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¿Cómo es el balance dinámico de la
circulación en el Área Natural
Protegida Los Cóbanos?
¿Cómo es el balance dinámico de la circulación en el Área Natural Protegida Los Cóbanos?
Contenido
1.
Resumen .......................................................................................................................... 3
2.
Introducción ..................................................................................................................... 4
3.
Metodología..................................................................................................................... 6
3.
Resultados ....................................................................................................................... 7
4.
Discusión .......................................................................................................................... 9
5.
Referencias .................................................................................................................... 11
6.
Figuras ........................................................................................................................... 12
7.
Tablas ............................................................................................................................ 20
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Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales
¿Cómo es el balance dinámico de la circulación en el Área Natural Protegida Los Cóbanos?
1. Resumen
El Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador con el fin de vigilar
los procesos y fenómenos naturales que pueden afectar a la población en la Zona Costero
Marina, instaló en septiembre de 2012 dos perfiladores acústicos de corriente y oleaje
(AWAC/NORTEK) en el área de influencia de los puertos de Acajutla y La Unión.
El sensor frente al puerto de Acajutla se instalo a 4 km mar adentro a una profundidad de
20 m. En el presente trabajo se han procesado las mediciones desde septiembre de 2012
hasta febrero 2013 (3,234 horas), como característico de la estación seca, y de mayo hasta
octubre 2013 (3,744 horas), como característico de la estación lluviosa.
En el balance dinámico de la circulación en la franja marina costera, como el Área Natural
Protegida Los Cóbanos, intervienen la fuerza de atracción de la luna y el sol sobre la
columna de agua; el esfuerzo de viento sobre la interfase aire – agua; la fuerza de
cizalladura entre capas de diferente densidad; la fuerza de fricción sobre la interfase agua tierra.
Por efecto del esfuerzo del viento, la capa de superficie fluye hacia el Sur-suroeste en la
estación seca, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noreste y hacia el Sursureste en la estación lluviosa, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noroeste.
Por efecto de la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad, la capa de fondo
fluye hacia el Sureste y por efecto de la fuerza de fricción con el fondo, en las
inmediaciones del mismo (hasta 4 m), ésta fluye hacia el Sur-sureste.
El promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente para
la estación seca y lluviosa muestran: capa de superficie, 0 – 4 m de profundidad; capa de
fondo, 4 – 20 m de profundidad.
Los diagramas de caja de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran para la
capa de superficie: en la estación seca, rapidez media de 0.4 m.s-1 y dirección media de Sursuroeste; en la estación lluviosa, rapidez media de 0.2 m.s-1 y dirección media de Sursureste y para la capa de fondo: en estación seca y lluviosa, rapidez media de 0.2 m.s -1 y
dirección media entre Sureste y Sur-sureste.
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Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales
¿Cómo es el balance dinámico de la circulación en el Área Natural Protegida Los Cóbanos?
2. Introducción
El Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador con el fin de vigilar
los procesos y fenómenos naturales que pueden afectar a la población en la Zona Costero
Marina, instaló en septiembre de 2012 dos perfiladores acústicos de corriente y oleaje
(AWAC/NORTEK) en el área de influencia de los puertos de Acajutla y La Unión. El
sensor frente al puerto de Acajutla se instalo a 4 km mar adentro a una profundidad de 20 m
(Figura 1).
El Área Natural Protegida Los Cóbanos es la única marina del Sistema Nacional de Áreas
Naturales Protegidas. El área total es de 213.39 km2 conformada por una porción marina de
207.63 km2 y una porción terrestre de 5.76 km2. El fondo marino son terrazas rocosas
formadas, al igual que Punta Remedios, por la erupción del Volcán de Santa Ana. La arena
es con un alto contenido de carbonato de calcio. La biodiversidad es alta encontrándose
abundancia de peces, moluscos y crustáceos. Su rasgo característico es la presencia de
parches de corales.
Partiendo de que en el balance dinámico de la circulación en la franja marina costera
intervienen la marea, el viento, el oleaje y la densidad, las mediciones del perfil de la
corriente en un punto, pueden servir para: investigar balance dinámico de la circulación;
modelar la dispersión de sedimentos, organismos vivos y contaminantes; estudiar procesos
costeros, pesquerías e impactos ambientales.
