CAPITULO 4 CLIMA MARÍTIMO

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1 CAPITULO 4 CLIMA MARÍTIMO

2 TABLA DE CONTENIDO Página 4 CLIMA MARÍTIMO INTRODUCCIÓN FUENTES DE DATOS Boya de Barranquilla Modelo WaveWatchIII TM CALIBRACIÓN DE LOS DATOS DE OLEAJE DEL MODELO NÚMERICO ANÁLISIS DE OLEAJE MEDIO EN PROFUNDIDADES INDEFINIDAS Oleaje medio en profundidades indefinidas para las distintas épocas climáticas del año REGIMEN EXTREMAL EN PROFUNDIDADES INDEFINIDAS Método POT de la serie corregida de WaveWatchIII TM Régimen escalar Método POT de la serie corregida WaveWatchIII TM Régimen direccional ESTADOS DE MAR PROPAGADOS RÉGIMEN MEDIO ESTADOS DE MAR PROPAGADOS RÉGIMEN EXTREMAL DATOS BATIMÉTRICOS HIDRODINÁMICA DE LA ZONA DE ESTUDIO Descripción de los modelos de propagación RESULTADOS DE LA PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Resultados de la propagación para los casos del régimen medio Resultados de la propagación para los casos del régimen extremal Oleaje de Diseño Resultados de la propagación para los casos de régimen medio Condición futura del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo GAT CA-PT-PROC-INF 4.ii

3 Resultados de la propagación para los casos de régimen extremal Condición Futura del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo CORRIENTES POR ROTURA Convergencia del modelo Zona de estudio LISTA DE FIGURAS Página Figura 4.1 Ubicación de la zona de estudio Figura 4.2 Ubicación de la boya de Barranquilla Figura 4.3 Serie de datos de Hs en la boya de Barranquilla con un registro comprendido entre 23 de marzo de 2006 y el 20 de abril de Figura 4.4 Histograma de frecuencia de Hs, para los datos obtenidos de la boya de Barranquilla Figura 4.5 Serie de datos de Tp, para los datos obtenidos de la boya de Barranquilla Figura 4.6 Histograma de frecuencia de Tp, para los datos obtenidos de la boya de Barranquilla Figura 4.7 Rosa de oleaje para la serie de la boya de Barranquilla Figura 4.8 Ubicación de las boyas de la NOAA, con cuyos datos fue calibrado el modelo WaveWatchIIITM Figura 4.9 Sitios con información de oleaje del proyecto WaveWatchIII TM. El punto PC corresponden a la serie de WaveWatchIII TM, que se utilizó para calibrar los datos del modelo con los datos de la boya de Barranquilla y el punto P1 es la serie utilizada, para obtener el régimen medio en profundidades indefinidas Figura 4.10 Datos del modelo WaveWatchIIITM y datos de la boya de Barranquilla para el periodo de registro de la boya (23 de marzo de 2006 al 1 de diciembre de 2007) Figura 4.11 Relación entre la altura de ola significante de la Boya de Barranquilla y la altura de ola significante en la boya virtual obtenida mediante el modelo WaveWatchIIITM en el punto W N Figura 4.12 Datos del modelo WaveWatchIIITM (rojo) y datos de la boya de Barranquilla (azul) para el periodo de registro de la boya entre el 23 de marzo de 2006 y el 1 de diciembre de GAT CA-PT-PROC-INF 4.iii

4 Figura 4.13 Serie de datos corregida para Hs, en N W Figura 4.14 Serie de datos para el periodo pico, en N W (En el numeral anterior se optó por no corregir la serie de periodos) Figura 4.15 Histograma de frecuencias para Hs- WaveWatchIIITM, N W. Serie corregida Figura 4.16 Histograma de frecuencias para Tp- WaveWatchIIITM, N W. Serie corregida Figura 4.17 Rosa de oleaje. WaveWatch III corregida. Elaborada por Aqua & Terra Consultores Figura 4.18 Ajuste de regímenes medios escalares de oleaje para Hs en profundidades indefinidas mediante la función Normal Figura 4.19 Serie temporal de los datos de oleaje que corresponden a la época Seca Figura 4.20 Rosa de oleaje época Seca. Serie corregida Figura 4.21 Relación Hs vs Tp para la época seca. Serie corregida Figura 4.22 Serie temporal de los datos de oleaje que corresponden a la época de transición. Serie corregida Figura 4.23 Rosa de oleaje época de transición. Serie corregida Figura 4.24 Relación Hs vs Tp para la época transición. Serie corregida Figura 4.25 Serie temporal de los datos de oleaje que corresponden a la época húmeda. Serie corregida Figura 4.26 Rosa de oleaje época húmeda. Serie corregida Figura 4.27 Relación Hs vs Tp para la época húmeda. Serie corregida Figura 4.28 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT Figura 4.29 Rosa de oleaje extremal. Datos que pasan el umbral de 2.0 m Figura 4.30 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas para la dirección NE mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT Figura 4.31 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas para la dirección NNE, mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT Figura 4.32 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas para la dirección NW mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT GAT CA-PT-PROC-INF 4.iv

5 Figura 4.33 Relación entre la altura de ola significante y el periodo pico para valores extremos de oleaje Figura 4.34 Rosa de oleaje medio y tabla de probabilidades de ocurrencia direccional, para época húmeda Figura 4.35 Rosa de oleaje medio y tabla de probabilidades de ocurrencia direccional, para época Seca Figura 4.36 Rosa de oleaje medio y tabla de probabilidades de ocurrencia direccional, para época de transición Figura 4.37 Batimetría general interpolada de las cartas náuticas usada para la propagación del oleaje Figura 4.38 Batimetría de detalle del canal de Cartagena en el sector Manzanillo. a) batimetría inicial (condiciones actuales) y b) batimetría final (diseño de las ampliaciones del canal) Figura 4.39 Mallas utilizadas para propagar el oleaje desde aguas profundas a la zona de estudio Figura 4.40 Ubicación del punto de interés para el diseño de la ampliación del canal Cartagena en el sector Manzanillo Figura 4.41 Caso #1 Hs=1.99m Tp=9.0s Dir=NE Época húmeda. Condición inicial Figura 4.42 Caso #5 Hs=2.90m Tp=9.0s Dir=NE Época seca. Condición inicial.4.59 Figura 4.43 Caso extremal #6 Hs=3.80m, Tp=10s y dir=ne Condición Inicial Figura 4.44 Caso extremal #8 Hs=4.22m, Tp=10s y dir=nne Condición Inicial.4.63 Figura 4.45 Caso extremal #9 Hs=3.38m, Tp=10s y dir=nw Condición Inicial Figura 4.46 Resultado del modelo OLUCA, para el caso extremal #9, en la batimetría de detalle Figura 4.47 Caso #1 Hs=1.99m Tp=9.0s Dir=NE Época húmeda. Condición Final Figura 4.48 Caso #3 Hs=2.90m Tp=9.0s Dir=NE Época seca. Condición Final Figura 4.49 Caso extremal #8 Hs=3.80m, Tp=10s y dir=ne Condición Final Figura 4.50 Caso extremal #10 Hs=4.22m, Tp=10s y dir=nne Condición Final.4.72 Figura 4.51 Caso extremal #11 Hs=3.38m, Tp=10s y dir=nw Condición Final Figura 4.52 Mallas para la propagación de corrientes. M1, malla sobre batimetría con la condición actual y futura para oleaje extremal Figura 4.52 Timepo de convergencia del modelo de corriente Figura 4.53 Corrientes por rotura del oleaje. Caso #3. Condición Actual del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo GAT CA-PT-PROC-INF 4.v

6 Figura 4.54 Corrientes por rotura del oleaje. Caso #3. Condición Futura del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo Figura 4.55 Diferencias entre las corrientes actuales y futuras del Canal de Cartagena en el sector de Manzanillo GAT CA-PT-PROC-INF 4.vi

7 4 CLIMA MARÍTIMO 4.1 INTRODUCCIÓN La zona de estudio en la que se enmarca este proyecto se encuentra en el Caribe colombiano, en el departamento de Bolívar, en el distrito turístico y cultura de Cartagena, entre Castillo Grande e isla Manzanillo (Ver Figura 4.1). Figura 4.1 Ubicación de la zona de estudio. Con base a la carta náutica DIRECCIÓN GENERAL MARÍTIMA (DIMAR) y CENTRO DE INVESTIGACIONES OCEANOGRÁFICAS E HIDROGRÁFICAS (CIOH). Atlas cartográfico de los océanos y costas de Colombia. 2ª edición. Publicación Bogotá: Pág 105. GAT CA-PT-PROC

8 El estudio del oleaje será siempre un elemento troncal de la actividad en ingeniería de Puertos y Costas, como principal condicionante en el diseño de las obras marítimas, agente generador de la dinámica costera y acción a soportar por las estructuras y embarcaciones. En el ámbito de su caracterización climática es fundamental un esfuerzo sostenido de medida para garantizar la calidad, seguridad y economía de las obras, en particular en cuanto a la estructura direccional del oleaje real. Progresivamente este esfuerzo es complementado con la información sintética generada por modelos de previsión de oleaje que deben continuar su desarrollo. A lo largo de este apartado se presenta un análisis del comportamiento del oleaje en la zona de estudio, la cual se enmarca en Manzanillo, sector ubicado entre la Isla de Manzanillo y Castillo Grande, la cual sirve de entrada de embarcaciones a la bahía interna de Cartagena. Para ello se ha desarrollado una caracterización muy detallada del oleaje en profundidades indefinidas a partir de varias fuentes de datos, y a partir de esta información calibrada, y mediante la utilización de un modelo numérico se ha realizado la propagación del oleaje hacia el punto de interés. Cabe resaltar que, este estudio se realiza con un nivel de detalle muy fino, en el cual se determinará con mucha precisión, el oleaje condicionante para los diseños de la ampliación del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo. Para tal objetivo, se partió de la información de las cartas náuticas existentes y de un estudio batimétrico de detalle de la zona de interés que se desarrolló para este proyecto. 4.2 NIVEL DEL MAR La información del régimen de niveles del mar es muy importante en aquellas zonas costeras donde las alturas de ola máxima puedan quedar limitadas por la profundidad del agua (calado), tal como ocurre en el litoral estudiado. Entonces, es necesario estimar el régimen de nivel del mar para poder propagar la base de datos de oleaje teniendo en cuenta este aspecto. A continuación se hace un análisis de esta variable. GAT CA-PT-PROC

