Análisis hidrológico e hidrodinámico del medio acuático

Para la evaluación del grado de eutrofización en el medio acuático, antes de todo se realiza el diagnóstico general del área de estudio, definiendo las características del recurso tales como la geología, la geomorfología, la limnología y la hidrología de la cuenca. También se analiza la climatología de la cuenca, la temperatura y la variación de la radiación solar con el

tiempo que resultan ser de gran interés, sin olvidarse de las características socioeconómicas de la zona, que suelen constituir un indicador muy directo de la existencia e intensidad de los procesos de eutrofización del medio.

Para estudiar el sistema hidrológico se analizan los flujos hídricos de la laguna, definiendo las entradas y salidas de caudal. Entre las principales entradas que pueden influir sobre el nivel de una laguna está la precipitación pluvial, que para caracterizarla se exige el conocimiento, tanto de su estacionalidad como de su distribución espacial. De la precipitación interesa diferenciar la que cae directamente en la laguna, la que escurre superficialmente y forma parte de las corrientes superficiales y, finalmente, la parte que se infiltra en el suelo recargando los acuíferos y fluyéndose luego hacia el ecosistema.

Asimismo, el nivel de la laguna se ve afectado por los flujos superficiales que no sólo pueden llegar al medio a partir de un cauce, un humedal, o desde el mar, sino que también pueden resultar de algunas actividades humanas tales como el riego agrícola, cuyos retornos pueden alcanzar las lagunas, o los propios vertidos de aguas residuales. Por otro lado, es interesante tener en cuenta, en especial en zonas de uso agrícola, que la aportación subterránea suele también arrastrar nutrientes debido a la infiltración de estas sustancias en el subsuelo. En ese sentido hay numerosos ejemplos en los que esta última constituye un factor crítico para la eutrofización.

Se suele asumir que los mencionados caudales superficiales y subterráneos son los principales responsables de aporte de nutrientes a una laguna, siendo el estudio de la dinámica de estas aportaciones ineludible para el análisis de la eutrofización del medio.

En cuanto a las salidas del sistema acuático, se suele considerar la evapotranspiración, condicionada principalmente por el factor de temperatura, así como el desagüe de la laguna. Existen lagunas que no

cuentan con un contacto superficial con el litoral próximo, y que podrían considerarse a priori totalmente cerradas. Sin embargo en la práctica debe buscarse la conexión con los sistemas acuáticos colindantes, no sólo a través de flujos superficiales, sino también subterráneos.

En general, el régimen de desagüe de las lagunas costeras (superficial o subterráneo), constituye uno de los factores más complejos de caracterizar, desde el momento en que, en muchas ocasiones, es la propia acción del hombre la que lo condiciona. De hecho existen ejemplos muy característicos de lagunas en donde es dicha actuación humana (colocación de compuertas, de golas, etc.) la que condiciona el intercambio con el litoral. En estos casos, es la gestión que se haga de las conexiones lo que incide más directamente sobre la capacidad de renovación de la laguna. En este tipo de situaciones, lo normal es que la regulación de estos sistemas se haga precisamente para evitar la entrada de aguas del mar o, en su caso, para “limpiar” la laguna cuando ésta alcanza un nivel de eutrofización demasiado elevado. Este último proceso viene condicionado por la disponibilidad de caudales de agua dulce limpia con que se suele hacer el barrido.

En otros casos es el propio efecto conjunto de la precipitación y la acción del mar sobre el cordón litoral, lo que condiciona el desagüe. La influencia de este último es lo que origina la mayor o menor salinización del medio, aspecto que influye directamente sobre la evolución y el tipo de ecosistemas que en ella se asientan y, por tanto en el propio proceso de eutrofización.

Si bien el objetivo de esta tesis se centra más en lagunas predominantemente dulceacuícolas, estas situaciones donde las conexiones con el mar provocan la salinización de parte de la laguna en ciertos periodos, pueden ser críticos en el proceso de pérdida de calidad y biodiversidad de las mismas.

Por otro lado, es evidente que la precipitación y los flujos de entrada y salida son los que controlan el tiempo de renovación de la laguna y, por consiguiente, influyen sobre el estado trófico de ésta. Todo esto pone de relieve la extrema necesidad de la realización de un estudio hidrológico del medio acuático previamente al análisis de su grado de eutrofización, un estudio que se lleva a cabo con la ayuda de los modelos hidrológicos.

