NORMAS TÉCNICAS HIDROGRÁFICAS N 09

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2 REPÚBLICA DEL PERÚ MINISTERIO DE DEFENSA MARINA DE GUERRA DEL PERÚ DIRECCIÓN DE HIDROGRAFÍA Y NAVEGACIÓN NORMAS TÉCNICAS HIDROGRÁFICAS N 09 OCEANOGRAFÍA MANUAL DE PROCEDIMIENTOS PARA LA MEDICIÓN DE CORRIENTES HIDRONAV ra. Edición 2013

3 3 ÍNDICE Pág. 1. INTRODUCCIÓN OBJETIVO ASPECTOS GENERALES Definición Tipos de Corrientes Marinas Corriente de densidad Corriente de arrastre Corrientes de mareas Corrientes generadas por olas MEDICIONES DE LA CORRIENTE MARINA Equipamiento Correntómetros Mecánicos Correntómetros acústicos Perfiladores Acústicos de Corrientes Doppler Metodología Método Directo... 7 a) Euler... 7 b) Lagrange Método Indirecto Posicionamiento de Equipos Método Euler Método Langrange PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN DE CORRIENTES MARINAS Método Euler Método Lagrange ANEXOS... 15

4 5 NORMA TÉCNICA DE CORRIENTES COSTERA 1. INTRODUCCIÓN Las corrientes, como parte de la dinámica marina, son desplazamientos propios de masas de agua, con determinadas direcciones e intensidades que tienen incidencia directa en el transporte de sedimentos y contaminantes, en las obras portuarias y de ingeniería costera en general, debido a ello, es de suma importancia conocer las características de las corrientes en áreas donde se pretenda desarrollar los mencionados trabajos. La norma técnica dispone de información elemental para la obtención de la data y procesamiento, del comportamiento de las corrientes marinas de un área de interés, y se apoya en metodologías, procedimientos y equipamiento que tienen consideraciones técnicas a tomar en cuenta, que permitan contar con información adecuada para el análisis respectivo. 2. OBJETIVO Normar los procedimientos para la instalación de equipos, mediciones, programación, obtención de datos y procesamiento de datos de las corrientes marinas. 3. ASPECTOS GENERALES 3.1 Definición Una corriente se define como el desplazamiento de una masa de agua. 3.2 Tipos de Corrientes Se puede establecer una clasificación de los distintos tipos de corriente según su origen: Corriente de densidad Las corrientes de densidad se producen cuando las diferencias de temperatura y salinidad entre dos masas de agua situadas en distintos lugares o profundidades tienen como consecuencia una variación de densidad. La tendencia natural es a compensar esta diferencia de densidad, por lo que una de las masas se desplaza hacia la otra a una velocidad proporcional a la diferencia de densidad. Estas corrientes generalmente son suaves. Las aguas más frías o con mayor salinidad son más densas y tienden a hundirse, mientras que las aguas más cálidas o menos salinas tienden a ascender. De esta forma se generan corrientes verticales unidas por desplazamientos horizontales para reemplazar el agua movida. Por ejemplo, el agua de la superficie puede sufrir un aumento de salinidad por evaporación y a partir de esto originarse una corriente en el sitio.

5 Corriente de arrastre Las corrientes de arrastre se establecen en la superficie de los océanos y mares debido a la acción directa del viento, siendo de mayor intensidad cuando el viento es constante sobre una masa extensa de agua, como los alisios que soplan en el Atlántico y Pacífico, creando corrientes de grandes masas de agua en dirección oeste. La circulación de grandes masas de agua más o menos constante se debe a la combinación de las corrientes de densidad y las de arrastre Corrientes de mareas Ocurren exclusivamente por la variación del nivel del mar debido a la atracción entre la luna y el sol, y su dirección cambia a la vez que cambian las mareas. La velocidad de estas corrientes depende de la configuración de la costa, aunque suele ser muy intensa. Pueden llegar a ser un peligro para los buceadores y los buques. Generalmente en altamar carecen de importancia Corrientes generadas por olas Las olas tienden a romper modificando sustancialmente la característica de transporte de masa líquida y, en consecuencia, provocando corrientes. La importancia de estas corrientes radica fundamentalmente en el hecho que son las que originan y regulan, en su mayor parte, el movimiento de los sedimentos costeros. En función de la dirección de su movimiento estas corrientes e clasifican en corrientes normales a la costa y corrientes paralelas a costa. 4. MEDICIONES DE CORRIENTES MARINAS 4.1 Equipamiento Basados en el método usado para medir la intensidad de la corriente, se pueden distinguir tres clases de correntómetros Correntómetros Mecánicos Los correntómetros mecánicos usan un dispositivo tipo hélice, un rotor Savonius o un rotor de rueda de paletas para medir la rapidez de la corriente. Estos equipos son robustos, confiables y comparativamente de bajo costo; son convenientes para medición de corrientes en zonas costeras, tanto en la capa superficial y sub superficial; más no son convenientes para la medición en la capa superficial oceánica donde está la mayoría del movimiento oceánico es debido al oleaje Correntómetros acústicos El principio de estos correntómetros es el sonido como onda de compresión que viaja con el medio. Un pulso sónico de alta frecuencia se transmite simultáneamente desde un transductor emisor y un transductor receptor; la diferencia en el tiempo de llegada del sonido que viaja en direcciones opuestas determina la velocidad del agua a lo largo de la trayectoria.

