Comparación de modelos de transporte de sedimento en la Bahía Todos Santos, Baja California, México

A comparison between sediment transport models in the Todos Santos Bay, Baja California, Mexico

Alberto Sánchez^1,*, José Carriquiry ², Jorge Barrera², B. Estela López–Ortiz¹

¹ Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas, Instituto Politécnico Nacional, La Paz, Baja California Sur, México.

² Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California, Ensenada, Baja California. *Email alsanchezg@ipn.mx; alsanchezg13@gmail.com.

Manuscrito recibido: 23 de Junio 2008.
Manuscrito corregido recibido: 27 de Agosto 2008.
Manuscrito aceptado: 2 de Septiembre 2008.

Resumen

Para determinar el transporte residual de sedimentos en la Bahía de Todos Santos (BTS), las tendencias espaciales del sedimento fueron comparadas y aplicadas a los modelos de Sunamura y Horikawa (1971), Mc Laren y Bowles (1985), y Gao y Collins (1994). El modelo de Sunamura–Horikawa usa el tamaño de grano medio y la clasificación como criterios de comparación para inferir la dirección del transporte mientras que los modelos de Mc Laren–Bowles, y Gao–Collins usan estos dos parámetros además de la asimetría. Los dos primeros modelos son unidimensionales y el tercero es bidimensional. El modelo de Gao y Collins (1994) resultó ser el más adecuado en la determinación de los patrones residuales de dispersión de sedimentos superficiales. En la BTS se define un patrón de dispersión de sedimentos identificando varias tendencias principales de transporte. En la zona norte de la bahía con una dirección SE (siguiendo el contorno de la isobata de los 20 m), y hacia el NE (cercano a la Isla de Todos Santos). Para la zona sur presenta un transporte en dirección NE, y en la región central de la bahía hacia el O. En el cañón de Todos Santos se determinó una trayectoria hacia el NE. La presencia de corrientes con velocidades de 0.30 ms^–1 hace posible un transporte hacia el interior de la bahía. En la región externa de la bahía, frente a las Islas de Todos Santos y la Península de Punta Banda, el transporte inferido es hacia el O. Para las zonas someras, la circulación superficial y el transporte litoral concuerdan con los resultados del presente trabajo. Los procesos de marea (corrientes residuales u ondas internas) son un factor importante en la resuspensión y transporte del material en las zonas profundas de la bahía. En la zona central de la bahía parece ocurrir un sitio de convergencia y con ello se daría lugar al estancamiento de partículas arrojadas en la bahía (e.g., contaminantes).

Palabras claves: Bahía de Todos Santos; análisis de tendencias espaciales; transporte de sedimento; contaminantes.

Abstract

Keywords: Bay of Todos Santos; grain size trend analysis; sediment transport; polluting agents.

1. Introducción

En las últimas décadas se han desarrollado métodos para la identificación del transporte de sedimentos en ambientes marinos costeros (Sunamura y Horikawa, 1971; Mc Laren y Bowles, 1985; Gao y Collins, 1992, 1994). Esta técnica se fundamenta en el cambio espacial de los parámetros texturales del sedimento superficial y es definida como el Análisis de Tendencia del Tamaño de Grano (ATTG; Gao y Collins, 1992, 1994).

Los primeros intentos por determinar el transporte de sedimento fue sobre la base de la variación del tamaño de grano, considerando que disminuía en el sentido del movimiento de las partículas (Pettijohn et al., 1972); sin embargo se ha observado que este parámetro también aumenta a lo largo de la trayectoria (McCave, 1978; Nordstrom, 1981, 1989). Mc Laren y Bowles (1985) mostraron que una combinación de los parámetros texturales (tamaño de grano promedio, clasificación y asimetría) produce mejores resultados en la identificación del transporte de sedimento. El modelo de Mc Laren es unidireccional y la dirección de transporte se obtiene al comparar los parámetros texturales por pares de muestra a lo largo de una línea de muestreo. Este modelo fue validado en diferentes ambientes y los resultados concordaron con las condiciones hidrodinámicas de estos (e.g., Mc Laren y Little, 1987; Mc Laren et al., 1993). A pesar de esto, este modelo es cuestionado porque su aplicación está limitada para ambientes específicos, como barras arenosas, playas, entre otros (Masselink, 1992).