En el estado actual de conocimiento científico, existen numerosos ejemplos de herramientas matemáticas que permiten obtener los balances hídricos en una cuenca hidrográfica, la elección del tipo de modelo a utilizar está condicionada por el nivel de detalle que se necesita para la caracterización hídrica del sistema. La clasificación que se suele usar para los modelos hidrológicos, en conforme con el interés que se requiere de este tipo de estudios, se basa en la discretización del espacio, clasificando los modelos, tal y como se muestra en la figura III.1, en dos grandes grupos: modelos agregados y modelos distribuidos.

Figura III.1. Esquema clasificatorio de los modelos hidrológicos según la representación del espacio.

La discretización espacial del medio hidrológico que permite tener información de la distribución espacial de las sustancias en el medio debe ser acorde con las características del problema. La realización de estudios con este nivel de detalle suele exigir la utilización de modelos hidrológicos

Discretización del espacio

Distribuidos Distribuidos Semi-distribuidos Agregados Físicos Conceptuales Conceptuales Empíricos

distribuidos o semi-distribuidos, que abarquen la totalidad de la cuenca hidrológica de la laguna, sobre todo si hay aportaciones fluviales, para conocer perfectamente cuales la distribución de entradas que influyen en procesos de renovación de la misma. En la figura III.2 se muestra el ejemplo de una cuenca hidrológica (Albufera de Valencia). Resulta obvio, a la vista de dicha figura, que desde el punto de vista del estudio hidrológico el área que hay que analizar suele ser más amplia que la propia superficie de la laguna.

Figura III.2. Cuenca hidrológica de la Albufera de Valencia.

Por otra parte, debe considerarse, además, la escala temporal de éste ya que también tiene una gran importancia, dado que las variaciones puntuales de concentración de las sustancias de interés, como el fitoplancton o los nutrientes, suelen ser muy rápidas. De hecho, las concentraciones de fitoplancton tienen variaciones nictemerales importantes, y, de forma parecida, las variaciones de concentración de nutrientes también pueden responder rápidamente cuando se produce un barrido provocado por incrementos fuertes y puntuales de la escorrentía (por ejemplo en el caso de tormentas, muy habituales en el clima mediterráneo). En definitiva, el modelo hidrológico debe ser capaz de tener en cuenta estas variaciones empleando escalas temporales diarias en los periodos críticos y, en ningún caso, mayor que la mensual en las épocas de menor cambio en las concentraciones de fitoplancton.

Existen en la actualidad multitud de modelos hidrológicos capaces de llegar a este nivel de detalle. Entre ellos se pueden citar los siguientes: MIKE-SHE [Abbott et al., 1986a; Abbott et al., 1986b], ECOMAG [Motovilov, 1995], TOPKAPI [Ciarapica y Todini, 2002], CASC2D [Julien et al., 1995], THALES [Grayson et al., 1992], TOPOG [Vertessy et al., 1994], tRIBS [Ivanov et al., 2004; Vivoni et al., 2004], TOPMODEL [Beven, 2001], SWAT [Arnold y Fohrer, 2005; Arnold et al., 1998], MHYDAS [Moussa et al., 2002], AQUATOOL [Andreu et al., 1996].

Como se ha dicho, la caracterización de las entradas de caudales a la laguna tiene como objetivo conocer los flujos hídricos que llegan a la misma (a los que se asocian flujos de sustancias), y con ellos las dinámicas que éstos originan en el propio medio acuático. En este sentido, contar con datos hidrológicos distribuidos permite el análisis detallado de las hidrodinámicas puntuales que se presentan en cada zona y que, en algunos casos, son claras condicionantes del reparto heterogéneo de nutrientes y fitoplancton.

Dichas corrientes condicionan, a su vez, el tiempo de renovación del medio. En este sentido, está demostrado que las zonas con menos tasas de renovación tienen mayores probabilidades de sufrir eutrofización, ya que cuanto menor es el hidrodinamismo de una masa de agua, mayor es el tiempo disponible para que se desencadenen los procesos sucesivos que originan la eutrofización. En la figura III.3 se presenta un ejemplo de la distribución del tiempo de renovación por zonas de una laguna litoral, en la que se aprecian fuertes gradientes de esta variable.

