PROPUESTA METODOLÓGICA PARA DIAGNOSTICAR Y PRONOSTICAR LAS CONSECUENCIAS DE LAS ACTUACIONES HUMANAS EN EL ESTUARIO DEL GUADALQUIVIR

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1 PROPUESTA METODOLÓGICA PARA DIAGNOSTICAR Y PRONOSTICAR LAS CONSECUENCIAS DE LAS ACTUACIONES HUMANAS EN EL ESTUARIO DEL GUADALQUIVIR Diciembre 2010 Capítulo 10: Morfodinámica de playa y desembocadura Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales (Centro Andaluz de Medio Ambiente Universidad de Granada) 1

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3 Antecedentes El 24 de Mayo de 2007 se firmó el contrato de adjudicación del procedimiento negociado sin publicidad entre la Autoridad Portuaria de Sevilla y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas para el estudio titulado PROPUESTA METODOLÓGICA PARA DIAGNOSTICAR Y PRONOSTICAR LAS CONSECUENCIAS DE LAS ACTUACIONES HUMANAS EN EL ESTUARIO DEL GUADALQUIVIR coordinado por D. Javier Ruiz Segura (Instituto de Ciencias Marinas de Andalucía Consejo Superior de Investigaciones Científicas) y D. Miguel Á. Losada (Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales Universidad de Granada). Con fecha 17 de enero de 2008, fueron firmados sendos Convenios de Colaboración entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y las Universidades de Granada y Córdoba para la participación del Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales y del Grupo de Dinámica Fluvial e Hidrología, respectivamente, en la realización del citado estudio Inscrito en dicho marco de colaboración se encuentra el presente Informe que describe la dinámica litoral en el entorno de la Flecha de Doñana, realizado por el Grupo de Investigación de Dinámica de Flujos Ambientales (GDFA). En este trabajo han participado por el GDFA David Navidad, Alejandro López, Inmaculada Oliver y la doctora Simona Bramato, actuando como ponente redactor el Dr. Miguel Ortega, y de director del trabajo el Prof. Miguel A. Losada. 3

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5 Índice Índice...1 Lista de Figuras... 6 Lista de Tablas Resumen Introducción Zona de estudio Sistema costero Doñana Flecha de Doñana Tramo de costa Tramo Tramo Batimetría de la desembocadura Sedimento Clima marítimo Borrascas Temporales Nivel del mar Marea astronómica Marea meteorológica Ejemplos de niveles máximos con temporales Variación a largo plazo del nivel medio del mar: variabilidad climática Oleaje Régimen medio en profundidades indefinidas Régimen medio del oleaje cerca de la costa Formulación del problema Motivación Cálculo de la tasa de transporte de sedimentos longitudinal Cota de inundación Metodología de cálculo Morfodinámica del tramo de costa Modelo de una línea Transporte de sedimentos en el modelo de una línea Aplicación al tramo de costa de la Flecha de Doñana Hipótesis básicas Condiciones de contorno Ondas de arena en la línea de costa Planteamiento de la formulación Tasas de transporte de sedimentos longitudinal Cota de inundación Selección de temporales Propagación del oleaje con el modelo SWAN Estimación de la cota de inundación Resultados Oleaje Distribuciones de probabilidad de CI Aplicación del modelo de una línea Propagación de oleaje (modelo Ref-Dif)

6 Implementación en la zona de estudio Implementación hasta la zona del perfil activo Implementación en la zona del perfil activo Cálculo de la rotura del oleaje Resultados y análisis Rotura del oleaje Transporte de sedimentos Evolución de la línea de costa durante un temporal Condición de contorno tipo Condición de contorno tipo Condición de contorno tipo Evolución de la punta de Doñana Aplicación de la formulación a playas curvilíneas. Error! Marcador no definido Aplicación de la formulación a puntas de flechas litorales Conclusiones Lista de Figuras Figura Situación del estuario del río Guadalquivir. Se incluyen las desembocaduras de los ríos Piedras, Tinto y Odiel y Guadalete-San Pedro Figura Estuario del Guadalquivir Figura Evolución de la línea de costa en el extremo de la flecha de Doñana. La imagen corresponde al año 2006, la línea verde representa la situación de la línea de costa según el vuelo de 2004 y el trazo en rojo al vuelo de Figura Zona de estudio para el análisis de la deriva litoral en la zona costera de la desembocadura del río Guadalquivir Figura Ejemplo de una playa con acantilados blandos en el tramo I Figura Batimetría de detalle de la desembocadura del río Guadalquivir Figura Disposición en planta de perfiles batimétricos de la desembocadura del Guadalquivir Figura Perfiles batimétricos en las proximidades de la desembocadura del río Guadalquivir Figura Distribución granulométrica del sedimento en la desembocadura. 20 Figura Borrasca Noratlántica tipo Figura Borrasca Suratlántica tipo Figura Borrasca Alisia tipo Figura Borrasca Mediterránea tipo Figura Niveles de referencia en la zona de estudio [fuente: atlas de inundación, MMA] Figura Armónicos de marea en el exterior de la desembocadura Figura Ubicación del punto WANA seleccionado para el estudio del clima marítimo Figura Rosa de oleaje en el punto WANA seleccionado Figura Rosa de viento en el punto WANA seleccionado Figura Rango de direcciones de procedencia del oleaje que mayoritariamente afectarán a la zona de estudio Figura Gráfico de dispersión en el punto WANA seleccionado

