Resumen

Mediante un modelo físico a escala se analizó cualitativamente el efecto de una propuesta de modificación al rompeolas del puerto de Ensenada, Baja California, para atenuar la agitación del agua dentro de la rada. Las observaciones sugieren que modificar el rompeolas podría cambiar los patrones de corrientes y transporte litoral con posibles resultados adversos al originar un proceso erosivo en la playa municipal. Bajo esta perspectiva, el impacto social sería importante para el principal uso de esta zona, que actualmente es lúdico y de esparcimiento.

Palabras clave: puertos, rompeolas, procesos costeros, transporte litoral.

Abstract

With the aim of minimize wave agitation inside the harbor of Ensenada, Baja California, a proposal of modifying the breakwater is analyzed using a qualitative physical model. Results suggests that breakwater alteration may affect longshore currents and sediment transport patterns, and may cause active erosion in the adjacent public beach. An important social impact could be expected for the recreational and educational value of the beach.

Key words: harbor, breakwater, coastal processes, longshore sediment transport.

Introducción

La agitación del agua en recintos portuarios es un problema común en todo el mundo, originando riesgos operativos y de tránsito interno. Este fenómeno es provocado por la oscilación de las olas dentro del puerto debido a factores como: la geometría del puerto o el clima marítimo. Durante episodios de intensa agitación se pueden producir daños por colisiones múltiples tanto en las estructuras del puerto, como entre las embarcaciones que se encuentran atracadas en él¹.

Los modelos físicos y numéricos de agitación dentro de un puerto son herramientas importantes para su diseño y modificación. En un modelo físico se reproducen a escala reducida las magnitudes más representativas de las variables del sistema o elemento a ensayar (dársena, dique, muelle, oleaje, entre otros), y en el modelo numérico se representan estas variables del sistema utilizando desarrollos matemáticos. Lejos de ser excluyentes, estas herramientas constituyen un conjunto de medios complementarios, cuya aplicación ordenada permite optimizar sus capacidades y utilizar sus sinergias en aras a alcanzar la mejor solución para el problema en estudio².

Los modelos físicos han sido ampliamente utilizados a nivel mundial desde hace varias décadas, con el fin de realizar estudios diversos relacionados con diseños portuarios³. Dentro de la gama de aplicaciones de los modelos hidráulicos en problemas portuarios, destaca su uso para analizar la agitación de agua⁴.

Los laboratorios de hidráulica que sobresalen por sus trabajos son: el laboratorio Waterways Experiment Station en Vicksburg, Mississippi, Estados Unidos; Delft Hydraulic Laboratory en Holanda; el Laboratoire Central d´Hydraulique de Francia; y el NEYRPIC Hydraulic Laboratory eb Grenoble, Francia⁵, entre otros. En México, las instituciones que resaltan por su trabajo con este tipo de modelos son la Secretaría de Comunicaciones y Transporte, la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México y el Instituto Politécnico Nacional.

A raíz de la construcción de una nueva terminal en el interior del puerto de Ensenada, B.C., se ha detectado un incremento en la agitación del agua, lo que ha provocado inseguridad en las actividades del puerto⁶, aparentemente como consecuencia de la construcción de una escollera fuera del abrigo del rompeolas principal, ocasionando la reflexión del oleaje al interior del puerto⁷. Basándose en los resultados de un modelo numérico, el mismo autor propone como solución al problema la prolongación del rompeolas principal (400 m con una dirección SE), de tal forma que proteja la escollera que produce la reflexión del oleaje.

Puesto que la modificación de una obra de protección costera puede impactar la dinámica sedimentaria y patrones de corrientes en las cercanías del proyecto, en este trabajo se presentan los resultados obtenidos a partir de los ensayos realizados en un modelo cualitativo a escala, en el cual se modelaron las modificaciones propuestas al rompeolas del puerto de Ensenada, B.C.

