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Di r ecci ó n:Di r ecci ó n: Biblioteca Central Dr. Luis F. Leloir, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires. Intendente Güiraldes 2160 - C1428EGA - Tel. (++54 +11) 4789-9293 Co nta cto :Co nta cto : digital@bl.fcen.uba.ar Tesis Doctoral Estudio de los procesos que determinan elEstudio de los procesos que determinan el transporte de los sedimentos finos y sutransporte de los sedimentos finos y su variabilidad en el Río de la Plata en base avariabilidad en el Río de la Plata en base a simulaciones numéricas y observacionessimulaciones numéricas y observaciones satelitales e in situsatelitales e in situ Moreira, Diego 2016 Este documento forma parte de la colección de tesis doctorales y de maestría de la Biblioteca Central Dr. Luis Federico Leloir, disponible en digital.bl.fcen.uba.ar. Su utilización debe ser acompañada por la cita bibliográfica con reconocimiento de la fuente. This document is part of the doctoral theses collection of the Central Library Dr. Luis Federico Leloir, available in digital.bl.fcen.uba.ar. It should be used accompanied by the corresponding citation acknowledging the source. Cita tipo APA: Moreira, Diego. (2016). Estudio de los procesos que determinan el transporte de los sedimentos finos y su variabilidad en el Río de la Plata en base a simulaciones numéricas y observaciones satelitales e in situ. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6101_Moreira Cita tipo Chicago: Moreira, Diego. "Estudio de los procesos que determinan el transporte de los sedimentos finos y su variabilidad en el Río de la Plata en base a simulaciones numéricas y observaciones satelitales e in situ". Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. 2016. http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6101_Moreira http://digital.bl.fcen.uba.ar http://digital.bl.fcen.uba.ar http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6101_Moreira http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6101_Moreira mailto:digital@bl.fcen.uba.ar UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos Estudio de los procesos que determinan el transporte de los sedimentos finos y su variabilidad en el Río de la Plata en base a simulaciones numéricas y observaciones satelitales e in situ Tesis presentada para optar al título de Doctor en la Universidad de Buenos Aires, en el área de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos Diego Moreira Directora de Tesis: Dra. Claudia G. Simionato Consejera de Estudios: Dra. Claudia G. Simionato Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera CONICET - UBA Departamento de Ciencias de la Atmósfera y los Océanos FCEN - UBA Ciudad Autónoma de Buenos Aires, 25 de noviembre de 2016 Antes que el tiempo acuñara tu actual forma, y que el explorador te surcara en busca de riquezas, Vos ya escondías miles de misterios, y tejías mitologías bajo tus turbias aguas. Antes que el foráneo se asentaran en pueblos, y se fundaran ciudades bajo la desconfiante mirada del nativo, Vos ya conocías tu destino, y nuestro destino. Los que navegaron tus aguas en busca de comercio y recursos, y los que defendieron tus costas con bravura, junto a Brown y Espora, ya sabían la importancia de entenderte y respetarte. Y Vos, pacientemente, nos seguías esperando. Cientos de naves yacen sepultadas en tu barroso fondo, miles pasamos a tu lado y admiramos tu elemental belleza, sin saber, sin apenas comprender, que Tu historia se forjó hace millones de años. El Río de la Plata DM, julio 2016 Estudio de los procesos que determinan el transporte de los sedimentos finos y su variabilidad en el Río de la Plata en base a simulaciones numéricas y observaciones satelitales e in situ Resumen El Río de la Plata y su Frente Marítimo (RdP) conforman un importante sistema estuarino con gran impacto social, económico y ambiental, no sólo para los grupos humanos que habitan sus costas, sino también para las ciudades y países que se encuentran aguas arriba en la Cuenca del Plata. Este estuario es la principal fuente de agua potable para millones de personas, alberga importantes pesquerías, contiene una de las vías navegables más importantes de cono sur de Sudamérica y es ampliamente utilizado con fines recreativos y turísticos. Ambientalmente, el sistema es único, es zona de desove y cría de un conglomerado de especies de peces, muchas de las cuales son pescadas comercialmente dentro y fuera del estuario, contiene uno de los humedales y reserva natural más importantes del país en la Bahía Samborombón, y aporta sedimentos y nutrientes a la Plataforma Continental adyacente. La gestión ambiental del RdP no puede atacarse sin comprender la dinámica de los sedimentos en el sistema debido a que éstos intervienen en una gran cantidad de procesos como el dragado, la contaminación, la degradación de las costas y la ecología de las poblaciones, entre otros. Sin embargo es poco lo que se conoce sobre la dinámica de los sedimentos finos en el estuario, especialmente por la carencia histórica de observaciones simultáneas de las diversas variables involucradas. El objetivo general de esta Tesis ha sido, en consecuencia, progresar en la comprensión de los procesos físicos que determinan la distribución y la dinámica de los sedimentos finos en el RdP y su variabilidad espacio- temporal. En la primera parte de este trabajo se describen las características generales del RdP, y los principales antecedentes científicos sobre el área de estudio que motivan las preguntas específicas que se busca responder en esta Tesis. Luego se presenta un nuevo conjunto de datos sinópticos y series de tiempo in situ adquiridos durante el Proyecto FREPLATA/FFEM (“Protección Ambiental del Río de la Plata y su Frente Marítimo: Prevención y Control de la Contaminación y Restauración de Hábitats” (PNUD/GEF/RLA/99/G31) y las campañas realizadas para tal fin. Estos nuevos datos, junto con observaciones remotas de color del mar y datos sedimentológicos históricos son los que luego serán utilizados en el trabajo. A continuación, se analizan y describen los campos medios de largo período y medios estacionales, se analiza la variabilidad de escala sinóptica a estacional, y se discuten las principales conclusiones que se derivan del análisis del conjunto de observaciones. Los resultados permiten enunciar hipótesis acerca de los posibles forzantes que determinan la distribución y variabilidad espacial y temporal de los sedimentos en suspensión en el RdP. A continuación, se presenta un análisis de las observaciones de sedimentos de fondo, buscando caracterizar su distribución; el estudio se complementa con un análisis de la distribución del material orgánico y contenido de agua, variables que no habían sido reportadas hasta el momento. Con las granulometrías resultantes del análisis CILAS de las muestras de fondo, se realiza una nueva y objetiva zonificación del RdP. Los datos también son utilizados para proporcionar un mapa estadístico de transporte de sedimentos en la región. Finalmente, se implementa una aplicación regional del modelo hidro- sedimentológico MARS (Model for Applications at Regional Scale) de IFREMER (Instituto Francés de Investigación para la Explotación del Mar). El modelo es validado para la hidrodinámica y, en una serie de simulaciones sedimentológicas orientadas a procesos, se lo utiliza para entender el impacto de cada uno de los forzantes (descarga continental, marea, viento y olas) y de la morfología en la distribución y transporte de los sedimentos suspendidos. La visión integrada desarrollada en esta Tesis a partir de la participación en las campañas de adquisición de datos, el análisis los diferentes conjuntos de datosin situ y remotos, y el uso de simulaciones numéricas, permitió describir objetivamente la distribución de cada una de las texturas, relacionarlas entre si y dar una explicación fenomenológica a las observaciones. En este sentido, en esta Tesis se presentan y justifican hipótesis novedosas en relación con los procesos hidro-sedimentológicos que ocurren en el RdP, mostrando que los mismos son mucho más complejos y diversos de lo que se pensaba. Palabras claves: transporte de sedimentos finos en el Río de la Plata, modelado hidro- sedimentológico, material particulado en suspensión, turbidez, distribución de sedimentos del fondo del Río de la Plata, observaciones in situ, y observaciones satelitales del Río de la