7 Figura Histograma de alturas de ola en el punto WANA seleccionado Figura Histograma de periodos en el punto WANA seleccionado Figura Histograma de direcciones en el punto WANA seleccionado Figura Configuración de las mallas para el tramo Figura Configuración de las mallas para el tramo Figura Ubicación de los puntos de control a lo largo de la Flecha de Doñana Figura Régimen de oleaje en el tramo de costa de la flecha de Doñana. Se incluye la rosa de oleaje en profundidades indefinidas Figura Líneas de costa de los años 1956 (verde) y 2002 (rojo) Figura Esquema de la metodología a seguir para la estimación de la cota de inundación Figura Esquema de las variables usadas para la definición de las ecuaciones del modelo de una línea Figura Esquema de definición de variables del modelo de una línea Figura Valor de la curvatura a lo largo de la línea de costa Figura Definición de los ejes de coordenadas para el modelo en la zona de estudio. En blanco: tramo de línea de costa a estudiar Figura Definición de ejes y variables para la nueva formulación de transporte de sedimentos Figura Definición de las variables θ(s,y), α(y) y ϕ(s) y del criterio de signos empleado Figura Puntos de control seleccionados para estimar el régimen medio en profundidades reducidas y la tasa de sedimentos longitudinal Figura Tasas de transporte de sedimentos longitudinal según la formulación del CERC (columna de la izquierda) y Bayran (columna de la derecha) en los diferentes puntos de control Figura Series temporales de los parámetros de estado durante el año Figura Estados de mar del temporal seleccionado (séptimo evento) Figura Datos de altura de ola significante y marea meteorológica para el temporal Figura Correlación entre la altura de ola significante y la marea meteorológica Figura Mallas empleadas para la aplicación del modelo SWAN en el Guadalquivir Figura Esquema gráfico de la zona de rompientes, runup total (R) y setup (S) Figura Altura de ola significante en las mallas de detalle (Estado de mar del 31/10/ h, Temporal del WSW) Figura Dirección media en las mallas de detalle (Estado de mar del 31/10/ h, Temporal del WSW) Figura Perfiles seleccionados en cada una de las mallas de detalle Figura Función de densidad de la Cota de Inundación respecto al NMMA del Temporal 63 en la zona Guadalquivir Figura Función de densidad de la Cota de Inundación respecto al NMMA del Temporal 63 en la zona Matalascañas Figura Función de densidad de la Cota de Inundación Total respecto al NMMA en la zona Guadalquivir

8 Figura Función de densidad de la Cota de Inundación Total respecto al NMMA en la zona Matalascañas Figura Función de distribución acumulada de la Cota de Inundación Total en la zona Guadalquivir Figura Función de distribución acumulada de la Cota de Inundación Total en la zona Matalascañas Figura Nivel que alcanza la cota de inundación calculada en la zona Matalascañas (gráficos superiores) y en la zona del Guadalquivir (gráficos inferiores) Figura Función de densidad de la longitud de playa inundada en la zona Matalascañas Figura Función de densidad de la longitud de playa inundada en la zona Guadalquivir Figura Función de distribución acumulada de la Longitud de playa inundada en la zona Matalascañas Figura Función de distribución acumulada de la Longitud de playa inundada en la zona Guadalquivir Figura Representación de las mallas definidas para el modelo Ref-Dif en la zona de estudio. Se ha incluido la ubicación del punto WANA, cuyos datos sirven de entrada al modelo, así como los diferentes instrumentos instalados en la zona de estudio en el marco del proyecto Figura Definición de las mallas usadas para la propagación hasta la zona de perfil activo Figura Batimetría real de la zona de estudio. El trazo blanco discontinuo los límites del dominio del modelo Figura Batimetría sintética de la zona de estudio creada para la propagación sobre la zona de perfil activo. El blanco discontinuo los límites del dominio del modelo Figura Ejemplo de perfil transversal de altura de ola para el cálculo del punto de rotura [estado de mar 10] Figura Ejemplo de altura de ola propagada sobre el perfil de equilibrio y línea de rotura (en negro) [estado de mar 10] Figura Altura de ola propagada y línea de rotura seleccionada para el estado de mar Figura Perfil de altura de ola, índice de rotura por profundidad y punto seleccionado en el perfil x=400m para el estado de mar Figura Altura de ola propagada y línea de rotura seleccionada para el estado de mar Figura Perfil de altura de ola, índice de rotura por profundidad y punto seleccionado en el perfil x=4375m para el estado de mar Figura Perfil de altura de ola, índice de rotura por profundidad y punto seleccionado en el perfil x=2275m para el estado de mar Figura Altura de ola propagada y línea de rotura seleccionada para el estado de mar Figura Altura de ola propagada y línea de rotura para el estado de mar 16 calculada con índice de rotura γ= Figura Transporte longitudinal de sedimentos, ángulo de rotura y línea de costa para el estado de mar 1 (Hs=3m, dirección 227º [240º = incidencia normal])

9 Figura Transporte longitudinal de sedimentos, ángulo de rotura y línea de costa para el estado de mar 16 (Hs=4.3m, dirección 240º [240º = incidencia normal]) Figura Transporte longitudinal de sedimentos, ángulo de rotura y línea de costa para el estado de mar 22 (Hs=2.8m, dirección 262º [240º = incidencia normal]) Figura Comparación del transporte longitudinal de sedimentos entre las tres condiciones de contorno y línea de costa para el estado de mar 22 (Hs=2.8m, dirección 262º [240º = incidencia normal]) Figura Comparación del transporte longitudinal de sedimentos entre las tres condiciones de contorno y línea de costa para el estado de mar 16 (Hs=4.3m, dirección 240º [240º = incidencia normal]) Figura Comparación del transporte longitudinal de sedimentos entre las tres condiciones de contorno y línea de costa para el estado de mar 16 (Hs=4.3m, dirección 240º [240º = incidencia normal]) Figura Línea de costa y avance de playa tras la simulación de los estados de mar seleccionados con la condición de contorno tipo Figura Línea de costa en la zona cercana a la desembocadura tras la simulación de los estados de mar seleccionados con la condición de contorno tipo Figura Línea de costa y avance de playa tras la simulación de los estados de mar seleccionados con la condición de contorno tipo Figura Línea de costa en la zona cercana a la desembocadura tras la simulación de los estados de mar seleccionados con la condición de contorno tipo Figura Línea de costa en la zona cercana a la desembocadura tras la simulación del estado de mar 10 con la condición de contorno tipo Figura Línea de costa en la zona cercana a la desembocadura tras la simulación del estado de mar 10 con la condición de contorno tipo 2 mixta Figura Línea de costa y avance de playa tras la simulación de los estados de mar seleccionados con la condición de contorno tipo 2 mixta Figura Línea de costa en la zona cercana a la desembocadura tras la simulación del estado de mar 10 con la condición de contorno tipo 2 mixta Figura Línea de costa y avance de playa tras la simulación de los estados de mar seleccionados con la condición de contorno tipo Figura Línea de costa en la zona cercana a la desembocadura tras la simulación de los estados de mar seleccionados con la condición de contorno tipo Figura Estudio del transporte en una playa curvilínea (caso 1). Arriba: transporte longitudinal (azul) y dq/ds (verde). Centro: anchura de la zona de rompientes (azul) y forma de la línea de costa (verde). Abajo: transporte longitudinal total (azul), P 1 (b) (rojo) y P 2 (b) (verde). Líneas discontinuas: separación entre zonas de erosión (E) y sedimentación (S). Error! Marcador no definido. Figura Estudio del transporte en una playa curvilínea (caso 2). Arriba: transporte longitudinal (azul) y dq/ds (verde). Centro: anchura de la zona de rompientes (azul) y forma de la línea de costa (verde). Abajo: transporte longitudinal total (azul), P 1 (b) (rojo) y P 2 (b) (verde). Líneas discontinuas: separación entre zonas de erosión (E) y sedimentación (S). Error! Marcador no definido. 9