6 7 Estos equipos son útiles son para la medición de las corrientes marinas superficiales y sub superficiales, así también para las mediciones de corrientes oceánicas y turbulencia inducidas por el oleaje Perfiladores Acústicos de Corrientes Doppler Operan bajo el mismo principio que los correntómetros acústicos, pero tienen el transmisor y el receptor en una unidad. Para la medición, usan las reflexiones de las ondas acústicas desde las partículas presentes en el agua. Se requieren por lo menos tres rayos inclinados en la vertical para determinar las tres componentes de la velocidad del flujo. Los diferentes tiempos de llegada indican que el sonido es reflejado desde diferentes distancias con respecto a los transductores. El equipo proporciona la información no sólo sobre la rapidez de la corriente y su dirección en un punto del océano, sino en todo un rango de profundidad, es decir un perfil de corriente contra profundidad. Hay varias combinaciones y estrategia de muestreo para el empleo del equipo, éstos pueden ser fácilmente divididos en tres grupos: - Montado en buque, donde el transductor es permanente o temporalmente intalado en la quilla de un buque. - Auto-contenido, el cual puede ser instalado en anclajes en la columna de agua o cercano al fondo. - Remolcado, el cual es instalado en un catamarán u otro aparato de flotación, remolcado desde una embarcación. 4.2 Metodología Método Directo a) Euler La base de este método directo Euler es conocer el valor de las magnitudes de velocidad de una partícula fluida en un determinado instante. El campo de velocidad v=v(x,y,z,t) de una partícula en un instante t 0 ocupa una posición (x 0, y 0, z 0 ), teniendo una velocidad dada por el campo de velocidades v=v(x 0,y 0,z 0,t 0 ). Figura 1. El método permite contar con registros de datos directos, mediciones puntuales de velocidades y direcciones de la corriente a nivel superficial hasta niveles de fondo, a través de perfiles. V(X1, Y1, Z1, t1) V(X0, Y0, Z0, t0) B(T1) (X1, Y1, Z1) A(T0) (X0, Y0, Z0) Figura 1. Línea de Corriente en un instante dado (t 0 ) en distintos puntos ocupados por distintas partículas A, B o más.h

7 8 b) Lagrange En este método directo lagrange se definen las trayectorias de las partículas de las posiciones sucesivas, a lo largo del tiempo. La partícula en el instante inicial (t 0 ) tomó la posición inicial (r 0 ). Figura 2 A(T2) A(T1) A(T0) A(T3) Figura 2. Método Lagrange: Trayectoria de una partícula A a lo largo del tiempo. El método es aplicado para las mediciones de corrientes en la capa superficial, a través de un mecanismo que es inducido a moverse con el fluido, con posición en el espacio medido sobre un intervalo de tiempo. Figura 3 Trayectoria de las partículas de fluido Ventanas en el campo de flujo Descripción de Lagrange (a) Descripción de Euler (b) Figura 3. Descripción de Lagrange y Euler de un campo de flujo Método Indirecto El método indirecto permite conocer la corriente marina a través de mediciones del campo de densidad dentro del océano y luego calcular la corriente geostrófica, la cual es el resultado del balance entre el gradiente horizontal de presión y la fuerza de Coriolis. 4.3 POSICIONAMIENTO DE EQUIPOS Para realizar el posicionamiento de los equipos se deberá tener las siguientes consideraciones en el campo:

8 4.3.1 Método Euler Deberá justificar que el equipo está diseñado para aplicaciones fijas y puede ser usado en el fondo, en boyas o en cualquier otra estructura fija. Se deberá contar con los elementos necesarios para un fondeo autónomo, considerando grabación de datos en memoria y batería; así mismo deberá contar con su propio software para una planificación de fondeos, grabación y recuperación de datos y conversiones ASCII sin problemas. Deberá presentar la relación de equipos con su respectiva descripción y especificaciones técnicas (Anexo I), además del certificado de calibración de los equipos La distribución espacial de los puntos de fondeo de los equipos deberá cubrir el área de estudio. La posición de fondeo deberá presentarse en coordenadas geográficas y Universal Transverse Mercator (UTM) en el datum (WGS-84), e indicar la profundidad de ubicación del equipo y la profundidad del punto de fondeo En el posicionamiento de los equipos se utilizará GPS Diferencial submétrico, o en su defecto mediante corte angular desde estaciones en tierra; quedando las diferentes posiciones en coordenadas vinculadas a la red geodésica nacional En puntos de fondeo mayores de 5 metros de profundidad, en búsqueda de los niveles de profundidad de los cambios de estabilidad, se deberá indicar la profundidad y la estabilidad del espesor de la columna de agua, a través de su perfil de densidad En el caso de correntómetros que registran datos a un solo nivel de profundidad, para corrientes superficiales se instalará a UN (01) metro por debajo del Nivel Medio de Bajamares de Sicigias Ordinarias (NMBSO) referida a la zona de estudio, y para corrientes sub-superficiales se instalará a ochenta por ciento (80%) de la profundidad del punto de fondeo En el caso de correntómetros perfiladores, deberá programarse en celdas (capas) de espesor y distribución tal que asegure la medición de la corriente en las capas superiores (cinco primeros metros bajo la superficie del mar), en cualquier estado de la marea Las mediciones se realizarán mínimo en las estaciones de verano e invierno. La programación del correntómetro debe asegurar registrar datos por un periodo mínimo de 30 días por cada estación del año, con intervalo que no exceda de 10 minutos, dependiendo de la capacidad de almacenamiento de la memoria del quipo usado Simultáneamente a las mediciones de corrientes, y en búsqueda de agentes forzantes de las corrientes, se efectuarán mediciones horarias del nivel del mar y de la dirección y velocidad del viento, por un periodo mínimo igual al tiempo de registro de corrientes En el item durante el periodo de tiempo de registro de información, se realizarán a lo menos dos campañas de mediciones con derivadores lagrangianos, en épocas de sicigias y cuadraturas, en marea ascendente y marea descendente, de acuerdo a la Tabla de Mareas publicado por la Dirección de Hidrografía y Navegación de la Marina de Guerra del Perú Se presentará el registro de datos obtenidos por los equipos, sin procesar y en formato digital, con el formato original del equipo. 9

9 Método Langrange Para medición de corrientes superficiales se hace uso de flotadores a la deriva, los cuales cada uno deberá estar compuesto de una boya de color ubicada sobre la superficie del mar y unida a una pértiga posicionada a un metro bajo la superficie del mar A bordo de una embarcación se lanzarán las boyas sobre la superficie del mar con sus respectivas pértigas a la deriva; las boyas podrán estar distribuidas en una línea espaciadas cada 100 a 500 metros hasta cubrir el área de estudio, de acuerdo al proyecto Cada flotador será seguido, por corte de ángulos (a través de dos teodolitos se tomará ángulos a las boyas desde tierra), por ángulo y distancia (con un teodolito y distomat se toma un ángulo y una distancia desde tierra), quedando las diferentes posiciones en coordenadas vinculadas a la red geodésica nacional Las mediciones de corrientes deberán ser por lo menos en una etapa de marea ascendente y una etapa de marea descendente, de acuerdo a la Tabla de Mareas publicado por la Dirección de Hidrografía y Navegación de la Marina de Guerra del Perú. Se presentará el registro de datos obtenidos, sin procesar y en formato digital Se harán mediciones de vientos, velocidad y dirección, como mínimo durante el tiempo de mediciones de corrientes. 5. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN DE CORRIENTES MARINAS Para el análisis de las corrientes se efectúan los siguientes procesamientos: - Análisis de frecuencia de dirección y magnitud - Estadísticas básicas para las componente norte/sur (V) y Este-Oeste (U). - Diagrama de Dispersión de las componentes ortogonales (U y V). 5.1 Método Euler: 1. Equipos que refieren en forma original la dirección al norte magnético, para efectos de análisis, el registro de corrientes deberá corregirse por la desviación magnética terrestre de la localidad para poder referir las observaciones al norte geográfico. 2. Considerando la corrección magnética, los datos se presentarán como series de tiempo vectorial indicando los intervalos de tiempo de marea ascendente y marea ascendente. 3. En cada etapa de marea, con la serie de datos se generará para cada nivel o celda de profundidad, matrices con las componentes U y V, de magnitud y dirección de la corriente (Anexo II). Estos datos serán procesados mediante herramientas estadísticas estándares, refiriendo las direcciones a una rosa de 8 puntas (Anexo III). 4. Las frecuencias porcentuales de la dirección y magnitud se visualizarán a través de histogramas para una rosa de 8 puntas e intervalo de clase de velocidad no mayor de 5 cm/s. 5. Elaborar un cuadro resumen de corrientes, por marea, capa superficial y sub-superficial, y/o niveles de profundidad registrada (Anexo IV), el cuadro se incluirá dentro del informe y del plano de corrientes.