Plata. Study of the processes that determine the transport of fine sediments and its variability in the Rio de la Plata based on numerical simulations and satellite and in situ observations Abstract The Rio de la Plata and its Maritime Front (RdP) form an important estuarine system of large social, economic and environmental impact, not only for the humans that inhabite their shores, but also for the cities and countries upstream, along the La Plata Basin. This estuary is the main source of drinking water for millions of people, has many important fisheries, contains one of the most important waterways in southern South America, and is widely used for recreational and tourism purposes. Environmentally, the system is unique; it is a spawning and nursery region for a conglomerate of species of fish, many them commercially fished inside and outside the estuary; it contains one of the most important wetlands and natural reserve of the country in Samborombón Bay; and it exports sediment and nutrients to the adjacent Continental Shelf. The environmental management of the RdP cannot be faced without a proper understanding of the sediments dynamics in the system, because they are involved in a number of processes such as dredging, pollution, coastal degradation and population ecology, among others. However, not much is known about the fine sediments dynamics in the estuary, especially because of the lack of historical simultaneous observations of the involved variables. Therefore, the general objective of this Thesis was to progress in the understanding of the physical processes that determine the distribution and dynamics of fine sediments and their spatio-temporal variability in the RdP. In the first part of this work, the general characteristics of the RdP and the scientific background on the study area are discussed; they motivate the specific questions that this Thesis seeks to answer. Then, a new set of synoptic in situ data and time series, collected during the project FREPLATA/FFEM (“Protección Ambiental del Río de la Plata y su Frente Marítimo: Prevención y Control de la Contaminación y Restauración de Hábitats” (PNUD/GEF/RLA/99/G31) is presented, so as the oceanographic cruises done for that purpose. This new data set, remote observations of ocean color and sedimentological historical data are used in the analyses presented in this work. Then the long period and seasonal mean fields are analyzed and described, their variability at seasonal and synoptic scales are studied, and the main conclusions derived from the analysis are discussed. Results permitted to set forth hypotheses about the possible forcings which determine the distribution and the spatial and temporal variability of the suspended sediment in the RdP. In the next chapter, an analysis of the bottom sediments observations is presented, that aims at the characterization of their distribution; the study is complemented with an analysis of the distribution of the organic mater and water contents, variables that had not been reported in literature before. With the granulometric results from the CILAS analysis of the bottom samples, a new and objective zoning of the RdP is performed. Data are also used to provide a statistical map of sediments’ transport in the region. Finally, a regional application of the hydro-sedimentological MARS model (Model for Applications at Regional Scale) de IFREMER (Instituto Francés de Investigación para la Explotación del Mar) is implemented. The model is validated for the hydrodynamics, and in a series of sedimentological process oriented simulations, it is used to study the impact of every forcing (continental discharge, tides, winds and waves) and of the morphology in the distribution and transport of suspended sediment. The integrated vision developed in this Thesis from the participation in data acquisition campaigns, the analysis of different in situ and remote data sets, and the use of numerical simulations, permitted to describe objectively the distribution of every texture, to link each other and to provide a phenomenological explanation to observations. In this sense, in this Thesis new hypothesis regarding the hydro- sedimentological processes occurring in the RdP are presented and justified, showing that they are much more complex and diverse than what was previously thought. Key words: fine sediment transport in the Río de la Plata, hidro-sedimentological modeling, suspended particular material, turbidity, bottom sediment distribution in the Río de la Plata, in situ observations, and satellite observations of the Río de la Plata. En memoria de Maru, Juan José y José María y mis abuelos Elba, Cataldo y Roberto. Este trabajo está dedicado a: María Marta, yo no brillo si tu no brillas. Magu y Lucía, por hacerme feliz cada día. Mis padres, Ana Lía y Roberto, y mis hermanos, Juli y Santi, y a María Inés, por apoyarme, acompañarme y ayudarme en todo. Luca, la inalcanzable sabiduría requiere mucho tiempo y dedicación. Al resto de mi familia, tíos, primos, ahijados y cuñados, gracias por acompañarme. Y agradezco a: Cluadia, por formarme y ayudarme durante todos estos años con tanta capacidad, pero sobre todo por ser tan generosa. A los Directores del CIMA, Mario, Carolina y Claudia, por haberme recibido y hacerme parte del Instituto. A las Directoras del DCAO, Celeste, Claudia, Matilde y Marcela, y a Bibi, por haber confiado en mí y dejarme ser parte. A los Docentes que dedicaron su tiempo para formarme, con capacidad y sobre todo con mucho cariño. Sergio, Enrique, Walter, Alberto, Alejandro, Claudia … A mis compañeras de oficina, Jose, Fer, Naty y Moirita, pasé mis mejores momentos junto a ustedes. Y a los que vinieron después. A Moirita especialmente, gracias por todo tu apoyo, extraño compartir con vos el día a día. A los que me siguen acompañando, con los que compartimos todos los días, son muchos, pero la verdad es que disfruto cruzarme por los pasillos con ustedes. A mis compañeros de cursada, entre todos ellos a, Lupe, Lau (x2), Edu, Andrés, Juanpi, Gabriel y Yany …, con todos compartí muy lindos momentos. A los compañeros de Anticipando, Elo, Nacho, Mariano, Magui, Fede… gracias por compartir tan lindo proyecto. A los chicos de la Pandilla, Fede, Mati, Giuli, Nico, Ale y los sumo a los dos Emi y a Dani y Orne, gracias por hacer tan divertida la oficina. A los alumnos que tuvieron la desgracia de que les toque como auxiliar, gracias por su paciencia. A las Secretarias del CIMA, Zelmi y Lau, y del DCAO, por facilitar todo. A los de Soporte, Gabriel, Claudio y Pablo, Alfredo y Ma. Inés. Y a Dora, gracias! A mis amigas de la DOV, Clau y Vani, y a los de la Secretaría de Extensión, Medios y Deportes de la FCEN, se pasan con las ganas que le ponen a la Facu. A los integrantes de FREPLATA, la CARP y el Grupo de Monitoreo, por su apoyo y depositar en mi tanta confianza, en especial a Marco, Jorge y Raúl (x2). Al grupo Uruguayo, en especial a Tabaré y a Mónica, gracias por su cariño. Alos chicos de Gondwana y de fútbol del CIMA-DCAO, jugar a la pelota es mi cable a tierra, gracias por tanto cariño y perdón por tan poco fútbol. A Exactas y a la UBA! Capítulo 1: Introducción, motivación y objetivos 1.1. Introducción 1 1.2. Motivación 2 1.2.1. La productividad primaria 2 1.2.2. Las pesquerías 3 1.2.3. La ecología bentónica 3 1.2.4. La contaminación 3 1.2.5. El dragado 4 1.2.6. La degradación de las costas y los humedales 4 1.3. Antecedentes sobre la dinámica y el transporte de los sedimentos en el RdP 5 1.4. Objetivos 7 1.5. Organización de la Tesis 8 1.5. Referencias 10 Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 2.1. Introducción 15 2.2. Batimetría 19 2.3. Descarga continental 21 2.4. Marea astronómica 22 2.5. Vientos 23 2.6. Olas 26 2.7. Circulación barotrópica 27 2.8. Circulación baroclínica 30 2.8.1. Ondas internas 30 2.8.2. Corrientes baroclínicas forzadas por el viento 31 2.9. La circulación gravitacional 34 2.10. La morfología 34 2.11. Sedimentología del Río de la Plata 36 2.11.1. Sedimentos en suspensión 36 2.11.2. Sedimentos de fondo 43 2.12. Comparación de la descarga líquida y sólida del RdP con otros estuarios del mundo 48 2.13. Mecanismos de transporte de los sedimentos 49 2.14. Esquemas de transporte postulados hasta el momento 54 2.15. Referencias 58 Capítulo 3: Datos colectados y utilizados 3.1. Introducción 69 3.2. Datos colectados 73 3.2.1. Muestras in situ 73 3.2.2. Perfiles