10 Figura Estudio del transporte en una flecha litoral con la punta circular. Arriba: transporte longitudinal (azul) y dq/ds (verde). Abajo: anchura de la zona de rompientes (azul), forma original de la línea de costa (negro) y forma final de la línea de costa (trazo discontinuo) Figura Estudio del transporte en una flecha litoral la punta elíptica. Arriba: transporte longitudinal (azul) y dq/ds (verde). Abajo: anchura de la zona de rompientes (azul), forma original de la línea de costa (negro) y forma final de la línea de costa (trazo discontinuo) Figura Estudio del transporte en una flecha litoral la punta elíptica. Arriba: transporte longitudinal (azul) y dq/ds (verde). Abajo: anchura de la zona de rompientes (azul), forma original de la línea de costa (negro) y forma final de la línea de costa (trazo discontinuo) Lista de Tablas Tabla 1. Principales características de los temporales que inciden sobre la zona de estudio Tabla 2. Armónicos de marea en el mareógrafo de bonanza (situado en el interior de la entrada al cauce) Tabla 3. Efecto de la borrasca en la variación del nivel del mar Tabla 4. Niveles máximos con temporal Tabla 5. Casos a propagar para la obtención del régimen medio Tabla 6. Casos a propagar definidos para las simulaciones del modelo de una línea [los ángulos se miden en sentido horario desde el Norte=0º]

11 Resumen La flecha de Doñana y el tramo de costa colindante (limitado al Norte por la desembocadura de los ríos Odiel y Tinto y al Sur por la desembocadura del río Guadalquivir) constituyen uno de los principales componentes del estuario del río Guadalquivir. Este entorno se encuentra forzado como agente principal por el oleaje, si bien su interacción con la marea, las descargas fluviales o el viento tiene gran influencia en el comportamiento morfodinámico de la zona. El oleaje predominante, procedente del sector W, tiene capacidad para erosionar el sedimento existente en los acantilados blandos y las playas de arena del entorno y transportarlo hacia la desembocadura. Cuando la deriva litoral alcanza la desembocadura, la corriente longitudinal cesa y el sedimento se deposita produciendo el avance de la flecha de Doñana y la punta de Malandar. Este efecto se ve contrarrestado por la acción de la marea y las descargas fluviales; cuando tienen la suficiente magnitud son capaces de limpiar la desembocadura e impedir el crecimiento de la flecha hacia el interior. Sin embargo, la reducción de ambos agentes por las acciones humanas que se ha producido durante la segunda mitad de siglo ha permitido el crecimiento hacia el interior de la flecha, con la consiguiente pérdida de anchura en la embocadura. En este informe se estudia la dinámica marina que actúa sobre el tramo de costa de Doñana. Se caracteriza el régimen medio y extremal del oleaje y se evalúan las tasas de transporte de sedimentos longitudinal responsables del crecimiento de la flecha. Se ha caracterizado y cuantificado la cota de inundación del litoral y se ha desarrollado e implementado un modelo de una línea que permite el estudio a largo plazo de la evolución de la línea de costa. Finalmente, se presenta una mejora de las formulaciones de transporte de sedimentos habituales para modelar el crecimiento de las ondas de arena en la flecha de Doñana Introducción El río Guadalquivir, por sus dimensiones, morfología y agentes que lo fuerzan, constituye un entorno único cuya correcta modelización resulta ser una tarea de gran complejidad. En el marco del presente proyecto se está avanzando de forma sólida y consistente para implementar un modelo que permita conocer la respuesta en tiempo real del entorno frente a cambios en los forzamientos, tanto naturales como artificiales. La dinámica tanto del tramo final del río Guadalquivir como de la desembocadura se encuentran en gran medida controlados por los agentes marinos y, especialmente, por el oleaje y la marea. La influencia de la marea ha sido analizada en el Capítulo 3 de la Parte I, por lo que este Capítulo se centra en el estudio del clima marítimo exterior debido al oleaje y su propagación e interacción con la costa. Cuando el oleaje se acerca a la costa, se asomera hasta que finalmente colapsa y rompe. Asociada a la rotura se produce, según la alineación relativa entre el oleaje y la línea de costa en cada punto, una circulación de agua longitudinal y transversal. Bajo ciertas condiciones, dicha circulación es capaz de movilizar sedimento y producir cambios morfológicos tanto en la planta como en el perfil de la costa. Asimismo, bajo condiciones energéticas extremas (tormentas) el oleaje es capaz de alcanzar las partes altas del perfil (cota de inundación). Sobre el tramo de costa de Doñana los oleajes predominantes proceden del sector W y generan una deriva litoral con capacidad de transportar sedimento hacia la desembocadura. Al llegar a ella, cesa su capacidad de transporte y el sedimento se deposita, siendo éste el mecanismo fundamental que produce el crecimiento de la flecha de Doñana. El sedimento procede tanto de la desembocadura de los ríos Odiel y Tinto como de las playas y acantilados blandos del entorno. El proceso de depósito y su evolución espacial y temporal dependen de la interacción entre los agentes oleaje, marea y descargas fluviales en el entorno de la desembocadura. 11

