Distribution of textural parameters of surficial sediments in the Bay of Chetumal: Implications for the inference of transport

Alberto Sánchez^1,*, Teresa Álvarez–Legorreta³, Ricardo Sáenz–Morales³, Ma. Concepción Ortiz–Hernández³, B. Estela López–Ortiz⁴, Sergio Aguíñiga^1,2

¹ Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas, Instituto Politécnico Nacional, Apartado Postal # 592, La Paz, Baja California Sur, México. * alsanchezg@ipn.mx ; alsanchezgl3@gmail.com

² Becario de la Comisión de Operación y Fomento a las Actividades Académicas (COFAA), Instituto Politécnico Nacional.

³ El Colegio de la Frontera Sur, Unidad Chetumal, Av. del Centenario Km. 5.5, 77900 Chetumal, Quintana Roo, México.

⁴ Facultad de Biología, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Av. Feo. J. Mágica S/N., 58030, Morelia, Michoacán, México.

Manuscrito recibido: Febrero 12, 2008
Manuscrito corregido recibido: Junio 17, 2008
Manuscrito aceptado: Agosto 1, 2008

RESUMEN

El análisis de las tendencias espaciales (tamaño de grano, clasificación y asimetría) fue determinado de 43 estaciones con la finalidad de identificar la trayectoria del transporte de sedimentos en la Bahía de Chetumal, Quintana Roo, México. El análisis estadístico multivariado de componentes principales y el análisis de tendencia del tamaño de grano aplicado a los parámetros texturales del sedimento establecieron que el sedimento mejor clasificado está asociado a las estaciones con un tamaño de grano medio menor y viceversa. Los vectores de transporte sugieren un transporte neto de sedimento en dirección S–SE y S–SO (para el periodo de muestreo), lo que concuerda con la dirección de las corrientes superficiales y de fondo en la Bahía de Chetumal. El depósito de material fino y bien clasificado en la parte central de la bahía tiene buena correlación con el contenido de contaminantes antropogénicos encontrados en otros estudios.

Palabras clave: transporte de sedimento, tendencias espaciales, contaminantes, Bahía de Chetumal, México.

ABSTRACT

Key words: sediment transport, grain size trend analysis, polluting agents, Bay of Chetumal, Mexico.

INTRODUCCIÓN

El análisis y la descripción de los procesos en ambientes sedimentarios han sido ampliamente definidos sobre la base de la distribución de la frecuencia del tamaño de grano (e.g., Friedman, 1961). Mientras que el cambio de los parámetros texturales del sedimento en la escala espacial se ha usado para evaluar el transporte de sedimento neto (Mc Laren y Bowles, 1985). Gao y Collins (1991, 1992) y LeRoux (1994a, 1994b) definen esta evaluación como el Análisis de Tendencia del Tamaño de Grano (ATTG), el cual está basado en un procedimiento general de cuatro etapas: 1) el análisis de los datos texturales; 2) la combinación de la tendencia del tamaño de grano; 3) los vectores de transporte; y 4) la prueba estadística de significancia de los vectores de transporte. El ATTG ha permitido demostrar que es una excelente aproximación para establecer el transporte de sedimento en una gran variedad de ambientes como ríos, playas, puertos, estuarios, plataforma continental y cañones submarinos (Gao y Collins, 1992; Mc Laren et al, 1993; Gao et al, 1994; Asselman, 1999; Carriquiry y Sánchez, 1999; Van Wesenbeeck y Lanckneus, 2000; Carriquiry et al, 2001; Cheng et al, 2004; Sánchez et al, en prensa).

La Bahía de Chetumal se encuentra localizada en el Caribe mexicano, donde desemboca el Río Hondo, el cual define la frontera entre México y Belice y es una de las pocas escorrentías superficiales de la Península de Yucatán (Figura 1). Los desechos orgánicos e inorgánicos de los extensos cultivos de caña aledaños a las planicies del río son vertidos directamente al Río Hondo (Ortiz–Hernándezy Sáenz–Morales, 1999), y posteriormente son transportados y depositados dentro de la bahía. Aunque se han realizado diversos estudios en la Bahía de Chetumal referentes a la sedimentología (De Jesús–Navarrete et al., 2000), la distribución de metales (García–Ríos y Gold–Bouchot, 2003; Díaz–López et al, 2006; Buenfil–Rojas y Flores–Cuevas, 2007) y de hidrocarburos aromáticos (Álvarez–Legorretay Sáenz–Morales, 2005), no se ha establecido la dirección del transporte y los sitios de depósito de los compuestos químicos adsorbidos y asociados a las partículas del sedimento. Álvarez–Legorreta y Sáenz–Morales (2005) reportaron una buena relación entre los sedimentos finos y la concentración de los hidrocarburos aromáticos para las partes más profundas de la bahía.