CTD, turbidez y fluorescencia 77 3.2.3. Estaciones fijas 80 3.2.4. Imágenes satelitales 82 3.3. Datos utilizados 82 3.3.1. Descarga líquida de los ríos tributarios 82 3.3.2. Descarga sólida de los ríos tributarios 85 3.4. Discusión y conclusiones 87 3.5. Referencias 89 Capítulo 4: Distribución media y estacional de los sedimentos en suspensión obtenidas a partir de los datos in situ y remotos 4.1. Introducción 91 4.2. Procesamiento de datos remotos 92 4.3. Análisis de espectros singulares multi-canal 94 4.4. Resultados 95 4.4.1. Distribución media anual y su forzante 95 4.4.2. El ciclo estacional y su forzante 103 4.4.3. Análisis de Espectros Singulares Multi-canal (MSSA) 114 4.5. Discusión y conclusiones 116 4.6. Referencias 120 Capítulo 5: Caracterización de los sedimentos de fondo del Río de la Plata 5.1. Introducción 125 5.2. Metodología 127 5.2.1. Propiedades estadísticas 127 5.2.2. Análisis de componentes principales 128 5.2.3. Vectores netos de transporte 129 5.2.4. Velocidad de caída 130 5.3. Resultados 131 5.3.1. Distribución media de los sedimentos de fondo 131 5.3.1.1. Porcentaje de grava 131 5.3.1.2. Porcentaje de arena 133 5.3.1.3. Porcentaje limo 135 5.3.1.4. Porcentaje de arcilla 138 5.3.2. Distribución del contenido de agua y del material orgánico 140 5.3.2.1. Contenido de agua 140 5.3.2.2. Material orgánico 142 5.3.3. Diámetro del sedimento de fondo y grado de ordenamiento 143 5.3.4. Distribución de texturas del material de fondo según la clasificación de Shepard 145 5.3.5. Análisis de componentes principales de la distribución de los sedimentos de fondo 146 5.3.6. Distribución de los sedimentos suspendidos para las zonas identificadas del RdP 153 5.3.7. Análisis de vectores de transporte neto de sedimentos 156 5.4. Discusión y conclusiones 157 5.5. Referencias 166 Capítulo 6: Simulaciones numéricas con el modelo hidro-sedimentológico MARS 6.1. Introducción 173 6.2. Características de las simulaciones con sedimentos 177 6.2.1. Módulo sedimentológico del modelo MARS 177 6.2.2. Configuración inicial de los sedimentos de fondo en el modelo 179 6.2.3. Análisis de sensibilidad de las simulaciones a la velocidad de caída 181 6.2.4. Descarga líquida y sólida de los ríos tributarios 182 6.2.5. Implementación del viento como forzante en las simulaciones 184 6.2.6. Implementación de las olas como forzante en las simulaciones 185 6.3. Resultados 189 6.3.1. Estudios de sensibilidad a los diferentes forzantes 189 6.3.1.1. Caso-I: simulaciones forzadas sólo por descarga continental 190 6.3.1.2. Caso-II: simulaciones forzadas con descarga continental y marea 191 6.3.1.3. Caso-III: simulaciones forzadas con descarga continental, marea y viento 194 6.3.1.4. Caso IV: simulaciones forzadas con descarga continental, marea, viento y olas 198 6.3.2. Simulaciones idealizadas con fondo plano y sin salinidad 201 6.3.2.1. Caso “Fondo Plano” 201 6.3.2.2. Caso “Sin Salinidad” 203 6.3.3. Campo medio de MPS 205 6.4. Discusión y conclusiones 211 6.5. Referencias 217 Capítulo 7: Síntesis de conclusiones y aporte al conocimiento de los flujos de sedimentos finos en el estuario del Río de la Plata 7.1. Principales aportes de esta Tesis al conocimiento de la dinámica sedimentológica del Río de la Plata 221 7.1.1. Características de cada una de las variables estudiadas 223 7.1.1.1. Turbidez y concentración de MPS 223 7.1.1.2. Grava 224 7.1.1.3. Arena 225 7.1.1.4. Limo 225 7.1.1.5. Arcilla 226 7.1.1.6. Contenido de agua en las muestras de fondo 227 7.1.1.7. Material orgánico 227 7.1.1.8. Diámetro del sedimento de fondo y grado de ordenamiento 227 7.1.2. Procesos dominantes en la dinámica sedimentológica del RdP 228 7.1.2.1. El frente del Delta del Paraná / Playa Honda 229 7.1.2.2. Río de la Plata superior 229 7.1.2.3. Río de la Plata intermedio 231 a. Río de la Plata intermedio costa norte 231 b. Río de la Plata intermedio costa sur 232 7.1.2.4. La Barra del Indio 232 7.1.2.5. Santa Lucía y Montevideo 233 7.1.2.6. Río de la Plata exterior 233 7.2. Consideraciones finales 234 Anexo I. Campañas de observación para la adquisición de datos 1. Introducción 237 2. Instrumentos instalados en los puntos fijos de Pilote Norden y Torre Oyarvide, y en la Boya Oceanográfica 240 2.1. Pilote Norden y Torre Oyarvide 240 2.2. Boya Oceanográfica 243 3. Campañas FREPLATA/FFEM 2009-2010 247 3.1. Campaña 1 250 3.2. Campaña 2 255 3.3. Campaña 3 259 3.4. Campaña 4 262 3.5. Campaña INIDEP 266 3.6. Campaña 5 270 3.7. Campaña 6 274 4. Campos obtenidos a partir de los perfiles CTD durante las seis campañas 277 4.1. Distribución de temperatura 277 4.2. Distribución de salinidad 280 4.3. Distribución de turbidez 283 4.4. Porcentaje de arena en las muestras de agua 288 4.5. Porcentaje de limo en las muestras de agua 289 4.6. Porcentaje de arcilla en las muestras de agua 292 Anexo II. Calibración y validación del modelo MARS hidrodinámico 1. Descripción del modelo 297 2. Características de las simulaciones 302 2.1. Batimetría 304 2.2. Línea de costa 304 2.3. Condiciones de contorno para la marea 305 2.4. Forzante meteorológico 306 2.5. Descarga líquida 307 3. Inicialización de las simulaciones 307 4. Análisis de sensibilidad, calibración y validación del modelo hidrodinámico 307 4.1 Dominio Rank 0 308 4.2 Dominio Rank 1 314 4.2.1. Prueba de sensibilidad al factor meteorológico 314 4.2.2. Prueba de sensibilidada la rugosidad de fondo (Z0) 318 5. Campos de temperatura, salinidad, viento y corrientes 322 5.1. Campos de temperatura y salinidad 322 5.2. Esfuerzo del viento y corrientes 324 5.2.1. Dirección perpendicular al eje del estuario 324 5.2.2. Dirección paralela al eje del estuario 328 6. Referencias 333 1 Capítulo 1 Introducción, motivación y objetivos “Listen to the sound of the world Don´t watch it turn I just want to show what I know and catch You when the current lets you go” This river is wild. The Killers 1.1. Introducción Se ha estimado que el 23% de la población mundial (1,2 × 10 9 personas) vive en cercanías de las costas (a menos de 100 km y 100 m sobre el nivel del mar), la densidad de la población en estas regiones costeras es tres veces mayor que el promedio global (Small y Nicholls, 2003). Dentro de los ríos y estuarios que componen estas zonas costeras se pueden destacar los ríos San Lorenzo, Mississippi y Hudson (EEUU), Amazonas, Orinoco, Río Paraná y Río de la Plata (Sudamérica), Senegal, Nilo, Congo y Niger (África), Sheldt y Humber (Europa) o Yenisei y Lena (Rusia). En Asia las zonas cercanas a los estuarios están más densamente pobladas como en el río Ganges (India y Bangladesh), y los ríos Amarillo, Mekong, Pearl y Yangtsé de China. La cuenca del Plata es una de las principales de Sudamérica y del mundo por su área de drenaje y descarga. El estuario del Río de la Plata (RdP) y su Plataforma Continental adyacente son de gran importancia no solo para nuestro país, sino para gran parte de los países de la región como Uruguay, Paraguay y Bolivia. El RdP tienen gran importancia en lo que se refiere aspectos sociales, ecológicos y económicos. Proporciona el principal suministro de agua dulce para millones de habitantes tanto de Argentina como de Uruguay, recurso que no es renovable; la pesca, en continuo crecimiento, es una fuente de trabajo y un recurso importante para la región, pero la explotación desregulada puede llevar a la escasez del mismo; es una vía navegable de gran tránsito, el comercio entre varias regiones, ciudades y países, se lleva a cabo por Diego Moreira 2 medio de los canales de navegación del RdP que demandan frecuente dragado; y también es utilizado con fines recreativos, deportivos y para transporte de pasajeros. Sobre sus costas se ubican las ciudades más importantes del cono sur de Sudamérica, incluyendo polos industriales y resorts, así comoreservas naturales que deben ser protegidas por su riqueza y vulnerabilidad. Esta Tesis está enfocada a avanzar en la comprensión de los procesos hidro- sedimentológicos en el RdP. Aunque hasta este trabajo se habían efectuado avances en el entendimiento de los procesos físicos e hidrodinámicos del RdP y su Frente Marítimo, se había avanzado relativamente pocoen el entendimiento de la dinámica de los sedimentos y de los principales forzantes que gobiernan su distribución. Este conocimiento es de gran importancia para responder a preguntas específicas vinculadas con la gestión de los recursos, comola contaminación, el dragado, el avance del delta, el impacto en las pesquerías y la formación y erosión de bancos, entre otros. Estas cuestiones son las que motivaronla realización de este estudio y determinaron, por lo tanto, los objetivos del trabajo. 