i
UNIVERSIDAD DE CARTAGENA
DETERMINACIÓN DEL ANCHO DE LA FRANJA DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS UTILIZANDO EL PARAMETRO DE SHIELDS. CASO DE ESTUDIO: PLAYAS DE CARTAGENA DE INDIAS
NOTA DE ACEPTACION
Firma del director DALIA MORENO EGEL
Firma del jurado ALFONSO ARRIETA PASTRANA
Firma del jurado JAVIER MOUTHON BELLO
ii
DETERMINACIÓN DEL ANCHO DE LA FRANJA DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS UTILIZANDO EL PARAMETRO DE SHIELDS
CASO DE ESTUDIO: PLAYAS DE CARTAGENA DE INDIAS INFORME FINAL
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN HIDRÁULICA Y MANEJO COSTERO
AUTOR
CRISTINA ISABEL GÓMEZ MARTÍNEZ
Directora
DALIA MORENO EGEL
MSc Water Resources Engineering – Ing. Civil
UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL
CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C. 2021
iii
En primer lugar doy gracias a Dios por guiarme a lo largo de este camino, por regalarme entereza, porque a pesar de mis múltiples tropiezos fue mi guía idónea para no claudicar, doy gracias a él por hoy en día obtener el título como Ingeniera Civil.
También quiero agradecer a la Universidad de Cartagena, en especial al programa de Ingeniería Civil y a su cuerpo docente, a mi directora de tesis la Ingeniera Dalia Moreno Egel por brindarme su ayuda siempre que la necesité, quien con sus conocimientos y apoyo incansable me guió para alcanzar cada uno de los resultados propuestos en este proyecto. Gracias mami por todas las bases que me regalaste los años en los que pude ser bendecida con tu compañía, espero que desde donde estás te sientas orgullosa de mí, gracias porque tu amor siempre va conmigo. Gracias papi, mil gracias por ser paciente, amoroso, por nunca dudar de mí hasta en aquellos momentos en los que ni yo creía en mí. Gracias a mis hermanas por ser mis mejores amigas, por tener las palabras exactas para reconfortarme y siempre buscar la manera de hacerme sentir capaz de sobrepasar cada una de las adversidades que se presentaron en este camino.
Un agradecimiento especial a Harlin Hernandez, mi novio, amigo, confidente, quien ha estado junto a mí desde que inicie esta carrera, gracias por tu amor, tu apoyo diario, tus palabras de aliento, por siempre estar ahí. Gracias a mi hijo Santiago quien con su llegada me impulsó, llenó de fuerzas y me motivó a terminar este proceso, eres el reflejo del amor de Dios en mí vida.
Por último y sin ser menos importante, agradezco a mis amigos; Dionicio, Michelle, Mónica y Verónica por su compañía y enseñanzas en este largo camino, por hacer las dificultades más llevaderas y recargarnos de energía y ganas por seguir adelante siempre.
iv
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ... 1 SUMMARY ... 2 1. INTRODUCCIÓN ... 3 2. MARCO DE REFERENCIA ... 82.1. ESTADO DEL ARTE ... 8
2.2. ANTECEDENTES ... 14
3. MARCO TEÓRICO ... 21
3.1. MOVIMIENTO DEL SEDIMENTO ... 21
3.1.1 Parámetro de Shields. ... 22
3.1.2 Tamaño del Sedimento. ... 25
3.1.3 Granulometría por tamizado. ... 27
3.1.4 El Perfil de Playa. ... 27
3.1.5. Punto de cierre del perfil. ... 28
3.1.6. Determinación del ancho probable de la franja de transporte de sedimentos continúo. ... 29 4. OBJETIVOS ... 30 4.1 OBJETIVO GENERAL ... 30 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 30 5. ALCANCE ... 31 6. METODOLOGIA ... 33
v
6.2. SEGUNDA FASE. SELECCIÓN DE DATOS Y CÁLCULO DEL PARÁMETRO
DE SHIELDS ... 34
6.2.1. Altura del oleaje y periodo para calcular el parámetro de Shields. ... 35
6.2.2. Cálculo de la profundidad de rotura del oleaje. ... 36
6.2.3. Cálculo del punto de cierre del perfil de playa. ... 36
6.2.4. Cálculo del Parámetro de Shields. ... 37
6.3. TERCERA FASE: DETERMINACIÓN DE LA FRANJA DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ... 38
7. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS ... 39
7.1. CARACTERÍSTICAS DE LAS ZONAS DE ESTUDIO. ... 39
7.2. CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO Y RECOPILACIÓN DE LA INFORMACIÓN SECUNDARIA. ... 41
7.3. SELECCIÓN DE DATOS Y CÁLCULO DEL PARÁMETRO DE SHIELDS ... 42
7.3.1. Altura del oleaje y periodos para calcular el parámetro de Shields ... 42
7.3.2. Cálculo de las profundidades de rotura del oleaje y del Punto de Cierre del perfil de Playa. ... 43
7.4. RESULTADOS DEL PARÁMETRO DE SHIELDS... 46
7.4.1. Análisis de los valores del parámetro de Shields en los sectores de playa estudiados. ... 54
7.4.2. Análisis de la incidencia del período en los resultados obtenidos del Parámetro de Shields. ... 65
7.5. CÁLCULO DEL ANCHO DE LA FRANJA DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. ... 67
vi
7.5.1. Ancho de la franja de transporte de sedimentos continúo como flujo en láminas en el fondo en los perfiles de playa, señalada en planos batimétricos e imágenes de
Google Earth. ... 69
8. CONCLUSIONES ... 77
9. RECOMENDACIONES ... 80
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 81
vii
ÍNDICE DE TABLAS.