La movilidad de los sedimentos y sus contaminantes absorbidos es un factor que complica la evaluación de riesgo ecológico, la investigación en la recuperación y la rehabilitación propiamente dicha, o en última instancia en los procesos de litigio. Por lo cual, la decisión racional deberá de tomar en cuenta la probable estabilidad de los sedimentos contaminados, así como sus fuentes, transporte y destino final(e.g., Apitz et al., 2005). Un método que podría facilitar esta información es el ATTG, técnica que sirve para sugerir los destinos finales de depósito del material sedimentario, al determinar las trayectorias netas de transporte, junto con su comportamiento dinámico (acumulación, erosión y equilibrio dinámico; Mc Lareny Beveridge, 2006). Debido a que muchas de las partículas que forman parte de los agentes contaminantes son absorbidas por los sedimentos, la información obtenida del ATTG puede ser valiosa para predecir el transporte y destino final de los sedimentos contaminados.

Las áreas naturales protegidas de México son diversas en cuanto a flora, fauna, clima, entre otras, y en los últimos años, su número se ha incrementado considerablemente como resultado de la creciente preocupación por mantener estas zonas lo más prístinas posible. Sin embargo, los ambientes transicionales costeros (incluidas las áreas naturales protegidas) han sido modificados e impactados por el inherente crecimiento de la población(e.g., Carriquiry y Sánchez, 1999). En particular, la Bahía de Chetumal fue declarada Área Natural Protegida en 1996 con la categoría de Zona sujeta a Conservación Ecológica "Santuario del Manatí" por el Gobierno del Estado de Quintana Roo, a través de la Secretaría de Desarrollo Urbano y Medio Ambiente. Ésto debido a que alberga a la población más importante de manatíes en la Península de Yucatán, especie que se encuentra en peligro de extinción, motivo por el cual es fundamental la conservación de este habitat, sitio de reproducción y alimentación de manatíes, además de peces de importancia económica (Morales–Vela y Olivera–Gómez, 1994; Morales–Vela et al, 2000).

AREA DE ESTUDIO

La Bahía de Chetumal tiene forma semielongada con 110 km de largo y 20 km de ancho, con un máximo de 49 km en su parte media y un mínimo de 5 km en la cabeza (Figura 1). La batimetría de la bahía es relativamente somera (4 m en promedio), con un canal central que presenta una profundidad promedio de 6 a 8 m con dirección SO. También se localizan depresiones angostas y profundas conocidas localmente como "pozas". En la bahía desemboca el Río Hondo y algunos arroyos menores que le dan una característica estuarina con salinidades (de 10 a 18 ups) que decrecen desde la boca hacia la cabeza de la bahía. En el verano, la precipitación pluvial es máxima acentuando las condiciones estuarinas de la bahía y, en invierno, se registra solo el 10% de la precipitación que ocurre en verano (Carrillo et al, en prensa).

MÉTODOS

Muestreo y análisis de sedimentos superficiales

En septiembre de 1998 se colectaron mediante buceo autónomo los primeros 2 cm de sedimentos superficiales conformando 43 muestras de una red espacial. El análisis granulométrico fue llevado a cabo por el método de tamizado para la fracción arenosa (Ingram, 1971). Los parámetros texturales (tamaño de grano medio, clasificación y asimetría) fueron calculados usando los datos granulométricos (Folk, 1974).