1.2. Motivación La gestión ambiental del RdP no puede atacarse sin comprender la dinámica de los sedimentos en el sistema debido a que éstos intervienen en una gran cantidad de procesos. Entre los más significativos se encuentran: 1.2.1. La productividad primaria Los estuarios son áreas favorables al desarrollo de fitoplancton, dado que son las regiones donde los nutrientes provenientes de los ríos encuentran condiciones adecuadas de iluminación (Gomez-Erache et al., 2004, Huret et al., 2005). La turbidez es el mayor factor en la atenuación de la luz en la columna de agua y, consecuentemente, gobierna la productividad primaria. Por lo tanto, la predicción de la dinámica de las poblaciones pertenecientes a niveles tróficos más alto depende de la adecuada predicción de los niveles de turbidez. Capítulo 1: Introducción, motivación y objetivos 3 1.2.2. Las pesquerías Las condiciones ambientales (salinidad, turbidez) tienen la mayor influencia sobre la distribución y estructura poblacional de las especies (Jaureguizar et al., 2003b; 2006a, 2007, Jaureguizar y Guerrero, 2009), y sobre estructura de la ictiofauna del RdP y la Bahía Samborombón (Lasta, 1995, Jaureguizar et al., 2015) y del Río de la Plata (Jaureguizar et al., 2003a, Jaureguizar et al., 2004, Jaureguizar et al., 2006b). La ictiofauna del RdP y la Bahía Samborombón es una combinación de especies dulceacuícolas y marinas, donde las especies tienen ciclos de vida íntimamente relacionados con la oceanografía (Jaureguizar et al., 2015). El RdP la principal área de cría y desove de muchas especies (Brevoortia aurea, Micropogonias furnieri, Macrodon ancylodon) (Lasta, 1995, Acha et al., 1999, Acha y Macchi, 2000, Macchi et al., 2002, Jaureguizar et al., 2003b; Militelli y Macchi, 2001; Jaureguizar et al., 2008) que son explotadas comercialmente y soportan las pesquerías costeras de Argentina y Uruguay (Norbis, 1995, Lasta y Acha, 1996) que aumenta año tras año producto del incremento de las poblaciones humanas en esta región. 1.2.3. La ecología bentónica Una fuente importante de biodiversidad se encuentra en los organismos bentónicos, cuya presencia está muy vinculada con los hábitats bentónicos. La distribución de sedimentos, por lo tanto, condiciona el tipo de ecosistema que puede encontrarse en la región (ver, por ejemplo, Giberto, 2008, Gomez-Erache et al., 1999). La evolución morfológica, ya sea debido a cambio climático como a actividades antropogénicas puede tener, en consecuencia, un impacto mayor en la biodiversidad del RdP. 1.2.4. La contaminación Los sedimentos acarreados por el RdP son la principal fuente de transporte de diversos tipos de contaminantes, fundamentalmente metales pesados, hacia el ambiente estuarino (Colombo et al., 2005 y 2007; Schenone et al., 2007). En la zona de máxima turbidez se produce la acumulación en el fondo de los sedimentos y, consecuentemente, de sus contaminantes, asociados por procesos físico-químicos de floculación. Estos sedimentos son resuspendidos por procesos turbulentos inducidos principalmente por Diego Moreira 4 las corrientes de marea, las olas y el viento, y entran en las diferentes cadenas tróficas de los organismos vivos, a través de un proceso conocido como biodisponibilidad (p.e., Marchovecchio et al., 1989; Colombo et al., 2000, 2007, Villar et al., 2001; Muniz et al., 2003; Burone et al., 2006; Avigliano et al., 2015), con potencial impacto sobre la población humana que consume dichos animales. 1.2.5. El dragado El continuo dragado de los canales de acceso a los puertos de Buenos Aires y Montevideo, así como a los puertos del norte de Argentina a través del Río Paraná (Canal Mitre), ilustra uno de los aspectos de la gestión medioambiental vinculados con el transporte de los sedimentos finos (Cardini et al., 2002). Un mejor conocimiento del transporte a través de la zona estuarina y de las áreas de deposición y erosión ayudaría a comprender cómo optimizar las operaciones de dragado en la cuenca y entender y gestionar el avance del delta. El dragado puede producir cambios en la dinámica de los sedimentos transportados por el agua, en ocasiones con impactos sobre la distribución de los contaminantes y, por lo tanto, sobre las pesquerías. 1.2.6. La degradación de las costas y los humedales El RdP contiene en la Bahía Samborombón uno de los humedales de mayor importancia del cono sur de Sudamérica (Volpedo et al., 2007). El mismo albergaun rico ecosistema en el que conviven numerosas especies de peces, tortugas, cangrejos y aves migratorias. Proyectos en ejecución muestran que se evidencian tasas erosivas en la costa de la bahía con guarismos nunca antes registrados (Codignotto et al., 2011). Esta región es zona de cría para numerosas especies pescadas comercialmente por las flotas pesqueras de Argentina y Uruguay tanto en el RdP como fuera del mismo. El transporte de los sedimentos se vincula directamente con el mantenimiento de estas zonas bajas. Asimismo, las costas bajas de la parte interior del RdP, en las que se ubica la ciudad de Buenos Aires, están siendo sometidas a intensa erosión y presión ambiental por efecto antropogénico. El frente del Delta del río Paraná avanza de manera persistente sobre el RdP (Sarubi, 2007). Las consecuencias de tal cambio podrán ser mitigadas en la medida que exista una adecuada planificación, lo cual necesita, como Capítulo 1: Introducción, motivación y objetivos 5 dato primario, una comprensión y predicción confiable del proceso del transporte de sedimentos. 1.3. Antecedentes sobre la dinámica y el transporte de los sedimentos en el RdP Poco se conoce acerca de la dinámica y los flujos de sedimentos a través del RdP. La descripción básica de la sedimentología de la región fue realizada, entre otros, por Parker et al. (1986 a y b, 1987), Cavallotto (1987), López Laborde (1987), Parker y López Laborde (1988, 1989), Guarga et al. (1992), Cavallotto y Violante (2008), Fossati (2013). Los sedimentos que llegan al sistema provienen fundamentalmente del río Paraná a través de sus dos brazos principales, de las Palmas y Guazú-Bravo, que distribuyen sus aguas de modo no homogéneo a lo largo del estuario (Simionato et al., 2009, Fosatti et al., 2014), y del escurrimiento de los pequeños tributarios menores a lo largo de la costa bonaerense. Las estimaciones del promedio de sedimentos aportados varían entre 80 y 160 millones de toneladas anuales (Urien, 1972; Amsler, 1995; Menéndez y Sarubbi, 2007; Depetris y Griffin, 1968). Estos sedimentos alcanzan el RdP como carga de fondo o carga suspendida, dependiendo del tamaño del material del fondo y las condiciones del flujo (van Rijn, 1984a). Usualmente se diferencias tres tipos de movimiento de las partículas; el material se transporta i) rodando y/o deslizándose, ii) saltando, o iii) en suspensión. Esto depende, entre otras cosas, de si la velocidad de corte de fondo supera el valor crítico de fricción de fondo (van Rijn 1984a). Los sedimentos que son transportados como carga de fondo son aquellos se mueven rodando, deslizándose o saltando (i y ii). En cambio, los sedimentos trasportados en suspensión (iii) son aquellos para los cuales la velocidad de corte de fondo supera la velocidad de caída de las partículas, que, una vez alejadas del fondo se mantienen suspendidas como consecuencia de que los efectos turbulentos en la vertical son de mayor o igual orden que su peso (van Rijn, 1984a, b). También se ha definido el transporte como carga de fondo para el caso en que las partículas tienen contacto sucesivo con el fondo estrictamente limitado por la gravedad, mientras que el transporte en suspensión ocurre el caso en que el peso de las partículas está balanceado totalmente por una sucesión aleatoria de impulsos ascendentes impartidos por la turbulencia (Bangold, 1966, 1973). Para el caso del RdP, el 10% corresponde a carga de fondo (arena y limo) y el 90% a material en suspensión (arcilla). Los depósitos van desde arenas en la parte interior y limos en el sector medio hasta limos arcillosos en la zona Diego Moreira 6 exterior. Así, se observa un gradiente de deposición según los tamaños de partículas, las más grandes cerca del delta emergido y las más pequeñas hacia la zona de contacto con el mar. En el lecho del estuario, los