Tabla 1. Estudios recientes desarrollados por el Instituto de Hidráulica y Saneamiento Ambiental. ... 16 Tabla 2. Trabajos de grado desarrollados en el programa de Ingeniería Civil relacionados con el transporte de sedimentos en las playas de Cartagena de los últimos 10 años. ... 17 Tabla 3. Clasificación de acuerdo al tamaño de partículas utilizado en el estudio de transporte de sedimentos. ... 26 Tabla 4. Casos de oleaje complementarios agrupados por dirección... 35 Tabla 5. Valores de altura de ola y periodos promedios seleccionados para el cálculo de la profundidad de rotura, punto de cierre del perfil y el Parámetro de Shields. ... 43 Tabla 6. Profundidades de rotura y puntos de cierre del perfil para las alturas de ola Hs12, Hs50 y Hs90. ... 44 Tabla 7. Valores de distancia de la profundidad de rotura y del cierre máximo del perfil de playa respecto a la línea de costa, y pendiente media en las diferentes zonas de estudio para las alturas de olas Hs50, Hs90 y Hs12. ... 45 Tabla 8. Valores de los parámetros calculados para obtener el parámetro de Shields en el perfil 6 en Bocagrande, para la altura H50 (0,8m). ... 47 Tabla 9. Valores de los parámetros calculados para obtener el parámetro de Shields en el perfil 15 en el Cabrero, para la altura H50 (0,8m). ... 48 Tabla 10. Valores de los parámetros calculados para obtener el parámetro de Shields en el perfil 24 en la Boquilla, para la altura H50 (0.8m). ... 49 Tabla 11. Valores de velocidad orbital de la partícula y del parámetro de Shields en el perfil 6 para las alturas y períodos del oleaje analizados. ... 51 Tabla 12. Valores de velocidad orbital de la partícula y del parámetro de Shields en el perfil 15 en el Cabrero, para las alturas y períodos del oleaje analizados. ... 52
viii
Tabla 13. Valores de velocidad orbital de la partícula y del parámetro de Shields en el perfil 24 en la Boquilla, para las alturas y períodos del oleaje analizados. ... 53 Tabla 14. Valores de las variables calculadas en la profundidad de rotura, que produjeron los valores máximos de Shields obtenidos en los perfiles 6, 7 y 8 en la zona de estudio de Bocagrande. ... 54 Tabla 15. Valores obtenidos de velocidad orbital y parámetro de Shields para la profundidad de rotura y la profundidad de cierre para cada altura de ola en los perfiles del sector Bocagrande. ... 55 Tabla 16. Valores de las variables calculadas en la profundidad de rotura, que produjeron los valores máximos de Shields obtenidos en los perfiles 15, 16 y 17 en la zona de estudio de El Cabrero... 58 Tabla 17. Valores obtenidos de velocidad orbital y parámetro de Shields para la profundidad de rotura y la profundidad de cierre para cada altura de ola en los perfiles del sector El Cabrero. ... 59 Tabla 18. Valores de las variables calculadas en la profundidad de rotura, que produjeron los valores máximos de Shields obtenidos en los perfiles 24, 25 y 26 en la zona de estudio de La Boquilla. ... 61 Tabla 19. Valores obtenidos de velocidad orbital y parámetro de Shields para la profundidad de rotura y la profundidad de cierre para cada altura de ola en los perfiles del sector La Boquilla. ... 62 Tabla 20. Valores de Shields obtenidos al trabajar con una profundidad constante y tres periodos diferentes en los perfiles de la zona Bocagrande. ... 65
ix
TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Grafica de Shields en el sistema de ejes (τ*, Re*). Fuente: Movimiento incipiente de sedimentos. Universidad Nacional Autónoma de México, 2014. ... 25 Figura 2. Perfil de playa típico, sus sectores y terminologías. Fuente: R. Sorensen, 2006, págin ... 28 Figura 3. Desarrollo esquemático de la metodología del proyecto. Fuente: Autores. ... 34 Figura 4. Ubicación de perfiles 6, 7 y 8 (puntos verdes) analizados en el sector de Bocagrande. Fuente: Google Earth 2020. ... 39 Figura 5. Ubicación de perfiles 15, 16 y 17 (puntos verdes) analizados en el sector de El Cabrero. Fuente: Google Earth 2020. ... 40 Figura 6. Ubicación de perfiles 24, 25 y 26 (puntos verdes) analizados en el sector de La Boquilla. Fuente: Google Earth 2020. ... 40 Figura 7. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 6 de la zona Bocagrande, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 56 Figura 8. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 7 de la zona Bocagrande, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 57 Figura 9. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 8 de la zona Bocagrande, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 57 Figura 10. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 15 de la zona El Cabrero, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 60 Figura 11. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 16 de la zona El Cabrero, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 60 Figura 12. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 17 de la zona El Cabrero, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 61 Figura 13. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 24 de la zona La Boquilla, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 63 Figura 14. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 25 de la zona La Boquilla, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 64
x
Figura 15. Parámetro de Shields vs profundidad en el perfil 26 de la zona La Boquilla, para los tres casos de altura de ola analizados (Hs50, Hs90 y Hs12). Fuente: Autores... 64 Figura 16. Ancho de la franja de transporte de sedimentos desde la línea de costa vs Altura de ola en los perfiles 6, 7 y 8 de la zona de Bocagrande. Fuente: Autores. ... 67 Figura 17. Ancho de la franja de transporte de sedimentos desde la línea de costa vs Altura de ola en los perfiles 15, 16 y 17 de la zona de El Cabrero. Fuente: Autores. ... 68 Figura 18. Ancho de la franja de transporte de sedimentos desde la línea de costa vs Altura de ola en los perfiles 24, 25 y 26 de la zona La Boquilla. Fuente: Autores. ... 69 Figura 19. Ubicación en plano batimétrico de las franjas de transporte de sedimentos continúo como flujo en láminas en el fondo en los perfiles 6, 7 y 8 del sector Bocagrande, para alturas de ola iguales a 0.8 m, 1.8 m y 2.9 m. Cada franja se extiende desde la línea de costa. Fuente: Autores. ... 70 Figura 20. Ubicación en Google Earth de las franjas de transporte de sedimentos continúo como flujo en láminas en el fondo en el sector de Bocagrande, para alturas de ola de 0.8 m. 1.8 m y 2.9 m, en los perfiles 6, 7 y 8. Fuente: Autores. ... 71 Figura 21. Ubicación en plano batimétrico de las franjas de transporte de sedimentos continúo como flujo en láminas en el fondo en los perfiles 15, 16 y 17 del sector el Cabrero, para alturas de ola iguales a 0.8 m, 1.8 m y 2.9 m. Fuente: Autores. ... 72 Figura 22. Ubicación en Google Earth de las franjas de transporte de sedimentos continuo como flujo en láminas en el fondo en el sector del Cabrero, para alturas de ola de 0.8 m. 1.8 m y 2.9 m, en los perfiles 15, 16 y 17 del sector. Fuente: Autores. ... 73 Figura 23. Ubicación en plano batimétrico de las franjas de transporte de sedimentos continúo como flujo en láminas en el fondo en los perfiles 24, 25 y 26 del sector la Boquilla, para alturas de ola iguales a 0.8 m, 1.8 m y 2.9 m. Fuente: Autores. ... 74 Figura 24. Ubicación en Google Earth de las franjas de transporte de sedimentos continuo como flujo en láminas en el fondo para alturas de ola de 0.8 m. 1.8 m y 2.9 m, en los perfiles 15, 16 y 17 del sector el Cabrero. Fuente: Autores. ... 75
1
RESUMEN
El estudio realizó el cálculo del Parámetro de Shields en las playas de la ciudad de Cartagena, en los sectores; Bocagrande, Crespo y la Boquilla, con el propósito de identificar las franjas de transporte de sedimentos que se producen a lo largo de estas playas utilizando el parámetro de Shields como indicador del transporte de sedimentos continuo en láminas en el fondo el que generalmente ocurre durante las tormentas. Se utilizó la teoría lineal y el concepto de Shields para calcular el movimiento incipiente del sedimento, aplicado a tres perfiles de playa en cada sector. Las características de los sedimentos en las playas, las pendientes de los perfiles y los patrones de altura de olas, direcciones y periodos fueron obtenidos de estudios anteriormente realizados en estas zonas. Para el cálculo del parámetro de Shields los datos se procesaron para obtener la velocidad orbital y desplazamiento de las partículas, aplicando la teoría lineal, el punto de cierre del perfil de playa ( Birkermeier 1985) y el esfuerzo de corte. Para el flujo en láminas por el fondo se fijó el parámetro de Shields en 0,8. (Jennsen 1995). Los resultados obtenidos muestran que para las zonas estudiadas el parámetro de Shields tuvo valores entre 0,8 y 5 para transporte en suspensión y por fondo en láminas para alturas de olas mayores de 0,8m., en la zona de rompientes. El parámetro de Shields y por ende el ancho de la franja de transporte continuo de sedimentos demostró depender además de las características del oleaje, de la pendiente de la playa y del tamaño del sedimento, obteniéndose mayores anchos de la franja de transporte para la Boquilla (hasta 1.500m desde la línea de costa) con pendiente promedio de 0,16% y tamaño D50 promedio de 0,17mm y los menores para el sector de Marbella-Crespo (hasta 120m desde la línea de costa) con pendiente promedio de 1,8% a 2,7% y D50 promedio de 0,19mm. En cuanto a las profundidades, la mayor concentración de sedimentos varió entre la profundidad -1,0m y -3.7m. Estos resultados apoyan el diseño de estructuras de protección costera y los rellenos artificiales de arena en playas de la ciudad.
