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ANEXO 4 CARACTERIZACIÓN DEL CLIMA MARINO PARA EL VERTIDO DE SALMUERA V PDF
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Claudia Gil Cuenca
1 ANEXO 4 CARACTERIZACIÓN DEL CLIMA MARINO PARA EL VERTIDO DE SALMUERA V. 1.1
2 Este documento se ha obtenido como resultado del proyecto de I+D+i: MEDVSA. Desarrollo e implementación de una metodología para la reducción del impacto ambiental de los vertidos de salmuera procedentes de las plantas desaladoras 045/RN08/03.3 MEDVSA es un proyecto de I+D+i ( ) financiado por el Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino. Los trabajos han sido coordinados por el Instituto de Hidráulica Ambiental de la UC y desarrollados en colaboración con el Centro de Estudios de Puertos y Costas (CEDEX). La Guía Metodológica desarrollada en el proyecto MEDVSA incluye la documentación: - GUÍA METODOLÓGICA - Anexo 1. Fichas descriptivas de los modelos comerciales - Anexo 2. Modelos de simulación brihne (MEDVSA). - Anexo 3. Formulación basada en los resultados experimentales - Anexo 4. Caracterización de clima marino - Anexo 5. Reglas básicas para la implementación de modelos CFDs en la simulación de campo cercano - Anexo 6. Reglas básicas para la implementación de modelos hidrodinámicos en la simulación de campo lejano - Anexo 7. Medidas preventivas y Programa de Vigilancia Ambiental El presente documento constituye el Anexo 4: Caracterización de clima marino. Autor: INSTITUTO DE HIDRÁULICA AMBIENTAL Personas de contacto: Pilar Palomar Sonia Castanedo Iñigo J. Losada
3 ANEXO 4 1. INTRODUCCIÓN SELECCIÓN DE VARIABLES AMBIENTALES 2.1. VARIABLES DE MAYOR INFLUENCIA VARIABLES CONSIDERADAS POR LAS HERRAMIENTAS BÁSICAS DE MODELADO VARIABLES CONSIDERADAS EN MODELOS NUMÉRICOS AVANZADOS VARIABLES AMBIENTALES CARACTERIZADAS EN ESTA GUÍA DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS PATRONES CLIMÁTICOS EN EL MAR MEDITERRÁNEO 3.1. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL MAR MEDITERRÁNEO CIRCULACIÓN GENERAL EN EL MAR MEDITERRÁNEO PERFILES DE TEMPERATURA Y SALINIDAD CARACTERIZACIÓN DEL CLIMA MARINO ENFOCADA LOS VERTIDOS DE SALMUERA 4.1. BASES DE DATOS SELECCIÓN DE PUNTOS DE ESTUDIO FICHAS DE CARACTERIZACIÓN CLIMÁTICA: CORRIENTES MARINAS Y PERFILES DE TEMPERATURA Y SALINIDAD ANEJOS FICHAS DE CARACTERIZACIÓN GENERAL FICHAS DE CARACTERIZACIÓN MENSUAL BATIMETRÍA Y PENDIENTE MEDIA EN EL FONDO VARIACIÓN MÁXIMA DEL NIVEL MEDIO DEL MAR SELECCIÓN DE SITUACIONES CLIMÁTICAS PARA EL MODELADO DE VERTIDOS DE SALMUERA FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN REFERENCIAS.. 33 ANEJO 1: FICHAS CARACTERIZACIÓN GENERAL ANEJO 2: FICHAS CARACTERIZACIÓN MENSUAL
4 1. INTRODUCCIÓN El trabajo incluido en este Anexo ha sido realizado por el Instituto de Hidráulica Ambiental. El comportamiento en el mar de un vertido de salmuera depende de los parámetros de descarga, de las características del efluente y de las condiciones ambientales en el medio receptor, que pueden influir significativamente en la trayectoria y en el grado de dilución del efluente, especialmente en la región de campo lejano. Entre las variables ambientales de mayor importancia encontramos: las corrientes en la columna de agua, la densidad y estratificación en dicha columna, el oleaje, etc., que tendrán una mayor o menor influencia según la profundidad de vertido, la configuración de la descarga, la posición del efluente en la columna de agua y la región en que se encuentre el flujo (campo cercano o campo lejano). Para diseñar correctamente un vertido de salmuera es necesario predecir su comportamiento bajo cualquier escenario probable de condiciones en el medio recetor, y de operatividad y condiciones de funcionamiento de la planta (en caso de que éstas no fueran constantes). Solamente considerando en el diseño los escenarios realistas que puedan acontecer durante la vida útil de la planta, se tendrá la garantía de cumplimiento de los objetivos de calidad establecidos (en los términos probabilísticos que corresponda) en cualquier situación. Con este planteamiento, y conociendo los límites críticos de salinidad de las especies localizadas en el área de influencia del vertido, será posible determinar la probabilidad de ocurrencia de superación de estos límites críticos bajo la configuración de descarga diseñada. Revisados una gran cantidad de Proyectos Informativos y Estudios de Impacto Ambiental de plantas desalinizadoras españolas [1], incluyendo aquellas de mayor capacidad de producción y aquellas situadas en zonas con ecosistemas protegidos sensibles al vertido, se ha observado que la caracterización del clima marino para determinar las condiciones en el medio receptor, o no se hace o se hace de un modo muy poco riguroso (generalmente instalando un CTD y un correntímetro en la zona de estudio durante un breve periodo tiempo, por ejemplo un mes). Esta falta de rigor afecta muy negativamente en la calidad de la predicción del comportamiento del vertido dado que añade incertidumbres a la valoración del riesgo de afección por no estarse considerando escenarios realistas y probables. Para solventar en parte este problema se ha desarrollado el presente anexo, que supone una primera fase en una línea de investigación que se irá completando en un fututo próximo, a medida que se vayan desarrollando las herramientas necesarias para un análisis más riguroso. En esta primera fase el área de