primeros 5 a 10 cm de sedimento son de color pardo y pocas veces negros, indicando la presencia de oxígeno en el agua. La turbidez en el RdP resulta de diversos procesos, cuya importancia relativa cambia de una región a otra: a) la descarga sólida de los ríos tributarios, b) la resuspensión por mareas, olas y corrientes, c) la resuspensión debida a la actividad antrópica (dragado, pesca de arrastre), y d) los procesos de sedimentación, floculación y decantación. Sin embargo, poco se sabía hasta este trabajo acerca de la importancia relativa de cada proceso en cada región. En la zona de la cuña salina, donde se produce el encuentro de las aguas de origen continental con las del mar, se supone que se produce el efecto de floculación de los sedimentos en suspensión (Ayup 1986, 1987). En esta región, se observa la zona de máxima turbidez que parece acoplarse al frente de salinidad de fondo (Framiñan y Brown, 1996), aunque no existen observaciones ni estudios específicos que muestren los mecanismos que sustenten este acople para el RdP. La zona de máxima turbidez sólo puede existir si el tiempo de residencia de las partículas en suspensión difiere del tiempo de residencia del agua y las sustancias disueltas. Esto se relaciona con el hundimiento, sedimentación y resuspensión del material particulado. Como resultado de la deposición de sedimentos la proporción de los mismos que llega efectivamente al mar es muy baja y es por eso que en el RdP los bancos se encuentran en constante proceso de crecimiento. No obstante, no se ha realizado una cuantificación de los flujos de sedimentos de una a otra área del estuario. Los principales antecedentes de trabajos sobre la sedimentología a la escala del estuario, basados en observaciones, son estudios de imágenes satelitales de la zona de máxima turbidez (Framiñan y Brown, 1996; Bava, 2004; Framiñan, 2005; y Fossati, 2013). Sin embargo, los altísimos niveles de turbidez observados en el RdP convierten en un desafío la determinación apropiada de los valores de sedimentos inorgánicos en suspensión y clorofila a partir de observaciones de turbidez. Hay también antecedentes de trabajos con observaciones directas realizados por el Instituto de Mecánica de Fluidos e Ingeniería Ambiental (IMFIA) de la Universidad de la República del Uruguay (p.e., Piedra-Cueva et al., 2005) y el Instituto Nacional del Agua (INA) de Argentina (p.e., Castellano, 1992, 1993; Bombardelli et al., 1995; Castellano et al., 2002), pero Capítulo 1: Introducción, motivación y objetivos 7 corresponden a áreas pequeñas asociadas a puertos o construcciones costeras. Otros trabajos han abordado problemas específicos del dragado (p.e., Cardini et al., 2002) o el crecimiento del delta (Sarubbi, 2007), y ninguno abarcó a gran parte del sistema de forma homogénea y sistemática. Recientemente Fossati et al. (2014) presentaron un trabajo basado en resultados de la aplicación de un modelo hidro-sedimentológico y datos de corrientes en el RdP en el que se analizan campos de salinidad y de sedimentos finos durante eventos de calma y de tormentas; sin embargo, no se realiza un estudio de la importancia relativa de cada forzante en los procesos hidro-sedimentológicos. En atención a estos interrogantes se formularon las siguientes hipótesis que dieron lugar a los objetivos de este trabajo de Tesis. 1.4. Objetivos El objetivo general de esta Tesis es caracterizar y comprender los procesos hidro-sedimentológicos que determinan el transporte, la distribución y la variabilidad de los sedimentos finos en las diferentes regiones del Río de la Plata. Los objetivos específicos incluyen: 1. Determinar la distribución espacial y las escalas de variabilidad delos sedimentos finos en el RdP. 2. Comprender cuáles son los procesos físicos que gobiernan los flujos de sedimentos finos en las diferentes regiones del RdP. 3. Determinarla sensibilidad del transporte y la distribución de los sedimentos en el estuario a los principales forzantes (mareas,vientos, olas y descarga continental); y estimar la importancia relativa de cada uno de ellos. 4. Determinar y caracterizarla distribución de los sedimentos que componen el fondo del RdP en la actualidad. 5. Comprender el mecanismo físico que determina y mantiene el frente de turbidez en la región del frente de salinidad de fondo. 6. Mejorar las bases para la obtención de herramientas de gestión ambiental. Diego Moreira 8 El estudio realizado busca brindar conocimientos sobre la dinámica de los sedimentos del estuario del Río de la Plata de modo integral. Por ello, el problema es abordado a partir de la participación en la adquisición y en el análisis de datos in situ, y es complementado con la utilización de datos satelitales y modelos numéricos. Dado el profundo impacto que los flujos de sedimentos y sus cambios tienen tanto para los habitantes de la región como para el ecosistema en general, los resultados aquí presentados, además de contribuir a mejorar nuestro conocimiento de este importante sistema, serán de gran utilidad para otros investigadores y profesionales no sólo de la oceanografía sino de otras disciplinas (geólogos, biólogos, ambientalistas, ecólogos, ingenieros, etc.) para la evaluación de los múltiples impactos. Y también para tomadores de decisiones, para alentar y acompañar a la conservación del sistema, a la mitigación de los cambios negativos y a un uso racional de los recursos vinculados al mismo. 1.5. Organización de la Tesis Este trabajo está organizado en siete capítulos además del presente, de carácter introductorio. En el Capítulo 2 se describen las principales características del Río de la Plata y los antecedentes sobre la hidrodinámica y los sedimentos transportados por el estuario. En el Capítulo 3 se describen los distintos conjuntos de datos adquiridos, entre otros, por el autor durante las campañas oceanográficas realizadas en el marco del Experimento FREPLATA/FFEM, “Protección Ambiental del Río de la Plata y su Frente Marítimo: Prevención y Control de la Contaminación y Restauración de Hábitats” (PNUD/GEF/RLA/99/G31), con financiamiento del Fondo Francés para el Medioambiente Global (FFEM), y que se utilizarán en los capítulos siguientes. Estas campañas son descriptas en el Anexo I. Asimismo, en el Capítulo 3 se mencionan los otros conjuntos de datos utilizados, complementarios a los colectados en las campañas del Experimento. En el Capítulo 4 se estudia la distribución media y estacional del material particulado en suspensión y la turbidez, a partir de los datos in situ y mediante el análisis de 10 años de datos diarios de material particulado en suspensión derivados del sensoramiento remoto. Para esto se efectuaron análisis estadísticos básicos de distribución media y desvío estándar, y mediante el Análisis de Espectros Singulares Multi-canal (MSSA), con el objetivo de determinar la distribución espacial y las escalas de variabilidad del transporte de sedimentos en el RdP. El análisis se complementa con Capítulo 1: Introducción, motivación y objetivos 9 campos de salinidad y turbidez en la superficie y en el fondo registrados con CTD. El Capítulo 5 está orientado a la descripción de la distribución de los sedimentos encontrados en las muestras de fondo. Para ello se utilizan, además de las propiedades estadísticas básicas, Análisis de Componentes Principales y de vectores netos de transporte. En el Capítulo 6 se discuten resultados de simulaciones numéricas realizadas con un modelo hidro-sedimentológico con el objetivo específico de estudiar la sensibilidad del transporte de sedimentos en el estuario a los principales forzantes (mareas, vientos, olas y descarga continental) y los cambios observados en los mismos; y estimar la importancia relativa de cada uno de ellos en función de las diversas regiones. Finalmente, en el Capítulo 7 se resumen los resultados obtenidos y se discute su relevancia y las perspectivas futuras. Diego Moreira 10 1.6. Referencias Acha, M.E., Mianzan, H.; Lasta, C.A. y Guerrero, R.A., 1999. “Estuarine spawning of the white mouth croaker Microponias furnieri (Pisces: Sciaenidae), in the Río de la Plata, Argentina”. Marine and Freshwater Research 50 (1), 57-65. Acha, E.M. y Macchi, G.J., 2000. “Spawning of Brazilian menhaden, Brevoortia aurea, in the Río de la Plata estuary off Argentina and Uruguay”. Fishery Bulletin 98, 227-235. 