9 4.2.1 Fuente de Datos La información necesaria para la obtención del régimen del nivel de marea se ha obtenido de registros del Ideam en Cartagena de Indias, de donde se tienen datos horarios desde 1951 hasta 1993, año en el que se cambió de instrumento. La localización de este punto se muestra en la Figura 4.2. Su proximidad con la zona de estudio, así como la longitud y calidad de la serie, y la poca magnitud de esta variable en el mar Caribe, hacen de este instrumento el más apropiado para caracterizar el régimen de mareas de la zona. Al evaluar la serie de registro horario, se encontró que esta posee un 13.46% de faltantes, lo que indica que entre datos totales, no existía registro dentro de la serie de datos. Figura 4.2 Localización del mareógrafo del Ideam en Cartagena de Indias. Fuente: Ideam 2, modificado por Aqua & Terra Consultores Asociados S.A.S. 2 Ideam, Instituto de hidrología, meteorología y estudios ambientales GAT CA-PT-PROC

10 4.2.2 Niveles de Referencia en la Zona de Estudio El cero o nivel de referencia vertical en el caribe colombiano está definido por la estación mareográfica de Cartagena, el cual coincide con el nivel promedio de las bajamares de sicigia, siendo que estas son las que se presentan cuando quedan alineados el Sol, la Luna y la Tierra, produciéndose las mayores mareas. Para encontrar el nivel de referencia para la zona de estudio, se utilizó la serie de marea generada con una longitud equivalente a 20 años a un nivel de referencia 0, y se identificaron en la misma los valores mínimos de marea para las dos temporadas de equinoccio anual. El resultado entonces del nivel de referencia es el promedio de los valores mínimos mencionados. El esquema presentado en la Figura 4.3 presenta de manera más clara el procedimiento realizado para encontrar el nivel de referencia. Se encontró entonces que el nivel de referencia obtenido del análisis anterior es de cm. GAT CA-PT-PROC

11 Valores mínimos de nivel de marea (cm) Figura 4.3 Esquema explicativo de la obtención del Datos nivel de referencia para el mareógrafo de Cartagena. Fuente: Elaborado por Aqua & Terra Consultores Asociados S.A.S Régimen Medio del Nivel del Mar Total (marea meteorológica y marea astronómica) El régimen de nivel de marea se construye a partir de la base de datos de nivel del mar en Cartagena de Indias. Si bien este sitio no se encuentra dentro de la zona de estudio, la variación espacial de las ondas largas (marea astronómica y marea meteorológica) GAT CA-PT-PROC

12 no es relevante en litorales abiertos como el que se está analizando. Por lo tanto, para este estudio se considera que el nivel del mar en el sector de Bocachica, puede suponerse similar en magnitud al que se observa y registra en el mareógrafo de Cartagena de Indias. Con base en esta información y la hipótesis anteriormente aceptada, se tiene la serie de nivel del mar, considerado ésta como la suma entre la marea astronómica y la marea meteorológica en un punto determinado; ambas variables son registradas por el mareógrafo analizado. El régimen de nivel medio del mar, entonces, se puede construir ordenando la serie de nivel del mar de menor a mayor y asignando a cada dato una probabilidad P = i/(n+1), donde P es la probabilidad de no-excedencia, i el número de orden del dato, y n el número total de datos analizados. Los resultados obtenidos se presentan en la Figura 4.4 Como puede observarse, el nivel del mar no es una variable relevante en la zona de estudio. Los valores máximos, con respecto al nivel medio del mar, no superan los 0.4 m de amplitud. a) b) Figura 4.4 Régimen medio de nivel del mar en Cartagena de Indias, a) Función de distribución y b) función de densidad. Fuente: Elaborado por Aqua & Terra Consultores Asociados S.A.S. GAT CA-PT-PROC

13 Sí es de destacar, en cambio, los resultados que se presentan en la Figura 4.5. En esta gráfica se presenta la variación temporal de los máximos anuales de nivel del mar en Cartagena de Indias. Nótese cómo es de clara la tendencia positiva en el ascenso del nivel máximo del mar (0.005 m/año). Si bien no pueden sacarse conclusiones al respecto con la información que se tiene y con el alcance de este estudio, sí que debe dejarse constancia sobre el fenómeno, pues este comportamiento es tema de debate dentro de la comunidad científica internacional. Nivel del mar anual (m) (Referencia: Mínimo nivel del mar de 1951) Niveles máximos Niveles medios Niveles mínimos Figura 4.5 Variación temporal de la serie de máximos anuales del nivel del mar. Fuente: Elaborado por Aqua & Terra Consultores Asociados S.A.S Sistemas Circulatorios Por la ubicación de la bahía de Cartagena y específicamente de las obras de dragado del canal de acceso a la bahía de Cartagena en el sector de Bocachica, no se evidencian sistemas circulatorios de corrientes importantes que afecten el sector de estudio. GAT CA-PT-PROC

14 4.3 OLEAJE Fuentes de datos Para el análisis de oleaje se ha utilizado dos diferentes fuentes de datos: 1). Los registros de la boya de Barranquilla de la Dirección General Marítima - DIMAR 3, 2). Datos del modelo WaveWatchIII TM Boya de Barranquilla Se realizó un análisis de los datos de oleaje instrumental los cuales fueron obtenidos de la boya de la DIMAR 5, ubicada en Barranquilla en coordenadas N y W (Figura 4.6), a una profundidad de 150 m y con una resolución de toma de datos horaria. Es importante resaltar la relevancia que tiene para el país un proyecto como el que se viene desarrollando por parte de DIMAR, en conjunto con sus centros de investigación, Centro de Investigaciones Ocenograficas e Hidrograficas (CIOH) y el Centro Control Contaminación de Pacifico (CCCP); gracias al cual se cuenta con información instrumental que permite tener un mejor conocimiento del clima de oleaje a lo largo de las dos costas colombianas, desde hace ya algunos años. Este trabajo ha demandado gran cantidad de recursos y de tiempo, pero todo esto se ve reflejado en la calidad de la información con la que se cuenta actualmente. Los datos de esta Boya, a los que se pudo tener acceso, se tienen para un periodo de registro comprendido entre 23 de marzo de 2006 y el 20 de abril de En la Figura 4.7 se muestra la serie de datos para altura de ola significante (Hs) y la serie de datos del periodo de pico (Tp), las cuales están graficados en la Figura 4.9. Los histogramas de frecuencias para ambas series de datos, Hs y Tp, están graficadas en las Figura DIRECCIÓN GENERAL MARITIMA (DIMAR) 4 Tolman, H. L. (2002). Validation of WAVEWATCH III version 1.15 for a global domain. Technical Note, (213), DIMAR, Op Cit. 5 DIRECCIÓN GENERAL MARÍTIMA (DIMAR) 5 Tolman, H. L. (2002). Validation of WAVEWATCH III version 1.15 for a global domain. Technical Note, (213), DIMAR, Op Cit. GAT CA-PT-PROC

15 y Figura 4.10 respectivamente. Y la rosa de dirección del oleaje se muestra en la Figura 4.11 respectivamente. Figura 4.6 Ubicación de la boya de Barranquilla. Fuente: Google EarthTM (2013), modificada por Aqua & Terra Consultores Asociados S.A.S. Figura 4.7 Serie de datos de Hs en la boya de Barranquilla con un registro comprendido entre 23 de marzo de 2006 y el 20 de abril de GAT CA-PT-PROC

16 La serie de altura de ola, de resolución temporal horaria, presenta una longitud de registro de más tres años comenzando en marzo de 2006 y terminando en abril de 2009, dicha serie no es continua pues presenta (como se observa en la figura) varios registros nulos, los cuales se pueden apreciar en los espacios en blanco de la serie. De la gráfica anterior es muy difícil extraer un comportamiento de la serie, debido a que no existe un año continúo de medición, lo cual no permite establecer como es la variación de la altura de ola a lo largo del año. Lo que podemos ver de la gráfica es que en los primeros meses del año la magnitud de la altura de ola tiene valores máximos y que los meses de agosto y septiembre se presentan valores mínimos. Con este comportamiento y de acuerdo a la climatología del viento en la zona se puede establecer que, el comportamiento de la altura de ola a lo largo de año es de carácter bimodal, con máximos en los primeros meses del año, donde los vientos son fuertes y en los meses de junio y julio donde se presenta el veranillo de San Juan. Los valores mínimos para altura de ola se presentan en los meses de marzo-abril y en los meses de septiembre-octubre y noviembre, meses para los cuales se presenta una disminución en los vientos en el Caribe. GAT CA-PT-PROC

17 Figura 4.8 Histograma de frecuencia de Hs, para los datos obtenidos de la boya de Barranquilla. Los valores de altura de ola que se presentan en la serie van del orden de los metros Hs min=0.30 m hasta valores máximos que alcanzan Hs max= 4.5 m, con una media de Hs med=1.67 m. En la gráfica se logra notar un comportamiento bimodal del oleaje, en el cual se pueden identificar dos picos de oleaje, el primero alrededor de 1 m de altura y el segundo rondando los 2 m de altura de ola. GAT CA-PT-PROC

18 Figura 4.9 Serie de datos de Tp, para los datos obtenidos de la boya de Barranquilla. Con respecto a los periodos se aprecia como los datos se agrupan casi en su mayoría entre 6 y 9 segundos. Estos valores para el periodo pico son valores característicos de un oleaje tipo Sea o Local, oleaje predominante en la cuenca del Caribe Colombiano. GAT CA-PT-PROC