estudio se centra en el Mar Mediterráneo alrededor de la costa peninsular y de las islas Baleares. La caracterización del clima marino implica: determinar qué variables son las más influyentes en el comportamiento del vertido; localizar bases de datos de dichas variables que abarquen un periodo suficientemente largo para que la serie temporal sea estadísticamente representativa; realizar un análisis estadísticos de los datos, y seleccionar escenarios de variables multidimensionales (combinación de variables) representativos de las condiciones en el medio receptor. Cada uno de estos escenarios tendrá una probabilidad de ocurrencia asociada, y deberán de ser tenidos en cuenta para la predicción del comportamiento de la salmuera en el diseño del vertido. El Anexo se estructura comenzando con un apartado de selección de variables ambientales más importantes, considerando su influencia en el vertido y la susceptibilidad de ser consideradas en el modelado numérico. A continuación, se hace una descripción general del clima marino en el Mar Mediterráneo. Seguidamente, se describen las bases de datos utilizadas para la extracción de los datos de series temporales de las variables. El Anexo continúa con un análisis estadístico de las variables, presentado gráficos de rosas de corrientes, valores de salinidad y funciones de distribución de probabilidad para temperaturas, corrientes, etc., en tres niveles de la columna de agua, para cada uno de los puntos con los que se ha cubierto el área de estudio. Finalmente, se proponen criterios para seleccionar los escenarios probables de variables ambientales multidimensionales. El Anexo termina exponiendo pasos futuros de investigación que el Instituto de Hidráulica Ambiental emprenderá en un corto plazo para ir mejorando la metodología de caracterización del clima marino enfocada a estos vertidos. 1
5 2. SELECCIÓN DE VARIABLES AMBIENTALES Para la selección de las variables ambientales a caracterizar, se han tenido en cuenta los siguientes criterios: Variables ambientales que tienen una mayor influencia en el comportamiento del vertido de salmuera, considerando: la bibliografía disponible y los estudios de campo asociados a los planes de vigilancia ambiental. Variables ambientales que los modelos numéricos comerciales actuales consideran en la simulación del fenómeno. Variables ambientales que, si bien no son tenidas en cuenta por los modelos más utilizados en la actualidad, son susceptibles de ser implementadas y consideradas en modelos numéricos más avanzados: modelos CFDs (Computational Fluid Dynamics) e hidrodinámicos VARIABLES DE MAYOR INFLUENCIA. La influencia de las variables ambientales en el comportamiento del vertido es muy diferente en la región del campo cercano y en la región del campo lejano, siendo mucho mayor en esta última (ver: Subcap de la Guía Metodológica y Ficha 1: Teoría de chorros y plumas, del anexo 1). A continuación se analizan una a una la influencia de las distintas variables ambientales sobre el comportamiento del vertido de salmuera: Batimetría, pendiente y rugosidad del fondo. Estas variables no tienen una influencia directa significativa en el comportamiento del vertido en la región de campo cercano. Únicamente el dato de calado del fondo influye en la dilución en campo cercano en caso de vertidos superficiales y en el caso de descargas sumergidas si el chorro impacta con la superficie. La batimetría, pendiente y rugosidad determinan, sin embargo, el comportamiento de la pluma hipersalina en la región de campo lejano, tanto su trayectoria como su dilución. La pluma hipersalina, debido a su mayor densidad, se desplaza sobre el fondo marino por gravedad, a favor de la pendiente más negativa y desviada por las corrientes de fondo. Diferentes estudios experimentales [2], [3], [4], [5], [6] revelan que la velocidad de desplazamiento de la pluma, y con ello su dilución aumentan con la pendiente del fondo, favoreciéndose la mezcla en el caso de un flujo supercrítico. El paso de la salmuera por zonas del lecho con pozos o canales submarinos conlleva a su acumulación en dichas zonas, donde en ausencia de corrientes permanece periodos de tiempo prolongados con una dilución muy pequeña. La presencia de un fondo rugoso tiende a frenar a la pluma en su avance. Corrientes ambientales. Las corrientes del medio receptor influyen tanto en el comportamiento del vertido en campo cercano, como en campo lejano. En el campo cercano, su grado de influencia depende del tipo de descarga y de la localización de las corrientes en la columna de agua. En general, la presencia de corrientes ambientales favorece la dilución del efluente. En vertidos mediante chorros sumergidos, el estudio experimental llevado a cabo sobre chorros inclinados 90º y 60º [7] obtuvo el siguiente grado de influencia respecto a la intensidad de la corriente: para 1, la influencia de la corriente es despreciable; para 0.2, la corriente ambiental influye en la trayectoria del chorro; para 1, la corriente ambiental afecta a la mezcla, favoreciendo la dilución del efluente. Los autores propusieron una serie de 2