Método de interpolación de los parámetros texturales

La interpolación por el método de "kriging" se basa en los fundamentos de la teoría geoestadística o de variables georreferenciadas y no parte del supuesto de normalidad de la variable. Esto representa una ventaja en el manejo de todotipo de variables que no se distribuyen de manera normal, ni en el espacio, ni en el tiempo. El "kriging" es un método de promedios móviles ponderados usado para interpolar valores de un conjunto de datos obtenidos de una "red" de puntos, con el fin de obtener contornos que definan una zona con valores homogéneos. El "kriging" se establece a partir del variograma, el cual mide el grado de correlación entre valores como una función de la distancia y dirección entre muestras (Oliver y Webster, 1990; Carvajal et al., 1999). Las principales ventajas que muestra el "kriging" sobre otros métodos de interpolación son que (1) suaviza las estimaciones basadas en la varianza muestral que resultan de "ruido aleatorio", (2) reduce el grado de duplicación de muestras cercanas que estén altamente correlacionadas, (3) permite conocer el comportamiento de la variable en diferentes direcciones, pudiéndose ajustar un modelo para cada dirección, y (4) existen algoritmos computacionales accesibles para el análisis geoestadístico y el proceso de interpolación por el método de kriging. La principal desventaja de este sistema de interpolación es la demanda de puntos de observación, y la distribución de los mismos, ya que se requiere de un mínimo de 3 0 para la determinación de un punto en el semivariograma, los cuales preferentemente deben estar equidistantes sobre diferentes direcciones del terreno. Mientras menor sea el número de muestras que se utilicen, o bien, más irregular sea su distribución, menor confiabilidad presentan los resultados (Laslett et al., 1987; WeberyEnglund, 1992).

El análisis de componentes principales (APC) es un método estadístico multivariado que ha sido ampliamente usado en el análisis de datos en investigaciones marinas(e.g., Carriquiry et al, 2001). El ACP es una técnica estadística de reducción de la dimensión (número de variables). Los nuevos componentes principales o factores serán una combinación lineal de las variables originales e independientes entre sí. Un aspecto clave en el ACP es la interpretación de los factores, ya que ésta no viene dada a priori, sino que será deducida tras observar la relación de los factores con las variables iniciales (Davis, 1986).

Los componentes principales o factores se calculan de la forma siguiente: X es una matriz de n ^× m datos (n muestras de m variables; donde m variables son el tamaño de grano medio, la clasificación y la asimetría). Si X es transformada y la matriz de covariancia es R, entonces existe una matriz de eigenvectores ortogonales U =[U₁ ,U₂,.....U_n]:

Entonces Y = [Y₁,Y₂,.....Y_n] forma una matriz ortogonal. El {y₁} es el componente principal y el {u₁} son los eigenvectores de la matriz de covarianza. La proporción relativa de la varianza total de cada eigenvector está dada por la magnitud del eigenvalor.

Modelo de transporte sedimentario

Los modelos de transporte sedimentario que se han propuesto y validado han permitido inferir el transporte de sedimento residual sobre la base de las tendencias texturales del tamaño de grano(e.g., Mc Lareny Bowles, 1985; Gao y Collins, 1992; 1994; LeRoux, 1994a, 1994b). En el caso de este estudio se aplicó el modelo propuesto por LeRoux (1994a; 1994b), el cual está asentado en principios de la geometría analíticay el análisis vectorial de datos texturales. La magnitud y dirección del vector de transporte se calculó al comparar las características texturales de cinco estaciones de muestreo (una central y cuatro satélites). La aplicación del presente método es explicado con detalle en Carriquiry y Sánchez (1999).

RESULTADOS

Análisis de tendencia del tamaño de grano

El tamaño de grano medio fue de 1.6 con tamaño máximo de –0.43 y mínimo de 2.4 (. De manera general, la tendencia espacial del tamaño de grano medio es a disminuir hacia la parte central y cabeza de la bahía, así como en la zona cercana a la desembocadura del Río Hondo y a la cuidad de Chetumal, mientras que en el margen costero central de la bahía se tiene un tamaño de grano relativamente más fino que en el margen costero oriental (Figura 2). Los sedimentos mejor clasificados están asociados a las estaciones donde el tamaño de grano medio es menor y viceversa (Figura 3). De hecho, el coeficiente de determinación entre ambas variables (tamaño de grano medio vs. clasificación) es R² = 0.52 (F_1,41,α=0.05=43.7; p = 0.0000). La asimetría (Figura 4) de los sedimentos superficiales es negativa (hacia sedimentos gruesos) en casi toda la bahía, excepto en el margen costero, al sur de la Isla Tamalcab (Figura 4), donde la asimetría es ligeramente positiva (hacia sedimentos finos). Los sedimentos superficiales están dominados por arenas con un 87% en promedio (mínimo de 76% y máximo de 96%) y en una menor proporción de lodos con 13% en promedio (mínimo de 4% y máximo de 24%).