19 Figura 4.10 Histograma de frecuencia de Tp, para los datos obtenidos de la boya de Barranquilla. De la gráfica anterior se puede apreciar la concentración de periodos alrededor de los 7 segundos para el oleaje de la boya de Barranquilla, característica de oleajes de tipo Sea o local. La media para los periodos está cercano a los 7.1 segundos y los periodos máximos son del orden de los 11 a 12 segundos. La rosa de oleaje indica la dirección y altura de las olas en la boya de Barranquilla. Las olas más frecuentes provienen del NE con un porcentaje de ocurrencias de más del 60% y algunas pocas del ENE con un porcentaje del 25%. En la Boya de Barranquilla se puede ver que el oleaje ya sufre un fenómeno de refracción producido por el fondo oceánico. GAT CA-PT-PROC

20 Figura 4.11 Rosa de oleaje para la serie de la boya de Barranquilla Modelo WaveWatchIII TM. Para el estudio de la acción del oleaje sobre la zona de estudio fue necesario analizar el clima marítimo a partir de los resultados de modelos físico-matemáticos de gran escala, debido a que no existe una boya instrumental en las cercanías de la bahía de Cartagena y los datos de la boya de Barranquilla son de una longitud corta y se encuentra ubicada muy lejos de la zona de estudio. Es claro que, los datos de la boya de Barranquilla no son aptos para un análisis adecuado del clima marítimo en la zona de estudio, por su escasa longitud de registros, pero si es importante resaltar que permite calibrar los modelos numéricos que se tienen una buena cantidad de datos para realizar este análisis. El modelo WaveWatchIII TM es un modelo de ondas espectrales de tercera generación que incluye interacciones entre la atmósfera y los campos de oleaje; el modelo muestra excelentes resultados con errores medios cuadráticos típicos del 15% respecto a la GAT CA-PT-PROC

21 altura de ondas observadas, particularmente en regiones tropicales, presentando pobres aproximaciones en regiones de altas latitudes. El modelo resuelve la ecuación de densidad espectral con las propiedades medias como profundidad del agua y corrientes, considerando que el campo de la onda varía en el tiempo y el espacio mucho más que una simple onda. El modelo puede ser aplicado en escalas espaciales desde 1 a 10 km y por fuera de la zona de rompientes del oleaje. La ecuación que gobierna el modelo incluye la refracción y difracción del campo de oleaje, con variaciones espaciales y temporales de la profundidad media del agua y de las corrientes cuando se aplica. Los procesos físicos consideran el crecimiento y decrecimiento de la onda por acción del viento. La propagación del oleaje es considerada con un comportamiento lineal, con efectos no lineales como los ya mencionados. El programa proyecta resultados de la onda tales como altura de ola significante (Hs), dirección (θ), frecuencias, espectros, entre otros. Es así como fueron utilizados los datos del modelo WaveWatchIII TM, inicialmente los datos del programa del Análisis del Clima del Pacífico, el cual pronosticó datos de oleaje mediante la utilización de información de vientos del NCEP/NCAR 6, con datos cada 6 horas a 10 m de altura, donde el viento fue utilizado como el forzamiento principal; posteriormente se realizó el análisis del clima del Atlántico (para completar una base de datos mundial). La serie pronosticada de oleaje fue calibrada (Figura 4.12) con información de las boyas oceanográficas de la NOAA, National Data Buoy Center (NDBC). Los resultados del modelo presentaron una buena concordancia, especialmente en eventos de variabilidad interanual, lo que demostró la calidad del modelo 7. 6 KALNAY et al..the NCEP/NCAR 40-year reanalysis project. En: Bulletin of meteorological society. 77 (1996); GRAHAM N. E y DÍAZ H.F. Evidence for intensification of north pacific winter cyclones since En: Bulletin of meteorological society. 82 (2001); GAT CA-PT-PROC

22 Figura 4.12 Ubicación de las boyas de la NOAA, con cuyos datos fue calibrado el modelo WaveWatchIIITM. Fuente: Tomado de Caires et al (2002) 8. Los datos disponibles del modelo se encuentran distribuidos espacialmente sobre el Caribe Colombiano sobre una malla 0.25 x0.25 (ver Figura 4.13), el punto PC corresponden a la serie de WaveWatchIII TM que se utilizó para calibrar los datos del modelo con los datos de la boya de Barranquilla, la serie ubicada en el punto P1 es la serie utilizada para obtener el régimen medio en profundidades indefinidas cuya resolución temporal es de una hora y registró variables tales como Hs, Tp y comprendidas entre los años 1999 y CAIRES, S. et al. Intercomparison of different wind-wave Reanalysis. En: Journal Climate. 17 (2002); GAT CA-PT-PROC

23 Figura 4.13 Sitios con información de oleaje del proyecto WaveWatchIII TM. El punto PC corresponden a la serie de WaveWatchIII TM, que se utilizó para calibrar los datos del modelo con los datos de la boya de Barranquilla y el punto P1 es la serie utilizada, para obtener el régimen medio en profundidades indefinidas. Fuente: Imagen tomada de Google Earth, modificada por Aqua & Terra Consultores Asociados S.A.S., Calibración de los datos de oleaje del modelo numérico Con el fin de calibrar los datos del modelo WaveWatchIII TM mostrado en la Figura 4.13, se utilizaron los datos de la boya de Barranquilla. El procedimiento de calibración de la serie consistió en lo siguiente: 1) Se buscó una de la boyas virtuales obtenidas con el modelo WaveWatchIII TM cercano a la ubicación de las boyas, en este caso se trabajó con los datos de las boya virtual ubicada en N W, 2) Una vez que se tienen los datos del modelo y los datos de la boya, se buscan todos los datos que correspondan a la misma fecha en las dos series, 3) Con los pares de datos se realiza una regresión lineal entre los datos de modelo y los datos de la boya, ambos con igual GAT CA-PT-PROC

24 nivel de probabilidad de no-excedencia, con el fin de obtener los parámetros de calibración de la series de oleaje para la altura de ola significante y 4) Se le aplican los parámetros de calibración a la serie de WaveWatchIII TM. La Figura 4.14 compara los datos del modelo WaveWatchIII TM con los datos de la boya de Barranquilla. Figura 4.14 Datos del modelo WaveWatchIIITM y datos de la boya de Barranquilla para el periodo de registro de la boya (23 de marzo de 2006 al 1 de diciembre de 2007). En la Figura anterior podemos ver como los datos del modelo siguen la tendencia de los datos de la boya, pero se ve también que los datos del modelo subestiman los datos de altura de ola significante, es por este motivo que los datos del modelo tienen que ser calibrados con datos instrumentales. GAT CA-PT-PROC

25 Comparación de la boya de Barranquilla con WWIII en el dominio de la probabilidad y = x R² = Boya Barranquilla Hs (m) WaveWatch III Hs (m) Figura 4.15 Relación entre la altura de ola significante de la Boya de Barranquilla y la altura de ola significante en la boya virtual obtenida mediante el modelo WaveWatchIIITM en el punto W N. Tabla 4.1 Valores de los coeficiente a y b en la regresión a*x^b para valores medios de Hs Altura de ola significante (Hs) a b Boya-WWIII En la Figura 4.15 se encontró que los datos de altura de ola significante del modelo WaveWatchIII TM subestiman los datos medidos con las boyas y se encuentran los parámetros de calibración de la serie mediante una regresión del tipo a*x^b. En la Tabla 4.1 se muestran los parámetros obtenidos en la regresión potencial, los cuales GAT CA-PT-PROC

26 por no disponer de más información son los que se utilizaron para corregir los datos de WaveWatchIII TM, en el punto P1 (Figura 4.13), a partir del cual se realizará la propagación del oleaje hacia la zona de estudio. A continuación se muestra la comparación de los periodos de la boya de Barranquilla y los periodos del modelo WaveWatchIII TM. Figura 4.16 Datos del modelo WaveWatchIIITM (rojo) y datos de la boya de Barranquilla (azul) para el periodo de registro de la boya entre el 23 de marzo de 2006 y el 1 de diciembre de La comparación de los periodos del modelo WaveWatchIII TM y los periodos de la boya de Barranquilla, muestran que el modelo está siguiendo muy bien la magnitud y la tendencia de la serie de la boya, mostrando los dos tipos de oleaje (sea y swell) de la misma magnitud que se presentan en la zona de estudio, por lo tanto los datos de periodo del modelo no se van a corregir. GAT CA-PT-PROC

27 4.3.3 Análisis de oleaje medio en profundidades indefinidas Luego de aplicar la metodología descrita anteriormente se aplicaron los coeficiente a la serie del modelo ubicada en las coordenadas 10 30'0"N-75 45'0"W, a continuación se presentan los gráficos más representativos de la serie de tiempo de oleaje. Figura 4.17 Serie de datos corregida para Hs, en N W. En la figura anterior se puede ver el comportamiento de oleaje en el P1. Se nota que los picos del oleaje se presentan en los primeros meses del año, donde se pueden ver oleajes con una magnitud que supera los 2.5 m de altura y en los meses de junio y julio, periodo para el cual se presenta el veranillo de san Juan en la región Caribe, se pueden ver alturas de ola que superan los 2.0 m de altura. En los meses de octubre y noviembre se presentan los valores de altura de ola mínimos en la región. GAT CA-PT-PROC

28 Figura 4.18 Serie de datos para el periodo pico, en N W (En el numeral anterior se optó por no corregir la serie de periodos). El oleaje registrado en la boya virtual ubicada en las coordenadas geográficas 10 30'0"N-74 45'0"W presenta una longitud de registro de 8 años comenzando agosto de 1999 y terminando el 1 diciembre de 2007, dicha serie es continua en el tiempo con resolución temporal de cada hora. Con respecto a los periodos se puede apreciar que la gran mayoría se agrupan entres los 6 y los 9 segundos, valores característicos de un oleaje tipo sea o local. Este tipo de oleaje es el que predomina en toda la cuenca Caribe. GAT CA-PT-PROC