6 fórmulas de análisis dimensional calibradas mediante datos experimentales para estimar el efecto de la corriente. Estas fórmulas se presentan en la Tabla 1. Respecto a la influencia de la dirección de la corriente en el comportamiento del chorro, dicho estudio [7] revela que la dilución del chorro se ve favorecida por la presencia de corrientes de la misma dirección y sentido que el chorro, y de corrientes perpendiculares al mismo; mientras que las corrientes de la misma dirección y sentido opuesto al chorro reducen su dilución. En el campo lejano, la presencia de corrientes en el fondo favorece el movimiento advectivo y la generación de vórtices en la pluma, siendo el perfil de velocidades de la pluma el resultante de la composición del perfil original con la componente de velocidad de la corriente ambiental. La presencia de corrientes modifica la trayectoria y favorece la dilución de la pluma de forma muy significativa, dado que, por pequeña que sea su intensidad, es posiblemente del mismo orden de magnitud que la velocidad de la pluma, hecho que no se produce en el campo cercano. Debido a esto, la corriente afecta a la pluma, desviando su trayectoria e incrementando su dilución. Estudios realizados en Javea, Alicante [8] muestran una respuesta estacional de la salmuera, de modo que, para un mismo caudal y salinidad del efluente, se registra una mayor área de influencia y mayores concentraciones en la pluma hipersalina en los meses de verano, cuando la hidrodinámica marina es menor. Perfiles de temperatura/salinidad. En primer lugar es importante señalar que, para procesos de osmosis inversa, la salmuera generada tiene aproximadamente la misma temperatura que el agua de alimentación, mientras que la salinidad es significativamente mayor. Si la zona de alimentación y de vertido se encuentran alejadas entre sí es posible que se dé el caso de una diferencia térmica entre la salmuera y el fluido receptor. Los perfiles de salinidad y temperatura pueden afectar al comportamiento del vertido en tanto que definen el perfil de densidad y la diferencia de concentración salina del efluente con respecto al medio receptor. Generalmente esta influencia es poco importante en la región de campo cercano, dado que la densidad del efluente es significativamente mayor que la del medio receptor, estratificado o no, y se comporta en cualquier caso como un flujo de flotabilidad negativa. En todos los casos, la dilución del efluente es mayor cuanto mayor es su diferencia de densidad con el fluido receptor. Sin embargo, la existencia de estratificación en el medio receptor propicia la formación del flujo bicapa y, por tanto, acelera la transición entre las regiones de campo cercano y campo lejano y acelera la formación de la pluma hipersalina. En la región de campo lejano, la existencia de un perfil de densidad en la columna de agua puede ser determinante en el comportamiento de la pluma hipersalina. En ocasiones, cuando la estratificación térmica es acusada, puede ocurrir que, tras su dilución en campo cercano, la densidad residual del efluente sea menor que la densidad en la capa inferior de la columna de agua. Este hecho provoca que la pluma quede retenida y se desplace a media altura en la columna de agua sobre una capa natural fría y densa, dificultando la dilución, pero evitando la afección a los organismos bentónicos. Un ejemplo de este hecho en el Mar Mediterráneo lo encontramos en [8]. Oleaje. Existen pocos estudios en relación con la influencia del oleaje en el comportamiento del vertido de salmuera. Considerando que en aguas profundas los efectos del oleaje se limitan prácticamente a la superficie marina, en general no tendrá influencia en vertidos de salmuera sumergidos ni en la pluma hipersalina característica del campo lejano. El oleaje constituye, sin embargo, una variable fundamental en el comportamiento de vertidos directos superficiales, en playas, cauces secos, acantilados, etc., así como en vertidos sobre estructuras porosas. En su rotura, el oleaje genera corrientes longitudinales y transversales a la costa que puedan afectar muy significativamente al comportamiento del vertido. Por otra parte, es intuitivo pensar que el movimiento oscilatorio inducido por el oleaje suponga un aumento de la turbulencia, favoreciendo la dilución del efluente. 3
7 En el marco del proyecto de I+D+i ( ) ASDECO (Sistema Automático para el control de vertidos de desaladoras) [9], se llevo a cabo un exhaustivo estudio de campo durante los años en el vertido superficial de la planta desaladora del canal de Alicante. Se instalaron boyas capaces de medir las características del oleaje, el nivel del mar, velocidad del viento, corrientes, salinidades y temperaturas, con volcado de datos en tiempo real. El estudio reveló que la intensidad del oleaje constituye la variable de mayor influencia en el comportamiento de vertidos cercanos a la costa. Investigaciones experimentales [10] sobre la influencia del oleaje en un vertido mediante chorro sumergido inclinado en zonas de aguas profundas y someras, revelan que la influencia se manifiesta en que: la sección transversal se caracteriza por dos picos en lugar de un perfil de tipo Gauss en el chorro; una división del perfil del chorro en dos ramas (en el inicio de la trayectoria) y un movimiento de rotación que deforma el chorro, reduciendo su altura máxima y alcance, y aumentado la incorporación de agua y, por tanto, la dilución. Este efecto se incrementa para mayores alturas y periodos de la ola. Los estudios experimentales realizados en el laboratorio del CEDEX [11] sobre la influencia del oleaje en el comportamiento de una pluma hipersalina avanzando sobre el fondo en aguas someras revelan un incremento de la dilución en torno a 10 para