El modelo de Me Lareny Bowles (1985) fue modificado por Gao y Collins (1991). Estos autores proponen un modelo bidimensional para el ATTG e introducen el concepto "vector de transporte". Esta nueva técnica difiere del modelo de Me Laren ya que define una malla de vectores adimensionales por comparación de los parámetros texturales de tres estaciones "vecinas", y que son transformados en vectores de transporte al aplicar una técnica de filtrado. Gao y Collins (1991, 1992) indicaron que la implementación de vectores produce un resultado más robusto y reduce el sesgo en la selección de las líneas de muestreo y su utilidad es sustentada por su aplicación en diversos ambientes costeros, como bahías, estuarios, entre otros (Gao et al., 1994; Pedreros et al., 1996).

En este estudio se pretende determinar, mediante la comparación de diferentes modelos de inferencia de transporte de sedimentos, las principales rutas y destino final de las partículas sedimentarias en la Bahía Todos Santos, B.C. Este tipo de estudios permitirá conocer por ejemplo, el impacto espacial que pudiera tener un derrame (y/o aportes sistemáticos) de contaminantes al medio marino, permitiendo predecir cuál sería el destino final de esas partículas (y/o compuestos asociados a ellos). Para validar estos modelos, los resultados del análisis de transporte son comparados con datos hidrográficos de la BTS.

1.1. Área de estudio

Argote–Espinoza et al. (1975) determinaron que existen dos patrones de circulación superficial que dependen de la dirección del viento; cuando el viento presenta un componente norte genera una corriente que sigue el contorno de la línea de costa desde San Miguel y Punta Banda, donde convergen en la región central del litoral costero de la bahía y toman dirección oeste hacia las islas. Cuando el viento es del oeste, la corriente tiende a seguir un patrón inverso al anterior (Figura 1).

En la BTS se han realizado estudios sobre transporte litoral, en el norte el transporte es con dirección SE; hacia el centro de la bahía el transporte se comporta de manera general con dirección norte, y finalmente en la región sur que corresponde a la sección comprendida desde la boca del Estero de Punta Banda hasta la península del mismo nombre, presenta una dirección predominante hacia el norte (Figura 1; Pérez–Higuera y Chee–Barragán, 1984).

2. Metodología

Las muestras de sedimento se colectaron mediante una draga van–veen durante los cruceros OGEO–0893 de la Secretaria de Marina con una red de 51 estaciones (Figura 1). Los primeros 5 cm de sedimentos superficiales de cada muestra fueron pretratados para eliminar la materia orgánica y sales, de acuerdo al método descrito por Mook y Hoskin (1982). El análisis granulométrico se realizó por la técnica de Ingram (1971) para la fracción arenosa y de Galehouse (1971) para la fracciónfina (limos y arcillas). Los parámetros texturales del sedimento (tamaño de grano: m; clasificación: σ; asimetría: sk) se calcularon por el método propuesto por McManus (1988).

Los patrones de dispersión del sedimento se infirieron utilizando los modelos de Sunamuray Horikawa (1971); Mc Laren y Bowles (1985) y Gao y Collins (1992). El modelo de Sunamura y Horikawa (1971) fue modificado aplicándose en dos dimensiones para mejorar la representación de las trayectorias de transporte del material sedimentario. Para el modelo de Mc Laren y Bowles (1985) se analizaron 34 transectos pero solo 14 de ellos se les identificó alguna trayectoria de transporte (Tabla 1). El modelo GSTA de Gao y Collins (1992) se proponen dos criterios de comparación de los parámetros texturales para inferir la dirección de transporte; Caso 1: µ_A > µ_B, σ_A<σ_B, sk_A < sk_B, y Caso 2: µ_A <µ_B, σ_A <σ_B, sk_A > sk_B, donde A y B son estaciones de comparación y de los cuales se calculan los vectores de transporte del sedimento.

3.1. Tendencias texturales

El tamaño de grano medio disminuye de las regiones costeras (–1.0 ) hacia el cañón (7.0 ); sin embargo, en la región más profunda del cañón se observa un ligero decremento de este parámetro (5.0 ). En las zonas central y sur de la bahía se encuentran los sedimentos más homogéneos (arenas finas; Figura 2). Los sedimentos se presentan mejor clasificados en las zonas someras y el valor de este coeficiente aumenta hacia el cañón de Todos Santos. En la región externa de la bahía, frente a la Península de Punta y Banda, y las Islas de Todos Santos se observan malas clasificaciones (Figura 3). Los valores de asimetría negativos (hacia sedimentos de grano gruesos) se encuentran en las zonas someras, aumentando en la parte central de la bahía y volviendo a valores negativos hacia el cañón (Figura 4).