29 Figura 4.19 Histograma de frecuencias para Hs- WaveWatchIIITM, N W. Serie corregida. Los valores de altura de ola que se presentan en la serie van del orden de los metros Hsmin=0.1 m hasta valores máximos que alcanzan Hsmax= 3.40 m, con una media de Hsmed=1.1 m. En esta grafica se puede observar que los valores de altura de ola están sesgados a la izquierda, con un pico cercano al valor medio del oleaje. GAT CA-PT-PROC

30 Figura 4.20 Histograma de frecuencias para Tp- WaveWatchIIITM, N W. Serie corregida. Para los periodos picos se ve como los valores están concentrados entre los 6 y los 9 segundos y se puede ver que el oleaje en la zona corresponde a un oleaje de tipo Sea o local. Se puede ver que con muy poca frecuencia que presentan periodos superiores a los 10 segundos. La rosa de oleaje indica la dirección y altura de las olas en aguas profundas en una amplia zona frente al área de estudio. Las olas más frecuentes provienen del NE con una probabilidad de ocurrencias cercano al 52% y del NNE con un porcentaje del 35%. GAT CA-PT-PROC

31 Figura 4.21 Rosa de oleaje. WaveWatch III corregida. Elaborada por Aqua & Terra Consultores. Tabla 4.2 Estadísticos básicos respecto a a partir de Hs, los porcentajes mostrados corresponden a cada una de las probabilidades de ocurrencia. Serie corregida. GAT CA-PT-PROC

32 Los estadísticos básicos de la serie de oleaje de la boya virtual se presentan en la Tabla 4.2, donde es importante resaltar que para las direcciones NE, NNE se presentan las alturas de ola más frecuentes, con un porcentaje conjunto del 86%. La Figura 4.22 muestra los ajustes a los regímenes medios escalares de oleaje para Hs en profundidades indefinidas. La función que más se ajustó a los datos fue la función normal. Figura 4.22 Ajuste de regímenes medios escalares de oleaje para Hs en profundidades indefinidas mediante la función Normal. Se observa como la altura de ola significante superada el 50% del tiempo es cercana a 1.0 m, para un valor del 95% del tiempo la altura de ola es de 1.95m y para un valor de 99.9% del tiempo es de 2.8m GAT CA-PT-PROC

33 Oleaje medio en profundidades indefinidas para las distintas épocas climáticas del año Adicionalmente, se determinó el clima marítimo para cada una de las épocas climáticas (Seca, transición y húmeda) de la bahía de Cartagena. La época seca está definida para los meses de diciembre-enero-febrero-marzo, la época de transición por los meses de abril-mayo-junio-julio y la época húmeda en los meses de agostoseptiembre-octubre-noviembre. El procedimiento a seguir consistió en seleccionar los datos de oleaje para cada una de las épocas climáticas, y así, establecer una serie temporal con la cual se realizó el clima marítimo en aguas profundas, para cada una de las épocas climáticas Época Seca Figura 4.23 Serie temporal de los datos de oleaje que corresponden a la época Seca. GAT CA-PT-PROC

34 De la anterior figura podemos ver como para la época seca, los valores de altura de ola para la región se concentran entre 1 y 2 metros, con un valor medio que esta entre 1.5 y 2.0 m. Para esta época se pueden ver valores que superan los 2.5 m e inclusive los 3.0 m de altura de ola y las direcciones predominantes del oleaje son NE y NNE. Tabla 4.3 Estadísticos básicos respecto a a partir de Hs, los porcentajes mostrados corresponden a cada una de las probabilidades de ocurrencia y para la época climática seca. Serie corregida. GAT CA-PT-PROC

35 Tp_seca (s) ESTUDIOS Y DISEÑOS PARA LA AMPLIACIÓN DEL CANAL DE Figura 4.24 Rosa de oleaje época Seca. Serie corregida y = 1,1257x + 5, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Hs_seca (m) Figura 4.25 Relación Hs vs Tp para la época seca. Serie corregida. GAT CA-PT-PROC

36 Época transición Figura 4.26 Serie temporal de los datos de oleaje que corresponden a la época de transición. Serie corregida. De la figura anterior podemos ver como para la época de transición, los valores de altura de ola para la región se concentran entre 0.5 y 2 metros, con un valor medio que está cercano a 1.0 m de altura. Para esta época los valores que sobrepasan los 2.0 m de altura son muy poco frecuentes. En la época de transición las direcciones predominantes del oleaje son NE y NNE. GAT CA-PT-PROC

37 Tabla 4.4 Estadísticos básicos respecto a a partir de Hs, los porcentajes mostrados corresponden a cada una de las probabilidades de ocurrencia y para la época climática de transición. Serie corregida. Figura 4.27 Rosa de oleaje época de transición. Serie corregida. GAT CA-PT-PROC

38 Tp_Transicion (s) ESTUDIOS Y DISEÑOS PARA LA AMPLIACIÓN DEL CANAL DE y = 1,5149x + 5,3951 R² = 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 Hs_Transicion (m) Figura 4.28 Relación Hs vs Tp para la época transición. Serie corregida Época húmeda Figura 4.29 Serie temporal de los datos de oleaje que corresponden a la época húmeda. Serie corregida. GAT CA-PT-PROC

39 De la figura anterior podemos ver como para la época de transición, los valores de altura de ola para la región se concentran entre 0.5 y 1.5 metros, con un valor medio que está cercano a 0.5 m de altura. Para esta época los valores que sobrepasan 1.0 m de altura son muy poco frecuentes. En la época de transición las direcciones predominantes del oleaje son NE y NNE, siendo la primera la dirección más frecuente. Tabla 4.5 Estadísticos básicos respecto a a partir de Hs, los porcentajes mostrados corresponden a cada una de las probabilidades de ocurrencia y para la época climática húmeda. Serie corregida GAT CA-PT-PROC

40 Tp_Humeda (s) ESTUDIOS Y DISEÑOS PARA LA AMPLIACIÓN DEL CANAL DE Figura 4.30 Rosa de oleaje época húmeda. Serie corregida y = 1,832x + 4,9676 R² = 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Hs_Humeda (m) Figura 4.31 Relación Hs vs Tp para la época húmeda. Serie corregida. GAT CA-PT-PROC

41 4.3.4 Regimen extremal en profundidades indefinidas En este numeral se muestran las metodologías empleadas para estimar el régimen extremal de oleaje en profundidades indefinidas. Para este estudio se definió el régimen extremal a través de dos métodos: 1) Aplicando el método Peak Over Threshole (POT) a la serie completa, con el fin de obtener un régimen extremal escalar y 2) una vez obtenida la serie del POT, filtrarla en las direcciones predominantes y así obtener un régimen extremal direccional Método POT de la serie corregida de WaveWatchIII TM Régimen escalar El régimen extremal escalar de Hs en N W para la serie corregida de WaveWatchIII TM fue definido a partir de un método POT (Peak Over Threshole). El Umbral para estimar el régimen extremal de oleaje en profundidades indefinidas se propuso de 2 metros. A partir de los valores de la serie de Hs que superaron el umbral de 2.0 m y mediante Weibull se estiman los valores de altura significante de ola para distintos periodos de retorno, los cuales se presentan en la Figura 4.32 GAT CA-PT-PROC

42 Hs(m) Hs sup(m) Hs inf(m) Funcion de Distribucion Extremal POT - Escalar 4.0 Hs (m) Periodo Retorno (años) Figura 4.32 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT De la Figura anterior podemos ver que para un periodo de retorno de 50 años, el valor de Hs es de 4.06 m y el valor Hs para un periodo de retorno de 20 años es 3.74m. La pequeña diferencia entre las magnitudes de Hs para estos dos periodos de retorno se debe a la baja pendiente del ajuste en la cola superior de los datos, la cual se va haciendo paulatinamente asintótica Método POT de la serie corregida WaveWatchIII TM Régimen direccional Para obtener el régimen extremal direccional en profundidades indefinidas, se utilizó la serie resultante de aplicarle el método POT a los datos originales. Una vez obtenidos estos, se realizó la rosa de oleaje extremal para observar las direcciones predominantes del oleaje extremal, la cual se muestra en la Figura 4.33, donde GAT CA-PT-PROC

43 podemos ver que los oleajes extrémales provienen de la direcciones NE, NNE y NW. Con la información anterior se procedió a filtrar la información en estas direcciones y posteriormente, se estimó el régimen extremal para cada una de estas direcciones predominantes. En la Figura 4.34, Figura 4.35 y Figura 4.36 se muestra el régimen extremal direccional en profundidades indefinidas para las direcciones NE, NNE y NW respectivamente. Figura 4.33 Rosa de oleaje extremal. Datos que pasan el umbral de 2.0 m. De la figura anterior vemos que la dirección predominante del oleaje extremal es NNE, con un 53% de ocurrencia, seguida de la dirección NE con un 43% y NW con un 1.5%. Entre estas tres direcciones tenemos un 97.5% de los oleajes extrémales de la zona de estudio. GAT CA-PT-PROC

44 Hs (m) ESTUDIOS Y DISEÑOS PARA LA AMPLIACIÓN DEL CANAL DE Funcion de Distribucion Extremal - Dirección NE Hs(m) Hs sup(m) Hs inf(m) Hs (m) Periodo Retorno (años) Figura 4.34 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas para la dirección NE mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT Funcion de Distribucion Extremal - Dirección NNE Hs(m) Hs sup(m) Hs inf(m) Periodo Retorno (años) Figura 4.35 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas para la dirección NNE, mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT. GAT CA-PT-PROC