10 11 6. Incluir la serie de tiempo de vientos (velocidad y dirección) guardando relación con la serie de tiempo de corrientes de cada etapa de marea. 7. Elaborar planos de corrientes, mínimo a nivel superficial y sub-superficial, de cada etapa de marea, mostrando la ubicación aproximada de la zona de rompiente. 8. Elaborar el mareograma indicando la hora de medición de corrientes, éste se incluirá dentro del informe y del plano de corrientes. 5.2 Método Lagrange: 1. Se presentará la velocidad media el cual se obtendrá a través del posicionamiento continuo de cada flotador y el tiempo transcurrido en su trayectoria. Así mismo la velocidad máxima en cada una de las trayectorias. La velocidad media representa el promedio de las velocidades medias de todos los flotadores que derivaron en el día, y la máxima es el mayor valor determinado de un segmento de trayectoria entre todos los flotadores. 2. Se presentará como mínimo el cuadro resumen por tramos de medición. 3. Se realizará el plano de corrientes, mostrando la ubicación aproximada de la zona de rompiente e indicando la fase de marea. 4. Se realizará el mareograma, indicando la hora de medición, éste se incluirá dentro del informe y del plano de corrientes. 6. ANEXOS I. Formato de descripción y especificaciones de los quipos. II. Formato de cuadro de distribución de frecuencia de magnitud y dirección de las corrientes. III. Formato de rosa de direcciones de corrientes con ocho puntas. IV. Formato de resultado resumen de corrientes

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12 15 ANEXO I FORMATO DE DESCRIPCIÓN Y ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS 1. INFORMACION DEL LUGAR: Lugar de Estudio:... Fecha de inicio y final:... Posición Geográfica: Lat... Long CARACTERISTICAS DEL EQUIPO Y/O INSTRUMENTO Nombre... Modelo:... Marca:... Serie:... Equipo Tansductor Rango Amplitud Máximo Nivel N de Perfilador Frecuencia de los de Fijo Haces Haces Alcance Espesor de Capa Blanqueo Mínimo Precisión en velocidad 3. OBSERVACIONES: Personal Responsable (Firma)

13 17 ANEXO II CUADRO DE DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIA DE LA MAGNITUD Y DIRECCIÓN DE LAS CORRIENTES Lugar de Estudio:... Fecha:... Posición Geográfica: Lat.... Long.... Fondo del lugar de observación:... Características del lugar (Playa abierta, ensenada, bahía etc.)... Dirección Velocidad (cm/s) >40 Norte Noreste Este Sureste Sur Suroeste Oeste Noroeste Profundidad (m) Etapa de Marea... Personal Responsable (Firma)

14 19 ANEXO III ROSA DE DIRECCIONES DE CORRIENTES CON OCHO PUNTAS N O NO SE SONE E S N NW NE W E SW SE S Rosa de Direcciones de Corrientes Este tipo particular de gráfica resume la información contenida en los histogramas de frecuencias y direcciones, permitiendo visualizar la variación en la orientación general de las corrientes.

15 21 ANEXO IV CUADRO RESUMEN DE CORRIENTES Lugar de Estudio:... Fecha:... Posición Geográfica: Lat.... Long.... Fondo del lugar de observación:... Características del lugar (Playa abierta, ensenada, bahía etc.)... Profundidad (m) Velocidad Promedio (cm/s) Dirección Predominante (grados) Velocidad Máxima (cm/s) Profundidad (m) Etapa de Marea... Personal Responsable (Firma)

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