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¿Cómo es el balance dinámico de la

circulación en el Área Natural

Protegida Los Cóbanos?

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¿Cómo es el balance dinámico de la circulación en el Área Natural Protegida Los Cóbanos?

Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales

Contenido

1. Resumen .......................................................................................................................... 3

2. Introducción ..................................................................................................................... 4

3. Metodología ..................................................................................................................... 6

3. Resultados ....................................................................................................................... 7

4. Discusión .......................................................................................................................... 9

5. Referencias .................................................................................................................... 11

6. Figuras ........................................................................................................................... 12

7. Tablas ............................................................................................................................ 20

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1. Resumen El Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador con el fin de vigilar

los procesos y fenómenos naturales que pueden afectar a la población en la Zona Costero

Marina, instaló en septiembre de 2012 dos perfiladores acústicos de corriente y oleaje

(AWAC/NORTEK) en el área de influencia de los puertos de Acajutla y La Unión.

El sensor frente al puerto de Acajutla se instalo a 4 km mar adentro a una profundidad de

20 m. En el presente trabajo se han procesado las mediciones desde septiembre de 2012

hasta febrero 2013 (3,234 horas), como característico de la estación seca, y de mayo hasta

octubre 2013 (3,744 horas), como característico de la estación lluviosa.

En el balance dinámico de la circulación en la franja marina costera, como el Área Natural

Protegida Los Cóbanos, intervienen la fuerza de atracción de la luna y el sol sobre la

columna de agua; el esfuerzo de viento sobre la interfase aire – agua; la fuerza de

cizalladura entre capas de diferente densidad; la fuerza de fricción sobre la interfase agua -

tierra.

Por efecto del esfuerzo del viento, la capa de superficie fluye hacia el Sur-suroeste en la

estación seca, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noreste y hacia el Sur-

sureste en la estación lluviosa, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noroeste.

Por efecto de la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad, la capa de fondo

fluye hacia el Sureste y por efecto de la fuerza de fricción con el fondo, en las

inmediaciones del mismo (hasta 4 m), ésta fluye hacia el Sur-sureste.

El promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente para

la estación seca y lluviosa muestran: capa de superficie, 0 – 4 m de profundidad; capa de

fondo, 4 – 20 m de profundidad.

Los diagramas de caja de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran para la

capa de superficie: en la estación seca, rapidez media de 0.4 m.s-1 y dirección media de Sur-

suroeste; en la estación lluviosa, rapidez media de 0.2 m.s-1 y dirección media de Sur-

sureste y para la capa de fondo: en estación seca y lluviosa, rapidez media de 0.2 m.s-1 y

dirección media entre Sureste y Sur-sureste.

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2. Introducción El Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador con el fin de vigilar

los procesos y fenómenos naturales que pueden afectar a la población en la Zona Costero

Marina, instaló en septiembre de 2012 dos perfiladores acústicos de corriente y oleaje

(AWAC/NORTEK) en el área de influencia de los puertos de Acajutla y La Unión. El

sensor frente al puerto de Acajutla se instalo a 4 km mar adentro a una profundidad de 20 m

(Figura 1).

El Área Natural Protegida Los Cóbanos es la única marina del Sistema Nacional de Áreas

Naturales Protegidas. El área total es de 213.39 km2 conformada por una porción marina de

207.63 km2 y una porción terrestre de 5.76 km2. El fondo marino son terrazas rocosas

formadas, al igual que Punta Remedios, por la erupción del Volcán de Santa Ana. La arena

es con un alto contenido de carbonato de calcio. La biodiversidad es alta encontrándose

abundancia de peces, moluscos y crustáceos. Su rasgo característico es la presencia de

parches de corales.

Partiendo de que en el balance dinámico de la circulación en la franja marina costera

intervienen la marea, el viento, el oleaje y la densidad, las mediciones del perfil de la

corriente en un punto, pueden servir para: investigar balance dinámico de la circulación;

modelar la dispersión de sedimentos, organismos vivos y contaminantes; estudiar procesos

costeros, pesquerías e impactos ambientales.