45 Funcion de Distribucion Extremal - Dirección NW Hs(m) Hs sup(m) Hs inf(m) Hs (m) Periodo Retorno (años) Figura 4.36 Ajuste de la serie de Hs que sobrepasaron el umbral de oleaje en profundidades indefinidas para la dirección NW mediante una función Weibull. Serie corregida y ajustada con POT. De las figuras anteriores podemos observar que los ajustes direccionales del oleaje extremal, presenta valores un poco más bajos que el régimen extremal escalar. Lo anterior es debido a que los valores máximos solo se concentran en las direcciones predominantes. En la Figura 4.36 podemos ver que las bandas son más abiertas, debido a que, para la dirección NW se presentan muy pocos oleajes. En la figura siguiente se muestra la relación entre la altura de ola significante y el periodo pico, para los oleajes del régimen extremal. GAT CA-PT-PROC

46 Tp (s) ESTUDIOS Y DISEÑOS PARA LA AMPLIACIÓN DEL CANAL DE Relación Hs vs Tp para extremales y = 0,9315x + 5,89 R² = 0, ,5 3 3,5 4 4,5 5 Hs (m) Figura 4.37 Relación entre la altura de ola significante y el periodo pico para valores extremos de oleaje. En la figura anterior podemos observar que los valores característicos de periodo pico no superan los 10 segundos y además, se aprecia que para los oleajes de más de tres metros de altura el periodo pico presenta una menor dispersión. Con esta información se obtendrán los periodo para las alturas que se van a propagar Estados de mar propagados régimen medio Con el fin de obtener los casos a propagar mediante el modelo SWAN se construyó la tabla de propagación, en la cual se tienen en cuentan las variables de Hs, Tp,. Para el régimen medio se escogieron las direcciones de oleaje predominantes NE y NNE para cada una de las épocas climáticas, estos son los más representativos como ya quedo demostrado en el apartado anterior. Para estas direcciones se propago una GAT CA-PT-PROC

47 altura de ola significante que solo es excedida 12 horas al año (probabilidad de % de ser excedida), esto con el fin de conocer la influencia del canal en la dinámica litoral, para las condiciones más desfavorables del oleaje. Con respecto al periodo se tomó un periodo característico de la zona de estudio que es de 9 segundos. A continuación se muestra la rosa de oleajes, la tabla de probabilidades de ocurrencia direccionales y la tabla con los casos a propagar. Figura 4.38 Rosa de oleaje medio y tabla de probabilidades de ocurrencia direccional, para época húmeda. Tabla 4.6 Casos seleccionados para la construcción del régimen medio a pie de obra. Época Húmeda. Viento # Caso Dirección Oleaje Hs Tp Magnitud dirección Situación 1 NE Hs (12) Inicial 2 NNE Hs (12) Inicial GAT CA-PT-PROC

48 Figura 4.39 Rosa de oleaje medio y tabla de probabilidades de ocurrencia direccional, para época Seca. Tabla 4.7 Casos seleccionados para la construcción del régimen medio a pie de obra. Época Seca. Viento # Caso Dirección Oleaje Hs Tp Magnitud dirección Situación 3 NE Hs (12) Inicial 4 NNE Hs (12) Inicial GAT CA-PT-PROC

49 Figura 4.40 Rosa de oleaje medio y tabla de probabilidades de ocurrencia direccional, para época de transición. Tabla 4.8 Casos seleccionados para la construcción del régimen medio a pie de obra. Época Transición # Caso Dirección Oleaje Hs Tp Viento Magnitud dirección Situación 5 NE Hs (12) Inicial 6 NNE Hs (12) Inicial Estados de mar propagados régimen extremal A partir de la información extraída del régimen extremal direccional de oleaje, se seleccionaron los casos correspondientes a un periodo de retorno de 20 y 50 años, para las direcciones NE y NNE. Además, para la dirección NW se seleccionó el caso de 50 años de periodo de retorno, para la propagación del régimen extremal. GAT CA-PT-PROC

50 Tabla 4.9 Casos seleccionados para la construcción del régimen extremal a pie de obra. # Caso Dirección Oleaje Hs (m) Tp (s) Situación 5 NE Hs 20años Inicial 6 NE Hs 50años Inicial 7 NNE Hs 20años Inicial 8 NNE Hs 50años Inicial 9 NW Hs 50años Inicial 4.4 DATOS BATIMÉTRICOS Para este estudio se realizaron dos batimetrías: 1) la primer batimetría, tiene en cuenta las condiciones iniciales de la zona de estudio; para esto se utilizó el Atlas Cartográfico de los Océanos y Costas suministrado por la Dirección General Marítima (DIMAR, 1997) y elaboradas por el Centro de Investigaciones Oceanográficas e Hidrográficas CIOH y la batimetría de detalle del sector de Manzanillo(realizada por Batiestudios S.A.S, en octubre de 2013) (ver Figura 4.41 y Figura 4.42a). Las cartas náuticas que contienen la zona de estudio son 042, 255, 256, 261, 263 y ) la segunda batimetría o condición final, tiene en cuenta la ampliación del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo; para esto se utilizaron los insumos de la batimetría inicial y se sobrepuso el diseño final de la ampliación que se pretende realizar en la zona de estudio (ver Figura 4.42b). El procesamiento de las batimetrías se realizó con ayuda Sistema de Modelado Costero de Colombia (SMC-COL) y el software Matlab. De la interpolación de las cartas náuticas y las batimetrías de detalle, se obtuvo una batimetría para la zona de estudio, con sistema de proyección de Mercator (WGS 84) (Figura 4.41). GAT CA-PT-PROC

51 Figura 4.41 Batimetría general interpolada de las cartas náuticas usada para la propagación del oleaje. GAT CA-PT-PROC

52 a) Batimetría Inicial Condiciones actuales del canal de Cartagena en el sector Manzanillo. Realizada por Batiestudios S.A.S, en octubre de b) Batimetría Final Canal de Cartagena en el sector de Manzanillo con las ampliaciones. Realizada a partir de la información entregada por Batiestudios S.A.S y modificada por Aqua&Terra Consultores asociados S.A.S Figura 4.42 Batimetría de detalle del canal de Cartagena en el sector Manzanillo. a) batimetría inicial (condiciones actuales) y b) batimetría final (diseño de las ampliaciones del canal). GAT CA-PT-PROC

53 4.5 HIDRODINÁMICA DE LA ZONA DE ESTUDIO La propagación del oleaje se realizó con el fin de obtener una caracterización del oleaje (altura significante y dirección) en el área de estudio establecida para la ampliación del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, que permita conocer el comportamiento del oleaje en la zona de estudio y adicionalmente establecer el oleaje de diseño de la ampliación del canal. Los casos de propagación permiten obtener una imagen cualitativa y cuantitativa del proceso de propagación desde profundidades indefinidas hasta la zona de estudio, permitiendo detectar zonas de concentración o dispersión del oleaje, conocer el ángulo de incidencia del oleaje y su altura (magnitud) una vez ha pasado por los diferentes procesos que sufre el oleaje al acercarse hacia la costa. En el marco de esta ampliación del canal, se estudiaron dos tipos de propagaciones: La primera permite determinar el régimen medio de oleaje en la zona de estudio, ya que de éste depende en gran medida la operatividad del canal en cuanto a la maniobrabilidad de los buques, y la segunda tiene como interés conocer las condiciones más desfavorables (régimen extremal) a las que va a estar sometida el canal, con el fin de determinar los parámetros de diseño de las ampliaciones. Este estudio se realizó con ayuda del modelo SWAN y del Sistema de Modelado Costero de Colombia (SMC-COL), ajustado a las batimetrías de las costas colombianas por el Grupo de Investigaciones Oceanográficas y Costeras de la Universidad de Cantabria (GIOC), con la ayuda de la Dirección General Marítima (DIMAR). El SMC-COL integra una serie de modelos numéricos, que permiten dar un soporte práctico a la correcta aplicación de la metodología de trabajo para la Ingeniería Costera Descripción de los modelos de propagación SMC MOPLA El Mopla es un programa que permite, a corto plazo, simular en regiones costeras la propagación de oleaje desde profundidades indefinidas hasta la línea de costa. El GAT CA-PT-PROC

54 Mopla además permite analizar aspectos como propagación de oleaje, caracterizar el sistema de corrientes en la costa, realizar el estudio de la evolución morfológica de una playa, entre otros. El Mopla se compone de seis modelos numéricos, los cuales se han organizado en dos grupos: Aquellos que modelan los procesos asociados a la propagación de un tren de ondas monocromáticas y otros que modelan la propagación de un estado de mar representado mediante un espectro de energía del oleaje. Los modelos monocromáticos no caracterizan adecuadamente los estados de mar debido a que solo asumen una sola onda, produciendo sobrestimaciones en el cálculo. Además, no caracterizan el comportamiento de los patrones de oleaje, pero sin embargo tienen como ventaja que producen resultados rápidos. Los modelos espectrales sirven para el modelado de eventos extremos (cálculo de alturas de ola), por lo que son útiles en el diseño de estructuras. Los modelos numéricos (cada uno de ellos en modelado monocromático y espectral) que componen Mopla son los siguientes: - Oluca: Modelo parabólico de propagación de oleaje. - Copla: Modelo de corrientes en playas inducidas por la rotura del oleaje, desarrollado por el Grupo de Ingeniería Oceanográfica y de Costas, GIOC, de la Universidad de Cantabria - Eros: Modelo de erosión-sedimentación y evolución de la batimetría en playas. Para la propagación del oleaje en el modelo Oluca se deben tener las siguientes consideraciones: 1. Fluido: no viscoso, incompresible, densidad constante. 2. Flujo: irrotacional, estacionario. GAT CA-PT-PROC

