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El papel de los ecosistemas marinos en la protección de la línea de costa

Iñigo LosadaInstituto de Hidráulica AmbientalUniversidad de Cantabria

El Papel de los Ecosistemas Marinos en la Provisión de Bienes y Servicios a la Sociedad

Índice

Funciones, bienes y servicios de los ecosistemas costeros

Erosión e inundación en zonas costeras

Procesos fundamentales de defensa de la costa

Ecosistemas que protegen la costa

Mecanismos de protección e incertidumbres

Ejemplos y valoración del servicio

Conclusiones

De Groot et al. (2002)

Erosión

Inundación

¿Cuál es la diferencia entre un tsunami, una marea meteorológica y el oleaje?

Proceso de generación

Longitud Cresta

SenoAmplitud

Nivel en reposo

Profundidad

Celeridad

¿Cuál es la diferencia entre un tsunami y el oleaje?

Características L~100 m, T~5-25 s, C~36 km/h

L, T

Características L~100 km, T~min-horas , C ≤ 800 km/h

MAREA METEOROLÓGICA

Mecanismos principales de protección de la costa

• Atenuación por refracción, difracción, etc.

• Disipación por fricción

• Disipación por rotura

• Captación, retención del sedimento

Generados por:• Obstáculos naturales (servicio de los ecosistemas) o

artificiales

Ecosistemas que pueden proveernos el servicio de protección de las costa

• Playas, puntales, islas barrera• Sistemas dunares• Humedales, marismas, lagunas costeras• Arrecifes de coral o de roca• Manglares• Campos de algas (laminaria hyperborea, etc.)• Praderas de posidonia• Bosques costeros• Combinación de los anteriores

Millennium Ecosystem Assessment, UNEP. 2006

Cada uno puede proveer diferentes niveles de protección en función de

• Dinámica actuante – (oleaje, marea meteorológica, tsunamis, corrientes)

• Características globales– Profundidad relativa– Localización y distribución– Extensión (b/Longitud de onda)– Tipo de fondo– Estado de conservación

• Carácterísticas particulares– T ipología– Geometría (altura, forma)– Densidad, características mecánicas – Capacidad de retener sedimento, fijación al sustrato, etc.– Etc.

Oleaje - Campos de algas/posidonia

¿ Cuáles son los procesos inducidos por el oleaje en un campo de algas ?

Importancia:Disipación por fricciónRoturaTransporte de sedimentosTransporte de nutrientesDistribución de las comunidades

¿En qué condiciones de oleaje extremo se produce la rotura de las algas?

Recolección de kelp Laminaria Hyperborea (Noruega)Agente -> Oleaje + CorrientesSolicitaciones -> Fuerzas y momentosTensiones + Criterios de rotura

Disipación de la energía del oleaje inducida por campos de algas debido a la fricción inducida por las la vegetación

Posidonia OceanicaRogers (87), Hoopen (76)Gacia and Duarte (2001), Posidonia Oceanica

Laminaria hyperboreaDubi and Torum (1995); Mork (1996)Losada et al. (99, 2001)

¿Pueden los campos de algas atenuar la energía del oleaje?

La atenuación de las dinámicas dependen de:

• Características de las algas: geometría, flotabilidad, densidad, rigidez, grados de libertad, distribución espacial y localización

• Tipología de las dinámicas:•Oleaje (altura de ola, periodo, dirección, profundidad)•Corrientes •Mareas meteorológicas (mareas, huracanes, tifones, etc.)•Tsunamis

• Campos de Laminaria hyperborea kelp en Noruega, 60% Dubi and Torum(1995);(Mork, 1996)• Vegetación emergida en humedales del Lagp Ontario, Canada, 40% (Tschirky et al, 2001)• Macrocystis pyrifera en California, 0%!!! (Elwany et al., 1995)• Spartina Alterniflora en humedales ingleses, 30-40%, Moller et al, (2001)

Laminaria hyperborea kelp

Macrocystis pyrifera kelp Zostera Marina

Spartina Alterniflora

¿Es posible generalizar los mecanismos de disipación inducidos por los diferentes ecosistemas ? NO

Arrastre-fricción-disipación

Diferentes opciones:flujo uniforme (f.i. Kouwen, 1988; Carolo et al., 2002, Ghisalberti and Nepf, 2002)oleaje (Asano et al., 1992, Dubi and Torum, 1997, Losada et al., 1999, 2001)