2
SUMMARY
The study performed the calculation of the Shields Parameter on the beaches of the city of Cartagena, in the sectors; Bocagrande, Crespo and La Boquilla, for the purpose of identifying sediment transport strips that occur along these beaches using the Shields parameter as an indicator of continuous sediment transport in sheets on the bottom which usually occurs during storms. Linear theory and the Shields concept were used to calculate the incipient motion of sediment, applied to three beach profiles in each sector. The characteristics of the sediments on the beaches, the slopes of the profiles and the height patterns of waves, directions and periods were obtained from studies previously carried out in these areas. For the calculation of the Shields parameter the data was processed to obtain the orbital velocity and displacement of the particles, applying the linear theory, the closure point of the beach profile ( Birkermeier 1985) and the cutting effort. The Shields parameter was set to 0.8 for sheet flow through the background. (Jennsen 1995). The results obtained show that for the areas studied the Shields parameter had values between 0.8 and 5 for suspended transport and by sheet bottom for wave heights greater than 0.8m. , in the break zone. The Shields parameter and thus the width of the continuous sediment transport strip was shown to depend in addition on the characteristics of the surf, the slope of the beach and the size of the sediment, obtaining wider transport belt for the Nozzle (up to 1.500m from the coastline) with average slope of 0.16% and average size D50 of 0.17mm and smaller for the Marbella-Crespo sector (up to 120m from the coastline) with average slope of 1.8% to 2.7% and average D50 of 0.19mm. Regarding depths, the highest concentration of sediments varied between depth -1.0m and -3.7m. These results support the design of coastal protection structures and sand artificial nourishment of beaches in the city.
3
1. INTRODUCCIÓN
Las zonas costeras son áreas de gran importancia económica por las diferentes actividades que se desarrollan en su territorio, como el turismo, la pesca, la recreación y el transporte entre otros, por ello es fundamental la conservación de los litorales y la estabilidad de las líneas de costa. La erosión y la acreción son procesos que ocurren en las costas, debidos principalmente a efectos naturales, como el oleaje, las corrientes y las mareas, pero que pueden generarse también por la intervención humana. Estas zonas están sujetas a riesgos de inundación por temporales y huracanas o efectos de movimientos sísmicos como los tsunamis.
Por su dinámica, los cambios en la zona costera ocurren en dos escalas, una temporal y otra espacial siendo el transporte de sedimentos factor significativo en los procesos de erosión y deposición en una costa. Conocer la tasa de transporte de sedimentos a largo plazo en una costa, es aspecto importante para el diseño práctico en la ingeniería costera (U.S. Army Corps of Engineers , 2002), entendiendo que la rotura del oleaje y el asomeramiento, combinados con los patrones de corrientes generan el movimiento y transporte del sedimento en ésta zona. En el largo plazo estas tasas se ven afectadas por los efectos del ascenso del nivel del mar y el cambio climático (IDEAM, 2010; U.S. Army Corps of Engineers, 2002).
El movimiento del sedimento ocurre cuando las fuerzas de arrastre que produce el fluido en una partícula son simplemente mayores que las fuerzas de resistencia instantáneas o fuerzas estabilizadoras. Este fenómeno es llamado movimiento incipiente de sedimento o umbral de movimiento de sedimento y es uno de los temas fundamentales en la teoría del transporte de sedimentos y en la práctica de la ingeniería (Van Rijn 1993). Las partículas de sedimento mayores que 63 micras se consideran material no cohesivo no tienen casi consolidación y la erosión ocurre partícula a partícula. Para tamaños menores de 0.3mm, el sedimento cuarzoso se moverá más como carga del lecho que en suspensión, debido a que
4
el sedimento del fondo reacciona más rápidamente a las condiciones locales del flujo (Soulsby & Damgaar, 2005).
Existen dos enfoques para estudiar el umbral del movimiento de sedimentos: uno se basa en la velocidad crítica promediada en la profundidad; y el otro se basa en el esfuerzo cortante crítico, donde la condición crítica se expresa en términos de esfuerzo cortante (Zuo, Roelvink, Lu & Li., 2017.) La más utilizada es la curva de Shields quien propuso un valor crítico para el parámetro de Shields (θc), como una función del número de Reynolds de
grano. Cuando el parámetro de Shields alcanza valores cercanos a 0.04 se considera el inicio del movimiento para arenas y para valores cercanos a 1 se produce lo que se denomina el flujo en láminas en el fondo (Janssen (1995). En la naturaleza, el flujo en láminas se produce principalmente durante las mareas de tormenta, y el transporte intensivo que producen puede dar lugar a una alta concentración de sedimentos (Zhao, et al., 2017; Zuo, et al., 2017).
El comportamiento del movimiento incipiente de los sedimentos cohesivos y no cohesivos no está completamente bien entendido (Zuo, Roelvink, Lu, & Li, 2017). Por ello, se han desarrollado observaciones de campo y experimentos en canales en laboratorio para estudiar este comportamiento. Simões, (2014) formuló un método alternativo que usa el número de movilidad; Elhakeem, Papanicolaou, & Tsakiris, (2017), formularon un modelo basado en el análisis estadístico de datos; Zounemat-Kermani, et al.,(2018), utilizaron métodos basados en datos (Data driven- methods, DDM) para estimar la velocidad del umbral del movimiento del sedimento; Zuo, et al ,.(2017) hacen una revisión del estado del conocimiento de vanguardia en el campo del movimiento incipiente del sedimento; Ballio y Radice (2015), destacan el papel de la turbulencia de flujo sobre la dinámica de las partículas en un lecho plano; Zuo, et al (2017), a partir de la curva de Shields, proponen una expresión de movimiento incipiente de sedimentos tanto para limos como para arenas en condiciones de olas y corrientes y efectos combinados de ola-corriente.
5
También se ha utilizado la simulación numérica como una herramienta práctica para el tratamiento de este fenómeno que contribuye al estudio y mejoramiento de las zonas afectadas por procesos de transporte como los modelos hidrodinámicos de Goto et al., (1997); la plataforma Delft3D, para investigar la hidrodinámica, el transporte de sedimentos y la morfología costera. (Deltares, Delft Hydraulics); y el modelo XBEACH para aplicaciones costeras a pequeña escala (escala de proyecto) para analizar proceso de erosión o variación de la línea de costa (Roelvink et al., 2010).
El presente documento tiene como objetivo principal el determinar el ancho probable de la franja de transporte continuo de sedimentos en sectores de costa situados en las playas de Bocagrande, Cabrero y La Boquilla, en Cartagena haciendo uso del parámetro de Shields como indicador, para apoyar el diseño de estructuras de protección costera y rellenos artificiales en playas.
Alrededor de esta problemática se han desarrollado nuevos mecanismos que buscan la reducción de forma parcial del avance de la erosión costera. La Universidad de Cartagena ha desarrollado estudios en la línea de investigación Hidráulica y Manejo Costero del programa de Ingeniería Civil liderada por el grupo de investigación GIHMAC realizando varios estudios relacionados con el comportamiento que ha tenido la zona costera con el pasar de los años, tras la problemática de erosión como los de Rivas y Verjel, (2016); Padilla y Vargas, (2017); Maza y Rangel, (2015); Cantillo, (2015) y Moreno et al., (2004). Estos estudios han determinado que las corrientes de deriva se desarrollan de forma predominante hacia el SW siguiendo la línea de costa al igual que el sedimento, que las playas presentan estados modales entre disipativas e intermedias con pendientes promedios en los perfiles menores de 2° y tamaños del grano entre 0.14 y 0.21 mm. El Instituto de Hidráulica y Saneamiento (IHSA) de la Universidad desarrolló el estudio “Actualización de los diseños y línea base ambiental para las obras de protección costera en el tramo comprendido entre el Túnel de Crespo y el espolón Iribarren, y la ampliación de la avenida 1era de Bocagrande, en Cartagena de Indias D. T y C” (2017), de este estudio se obtuvieron
6
los parámetros del oleaje con sus direcciones y periodos que fueron evaluados mediante un modelo de transformación del oleaje y que sirvieron de base para desarrollar esta investigación. Las playas presentan estados modales entre disipativas e intermedias con pendientes promedios en los perfiles menores de 2°y tamaños del grano entre 0.14 y 0.21 mm. A pesar de que los sectores de estudio comprendidos entre la Punta Santo de Domingo y la playa Sur de La Bocana se encuentran protegidos por estructuras de defensa costera, la erosión continúa afectando estas playas disminuyendo la estabilidad de la zona.
