a progradar.

La tendencia de la posición de la línea de costa, expresada como la tasa de avance o retroceso, puede ser de gran utilidad para la toma de decisiones en el manejo de playas. Si se considera esta tendencia en combinación con el ancho de playa, entonces se puede generar un criterio que permita tipificar las playas en diferentes niveles de seguridad. En la figura 6 se observa que las playas con extensión mayor a 60 m y con una tendencia a progradar se consideran de alta seguridad, tal como el sitio A1. El caso opuesto son aquellas playas de baja seguridad cuya extensión es menor a 20 m y con una tendencia a retroceder, como sucede en los sitios A4 y C4. Asimismo, es posible proponer playas de seguridad intermedia cuya extensión es mayor a los 20 m pero menor a los 60 m.

Sedimento

A partir de las fracciones tamizadas de material sedimentario se obtuvieron los percentiles que permitieron estimar la media, mediana, desviación estándar (dispersión o sorteo), asimetría y kurtosis (tabla 4). En general, y de manera homogénea, la arena en la zona de swash se clasificó como arena gruesa, mal clasificada, casi asimétrica y mesocúrtica. La variación entre arena gruesa a media es relativamente homogénea a lo largo de los sitios muestreados y sin ningún gradiente aparente. Consistentemente el tamaño de arena en la zona de swash es mayor que el de la zona de surf (fig. 7). El material que permanece en la zona de swash está constituido por fragmentos de conchas de moluscos entre los que dominan las formas de plato.

Oleaje

Durante el período de operación del sensor de oleaje se obtuvieron 15,824 datos, determinándose una altura media de ola significativa (Hs) de 24.19 cm, con una desviación estándar de ±16.15 cm, una moda de 11.40 cm y un rango de 0.5 a 143 cm. La media del período de ola significativa (Ts) fue de 3.55 s, con una desviación estándar de ±2.04s, una moda de 2.40 s y con un rango de 0.60 a 15.0 s. La longitud de ola significativa fue de 16.65 m en el sitio del instrumento y en aguas profundas (Lo) se estimó en 17.62 m. La celeridad de la ola se estimó en 4.96 m s^–1 en el sitio de muestreo y de 5.25 m s^–1 en aguas profundas. Se observó que las olas más altas y de mayor período se presentan en la temporada de Nortes (fig 8).

En general los sitios estudiados se clasificaron como playas intermedias; sin embargo, la zona de swash presentó valores de Ω menores a los de la zona de surf, acercándose a los límites de playas reflectivas, esto, como resultado del efecto del tamaño de partícula ante condiciones iguales de oleaje. Si bien para toda la costa se emplearon las mismas condiciones de clima de oleaje,Ω muestra una variación a lo largo de la costa (fig 9), así como también a lo largo del tiempo, como se ejemplifica en la figura 10 donde se muestra la variabilidad temporal del parámetro en el sitio A1.

Discusión

Los análisis revelaron que la zona de swash está conformada por arena gruesa, con pendientes pronunciadas en la temporada de tormentas tropicales y suavizadas en la temporada de Nortes. En esta porción de la playa se presentó consistentemente la mayor variabilidad de la erosión y acumulación en cada perfil confirmando su carácter sumamente dinámico. En planta, el análisis de la posición de la línea de costa no sugiere que exista una clara tendencia generalizada de avance (4 perfiles con pendiente positiva significativa) o retroceso (6 perfiles con pendiente negativa significativa) en el área de estudio. Es necesario agregar que algunos tramos del área de estudio se encuentran fuertemente influenciados por acciones de manejo como alimentación artificial y con estructuras de protección y estabilización de la línea de costa que se superponen a los procesos naturales e imponen limitaciones y precauciones al uso de los resultados encontrados.

El parámetro de forma A en el modelo de Dean obtenido de la regresión de perfiles medios recoge consistentemente la heterogeneidad espacial observada en estos perfiles y de forma similar los cambios observados en las temporadas climáticas. Durante la temporada de Nortes, el promedio de A fue de –0.1408 modelando un perfil suave que durante la temporada de ondas tropicales mostró un promedio de 0.1534 para un perfil de mayor pendiente. Sin embargo, este modelo se aparta de las formas reales de los perfiles medios, mostrando diferencias importantes al no reproducir la caída relativamente abrupta al inicio y el posterior suavizamiento del perfil. En este sentido es necesario identificar el modelo que mejor represente el comportamiento de la zona.

Las características de las playas estudiadas las tipificaron como playas intermedias a reflectivas de acuerdo al parámetro Ω (Benedet ef al. 2004), por el tamaño de sedimento, la forma y dimensiones del perfil medio, así como por su pendiente. En concordancia con Benedet ef al. (2004) en relación a la variabilidad del parámetro Ω, los valores en una misma playa variaron en el tiempo, del dominio intermedio hacia valores cercanos al dominio reflectivo. Esto nos muestra que cambios en el clima de oleaje modifican el comportamiento de la playa, y alerta sobre tomar precauciones al darle uso como un descriptor morfodinámico de naturaleza estática.

Entre los descriptores morfodinámicos más empleados, la tendencia de la posición de la línea de costa junto con el ancho de playa permitió identificar diferentes niveles de seguridad. El decreto 801 del Estado de Yucatán establece una franja de amortiguamiento de 60 m que amplia la banda de playa de 20 m que corresponde a la zona federal. Al considerar la tendencia erosiva/acumulativa sobre estos descriptores de la línea de costa se puede contribuir a identificar y establecer necesidades de monitoreo de largo plazo para diferentes segmentos de la playa, facilitando las decisiones de manejo para la protección de servicios ambientales y bienes o propiedades.

Agradecimientos

Se agradece el apoyo del Centro de Investigación y Estudios Avanzados (CINVESTAV–Mérida), a los proyectos Erosión Costera y Calidad del Agua, y Geomorfología en Islas de Barrera. Se agradecen también las importantes sugerencias de I Mariño, C Enríquez, M Liceaga, E Batllori y R Silva, así como al personal técnico y los estudiantes que colaboraron en el trabajo de campo y análisis de sedimento de los laboratorios de Percepción Remota, Sistemas de Información Geográfica y Procesos Costeros del CINVESTAV–Mérida.

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Nota

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