12 La pérdida de prisma de marea durante las últimas décadas, junto con la regulación de las descargas fluviales, ha reducido la capacidad de limpieza de la desembocadura, lo que ha derivado en un crecimiento de la flecha hacia el interior de la desembocadura y una reducción de la sección útil. Teniendo en cuenta lo anterior, una gestión adecuada del estuario requiere conocer y evaluar los diferentes procesos responsables de la evolución morfodinámica del tramo de costa. Este capítulo se centra en caracterizar el clima marítimo asociado al oleaje, estimar la capacidad potencial de transporte de sedimentos, calcular la cota de inundación en condiciones de temporal e implementar y aplicar un modelo de una línea para el estudio de la línea de costa en la zona de estudio. Finalmente, se analizan las ondas de arena presentes en la punta de la flecha de Doñana y cómo este conocimiento puede ser aplicado para mejorar la gestión del entorno Zona de estudio Sistema costero Doñana El sistema costero de Doñana se encuentra limitado al Oeste por la desembocadura de los ríos Odiel y Tinto y al Este por los acantilados de Chipiona. Es un sistema dinámico influenciado tanto por la desembocadura del Guadalquivir como por los agentes viento, marea, oleaje, corrientes, descargas fluviales y sus interacciones. En la actualidad la costa define, por el lado del mar, el límite del Espacio Natural Doñana. Sin embargo, los procesos morfodinámicos y el desarrollo de los ecosistemas estuarinos y de la plataforma continental están íntimamente vinculados, de tal forma que sin el conocimiento de unos no es posible conocer la evolución del otro y, por tanto, gestionar adecuadamente el espacio Natural (Figura 10.1). Las actividades humanas que se realizan en el entorno repercuten directamente en el sistema litoral. La actividad náutica, tanto comercial como de recreo, condiciona la evolución morfológica y sedimentológica del estuario, así como la calidad de sus aguas, repercutiendo negativamente en la dinámica. Lo mismo sucede con las operaciones de dragado que se realizan para mantener los dos canales navegables que existen en la desembocadura, uno de los cuales está confinado por la flecha del espacio natural Doñana y que lleva a episodios de considerable turbidez y variabilidad de la salinidad, además de repercutir en los volúmenes de sedimentos, materia orgánica y compuestos nitrogenados exportados a toda la plataforma continental del golfo de Cádiz. Además, no se debe olvidar la exposición de la zona a los elevados riesgos de marea negra, debido al intenso tráfico de petroleros en las costas de Cádiz que pueden afectar a las costas de Huelva y en particular a las del espacio natural Doñana. 12

13 Figura Situación del estuario del río Guadalquivir. Se incluyen las desembocaduras de los ríos Piedras, Tinto y Odiel y Guadalete-San Pedro. El estuario del Guadalquivir se puede dividir en tres sistemas morfodinámicos distintos: litoral, estuarino y eólico (Figura 10.2). El litoral está formado por los distintos cordones litorales y la barrera arenosa que se prolonga hasta la punta de Malandar, cuyo crecimiento afecta a la estabilidad morfológica de la desembocadura. El sistema estuarino comprende la gran extensión tras la barrera/flecha litoral formado por marismas limoso-arcillosas. Por último, en el sistema eólico se encontrarían los cordones dunares. De todos estos en este informe se atiende principalmente a la evolución de la flecha litoral y los procesos hidrodinámicos y morfológicos que se producen en su entorno, y que son responsables tanto de su evolución como del tramo de costa colindante. 13

14 Figura Estuario del Guadalquivir Flecha de Doñana La flecha se encuentra en la margen derecha del estuario (Figura 10.2), y según la información disponible ha tenido una tendencia progradante hacia el E-SE intercalada por periodos erosivos que continua en la actualidad, y cuya formación comenzó de forma intensa tras la subida y estabilización del nivel del mar después de la última glaciación. A partir de entonces, el oleaje y la deriva litoral asociada, la marea y el viento pasaron a dominar el comportamiento de la flecha. El clima marítimo medio en profundidades indefinidas muestra como la dirección principal de aproximación del oleaje a costa es WNW, aunque también existe oleaje de gran contenido energético proveniente del cuadrante SW. Pese a que la refracción va reduciendo la oblicuidad del oleaje conforme se acerca a la costa, se mostrará posteriormente que ésta sigue siendo suficiente para favorecer un transporte longitudinal de sedimentos en dirección NE-SE, principal causante de la progradación de la flecha litoral de Doñana. En la actualidad los mayores cambios en la morfología de la flecha se producen en el entorno conocido como punta de Malandar, situado en la desembocadura, que ha sufrido erosión en la zona central y deposición en los dos extremos, en el lado expuesto hacia el mar y hacia dentro del cauce en el otro extremo (Figura 10.3). 14

15 Figura Evolución de la línea de costa en el extremo de la flecha de Doñana. La imagen corresponde al año 2006, la línea verde representa la situación de la línea de costa según el vuelo de 2004 y el trazo en rojo al vuelo de Entre el trazo rojo que marca la línea de costa en 1956 y la imagen, que corresponde a 2006, se ha favorecido la sedimentación y acreción, formando 441 metros de playa nueva en la cara expuesta en 10 años y 496 m aproximadamente en la zona con forma de delta. Este último crecimiento ha supuesto una reducción de la anchura del cauce en este punto del 50% (de 1042 metros a 531). Se aprecia que tanto la línea de costa de 1956 como la de 2004 presentan suaves ondulaciones con espaciamientos del orden de centenares de metros, que se conocen como ondas de arena. Como se mostrará posteriormente, este tipo de morfologías se asocian a transiciones de tramos de costa rectos a curvos debido a los procesos de transformación del oleaje Tramo de costa Según la evolución que ha sufrido la desembocadura del Guadalquivir durante los últimos siglos, el tramo de costa al Norte de la desembocadura está sufriendo un intenso transporte longitudinal. Dicho tramo de costa se encuentra limitado al Norte por la ría de Huelva, y al Sur por la propia desembocadura del Guadalquivir (Figura 10.4). El tramo de costa es rectilíneo, presentando una curvatura suave y hacia el mar conforme nos aproximamos a la desembocadura, tiene una alineación media casi NW-SE y una longitud próxima a los 53kms. La configuración de la costa al sur de la desembocadura hace que esta zona no tenga que ser considerada para el estudio del transporte de sedimentos longitudinal. A su vez, la zona se puede dividir en dos tramos tal y como se recoge en la Figura 10.4 y que se describen a continuación. 15

