Aplicación del modelo numérico MOHID para el estudio hidrodinámico y de transporte de la Ciénaga Mallorquín, Colombia

Ing. Cesar Torres Marchena PhD. Franklin Torres Bejarano

Universidad de la Costa, Barranquilla - Colombia

58° CONGRESO INTERNACIONAL AGUA, SANEAMIENTO, AMBIENTE Y ENERGÍAS RENOVABLES

CONTENIDO

1. Introducción (Metodología)

2. Descripción de la zona de estudio

i. Origen y características de la Ciénaga Mallorquín

ii. Problemática Ambiental

3. Objetivos de trabajo

4. Descripción del modelo MOHID Studio

5. Adaptación del MOHID a la zona de estudio

6. Resultados

7. Conclusiones y resultados finales

Recopilación y Generación de

información

Descripción de la zona de

estudio

Adaptación del Modelo a las condiciones establecidas

Simulación Hidrodinámica

Simulación de Temperatura,

Salinidad y Oxígeno Disuelto

Interpretación de Resultados

Recomendaciones y propuestas

Metodología de trabajo

Calibración Calibración

CARACTERÍSTICAS DE LA CIÉNAGA MALLORQUÍN

• Extensión de 1200 ha, • Comunicada con el Mar

esporádicamente; • Profundidad alrededor de 1.5 m, • Alta viabilidad ambiental • Ecosistema estratégico • Atributo exclusivo del litoral Caribe

La Ciénaga Mallorquín, se ubica al noreste del departamento del

Atlántico, al oeste del río Magdalena

ORIGEN DE LA CIÉNAGA MALLORQUÍN

La Ciénega Mallorquín se formó como parte de la evolución morfo dinámica del delta del río Magdalena a principios de siglo pasado. A partir de la construcción de los tajamares de Bocas de Ceniza entre 1924 y 1936 se corta el proceso normal de estabilización costera impidiendo la comunicación del río con las ciénagas

Variación Multitemporal de la Ciénaga de Mallorquín

Fuente: “Ejecución de acciones para la implementación del plan de ordenamiento y manejo de la cuenca hidrografía de la ciénaga de Mallorquín

Convenio 006 de 2010”. Pág. 306.

Conexiones ciénaga – mar. Imágenes tomadas de Google Earth

PROBLEMÁTICA AMBIENTAL

Problemática ambiental

Vertimientos y residuos sólidos

Barrios adyacentes y asentamientos

irregulares

Antiguo basurero

Pérdida en Riqueza vegetal y faunística y

Erosión costera

Perdida de la franja costera, mangle, espejo de agua

Fauna acuática, peces, camarones,

moluscos y avifauna

Movimiento hidrodinamico del

agua

MEJORAMIENTO DE LA INTERCONEXIÓN VIAL REGIONAL, SEGUNDA CALZADA AVENIDA CIRCUNVALAR DE BARRANQUILLA-ATLÁNTICO, SECTOR CRA 53 – VÍA 40,

SECTOR VÍA DE ACCESO ZONA PORTUARIA

OBJETIVOS DEL TRABAJO

Objetivo general: Determinar, mediante la modelación numérica, la influencia de los procesos físicos como la marea, el viento y aportes de aguas continentales en la hidrodinámica y transporte de la Ciénaga Mallorquín bajo condiciones climáticas de lluvias y secas

Objetivos específicos: • Adaptar un modelo hidrodinámico y de transporte a la ciénaga mallorquín. • Describir la influencia de las forzantes de marea, viento y aportes de aguas

continentales en la hidrodinámica de la ciénaga para las épocas de secas y lluvias.

• Determinar, por medio de la simulación numérica, el comportamiento de la salinidad, temperatura y OD dentro de la Ciénaga Mallorquín para las dos épocas seleccionadas.