Es importante conocer el balance dinámico de la circulación en las inmediaciones de la
línea de costa porque: el intercambio de volúmenes (dulce, salobre, salado) garantizan la
adecuada calidad del agua (salinidad, temperatura, sedimentos); la migración de
organismos vivos (estadios larvarios, zona de refugio de grandes migratorios) garantiza los
ciclos de vida de especies de importancia comercial (peces, crustáceos, moluscos); el área
de la sección transversal (profundidad máxima, ancho promedio) refleja el balance de
sedimentos entre fuentes y sumideros (estuarios, línea de costa, fondos marinos).
En el Área Natural Protegida Los Cóbanos se encuentra Punta Remedios la cual separa la
sección de línea de costa de la Planicie Costera Occidental, cuya principal característica son
largas playas separadas por esteros, de la sección de línea de costa de la Cordillera el
Bálsamo, cuya principal característica son pequeñas playas de bolsillos separadas por
acantilados altos (mayor de 30 m de altura) (Figura 1).
El agua de mar fluye paralelo a la línea de costa impulsado por la corriente de marea: en
marea alta hacia las bocanas El Limón y Ayacachapa y en marea baja hacia Punta
Remedios. En su recorrido es modificada por la corriente de deriva generada por la brisa
marina que en el día sopla de mar a tierra y por la noche de tierra a mar. Por otra parte la
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corriente de oleaje actúa a favor de la corriente de marea en marea alta cuando recorre la
línea de costa de Punta Remedios y en contra de la corriente de marea en marrea baja
cuando recorre la línea de costa de la Planicie Costera Occidental.
Cerca de la costa, la estratificación vertical en la estación lluviosa tiende a ser controlada
por los ríos que descargan grandes volúmenes de agua de mayor temperatura y menor
salinidad que el agua de mar, y en la estación seca por la homogenización de la columna de
agua por factores como mayor transparencia, mayor penetración de la luz mayor velocidad
del viento.
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3. Metodología
Los sistemas de medición fueron instalados para que estuvieran transmitiendo de forma
continua, mediante un cable de datos que une al perfilador acústico en el fondo del mar con
la boya en superficie, en donde se encuentra un juego de radio-modem/antena que transmite
a otro juego de radio-modem/antena en tierra, para el almacenamiento en una laptop y su
posterior envío vía conexión de Internet al centro de datos del Ministerio.
El perfilador acústico AWAC de NORTEK está instalado en el fondo del mar sobre un
peso muerto de 1 m de altura. Cuenta con 4 transductores y sensores para medir
temperatura, presión, inclinación y campo magnético. Está configurado para medir la
frecuencia de recepción de los haces acústicos emitidos con una frecuencia de 600 kHz, en
láminas de 1 m de grosor (el perfil tiene 20 láminas).
La corriente se calcula a partir de la medición de la frecuencia de recepción y de la
velocidad del sonido en agua de mar. La velocidad del sonido en el agua de mar se calcula
a partir de la medición de temperatura y de un valor constante de salinidad de 35 PSU. El
rumbo se calcula a partir de la medición del campo magnético y de la inclinación. El oleaje
se calcula a partir de la medición de corriente en las láminas de la capa de superficie y de la
presión. La frecuencia de las mediciones es de 6 Hz (6 por segundo), almacenando y
transmitiendo el promedio cada 20 minutos para corriente y cada 60 minutos para oleaje y
marea.
En el presente trabajo se han procesado las mediciones desde septiembre de 2012 hasta
febrero 2013 (3,234 horas), como característico de la estación seca, y de mayo hasta
octubre 2013 (3,744 horas), como característico de la estación lluviosa.
El procesamiento tiene por objetivo estudiar la variabilidad espacial y temporal del campo
medio de la corriente, oleaje y marea. Para que el procesamiento sea representativo del
campo medio, las mediciones fueron filtradas con la siguiente relación:
𝐴𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 ± 2.7 𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐸𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟
Que se obtiene del supuesto de que la Función de Distribución de Probabilidad de las
mediciones se aproxima a una normal o de Gauss.
A partir de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente se calculó: promedio ±
desviación estándar; diagramas de Hovemuller; diagramas de caja; series temporales de las
características del oleaje (altura significativa, período y dirección de la componente más
energética del oleaje); series temporales de las características de la marea (altura del nivel
del mar, rapidez y dirección de la corriente de marea).