16 Figura Zona de estudio para el análisis de la deriva litoral en la zona costera de la desembocadura del río Guadalquivir Tramo 1 El tramo 1 (Figura 10.4), con una extensión próxima a los 30kms y una alineación media NW- SE, se encuentra limitada por la desembocadura de la ría de Huelva (al norte) y por la población de Matalascañas (al sur). Desde un punto de vista morfológico, si se analiza la sección transversal de un perfil de playa se observa la presencia de acantilados blandos (Figura 10.5) con cárcavas y superficies de deslizamiento, y zonas de dunas con distintos nivel de vegetación en la zona de playa seca; la línea de costa suele mostrar morfologías rítmicas de distintas dimensiones y características; el nivel de ocupación humana es bajo a excepción de los extremos, de forma que la acción continuada de los agentes marítimos sobre el tramo de costa puede erosionar sedimento. Las playas tienen, como media, perfiles disipativos caracterizados por suaves pendientes (1/80), sedimento fino-medio (D 50 aprox. 0.2mm) y zonas de rompientes de gran anchura. 16

17 Figura Ejemplo de una playa con acantilados blandos en el tramo I. Diferentes trabajos previos han puesto de manifiesto la intensa erosión del tramo de costa, sobre todo de la zona de acantilados blandos. En concreto, las estimaciones hablan de un retroceso de 170m en los últimos 240 años. El sedimento que ha sido erosionado en esta zona ha sido transportado hacia la zona de la desembocadura, lo que ha ido produciendo un avance de la misma de unos 180m durante el mismo periodo, así como una traslación del punto neutro que separaba erosión de sedimentación hacia el este Tramo 2 Este tramo de costa es lo que comúnmente se denomina flecha de Doñana, es decir, el sistema litoral que comenzó tras el último periodo de glaciación, y que alcanzó una configuración que a grandes rasgos se puede considerar similar a la actual al comienzo de nuestra era. Es, por tanto, la zona en la que se ha producido un mayor nivel deposicional debido tanto a aportes fluviales como marítimos. Dado que en la actualidad los aportes fluviales están muy regulados (durante las últimas décadas las regulaciones fluviales han hecho que el flujo medio del río se haya reducido de 5000 a 2000m 3 /s), el crecimiento o avance de la flecha se debe fundamentalmente al transporte de sedimentos longitudinal Batimetría de la desembocadura En la Figura 10.6 se muestra una batimetría de detalle de la zona de la desembocadura, que se utilizará para obtener aquellos parámetros necesarios para el análisis de la evolución de la línea de costa. Cabe destacar los siguientes aspectos: Se observa que la mayor complejidad batimétrica se presenta en la zona de la desembocadura, debido a la presencia de bajos y al canal de navegación. Igualmente, resulta compleja la zona del bajo de Salmedina, aunque está alejada de la desembocadura. El tramo de costa frente a la flecha de Doñana es más regular, con pendientes suaves y en general sin presencia de barras. 17

18 Figura Batimetría de detalle de la desembocadura del río Guadalquivir. Se han representado diferentes perfiles de playa a lo largo de la punta de Doñana (Figura 10.7). Se aprecia que los perfiles son cóncavos y hacia arriba (Figura 10.8), sin presencia de barras y que puede ser divididos, de forma aproximada, en dos tramos: (1) el primer tramo llega desde la zona de la costa hasta la profundidad de entre 4 y 5m, momento en el que se produce un suave cambio en su curvatura y la pendiente se hace más suave; (2) el segundo tramo considerado llega hasta una profundidad próxima a los 10m (profundidad de cierre). Aproximando que el transporte de sedimentos longitudinal se producirá, de forma predominante, en el primer tramo, la pendiente toma unos valores de entre 1/100 y 1/200. Los valores son muy bajos y característicos de playas disipativas en las que es de esperar que predomine la rotura en decrestamiento, con números de Iribarren inferiores a 0.5. Dadas las características anteriores, es de esperar que las corrientes que se desarrollen sean intensas y ocupen una amplia parte de la zona de rompientes. 18

19 Figura Disposición en planta de perfiles batimétricos de la desembocadura del Guadalquivir Figura Perfiles batimétricos en las proximidades de la desembocadura del río Guadalquivir. 19

20 Sedimento La Figura 10.9 muestra la distribución espacial del tamaño D 50 del sedimento en la desembocadura. En particular, en la zona de playa sobre la que se quiere estudiar el transporte de sedimentos los tamaños se mueven en el entorno de D 50 = mm. Se trata de una arena fina que, nuevamente, facilitará por su tamaño tasas elevadas de transporte de sedimento. Figura Distribución granulométrica del sedimento en la desembocadura Clima marítimo El oleaje es el principal agente modelador en tramos de costa arenosos. Tanto su contenido energético como su oblicuidad respecto a la costa controlan las tasas de transporte de sedimentos longitudinal (deriva litoral). Su gradiente permite identificar las zonas con tendencia al retroceso o a la sedimentación. El término clima marítimo hace referencia a la caracterización del oleaje en la zona de estudio, dentro del cual se diferencia el régimen medio (comportamiento medio del oleaje en la costa) del régimen extremal (comportamiento extremo del oleaje). A su vez, dado que las características del oleaje varían durante su propagación desde aguas profundas hasta aguas someras, es necesario estudiar el clima según la profundidad relativa considerada. En particular, para estimar el transporte de sedimentos longitudinal en la costa es necesario caracterizar el clima marítimo medio en la zona de rompientes, así como analizar el régimen de temporales y su posible influencia sobre la morfología costera. Los mayores cambios en la línea de costa se producen durante los temporales asociados al paso de una borrasca, cuyos efectos principales son inducir un campo de viento y un gradiente de presiones sobre la masa de agua. Ambos procesos implican la generación de un oleaje de gran contenido energético, así como una sobreelevación del nivel medio cerca de la costa. Por ello, la siguiente sección se estructura caracterizando en primer lugar las borrascas, posteriormente los temporales y finalmente las variaciones de nivel, el oleaje y el viento que generan. 20