Este documento tendrá como eje metodológico la aplicación del parámetro de Shields ajustado a costas, con el propósito de responder a las siguientes preguntas: ¿Es posible establecer a partir del parámetro de Shields, la profundidad donde se produce el transporte de sedimentos de forma continua como flujo en láminas (Sheet-flow) para definir el ancho de la franja de transporte permanente de sedimentos en las playas de Cartagena en estudio? ¿Para las diferentes épocas climáticas, cuál sería el ancho promedio de la franja de transporte de sedimentos en sectores de playas de Cartagena, teniendo en cuenta lo propuesto por Janssen (1995)?
El estudio se desarrolló en tres fases, en la primera se realizó el reconocimiento de la zona y la recopilación de información secundaria que sirve de apoyo al proyecto, en la segunda se analizó la información y se seleccionaron los datos como punto de partida para la aplicación del parámetro de Shields, y por último, se calculó el ancho de la franja de transporte de sedimentos para los tramos de playa seleccionados.
Los resultados del cálculo del parámetro de Shields demostraron que el ancho de la franja de transporte continuo de sedimentos depende además de las características del oleaje, de la pendiente de la playa y del tamaño del sedimento, obteniéndose mayores anchos de la franja de transporte para la Boquilla (hasta 1.500m desde la línea de costa) con pendiente promedio de 0,16% y tamaño D50 promedio de 0,17mm y los menores para el sector de Marbella-Crespo (hasta 120m desde la línea de costa) con pendiente promedio de 1,8% a 2,7% y D50 promedio de 0,19mm. Estos resultados son útiles para definir la ubicación de
7
las estructuras costeras y realizar rellenos artificiales que se deseen implementar en la zona., dando mayor claridad sobre el comportamiento de la dinámica costera en Cartagena.
8
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. ESTADO DEL ARTE
El transporte de sedimentos actúa de forma significativa en los procesos de erosión y deposición en una costa. Los procesos erosivos requieren la modelación de los paisajes que conforman las zonas costeras del planeta y la desestabilización de los ecosistemas presentes en las mismas como consecuencia de la incidencia de factores meteorológicos y antrópicos, (Comisión Europea - Medio Ambiente, 2005). Para el tratamiento de este fenómeno se han implementado metodologías, procesos, modelos y simulaciones matemáticas que contribuyen al mejoramiento de las zonas afectadas, además de la inclusión de estructuras que ayudan a la disminución del impacto y el control de la erosión (Chico Ramírez & Tapias Vargas, 2014).
La simulación numérica fue practicada en Punta Banda, una laguna costera que se encuentra localizada en la bahía de Todos Santos, al noreste de la Península de Baja California, México. El modelo numérico-hidrodinámico usado fue el planteado por Goto et al., (1997), y hace uso de ecuaciones de conservación de masa y momento, aplicándolas a ondas largas en aguas poco profundas (Modesto O. 2003). El propósito de este era la obtención de una relación espacio – temporal característica de la velocidad de flujo, siendo esta generada por la influencia de la marea, y se calculó haciendo uso de la siguiente ecuación: ( ) ( ) √
Donde; t es el tiempo, n representa el desplazamiento vertical de la superficie del agua respecto al nivel de medio del mar, g es la aceleración gravitacional, la profundidad media de la columna de agua. D representa la profundidad instantánea de la columna de agua, U y V son las velocidades del flujo de agua en las direcciones longitudinal y meridional, y el
9
parámetro de Manning (m) se usa para calibrar la fuerza de fricción en el fondo (Modesto. 2003).
Para complementar los datos obtenidos se usó el modelo de Stemberg (1972), que calcula el transporte de sedimentos a partir de la tracción, este modelo se apoya en la teoría de Bagnold (1963). Se estableció que el transporte de sedimentos existe como una dependencia del trabajo realizado por el flujo de agua sobre el fondo y el tamaño de grano del sedimento.
A través de la plataforma Delft3D, desarrollada por Delft Hydraulics, que incorpora la hidrodinámica, el oleaje y el transporte de sedimentos, se desarrolló un estudio en el Golfo de Urabá, el objetivo fue crear un modelo matemático que permitiera conocer mucho más el comportamiento de los sedimentos en el Golfo de Urabá, los patrones influyentes en la concentración de estos, la respuesta de estas concentraciones ante cambios extremos de tipo meteorológico. Las variables que se tuvieron en cuenta fueron el tipo de sedimento, la influencia del cambio atmosférico sobre la marea, el oleaje, descarga de ríos y gradientes de densidad. La metodología empleada permitió conocer las zonas del dominio de cálculo donde los parámetros numéricos, físicos y forzamientos extremos están afectando las concentraciones de sedimentos, además del grado en que lo hacen. El análisis mostró que todos los parámetros pueden llegar a generar variaciones puntuales superiores a 100 mg/l en zonas de especial interés, como lo es el delta del Atrato (Velásquez L. 2013).
En playa Oasis, Cuba, fue usado el modelo numérico Delft3D y como complementación se hizo uso del modelo XBEACH para analizar el proceso de erosión. Se tuvieron en cuenta variables que generaban una constante influencia en la contribución al transporte de sedimentos y por ende a la erosión que estaba afectando a esta playa. Características climáticas, oceanológicas, hidrológicas, geográficas, batimétricas y sedimentológicas hicieron parte de este estudio.
10
El estudio permitió detectar que el mayor aporte es el generado por transporte de sedimentos perpendicular a la costa en corto plazo debido a tormentas tropicales y huracanes, los cuales arrastran el material de la playa seca y lo depositan a 200 m de la costa (Córdova y Torres, 2016).
En la costa Caribe Colombiana, zona comprendida entre Galerazamba y Barranquilla, fue aplicado un modelo matemático conocido como “Hindcast Shallow Water Waves”, Utilizando los resultados del cálculo de energía del oleaje y su variación en los puntos de una malla de cálculo, el paquete se ha complementado con un bloque de cálculo de la función de corriente y de la deriva litoral y corrientes generadas por las olas de diferentes direcciones (Giraldo, 1997). El estudio indica que, aunque la tendencia general observada, es la de conservar un balance erosivo sedimentológico estacional, con desgaste de la mayor parte del litoral durante la primera mitad del año y recuperación en la segunda, se identificaron sectores como La Garita y Mahates, donde la erosión es un fenómeno persistente durante la mayor parte del año. En tales sectores, el retroceso de la línea costera es evidente y no presenta aún tendencia hacia la recuperación (Giraldo, 1997).
Simões (2014) formuló un método alternativo que usa el número de movilidad, definido como la relación entre la velocidad de corte y la velocidad de sedimentación de la partícula, utilizando una gran cantidad de datos experimentales para desarrollar un Criterio empírico de movimiento incipiente basado en el número de movilidad, demostrando que este enfoque puede proporcionar un método simple y preciso para calcular la condición de umbral para el movimiento del sedimento.
Elhakeem, Papanicolaou, & Tsakiris (2017) propusieron modelos probabilísticos para el arrastre de sedimentos evaluados por Mohamed Elhakeem quienes muestran resultados indicando que todos los modelos examinados funcionan adecuadamente para los datos de sedimentos finos, donde las partículas de sedimento tienen una gradación más uniforme y la rugosidad relativa no es un factor importante. El modelo propuesto fue particularmente adecuado para los datos de sedimentos gruesos, donde el aumento de la irregularidad del
11
lecho fue capturado por los nuevos parámetros introducidos en la formulación del modelo. Como resultado, el modelo propuesto produjo errores de predicción más pequeños y físicamente valores aceptables para el coeficiente de elevación en comparación con los otros modelos en el caso del grueso de datos de sedimentos estudiado.