Material y métodos

Área de Estudio

El puerto de Ensenada, B.C. está localizado aproximadamente a 100 km al sur de la frontera México-EUA, sobre la margen noroeste de la Bahía de Todos Santos (BTS) (Fig. 1). Es un puerto de altura con un área de 1.98 km², protegido por un rompeolas de 1,640 m de longitud construido con rocas. Limita al norte con playas predominantemente rocosas, intercaladas con algunas playas de bolsillo donde el material va desde arenas hasta cantos rodados⁸. Al sur colinda con una extensa playa arenosa, donde desemboca el arroyo El Gallo⁹.

El puerto ofrece facilidades a buques de carga, pesqueros, turísticos y yates deportivos. Tiene 23 zonas de atraque, de las cuales siete son de uso público y siete áreas de almacenamiento. El canal principal tiene una longitud de 900 m y una profundidad de 13 m. La dársena de ciaboga es de 200 m y, entre 9.5 y 12 m de profundidad¹⁰.

El procedimiento general consistió en reproducir en el modelo físico los patrones de corrientes y transporte litoral actuales en las inmediaciones del puerto de Ensenada y contrastarlos con los patrones generados al introducir la modificación propuesta por Ortíz Figueroa⁷ al rompeolas, con el fin de vislumbrar las posibles alteraciones al patrón de circulación y transporte litoral y, predecir posibles impactos en las inmediaciones.

Figura 1. a) Localización de la Bahía de Todos Santos y puerto de Ensenada, B.C., b) Ampliación del área del puerto, c) Área propuesta para la modificación del rompeolas.

Modelo Físico Cualitativo

Utilizando como base una imagen satelital obtenida en el portal GOOGLE earth (2/13/2013), se generó un plano (escala 1:2864) que incluía la línea de costa y zona portuaria. Posteriormente se incluyó en el plano la batimetría (profundidad) desde la línea de costa (profundidad cero), hasta la profundidad de 15 m. La información batimétrica fue obtenida a partir de estudios realizados en el 2013.

El modelo físico se construyó en una cuba de 2.50 m de largo, 1.50 m de ancho y 30 cm de alto utilizada con fines docentes en el laboratorio de procesos costeros de la Facultad de Ciencias Marinas. Considerando el espacio disponible el plano se redujo lo necesario para que éste tuviese las mismas dimensiones de la cuba para ser colocado en el fondo de la misma. Tomando en cuenta el alto de la cuba se definió una escala vertical de 1:300. Con base en ésta escala se determinó la altura en centímetros a partir del fondo de la cuba que debería de existir para representar las profundidades plasmadas en el plano. A lo largo de cada línea de profundidad se colocaron, con ayuda de plastilina, palillos de madera con la longitud correspondiente. Una vez hecho esto para todo el plano, se vertió en la cuba arena de duna y se distribuyó de tal manera que al tacto solo se sintiera la punta de los palillos de madera. Posteriormente la superficie se cubrió con tela de fibra de vidrio y resina. Cuando la resina secó, se pintó el modelo de color blanco, se dibujó sobre él una cuadrícula con cuadros de 10 x 10 cm y se enumeraron los mismos con el fin de utilizarlos como referencia en el momento de describir los patrones de corrientes y transporte litoral (Figura 3). Las obras portuarias exteriores (rompeolas, espigón y modificación propuesta) fueron construidas con yeso (a escala) de manera independiente, esto permitió hacer varias corridas en el modelo variando las posiciones de las obras con el fin de reproducir los patrones de circulación y transporte con y sin la presencia de la modificación propuesta.

Figura 2. Construcción del modelo a escala del puerto de Ensenada y zonas aledañas.

Patrón de corrientes litorales

El patrón de corrientes litorales a reproducir en el modelo se infirió a partir del ángulo de arribo del oleaje a la costa. Para lo cual fue necesario obtener diagramas de refracción del oleaje para las direcciones de arribo de oleaje más comunes en la Bahía de Todos Santos (NW y SW), utilizando la metodología propuesta por el U.S. Coastal Engineering Research Center¹¹.

Patrón de transporte litoral

Se asumió que el patrón de corrientes litorales reflejaba el patrón de transporte litoral. Los patrones inferidos fueron contrastados con los propuestos por Aranda Manteca¹² con el fin de validarlos.

Figura 3. Batimetría y cuadrícula de referencia sobre la zona de estudio.