Es importante conocer el balance dinámico de la circulación en las inmediaciones de la

línea de costa porque: el intercambio de volúmenes (dulce, salobre, salado) garantizan la

adecuada calidad del agua (salinidad, temperatura, sedimentos); la migración de

organismos vivos (estadios larvarios, zona de refugio de grandes migratorios) garantiza los

ciclos de vida de especies de importancia comercial (peces, crustáceos, moluscos); el área

de la sección transversal (profundidad máxima, ancho promedio) refleja el balance de

sedimentos entre fuentes y sumideros (estuarios, línea de costa, fondos marinos).

En el Área Natural Protegida Los Cóbanos se encuentra Punta Remedios la cual separa la

sección de línea de costa de la Planicie Costera Occidental, cuya principal característica son

largas playas separadas por esteros, de la sección de línea de costa de la Cordillera el

Bálsamo, cuya principal característica son pequeñas playas de bolsillos separadas por

acantilados altos (mayor de 30 m de altura) (Figura 1).

El agua de mar fluye paralelo a la línea de costa impulsado por la corriente de marea: en

marea alta hacia las bocanas El Limón y Ayacachapa y en marea baja hacia Punta

Remedios. En su recorrido es modificada por la corriente de deriva generada por la brisa

marina que en el día sopla de mar a tierra y por la noche de tierra a mar. Por otra parte la

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corriente de oleaje actúa a favor de la corriente de marea en marea alta cuando recorre la

línea de costa de Punta Remedios y en contra de la corriente de marea en marrea baja

cuando recorre la línea de costa de la Planicie Costera Occidental.

Cerca de la costa, la estratificación vertical en la estación lluviosa tiende a ser controlada

por los ríos que descargan grandes volúmenes de agua de mayor temperatura y menor

salinidad que el agua de mar, y en la estación seca por la homogenización de la columna de

agua por factores como mayor transparencia, mayor penetración de la luz mayor velocidad

del viento.

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3. Metodología Los sistemas de medición fueron instalados para que estuvieran transmitiendo de forma

continua, mediante un cable de datos que une al perfilador acústico en el fondo del mar con

la boya en superficie, en donde se encuentra un juego de radio-modem/antena que transmite

a otro juego de radio-modem/antena en tierra, para el almacenamiento en una laptop y su

posterior envío vía conexión de Internet al centro de datos del Ministerio.

El perfilador acústico AWAC de NORTEK está instalado en el fondo del mar sobre un

peso muerto de 1 m de altura. Cuenta con 4 transductores y sensores para medir

temperatura, presión, inclinación y campo magnético. Está configurado para medir la

frecuencia de recepción de los haces acústicos emitidos con una frecuencia de 600 kHz, en

láminas de 1 m de grosor (el perfil tiene 20 láminas).

La corriente se calcula a partir de la medición de la frecuencia de recepción y de la

velocidad del sonido en agua de mar. La velocidad del sonido en el agua de mar se calcula

a partir de la medición de temperatura y de un valor constante de salinidad de 35 PSU. El

rumbo se calcula a partir de la medición del campo magnético y de la inclinación. El oleaje

se calcula a partir de la medición de corriente en las láminas de la capa de superficie y de la

presión. La frecuencia de las mediciones es de 6 Hz (6 por segundo), almacenando y

transmitiendo el promedio cada 20 minutos para corriente y cada 60 minutos para oleaje y

marea.

En el presente trabajo se han procesado las mediciones desde septiembre de 2012 hasta

febrero 2013 (3,234 horas), como característico de la estación seca, y de mayo hasta

octubre 2013 (3,744 horas), como característico de la estación lluviosa.

El procesamiento tiene por objetivo estudiar la variabilidad espacial y temporal del campo

medio de la corriente, oleaje y marea. Para que el procesamiento sea representativo del

campo medio, las mediciones fueron filtradas con la siguiente relación:

𝐴𝑡í𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 ± 2.7 𝐷𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐸𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟

Que se obtiene del supuesto de que la Función de Distribución de Probabilidad de las

mediciones se aproxima a una normal o de Gauss.

A partir de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente se calculó: promedio ±

desviación estándar; diagramas de Hovemuller; diagramas de caja; series temporales de las

características del oleaje (altura significativa, período y dirección de la componente más

energética del oleaje); series temporales de las características de la marea (altura del nivel

del mar, rapidez y dirección de la corriente de marea).