Para flujo oscilatorio CD depende además del número de Keulegan-Carpentes

El coeficiente de arrastre (fricción) depende del flujo a través de las plantas individuales y del movimiento de lasmismas

?DC% El coeficiente depende de la hidrodinámica y también de lascaracterísticas biomecánicas de cada planta

Problema en el análisis:

Oscilador dinámico no lineal con n- grados de libertad

Compejidad y aleatoriedad de diferentes parámetros geométricos y biomecánicos de las plantas

/K c p vu T b=

Flujo uniforme

Oleaje Irregular (Losada et al. 2001)

El coeficiente de arrastre depende del número de Keulegan-Carpenter K y de la altura relativa de la planta α

ha

ah

α =

0.47 exp( 0.052 ) 3 59DC = − ≤ ≤K K%

Correlation: 76%

0 10 20 30 40 50 60 70

K0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6C

D

α = 0.20α = 0.25α = 0.29α = 0.33α = 0.50

~

ah

α =

Análisis experimental en laboratorio

Análisis experimental en laboratorio

Posidonia

• Los campos de posidonia funcionan como un sistema de disipación moderada y de carácter secundario frente a otros elementos como arrecifes o playas.

• Sin embargo, campos muy extensos con una alta densidad pueden dar lugar elevadas tasas de disipación especiaamente si se encuentran localizados en zonas someras.

• La efectividad de los campos de posidonia frente al oleaje depende de la profundidad, longitud, densidad y flexibilidad de la posidoina. Estos elementos también condicionan los patrones de sedimentos en suspensión.

• La importante extensión de sus rizomas favorecen la estabilización del sedimento

Huracanes-Humedales

Gulfport Biloxi

Maximum surge elevation

Spot Image

London Avenue Breach at Robert E. Lee Street

Entergy Levee Overtopping

Los humedales costeros reducen los daños producidos en las comunidades costeras por los huracanes y tormentas disipando energía mediante diferentes mecanismos:

Reducción del área expuesta en la que se produce la generación de oleaje local (fetch)

Incrementando la fricción en el fondo y, por tanto, reduciendola sobreelevación en la costa

La vegetación retiene el sedimento reduciendo el sedimento en suspensión y manteniendo la existencia de zonas someras, lo que a su vez favorece el aumento de la disipación por friccióny la reducción de la sobreelevación del nivel del mar.

Humedales costeros como protección frente a huracanes y mareas meteorológicas en USA-Valorización

• Modelo de regresión utilizando 34 huracanes en USA desde 1980 considerando, el daño por unidad de PIB en la trayectoria del huracán como variable dependiente; la velocidad del viento y la superficie de marisma en la trayectoria encontró una alta correlación explicando el 60% de la variación en los daños.

• El modelo evalúa en un promedio de 33,000 USD el coste del incremento en el daño producido para un huracán específico por la pérdida de cada hectárea de marisma

• Considerando la probabilidad anual de impacto de huracanes y su intensidad, evalúa el coste por hectárea en cada Estado con valores anuales entre 250 y 51 000 USD por hectárea y por año, con un valor medio de 8240USD/ (hectárea-año)

Costanza et al. (2008)

Costanza et al. 2008

P.e. Sureste de Florida, Louisiana y parte de Texas (alta probabilidad de impactos/grandes superficies)Connecticut, Massachusetts y RhodeIsland (alto PIB)

El mayor valor corresponde a aquellos humedales en los que converge una altaprobabilidad de impacto, un alto PIB costero o una gran superficie de humedales

Humedales costeros

Se estima que los humedales costeros en USA generanservicios de protección de la costa frente a huracanes/mareaspor un total de 23200 millones de USD/año

Los humedales juegan una función equivalente a la de estructuras artificiales para protección de la costa peroademás hacen otras funciones y servicios que no hacen las estructuras artificiales.

Lousiana y Katrina

La costa de Louisiana perdió aproximadamente 480 000 ha dehumedales costeros antes del huracán Katrina (2005) y 20 000 ha durante el paso del Katrina.

Las pérdidas en los servicios de protección de la costa debidosa los humedales se evalúan en 816 millones USD/año antes del Katrina y de 34 millones USD/año adicionales después del paso del huracán.