55 3. Dinámicas: presión constante en la superficie libre, no se considera la acción del viento, no se considera la acción de la aceleración de Coriolis. 4. Contornos: fondo con pendiente suave. 5. Propagación: no lineal (modelo no lineal Stokes-Hedges), considerando que las ondas se propagan en una dirección principal. El modelo Oluca Espectral (OLUCA-SP) fue utilizado para este DAA para evaluar la propagación del oleaje desde profundidades indefinidas hasta la línea de costa. Éste tiene en cuenta fenómenos tales como asomeramiento, refracción, difracción y disipación de energía, resolviendo la fase y basando sus cálculos en las ecuaciones de balance de cantidad de movimiento y flujo de masa. El modelo requiere como dato de entrada en el contorno exterior (profundidad indefinida) un estado de mar direccional, caracterizado por un espectro bidimensional, discretizado en componentes frecuenciales y direccionales, las cuales son propagadas de manera simultánea 9. Cabe anotar que los cálculos realizados están enmarcados dentro del análisis de corto plazo en las playas 10, por medio del cual es posible detectar zonas de concentración o expansión de energía de oleaje 11. En cuanto a la parte dinámica, el modelo OLUCA-SP tiene en cuenta condiciones de presión constante en la superficie libre y no considera la acción del viento y la aceleración de Coriolis. Los contornos del modelo trabajan bajo condiciones de pendiente suave; allí la propagación se realiza en dirección del eje X, mediante una 9 GRUPO DE INGENIERÍA OCEANOGRÁFICA Y DE COSTAS (GIOC). Documento de referencia - Dinámicas. Ministerios de Medio Ambiente y Universidad de Cantabria. Santander p. 10 GRUPO DE INGENIERÍA OCEANOGRÁFICA Y DE COSTAS (GIOC). Modelo de Propagación de Oleaje OLUCA SP Manual de referencia. Universidad de Cantabria. Santander p. 11 TEJADA, C. E. Clima marítimo de la bahía de Tumaco: un caso de aplicación del sistema de modelado integral de zonas costeras en Colombia. Santander. 2002, 44 p. Tesis de maestría (Master en Ciencias y Tecnologías para la Gestión de la Costa). Universidad de Cantabria. GAT CA-PT-PROC

56 aproximación parabólica que incluye refracción-difracción con interacción olacorriente 12. Por último, es necesario tener en cuenta que el modelo OLUCA-SP ha sido diseñado principalmente para ser aplicado en zonas costeras y playas y que no es aplicable en casos donde la reflexión es un fenómeno importante, por ejemplo el caso de resonancia y agitación en puertos 13. Con respecto al número de subdivisiones en las mallas y el número de frecuencias tanto espectrales como direccionales, el modelo presenta restricciones que fueron tenidas en cuenta para el proyecto Modelo SWAN El SWAN (Simulating WAves Near shore) es un modelo de tercera generación, basado en la energía espectral de la onda. Fue desarrollado como una extensión de los modelos de tercera generación para aguas profundas como el WAM y el WAVEWATCH, por el equipo de ingenieros de la Universidad Tecnológica de Delft. El SWAN es un modelo Euleriano y se basa en la ecuación de balance de acción de la onda o balance energético en ausencia de corrientes considerando todas las fuentes y sumideros. El espectro que se considera en SWAN es el espectro de densidad de acción de la onda N (σ, θ) en lugar del espectro de la densidad de energía E (σ, θ), ya que en la presencia de las corrientes, la densidad de la acción se conserva mientras que la densidad de la energía no 14 (WHITHAM, 1974) Ecuaciones de gobierno Las variables independientes son la frecuencia relativa σ (como se observa en un marco de referencia en movimiento con velocidad de la corriente) y la dirección de la 12 KIRBY J. T y DALRYMPLE. An approximate model for nonlienar dispersión in a monochromatic wave propagation models. En: Coastal enginering, 9, 6 (1986); GIOC (2002). Manual de referencia. Op cit. 14 Whitham, G. B., 1974: Linear and Nonlinear Waves. John Wiley and Sons, 636 pp. GAT CA-PT-PROC

57 ola θ (la dirección normal a la cresta de la ola de cada componente espectral). La densidad de acción de la onda es igual a la densidad de energía dividida por la frecuencia relativa: Dónde: E(σ, θ) = Densidad de energía (Energía Cinética + Energía Potencial por unidad de superficie, es decir el área bajo la curva espectral) σ = Frecuencia relativa La ecuación que gobierna el modelo SWAN es la ecuación de balance de acción de la onda: Donde: N (σ, θ) = Densidad de acción de la onda C g = Velocidad de fase o de grupo (Velocidad de propagación) en el espacio (x, y, σ, θ) θ = Dirección de la onda S = Fuente y sumideros de energía Los términos fuentes se expresan por: Donde los términos en el lado derecho de la ecuación son, los datos de entrada: el viento, interacciones triples de onda-onda e inter acciones cuádruples onda-onda, whitecapping, fricción por fondo, rotura por fondo, respectivamente. A continuación se muestran algunas aproximaciones numéricas implementadas en el modelo SWAN para resolver cada uno de estos términos. GAT CA-PT-PROC

58 Disipación por viento (S in): Donde A describe el crecimiento lineal de la onda por el viento y BE describe el crecimiento exponencial de la onda por el viento. Disipación por whitecapping (S ds,w): Las formulaciones del Whitecapping se basan en el modelo del pulso 15, adaptado por el grupo 16 : Donde es un coeficiente que depende del peralte de la ola, k es el número de onda, ~k y ~ son el número de onda promedio y la frecuencia relativa promedio respectivamente. Disipación fricción por fondo: La disipación por la fricción por fondo se puede describir por la siguiente expresión 17 : 15 Hasselmann, K. (1974). On the spectral dissipation of ocean waves due to white capping. Boundary-Layer Meteorology, 6(1-2), WAMDI group (1988). The WAM model-a third generation ocean wave prediction model. Journal of Physical Oceanography, 18(12), Bertotti, L. and Cavaleri, L., 1994, "Accuracy of wind and wave evaluation in coastal regions", Proc. 24th Int. Conf. Coastal Engineering, ASCE, GAT CA-PT-PROC

59 Donde C b, es el coeficiente de fricción por fondo. Disipación rotura por fondo: El modelo se basa en las formulaciones propuestas por (BATTJES Y JANSSEN, 1978) 18, los cuales asumen un modelo de propagación por bore. Esta disipación se describe mediante la siguiente expresión: Donde D tot es la tasa de disipación de energía total por rotura y E tot es la energía total de la onda. Disipación asociada a las interacciones triples y cuádruples de ondaonda: El modelo para poder resolver la transferencia de energía entre onda y onda cuando el oleaje se va propagando, se basa en estas formulaciones para poder describir este proceso de transferencia de energía entre onda y onda (fenómeno de resonancia entre ondas). Entonces para resolver este proceso en aguas profundas o intermedias, se basa en la interacción cuádruple de onda onda y para aguas someras la interacción triple de onda-onda. El modelo SWAN es capaz de resolver correctamente los siguientes procesos físicos relacionados con la generación y transformación del oleaje: Disipación y generación de ondas: - Whitecapping - Rotura por fondo - Disipación por fricción de fondo 18 Battjes, J.A. and Janssen, J.P.F.M., 1978, "Energy loss and set-up due to breaking of random waves", Proc. 16th Int. Conf. Coastal Engineering, ASCE, GAT CA-PT-PROC

60 - Interacción ola-ola en aguas profundas y aguas someras - Generación por viento Propagación: - Propagación a través de un espacio geográfico - Refracción debido a las variaciones espaciales por el fondo y las corrientes - Difracción (Refracción Difracción) - Asomeramiento debido a las variaciones espaciales por el fondo y las corrientes - Bloqueo y reflexión por oposición de las corrientes - Reflexión por transmisión y bloqueo sobre los obstáculos Mallas de propagación Para la modelación se prepararon diferentes mallas que permitiesen definir el entorno de incidencia del oleaje en la zona de interés. Se utilizó la batimetría interpolada como malla general y se utilizó el modelo SWAN; las mallas de detalle utilizadas para el modelo Oluca se muestran en las Figura 4.43 y sus coordenadas, tamaño y número de nodos en la Tabla Como se mencionó anteriormente, el tamaño de las mallas pretende cubrir la zona de interés a nivel regional, de forma que se pueda caracterizar la zona y la energía incidente procedente del oleaje en todo el dominio. Tabla 4.10 Datos de las mallas utilizadas en la propagación de los casos Nombre Modelo de Propagación Origen X, Origen Y Ángulo ( ) Tamaño de celdas (m) Nodos Malla general SWAN , x x 300 Malla detalle OLUCA , x x 188 GAT CA-PT-PROC

61 a) Malla General b) Malla de detalle Figura 4.43 Mallas utilizadas para propagar el oleaje desde aguas profundas a la zona de estudio. GAT CA-PT-PROC

62 4.6 RESULTADOS DE LA PROPAGACIÓN DEL OLEAJE Luego de propagar cada uno de los casos antes mencionados, se procedió a realizar el análisis de la dinámica del oleaje en el punto de interés, para determinar el oleaje de diseño de la ampliación de canal Cartagena en el sector Manzanillo. El análisis se realizó en primera instancia, para los casos de oleaje correspondientes al régimen medio y en una segunda instancia, para los casos de oleaje extremales que se muestran en la Tabla 4.6, Tabla 4.7, Tabla 4.8 y Tabla 4.9. Sector Manzanillo Figura 4.44 Ubicación del punto de interés para el diseño de la ampliación del canal Cartagena en el sector Manzanillo. GAT CA-PT-PROC

63 4.6.1 Resultados de la propagación para los casos del régimen medio Época Húmeda En la Figura 4.45 se muestra el resultado de la propagación del oleaje para la época Húmeda (A-S-O-N) en las condiciones iniciales, el cual tiene una altura de ola significante de 1.99 m en profundidades indefinidas, periodo de pico de 9 s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NE, la cual es la dirección predominante del oleaje. Figura 4.45 Caso #1 Hs=1.99m Tp=9.0s Dir=NE Época húmeda. Condición inicial. GAT CA-PT-PROC

