Influencia del oleaje invernal en el crecimiento longitudinal de la barra del Estero de Punta Banda, Bahía de Todos Santos, Baja California, México
Influence of winter waves on the longitudinal growth of the Punta Banda Estuary sandbar, Todos Santos Bay, Baja California, Mexico
A Martínez-Díaz-de-León*, R Lizárraga-Arciniega, O Delgado-González, L Galindo-Bect, CR Torres-Navarrete, R Blanco-Betancourt, E Gil-Silva, R Cano-Cetina
Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California, Apartado postal 453, Ensenada 22800, Baja California, México. * E-mail: asdrubal@uabc.mx
]]>Recibido en mayo de 2007.
Aceptado en febrero de 2008.
Resumen
El Estero de Punta Banda, localizado dentro de la Bahía de Todos Santos, en el noroeste de la Península de Baja California, se encuentra delimitado hacia el mar por una barra arenosa de 8 km de longitud. De 1972 a 2003 la barra tuvo un crecimiento longitudinal neto de 420 m, lo que redujo el ancho de la boca del estero en más de 400 m. A pesar de dicho crecimiento, se ha sugerido que la boca del estero no se ha cerrado debido a la existencia de un balance anual en los volúmenes de sedimento que se transportan en ambas direcciones a lo largo de la barra. Mientras que mediciones directas indican que en las épocas de primavera, verano y otoño la dirección del transporte litoral de sedimento es hacia el noreste, se ha planteado la hipótesis de que durante la época invernal el transporte litoral en la barra debería ser hacia el suroeste En este trabajo se analizan mediciones de oleaje realizadas de noviembre de 2004 a marzo de 2005 frente a la barra del Estero de Punta Banda y se infiere por primera vez la magnitud y dirección del trasporte litoral de sedimento en esta barra durante la época invernal. Los resultados muestran que durante la época invernal el oleaje dominante que arriba a la bahía proviene del oeste-noroeste, aproximándose a la barra del estero con dirección oeste franco, lo que en combinación con la orientación de la barra induce un transporte litoral de sedimento en dirección noreste, hacia la boca del estero. Este resultado contradice la hipótesis de que durante el invierno la dirección del transporte litoral es hacia el sur y permite establecer que a lo largo de un año típico la dirección dominante del transporte litoral de sedimento en la barra del estero es hacia el noreste. El hecho de que la boca del estero no se haya cerrado debe ser atribuible a otros procesos físicos, como por ejemplo a aportes pluviales extraordinarios durante la época de lluvias o posibles desigualdades entre las velocidades del flujo y reflujo de la marea al estero.
Palabras clave: oleaje invernal, refracción, transporte de sedimento, Estero de Punta Banda.
Abstract
Punta Banda Estuary, located within Todos Santos Bay, on the northwest coast of the Baja California Peninsula, is separated from the bay by a single sandbar, approximately 8 km long. From 1972 to 2003 this sandbar showed a longitudinal net growth of 420 m, which decreased the width of the estuary mouth by more than 400 m. Despite the bar's rapid growth it has been suggested that the estuary mouth remains open because in spring, summer and autumn the longshore sand transport is northeastward, but during winter the longshore sand transport should be toward the southwest, away from the mouth, establishing a balance between the amount of sediment transported both ways. In this study we analyze wave data acquired from November 2004 to March 2005 on the bay side of the sandbar, and for the first time provide the magnitude and direction of the longshore sand transport during winter. The results show that during this season the dominant waves approach the bay from the west-northwest and the sandbar from the west, inducing a net longshore sand transport of 817 m3 day-1 to the northeast. This result contradicts the hypothesis of a longshore sand transport balance, and shows that throughout a typical year the net longshore sand transport is to the northeast. The fact that the estuary mouth has not closed up should be attributed to other causes, such as extraordinary amounts of rain during the rainy season or inequalities between the ebb and flood tidal current velocities to the estuary.
]]> Key words: winter waves, refraction, sediment transport, Punta Banda Estuary.
Introducción
El Estero de Punta Banda (EPB), una de las lagunas costeras más norteñas en el litoral Pacífico mexicano, se localiza dentro de la Bahía de Todos Santos, en el noroeste de la Península de Baja California (fig. 1). Una de sus características más importantes es su barra arenosa, de aproximadamente 8 km de longitud y 1 km de ancho, que lo separa de la bahía. Constituida de arenas de cuarzo bien clasificadas cuyo diámetro medio es de 2
(Blanco-Betancourt 1987), la barra cuenta con numerosas dunas y presenta hacia el mar una playa moderadamente ancha (~250 m), de pendiente suave (0.02), lo que la hace sumamente atractiva para el desarrollo de actividades recreativas y la construcción de infraestructura turística.