Considerando su valor actual, las pérdidas únicamente imputadas al servicio de protección se estiman en un total de 28.300 millones de USD, siendo las pérdidas debidas al Katrinade 1.100 millones de USD.

Humedales costeros

Los humedales costeros funcionan como diques, haciendo un servicio equivalente pero integrando otros servicios añadidos.El coste estimado de estos servicios adicionales se evaluó enUSA en 11770 USD (del año 2004) por hectárea/año

Si la frecuencia y la intensidad de huracanes (mareas meteorológicas,tifones,etc.) se incrementa para algunos escenarios futuros, como se refleja de proyecciones existentes, el valor de los humedales costeros como elementos de protección de la costa se incrementaráconsiderablemente.

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Oleaje-Arrecifes

Arrecifes de coral

Arrecifes de coral

• Los arrecifes de coral funcionan como una primera barrera de defensa frente al oleaje tras la que permiten el asentamiento de otros ecosistemas de alto valor y generan sedimento.

• Algunos arrecifes pueden absorber hasta el 90% del oleaje incidente (diques sumergidos)

• El efecto del arrecife sobre el oleaje depende de la extensión espacial y morfología del arrecife así como de la profundidad relativa.

• El arrecife es más efectivo si está ligeramente distanciado de la costa y bien conservado.

• Las medidas en el campo muestran que los arrecifes disipan energía fundamentalmente por fricción y por rotura.

• Funcionan como un filtro, eliminando las olas más grandes. su capacidad se ve disminuida con el cambio de nivel por efecto de la marea.

Arrecifes de coral

• Cada metro de arrecife de coral se estima que protege propiedades por un valor de 47,000 USD. En Florida la ausencia de arrecifes de coral podría suponer que una parte del estado quedara sumergida.

• La pérdida de los arrecifes artificiales supondría un impacto físico y económico importante en las comunidades costeras.

Manglares vs. Tsunamis

Manglares

• Esta demostrado que los manglares generan disipación del oleaje

• Los manglares se desarrollan en aguas con reducida actividad energética tales como ambientes estuaricos, bahías, laguna, o zonas protegidas por barras de área, islas, arrecifes de coral o campos de posidonia

• Gracias a sus raíces retienen y favorecen el depósito de sedimento

• En algunas zonas se gestionan y planta para evitar erosión por oleaje. IFRC (2002) sostiene que una inversión de 1,1 millones de USD ha evitado el mantenimiento de un dique artificial equivalente por 7.8 millones USD/año.

Manglares

• Los estudios realizados en Indonesia no demuestran científicamente con certeza que los manglares hayan servido de defensa frente al tsunami

• En algunos casos, en función del sistema de manglares, han funcionado. En otras, la cantidad de debris generado, o los daños existentes en el sistema de manglares ha contribuido a una mayor destrucción.

Bosques costeros

Conclusiones

• Existen diferentes ecosistemas que prestan un servicio de protección de la línea de costa

• La magnitud del servicio depende del ecosistema, sus características generales y singulares así como de la dinámica actuante.

• Existen algunas incertidumbres en la caracterización y cuantificación del servicio que prestan de protección de la costa, lo que demanda una mayor atención por parte de la investigación.

• No obstante, existen evidencias más que sobradas de su capacidad para mitigar el efecto de oleaje, huracanes y tsunamis.

• La inversión en estrategias de mantenimiento, restauración o gestión de ecosistemas costeros podría ser un buen complemento/alternativa para luchar contra la erosión e inundación y económicamente eficiente para la sociedad

Restauración de ecosistemas vs. Construcción de estructuras artificiales

Entendiendo como restauración la intervención del hombre para acelerar la recuperación de un habitat dañado o para devolver un ecosistema a su situación inicial antes de una modificación de sus condiciones:

¿Se puede aplicar principios de la ecología y técnicas de ingeniería para restaurar o generar nuevos servicios de protección de costas para hacer frente al cambio global?

¿Tenemos el conocimiento y los medios para aplicarlo a cualquiera de los ecosistemas anteriores?

¿Se debería integrar este aspecto como parte de nuestra gestión de costas?

¿Se deberían valorar estos servicios e integrarlos como parte del “dominio público?