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3. Resultados
El promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente
muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), un perfil dividido en dos capas: capa
de superficie, 0 – 4 m de profundidad; capa de fondo, 4 – 20 m de profundidad (Figura
2).
Los diagramas de Hovemuller de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente
muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), una mayor rapidez y alternancia en
la dirección en toda la columna de agua por efecto de la marea: de 0.2 m.s-1, mareas
muertas a 0.4 m.s-1, mareas vivas; de 135°, de marea alta a baja a 315°, de marea baja a
alta. Además en la estación seca en la capa de superficie, se observa una mayor rapidez
y alternancia en la dirección por efecto del viento: de 0.6 m.s-1, brisa marina a 0.8 m.s-1,
flujos del Norte u Oeste; de 45°, de tierra a mar a 225°, de mar a tierra (Figura 3).
Los diagramas de caja de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran,
para la capa de superficie en la estación seca, una rapidez media de 0.4 m.s-1 y dirección
media de Sur-suroeste y en la estación lluviosa de 0.2 m.s-1 y dirección de Sur-sureste.
Por otra parte muestran, para la capa de fondo en ambas estaciones, seca y lluviosa, una
rapidez media de 0.2 m.s-1 y dirección media entre Sureste y Sur-sureste (Figura 4).
Las series temporales de altura significativa, período y dirección de la componente más
energética del oleaje muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), oleaje del tipo
de mar de leva, de altura pequeña, generado por tormentas extra-tropicales del
Hemisferio Sur. En la estación seca el período, la altura y dirección son: 13 ± 2 s; 0.8 ±
0.2 m; 210° ±7°, mientras que en la estación lluviosa son: 13 ± 2 s; 1.2 ± 0.3 m; 204° ±
6° (Figura 5).
Las series temporales de la altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente
de marea muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), marea del tipo semidiurna,
de altura mediana, generada por armónicos semi-diurnos, diurnos, de largo período y no
lineales. En la estación seca la altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la
corriente de marea son: 19.1 ± 0.6; 0.1 ± 0.1 m.s-1; 160° ± 80°, mientras que en la
estación lluviosa son: 19.6 ± 0.6 m; 0.1 ± 0.1 m.s-1; 150° ± 84° (Figura 6).
En la batimetría del puerto de Acajutla se observa que la orientación de las isobatas y
pendiente de la profundidad cambia de Sur – Norte y 2% frente a línea de costa de
Punta Remedios, a Sureste – Noroeste y 1% frente a la línea de costa de la Planicie
Costera Occidental. En las inmediaciones de la localización del sensor
AWAC/NORTEK la orientación de la isobata de 20 m es Sur-sureste – Norte-noroeste
(Figura 7).
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La conservación de la cantidad de movimiento establece que su derivada total es igual a
la sumatoria de fuerzas. Además la hipótesis del medio continuo establece que las
propiedades del fluido son continuas. Basado en lo anterior la corriente en la columna
de agua se pude aproximar con el promedio de la corriente en las dos capas (Tabla 1).
Para comparar las mediciones del AWAC-NORTEK (89.87° W, 13.58° N), con las
simulaciones en el nodo más cercano del HYCOM (89.92° W, 13.55° N), se promedió
en la vertical la rapidez y dirección de la corriente. En el caso de las mediciones el
promedio se hizo sobre las 20 capas: 0:1:20 m; y en el caso de las simulaciones sobre
los 3 niveles: 0; 10; 20 m (Figura 8 y Tabla 2).
El tiempo que le lleva a la marea recorrer el Área Natural Protegida Los Cóbanos es
aproximadamente de 15 minutos:
𝑡=
𝐿
√𝑔𝑑
=
15,000 𝑚
= 874 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 ≈ 15 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
17.1552 𝑚𝑠 −1
Donde: 𝐿, distancia que se adentra al mar el Área Natural Protegida Los Cóbanos (15
km); √𝑔𝑑, velocidad de propagación de la marea; 𝑔, aceleración de la gravedad (9.81
m/s2); 𝑑, profundidad promedio del Área Natural Protegida Los Cóbanos (30 m).