Figura III.3. Ejemplo de tiempo de renovación en una laguna litoral (Albufera de Valencia, España).

Por este motivo, el cálculo del tiempo de renovación, unido a la caracterización hidrodinámica del medio, constituyen dos pilares básicos para estimar el potencial de eutrofización de una laguna, por un lado, y las dinámicas de dispersión de sustancias, por otro.

Para la estimación de dicho tiempo de renovación, se suele recurrir a la definición del mismo como “el tiempo necesario para que una celda de la zona de estudio reduzca la concentración de un trazador conservativo en un factor de 1/e, considerando que la celda se comporta como un tanque continuamente agitado (CSTR) y que en ninguna otra celda se introduce cantidad inicial de trazador conservativo”. La desaparición de dicha concentración en la celda se describe a través de un proceso lineal expresado por la ecuación III.1. La integración de esta última conduce a la ecuación III.2 que permite obtener el tiempo de renovación, que este caso recibe el nombre de “tiempo de renovación local” [García Gómez, 2010]:

( )t C_{( )t} dt dC γ − = (III.1) _{( ) ( )} t t C e C = ₀ −γ (III.2) Promedio: 48 días

Donde

C(t): concentración de trazador conservativo en la celda en un instante

de tiempo t;

C(0): concentración inicial de trazador conservativo en la celda;

γ: inverso del tiempo de renovación local.

Tal y como se ha dicho anteriormente, el conocimiento de la distribución de los tiempos de renovación de la laguna constituye un punto de partida para plantear las escalas espacial y temporal del fenómeno de eutrofización. Es este sentido, un aspecto fundamental es el conocimiento de las hidrodinámicas originadas por las entradas y salidas de caudal y por las interacciones entre la laguna y el medio litoral, y que son las que condicionan dicho tiempo de renovación. Además de los anteriores, el viento puede constituir otro factor importante, generador de corrientes. De hecho, en algunas en lagunas muy cerradas, con pocas entradas y salidas de caudal, suele ser el factor que más influye en los procesos de transporte y mezcla.

En lo que se refiere a las interacciones entre laguna y litoral, la marea constituye un factor que puede influir sobre la hidrodinámica, siempre que haya conexión entre ésta y el mar. Son habituales los casos en que la existencia de cordones litorales o sistemas de cierre artificiales, limitan dicha interacción. En estos casos, la caracterización de los procesos de conexión natural o artificial entre la laguna y el medio marino, resulta ser espacialmente crítica.

Otro aspecto ligado a las dinámicas lagunares, es el transporte y dispersión de los sedimentos debido a las corrientes. Evidentemente, el efecto de las entradas y salidas de caudales y del viento se traduce, habitualmente, en la aparición de procesos de resuspensión de sustancias depositadas en los fondos que, en el caso de los nutrientes, pueden producir una retroalimentación del medio acuático.

En este sentido, existen herramientas, normalmente ligadas a los citados modelos hidrodinámicos, capaces de definir estos procesos desde un punto de vista físico. No obstante, existen otros procesos que condicionan dicha liberación, cuya resolución numérica no resulta tan inmediata, más aún cuando la resuspensión se ve condicionada por algunas actividades antrópicas, como la navegación, los dragados, etc.

El estado actual del conocimiento recoge numerosos ejemplos para el cálculo de las dinámicas anteriores, tal como ha quedado descrito en el capítulo correspondiente. En la metodología que se presenta en esta tesis se propone la utilización de los modelos hidrodinámicos bidimensionales H2D y H2DZ [García et al., 2010; Revilla et al., 1995], descritos previamente, que han sido ampliamente validados en estudios de la naturaleza del que nos ocupa. La aportación de nutrientes desde el sedimento, constituye un punto crítico en la definición del modelo de eutrofización y, por lo tanto, su tratamiento será analizado en un apartado posterior.

Una vez definidos los modelos hidrológicos e hidrodinámicos que se proponen en la presente metodología, a continuación se pasa a describir el modelo de eutrofización que constituye en núcleo central de la misma.