Reproducción en el modelo de las corrientes litorales

Una vez definidos los patrones de corrientes litorales en la zona de estudio se utilizaron bombas sumergibles y mangueras para reproducir en el modelo las corrientes litorales. El procedimiento consistió en encender la bomba y colocar las mangueras orientadas de tal forma que generaban un flujo similar al de las corrientes litorales actuales. Con la finalidad de apreciar claramente el patrón de corrientes en el modelo se utilizó un colorante verde en el agua llamado rodamina.

Reproducción en el modelo del patrón de transporte litoral

Una vez reproducidas las corrientes litorales en el modelo, se apagaba la bomba, se colocaba café de grano molido y nuevamente se encendía la bomba. La trayectoria descrita por el café se considera representativa del patrón de transporte litoral.

Calibración del modelo

Partiendo de la premisa que el modelo físico es cualitativo, no se escalaron magnitudes de tiempo, masa y velocidad. Se consideró que estaba calibrado cuando se reprodujeron los patrones de corrientes y transporte litorales estimados previamente en la zona de estudio.

Ensayos realizados

Los ensayos se realizaron considerando la configuración actual del rompeolas y la modificación propuesta. Cada ensayo tuvo una duración de 10 minutos, con el fin de poder contrastar las observaciones en un rango de tiempo similar. Se realizaron cuatro ensayos descritos en la tabla 1.

Tabla 1. Ensayos realizados en el modelo físico para determinar el patrón de corrientes y transporte considerando dos condiciones de oleaje y, la estructura del rompeolas actual y modificado.

ENSAYO	PATRÓN DE CORRIENTES Y TRANSPORTE LITORAL ASOCIADAS A OLEAJE DEL NW		PATRÓN DE CORRIENTES Y TRANSPORTE LITORALASOCIADAS A OLEAJE DEL SW
	CONDICIONES ACTUALES	CON MODIFICACIÓN PROPUESTA	CONDICIONES ACTUALES	CON MODIFICACIÓN PROPUESTA
1	X
2		X
3			X
4				X

Resultados

Los ensayos en el modelo se realizaron considerando que el oleaje que arriba a la BTS en dirección NW es representativo de las condiciones de verano, mientras que el oleaje que arriba con dirección SW de invierno.

Patrón de corrientes litorales por refracción de oleaje

Durante los meses de junio a septiembre, el patrón de refracción del oleaje muestra que el oleaje arriba a la BTS (Figura 4) principalmente del NW (ɵ=230º); en tanto que en los meses de octubre a diciembre (Figura 5) el oleaje arriba principalmente del SW (ɵ=230º, SW). En ambos casos las corrientes litorales generadas presentan un patrón similar; hacia el SE desde la zona de arranque hasta frente el rompeolas; mientras que al sur del mismo las corrientes fluyen en dirección NE (Figuras 4 y 5).

Figura 4. Patrón de refracción y corrientes litorales generadas en condiciones de oleaje de verano.

Figura 5. Patrón de refracción y corrientes litorales generadas en condiciones de oleaje de invierno.

Patrón de transporte litoral en el modelo físico

En este estudio se asume que el patrón de transporte litoral es similar al descrito por las corrientes litorales.

Ensayo 1: Oleaje de verano en condiciones actuales

La corriente litoral al igual que el transporte es en dirección SE a partir de la zona de arranque (inicio del rompeolas) del rompeolas hasta el morro (parte distal del rompeolas) del mismo. Parte de la corriente y sedimento penetran a la rada del puerto (Fig. 6), mientras que otra parte de la corriente continúa fluyendo en dirección a la playa municipal. Esta corriente cuando está próxima a la costa se bifurca en dos corrientes; una que fluye en dirección N y una en dirección S. La corriente que fluye en dirección N llega al espigón, donde gira hacia el W y posteriormente al SE, incorporándose nuevamente a la corriente principal en dirección a la playa municipal (Fig. 6). La corriente que fluye en dirección S a lo largo de la playa municipal es débil y en ambos casos el movimiento de sedimento describe el mismo patrón.

Figura 6. Patrón de corrientes y transporte litoral reproduciendo las condiciones de oleaje de verano y el estado actual del rompeolas.