un oleaje moderado en caso de fondo arenoso. Investigaciones posteriores en este mismo centro [12] llevan a clasificar la influencia del oleaje en el vertido en función de que se produzca o no su rotura: si no se produce rotura, el oleaje genera un movimiento periódico de las partículas de agua, describiendo trayectorias curvas que van disminuyendo al acercarse al fondo. Dado que el gradiente de velocidad es pequeño, generan poca turbulencia y con ello poca capacidad de mezcla adicional. Sin embargo, cuando el oleaje rompe, se genera una turbulencia significativa que implica una mezcla adicional que incrementa la dilución. Viento. La salmuera es un efluente de mayor densidad que el fluido receptor, de modo que se hunde hacia el fondo al ser vertido; la influencia directa del viento, por este hecho, es despreciable. La existencia de viento, sin embargo, puede afectar indirectamente al vertido, por el hecho de favorecer la capacidad de mezcla entre las capas de la columna de agua. A modo de síntesis se presenta la Tabla A4-1, que describe la influencia de las distintas variables ambientales en el vertido, considerada la información disponible en la actualidad, así como la formulación existente para la estimación cuantitativa de dicha influencia: VARIABLE Pendiente del fondo INFLUENCIA SOBRE EL VERTIDO DE SALMUERA Campo cercano: En vertido en chorro: incrementa la longitud de la trayectoria y, con ello, la dilución. Favorecer la evacuación salmuera en la capa de esparcimiento lateral ( spreading layer ), reduciendo el re-entrainment y favoreciendo dilución. ESTIMACION CUANTITATIVA El modelo CORJET considera el efecto de la pendiente en el incremento de la trayectoria del chorro. Campo lejano: Incrementa la velocidad y la dilución de la pluma hipersalina. Los modelos brihne_jet_plume, brihne_plume2d y brihne_plume3d tienen en cuenta el efecto de la pendiente Rugosidad del fondo Campo cercano: nulo o despreciable - Campo lejano: Incrementa la dilución de la pluma hipersalina Los modelos brihne_jet_plume brihne_plume2d, y brihne_plume3d tienen en cuenta el efecto de la pendiente 4
8 Fórmulas de análisis dimensional [7]: for Corrientes ambientales Campo cercano: La influencia depende de la velocidad relativa entre la corriente el medio receptor y el efluente. Mayor influencia a menor velocidad relativa. En general, aumenta la dilución y desvía la trayectoria. En vertidos mediante chorros sumergidos [7], las corrientes transversales y de la misma dirección y sentido que el chorro favorecen la dilución, frente a las corrientes de sentido opuesto. / for 0.8 / [7] propone: 0.2; , para chorros inclinados 90º y 60º y corrientes transversales ( =dilución punto impacto; =máxima altura borde superior chorro; velocidad relativa entre la corriente ( ) y el chorro ( );. Numero de Froude densimétrico) Los modelos comerciales CORJET, UM3 y JetLag, y brihne_jet simulan el efecto de las corrientes. La precisión de sus resultados puede comprobarse en la validación llevada a cabo en [13]: Estratificación de densidad Campo lejano. Influencia muy significativa, dado que la velocidad de la pluma es pequeña. Desvía trayectoria e incrementa la dilución. Campo cercano: Despreciable, al menos en el rango de valores realistas de los vertidos de salmuera a nuestras costas. Campo lejano: Según las densidades y posición de termoclina, puede provocar el desplazamiento de la pluma en medio de columna de agua. CORJET, UM3 y Jetlag pueden simular estratificación térmica. Para conocer la sensibilidad de los resultados a esta variable ambiental se recomienda consultar el Anexo 1 de la presente guía (Fichas Descriptivas de modelos comerciales) - - Oleaje Significativo en vertido localizados cerca de la costa, en el interior de la línea de rotura del oleaje. Poco significativo en zonas aguas adentro o en agua profundas, en caso de vertidos sumergidos o campo lejano - Viento No tiene efecto directo - Tabla A4-1. Variables ambientales de mayor influencia en el comportamiento del vertido. 5
9 2.2. VARIABLES CONSIDERADAS POR LAS HERRAMIENTAS BÁSICAS DE MODELADO. Los software comerciales más utilizados en la actualidad para el modelado numérico en el diseño de vertidos de salmuera son: CORMIX [14], VISUAL PLUMES [15] y VISJET [16], descritos y analizados en detalle en el Anexo 1 de la presente guía. Estos modelos, al igual que las herramientas de modelado numérico brihne (MEDVSA) presentadas en el Anexo 2, consideran en sus cálculos como datos de entrada: las características del efluente, la configuración de descarga y las condiciones ambientales, en el medio receptor. La Tabla A4-2 muestra las variables del medio receptor consideradas en los modelos comerciales más utilizados: MODELOS COMERCIALES MÁS UTILIZADOS VARIABLES EN EL MEDIO RECEPTOR Profundidad (calado) del fondo MODELOS Cormix1 Cormix 2 D-CORMIX CORJET UM3 JETLAG (*1) (*1) Batimetría Pendiente del fondo - - Biocenosis / rugosidad del fondo (*2) (*2) (*2) Salinidad (*3) (*3) (*3) Temperatura (*3) (*3) (*3) Densidad (*4) (*4) (*3) (*3) (*3) Velocidad/ dirección de la corriente (*5) (*5) (*4) (*3) (*3) (*3) Oleaje Viento (*6) (*6) (*6) Tabla A4-2. Variables ambientales consideradas en los modelos comerciales más utilizados para la simulación de vertidos de salmuera. (*1) No es tenido en cuenta en sus cálculos. El modelo no avisa si el chorro impacta con la superficie; es el usuario el que debe calcular la altura máxima