21 Borrascas Se distinguen 4 tipos principales de borrascas que afectan a la zona de estudio, y que por que por su dirección de entrada sobre la Península se clasifican, desde norte a sur y desde oeste a este, en: 1. Noratlántica 2. Sudatlántica 3. Alisia 4. Mediterránea Las borrascas Noratlánticas se caracterizan por ser episodios muy importantes que se desarrollan en el atlántico norte, entre 40N y 60N aproximadamente. Son borrascas bastante profundas, que suelen durar desde 4 o 5 días hasta 2 semanas, y que normalmente se desplazan de oeste a este. Pueden aparecer en cualquier época del año, aunque más frecuentemente se presentan en otoño y primavera, y suelen llevar asociados eventos de precipitación homogéneos. Figura Borrasca Noratlántica tipo. Las borrascas sudatlánticas se desarrollan en el atlántico norte, entre 30N y 50N aproximadamente. Son borrascas muy variables, que suelen durar varios días y que, normalmente, se desplazan de oeste a este. Aparecen en cualquier época del año, y se caracterizan porque desplazan hacia la Península la masa de aire conocida como tropical marítimo. Las borrascas sudatlánticas son las que más frecuentemente afectan al sur de la Península. Los eventos de precipitación característicos de estas borrascas pueden tener una intensidad y duración muy variables, si lo habitual es que tengan una duración media, de 3 a 4 días, y una intensidad moderada. Se presentan más frecuentemente en invierno, por encontrarse el Frente Polar en sus latitudes más bajas, con una dirección predominante del viento Sur-Suroeste. 21

22 Figura Borrasca Suratlántica tipo. Las borrascas alisias se desarrollan en las costas occidentales de África. En general, se considera que estas borrascas se originan por el contacto entre el aire tropical continental sahariano y el aire tropical marítimo de Azores, o, como una discontinuidad entre el aire tropical continental sahariano y el aire polar marítimo. Los eventos de precipitación asociados a estas borrascas son parecidos a los generados por las sudatlánticas, pero suelen ser más cortos y menos intensos. En verano, pueden dar lugar a nubes de desarrollo vertical, un elevado nivel de condensación y, por ello, escasa precipitación aunque sean inestables. Cuando el aire polar marítimo interviene, en invierno, da lugar a fuertes lluvias y grandes avenidas de los ríos y ramblas de la Andalucía atlántica. De forma más excepcional, se hace sentir en la Andalucía oriental y, en todo caso, confundiéndose con un régimen de tormentas de componente sur. Figura Borrasca Alisia tipo. Finalmente, las borrascas Mediterráneas se generan en la zona comprendida entre el Mar de Alborán y el norte de África. Son especialmente habituales en otoño y primavera y corresponden a una entrada de aire frío procedente del atlántico o norte de Europa, que inunda la Península, provocando un descenso considerable de las temperaturas. Los eventos de precipitación asociados a estas borrascas se caracterizan por tener una duración media de 2 a 4 días, una precipitación total no elevada, y una intensidad muy variable. La elevada variación en la intensidad, tanto espacial como temporal, se debe a la proximidad del centro de la borrasca a la 22

23 cuenca. Esta proximidad se traduce en una gran interacción con la topografía, siendo habitual la aparición de acusados gradientes de intensidad de precipitación. Figura Borrasca Mediterránea tipo. Las borrascas tienen como efectos principales la generación de viento y gradiente de presiones que, a su vez, inducen fuerte oleajes y sobreelevaciones de nivel por marea meteorológica cerca de la costa Temporales Asociado al paso de una borrasca se producen temporales que implican un forzamiento extremo por viento, gradientes de presión y oleaje. Considerando el oleaje, una tormenta se suele definir como una secuencia continua de valores de altura de ola (habitualmente altura de ola significante) que sobrepasan un cierto valor umbral (Hu) y que tienen una cierta duración mínima. Se considera que dos temporales consecutivos son no dependientes entre sí cuando entre ellos transcurre un cierto intervalo de tiempo. Todos estos valores representativos dependen de la zona de estudio que se considere. Para la zona de estudio se han fijado como valores representativos: Hs = 2m Duración mínima = 24h Intervalo de tiempo entre temporales = 36h Se han identificado los temporales que han tenido lugar en la zona de estudio entre los años 1996 y 2009 a partir de los datos procedentes del punto WANA y que proporciona (entre otros) los datos de altura de ola significante espectral, periodo de pico y dirección media de incidencia del oleaje. A continuación se recogen los datos más característicos de dichos temporales: 23

24 Número de Temporales 79 Número de Temporales del W 55 Número de Temporales del E 24 Altura de ola significante máxima de los temporales (H s,max ) 9,2m H s,max (temporales del W) 9,2m H s,max (temporales del E) 4,8m Altura de ola media de los temporales 3,8m H s,m (temporales del W) 4,0m H s,m (temporales del E) 3,2m Periodo de pico máximo de los temporales 21,8s Periodo de pico máximo (temporales del W) 21,8s Periodo de pico máximo (temporales del E) 16,4s Periodo de pico medio 11,7s Periodo de pico medio (temporales del W) 12,7s Periodo de pico medio (temporales del E) 9,4s Dirección media (temporales del W) Dirección media (temporales del E) Velocidad máxima del viento Velocidad media del viento Dirección media del viento (temporales del W) Dirección media del viento (temporales del E) 217 º (SW 8ºSSW) 121 º (SE 14ºESE) 22,6 m/s 14,8 m/s 256 º (SW 14ºWSW) 103 º(SE 13ºESE) Tabla 1. Principales características de los temporales que inciden sobre la zona de estudio Estos temporales, además de suponer un forzamiento de gran contenido energético sobre la costa, producen unas sobreelevaciones de nivel cuyos órdenes de magnitud se exponen en la siguiente sección Nivel del mar Marea astronómica Los niveles de referencia que habitualmente se emplean en la zona son: 24