Zounemat et al., 2018, utilizaron métodos basados en datos (Data driven- methods, DDM) para estimar la velocidad del umbral del movimiento del sedimento. Los resultados indicaron que el modelo WaveNet con el coeficiente Nash-Sutcliffe de 0.997 tiene un mejor desempeño y que el diámetro mediano de las partículas y la densidad relativa son los parámetros más importantes que afectan la velocidad de umbral del movimiento, respectivamente. El mayor valor en el coeficiente de variación (CV) está relacionado con el diámetro medio del tamaño de grano, por lo tanto, este parámetro tiene el máximo efecto en las variaciones del umbral de movimiento incipiente.
Zuo et al., 2017, presentan una revisión del conocimiento de vanguardia en el campo del movimiento incipiente del sedimento. Experimentos en tubos oscilantes y la observación de campo generalmente se emplean para estudiar las características del transporte del flujo en lámina. En la naturaleza, el flujo en láminas se produce principalmente durante las mareas de tormenta, y el transporte intensivo que producen puede dar lugar a una alta concentración de sedimentos. Por lo tanto, una profunda comprensión de las características del transporte de flujo en láminas bajo la acción combinada de las olas y corrientes es importante. La velocidad crítica solo se genera cerca del lecho usando análisis mecánico y los resultados de este análisis son transferidos al esfuerzo cortante o a la velocidad promediada en la profundidad, los cuales están relacionados con la estructura de flujo cerca del lecho. Por esto sugieren que debe usarse el umbral del esfuerzo cortante de lecho, el cual es aplicable a condiciones de oleaje y de ola-corrientes combinadas o separadas. Francesco Ballio y Alessio Radice (2015), realizaron experimentos de transporte de sedimentos de carga del lecho suave sobre un lecho plano, liso y fijo, en el Laboratorio de Hidráulica del Politecnico di Milano utilizando un conducto transparente presurizado con
12
sección rectangular. La configuración del lecho liso, aunque no es adecuada para simular las corrientes naturales, permite que se filtren los efectos de las partículas que se mueven con la rugosidad del lecho y con otros granos en movimiento, destacando así el papel de la turbulencia de flujo sobre la dinámica de las partículas. Los sedimentos fueron rastreados individualmente a lo largo de sus trayectorias, midiendo la posición y la velocidad de los granos individuales. Luego se aplicaron varios análisis a los datos para obtener varias escalas temporales del movimiento de las partículas de Lagrange y se compararon con los datos disponibles para el campo de flujo turbulento para determinar una interpretación fenomenológica del proceso. Se descubrió que las escalas de tiempo del movimiento de sedimentos estaban separadas en dos grupos: la mayoría de las escalas estaban de acuerdo con las estimadas para el campo de flujo turbulento, mientras que pocas (cuya posibilidad de detección también dependía del modo de movimiento de partículas) estaban más cerca del tamaño de grano.
Lu, Li, Zuo, Liu, & Roelvink, (2015), hacen una revisión del conocimiento de última generación en este campo del movimiento incipiente de sedimentos, formas de lecho, rugosidad del lecho, transporte de carga del fondo, transporte de carga suspendida, concentración de sedimentos de equilibrio y flujo en lámina. Informan que se han desarrollado pocos estudios sobre cambios en la forma del lecho sujeto a oleajes o efectos combinados de ola-corriente. Resaltan que el sedimento en suspensión está controlado principalmente por los vórtices y turbulencia que se genera en la capa límite y que estos mecanismos necesitan ser estudiados con más detalle para una mejor predicción del transporte de sedimentos. Enfatizan en que la mayoría de las formulaciones están definidas para sedimentos de tamaño uniforme, algo que en la realidad no ocurre. Hacen referencia a la curva de Shields definida para flujo estacionario y la necesidad de extenderla para los efectos de oleajes y ola-corriente teniendo en cuenta las diferentes formas del lecho que se generan bajo estas condiciones. Afirman que el criterio de Shields es una relación empírica que es bastante general, ya que se aplica a cualquier tipo de fluido y flujo de sedimento, siempre que el sedimento no tenga cohesión y enfatizan en que para comprender los
13
cambios morfológicos que se producen en las costas, es necesario entender el comportamiento del transporte de sedimentos inducido por olas y corrientes.
Zuo et al., 2017, a partir del análisis de fuerzas, utilizando el método de derivación para la curva de Shields, proponen una expresión de movimiento incipiente de sedimentos tanto para limos como para arenas en condiciones de olas y corrientes y efectos combinados de olas y corrientes. Las diferencias y similitudes en el umbral de movimiento del sedimento se analizaron bajo los efectos de las olas y las corrientes, para el sedimento fino y grueso. Los d50 fueron 0.068 mm para limo y 0.125 mm para arena para alturas de olas entre 0. 025
m, 0.054 m y de 0.027 m a 0.065 m, respectivamente. El número de Shields se revisó introduciendo la fuerza de cohesión y la presión estática adicional del agua, lo que indica que este estudio podría verse como una extensión del método de la curva de Shields para limos. En general el valor de Shields para el movimiento incipiente bajo ola-corriente está alrededor de 0.03 para limos y de 0.04 para arenas. Se utilizaron varios conjuntos de datos experimentales y datos de campo para verificar la fórmula. El tamaño de partícula correspondiente al mínimo esfuerzo cortante crítico es menor bajo una profundidad de agua menor y viceversa. El efecto de la densidad aparente sobre el sedimento fino fue discutido y probado usando datos experimentales.
Las metodologías y modelos anteriormente mencionados, a lo largo del desarrollo de la problemática que ha traído consigo el transporte de sedimentos, han conseguido analizar las distintas causas que hacen parte de este fenómeno, con esto se ha logrado una estimación de la relación que existe entre el tipo de sedimento y la fuerza con la que actúa el flujo del agua sobre estos. Pero estos modelos y metodologías muchas veces no logran ser del todo exactos, pues tienen en consideración variables que resultan poco estables, que muchas veces han sido tomadas de forma promediada.
Por esta razón, para obtener información práctica y que contribuya al conocimiento del comportamiento de las costas en nuestra zona de estudio, se hará uso del, tamaño del sedimento, la altura y período de la ola significativa utilizadas en la modelación de
14
transformación del oleaje previamente realizadas por el IHSA, para calcular el punto de cierre del perfil de playa, la velocidad orbital de las partículas y el parámetro de Shields, para establecer el ancho promedio de la franja de transporte de sedimentos en la costa, para la zona de estudio en las distintas playas de la ciudad con el fin de poder definir mayor facilidad la posible ubicación de nuevas formas de protección costera en estas playas.
2.2. ANTECEDENTES
Con el incremento de las zonas urbanas aledañas a las costas, la invasión de las zonas de playas, y la interferencia y disminución del transporte de sedimentos, se han generado de forma excesiva problemas de erosión. Ante esta problemática en los últimos años se han tomado medidas de acción para contrarrestar los efectos generados por este efecto.
En el año 2014 el Laboratorio Estatal de Ingeniería Hidráulica de Simulación y Seguridad, de la Universidad de Tianjin, realizó el estudio del efecto de la filtración ascendente en la tasa de transporte de sedimentos en el fondo. El artículo presenta una investigación de los efectos de la inyección en la velocidad de transporte de carga sólida. Según el análisis dimensional, tomando dos grupos adimensionales, el grupo de parámetros de Einstein y el grupo haciendo uso del número de Froude densimétrico modificado, fueron elegidos para examinar la forma en que la inyección afecta a la velocidad de transporte de carga de fondo. Se llevaron a cabo estudios experimentales en un canal abierto con una zona de filtración hacia arriba. Las partículas de sedimentos utilizados en el ensayo fueron de 0,9 mm de diámetro. Los resultados experimentales mostraron que un aumento en la velocidad de inyección causa una reducción en el exceso de velocidad de corte, que se define como la diferencia entre el esfuerzo cortante y las velocidades de cizallamiento críticas, lo que lleva a una reducción en la velocidad de transporte de carga sólida. La ecuación para predecir la tasa de transporte de carga de fondo en presencia de la filtración hacia arriba se derivó empíricamente (Liu & Chiew. 2014).