alcanzada por el borde superior del chorro y comprobar si es menor que el calado en la zona de vertido. (*2) No es tenido en cuenta en los cálculos de comportamiento en el campo cercano. (*3) Permite introducir diferentes valores en la columna de agua. (*4) Permite tres perfiles de estratificación por densidad. (*5) Constantes en toda la columna de agua. (*6) No es tenido en cuenta en los cálculos. Para obtener más información respecto a la sensibilidad de estos modelos comerciales a las distintas variables ambientales que consideran en sus cálculos, se recomienda estudiar el análisis de sensibilidad presentado en el Anexo 3 de la Ficha Comercial de cada uno de los modelos (ver Anexo 1: Fichas descriptivas de los modelos comerciales), que se ha realizado para el rango de valores realistas de un vertido de salmuera en el Mar Mediterráneo. Es importante 6
10 recordar que estos modelos se centran fundamentalmente en la región de campo cercano de vertidos mediante chorro (de hecho se ha recomendado ignorar las estimaciones que los subsistemas de CORMIX generan respecto el comportamiento en campo lejano). Como síntesis del análisis de sensibilidad de los modelos comerciales a las variables ambientales, se concluye: Los resultados son poco sensibles a las variaciones de temperatura/salinidad o densidad en la columna de agua, en el rango de valores realistas para el Mar Mediterráneo. Los resultados son muy sensibles a la intensidad de la corriente en el medio receptor, cuyo efecto es desviar la trayectoria e incrementar la dilución del efluente. La influencia de las corrientes en el comportamiento del vertido dependerá de la velocidad relativa entre el medio receptor y el efluente, así pues será mucho más notable en un vertido directo que un vertido en chorro a gran velocidad; así mismo, la influencia será mucho más significativa en la región de campo lejano. Respecto a la influencia de la dirección de las corrientes, los modelos no predicen correctamente el comportamiento observado experimentalmente [7], que supone mayores diluciones del chorro en presencia de corrientes transversales y corrientes de la misma dirección y sentido, y menores diluciones en caso de corrientes de sentido opuesto al chorro. Los modelos comerciales, en cambio estiman prácticamente la misma dilución independientemente de la dirección de la corriente con respecto al chorro. Este hecho conlleva a que sobreestimen la dilución para corrientes opuestas al chorro. La sensibilidad del modelo a la definición de un perfil de corrientes no homogéneo en la columna de agua es muy pequeña, de modo que la existencia del perfil influye poco en los resultados. La intensidad del viento, la rugosidad y la pendiente del fondo, si bien algunos modelos comerciales obligan a que sean introducidos como datos de entrada, no tienen mucha influencia en la región del campo cercano y en muchas ocasiones no son considerados en los cálculos de los modelos. Respecto a las herramientas online de simulación brihne (ver Anexo el 2 para una descripción detallada), se presenta la Tabla A4-3 indicando las variables ambientales que son consideras en sus cálculos: HERRAMIENTAS DE MODELADO brihne VARIABLES EN EL MEDIO RECEPTOR Profundidad (calado) del fondo MODELOS brihne-jet brihne-mjets brihne- Jet_Spreading brihne-jet- Plume2D brihne- Plume2D brihne-plume3d Batimetría Biocenosis / rugosidad del fondo Pendiente del fondo (*1) (*1) (*1) Salinidad (*1) (*1) (*1) (*1) (*1) (*1) Temperatura Densidad (*1) (*1) (*1) (*1) (*1) (*1) Corrientes ambientales (*1) Oleaje Viento Tabla A4-3. Variables ambientales consideradas en las herramientas de modelado online brihne (*1) Valor constante en toda la columna de agua 7
11 Respecto a la sensibilidad de los modelos brihne (MEDVSA) a estas variables ambientales, se puede sintetizar: - Los resultados de los modelos brihne para el comportamiento en campo cercano (brihne-jet, brihne-mjets, brihne-jet-spreading) son también poco sensibles a las variaciones de salinidad/temperatura - densidad, en el rango de valores realistas para el Mar Mediterráneo. Sin embargo, la densidad en el medio receptor tiene una mayor influencia en el comportamiento de la pluma en campo lejano (brihne-jet-plume2d, brihne- Plume2D, brihne-plume3d), donde las fuerzas de flotabilidad, junto con las condiciones en el medio receptor, dominan en la dinámica del fenómeno. - brihne-jet es el único entre los modelos brihne que simula la presencia de corrientes en el medio receptor. La sensibilidad de los resultados a estos parámetros es la misma que la del modelo comercial CORJET. - Los modelos brihne de simulación del campo lejano (brihne-plume2d, brihne-plume3d y brihne-jet- Plume2D) son sensibles a los valores de pendientes y rugosidad del fondo. En general, a mayor pendiente y rugosidad del fondo, mayor es la dilución de la pluma hipersalina Realizado este análisis respecto a las variables ambientales que consideran las herramientas básicas de modelado (modelos comerciales y herramientas brihne), se puede concluir que las variables ambientales de mayor interés en este sentido, por poder ser tenidas en cuenta en estos modelos son: los perfiles de salinidad y densidad y las corrientes en el medio receptor. La pendiente y rugosidad del fondo son también datos de interés en el modelado del flujo en la región de campo lejano. 8