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3. Resultados El promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente

muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), un perfil dividido en dos capas: capa

de superficie, 0 – 4 m de profundidad; capa de fondo, 4 – 20 m de profundidad (Figura

2).

Los diagramas de Hovemuller de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente

muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), una mayor rapidez y alternancia en

la dirección en toda la columna de agua por efecto de la marea: de 0.2 m.s-1, mareas

muertas a 0.4 m.s-1, mareas vivas; de 135°, de marea alta a baja a 315°, de marea baja a

alta. Además en la estación seca en la capa de superficie, se observa una mayor rapidez

y alternancia en la dirección por efecto del viento: de 0.6 m.s-1, brisa marina a 0.8 m.s-1,

flujos del Norte u Oeste; de 45°, de tierra a mar a 225°, de mar a tierra (Figura 3).

Los diagramas de caja de los perfiles de rapidez y dirección de la corriente muestran,

para la capa de superficie en la estación seca, una rapidez media de 0.4 m.s-1 y dirección

media de Sur-suroeste y en la estación lluviosa de 0.2 m.s-1 y dirección de Sur-sureste.

Por otra parte muestran, para la capa de fondo en ambas estaciones, seca y lluviosa, una

rapidez media de 0.2 m.s-1 y dirección media entre Sureste y Sur-sureste (Figura 4).

Las series temporales de altura significativa, período y dirección de la componente más

energética del oleaje muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), oleaje del tipo

de mar de leva, de altura pequeña, generado por tormentas extra-tropicales del

Hemisferio Sur. En la estación seca el período, la altura y dirección son: 13 ± 2 s; 0.8 ±

0.2 m; 210° ±7°, mientras que en la estación lluviosa son: 13 ± 2 s; 1.2 ± 0.3 m; 204° ±

6° (Figura 5).

Las series temporales de la altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente

de marea muestran, para ambas estaciones (seca y lluviosa), marea del tipo semidiurna,

de altura mediana, generada por armónicos semi-diurnos, diurnos, de largo período y no

lineales. En la estación seca la altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la

corriente de marea son: 19.1 ± 0.6; 0.1 ± 0.1 m.s-1; 160° ± 80°, mientras que en la

estación lluviosa son: 19.6 ± 0.6 m; 0.1 ± 0.1 m.s-1; 150° ± 84° (Figura 6).

En la batimetría del puerto de Acajutla se observa que la orientación de las isobatas y

pendiente de la profundidad cambia de Sur – Norte y 2% frente a línea de costa de

Punta Remedios, a Sureste – Noroeste y 1% frente a la línea de costa de la Planicie

Costera Occidental. En las inmediaciones de la localización del sensor

AWAC/NORTEK la orientación de la isobata de 20 m es Sur-sureste – Norte-noroeste

(Figura 7).

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La conservación de la cantidad de movimiento establece que su derivada total es igual a

la sumatoria de fuerzas. Además la hipótesis del medio continuo establece que las

propiedades del fluido son continuas. Basado en lo anterior la corriente en la columna

de agua se pude aproximar con el promedio de la corriente en las dos capas (Tabla 1).

Para comparar las mediciones del AWAC-NORTEK (89.87° W, 13.58° N), con las

simulaciones en el nodo más cercano del HYCOM (89.92° W, 13.55° N), se promedió

en la vertical la rapidez y dirección de la corriente. En el caso de las mediciones el

promedio se hizo sobre las 20 capas: 0:1:20 m; y en el caso de las simulaciones sobre

los 3 niveles: 0; 10; 20 m (Figura 8 y Tabla 2).

El tiempo que le lleva a la marea recorrer el Área Natural Protegida Los Cóbanos es

aproximadamente de 15 minutos:

𝑡 =𝐿

√𝑔𝑑=

15,000 𝑚

17.1552 𝑚𝑠−1= 874 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 ≈ 15 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠

Donde: 𝐿, distancia que se adentra al mar el Área Natural Protegida Los Cóbanos (15

km); √𝑔𝑑, velocidad de propagación de la marea; 𝑔, aceleración de la gravedad (9.81

m/s2); 𝑑, profundidad promedio del Área Natural Protegida Los Cóbanos (30 m).