Para contrarrestar la problemática que se ha generado por el aumento del nivel del mar, se ha diseñado un proyecto de protección costera en los barrios, Bocagrande, Laguito, parte de
15
Marbella y Crespo. El proyecto fue aprobado el 20 de marzo del 2018, por el Centro de Investigaciones Oceanográficas e Hidrográficas (CIOH), y consiste en la construcción de la protección del borde costero, mediante la construcción de diez espolones, de los cuales seis estarán situados en el sector Bocagrande y cuatro en el sector comprendido entre Marbella – Cabrero y tres rompeolas en la zona del Centro Histórico, frente a la punta de Santo Domingo. Además, para estos dos sectores se realizará la construcción de 5,20 kilómetros de escolleras y un sistema de drenaje pluvial. Con el fin de cubrir alrededor de 5.400 metros de protección de la costa. Se realizará la construcción de estructuras y se realizará el mantenimiento preventivo y reconstrucción de dos rompeolas ya existentes en el lugar. En el estudio se realizaron actividades como: el levantamiento topográfico y batimétrico de la zona, determinación del clima de oleaje medio y extremo para las direcciones predominantes; modelación de transformación del oleaje a la zona de estudio y el análisis de corrientes y transporte de sedimentos. Se seleccionaron cuatro alternativas de diseño, se diseñaron las estructuras de protección para cada alternativa y se modelaron geomorfológicamente para seleccionar la más conveniente. (Universidad de Cartagena, 2017; Consejo Gremial de Bolívar, 2018). De este estudio se obtuvieron los parámetros del oleaje con sus direcciones y períodos los que fueron evaluados mediante un modelo de transformación del oleaje que sirvieron para determinar los parámetros; velocidad orbital de las partículas y el parámetro de Shields, del presente estudio a pesar de que los sectores entre la Punta de Santo Domingo y la playa Sur de La Bocana se encuentran protegidos por estructuras de defensa costera, la erosión continua afectando de forma continua estas playas disminuyendo la estabilidad de la zona.
En la Universidad de Cartagena se han desarrollado varios estudios por el Instituto de Hidráulica y Saneamiento Ambiental (IHSA), relacionados con el transporte de sedimentos en las playas de Cartagena, como se presenta en la Tabla 1. Sin embargo, en estos estudios no se ha logrado determinar en el campo el comportamiento del sedimento. Se han medido corrientes y oleajes con equipos apropiados para ello y tamaños de partículas del sedimento, pero no sea han medido tasas de transporte de sedimentos para una época
16
especifica ni se han definido franjas o anchos de la zona de transporte de sedimentos en el campo.
Tabla 1. Estudios recientes desarrollados por el Instituto de Hidráulica y Saneamiento
Ambiental.
ESTUDIO AÑO INFORMACIÒN ACTIVIDADES
Actualizar los diseños y línea base ambiental para las obras de protección costera en el tramo comprendido entre el túnel de Crespo y el espolón Iribarren, y ampliación de la avenida 1era de Bocagrande, en Cartagena de Indias.
2017 Levantamiento topográfico y batimétrico. Determinación del clima de oleaje.
Modelación de transformación del oleaje a la zona de estudio. Análisis de corrientes y transporte de sedimentos. Selección de alternativas. Diseños de estructuras de protección y modelación de las alternativas
Estudios para la construcción de obras de protección litoral y conexión vial en la Isla de Barú en el sector Mohán-Playetas del parque nacional natural Corales del Rosario y San Bernardo.
2012 Levantamiento topográfico y batimétrico. Determinación del clima de oleaje.
Modelación de transformación del oleaje a la zona de estudio. Análisis de corrientes y transporte de sedimentos. Selección de alternativas. Diseños de estructuras de protección. Estudio PMA
Actualización de los diseños de las estructuras protección costera para el sector nororiental de la Isla de Tierrabomba.
2014 Levantamiento topográfico de perfiles de playa. Determinación del clima de oleaje. Modelación de transformación del oleaje a la zona de estudio. Análisis de corrientes y transporte de sedimentos. Selección de alternativas. Diseños de estructuras de protección. Estudio PMA
También se han desarrollado varios trabajos de grado en el Programa de Ingeniería Civil que se han relacionado con el comportamiento de la zona costera como se indican en la Tabla 2.
17
Tabla 2. Trabajos de grado desarrollados en el programa de Ingeniería Civil
relacionados con el transporte de sedimentos en las playas de Cartagena de los últimos 10 años.
Documento Autor-Año Información
Comportamiento
Estacional De Los Perfiles De Playa En Sectores De Cartagena (Época De Lluvias).
Elieth Berdugo Flórez; Neudis Díaz Díaz. Trabajo final de grado.
Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena 2.009. Información secundaria Levantamiento de perfiles de playa Datos de sedimentos de playa
Ajustes de perfiles de playa
Tasas de erosión-sedimentación
Comportamiento de los perfiles de playa por efecto de las estructuras costeras. Caso de estudio sector Bocagrande en el tramo comprendido entre las Calles 3 y 6.
María Mónica Bula Jiménez & Mayerlines Mendoza Vergara Trabajo final de grado.
Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena. Julio 2013 Información secundaria Levantamiento de perfiles de playa Datos de sedimentos de playa
Ajustes de perfiles de playa
Tasas de erosión-sedimentación
Clasificación
geomorfológica y análisis de la variación espacial y temporal de los perfiles de playa situados entre estructuras costeras. Sector Bocagrande entre Calles 7 y 10, Cartagena.
Luz Angélica Escorcia Astudillo & Santiago José Solano Gómez Trabajo final de grado.
Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena. Julio 2013 Información secundaria Levantamiento de perfiles de playa Datos de sedimentos de playa
Ajustes de perfiles de playa
Tasas de erosión-sedimentación
Variación espacial y temporal del tamaño del sedimento de playas en Cartagena - sector Bocagrande
Alberto Carlos Cantillo Genes
Trabajo final de grado. Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena. Julio 2015
Levantamiento de perfiles de playa por 3 años
Efectos del oleaje por variación del tamaño del grano
18
Documento Autor-Año Información
Evaluación del efecto que producen en la línea de costa del sector de Bocagrande, las nuevas estructuras costeras ubicadas en el barrio de Crespo
Keren Johana Rivas Rojas
Álvaro José Verjel Ortiz Trabajo final de grado. Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena. Julio 2016 Levantamiento de perfiles de playa Datos de sedimentos de playa
Ajustes de perfiles de playa con Dean
Variación de línea de costa
Evaluación de los efectos del cierre de la boca del Laguito sobre las playas de Castillogrande, cerca al Club Naval
Tomás Alfonso Oyola Figueroa y Andrea Carolina Santander Blanco
Trabajo final de grado. Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena. Julio 2017 Levantamiento de perfiles de playa Datos de sedimentos de playa
Ajustes de perfiles de playa con Dean
Variación de línea de costa
Estado modal de playa y seguridad para bañistas Evaluación del efecto de las
estructuras costeras, construidas en Crespo, sobre la línea de costa próxima al barrio El Cabrero
Laura Marcela Devia Ochoa
Trabajo final de grado. Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena.Noviembre 2017 Levantamiento de perfiles de playa Datos de sedimentos de playa
Ajustes de perfiles de playa con Dean
Variación de línea de costa
Estado modal de playa y seguridad para bañistas Análisis del comportamiento
de la línea de costa y clasificación morfológica de la zona costera de Manzanillo del Mar en la ciudad de Cartagena de indias
Kevin Javier Padilla Garcia
Alejandro Vargas Hernandez
Trabajo final de grado. Programa de Ingeniería Civil. Universidad de Cartagena. Noviembre 2017 Levantamiento de perfiles de playa Datos de sedimentos de playa
Ajustes de perfiles de playa con Dean
Variación de línea de costa
19
Cantillo A. 2015, realizó un seguimiento durante tres años a los perfiles de playa en el sector de Bocagrande con el propósito de generar esquemas que lograran representar el comportamiento del tamaño del sedimento en sentido transversal y longitudinal en la playa. Esto lo llevó a cabo haciendo uso del análisis sedimentológico periódico en cada uno de los perfiles y lograr determinar la variación espacial y temporal de las características granulométricas del sedimento en esta zona de playa.