• Presentar un análisis de las respuestas hidrodinámicas y comportamiento de los parámetros de salinidad, temperatura y OD de la Ciénaga Mallorquín mediante pronósticos bajo diferentes escenarios de modelación.

DESCRIPCIÓN DEL MODELO MOHID STUDIO

El MOHID Studio

El MOHID fue desarrollado por investigadores del MARETEC (Centro de Ambiente y Tecnologías Marítimas) perteneciente al Instituto Superior Técnico (IST) de la Universidad Técnica de Lisboa

MOHID

MOHID Water

MOHID Soil

MOHID Land

MOHID Studio es una interfaz gráfica de usuario para el

Sistema Modelación de Agua MOHID.

ECUACIONES GOBERNANTES

𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝑡𝑡

+ 𝑢𝑢 𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝑣𝑣 𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝑤𝑤 𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕− 𝑓𝑓𝑣𝑣 = − 1

𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

𝐴𝐴𝑉𝑉𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝑡𝑡

+ 𝑢𝑢 𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝑣𝑣 𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝑤𝑤 𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝑓𝑓𝑣𝑣 = − 1𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

𝐴𝐴𝑉𝑉𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕

Donde t es el tiempo, u, v, w son los componentes de los vectores de velocidad en la x, y, z respectivamente, f es el parámetro de Coriolis, p es la presión, 𝜌𝜌 es la densidad del agua, g representa la gravedad y AH y AV son las viscosidades turbulenta en las direcciones horizontal y vertical.

Las ecuaciones de movimiento para las velocidades horizontales se expresan

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕w𝜕𝜕z = 0

ECUACIONES GOBERNANTES

El modelo resuelve las ecuaciones de transporte de salinidad y temperatura y una ecuación de estado

𝜕𝜕(𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕(𝑢𝑢𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕(𝑣𝑣𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕(𝑤𝑤𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 =

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻

𝜕𝜕𝑆𝑆𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻

𝜕𝜕𝑆𝑆𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝑉𝑉

𝜕𝜕𝑆𝑆𝜕𝜕𝜕𝜕

Donde S y T son la salinidad y la temperatura, t es el tiempo, x, y son las coordenadas horizontales, z es la coordenada vertical, KH, KV son los coeficiente de difusión de calor y salinidad horizontal y vertical, y u, i, w son las componentes de la velocidad de flujo en los ejes X, Y, Z.

𝜕𝜕(𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕(𝑢𝑢𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕(𝑣𝑣𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕(𝑤𝑤𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 =

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻

𝜕𝜕𝑇𝑇𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻

𝜕𝜕𝑇𝑇𝜕𝜕𝜕𝜕 +

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝑉𝑉

𝜕𝜕𝑇𝑇𝜕𝜕𝜕𝜕

𝜌𝜌 =5890 + 38𝑇𝑇 − 0.375𝑇𝑇2 + 3𝑆𝑆

1779.5 + 11.25𝑇𝑇 − 0.0745𝑇𝑇2 − 3.8 + 0.01𝑇𝑇 𝑆𝑆 + 0.698 5890 + 38𝑇𝑇 + 0.375𝑇𝑇2 + 3𝑆𝑆

ECUACIONES GOBERNANTES

El ciclo del oxígeno disuelto

Símb Descripción 𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑁𝑁𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Consumo de oxígeno en nitrógeno

Mineralización 𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Consumo de oxígeno en fósforo

Mineralización

𝐾𝐾𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡𝑜𝑜𝜕𝜕𝜕𝜕 Cambio de nitrificación

𝐾𝐾𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡𝑜𝑜𝜕𝜕𝜕𝜕 Tasa en desnitrificación

𝜇𝜇𝑋𝑋 Tasa de crecimiento

𝑟𝑟𝑋𝑋 Tasa de respiración

𝐾𝐾𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡 Tasa de desnitrificación

𝐾𝐾𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡 Tasa de nitrificación

𝛼𝛼𝑂𝑂:𝐶𝐶𝐶𝐶𝑂𝑂2 Relación de oxígeno/carbono en CO2

𝛼𝛼𝑁𝑁:𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂 Relación nitrógeno/carbono en la materia orgánica