3.2. Modelos de transporte sedimentario

El patrón residual de transporte observado en el modelo modificado de Sunamura–Horikawa indica una convergencia de material hacia la pendiente noroeste del cañón; sin embargo, la inferencia de esta tendencia no es lo suficientemente clara para la región central. Para la parte externa de la bahía se observa una convergencia del material de las Islas de Todos Santos y la Península de Punta Banda hacia la continuación del cañón (Figura 5).

Las trayectorias de transporte delineadas con el modelo de Mc Laren–Bowles muestran: (1) una entrada de material por el cañón de Todos Santos a la BTS dispersándose en todo el interior de la bahía; (2) hacia San Miguel en la zona norte; (3) hacia la playa municipal, El Ciprés y estero de Punta Banda en la región sur; y (4) una trayectoria de aparente salida del material sedimentario se da paralela a la Península de Punta Banda (Figura 6).

Al aplicar el modelo de Gao–Collins se observa una tendencia más clara y uniforme de los residuales de transporte. Para la región norte: (1) con dirección SE hacia la región central de la bahía; y (2) hacia el NE frente a la islas. Para la zona sur de la bahía: (3) con sentido NO frente al estero de Punta Banda. Frente a la playa municipal: (4) se observa una trayectoria hacia el O. En el cañón de Todos Santos: (5) con dirección NO, paralela al eje de éste. Para la región externa: (6) existe una concordancia con el patrón residual obtenido del modelo de Sunamura–Horikawa (Figura 7).

4. Discusión

4.1. Modelos de transporte

El método unidimensional de Mc Laren–Bowles fue desarrollado para estudios de ambientes longitudinales (ríos, playas y barras arenosas; Mc Laren, 1981; Mc Laren y Bowles, 1985). Para ello, este modelo analiza la evolución granulométrica a lo largo de líneas (secuencia de n muestras). Para estudiar un área más compleja y obtener trayectorias de transporte en dos dimensiones es necesaria una malla de 9x9 conteniendo 81 muestras (Mc Laren y Little, 1987). Sin embargo, los recientes comentarios de la aproximación unidimensional se presentan y soportan por Mc Laren et al. (2007), pero fueron cuestionadas por Le Roux y Rojas (2007). Por otra parte, Masselink (1992) concluye que el modelo unidimensional es limitado, pero esta crítica fue refutada eficazmente por Me Laren (1993). Lanckneus et al. (1992) concluyen que solo el caso de sedimentos finos, bien clasificados y asimetría positiva es significativo para el modelo de Me Laren–Bowles; aunque en este modelo no se observo este caso donde el transporte de sedimento resulto ser validado y concordante con las condiciones hidrodinámicas. Por lo que el modelo de Mc Laren y Bowles (1985) aplicado a 17 ambientes diferentes solo pudo ser válido en 7 ya que en el resto de los casos fue parcial o nulamente válido (Poizot et al., 2008). De hecho, los resultados del presente estudio parecen confirmar que el modelo unidimensional tiene limitaciones en ambientes complejos como la BTS.

Gao y Collins (1992) desarrollaron un modelo bidimensional sencillo de aplicar. Los vectores de tendencia son determinados a través de una malla de muestreo comparando los parámetros texturales de estaciones "vecinas". Las estaciones "vecinas" se determinan sobre la base de una distancia característica que representa la escala espacial de muestreo. Sin embargo, la resultante de este análisis vectorial puede verse afectada por la magnitud de la distancia característica; en otras palabras, si la distancia característica es demasiado grande puede promover un cambio en la dirección de los vectores residuales de transporte, dando como resultado una dirección no representativa del transporte. Para ello se aplicaron varias distancias a la definida como característica y diferentes densidades de muestreo (± 50%) para observar este efecto en el resultado del modelo; a pesar de estas variaciones no se presentó ninguna diferencia con respecto al resultado obtenido empleando la distancia característica.