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Posee un área de 35.000 km2 y está formado por la confluencia de dos de los ríos más importantes de Sudamérica, el Paraná y el Uruguay, que aportan en conjunto a una descarga líquida media del orden de los 22.500 m3 s-1, aunque con picos extremos que alcanzan valores tan altos como 80.000 m3 s-1 y tan bajos como 8.000 m3 s-1, en relación con los ciclos del ENOS (El Niño - Oscilación del Sur; Jaime et al., 2002). De esta manera, más del 97% del ingreso de agua dulce al RdP proviene de estos dos ríos principales, mientras que sólo el 3% restante es aportado por los ríos menores y arroyos que se encuentran a lo largo de ambas márgenes del estuario. El RdP posee un área de drenaje fluvial de 3,1×106 km2, lo que lo ubica en cuarto y quinto lugar en el mundo en descarga fluvial y área de drenaje, respectivamente. El sistema contribuye significativamente a los balances de nutrientes, sedimentos, carbono y agua dulce del Océano Atlántico Sur (Framiñan et al., 1999; Guerrero et al., 2004), afecta la hidrografía de la Plataforma Continental adyacente y la dinámica costera hasta los 23°S (Campos et al., 1999; Piola et al., 2000). El RdP es de gran importancia social, económica y ecológica para la Argentina. Diego Moreira 16 Varias de las ciudades más importantes de la región, incluyendo polos industriales, puertos y sitios de veraneo, se encuentran en su zona de influencia y, por lo tanto, en la región se concentran los principales focos de contaminación atmosférica y acuática. Con el objetivo de mantener las conexiones oceánicas a los puertos de la región, permanentemente se realizan acciones de dragado en los canales de navegación. También se realizan continuamente actividades de navegación deportiva, recreativa y de pasajeros. El estuario es la principal fuente de agua dulce para los millones de habitantes de la región y es área de desove y cría para numerosas especies costeras (Cousseau, 1985; Boschi, 1988), varias de las cuales son explotadas comercialmente desde puertos ubicados en el estuario o su área de influencia. Habiéndosetornado la cuenca más desarrollada del cono sur de Sudamérica, el sistema está siendo impactado por acciones antropogénicas, con consecuencias aún no completamente evaluadas. Figura 2.1. Localización del Río de la Plata y puntos geográficos sobre imagen color MODIS. Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 17 El sistema es muy rico en nutrientes. Las comunidades de plancton en el estuario están dominadas fundamentalmente por diatomeas y dinoflagelados, y por cianobacterias en el verano. La concentración de clorofila varía de 1 a 12 mg m-3 (Gómez-Erache et al., 2000), equivalente a un stock permanente de fitoplancton de alrededor de 100-1.200 mg C m-3 o una productividad primaria de alrededor de 50-600 g C m-2 día-1. La Bahía Samborombón, ubicada en la parte exterior sur del estuario, es uno de los humedales de condición natural más ricos, extensos y relevantes de la Argentina (Lasta, 1995; Canevari et al., 1999) y fue declarado como "Humedal de Importancia Internacional", bajo la Convención de Ramsar. Es conocida su importancia para distintas especies de aves, en particular chorlos y playeros de las familias Charadriidae y Scolopacidae (Vila et al., 1994). Existen 17 especies de chorlos y playeros, 15 de las cuales son migratorias boreales, lo que constituye el 63% de las especies migratorias del Hemisferio Norte que llegan a la Argentina. El número de ejemplares contabilizados representa el 34% del corredor migratorio atlántico entre ambos hemisferios. Las aguas estuarinas del Río de la Plata, y en particular el fangoso lecho de la bahía, ofrecen gran riqueza nutritiva para las aves, debido a la abundancia de invertebrados y juveniles de diferentes especies de peces y crustáceos (Lasta, 1995). El agua del Río de la Plata se ve de color marrón (ver Figura 2.1, por ejemplo) como consecuencia de su alta concentración de sedimentos (especialmente arcillosos) en suspensión. Entre 15.000 y 20.000 millones de toneladas por año de sedimentos en suspensión alcanzan los océanos en todo el mundo (Walling y Webb, 1996), el 95% de ellos acarreado por ríos (Syvitski, 2003). El RdP transporta entre 80 y 160 millones de toneladas por año de sedimentos (Urien, 1972; Menéndez et al., 2009), que representan más del 1% de la estimación global. En consecuencia, este estuario es uno de los más turbios del mundo, con concentraciones extremas que superan los 400 g m-3 (Framiñan and Brown, 1996; Moreira et al., 2013). La densidad en el RdP está controlada por la salinidad, mientras que los cambios en la temperatura, aunque son importantes de una estación a otra, sólo muestran gradientes horizontales pequeños (Figura 2.2, Guerrero et al., 1997; Simionato et al., 2010). La estratificación está controlada por la confluencia de agua dulce sobre las aguas más densas de plataforma, que ingresan hacia el sistema como una cuña salina controlada topográficamente, con una extensión de entre 100 y 250 km (Figura 2.3, Guerrero et al., 1997). Esta cuña determina la ocurrencia de un frente salino de fondo Diego Moreira 18 que se asocia una zona de máxima de turbidez (Framiñan y Brown, 1996), cuya localización, aunque con relativa movilidad por efecto de la marea y el viento (Meccia, 2008; Meccia, 2013), resulta fuertemente anclada a la Barra del Indio y la franja costera que separa las aguas homogéneas de la Bahía Samborombón, de las aguas estratificadas del canal Marítimo del RdP. Figura 2.2. Distribución media de temperatura para el verano (panel izquierdo) y para el invierno (panel derecho), en superficie (paneles superiores) y en el fondo (paneles inferiores). Obtenida a partir de 29 años de datos hidrográficos. Adaptado de Guerrero et at., 1997. Las características de la dinámica sedimentológica están fuertemente condicionadas por los forzantes (olas, mareas, descarga líquida y sólida continental, Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 19 vientos y corrientes) y por la geometría del lugar. En lo que sigue, las características fundamentales del RdP serán discutidas con más detalle. Figura 2.3. Distribución media de salinidad para la primavera/verano (panel izquierdo) y para el otoño/invierno (panel derecho), en superficie (paneles superiores) y en el fondo (paneles inferiores). Obtenida a partir de 29 años de datos hidrográficos. Adaptado de Guerrero et at., 1997. 2.2. Batimetría El Río de la Plata tiene una geometría y batimetría complejas (Figura 2.4). Una descripción completa de su morfología puede encontrarse en Ottman y Urien (1966), Urien (1966), Depetris y Griffin (1968), Parker et al. (1986a y b), López Laborde (1987). Sobre la base de la morfología y de lo que se conoce o se ha inferido Diego Moreira 20 históricamente de su dinámica, el sistema ha sido dividido en dos regiones, separadas por la Barra del Indio, una barra sumergida de forma convexa y con profundidades de 6,5 a 7 m, que cruza el estuario entre Punta Piedras y Montevideo. La región superior está ocupada mayormente por agua dulce y está caracterizada por bancos someros con profundidades de entre 1 y 4 m (Playa Honda y Banco Ortiz), que se encuentran separados de las costas por canales más profundos, con profundidades que varían entre los 5 y los 8 m (canales Norte, Oriental e Intermedio) y limitados al sur por la Barra del Indio. Figura 2.4. Batimetría del Río de la Plata y principales puntos geográficos. Al este de la Barra, el Canal Marítimo, una depresión ancha con profundidades de 12 a 14 m al norte y 20 m al sur, separa la Bahía Samborombón (al oeste) de una región de bancos conocida como Alto Marítimo (al este). El Alto Marítimo está formado por los bancos Arquímedes e Inglés, con profundidades de entre 6 y 8 m, y el Banco Rouen, con una profundidad de 10 a 12 m. Al norte de estos bancos, el Canal Oriental, el más profundo del sistema, con profundidades de hasta 25 m, se extiende a lo largo de la costa uruguaya. Barra del Indio Playa Honda Banco Ortíz Canal Intermedio Canal Norte Canal Oriental Canal Marítimo Banco Arquímedes, Inglés Banco Rouen Alto Marítimo Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 21 2.3. Descarga continental El agua dulce alcanza el RdP a través varios ríos tributarios, siendo los dos más importantes los ríos Paraná y Uruguay, con descargas medias históricas de 16.000 y 6.000 m3 s-1, respectivamente (Jaime et al., 2002). El río Paraná confluye al RdP formando un gran delta; sus dos brazos principales