25 Figura Niveles de referencia en la zona de estudio [fuente: atlas de inundación, MMA] Los valores habituales de la marea astronómica suelen variar entre 1.5 y 3m, característicos de un rango mesomareal. Los armónicos de marea en el mareógrafo de Bonanza se muestran en la siguiente tabla: Constituyente Amplitud (m) Fase (g) O K N M S K Tabla 2. Armónicos de marea en el mareógrafo de bonanza (situado en el interior de la entrada al cauce). A partir de los datos de la instrumentación que se encuentra situada en aguas abiertas en el marco del presente proyecto, se ha realizado el análisis de los armónicos de marea hasta con objeto de obtener una información complementaria a la anterior (véanse informes de la Parte I). Figura Armónicos de marea en el exterior de la desembocadura. Los valores medios que se obtienen en el exterior de la desembocadura son similares a los medidos en el mareógrafo de Bonanza. 25

26 Marea meteorológica Los fenómenos de la dinámica atmosférica que producen sobreelevaciones de nivel son el viento y las variaciones de presión. La acción continuada del viento sobre la lámina de agua del mar puede provocar el arrastre de la misma. Si este arrastre se produce en la dirección de la playa, el agua se acumula en ésta, produciendo un ascenso del nivel medio del mar. Esta elevación del nivel medio depende de la intensidad del viento, trayectoria, duración, forma de la costa, configuración, rugosidad del fondo, etc. Una forma simplificada de estas expresiones se obtiene promediando verticalmente todas las ecuaciones que gobiernan el proceso, resultando: ηv ( τs + τb) = x ρgh Donde η v es la sobre elevación debida al viento, es la tensión tangencial debida al viento, es la tensión tangencial debida a fricción con el fondo, g es la aceleración de la gravedad y H es la profundidad. La integración de la ecuación anterior en el supuesto de profundidad variable linealmente y expresando las tensiones tangenciales en función de la velocidad del viento arroja como resultado: 2 kw x h0 η = ln gh ( 0 + η) η Donde η es la sobre elevación en la línea de costa, k es un coeficiente con valor 3.3*10-6, w es la velocidad del viento (m/s), h 0 es el calado en el que se inicia la sobre elevación debida al viento y x es la distancia horizontal entre h 0 y la línea de costa. En relación con la presión atmosférica, sus oscilaciones son uno de los factores constantes de variación del nivel del mar. Una disminución de la presión atmosférica sobre la superficie del mar se verá acompañada por un aumento en el nivel de éste. Una forma de estimar dicha variación motivada por la presencia de una borrasca es la siguiente: ( R r) r Svp = 9.85( pn p0) 1 e donde S vp es la variación del nivel medio en metro, p n es la presión en la periferia de la borrasca en bares, p 0 es la presión en el centro de la borrasca en bares, R es el radio de la borrasca y r es la distancia del punto de medida al centro de la borrasca. Así, por ejemplo, considerando una borrasca de las siguientes características: p 0 = 0.97 bar p n = bar R = 1000 km Con lo que, para diferentes valores de r, obtenemos: r (km) S vp (m) Tabla 3. Efecto de la borrasca en la variación del nivel del mar Ejemplos de niveles máximos con temporales En la actualidad no se disponen de datos de sobreelevaciones en la zona de playa, pero sí se cuenta con los registros máximos del mareógrafo de Bonanza desde que se encuentra instalado. Sus registros han llegado a medir un valor máximo de 3.86m el 22 de Enero de 1996, coincidiendo con el paso de una borrasca que generó una tormenta con alturas de ola de 5m. Sobre la costa, teniendo en cuenta el efecto del run-up, del set-up y de la marea meteorológica, la cota de ascenso de la lámina de agua pudo llegar a ser superior a los 6-7m. 26

27 Año Máximo Fecha Mínimo Fecha Sep Ago Oct Ene Feb Ene Dic Ene Ene Feb Sep Feb Ene Feb Oct Feb Ago Dic Ene Feb Oct Feb Oct Dic May Mar Tabla 4. Niveles máximos con temporal Variación a largo plazo del nivel medio del mar: variabilidad climática La tierra sufre ciclos climáticos periódicos de calentamiento y enfriamiento asociados a la variabilidad climática. El momento actual se sitúa dentro de un periodo de calentamiento que comenzó a mediados del siglo pasado y que se espera alcanza su máximo alrededor del , por lo que en la actualidad el nivel del mar se encuentra en ascenso. Los restos arqueológicos que se han encontrado en las costas españolas (especialmente la zona atlántica) han puesto de manifiesto que durante épocas pasadas el nivel del mar llegó a estar entre 2-3m por encima del actual. Si la secuencia se repite, las estimaciones indican que para el 2050 en la zona de estudio el nivel del mar se encontrará aproximadamente 0.5m por encima del actual. Ello supondrá que: - El nivel de referencia o de base sobre el que actúa el oleaje subirá, modificando la morfodinámica de la zona. - La cota de inundación se incrementará inundando zonas que hasta ahora estaban protegidas y erosionando en mayor medida la parte alta del perfil Oleaje Régimen medio en profundidades indefinidas Para la estimación del régimen medio, tanto en profundidades indefinidas como en el emplazamiento se ha seleccionado el punto WANA (Puertos del Estado), que se encuentra ubicado en el Golfo de Cádiz frente a la zona de estudio (Figura 10.16). El punto seleccionado contiene datos de oleaje desde el año 1995 al