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4. Discusión
En el balance dinámico de la circulación en aguas costeras, como el Área Natural
Protegida Los Cóbanos, intervienen la fuerza de marea (fuerza de atracción de la luna y
el sol sobre la columna de agua); el esfuerzo de viento sobre la interfase aire – agua; la
fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad; la fuerza de fricción sobre la
interfase agua - tierra.
La fuerza de mareas transfiere cantidad de movimiento a la columna de agua, el
esfuerzo de viento acelera la capa de superficie, la fuerza de cizalladura transfiere
cantidad de movimiento de la capa de superficie a la capa de fondo y la fuerza de
fricción desacelera la capa de fondo.
La dirección del transporte depende del agente que transfiere cantidad de movimiento a
la columna de agua: el transporte por viento tiene una dirección, en el hemisferio Norte,
a la derecha del viento; el transporte por marea tiene una dirección paralela a las
isobatas; el transporte por oleaje tiene una dirección paralela a la del oleaje.
Por efecto del esfuerzo del viento, la capa de superficie fluye hacia el Sur-suroeste en la
estación seca, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noreste y hacia el Sursureste en la estación lluviosa, sugiriendo una predominancia de viento del Nortenoroeste. Por efecto de la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad, la
capa de fondo fluye hacia el Sureste y por efecto de la fuerza de fricción con el fondo,
en las inmediaciones del mismo (hasta 4 m), ésta fluye hacia el Sur-sureste.
En la zona de espuma comprendida entre la zona de rompiente y la línea de costa, es en
donde el transporte de sedimentos es mayor y está controlado por la corriente de oleaje
la cual tiene la dirección de este descomponiéndose en componente paralela y
perpendicular a la línea de costa. Mar afuera, detrás de la zona de rompiente, el
transporte de sedimento es menor y es controlado por la corriente de marea la cual tiene
la dirección de las isobatas, que en las inmediaciones de la línea de costa, tienen la
misma dirección de esta. En la línea de costa el transporte de sedimentos es controlado
por el viento que en el caso del sistema de brisa marina es perpendicular a la línea de
costa, de día de mar a tierra y de noche de tierra a mar.
Un Modelo de la Circulación General (GCM por sus siglas en ingles), resuelve las
ecuaciones de Navier-Stokes en una tierra en rotación, con términos termodinámicos
que representan las fuentes de energía: radiación de onda corta y larga; flujos de calor
latente y sensible. HYCOM es uno de estos modelos y sus simulaciones han sido
comparada con mediciones del nivel del mar y de corrientes para evaluar su precisión y
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confiabilidad para reproducir la marea vertical (stammer et al, 2014), la marea
horizontal (Timko et al, 2013) y la energía cinética total (Scott et al. 2010).
Se aplicó el Análisis de Correlación Canónica (CCA por sus siglas en ingles), para
comparar el balance dinámico de la corriente entre la localización del anclaje AWACNORTEK y la localización del nodo HYCOM (Figura 1). Las mediciones y
simulaciones de la corriente se pueden descomponer en:
𝑋 = 𝐴𝑈 𝑇
𝑌 = 𝐵𝑉 𝑇
Donde:
𝑋 Y 𝑌: Matrices de datos: rapidez y dirección de la corriente en las localizaciones del
anclaje y del nodo.
𝐴 Y 𝐵: Coeficientes canónicos: pesos en el balance dinámico de la rapidez y dirección
de la corriente en las localizaciones del anclaje y del nodo.
𝑈 Y 𝑉: Variables canónicas: combinación lineal de los pesos en el balance dinámico
por la rapidez y dirección de la corriente en las localizaciones del anclaje y del nodo.
Los resultados del CCA son: el peso en el balance dinámico de la corriente, en las
localizaciones del anclaje y del nodo, de la rapidez es 4 órdenes de magnitud mayor que
el de la dirección (102, 10-2); el peso en el balance dinámico de la rapidez y dirección de
la corriente en la localización del anclaje es 2.5 y 2.0 veces el de la localización del
nodo, en la estación seca; el peso en el balance dinámico de la rapidez y dirección de la
corriente en la localización del anclaje es 1.8 y 3.0 veces que el de la localización del
nodo, en la estación lluviosa. Los resultados del CCA sugieren que la energía
disponible para el balance dinámico de la corriente es mayor en la localización del nodo
que en la localización del anclaje.