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4. Discusión En el balance dinámico de la circulación en aguas costeras, como el Área Natural

Protegida Los Cóbanos, intervienen la fuerza de marea (fuerza de atracción de la luna y

el sol sobre la columna de agua); el esfuerzo de viento sobre la interfase aire – agua; la

fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad; la fuerza de fricción sobre la

interfase agua - tierra.

La fuerza de mareas transfiere cantidad de movimiento a la columna de agua, el

esfuerzo de viento acelera la capa de superficie, la fuerza de cizalladura transfiere

cantidad de movimiento de la capa de superficie a la capa de fondo y la fuerza de

fricción desacelera la capa de fondo.

La dirección del transporte depende del agente que transfiere cantidad de movimiento a

la columna de agua: el transporte por viento tiene una dirección, en el hemisferio Norte,

a la derecha del viento; el transporte por marea tiene una dirección paralela a las

isobatas; el transporte por oleaje tiene una dirección paralela a la del oleaje.

Por efecto del esfuerzo del viento, la capa de superficie fluye hacia el Sur-suroeste en la

estación seca, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-noreste y hacia el Sur-

sureste en la estación lluviosa, sugiriendo una predominancia de viento del Norte-

noroeste. Por efecto de la fuerza de cizalladura entre capas de diferente densidad, la

capa de fondo fluye hacia el Sureste y por efecto de la fuerza de fricción con el fondo,

en las inmediaciones del mismo (hasta 4 m), ésta fluye hacia el Sur-sureste.

En la zona de espuma comprendida entre la zona de rompiente y la línea de costa, es en

donde el transporte de sedimentos es mayor y está controlado por la corriente de oleaje

la cual tiene la dirección de este descomponiéndose en componente paralela y

perpendicular a la línea de costa. Mar afuera, detrás de la zona de rompiente, el

transporte de sedimento es menor y es controlado por la corriente de marea la cual tiene

la dirección de las isobatas, que en las inmediaciones de la línea de costa, tienen la

misma dirección de esta. En la línea de costa el transporte de sedimentos es controlado

por el viento que en el caso del sistema de brisa marina es perpendicular a la línea de

costa, de día de mar a tierra y de noche de tierra a mar.

Un Modelo de la Circulación General (GCM por sus siglas en ingles), resuelve las

ecuaciones de Navier-Stokes en una tierra en rotación, con términos termodinámicos

que representan las fuentes de energía: radiación de onda corta y larga; flujos de calor

latente y sensible. HYCOM es uno de estos modelos y sus simulaciones han sido

comparada con mediciones del nivel del mar y de corrientes para evaluar su precisión y

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confiabilidad para reproducir la marea vertical (stammer et al, 2014), la marea

horizontal (Timko et al, 2013) y la energía cinética total (Scott et al. 2010).

Se aplicó el Análisis de Correlación Canónica (CCA por sus siglas en ingles), para

comparar el balance dinámico de la corriente entre la localización del anclaje AWAC-

NORTEK y la localización del nodo HYCOM (Figura 1). Las mediciones y

simulaciones de la corriente se pueden descomponer en:

𝑋 = 𝐴𝑈𝑇

𝑌 = 𝐵𝑉𝑇

Donde:

𝑋 Y 𝑌: Matrices de datos: rapidez y dirección de la corriente en las localizaciones del

anclaje y del nodo.

𝐴 Y 𝐵: Coeficientes canónicos: pesos en el balance dinámico de la rapidez y dirección

de la corriente en las localizaciones del anclaje y del nodo.

𝑈 Y 𝑉: Variables canónicas: combinación lineal de los pesos en el balance dinámico

por la rapidez y dirección de la corriente en las localizaciones del anclaje y del nodo.

Los resultados del CCA son: el peso en el balance dinámico de la corriente, en las

localizaciones del anclaje y del nodo, de la rapidez es 4 órdenes de magnitud mayor que

el de la dirección (102, 10-2); el peso en el balance dinámico de la rapidez y dirección de

la corriente en la localización del anclaje es 2.5 y 2.0 veces el de la localización del

nodo, en la estación seca; el peso en el balance dinámico de la rapidez y dirección de la

corriente en la localización del anclaje es 1.8 y 3.0 veces que el de la localización del

nodo, en la estación lluviosa. Los resultados del CCA sugieren que la energía

disponible para el balance dinámico de la corriente es mayor en la localización del nodo

que en la localización del anclaje.