12 2.3. VARIABLES CONSIDERADAS EN MODELOS NUMÉRICOS AVANZADOS. La aplicación de modelos numéricos avanzados: CFDS (Computational Fluid Dynamics) para la simulación del campo cercano de vertidos de salmuera (Anexo 5), y la aplicación de modelos hidrodinámicos para el modelado del campo lejano (ver Anexo 6), abre un amplio abanico de posibilidades frente al modelado con herramientas básicas (modelos comerciales y herramientas brihne). Estos modelos avanzados asumen menos hipótesis simplificativas e incluyen muy diversas posibilidades en el diseño de la simulación: opciones de discretización horizontal y vertical del dominio; modelos de cierre para la resolución de los términos turbulentos; esquemas de resolución de las ecuaciones, etc. Además, son capaces de resolver las ecuaciones para pasos de tiempo pequeños, permitiendo la modificación continua y realista de los escenarios en el medio receptor y la inclusión de series temporales como datos de entrada. MODELOS CFDs (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS). Los modelos CFDs resuelven directamente las ecuaciones de Navier Stokes, considerando variaciones de densidad en los distintos términos de la ecuación y aceleraciones verticales. Son capaces de resolver todas las escalas e incluyen múltiples opciones de modelos de cierre para los términos turbulentos, lo que permite representan con un alto grado de detalle y rigor fenómenos predominantemente turbulentos y fenómenos donde las variaciones de presión son significativas y no puede asumirse la hipótesis hidrostática de presiones. Como contrapartida está su alto coste computacional. En virtud de sus características, los CFDS son modelos más adecuados para el modelado numérico del campo cercano del vertido, donde predominan los procesos turbulentos, con escalas espaciales y temporales pequeñas. El modelo CFD elegido en el marco del proyecto MEDVSA para simular el comportamiento del vertido en campo cercano es el OpenFoam [17], (ver Anexo 5). Se trata de una colección de librerías que implementan la funcionalidad necesaria para resolver las ecuaciones del flujo en volúmenes finitos, permitiendo resolver cualquier juego de ecuaciones (las de Navier-Stokes u otras derivadas de éstas), en dominios complejos, utilizando mallas no estructuradas. Este modelo está siendo adaptado para el modelado del comportamiento de un chorro hipersalino y la consideración de las condiciones dinámicas en el medio receptor. En una primera fase, el código está siendo adaptado para simular la presencia de corrientes ambientales (intensidad y dirección) y la pendiente del fondo. En una segunda fase, se adaptará OpenFoam para modelar la presencia del oleaje en el medio receptor de un vertido hipersalino, así como los perfiles de densidad (salinidad/ temperatura) y una batimetría detallada. MODELOS HIDRODINÁMICOS. Los modelos hidrodinámicos, que resuelven las ecuaciones de onda larga, asumen en general aceleraciones verticales despreciables (hipótesis hidrostática de presiones) y variaciones de densidad despreciables en todos los términos de la ecuación salvo en el término de gravedad (aproximación de Boussinesq), dado que están enfocados a la representación de fenómenos donde estas hipótesis son asumibles. En general trabajan a escalas espaciales y temporales más grandes que los CFDs, e incluyen términos externos para representar los procesos de mezcla. De acuerdo con esto, los modelos hidrodinámicos son más adecuados para simular el comportamiento de la salmuera en campo lejano, donde las variables ambientales son protagonistas en el comportamiento de la pluma y en los procesos de mezcla. El modelo que se implementará para la simulación de la pluma hipersalina en campo lejano es el modelo de código abierto ROMS (Regional Ocean Modelling system) [18], (ver Anexo 6) desarrollado por la comunidad científica y en continua evolución, que asume también distribución hidrostática de presiones y aproximación de Boussinesq. El modelo ofrece un amplio abanico de posibilidades en cuanto a los parámetros de modelo más importantes para representar el comportamiento de la pluma hipersalina: discretización del dominio, modelos de cierre de los términos turbulentos, esquema de resolución, etc. El modelo ROMS incluye todas las herramientas para introducir las corrientes en el medio receptor o los perfiles de salinidad-temperatura o densidad, las ondas de marea, etc., como condiciones de contorno y condiciones iniciales del modelo. 9
13 Considerando las posibilidades de ROMS y la evidencia respecto a la influencia de las variables ambientales en el comportamiento de la pluma hipersalina, se considera que las variables ambientales prioritarias que deben tenerse en cuenta para un fiel reflejo del comportamiento en campo lejano en los vertidos en nuestros mares son: las corrientes ambientales sobre el fondo y los perfiles de salinidad/temperatura o perfiles de densidad. La batimetría y rugosidad del fondo son así mismo variables con una gran influencia en el comportamiento de la pluma hipersalina, también a considerar en la simulación con modelos hidrodinámicos VARIABLES AMBIENTALES CARACTERIZADAS EN ESTA GUÍA. Definidas las variables ambientales de mayor influencia en el comportamiento del vertido de salmuera, aquellas que a día de hoy son tenidas en cuenta en las herramientas de modelado disponibles, y aquellas que son susceptibles de ser incorporadas a modelos numéricos avanzados, se ha tomado la decisión de seleccionar las siguientes variables para