28 Figura Ubicación del punto WANA seleccionado para el estudio del clima marítimo La Figura muestra una rosa de oleaje en la que se aprecian las direcciones predominantes de procedencia (tanto por su frecuencia como por las máximas alturas de ola que se producen). La Figura muestra una rosa de viento. Se aprecia que la dirección predominante de procedencia del oleaje es del W, seguida de cerca del WNW y, en menor medida, del WSW. Se trata, en general, de oleajes generados en el atlántico que se han propagado hasta la zona de estudio. Debido a la refracción el oleaje reduce su oblicuidad al acercarse a la costa, aunque dado que la línea de costa no es completamente rectilínea, en menor o mayor medida existirá una oblicuidad que posibilitará la existencia de corrientes longitudinales. Figura Rosa de oleaje en el punto WANA seleccionado. 28

29 Figura Rosa de viento en el punto WANA seleccionado. Dada la alineación de la costa respecto a los oleajes predominantes en la zona, hay un abanico de direcciones que no afectarán a la dinámica de la costa (Figura 10.19). Figura Rango de direcciones de procedencia del oleaje que mayoritariamente afectarán a la zona de estudio. Los gráficos de dispersión (Figura 10.20) muestran que los periodos del oleaje presentan una mayor variabilidad, siendo los predominantes los que se sitúan entre los 4 y los 16s (estando los primeros en general relacionados con oleajes generados localmente con bajos contenidos energéticos). 29

30 Figura Gráfico de dispersión en el punto WANA seleccionado. De forma más precisa, el análisis del clima marítimo medio proporciona las frecuencias de presentación que se muestran en los siguientes histogramas. Figura Histograma de alturas de ola en el punto WANA seleccionado. Figura Histograma de periodos en el punto WANA seleccionado. 30

31 Figura Histograma de direcciones en el punto WANA seleccionado Régimen medio del oleaje cerca de la costa El oleaje, durante su propagación desde profundidades indefinidas hacia la costa, sufre diferentes procesos de transformación (refracción, difracción, disipación, asomeramiento y rotura) que modifican sus características (altura de ola y dirección de incidencia, principalmente). Ello hace que el régimen de oleaje cerca de la costa sea diferente al existente en profundidades indefinidas. En este apartado se realiza la propagación del régimen medio del oleaje en profundidades indefinidas hasta diferentes puntos de control cerca de la costa. Para la propagación del oleaje se ha utilizado el modelo Ref-Dif. El modelo necesita para el cálculo la definición de los dominios de cálculo. Para cubrir la extensión de la zona de estudio (los tramos 1 y 2 superan los 50kms) ha sido necesario definir dos juegos de mallas, uno para cada tramo. Se han comenzado las propagaciones de oleaje en las proximidades del punto WANA, a una profundidad próxima a los 100m, sirviendo así éstos como datos de entrada para dichas propagaciones. Las ubicaciones y características aproximadas de las mallas se recogen en la Figura y Figura Para cada uno de los tramos ha sido necesario emplear dos juegos de mallas con orientaciones diferentes con objeto de satisfacer los requerimientos del modelo. Haciendo uso del clima marítimo en el punto WANA, se ha elaborado una lista de casos (Tabla 5) a propagar que permita analizar de forma precia el clima marítimo medio. Para ello se han usado los histogramas de frecuencias del régimen medio que proporcionan la probabilidad de ocurrencia de las Hs (altura de ola significante), Tp (periodo de pico) y dirección. 31

32 Figura Configuración de las mallas para el tramo 1. Figura Configuración de las mallas para el tramo 2. 32

33 Caso Dirección Hs (m) Tp (s) 00,01,02,03,04,05,06,07 WNW 1 5,7,9,11,13,15,17,19 08,09,010,11,12,13,14,15 WNW 2 5,7,9,11,13,15,17,19 16,17 WNW 3 7,11 18,19 WNW 4 7,11 20,21,22,23,24,25,26,27 W 1 5,7,9,11,13,15,17,19 28,29,30,31,32,33,34,35 W 2 5,7,9,11,13,15,17,19 36,37,38,39,40,41,42 W 3 7,9,11,13,15,17,19 43,44,45,46,47,48,49 W 4 7,9,11,13,15,17,19 50,51,52 W 5 11,15,19 53,54 W 6 11,19 55,56,57,58,59,60,61,62 WSW 1 5,7,9,11,13,15,17,19 63,64,65,66,67,68,69,70 WSW 2 5,7,9,11,13,15,17,19 71,72,73,74,75,76 WSW 3 7,9,11,13,15,19 77,78,79,80,81,82 WSW 4 7,9,11,73,15,19 83,74,85,86 WSW 5 9,11,13,15 87,88,89,90 WSW 6 9,11,13,15 91,92,93 WSW 7 11,13,19 94,95,96,97,98,99,A0,A1 SW 1 5,7,9,11,13,15,17,19 A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9 SW 2 5,7,9,11,13,15,17,19 B0,B1,B2,B3,B4,B5,B6 SW 3 7,9,11,13,15,17,19 B7,B8,B9,C0,C1,C2,C3, SW 4 7,9,11,13,15,17,19 C4,C5,C6,C7 SW 5 9,11,13,15 C8,C9,D0,D1 SW 6 9,11,13,15 D2,D3,D4 SW 7 11,13,9 Tabla 5. Casos a propagar para la obtención del régimen medio. Una vez calculadas las propagaciones, para obtener el régimen de oleaje en la costa se han escogido una serie de puntos de control en cada una de las mallas de detalle, de los que se van a extraer los datos necesarios para la interpolación y reconstrucción del régimen medio. El resultado final es la obtención de las distribuciones conjuntas de altura de ola, periodo y dirección, así como las rosas de oleaje en cada uno de los puntos de control seleccionados que permitirán el análisis detallado de la dinámica litoral. Se han tomado 6 puntos de control, tres en el tramo 1 y otros tres en el tramo 2 (Figura 10.26), todos a una profundidad aproximada de cinco metros. La orientación del oleaje incidente respecto a la costa en cada punto de control permite realizar una primera estimación de la dirección del transporte longitudinal (Figura 10.27). 33

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