Análisis de componentes principales

El análisis de componentes principales aplicado a los datos texturales del sedimento (tamaño de grano medio, clasificación y asimetría; Tabla 1) es mostrado en la matriz de eigenvectores, en la cual cada columna representa el "peso" de cada componente principal correspondiente:

El primer eigenvalor, el tamaño de grano medio (2.0000), explica el 67% de la varianza y el segundo eigenvalor, la clasificación (0.8370), explica el 28% de la varianza.

Estos dos eigenvalores explican el 95% de la variabilidad de los parámetros texturales. Solo el 5% de la variabilidad se explica por la asimetría. La correlación es negativa entre el tamaño de grano medio y la clasificación. De esta forma, los sedimentos finos están asociados a material clástico bien clasificado y los sedimentos de grano grueso están más pobremente clasificados, mientras que el coeficiente de asimetría muestra una baja correlación con estos parámetros texturales.

Transporte de sedimento neto

Los vectores residuales de transporte sedimentario se muestran en la Figura 5. En la región norte de la bahía, los vectores de transporte denotan dirección SO, mientras que en la región central del área de estudio los vectores de transporte tienen dirección hacia el S–SE, excepto en el margen costero central–oriental, donde los vectores de transporte tiene dirección SO (Figura 5). En la región sur de la bahía, los vectores de transporte residual mostraron una dirección preferente hacia el S–SE. Las estaciones 28,29 A, y 34 cercanas a la desembocadura del Río Hondo tienen un transporte de sedimento neto en dirección E–NE.

DISCUSIÓN

El análisis vectorial de los parámetros texturales es una propiedad cualitativa que indica la magnitud relativa y la dirección dominante de cada vector, en el cual dos estaciones vecinas están intercambiando material, sin proporcionar información cuantitativa de la cantidad de material intercambiado. La distribución de frecuencia de la magnitud de los vectores obtenida en este estudio (Tabla 2) sugiere, hasta cierto punto, una amplia variabilidad en el intercambio de material entre las estaciones vecinas (e.g., Carriquiry y Sánchez, 1999). Otros estudios han mostrado que el 80% de los vectores estuvieron caracterizados por magnitudes vectoriales entre 0.4 y 0.5 en el Mar del Norte (Gao y Collins, 1994), y 0.9–1.0 para el norte del Golfo de California (Carriquiry et al., 2001). Esto puede indicar que las condiciones hidrodinámicas en nuestra área de estudio no son homogéneas y, por lo tanto, reflejan gradientes ambientales sedimentológicos (e.g., Carriquiry y Sánchez, 1999).

El análisis de las tendencias texturales para establecer el transporte neto de sedimentos ha sido utilizado ampliamente en diversos ambientes costeros y oceánicos. En estos estudios, el transporte neto y la dispersión del material sedimentario fueron validados al comparar los vectores residuales de transporte definidos a partir del análisis estadístico de las tendencias texturales del sedimento con las corrientes oceánicas medidas o modeladas(e.g., Carriquiry y Sánchez, 1999; Van Wesenbeck y Lanckneus, 2000; Carriquiry et al, 2001; Liu et al, 2002; Jia et al, 2003; Duman et al, 2004; Duman et al, 2006; Friend et al, 2006; Lucio et al, 2006; Due et al, 2007). De esta forma, el ATTG es una excelente herramienta para inferir el movimiento de las partículas de sedimento en sitios donde los estudios de corrientes son limitados. La aplicación del modelo de LeRoux permitió inferir un transporte neto de sedimento superficial en dirección S–SO y S–SE con una convergencia hacia la parte central de la Bahía de Chetumal consistente con los contornos del tamaño de grano medio y la clasificación.