su caracterización climática en esta guía: - Corrientes ambientales: intensidad y dirección. - Salinidad. - Temperatura. También se caracterizará en este Anexo las pendientes medias del fondo determinados transectos en el Mar Mediterráneo, dado que es un parámetro fundamental en el comportamiento de la pluma hipersalina y un dato de entrada obligatorio en los modelos básicos de simulación del campo lejano. Finalmente, el anexo incluye los valores de variación máxima del nivel del mar, derivadas de la marea astronómica y de la marea meteorológica. Este dato ha de tenerse en cuenta en el diseño de dispositivos de vertido sumergidos, de modo que al considerar la profundidad media del vertido se considere cuál es el nivel mínimo, para diseñar evitando el impacto del efluente con la superficie libre del mar bajo cualquier escenario. En la sección 3, 4 y 5 de este anexo se realiza una descripción general del clima marino en el Mar Mediterráneo, se presentan las bases de datos utilizadas, el análisis estadístico realizado, los resultados obtenidos en forma de Fichas, y criterios para la selección de escenarios de clima marino probables, a considerar en el modelado. 10
14 3. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS PATRONES CLIMÁTICOS EN EL MAR MEDITERRÁNEO PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DEL MAR MEDITERRÁNEO. El contenido de las secciones 3.1 y 3.2. deriva de la Tesis Doctoral [19]. El mar Mediterráneo [20] es un mar semicerrado, que se comunica por su lado occidental con el Océano Atlántico a través del Estrecho de Gibraltar (la profundidad mínima es de 320 m), y por su lado oriental a través del Estrecho de los Dardanelos (la profundidad mínima es de 57 m) con el Mar de Mármara; después a través del Bósforo (la profundidad mínima es de 37 m) con el Mar Negro. El Mediterráneo tiene también un acceso a la región del Golfo Pérsico a través del Canal de Suez. Con aproximadamente 2,5 millones de Km2 y 3860 km de longitud, es el mar interior más grande del mundo. Tiene una longitud de Este a Oeste de Km y una anchura máxima de Km y en general es poco profundo (1.500 m de media). Una barrera subterránea desde Túnez a Sicilia (aproximadamente a 15º E), divide el Mediterráneo en dos grandes cuencas: la oriental y la occidental. Dichas cuencas se componen a su vez de varias sub-cuencas definidas por diferentes características oceanográficas (diferente topografía, masas de agua y forzamientos atmosféricos) y separadas por estrechos y canales [21]. Hay otra barrera subterránea entre España y Marruecos, con sólo 320 m de profundidad, que restringe la circulación a través del angosto Estrecho de Gibraltar y reduce las diferencias de nivel de las mareas lo que, junto con el alto nivel de evaporación, hace que el Mediterráneo sea mucho más salino que el Océano Atlántico. El Estrecho de Gibraltar es una separación natural entre el mar Mediterráneo y el Océano Atlántico 3.2. CIRCULACIÓN GENERAL EN EL MAR MEDITERRÁNEO Las corrientes son el resultado de una serie de procesos hidrodinámicos derivados de factores meteorológicos: oleaje, corrientes de deriva, corrientes generales y las mareas. Las corrientes superficiales son consecuencia del forzamiento por el viento, de la rotación terrestre de los gradientes de presión, de la sobre-elevación de la superficie libre del nivel del mar y de los gradientes termohalinos La circulación general en el Mar Mediterráneo es compleja y está compuesta por diferentes escalas temporales que interactúan entre sí, incluyendo la gran escala, la escala subcuenca y las estructuras de mesoescala [18]. De una manera esquemática [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]: el agua atlántica (AW) entra en las capas superficiales del Mar Mediterráneo a través del Estrecho de Gibraltar, modificándose y pasándose a llamar MAW. Con una trayectoria generalmente ciclónica, sigue el talud del Mediterráneo a una profundidad entre 100 y 200m (Figura 1). En el Mar de Alborán, la circulación está dominada por uno o dos giros anticiclónicos de escala subcuenca [30]. En esta zona que el MAW sigue la costa Africana es llamada corriente de Argelia. Se trata de una corriente costera muy inestable, que genera la formación de numerosos eddies a lo largo de la costa Africana, haciendo que la cuenca argelina se caracterice por una gran actividad de mesoscala. Algunos de estos remolinos crecen de tamaño, separándose de la costa y alcanzando la parte meridional el Mar Balear [31]. Cuando la corriente de Argelia alcanza el Estrecho de Sicilia, se bifurca en dos ramas, una de las cuales entra en el Mediterráneo este; la otra permanece en la cuenca Oeste, siguiendo las costas de francesas e italianas, donde se denomina corriente del Norte [32]. Esta corriente es alimentada a su vez por el flujo hacia el norte del MAW, en la costa Este de Córcega y fluye hasta el Canal de Ibiza. Durante la trayectoria desde Gibraltar hacia el Este, el MAW pierde gradualmente sus características originales, haciéndose más salada (debido a la evaporación) y más densa. Cuando la corriente del Norte alcanza la cuenca Balear, las viejas propiedades del MAW son muy diferentes de las que tiene el AW entrando por el Estrecho de Gibraltar. Estas diferencias provocan que aparezca un frente de densidad: el frente Balear, que separa dichas aguas. La Figura A4-1 muestra la circulación superficial oceánica en la Cuenca Oeste del Mar Mediterráneo. 11