Entre 1972 y 2003 la barra del EPB mostró un crecimiento longitudinal neto de 420 m, lo que redujo el ancho de su boca de 600 a 180 m (Delgado-González et al. 2005). El crecimiento longitudinal de la barra se ha atribuido a que, durante primavera, verano y otoño, el transporte litoral dominante de sediNSmento a lo largo de la barra es hacia el noreste; esto es, en dirección a la boca del estero, según se infiere de mediciones de oleaje realizadas durante tales estaciones (Torres-Navarrete 1991). Por otro lado, se ha sugerido que, a pesar del importante crecimiento de la barra, la boca del estero no se ha cerrado debido a que durante la época invernal, cuando el oleaje arriba a la bahía con sus máximas alturas y del noroeste, la dirección del transporte litoral de sedimento debiera ser de mayor magnitud que el resto del año y hacia el sur, lo que permite establecer un balance anual entre las cantidades de sedimento que se trasportan en ambas direcciones a lo largo de la barra (Torres-Navarrete 1991).
En este trabajo se analizan mediciones de oleaje realizadas durante la época invernal, de noviembre de 2004 a marzo de 2005, frente a la barra del EPB. Se infieren por primera vez para esta época las características del oleaje que arriba a la barra del estero, y la magnitud y dirección del trasporte litoral de sedimento inducido por este oleaje. Se investiga también, comparando con mediciones existentes, el posible balance anual entre las cantidades de sedimento que se transportan en ambas direcciones a lo largo de la barra del EPB.
Materiales y métodos
]]> Para establecer durante la época invernal el clima de oleaje que arriba al EPB y la dirección del transporte litoral de sedimento a lo largo de su barra se realizaron mediciones costeras de oleaje en tres localidades. Las estaciones de medición se identificaron como Ciprés (31°45.5'N, 116°37.9' W), Boca (31º47.0'N, 116º38.6'W) y Barra (31º45.5'Ν, 116º39.4'W) (fig. 1). Se utilizaron instrumentos de medición tipo ADP (Acoustic Doppler Profiler), con capacidad para resolver el campo direccional del oleaje, dos de 1000 kHz (SonTek) y uno de 600 kHz (RD Instruments). Estos instrumentos fueron programados para registrar cada hora 2048 muestras de presión (p) y de las componentes horizontales del campo de velocidad (u,v), con un intervalo de muestreo de 0.5 s. Las rutinas de cómputo de los propios instrumentos, que combinan p, u y v, proporcionan para cada registro de oleaje valores de altura significante (Hs), periodo del pico espectral (Tp) y direcciónmedia de propagación del oleaje (θ). Uno de los medidores quedó ubicado frente a la boca del estero, otro al sur de la boca frente a la barra, y el tercer instrumento al norte de la boca (fig. 1). Los tres se instalaron a una profundidad media de 15 m y operaron del 9 de noviembre de 2004 al 30 de marzo de 2005, periodo correspondiente a la época invernal. Las mediciones se interrumpieron del 18 al 24 de enero de 2005 para realizar maniobras de mantenimiento a los equipos de medición.
Resultados
Las características generales del oleaje registrado por el instrumento instalado frente a la boca del estero durante el periodo de medición se muestran en la figura 2. Las series de tiempo para las otras dos localidades no mostraron diferencias relevantes, excepto para el caso de Hs, que resultó ser en promedio 20% mayor en el punto de medición ubicado al norte de la boca del estero. Esto concuerda con lo reportado por Martínez-Díaz-de-León (2004), quien encontró que las alturas del oleaje que arriban a la zona conocida como El Ciprés (fig. 1) pueden ser hasta 2.5 veces mayores que en otros sitios dentro de la bahía.
Durante el periodo de mediciones se observó (fig. 2a) variabilidad en la altura del oleaje típica para esta región durante de la época invernal (Martínez-Díaz-de-León et al. 1989, Martínez-Díaz-de-León 2004). El promedio de la altura fue de 0.7 m, con mínimos de 0.3 m. Destaca el arribo de varias tormentas, cuatro de ellas importantes, con altura significante mayor a 1.5 m. La tormenta de principios de diciembre de 2004 rebasó inclusive los 2 m de altura. El número y severidad de las tormentas registradas no es algo sorprendente, ya que durante la época invernal se tiene la ocurrencia de numerosos frentes fríos sobre el Océano Pacífico del hemisferio norte. Estos frentes en su mayoría afectan las costas de California y Baja California (Allan y Komar 2000, 2002).