Aunque muchos estudios han usado el análisis de tendencias espaciales, muy pocos de ellos han comparado las diferentes aproximaciones en términos de eficiencia. Lanckneus et al. (1992) compara los métodos de Mc Laren y Bowles (1985), y Gao y Collins (1992) para barras arenosas. Los resultados indicaron que el modelo de Gao y Collins (1992) fue más eficaz ya que permitió una distinción entre áreas dominadas por flujos y reflujos de marea. Liu et al. (2002) estudiaron un cañón submarino y sus áreas adyacentes comparando ambos modelos con un método de análisis de función ortogonal empírica. Los tres métodos se complementaron pero ninguno de ellos fue capaz de proporcionar las trayectorias de transporte de sedimentos. Ríos et al. (2002, 2003) comparan ambos modelos y los resultados obtenidos están en concordancia con el análisis de corrientes y fotografías aéreas. Aunque, el método unidimensional tiende a confundir la escala espacial de los procesos de transporte de sedimentos y, a lo sumo, puede representar la trayectoria de sedimentos a macroescala. En este contexto, parece más realista utilizar un enfoque bidimensional para tener en cuenta la escala espacial (mesoescala o microescala) (Gao y Collins, 1991; Masselink, 1992; Ríos et al., 2002, 2003). Los estudios realizados por el método bidimensional son pocos y en todos ellos tienen casos mixtos del análisis de tendencias espaciales (Carriquiry y Sánchez, 1999; Carriquiry et al., 2001; Ríos et al., 2002; 2003). Con esta combinación de los casos, parece más fácil obtener un buena correlación entre los resultados proporcionados por el análisis de tendencias espaciales y otros métodos de investigación de corrientes marinas (Poizot et al., 2008).

4.2. Patrón de dispersión

El patrón de dispersión propuesto para la BTS presenta algunas tendencias, que a excepción del cañón, concuerdan con el patrón general de circulación superficial (Argote–Espinoza et al., 1975; Álvarez–Sánchez et al., 1988) y la corriente litoral (Pérez–Higuera y Chee–Barragán, 1984) propuestos para la localidad (Figura 1). En las zonas someras, el material sedimentario puede ser trasladado y retrabajado por la corriente litoral para ser llevado fuera de la zona de rompiente por procesos de transporte perpendicular a la costa (e.g., Cruz–Colín, 1994). Esto permite identificar la existencia de un intercambio de material para aquellas estaciones cercanas a la playa. Carriquiry –Beltrán (1985) encuentra una disminución en la cantidad de minerales pesados de la boca norte hacia la parte central de la bahía, justo en el mismo sentido de transporte propuesto en este trabajo; asumiendo que las concentraciones más altas de minerales pesados se encuentran en la fuente del material, y que van disminuyendo en la dirección del movimiento (e.g., Carriquiry y Sánchez, 1999). Mientras que el transporte observado en la región central de la bahía con dirección SE, puede ser debido a la transferencia de material hacia su interior (Cruz–Colín, 1994), producto de la convergencia de las corrientes litorales en la zona (Pérez–Higuera y Chee–Barragán, 1984).

En la región norte de la bahía cercana a las islas se observa un transporte hacia el NE. Las elipses componentes de las bandas uno (diurna) y dos (semidiurna) de la marea, las cuales indican la orientación predominante del movimiento de la onda coinciden con la dirección de transporte propuesta en este estudio (Figura 8). Los efectos hidrodinámicos de los procesos mareales, como las corrientes residuales, pueden ser la causa del movimiento en esta zona. No obstante, las estaciones 9, 46, 47, 49, 51, 52 y 54 que definen esta tendencia se ven afectadas por los materiales exógenos provenientes del dragado del puerto y que son vertidos en esta zona, por lo que las tendencias espaciales y las trayectorias de transporte se deben de tomar con cierta precaución.

En el caso particular de los cañones submarinos son depresiones abruptas en la plataforma continental que comúnmente actúan como canal de conducción del material terrígeno erosionado de los continentes hacia las cuencas profundas (Kennet, 1982). A pesar de esto, la dirección de transporte propuesto por este trabajo para el cañón no concuerda con la dinámica del movimiento sedimentario esperado (Figura 7).

Otros factores que pueden ser importantes son la onda de marea (Shepard et al., 1974) y las ondas internas propagándose a lo largo de la plataforma continental. La importancia dinámica esencial de las últimas radica en que parecen ser el eslabón que permite la transmisión de energía de la parte superior del océano hacia el interior del mismo (González–González, 1984). La generación de ondas internas toma lugar principalmente en el talud continental adyacente a la plataforma. En su avance hacia la costa, debido a sus grandes amplitudes y pendientes, rápidamente se vuelve no lineal debido a la cercanía de la superficie del océano con el fondo (Sandstrom y Elliot, 1984), transformándose en ondas con una parte delantera muy escarpada (Konyaev y Sabini, 1992). Si bien las mareas pueden considerarse como ondas internas, estas se manifiestan en oscilaciones periódicas de las velocidades de corrientes, en la temperatura, salinidad y otras características fisicoquímicas. Presentan grandes amplitudes y actúan en la dinámica de toda la masa de agua de la plataforma continental (Filonov et al., 1996).