Keren Rivas y Alvaro Verjel. (2016), determinaron el posible efecto que producen en la línea de costa en el sector Bocagrande las estructuras costeras ubicadas en el barrio Crespo, realizando seguimiento y medidas a los perfiles de playa. Las mediciones fueron realizadas durante los meses de abril y mayo y los datos obtenidos fueron comparados con perfiles antiguos de las playas cuando no existían estas estructuras. El análisis de los resultados reflejó un impacto negativo sobre las playas estudiadas, puesto que se pudo observar que después de su colocación, la línea de costa de las playas de Bocagrande retrocedió alrededor de 10 m, en tan solo 8 años, viéndose más afectadas las playas entre los espolones en T, debido a la inestabilidad que presentaron durante las mediciones. También fueron tomadas muestras de suelo que sirvieron para analizar la tipología del sedimento que estaba presente en la zona y se midieron alturas y direcciones de oleaje local durante cuatro horas con un correntómetro fondeado en la zona de rompientes cercana a la línea de costa.
Oyola y Santander. 2017, evaluaron el efecto que ha producido sobre la línea de costa el cierre de la boca del Laguito en las playas de Castillogrande. Determinaron el tamaño medio de las partículas de la playa, realizando análisis a las muestras de arena tomadas alrededor de los perfiles en zona seca, en la línea de costa y en la zona de playa sumergida que estaban entre 0,19 y 0,23 mm. Realizando comparaciones con los perfiles de playa levantados en el año 2002 y los que fueron desarrollados por los autores en el primer trimestre del año 2017 se detectó que el cierre de la boca del laguito ha generado sedimentación en las playas de Castillogrande.
20
Devia Ochoa. 2017, realizó un estudio en un sector de playas del barrio el Cabrero – Marbella, que buscó determinar la estabilidad de la línea de costa en ese sitio, realizó mediciones semanales en la zona y recolectó muestras de arena en diferentes puntos de los perfiles de playa para determinar el tamaño medio de las partículas de sedimento marino allí presentes. Se determinó el parámetro de Dean con el cual se pudo clasificar y definir la tipología de la playa. Los resultados arrojados mostraron un retroceso en la línea de ligado al proceso de acreción y rellenos en la parte norte donde se ubica el Túnel, para la zona sumergida se determinó un estado modal intermedio (1 < Ω < 6) para oleajes que se aproximan a la costa en dirección Norte (N) y Noroeste (NW) y con altura a la rotura (Hb) entre 0.8 m y 1.32 m, para periodos (Ts) entre 6.75 y 7.5 segundos. El análisis de la granulometría arrojó un valor de 0,22 mm para el tamaño de partículas de sedimento en la zona sumergida.
La información recopilada en todos estos estudios ha sido de gran ayuda para el desarrollo de este proyecto, especialmente la determinación del tamaño de las partículas de arena en cada perfil y la determinación de las características de cada sector de playa.
21
3. MARCO TEÓRICO
En este aparte presentamos los conceptos y definiciones más importantes relacionados con el tema de estudio de este proyecto.
3.1. MOVIMIENTO DEL SEDIMENTO
El movimiento de los sedimentos puede verse descrito en tres procesos:
Inicio de arrastre: Cuando los granos no tienen la capacidad de resistir la presión hidrodinámica y las fuerzas de viscosidad del flujo que actúan sobre ellos, se oponen al movimiento. Características como el tamaño del grano y la distribución de estos en el fondo, son grandes influyentes en este primer proceso.
Transporte: Se clasifica en dos tipos, que dependen de la velocidad del flujo a la cual se da el movimiento del sedimento. Para el caso en que las partículas de arena de gran tamaño tienden a saltar o deslizarse girando sobre si mismas de forma uniforme sobre el fondo, y la velocidad de flujo es baja, se denomina como transporte por fondo; mientras que en el caso en donde existe un flujo de mayor velocidad y granos de menor tamaño el transporte se presentará por suspensión. Como su nombre lo indica los granos serán desplazados del fondo a alturas considerables y continuarán su movimiento con la ayuda de las corrientes.
Sedimentación: Luego de que los granos son trasportados a diferentes distancias, estos se depositarán en el fondo, al cambiar las condiciones que originaron el movimiento.
Guan et al., (2015) declaran que actualmente existen cuatro tipos de modelos de transporte de sedimentos. Dos de ellos son los llamados modelos acoplados que resuelven las ecuaciones de la hidrodinámica y la morfodinámica, juntas. Según el modo de transporte, los modelos acoplados se pueden clasificar en modelos de flujo de concentración promediado en la profundidad (modelo CF) y el modelo de flujo de carga en el lecho
22
(modelo BF). Los otros dos tipos de modelos son los llamados modelos desacoplados, a saber, el modelo de transporte de dos capas y el modelo de flujo de dos fases.
El exceso de esfuerzo cortante que actúa en las partículas ha intervenido de forma sustancial en la predicción de las tasas de transporte de sedimentos, este también es usado para aquellos problemas como la erosión de cauces y el diseño de canales estables. Con este concepto se deriva el conocido como el fenómeno del movimiento incipiente, el cual no es más que el cambio producido por el aumento de las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre un lecho con sedimentos sueltos, haciendo que estos cambien de un estado estacionario a uno de movimiento inicial, conocido también como incipiente. Para lograr definir el concepto de umbral crítico del movimiento han surgido diferentes posturas que han llevado al planteamiento de distintos parámetros físicos, como lo son la velocidad de cizallamiento y la velocidad a la profundidad media, pero hasta ahora ninguno de estos conceptos ha logrado demostrar en gran manera el comportamiento del movimiento de los sedimentos como el parámetro de Shields (1936).
3.1.1 Parámetro de Shields.
Para el cálculo del movimiento de las partículas se hace uso del parámetro de Shields, el cual se define como la relación existente entre la fuerza aplicada para poner en movimiento una partícula y el peso sumergido de esta. El criterio de Shields es una relación empírica que es bastante general, ya que se aplica a cualquier tipo de fluido, flujo y sedimento, siempre que el sedimento no tenga cohesión. Este parámetro se calcula como lo indica la ecuación 1.
) )
Ecuación 1
Donde τ es el esfuerzo de corte, D50 el diámetro del grano, ρw la densidad del agua, g la
aceleración de la gravedad, S es la densidad relativa agua-sedimento. Se conoce que cuando el parámetro de Shields es menor que un valor crítico, la partícula tiende a estar en reposo. Para valores entre 0.03 a 0.06, la partícula empieza a moverse rodando y saltando. Si el
23
parámetro incrementa un poco más, se empiezan a dar ondulaciones y el momento en que este exceda el valor de 0.8 a 1, las ondas desaparecen y el sedimento que se encuentra en el fondo se pone en movimiento; este fenómeno es conocido como flujo en láminas.
El flujo en láminas es la principal forma de transporte de sedimentos que se presenta en las zonas cercanas de las costas, tanto en la zona de rotura como en la que se encuentra fuera de ella, también durante las tormentas.
(N/m2) Ecuación 2
Siendo t el esfuerzo de corte, la densidad del agua, es el factor de fricción de la ola y , la velocidad orbital de las partículas de agua.