El periodo del oleaje (fig. 2b) mostró igualmente una gran variabilidad, con valores mínimos de 3.6 s y máximo de 21 s. Se observa como en repetidas ocasiones el periodo se incrementa drásticamente para luego decrecer de manera paulatina hasta alcanzar, en la mayoría de los casos, su valor inicial. Es interesante notar la marcada asociación entre los picos de periodo y los picos de altura del oleaje, comportamiento que indica que la mayoría de los picos de altura están asociados al arribo de olas generadas por tormentas lejanas.
La dirección dominante del oleaje en los tres puntos de medición (fig. 2c) resultó ser del oeste franco, con una desviación estándar de tan sólo 17 grados. Para identificar la asociación entre la altura del oleaje y su dirección de arribo se calcularon histogramas conjuntos (Hs, θ) que se presentan como rosas de oleaje en la figura 3. En estas figuras el grosor de las barras corresponde a la altura del oleaje según la escala mostrada en la parte inferior derecha. La longitud de las barras (individual o acumulativa) representa el porcentaje de ocurrencia de las parejas de valores (Hs, θ), cuya escala es indicada por los círculos concéntricos. Se aprecia como, sin importar su altura, más del 70% de las olas provienen del oeste, mientras que sólo un pequeño porcentaje (<15%) arriba de otras direcciones.
Para inferir la magnitud y dirección del transporte de sedimento se requiere conocer la altura y dirección del oleaje en la línea de rompiente. Debido a que las mediciones de oleaje se realizaron en aguas de 15 m de profundidad, fue necesario propagar numéricamente el oleaje medido hasta la zona de rompiente. Para su propagación se utilizó el modelo numérico de refracción y difracción REFDIF-1 (Kirby y Dalrymple 1984). Este modelo, ligeramente no lineal, utiliza una expansión en series de Stokes para resolver el problema analítico del oleaje e incluye una corrección de tercer orden a la velocidad de fase de las olas. La derivación matemática del modelo supone que los cambios de profundidad se suceden en distancias más grandes que la longitud de onda de las olas.
]]> Como parámetros de entrada al modelo se utilizaron diferentes triadas de altura, periodo y dirección del oleaje. Sin embargo, como ya se comentó, la dirección dominante de las olas resultó ser del oeste franco (fig. 3). El patrón de refracción para una de estas triadas (Hs = 0.75 m, Tp = 15 s, θ = 270°) se ilustra como contornos de la elevación de la superficie del mar en la figura 4. Cabe mencionar que este ejemplo es representativo de los diferentes ejercicios realizados, ya que el patrón de refracción resultó ser más sensible al ángulo de incidencia de las olas que a las variaciones en su altura o periodo. En general, los ejercicios de refracción mostraron que en la zona de rompiente la dirección dominante del oleaje es suroeste, lo que induce que el transporte litoral a lo largo de la barra sea hacia el noreste, esto es, hacia la boca del estero.Para calcular la magnitud del transporte litoral, expresado como volumen por unidad de tiempo (m3 día-1), se utilizó la fórmula desarrollada por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos (CERC 1984):
donde ρs es la densidad relativa del sedimento (2650 kg m-3), ρ es la densidad del agua de mar (1025 kg m-3), g es la constante de gravedad (9.81 m s-2) y p es la porosidad del substrato (= 0.4), e Il es la tasa del transporte de sedimento como peso inmerso en N s-1, dada por:
donde K es una constante adimensional (= 0.77), y Pl es la componente a lo largo de la costa de la potencia del oleaje en N s-1, dada por:
donde E es la energía del oleaje en N m-1, C es la celeridad de las olas (m s-1), n representa el cociente entre la velocidad de grupo y la celeridad de las olas, y θ es la dirección de propagación de las olas. El subíndice r indica que todos estos parámetros se evalúan en la profundidad donde inicia la rompiente de las olas.
Considerando la pareja más frecuente (>70%, fig. 3) de valores de altura (Hs = 0.75 m) y dirección (θ = 270°) durante el periodo de mediciones se obtiene que el volumen de sedimento transportado a lo largo de la barra del estero es de 817 m3 día-1, el cual resultó ser mucho mayor que la suma de los volúmenes reportados por Torres-Navarrete (1991) para primavera (384 m3 d-1), verano (10.5 m3 d-1) y otoño (-110.4 m3 d-1). La dirección de aproximación del oleaje y la orientación de la barra inducen un trasporte de sedimento hacia la boca del estero, esto es, hacia el noreste.
Este resultado contradice la hipótesis planteada por Torres-Navarrete (1991) en la que durante la época invernal el sedimento en la barra es transportado hacia el sur. Sin embargo, al mismo tiempo permite sugerir por primera vez que a lo largo de un ciclo anual típico el transporte dominante a lo largo de la barra es en dirección a la boca del EPB. Este resultado pudiera explicar en parte el importante crecimiento longitudinal de la barra y la relevante disminución en más de 400 m del ancho de la boca del estero, observados en las últimas décadas (Delgado-González et al. 2005).