La limitada información hidrográfica disponible para la Bahía de Chetumal proviene de un estudio realizado por Morales–Vela et al. (1996), quienes midieron a lo largo de un año las corrientes superficiales y de fondo. La velocidad media de la corriente superficial fue 12 cm s^–1 con una dirección 183±88°. En el fondo, las corrientes fueron ligeramente menores con 9 cm s^–1 y una dirección dominante de 182±81°. Aun cuando la dirección de las corrientes superficiales y de fondo mostró una dispersión relativamente alta, los vectores de las corrientes superficiales tuvieron direcciones entre 137° y 240°, y las corrientes de fondo entre 136° y 236°, ambos en sentido S–SO y S–SE. El transporte neto de sedimento superficial con dirección S–SO y S–SE es coherente con la dirección de las corrientes superficiales y de fondo establecidas para la Bahía de Chetumal (Morales–Vela et al, 1996).

La distribución de sedimentos con un tamaño de grano de arenas finas a gruesas sugiere que las condiciones hidrodinámicas deben ser lo suficientemente intensas para limitar el depósito y el contenido de limos y arcillas hacia la región central y más profunda de la bahía (De Jesús–Navarrete et al, 2000). Carrillo et al. (en prensa) indican que la magnitud de las corrientes superficiales y de fondo fueron relativamente bajas, lo que concuerda con Lankford (1977) quien ubicó a la Bahía de Chetumal como un ambiente costero de agua de baja energía. No obstante, la velocidad de la corriente dentro de la bahía es capaz de resuspender (Keller y Shepard, 1978) y transportar (Komar, 1977) materiales de 3 ( a 5 (, además de identificar una dirección neta de flujo hacia el S–SO y S–SE (Morales–Vela et al, 1996), la cual coincide con la dirección de transporte de sedimento obtenida en este trabajo.

De manera general, las tendencias espaciales de los parámetros texturales del sedimento corroboran que el material clástico de grano fino y bien clasificado se distribuye a lo largo de la parte central de la bahía y concuerda con la acumulación preferencial de materia orgánica, metales e hidrocarburos (Ortiz–Hernández y Sáenz–Morales, 1999; García–Ríos y Gold–Bouchot, 2003; Álvarez–Legorreta y Sáenz–Morales, 2005). Sobre la hipótesis de que los contaminantes preferencialmente asociados a las partículas finas del sedimento (i.e., limos y arcillas) seguirían la trayectoria del transporte del sedimento, la información del análisis de tendencias texturales del sedimento permitiría definir la relación entre la descarga de contaminantes y sus fuentes, así como predecir el transporte y destino final de estos sedimentos contaminados en ambientes marinos.

CONCLUSIONES

La distribución del tamaño de grano medio del sedimento superficial muestra que las partículas son más finas, mejor clasificadas y con una asimetría hacia partículas gruesas en la región central y la cabeza de la bahía. El análisis de componentes principales indicó que la correlación entre el tamaño de grano medio y la clasificación fue significativa y explicó el 95% de la variabilidad de la tendencia textural del tamaño de grano. El restante 5% corresponde a la asimetría.

El transporte neto de sedimento, representado por los vectores residuales de transporte y obtenidos mediante el análisis de tendencias superficiales, sugiere que el material clástico y las partículas (inorgánicas y orgánicas) de origen antropogénico y/o naturales tienen una dirección preferencial de transporte S–SO y S–SE, excepto cerca de la desembocadura del Río Hondo donde el transporte neto de sedimento es preferencialmente en dirección E–NE. Esto indica que puede existir una mayor influencia en la dispersión de sedimentos y partículas contaminantes que son vertidos directamente al río por los drenes de los campos agrícolas y los desechos urbanos.

El transporte neto de sedimento inferido con las condiciones del presente muestreo, es en dirección S–SE y S–SO y concuerda con la dirección de las corrientes superficiales y de fondo en la Bahía de Chetumal obtenida por Morales–Vela et al. (1996). La convergencia de los vectores de transporte en la parte central de la bahía es coherente con estudios previos realizados en los cuales se describió la distribución espacial de metales e hidrocarburos. De esta forma, el análisis de tendencias texturales es una técnica que puede ser útil para predecir el transporte y destino final de los sedimentos contaminados.

El resultado de este trabajo de investigación y los estudios previos de la geoquímica sedimentaria pueden ser la base para sugerir nuevas investigaciones y/o monitoreo de la calidad del agua y del sedimento, con especial atención en aquellas áreas donde existen problemas de contaminación o están sujetas a un eventual impacto ambiental.

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