64 De esta figura podemos observar como la bahía de Cartagena se encuentra abrigada para los oleajes provenientes de esta dirección, por Punta Canoas. Para llegar a inmediaciones de la bahía de Cartagena, el oleaje sufre unos procesos de refracción, difracción y disipación de fondo ocasionados por la plataforma continental, los cuales reducen su energía de 1.99 m en aguas profundas a casi 1 m, en el sector de la escollera. La isla de Tierra Bomba constituye una barrera de protección, impidiendo que gran cantidad de la energía del oleaje ingrese a la bahía de Cartagena. De esta figura también podemos ver como la escollera ubicada en Bocagrande y los islotes ubicados en Bocachica, actúan como disipadores de energía del oleaje, reduciendo gran parte de la energía que logra entrar en la bahía de Cartagena. Las condiciones anteriores hacen que, en el interior de la bahía de Cartagena, las condiciones más críticas del oleaje se presenten para los oleajes que se generan al interior de la bahía y que dependen de la época del año en el cual se presentan. Al sur de la bahía de Cartagena para esta época climática, se observa un oleaje que tienen una dirección SO que se mantiene hasta la parte central de la bahía. En la zona norte de la bahía, confluyen los oleajes provenientes del sur de la bahía con los que logran entrar a través de la escollera, los cuales sufren un efecto de difracción y cambian de dirección (NNO a ESE) mientras se adentran en la Bahía de Cartagena Época Seca En la Figura 4.46 se muestra el resultado de la propagación del oleaje para la época Seca (D-E-F-M) en las condiciones iniciales, el cual tiene una altura de ola significante de 2.90 m, periodo de pico de 9 s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NE, la cual es la dirección predominante del oleaje en aguas profundas, para esta época. GAT CA-PT-PROC

65 Figura 4.46 Caso #5 Hs=2.90m Tp=9.0s Dir=NE Época seca. Condición inicial. De esta figura podemos observar como la bahía de Cartagena se encuentra abrigada de los oleajes que se generan en aguas profundas, como se mencionó anteriormente; ya que, antes de llegar a la bahía, el oleaje sufre un proceso de difracción inducido por la punta, lo que conlleva a que se produzca una reducción de la energía del oleaje. Además, se puede observar que adicionalmente al efecto anteriormente mencionado, los efectos de refracción y una disipación debida al fondo oceánico ayudan a la reducción de la energía del oleaje considerablemente. GAT CA-PT-PROC

66 Se aprecia la protección tan importante de la isla de Tierra Bomba, la cual evita que los oleajes entren con toda su energía al interior de la bahía. De la figura anterior podemos ver como el oleaje disipa energía al intentar entrar por el sector de Bocagrande y por el sector de Bocachica como ya se mencionó. Al interior de la bahía de Cartagena el oleaje predominantes es un oleaje tipo Sea, muy poco energético, ya que por su condición cerrada y el poco fetch, el oleaje no alcanza a desarrollarse completamente. En el sur de la bahía la dirección predominante de oleaje para esta época es NE y tiene una magnitud que va desde 0,5 m a 0,95 m de altura. Al norte de la bahía podemos apreciar un oleaje con una altura entre 0,6 m y 0,9 m de altura, pero con una dirección N, debido a la energía que logra atravesar la escollera que empuja el oleaje hacia el centro de la bahía Resultados de la propagación para los casos del régimen extremal Propagación del caso extremal número 6, correspondiente a la dirección NE y con periodo de retorno de 50 años En la Figura 4.47 se muestra el resultado de la propagación del oleaje extremal para un periodo de retorno de 50 años y con una dirección predominantes de NE, en las condiciones iniciales, el cual tiene una altura de ola significante de 3.80 m, periodo de pico de 10 s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NE. GAT CA-PT-PROC

67 Figura 4.47 Caso extremal #6 Hs=3.80m, Tp=10s y dir=ne Condición Inicial. De la figura anterior podemos ver como gran parte de la energía que tenía el oleaje en aguas profunda, se ha ido disipando a medida que se acerca a la Bahía de Cartagena, debido a los procesos de refracción y difracción del oleaje. Se aprecia como la escollera en Bocagrande y los bajos presentes en Bocachica, disipan otra gran parte de la energía del oleaje. Al sur de la bahía de Cartagena se puede apreciar que el oleaje generado al interior de la bahía, predomina con respecto al oleaje que logra entrar en la bahía por el sector de Bocachica. En la zona norte de la Bahía de Cartagena se puede apreciar que al interior de la bahía, logra entrar una parte de la GAT CA-PT-PROC

68 energía que trae el oleaje de aguas profundas. En el sector de Manzanillo y en especial la bahía interna de Cartagena, se puede apreciar que el oleaje que predomina es el oleaje generado al interior de la bahía y que por su poca longitud de desarrollo solo alcanza a tener una magnitud de 0.3 m de altura significante de ola aproximadamente Propagación del caso extremal número 8, correspondiente a la dirección NNE y con periodo de retorno de 50 años En la Figura 4.48 se muestra el resultado de la propagación del oleaje extremal para un periodo de retorno de 50 años y con una dirección predominantes de NNE, en las condiciones iniciales, el cual tiene una altura de ola significante de 4.22m, periodo de pico de 10s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NNE. GAT CA-PT-PROC

69 Figura 4.48 Caso extremal #8 Hs=4.22m, Tp=10s y dir=nne Condición Inicial. De la figura anterior podemos observar un comportamiento similar al que se mostró en la Figura 4.47, en donde la energía que tiene el oleaje en agua profundas, se ha disipado en su mayor parte por fenómenos de refracción y difracción del oleaje y además, por efectos de rotura del oleaje en el sector de la escollera y los bajos de Bocachica. Al interior de la bahía el oleaje predominante es el que se genera al interior por la condiciones de viento, el cual tienen una dirección suroeste. En el sector de Manzanillo y Bahía interna se puede apreciar que el oleaje predominante es el GAT CA-PT-PROC

70 generado por los viento al interior de la bahía, el cual tiene una dirección sur y una magnitud de 0.34 m de altura de ola significante aproximadamente Propagación del caso extremal número 9, correspondiente a la dirección NW y con periodo de retorno de 50 años En la Figura 4.49 se muestra el resultado de la propagación del oleaje extremal para un periodo de retorno de 50 años y con una dirección predominantes de NW, en las condiciones iniciales, el cual tiene una altura de ola significante de 3.38m, periodo de pico de 10s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NW. Figura 4.49 Caso extremal #9 Hs=3.38m, Tp=10s y dir=nw Condición Inicial. GAT CA-PT-PROC

71 De la figura anterior podemos ver que el sector de Manzanillo se encuentra protegido del oleaje que proviene de aguas profundas, por la escollera y por el sector de Castillo Grande, ya que por procesos de refracción y difracción del oleaje, la energía que logra entrar al canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, es muy poca. Se aprecia que para este sector, las condiciones más desfavorables de oleaje que se presentan, se dan por el oleaje que se genera al interior de la bahía de Cartagena por efecto del viento en la época húmeda; debido a que, para esta época, el viento tiene una longitud de desarrollo mucho mayor y por ende la altura de ola es mucho mayor. En el sector de la Escollera podemos ver que los valores de altura de ola pasan de 2,2 m a 1,0 m, lo que significa que para esta dirección, en este sector, se presenta rotura de oleaje y es por eso que se presenta esta disipación de energía. Para este caso de oleaje podemos ver que la entrada de energía a Bahía interna solo se presenta por el sector de comprendido entre Castillo Grande e Isla Manzanillo. Debido a que este caso de oleaje es el más crítico para la ampliación del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo, a continuación se presenta la modelación a nivel de detalle para este sector (ver Figura 4.50). GAT CA-PT-PROC

72 Punto de inicio del canal a dragar Figura 4.50 Resultado del modelo OLUCA, para el caso extremal #9, en la batimetría de detalle. De la figura anterior podemos apreciar el comportamiento del oleaje en la zona de estudio. Podemos observar como el oleaje que entra, por el sector comprendido entre Castillo Grande e Isla Manzanillo, a la bahía interna tiene una magnitud muy baja, debido a que es un oleaje generado dentro de la bahía por los vientos de la época húmeda y con poca longitud de desarrollo. Se puede ver que el oleaje entra a la bahía interna muy homogéneamente y por efecto del bajo de virgen, se produce un asomeramiento del oleaje, el cual alcanza una magnitud de 0.45 m. Este valor se da por asomeramiento del oleaje en el sector del bajo de la virgen y no tienen nada que ver con el oleaje de diseño del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo que es de 0.40 m. GAT CA-PT-PROC

73 En la figura anterior se puede observar que las magnitud del oleaje al interior de la bahía interna, son muy bajas y no logran sobrepasar los 0.50 m de altura Oleaje de Diseño La condición más crítica para el sector de Manzanillo, en cuanto oleaje, se genera por las condiciones de viento que se presentan al interior de la bahía de Cartagena, para la época húmeda, en la cual el oleaje entra por el sur de bahía Interna con una magnitud de 0.40 m. Una vez propagado este oleaje al interior de la bahía interna, se presentan oleaje con una magnitud mayor, pero en zonas alejadas del canal de navegación Resultados de la propagación para los casos de régimen medio Condición futura del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo. A continuación se presentan los resultados de las propagaciones para el régimen medio, en la condición futura del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, es decir, después de la ampliación y profundización del canal Época Húmeda En la Figura 4.51 se muestra el resultado de la propagación del oleaje para la época Húmeda (A-S-O-N) en las condiciones finales del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, el cual tiene una altura de ola significante de 1.99 m en profundidades indefinidas, periodo de pico de 9 s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NE, la cual es la dirección predominante del oleaje. GAT CA-PT-PROC