]]>Discusión
Es de suma importancia medir y analizar las características del oleaje que arriba a las costas, ya que éste es el principal agente físico responsable de inducir cambios en la morfología costera particularmente cuando se trata de playas arenosas.
Las características del oleaje analizado en este trabajo reflejan una condición invernal típica para la Bahía de Todos Santos (Martínez-Díaz-de-León et al. 1987, Martínez-Díaz-deLeón 2004, Lizárraga-Arciniega et al. 2007). La ocurrencia de algunos eventos de tormenta de corta duración muestra una marcada asociación entre la creciente altura del oleaje y el incremento en el periodo, lo que permite suponer que las olas dominantes registradas fueron generadas por tormentas lejanas.
Por otro lado, se observa una pequeña desviación estándar (~17°) en la dirección de aproximación del oleaje a la barra del estero. Esto sugiere que la dirección del transporte de sedimento determinada en este trabajo es una condición típica del oleaje durante la época invernal, sobretodo si se considera que el patrón de refracción resultó ser más sensible al ángulo de aproximación de las olas que a su altura y periodo. Esto incrementa la relevancia de los resultados aquí presentados.
La longitud de la barra del EPB se ha estado incrementando durante las últimas dos décadas, y aunque esto conlleva a una reducción considerable del ancho de la boca del estero, ésta no se ha cerrado. Esto se ha explicado infiriendo un balance entre el sedimento que se transporta hacia el oeste durante primavera, verano y otoño, y el que se transporta hacia el noreste durante la época invernal. La información de oleaje analizada aquí sugiere que dicha hipótesis no es necesariamente cierta. Si bien durante el invierno la cantidad de sedimento que se transporta a lo largo de la barra es mucho mayor (817 m3 día-1) que las cantidades que se reportan para las otras épocas del año, las características del oleaje en invierno, particularmente su dirección, inducen un transporte de sedimento en dirección a la boca del estero. Esto parece sugerir que durante un año típico la dirección dominante del transporte de sedimento a lo largo de la barra es hacia el noreste, lo que sin duda ha contribuido a incrementar más rápidamente la longitud de la barra del estero.
El hecho de que la boca del estero no se haya cerrado aún puede ser atribuible a otros procesos físicos y no a un balance en un ciclo anual en las magnitudes y direcciones del transporte de sedimento a lo largo de la barra. Por ejemplo, trabajos recientes (Ortiz et al. 2003, Delgado-González et al. 2005) sugieren que los aportes extraordinarios de sedimento durante las lluvias extremas de 1978 a 1983 asolvaron considerablemente la cuenca del estero, lo que redujo considerablemente la capacidad de autodragado de la boca del estero y facilitó el crecimiento longitudinal de la barra pero manteniendo la boca del estero abierta.
Es importante mencionar que el crecimiento longitudinal de la barra no ha sido continuo. Durante el invierno 1978/1979 el ancho de la boca del estero pasó de 444 a 756 m, como consecuencia de la erosión extrema en la punta de la barra del estero. Tal erosión fue atribuida a los efectos ocasionados por las tormentas con oleaje extremo registradas durante el invierno 1977/1978, reportado como invierno Niño (Dormurat 1978, González-Calvillo y Cupul-Magaña 1986, Lizárraga-Arciniega et al. 2003).
Otro especto que pudiera contribuir de manera importante a mantener la boca del estero abierta es la existencia de una desigualdad entre las magnitudes del flujo y reflujo de la marea. Ortiz et al. (2003), mediante el uso de un modelo hidrodinámico, simularon las velocidades máximas alcanzadas durante flujo y reflujo de la marea en el EPB. Sus resultados muestran que las velocidades durante el reflujo son mucho mayores que durante el flujo, previniendo así la acumulación de sedimento en la boca e incrementando por otro lado la capacidad de auto-dragado del estero.
Por lo anterior se puede concluir que durante la época invernal el oleaje dominante que arriba a la bahía proviene del oeste-noroeste, aproximándose a la barra del estero con dirección oeste franco. Las características de este oleaje en combinación con la orientación de la barra pueden inducir un transporte litoral neto de sedimento de hasta 817 m3 día-1 en dirección noreste, hacia la boca del estero. Este resultado contradice la hipótesis de que durante el invierno la dirección del transporte litoral es hacia el suroeste, y permite establecer, aunado a los resultados de Torres-Navarrete (1991), que a lo largo de un año típico de oleaje la dirección dominante del transporte litoral de sedimento en la barra del estero es hacia el noreste.
]]>Agradecimientos
Agradecemos al CONACYT por el apoyo financiero a través del proyecto SEP-2004-C01-47656.
Referencias
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