son el Paraná Guazú, que transporta aproximadamente el 77% de la descarga, y el Paraná de las Palmas, que transporta el 23% restante (Jaime et al., 2002). El transporte de los tributarios menores es varios órdenes de magnitud inferior y, por lo tanto, la descarga continental media del sistema puede ser evaluada como el resultado del transporte de los dos tributarios mayores (Framiñan et al., 1999). El río Paraná muestra una marcada estacionalidad, con descarga máxima en marzo/abril y mínima en septiembre. La estacionalidad del río Uruguay es menos importante, mostrando dos máximos, en octubre y entre mayo y julio, y un mínimo en enero (Jaime et al., 2002). El régimen de flujo mostró gran variabilidad inter-anual durante el último siglo (Figura 2.5). Se observó gran variabilidad inter- decádica, con un ciclo de descarga normal entre 1931 y 1943, un período seco en 1944- 1970 y un período húmedo que comenzó en 1971. La variabilidad en escala inter-anual fue estudiada por Mechoso y Perez-Iribarren (1992), Robertson y Mechoso (1998) y Jaime et al. (2002). Figura 2.5. Descarga media mensual al Río de la Plata. Adaptado de Simionato et al., 2001. La descarga muestra una componente cuasi-decádica y picos de variabilidad inter- anual en las escalas temporales asociadas al fenómenode El Niño-Oscilación del Sur (ENOS). La componente cuasi-decádica, en la cual se asocia una alta descarga con temperaturas superficiales del mar anómalamente frías sobre el Atlántico Norte tropical es más marcada en el Paraná. En cambio, la variabilidad en las escalas del ENOS (con Diego Moreira 22 picos en bandas centradas a aproximadamente 2,5 y 3,5 años) es más pronunciada en el río Uruguay, con El Niño (La Niña) asociado con mayor (menor) descarga. Adicionalmente, otro pico de variabilidad, centrado en 6,5 años, fue registrado para este río, relacionado con un patrón de grandes anomalías de la temperatura superficial del mar sobre el Pacífico tropical. Picos tan grandes como 80.000 m3 s-1 y tan bajos como 8.000 m3 s-1 se han registrado en asociación con los ciclos mencionados. 2.4. Marea astronómica El RdP es un estuario micro mareal, es decir, la marea presenta amplitudes bajas, generalmente menores a 1 m. Las ondas de marea asociadas con los anfidromos del Atlántico Sur alcanzan la plataforma continental mientras se propagan hacia el norte (Glorioso y Flather, 1995, 1997; Simionato et al., 2004b; Luz Clara Tejedor, 2013). Figura 2.6. Arriba, elipses de marea para la componente M2, derivadas de observaciones numéricas. Abajo: vectores flujo de energía de la componente de marea M2 en W m-1 (panel izquierdo) y contornos de la tasa de disipación energética de la componente M2 de marea por fricción de fondo en W m-2 (panel derecho). Adaptado de Simionato et al. (2004). A medida que avanzan a lo largo de la plataforma, las condiciones geográficas modifican la propagación, de modo que la energía ingresa al sistema principalmente por el sudeste (Figura 2.6, Simionato et al., 2004b) y la onda propaga por el RdP como una onda de Kelvin forzada en su boca. La baja profundidad acorta la longitud de onda Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 23 después de que la marea ingresa al RdP; debido a este efecto y a la considerable longitud de este sistema fluvio-marítimo, las componentes semidiurnas tienen la inusual característica de presentar casi una longitud de onda completa dentro del sistema todo el tiempo (CARP, 1989; Simionato et al., 2004b). Las amplitudes de marea generalmente no se amplifican hacia la parte superior. El RdP es largo y converge sólo en su parte más interna, donde es extremadamente somero y la fricción juega un rol fundamental en el control de la amplitud de la onda (Framiñan et al., 1999; Simionato et al., 2004b; Luz Clara Tejedor, 2013). Como consecuencia de la fricción, la amplitud de la marea decae en la costa uruguaya comparada con la costa argentina. El régimen de marea es mixto, dominantemente semidiurno, siendo la componente lunar semidiurna principal M2 la más significativa (M2 tiene una amplitud de 0,27 m en Buenos Aires); no obstante, hay desigualdades diurnas significativas, principalmente causadas por la componente diurna O1, con una amplitud de 0,15 m (D’Onofrio et al., 1999). Las máximas velocidades de las corrientes de marea ocurren en los límites norte y sur de la Bahía Samborombón (Punta Piedras y Punta Rasa), mientras que en el interior sus valores son mucho menores. La bahía muestra características rotacionales, pero en el tramo superior y medio y a lo largo de la costa uruguaya las corrientes de marea tienden a ser más unidireccionales (Simionato et al., 2004b). 2.5. Vientos El viento es el principal forzante de la circulación, (y presumiblemente uno de los principales forzantes de la turbidez) en el RdP, y afecta la dinámica en todas las escalas. La circulación general de la atmósfera en la región del RdP está controlada por la influencia del sistema de alta presión semi-permanente del Atlántico Sur. La circulación anti-horaria asociada a este centro advecta aire cálido y húmedo de regiones subtropicales sobre el estuario (Minetti and Vargas 1990). Por otro lado, sistemas atmosféricos fríos que viajan desde el sur traen masas de aire frío sobre la región con una periodicidad dominante de alrededor de 4 días (Vera et al., 2002). El pasaje de esos frentes fríos se asocia en ocasiones con tormentas convectivas que usualmente se conocen como “Pamperos”. Como resultado de estas características, la circulación en la región está dominada por una alternancia de los vientos del noreste al sudoeste en una escala de pocos días (Figura 2.7). En escala intra-estacional, los vientos son modulados por un patrón alternante de variabilidad que se asocia con variabilidad de la Diego Moreira 24 precipitación y cambios de los vientos de superficie del noreste al sudoeste (Nogués- Paegley Mo 1997; Liebmann et al., 2004). Adicionalmente, el RdP está localizado en una de las regiones más ciclogenéticas del mundo (Gany Rao 1991), como consecuencia de ondas que se mueven a lo largo de latitudes subtropicales del Pacífico Sur y América del Sur, con máxima variabilidad en períodos de 10 a 12 días. Estas ondas interactúan con las masas de aire subtropical sobre el noreste de Argentina, Uruguay y el sur de Brasil (Vera et al., 2002). Se observan aproximadamente ocho ciclones por año, con mayor frecuencia en verano. Cuando los mismos se desarrollan sobre Uruguay, pueden originar vientos muy intensos del sudeste, con velocidades que fácilmente exceden los 15 m s-1 (Seluchi, 1995; Seluchiy Saulo 1998). Estas tormentas, conocidas como “Sudestadas” producen inundaciones en el RdP Superior (O’Connor 1991, D’Onofrio et al., 1999) y tienen una frecuencia de ocurrencia de 2 a 3 eventos por año (Escobar et al., 2004). Figura 2.7. Vectores viento a 10 m de altura para el Río de la Plata durante el año 1995, de arriba abajo, para verano, otoño, invierno y primavera. Reanálisis de NCEP/NCAR. Adaptado de Simionato et al., 2008. Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 25 Una alternancia de los vientos de hacia/desde la costa caracteriza la variación estacional de los vientos de superficie de invierno a verano, en asociación con una mayor frecuencia de norestes en verano y de oestes en invierno (Figura 2.8, Guerrero et al., 1997; Simionato et al. 2001 y Simionato et al., 2005a). Figura 2.8. Tensión media del viento (período 1991 a 1995, datos NCEP), para el verano (panel izquierdo) y para el invierno (panel derecho). Adaptado de Simionato et al. (2001). Un análisis de tendencias lineales sobre los últimos 40 años del siglo XX muestra un desplazamiento de las características estacionales de verano e invierno hacia meses más tempranos (Simionato et al., 2005a). En la escala de tiempo inter-anual, el primer patrón dominante describe cambios en dirección este-oeste de los vientos de superficie, que parecen estar forzados por la oscilación troposférica cuasi-bienal (Mo, 2000) excitada en el Pacífico tropical occidental; las condiciones sobre el RdP son influenciadas por dicha oscilación a través de un tren de ondas de Rossby atmosféricas que propagan desde los trópicos (Simionato et al., 2005a). El segundo patrón dominante está asociado con una rotación anticiclónica/ciclónica (anti-horaria/horaria) del viento aguas afuera en escalas de tiempo inter-anuales, que está relacionada con cambios tanto en las condiciones de la atmósfera como del océano en altas latitudes del Hemisferio Sur (Simionato et al., 2005a). Piola et al. (2005) y Meccia et al. (2009) sugirieron que los ciclos del ENOS no sólo estarían asociados a anomalías en la descarga continental, sino también a anomalías del viento de superficie sobre el RdP, el cual muestra una componente dominante del este (oeste) durante El Niño (La Niña). Las anomalías de Diego Moreira 26 geopotencial a 850 hPa asociadas con las fases del ENOS mostradas por Grimm et al. (2000) son consistentes con esos resultados. Las anomalías del viento asociadas al ENOS seríanlas responsables de la relativamente baja extensión de la pluma de agua dulce del RdP a lo largo de la costa brasileña que se observa aún en condiciones de descarga muy altas (Piola et al., 2005). 