En la mayor parte del océano, la pendiente de las olas es muy pequeña y la velocidad está definida por:
) (m/s) Ecuación 3
Para encontrar el valor de , Stwart (1974), (citado por Janssen, 1995) lo determina como (Ecuación 5):
⌊ ( ) ⌋ Ecuación 4
En la cual ks es la altura de rugosidad de Nikuradse, tomada en este caso como 2.5*D50,
siendo este un factor adimensional, y a es la amplitud de la excursión o el desplazamiento de la partícula de agua que se encuentra cerca del fondo, definida con la ecuación 5, que describe el desplazamiento de las partículas de agua que se encuentran en el fondo para el caso de aguas someras:
√ Ecuación 5 Dónde:
24
L = Longitud de la ola, calculada de forma aproximada como: √ (m) Ecuación 6
d = Profundidad del agua. H = Altura de la ola.
Es importante recalcar que la fricción es la causa relacionada con el transporte de sedimento (Van Rijn, 1993) y la manera usual de calcular esta contribución es por medio del perfil logarítmico de velocidades, donde el valor de ks (rugosidad de Nikuradse) está relacionado solo con el tamaño del grano.
Shields detectó experimentalmente el principio incipiente del movimiento y otros fenómenos asociados a la formación de pequeñas ondulaciones (arrugas) del lecho, formación de dunas, así como el momento en que los granos “saltan” y, por último, cuando estos quedan totalmente suspendidos en la corriente. Este investigador graficó sus resultados mediante una curva limite, en función del esfuerzo de corte y el número de Reynolds de corte, por encima de la cual empiezan los granos a moverse causando la deformación del lecho. La zona inferior a la curva corresponde entonces a un lecho en total reposo (Universidad Nacional Autónoma de México, 2014). Como indica la Figura 1.
25
Figura 1. Grafica de Shields en el sistema de ejes (τ*, Re*). Fuente: Movimiento
incipiente de sedimentos. Universidad Nacional Autónoma de México, 2014.
3.1.2 Tamaño del Sedimento.
Es uno de los parámetros más importantes en el marco de los estudios de playa, tanto así que se debe tener en cuenta para el uso de la playa como tal, dado que puede ocasionar conflicto entre las características recreativas y de protección de la costa, cuando para esto último se utilizan sedimentos más gruesos. Así mismo, para el estudio de transporte de sedimentos resulta un parámetro fundamental, junto con la definición de la forma de los granos, dado que la forma como el agua logra mover los sedimentos están en función de estas características.
En la Tabla 3 se muestra la clasificación de acuerdo al tamaño de partículas utilizado para el estudio de transporte de sedimentos, de acuerdo a lo que indica el US Army Corps of Engineers, 2002.
26
Tabla 3. Clasificación de acuerdo al tamaño de partículas utilizado en el estudio de
transporte de sedimentos.
27
3.1.3 Granulometría por tamizado.
Es la técnica comúnmente usada para medir el tamaño de las partículas de una muestra de suelo, consiste en pasar la muestra sobre mallas o tamices de distintas aperturas (Diámetros). Los tamices son apilados y numerados teniendo en cuenta los tamaños de las aperturas, esto se hará de forma decreciente, si una partícula es retenida por uno de los tamices se dice que su tamaño esta entre su luz y la del tamiz anterior.
Se hace necesario el reconocimiento de los tamaños de las partículas para su representación en lo que es conocido como curva granulométrica, esta se encarga de representar gráficamente el 1% de cada intervalo de tamaños de grano que pasan por una serie de tamices establecidos, usualmente tiene forma de S. Los tamices comúnmente usados para definir las distribuciones de los tamaños de partícula son los valores D10, D50 Y D90, los cuales representan el 10%, 50% y 90% del material acumulado. Para nuestro caso de estudio tendremos presente las partículas que pertenecen al D50, esto quiere decir que será el tamaño del grano correspondiente al 50% que pasa y representa el tamaño medio del grano.
3.1.4 El Perfil de Playa.
Se conoce como la forma que adquiere la playa o la sección transversal con la influencia de las olas que son desplazadas desde mar adentro (offshore) hacia la playa y estas rompen en la zona de rompiente, causando la producción de barras de arena en el fondo.
Un perfil de playa por lo general presenta una o dos bermas inclinadas hacia el mar en la parte externa de la playa o playa seca, una región intermareal de acción activa del oleaje después de romper, incluyendo el recorrido de la ola, denominada anteplaya la que se inicia donde se ubica la cresta de la berma principal (condiciones de calma) y una zona de forma cóncava en la zona totalmente sumergida presentando una o dos barras longitudinales donde se ubican puntos de rotura del oleaje La zona de rompientes se extiende desde la cresta de la berma hasta el extremo de las barras formadas por las líneas de olas rompientes.
28
Figura 2. Perfil de playa típico, sus sectores y terminologías. Fuente: R. Sorensen, 2006, págin
a 254.
3.1.5. Punto de cierre del perfil.
Hallermeir (1977) determinó el punto de cierre del perfil, como la profundidad dc que establece el límite del perfil hacia el mar a partir de la cual cesan los efectos relacionados con la zona de asomeramiento y de rompientes y por tanto el transporte de sedimentos a lo largo de la costa y transversalmente cesan. Por lo tanto, el transporte de sedimento ocurrirá para profundidades menores que la profundidad dc. Esta profundidad se determinó a partir de ensayos en laboratorio. Birkermeier (1985), utilizando mayor número de datos modificó la fórmula determinada por Hallermeir para la profundidad de cierre:
(m) Ecuación 7
Siendo Hs la altura de la ola significativa en metros, excedida solo 12 horas por año y Ts el período al pico asociado. Birkermeir también encontró un buen ajuste con la relación más simple: (m) Ecuación 8 2 2 9 . 57 75 . 1 s s s c gT H H d s c H d 1.57
29
Siendo Hs la ola significante en metros que ocurre un promedio de 12 horas al año. Esta relación se puede utilizar también de la siguiente forma para cualquier altura de ola significativa, Hs (CEM, 2002). Por supuesto, la mejor forma de estimar el punto de cierre del perfil es medirlo varias veces al año y determinar aquella profundidad más allá de la cual no hay variaciones del perfil.
(m) Ecuación 9
3.1.6. Determinación del ancho probable de la franja de transporte de sedimentos continúo.
Para establecer las franjas de transporte de sedimentos continuo en el fondo fueron ubicados los valores de Shields obtenidos según la altura de ola y el periodo analizado en los planos batimétricos de las zonas de estudio. Esto se logró relacionando las profundidades en las cuales se obtuvieron valores de Shields iguales o superiores a 0,8 a 1 y el plano batimétrico correspondiente a cada perfil, esto con ayuda de las curvas batimétricas que se encuentran en cada uno de estos planos.
Por último los planos con las franjas de transporte de sedimento ya establecidas se superpusieron sobre las imágenes arrojadas por Google Eatrh en cada zona de estudio.
s
c H
30
4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar el ancho probable de la franja de transporte continuo de sedimentos en sectores de costa situados en las playas de Bocagrande, Cabrero y La Boquilla, haciendo uso del parámetro de Shields como indicador, para apoyar el diseño de estructuras de protección costera y rellenos artificiales en playas.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Definir las variables que influyen en el transporte de sedimentos en cada sector de playa en estudio, necesarias para el cálculo del parámetro de Shields.
2. Realizar el cálculo del parámetro de Shields haciendo uso de la formulación adecuada a partir de los datos de oleaje y tamaño del sedimento seleccionado y definir el valor crítico para el transporte de sedimentos como flujo en lámina. 3. Definir las profundidades y el ancho de la franja de transporte permanente de
sedimentos como flujo en láminas a partir de las gráficas del parámetro de Shields, utilizando los perfiles de playa y un plano batimétrico, apoyándose en imágenes de Google Earth.