Ensayo 2: Oleaje de verano modificando el rompeolas

La corriente y transporte litoral fluyen desde el arranque del rompeolas hasta el morro del mismo en dirección SE (Fig. 7), para desviarse en dirección S en el punto donde se modificó el rompeolas. La corriente continua en esa dirección hasta alcanzar la frontera de la cuba de modelación. El café alcanza a llegar hasta la profundidad (isobata) de 15 m. Lo notable es que no se observan corrientes ni evidencias de transporte tanto a la entrada al puerto como en la zona de la playa municipal.

Figura 7. Patrón de corrientes y transporte litoral en condiciones de oleaje de verano con la modificación al rompeolas.

Ensayo 3: Oleaje de invierno en condiciones actuales

Bajo estas condiciones no se perciben corrientes o transporte de sedimento significativo frente al rompeolas no siendo así en la zona de la playa municipal. La corriente y transporte litoral en esta zona es en dirección NW hasta alcanzar el espigón donde tanto la corriente como el transporte litoral cambian su sentido en dirección el W y posteriormente al S.

Figura 8. Patrón de corrientes y transporte litoral para dirección de arribo representativo para condiciones de invierno en condiciones actuales.

Ensayo 4: Oleaje de invierno con modificación al rompeolas

El comportamiento de la corriente litoral y transporte de sedimento fue similar al del ensayo 3.

Discusiones

El uso de modelos físicos implica varios retos, en nuestro caso el más importante fue la limitación de espacio en la cuba de modelación, lo cual no permitió generar corrientes costeras a partir la reproducción de los patrones de oleaje que arriban a la bahía. El problema principal que esto conlleva es la reflexión del oleaje en las paredes, lo que eventualmente genera resonancia en el agua, modificando sustancialmente el comportamiento de las corrientes en la cuba. Para resolver esto, se recurrió al uso de bombas sumergibles y mangueras para reproducir los patrones de corrientes y transporte litoral que ocurren naturalmente. En cuanto al manejo de escalas, las dimensiones del modelo no permiten realizar estimaciones cuantitativas de los procesos que en él se observan, por lo que solamente se pueden hacer inferencias cualitativas, las que se asumen como suficientes para cumplir el objetivo de este estudio. Esto se corroboró, ya que los patrones de corrientes y transporte litoral obtenidos de análisis de refracción para oleaje típico de verano e invierno concuerdan con los reportados por Aranda Manteca¹².

Al iniciar las pruebas en la cuba se hizo evidente la necesidad de utilizar un trazador para identificar el patrón de las corrientes, por lo que previamente se utilizaron pequeños flotadores de hule espuma. Sin embargo, por las irregularidades del modelo, estos se atoraban y, se decidió utilizar un colorante de rodamina (proporciona un color verde fluorescente a la masa de agua), lo que permitió apreciar claramente la trayectoria del flujo. Para identificar patrones de transporte litoral primeramente se utilizó sedimento de duna. Esto resultó impráctico porque se requería generar corrientes de gran magnitud para iniciar el movimiento de los granos, por lo que se optó por utilizar café de grano molido y lavado hasta que no se decolorara. Debido a la baja densidad de este material es más fácil ponerlo en movimiento para identificar la dirección de transporte del sedimento. Cabe mencionar que al reproducir en el modelo los patrones de corrientes y transporte litoral característicos en la zona de estudio previo a su modificación, confirma la utilidad del mismo para evaluar las posibles alteraciones de dichos patrones una vez que se ensaye con la transformación propuesta del rompeolas.

En el primer ensayo donde se replicaron las condiciones de verano y la configuración actual del rompeolas, la corriente que inicia en el arranque del rompeolas y que fluye en dirección SE eventualmente llega a la zona de la playa municipal, donde se bifurca para formar una corriente que fluye al NW y otra hacia el SE. Bajo este patrón resulta en un aporte y distribución de sedimento a lo largo de la playa. Este resultado no concuerda con lo reportado por Cruz Colín¹³, quién menciona que la corriente y sedimento que fluye a lo largo del rompeolas en dirección SE ingresa en su totalidad a la rada portuaria. Sin embargo, el estudio de Aranda Manteca¹² concuerda con los resultados observados en el modelo físico, lo que refuerza la hipótesis de un aporte sedimentario a la Playa Municipal asociado a esta corriente.