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5. Referencias
Hsu, S. A., Weggel J. R. Coastal Engineering Manual. Chapter III-6: Sediment
transport outside the surf zone. CEM 1110-2-1100 (Part III). 2002.
Madsen, O. S., Wood, W. Coastal Engineering Manual. Chapter III-4: Wind-blown
sediment transport. CEM 1110-2-1100 (Part III). 2002.
Rosati, J. D., Walton, T. L., Bodge K. Coastal Engineering Manual. Chapter III-2:
Longshore sediment transport. CEM 1110-2-1100 (Part III). 2002.
Scott, R. B. et al. (2010), Total kinetic energy in four global eddying ocean circulation
models and over 5000 current meter records, Ocean Modelling 32 (2010) 157–169,
doi:10.1016/j.ocemod.2010.01.005.
Stammer, D., et al. (2014), Accuracy assessment of global barotropic ocean tide
models, Rev. Geophys., 52, 243–282, doi:10.1002/2014RG000450.
Timko, P. G., et al. (2013), Skill testing a three-dimensional global tide model to
historical current meter records, J. Geophys. Res. Oceans, 118, 6914–6933,
doi:10.1002/2013JC009071.
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6. Figuras
Figura 1. Imagen de Google Earth del Área Natural Protegida Los Cóbanos mostrando la
localización de la boya del perfilador acústico de corrientes (AWAC-NORTEK) y del nodo
del modelo HYCOM. Elaboración propia a partir de imagen de GOOGLE EARTH.
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Figura 2. Perfiles promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de
la corriente. A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa
(Mayo – Octubre/2013).
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Figura 3. Diagramas Hovemuller de perfiles de rapidez y dirección de la corriente. A)
Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo –
Octubre/2013).
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Figura 4. Diagramas de caja de perfil de rapidez y dirección de la corriente. A) Estación
seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo – Octubre/2013).
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Figura 5. Series temporales de altura significativa, período y dirección de la componente
más energética del oleaje. A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación
lluviosa (Mayo – Octubre/2013).
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Figura 6. Series temporales de altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente
de marea. A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo
– Octubre/2013).
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¿Cómo es el balance dinámico de la circulación en el Área Natural Protegida Los Cóbanos?
Figura 7. Batimetría del puerto de Acajutla. Incluye ayudas para la navegación,
instalaciones submarinas y fotografía de la boya en su localización. Elaboración propia a
partir de imagen de NAVOCEANO.
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Figura 8. Comparación de series temporales de rapidez y dirección de la corriente.
Medición (azul), simulación (rojo). A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B)
Estación lluviosa (Mayo – Octubre/2013).
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7. Tablas
Mediciones
Aproximaciones
Estación Rapidez (m/s) Dirección (grados) Rapidez (m/s) Dirección (grados)
Seca
0.18
165°
0.25
169°
Lluviosa
0.12
163°
0.13
171°
Tabla 1. Mediciones y aproximaciones de la rapidez y dirección de la corriente en la
⃗⃗⃗𝑐 ≈ 1 ∑ ⃗⃗⃗
⃗⃗⃗𝑐 ,
columna de agua. La aproximación se calculo con la relación 𝑉
𝑉𝑠 + ⃗⃗⃗
𝑉𝑓 donde: 𝑉
2
corriente de la columna de agua; ⃗⃗⃗
𝑉𝑠 , corriente de la capa de superficie; ⃗⃗⃗
𝑉𝑓 , corriente de la
capa de fondo.
Mediciones
Simulaciones
Estación Rapidez (m/s) Dirección (grados) Rapidez (m/s) Dirección (grados)
Seca
0.18 ± 0.03
162° ± 21°
0.08 ± 0.05
173° ± 60°
Lluviosa 0.12 ± 0.02
162° ± 20°
0.08 ± 0.04
182° ± 69°
Tabla 2. Promedio y desviación estándar de mediciones y simulaciones. Las series
temporales con máxima correlación son las series temporales estandarizadas (𝑈 =
(𝑋 − 𝑋)𝐺 ; 𝑉 = (𝑌 − 𝑌)𝐻. El peso del patrón espacial con máxima coherencia es 𝐴 =
1
𝑋𝑠𝑡𝑑
1
; 𝐵=𝑌 .
𝑠𝑡𝑑
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