74 Figura 4.51 Caso #1 Hs=1.99m Tp=9.0s Dir=NE Época húmeda. Condición Final. De la figura anterior podemos ver que en general las condiciones en la bahía de Cartagena, en la escollera, en el sector de Bocachica y al exterior de la bahía son iguales. Se puede apreciar que el oleaje que llega a la bahía, después de disipar energía por difracción y refracción, llega con una magnitud cercana a los 0,9 m, esto significa una disminución de la energía si se compara con la energía del oleaje en aguas profundas. Para este caso de oleaje se evidencia que al interior de la bahía de Cartagena las condiciones de oleaje no cambiaron con relaciona a la condición inicial y se ve que el oleaje dominante es el generado dentro de ella. GAT CA-PT-PROC

75 Para este caso propagado no se evidencian cambios significativos en las condiciones de oleaje, por lo que no se esperan cambios importantes en la dinámica litoral de la bahía, ni de sus alrededores Época Seca En la Figura 4.52 se muestra el resultado de la propagación del oleaje para la época Seca (D-E-F-M) en las condiciones finales del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, el cual tiene una altura de ola significante de 2.90 m, periodo de pico de 9 s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NE, la cual es la dirección predominante del oleaje en aguas profundas, para esta época. Figura 4.52 Caso #3 Hs=2.90m Tp=9.0s Dir=NE Época seca. Condición Final. GAT CA-PT-PROC

76 En la figura anterior podemos observar un comportamiento similar al presentando en la figura del caso de la época húmeda, donde no se evidencian cambios relevantes en la dinámica litoral de la Bahía de Cartagena, por efectos de la ampliación y profundización de la canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo. Se evidencia que la Bahía esta resguardada para los oleajes provenientes de esta dirección, debido a que antes de llegar a inmediaciones de ella, el oleaje ha disipado gran parte de su energía en los procesos de difracción y refracción. Podemos ver al interior de la bahía de Cartagena, el oleaje predominante es un oleaje local, generado por el viento que sopla al interior de esta Resultados de la propagación para los casos de régimen extremal Condición Futura del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo Propagación del caso extremal número 8, correspondiente a la dirección NE y con periodo de retorno de 50 años En la Figura 4.53 se muestra el resultado de la propagación del oleaje extremal para un periodo de retorno de 50 años y con una dirección predominantes de NE, en las condiciones futuras del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, el cual tiene una altura de ola significante de 3.80 m, periodo de pico de 10 s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NE. GAT CA-PT-PROC

77 Figura 4.53 Caso extremal #8 Hs=3.80m, Tp=10s y dir=ne Condición Final. De la figura anterior podemos apreciar que a los sectores de Bocagrande y Bocachica, llega un oleaje que ha sido disipado por la difracción y por refracción del con el fondo oceánico, al acercarse a estor sectores. Se puede observar que por el sector de Bocagrande logra entrar un oleaje con mayor energía, que el que logra entrar por el sector de Bocachica. Adicionalmente, se puede ver que el oleaje predominante al interior de la bahía de Cartagena, es el oleaje que se genera localmente por viento. En el sector de Manzanillo y de bahía Interna se puede apreciar unas condiciones muy similares a las que se presentan actualmente, por lo que no se esperan cambios significativos sobre la dinámica litoral del sector de estudio. GAT CA-PT-PROC

78 Propagación del caso extremal número 10, correspondiente a la dirección NNE y con periodo de retorno de 50 años En la Figura 4.48 se muestra el resultado de la propagación del oleaje extremal para un periodo de retorno de 50 años y con una dirección predominantes de NNE, en las condiciones futura del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, el cual tiene una altura de ola significante de 4.22m, periodo de pico de 10s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NNE. Figura 4.54 Caso extremal #10 Hs=4.22m, Tp=10s y dir=nne Condición Final. GAT CA-PT-PROC

79 En el canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, para este caso de propagación, no se evidencian cambios significativos entre la condición inicial y la condición futura del canal, lo que demuestra que la influencia del canal de esta ampliación al largo plazo no genera mayores cambios en la dinámica litoral del sector de Manzanillo y mucho menos en otros sectores de la bahía de Cartagena Propagación del caso extremal número 11, correspondiente a la dirección NW y con periodo de retorno de 50 años En la Figura 4.49 se muestra el resultado de la propagación del oleaje extremal para un periodo de retorno de 50 años y con una dirección predominantes de NW, en las condiciones futuras del canal de acceso a la Bahía de Cartagena, sector de Manzanillo, el cual tiene una altura de ola significante de 3.38m, periodo de pico de 10s, nivel de marea de 0.20 m y dirección de propagación NW. GAT CA-PT-PROC

80 Figura 4.55 Caso extremal #11 Hs=3.38m, Tp=10s y dir=nw Condición Final. De la figura anterior podemos apreciar que la dirección de este caso extremal es la más crítica para la bahía de Cartagena. Se pude observar que el oleaje que proviene de aguas profundas disipa menos energía, por efectos de refracción y difracción, que los provenientes de las direcciones predominantes. En el sector de Manzanillo, se puede ver que el oleaje predominante, es el que se genera al interior de la bahía, y el cual posee una magnitud de 0.4 m aproximadamente. GAT CA-PT-PROC

81 4.7 CORRIENTES POR ROTURA Como bien se sabe, la rotura del oleaje genera corrientes adicionales que se manifiestan a través del tensor de radiación, las cuales se deben estimar para evaluar los efectos que tendría el proyecto sobre el litoral circundante a este. Para conocer su comportamiento, es necesario utilizar un modelo que determine el tensor de radiación del oleaje a partir de los resultados obtenidos de altura e incidencia del oleaje obtenidos en la propagación, calculando el campo de corrientes y niveles debido a dichos tensores de radiación. Dicho modelo es el COPLA, desarrollado por el Grupo de Ingeniería Oceanográfica y de Costas, GIOC, de la Universidad de Cantabria. Para caracterizar el campo de corrientes de la zona de estudio, se seleccionó el caso de oleaje que se supera doce horas año, para la dirección más predominante en aguas profundas, con el fin de establecer las condiciones a las que estaría sometida la zona cercana a la ampliación y profundización del canal de Cartagena en el sector Manzanillo y así estimar el comportamiento de las corrientes en presencia de las obras de ampliación del canal. A continuación se muestran las mallas de propagación utilizadas para estimar corrientes de oleaje. Tabla 4.11 Datos de mallas utilizadas en el modelo Oluca y Copla Nombre Origen X, Origen Y Angulo Tamaño celdas (m) [Nodos] M , x x 188 GAT CA-PT-PROC

82 M1 Figura 4.56 Mallas para la propagación de corrientes. M1, malla sobre batimetría con la condición actual y futura para oleaje extremal. Los casos que se escogieron para estimar las corrientes en rotura, fue el caso de oleaje que solo se supera doce horas al año, para la dirección predominante (Caso #3). A continuación se muestran los casos seleccionados y las mallas asociadas a cada uno de ellos. Tabla 4.12 Caso seleccionado para estimar las corrientes por rotura del oleaje # Caso Malla Dirección Oleaje Hs Tp Estado 3 A2 S Hs12 del NE Actual 3 A2 S Hs12 del NE Futura GAT CA-PT-PROC

83 El caso ejecutado para estimar las corrientes por rotura del oleaje, corresponde a las condiciones que más se presentan en la zona de estudio y la condición más crítica, para la zona de estudio. A continuación se analizan las corrientes por rotura en la zona del proyecto Convergencia del modelo Corrientes En la siguiente figura se muestra el tiempo que se demora el modelo COPLA en converger a la solución. Figura 4.57 Timepo de convergencia del modelo de corriente. De la figura anterior podemos apreciar que el tiempo elegido de 1500 s, es indicado para lograr la convergencia del modelo de corrientes. GAT CA-PT-PROC

84 4.7.2 Zona de estudio En la siguiente figura se muestran los resultados de las modelación de corrientes por rotura del oleaje, para el caso #3, el cual tiene una dirección NE y una altura significante de ola de 2.90 m, en aguas profundas para la condición actual del canal de Manzanillo. Los resultados se muestran para el sector de Manzanillo. Figura 4.58 Corrientes por rotura del oleaje. Caso #3. Condición Actual del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo De la figura anterior podemos apreciar que las corrientes por rotura del oleaje, en el sector de Manzanillo, poseen una magnitud máxima de m/s, lo cual en términos hidrodinámicos son despreciables para generar cambios sobre la morfodinámica de la zona de Bahía interna. Las magnitudes que se aprecian en esta figura, se deben a que la energía de oleaje que logra entrar a bahía interna es muy poca. GAT CA-PT-PROC

85 En la siguiente figura se muestran los resultados de las modelación de corrientes por rotura del oleaje, para el caso #3, el cual tiene una dirección NE y una altura significante de ola de 2.90 m, en aguas profundas para la condición futura del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo. Los resultados se muestran para el sector de Manzanillo. Figura 4.59 Corrientes por rotura del oleaje. Caso #3. Condición Futura del canal de Cartagena en el sector de Manzanillo De la figura anterior podemos identificar que las mayores magnitudes de corrientes por rotura del oleaje se dan en el sector de Isla de Manzanillo, donde las corrientes tienen un valor de 0.04 m/s. En el sector del bajo de la Virgen se aprecian velocidades de corrientes que no superan los 0.015m/s. De esta figura podemos apreciar que las corrientes por rotura del oleaje en el sector de Manzanillo, tienen una magnitud muy baja y no se esperan cambios morfodinamicos del sector asociados a esta variable. GAT CA-PT-PROC

86 Diferencias en corrientes por rotura Se presentan las diferencias en corrientes respecto a la situación actual del canal Cartagena en el sector de Manzanillo. De estas figuras se puede ver que no se presentan cambios en corrientes por rotura del oleaje. Por todo lo anterior se puede considerar que la ampliación y profundización del canal, propuestas no alteran la dinámica litoral del sector de Manzanillo. Figura 4.60 Diferencias entre las corrientes actuales y futuras del Canal de Cartagena en el sector de Manzanillo Fuente: Elaborado por Aqua & Terra Consultores Asociados S.A.S. GAT CA-PT-PROC