Para las mismas condiciones y modificando el rompeolas, ocurre un cambio en la dirección de la corriente a partir de la punta del mismo, de donde sigue una trayectoria hacia el sur franco, evitando que tanto la corriente litoral como el sedimento transportado arriben a la Playa Municipal. De acuerdo a Cruz Colín¹³, en la celda litoral donde se encuentra ubicada dicha playa, el suministro de sedimento por los arroyos Ensenada (33,569.87 m3/año) y El Gallo (17,464.70 m3/año), la boca del Estero de Punta Banda (63,618.00 m³/año) y el transporte eólico (72.08 m³/año), equivalen a un aporte de aproximadamente 114,724.65 m³/año. Las estadísticas indican que durante los últimos 5 años no se han presentado precipitaciones importantes, lo que significa que los aportes de los arroyos han sido prácticamente nulos y en este sentido, el volumen total aportado a la celda se reduciría a 63,690.08 m³/año. El mismo autor también reporta que el volumen de sedimento que sale de la misma celda es de 63,557.31 m3/año lo que significa que bajo estas condiciones el balance sedimentario es prácticamente 0 m³/año.

Si la celda tiene este balance, la modificación propuesta al rompeolas no permitiría o disminuiría sensiblemente el aporte sedimentario a la zona de la Playa Municipal, ya que esta corriente con flujo al SE a lo largo del rompeolas, de acuerdo al modelo alimenta la playa, y al desviarse daría lugar a un balance negativo que se podría traducirse en su erosión. Ante esta perspectiva, es de esperar una reducción en el ancho de la playa significaría comprometer sus tres funciones básicas: 1) Defensa de costa, 2) Hábitat para la flora y fauna silvestre y 3) Zona de esparcimiento y uso público. Como defensa de costa, se espera los procesos normales y extremos de oleaje la modelen de tal forma que su energía no llegue a dañar los bienes existentes tras de ella. Como hábitat de flora y fauna, en sus diferentes zonas (seca, húmeda y sumergida), al ser una zona de transición océano-tierra es un ecosistema frágil y de importante valor ecológico que hay que preservar y, en su caso, recuperar. Como zona de esparcimiento y uso público, la playa es el sitio por excelencia para el disfrute y bienestar de la población, especialmente en zonas urbanas, donde su uso lúdico y de ocio son las actividades primordiales prácticamente durante todo el año¹⁴. Por tanto, de acuerdo a los resultados del modelo, cabría esperar un impacto alto en caso de que se reduzca el ancho de la Playa Municipal de Ensenada como resultado de un proceso erosivo, máxime que de acuerdo a la percepción de usuarios es altamente valorada por las actividades de esparcimiento que en ella se realizan¹⁵.

Por otro lado, en condiciones de invierno, tanto en el estado actual como modificando el rompeolas, la corriente y transporte fluyen en dirección noroeste paralelo a la Playa Municipal hasta incidir en el espigón, sugiriendo así que la modificación propuesta no alteraría los patrones de corrientes y transporte litoral en la zona de la Playa Municipal.

Por tanto, aparentemente la propuesta de modificación del rompeolas del puerto de Ensenada como una alternativa para reducir la agitación del agua dentro de la rada, se basó en un análisis del comportamiento del oleaje y la simulación de su propagación al interior de la rada, pero no consideró el posible impacto en los patrones de corrientes y transporte litoral. Por ello, la modelación mediante un prototipo que simule los patrones actuales y esperados de corrientes y el transporte litoral bajo condiciones de oleaje de verano e invierno (Modelo Físico), proporciona una alternativa económica para prever las posibles consecuencias de modificar una obra de protección costera.

Conclusión

Las observaciones realizadas en un modelo físico cualitativo del puerto de Ensenada, B.C. sugieren que la modificación del rompeolas para disminuir la agitación del agua dentro de la rada podría generar modificaciones en el patrón de corrientes y transporte litoral, que eventualmente resultaría en un proceso erosivo en la Playa Municipal.

Referencias

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