𝛼𝛼𝑃𝑃:𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂 Relación fosforo/carbono en materia orgánica

𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑁𝑁𝑁𝑁𝑂𝑂𝑁 Relación de oxígeno / nitrógeno en nitrato

𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑃𝑃𝐼𝐼𝑃𝑃 Relación de oxígeno / nitrógeno en fosforo

ADAPTACIÓN DEL MOHID A LA CIENAGA MALLORQUÍN

CONFIGURACIÓN DE LA MALLA Y BATIMETRÍA

Información de la Malla Columnas: 190

Filas: 150 No. Elementos: 28500

Angulo: 30° Δx = Δy = 20 m

MOHID GIS

CONDICIONES INICIALES Y DE FRONTERA

Condiciones de frontera para época de secas

Condiciones de frontera para época de lluvias

Calibración hidrodinámica y de transporte

Calibración del modelo hidrodinámico

Calibración de parámetros de estudio

SIMULACIÓN HIDRODINÁMICA

Secas

Lluvias

TEMPERATURA

Secas

Lluvias

SALINIDAD

Secas

Lluvias

OXIGENO DISUELTO

Secas

Lluvias

CASO HIPOTÉTICO

CONCLUSIONES/COMENTARIOS FINALES

El modelo hidrodinámico ha sido satisfactoriamente adaptado a las condiciones de la Ciénaga Mallorquín, obteniendo simulaciones acordes con el comportamiento natural de este cuerpo de agua.

Para el escenario de época de secas la forzante más importante e

influyente son las condiciones meteorológicas resumidas en el viento de la zona de estudio, dado que la circulación y los procesos de transporte se ven dominados por la dirección en que sopla el viento. Los AAC debido a su caudal aportante no son apreciables dentro de la circulación de la Ciénaga Mallorquín.

CONCLUSIONES/COMENTARIOS FINALES

En el escenario de época de lluvias, el viento mantiene la influencia en la dinámica de circulación en la ciénaga, los procesos de flujo y reflujo como efecto de la interacción de la marea con la ciénaga son importantes en la entrada o “boca” y en las zonas próximas a la misma, dado que en esta zona es donde se presentan las mayores velocidades del sistema.

En esta época del año, el Arroyo León aumenta su caudal aportante y en consecuencia influencia, por lo que transporta la escorrentía recogida a lo largo de su trayecto por causa de la época invernal.

También se ha podido observar la importancia del intercambio de flujo y la distribución de la salinidad en la ciénaga, que permite la asimilación y lavado de nutrientes y que además le confiere características propicias para su productividad biológica.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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• Coelho, H. S., Neves, R. J.J., White, M., Leitão, P.C. & A. J. Santos. 2002. A model for ocean circulation on the Iberian coast. Journal of Marine Systems 32:153- 179.

• IDEAM. Estudio sobre la Determinación de las Componentes Armónicas de la Marea y Descripción de su Comportamiento en Diferentes Puntos de las Costas Colombianas. METEO/003. Bogotá. 2010.

• Leitão, P., 2003. “Integração de Escalas e Processos na Modelação do Ambiente Marinho”, Dissertação para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia do Ambiente, Instituto Superior Técnico, Lisboa.

• Vaz, N. Dias, J.M., Leitão, P.C. and Nolasco, R., 2007. Application of the Mohid-2D model to a mesotidal temperate coastal lagoon. Computers & Geosciences, 28, 1204-1209.

• Martins, F., P. C. Leitão, A. Silva & R. Neves. 2001. 3D modelling of the Sado Estuary using a new generic vertical discretization approach, Oceanologica Acta, 24 (1), 51-62.

• http://www.mohid.com/ • http://www.actionmodulers.pt/default.aspx?canal=33