Estas han sido estudiadas por Shepard et al. (1974) quienes evidenciaron una propagación de este tipo de ondas hacia la costa con altas velocidades (>0.5 m s^–1), las cuales disminuyen en forma directa con la profundidad. En un estudio realizado por Cruz–Colín (1997) se calcularon las velocidades de aproximación de la onda de marea a diferentes profundidades dentro de la bahía, encontrando un valor promedio de 0.20 m s^–1; sin embargo, menciona también que la velocidad parece aumentar en forma directa con la profundidad, calculando velocidades de 0.32 m s^–1 con una profundidad de 476 m. Estas magnitudes son capaces de resuspender (Shepard y Keller, 1978) y transportar (Komar, 1977) materiales de 3 a 5. El cálculo de estas velocidades han sido corroborados mediante una serie de mediciones de corrientes, las cuales alcanzan los 0.30 m s^–1a una profundidad de 308 m en el cañón (Figura 9; García et al., 1994). Además de identificar una dirección neta de flujo hacia el NO, la cual concuerda con la obtenida por este trabajo.

Si bien es cierto que la marea es un movimiento armónico, el efecto topográfico de la costa y del fondo afecta la simetría de la onda dando lugar a corrientes residuales de marea (García–Silva y Marinone, 1997). Gavidia–Medina (1988) cálculo las corrientes residuales de marea para la BTS e identifica un giro anticiclónico en el área del cañón; el cual presenta mayores magnitudes hacia el interior que en sentido opuesto. Por lo anterior, las corrientes residuales de marea pueden llegar a ser lo suficientemente importantes en el movimiento neto del material sedimentario.

Los cañones submarinos pueden funcionar como una trampa estructural de material sedimentario (Galindo–Bect et al., 1984; Macias–Zamora et al., 2002). Estos son activos si presentan un flujo neto hacia abajo a lo largo del cañón, mientras que aquellos que no presentan materiales gruesos en las regiones profundas (e.g., arenas gruesas) son denominados como muertos o inactivos (Shepard y Marshall, 1973). En estos últimos se han identificado flujos con velocidades de 0.44 m s^–1, capaces de transportar sedimentos pendiente arriba (Shepard y Marshall, 1973; Shepard y Keller, 1978). La posibilidad de un transporte pendiente arriba parece intuitivamente difícil, sin embargo, es posible que las condiciones hidrodinámicas presentes en el área sean capaces de promover un movimiento neto de material sedimentario en este sentido. La existencia de flujos con velocidades lo suficientemente elevadas (0.30 m s^–1), capaces de resuspender y transportar el sedimento (3 y 4) hace pensar que, de alguna manera, los diferentes procesos como la Contracorriente de California, las ondas internas propagándose hacia la costa o las corrientes residuales de marea, independientemente o combinados, puedan promover el movimiento de partículas en el sentido propuesto por este trabajo.

El patrón de dispersión de los sedimentos propuesto para la bahía parece dar lugar a la formación de un sitio de convergencia en la región central de esta, con ello se daría lugar al estancamiento de partículas arrojadas al medio (e.g., contaminantes) en esta zona.

5. Conclusiones

Los modelos de transporte de sedimentos aplicados a las tendencias texturales de la BTS indicaron que los modelos unidimensionales de Sunamura–Horikawa y Mc Laren–Bowles no describieron las trayectorias de transporte de sedimento y no concuerdan con las condiciones hidrodinámicas de la bahía. El modelo bidimensional de Gao–Collins mostró las mejores trayectorias de transporte de sedimento para la bahía, las cuales se ajustaron a las corrientes superficiales, subsuperficiales y de fondo que han sido descritas para la bahía. De manera general, en la BTS se define un transporte de sedimentos de las zonas costeras y de las Islas de Todos Santos que convergen hacia la parte central de la bahía, indicando con ello de que esta zona se daría lugar al estancamiento de partículas arrojadas al medio (e.g., contaminantes). Sin embargo, la convergencia de los vectores de transporte tiene que ser corroborada con otras aproximaciones o bien tener una red de muestreo más fina que permita confirmar esta hipótesis. En la región externa de la bahía, el transporte inferido es hacia el O.

Nosotros damos las gracias al M.C. René Navarro, Director de la Estación Oceanógrafica de la Secretaría de Marina, por proporcionar las muestras para este estudio. Al M.C. Oscar Delgado del IIO–UABC por aportar los datos de los corrientómetros. A los revisores por sus valiosas sugerencias al presente trabajo.

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