2.6. Olas Considerando la orientación general del RdP (noroeste-sudeste) y su poca profundidad, sólo las olas que se propagan desde el sudeste pueden alcanzar el RdP Interior (Figura 2.9, Dragani y Romero, 2004). En general, las olas de período relativamente largo, provenientes de las aguas profundas del Océano Atlántico, se amortiguan y rompen a medida que se propagan hacia el interior del Río. Por lo tanto, se considera que la generación local de olas sobre el RdP es la causa principal del oleaje en esa zona (Halcrow y Partners, 1969). Mediciones realizadas en la zona de Costanera Sur de Buenos Aires (Molinari y Castellano, 1990) mostraron que el rango más frecuente de los períodos se encuentra entre los 3 y 4 segundos, siendo poco probables aquellos mayores de 7 segundos. Estos resultados muestran consistencia con los obtenidos por EIH (1985). En cuanto a las alturas significativas, el rango más frecuente es de 0,20 a 0,60 m, siendo improbables olas de más de 1,50 m. En el RdP Exterior, Dragani y Romero (2004) muestran que el clima de olas resulta de una combinación de olas de fondo (swell, no relacionadas con vientos locales) y las olas marinas (generadas por vientos locales), con alturas predominantes entre 0,5 y 1,5 m y con periodos de 4 a 6 segundos cuando prevalecen las olas marinas y 10 a 12 segundos cuando prevalecen las olas de fondo. Mediciones realizadas en la costa uruguaya a partir de un sensor de presión instalado en un ADCP muestran que aproximadamente el 80% de las olas provienen del cuadrante este-sur, con un 35% de las olas del Sureste. Respecto a la altura significativa la distribución calculada muestra que el 70% es menor a 0,6 m, y un 5% supera el valor de 1,12 m (Fossati et al., 2009). Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 27 Figura 2.9. Tabla de número de eventos y porcentaje de ocurrencia de olas según dirección (izquierda). Diagrama de refracción de olas provenientes del sector SE (derecha). Adaptado de Dragani y Romero 2004. 2.7. Circulación barotrópica La componente barotrópica (media vertical) del flujo es muy importante, dado que domina la variabilidad de la elevación del nivel del mar y determina el transporte neto de masa. Para el RdP, ésta ha sido estudiada mediante simulaciones numéricas por Jaime y Menéndez (1999), Simionato et al. (2004b, 2006b), Piedra-Cueva y Fossati (2007), Fossati y Piedra-Cueva (2008) y Meccia (2008, 2009, 2013) y mediante observaciones directas de corrientes por Simionato et al. (2006a), Meccia (2008) y Fossati et al. (2009). Dinámicamente, el RdP se puede dividir en tres regiones diferentes con distintas respuestas a la geometría, la batimetría, la rotación de la Tierra y los vientos. Debido a su poco ancho y relativamente pequeña extensión geográfica, la parte superior del RdP sufre la menor influencia de la rotación terrestre y tiene un régimen esencialmente fluvial, dominado principalmente por la descarga continental y la batimetría. Como consecuencia de la pequeña extensión geográfica y las corrientes relativamente intensas, sus patrones de circulación exhiben la menor sensibilidad a los vientos, aunque en esta área la elevación del nivel del mar tiene respuesta máxima (Figura 2.10). Diego Moreira 28 Figura 2.10. Función corriente del transporte de masa residual en escala submareal (en miles de m3s-1) en el Río de la Plata (izquierda) y un detalle para la Bahía Samborombón para una descarga continental de 20.000 m3s-1 en ausencia de vientos. La magnitud del transporte entre dos isolíneas es igual a la diferencia entre sus valores asociados. Adaptado de Simionato et al. (2004b). Trayectoria de partículas neutras boyantes liberadas aleatoriamente en un modelo numérico del Río de la Plata (derecha). Adaptado de Piedra-Cueva y Fossati, 2007. La segunda región es la Bahía Samborombón, aislada de la porción norte del RdP por la geometría y el efecto de la rotación terrestre (panel izquierdo de la Figura 2.10). En ausencia de vientos su circulación es débil y del sur, como resultado de rectificación de la marea. La batimetría induce un pequeño giro anticiclónico en el sur, mientras que la parte norte se caracteriza por un giro ciclónico. Debido a su geometría, comunicación abierta con la plataforma y baja profundidad, esta parte del RdP es muy sensible a la dirección del viento. Finalmente, la parte exterior del RdP tiene características más oceánicas, y su circulación no sólo se relaciona con la descarga y la batimetría, sino también con la rotación y la estructura termohalina. El área es naturalmente sensible a los vientos, pero la respuesta aquí es tipo Ekman. Los patrones de circulación en respuesta al viento parecen estar más determinados por la dirección del viento que por su intensidad y se desarrollan rápidamente, ocurriendo en una escala de entre 3 y 9 horas. Tanto las observaciones (Simionato et al., 2006a) como los modelos (Simionato et al., 2004a) indican que la circulación barotrópica forzada por el viento en el RdP puede explicarse en términos de dos modos (o estructuras espaciales características) de circulación asociadas a vientos ya sea con una componente dominante a través del eje del canal o a lo largo del mismo. Capítulo 2: Características generales del Río de la Plata y antecedentes 29 Figura 2.11. Principales patrones de circulación residual en el Río de la Plata asociados a la dirección del viento, expresado como función corriente del transporte de masa en miles de m3 s-1. Adaptado de Simionato et al. (2004a). De este modo, la circulación del Río de la Plata puede esquematizarse en forma de cuatro patrones asociados a cada una de las fases (positiva y negativa) de los modos (ver Figura 2.11). Los patrones correspondientes al primer modo (paneles b y c de la Figura 2.11) están relacionados con un ingreso/egreso de agua en la parte exterior del estuario y explica la señal estacional observada en, por ejemplo, el campo de salinidad. El segundo modo (paneles a y d de la Figura 2.11) domina cuando el viento sopla a lo largo del eje del estuario, es decir, del sudeste al noroeste y tiene un patrón muy distintivo de incremento o reducción significativos de la elevación del nivel en el estuario Superior, respectivamente. Este modo explica dos situaciones extremas que tienen importantes implicancias sociales: la “Sudestada”, causante de inundaciones, y los vientos persistentes del noroeste, que producen niveles bajos que, en ocasiones, colapsan el abastecimiento de agua potable a la ciudad de Buenos Aires. Las escalas de variabilidad de la circulación barotrópica forzada por el viento fueron estudiadas mediante modelos numéricos. La variabilidad inter-anual explica el 10% de la varianza. Estos modos son importantes, especialmente si actúan en fase, ya que proporcionan las Diego Moreira 30 condiciones de base para ondas de tormenta más severas. Aproximadamente el 90% de la varianza en la circulación barotrópica es debida a la variabilidad del viento en escala sub-anual. Las anomalías de la elevación del mar más significativas están asociadas con eventos ciclogenéticos en la atmósfera que ocurren sobre Uruguay o la Plataforma Patagónica, mientras que el debilitamiento o intensificación del anticiclón del Atlántico Sur juega un rol menor. En la costa uruguaya, el análisis de mediciones de perfiles realizadas en dos puntos ubicados aproximadamente a 3.000 m de la costa de Montevideo entre fines de 2003 y mediados 2006, muestran que el 74% del tiempo el flujo vertical es del tipo barotrópico. El mismo se diferencia en flujo tipo barotrópico en dirección saliente al RdP
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