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5. Referencias Hsu, S. A., Weggel J. R. Coastal Engineering Manual. Chapter III-6: Sediment

transport outside the surf zone. CEM 1110-2-1100 (Part III). 2002.

Madsen, O. S., Wood, W. Coastal Engineering Manual. Chapter III-4: Wind-blown

sediment transport. CEM 1110-2-1100 (Part III). 2002.

Rosati, J. D., Walton, T. L., Bodge K. Coastal Engineering Manual. Chapter III-2:

Longshore sediment transport. CEM 1110-2-1100 (Part III). 2002.

Scott, R. B. et al. (2010), Total kinetic energy in four global eddying ocean circulation

models and over 5000 current meter records, Ocean Modelling 32 (2010) 157–169,

doi:10.1016/j.ocemod.2010.01.005.

Stammer, D., et al. (2014), Accuracy assessment of global barotropic ocean tide

models, Rev. Geophys., 52, 243–282, doi:10.1002/2014RG000450.

Timko, P. G., et al. (2013), Skill testing a three-dimensional global tide model to

historical current meter records, J. Geophys. Res. Oceans, 118, 6914–6933,

doi:10.1002/2013JC009071.

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6. Figuras

Figura 1. Imagen de Google Earth del Área Natural Protegida Los Cóbanos mostrando la

localización de la boya del perfilador acústico de corrientes (AWAC-NORTEK) y del nodo

del modelo HYCOM. Elaboración propia a partir de imagen de GOOGLE EARTH.

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Figura 2. Perfiles promedio ± desviación estándar de los perfiles de rapidez y dirección de

la corriente. A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa

(Mayo – Octubre/2013).

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Figura 3. Diagramas Hovemuller de perfiles de rapidez y dirección de la corriente. A)

Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo –

Octubre/2013).

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Figura 4. Diagramas de caja de perfil de rapidez y dirección de la corriente. A) Estación

seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo – Octubre/2013).

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Figura 5. Series temporales de altura significativa, período y dirección de la componente

más energética del oleaje. A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación

lluviosa (Mayo – Octubre/2013).

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Figura 6. Series temporales de altura del nivel del mar, rapidez y dirección de la corriente

de marea. A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B) estación lluviosa (Mayo

– Octubre/2013).

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Figura 7. Batimetría del puerto de Acajutla. Incluye ayudas para la navegación,

instalaciones submarinas y fotografía de la boya en su localización. Elaboración propia a

partir de imagen de NAVOCEANO.

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Figura 8. Comparación de series temporales de rapidez y dirección de la corriente.

Medición (azul), simulación (rojo). A) Estación seca (Septiembre/2012 – Febrero/2013). B)

Estación lluviosa (Mayo – Octubre/2013).

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7. Tablas

Mediciones Aproximaciones

Estación Rapidez (m/s) Dirección (grados) Rapidez (m/s) Dirección (grados)

Seca 0.18 165° 0.25 169°

Lluviosa 0.12 163° 0.13 171°

Tabla 1. Mediciones y aproximaciones de la rapidez y dirección de la corriente en la

columna de agua. La aproximación se calculo con la relación 𝑉𝑐 ≈1

2∑𝑉𝑠 + 𝑉𝑓

donde: 𝑉𝑐 ,

corriente de la columna de agua; 𝑉𝑠 , corriente de la capa de superficie; 𝑉𝑓 , corriente de la

capa de fondo.

Mediciones Simulaciones

Estación Rapidez (m/s) Dirección (grados) Rapidez (m/s) Dirección (grados)

Seca 0.18 ± 0.03 162° ± 21° 0.08 ± 0.05 173° ± 60°

Lluviosa 0.12 ± 0.02 162° ± 20° 0.08 ± 0.04 182° ± 69°

Tabla 2. Promedio y desviación estándar de mediciones y simulaciones. Las series

temporales con máxima correlación son las series temporales estandarizadas (𝑈 =

(𝑋 − 𝑋)𝐺 ; 𝑉 = (𝑌 − 𝑌)𝐻. El peso del patrón espacial con máxima coherencia es 𝐴 =1

𝑋𝑠𝑡𝑑 ; 𝐵 =

1

𝑌𝑠𝑡𝑑.

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