15 Figura A4-1. Circulación superficial esquemática en la cuenca oeste del Mar Mediterráneo (Fuente: [32]). De forma esquemática, la circulación general del Mediterráneo está integrada por varios giros de escala sub-cueca y corrientes, conectados por fuertes chorros y corrientes costeras, y afectada por la variabilidad temporal de estas corrientes y giros, a diferentes escalas de tiempo (desde la estacional a la interanual) y con fuertes actividades de mesoscala en diferentes regiones [33]. Así pues, la circulación del Mar Mediterráneo puede verse como un sistema oceánico en el que interactúan diversas escalas temporales y espaciales, generando una circulación altamente variable. Centrándonos en nuestra área de interés: el Oeste Mediterráneo, se caracteriza por la formación de masas de aguas intermedias y profundas. En el Golfo de León, en invierno, los fuertes vientos (Mistral) producen convección y hundimiento, formando la Western Mediterranean Deep Water (WMDW) [34]. En inviernos suaves, se produce la convección pero el hundimiento de las aguas no es suficiente para generar aguas profundas, formándose por tanto a profundidades intermedias la llamada Western Intermediate Waters (WIW).La circulación en el Estrecho de Sicilia presenta un intercambio en dos capas. En la capa superficial, la AW entra en la cuenca de Este; y en las capas más profundas, la Levantine Intermediate Water (LIW), que se forma en la cuenca Levantina, entra en el Mediterráneo occidental. La circulación de esta masa de agua, entre los 200 y 800 m, es principalmente ciclónica, alrededor de la periferia de la cuenca occidental y desemboca al Océano Atlántico a través del Estrecho de Gibraltar PERFILES DE TEMPERATURA Y SALINIDAD. De la revisión realizada de las campañas de campo derivadas de los planes de vigilancia ambiental de plantas desaladoras españolas situadas en el Mar Mediterráneo, como es el cado de [35], se ha observado que los valores de salinidad son bastante homogéneos, tanto en el perfil de la columna de agua como en el tiempo. La temperatura en cambio experimenta variaciones significativas, que pueden modificar la densidad en la columna de agua e influir en el comportamiento de la salmuera. PERFIL TÉRMICO INVERNAL EN LA COLUMNA DE AGUA. Durante los meses de invierno se mantiene una temperatura más o menos constante, homogénea en toda la columna de agua. La concentración de nutrientes en esta estación es más alta y se distribuye uniformemente por toda la columna de agua. La salinidad se mantiene en un rango de variación muy pequeño, alrededor de un valor medio de 37.5psu. PERFIL TÉRMICO ESTIVAL EN LA COLUMNA DE AGUA. Al llegar el verano, las altas temperaturas y la ausencia de vientos provocan la formación de una termoclina entre las profundidades 15 y 22 m, que lleva asociada la presencia de una picnoclina. A profundidades entre m, la temperatura es mayor, en el rango ºC y la salinidad es de unos 37.5 psu (densidad=1025 Kg/m³), mientras que a mayores profundidades (superiores a 25 m), la salinidad alcanza los 38 psu y la temperatura es de unos 15 ºC (densidad: Kg/m³). 12
16 El gradiente térmico en esta época es, por tanto, de entre 1-1.5ºC/metro en el rango de profundidades 20-30m, aunque este rango es variable según el fondo. Este gradiente térmico se traduce en un gradiente de densidades, con una picnoclina que limita la mezcla entre capas y los intercambios verticales de materia y energía. PERFIL EN EL RESTO DEL AÑO Se observa una situación intermedia entre los extremos de verano e invierno, y depende de los acontecimientos meteorológicos. A partir del mes de abril el flujo de valor es máximo entre atmósfera y agua. La Tabla A4-4 muestra el rango de valores aproximados realistas de salinidad y temperatura en nuestra región del Mediterráneo, a profundidades características de vertido, y la densidad resultante de dichos valores: AGUA DEL MAR MEDITERRÁNEO Salinidad (psu) Temperatura (ºC) Densidad (Kg/m³) Tabla A4-4. Rango característico de valores de salinidad, temperatura y densidad en el Mediterráneo occidental Dado, por tanto, que la salinidad se mantiene prácticamente constante, es la temperatura la variable de mayor influencia en la variación de la densidad en el perfil de la columna de agua. 13
17 4. CARACTERIZACIÓN DEL CLIMA MARINO ENFOCADA LOS VERTIDOS DE SALMUERA BASES DE DATOS. Para la caracterización de las variables ambientales en nuestras costas mediterráneas se han utilizado bases de datos suficientemente contrastadas y con series temporales suficientemente largas para garantizar la representatividad estadística. Se han caracterizado: perfiles de corrientes, de temperatura y de salinidad. Además, partiendo de la batimetría ETOPO2, elaborada por la NOAA (National Oceanic Athmosferic Administration), se han extraído las pendientes medias en el fondo y, a partir de la Red de Mareógrafos REDMAR, se han obtenido las variaciones (-) máximas del nivel del mar en algunos puntos del Mar Mediterráneo. MEDITERRANEAN SEA REANALYSIS (MEDREA) MEDREA [36] es una base de datos de reanálisis de alta resolución de corrientes que abarca la región de todo el Mediterráneo, la costa Atlántica de la Península, y el Golfo de Vizcaya hasta la desembocadura de Garona, Francia. La base ha sido generada por el grupo formado por el Departamento de Ciencias Ambientales de la Universidad de Bolonia, el Grupo Nacional de Oceanografía Operativa y el Centro Euro-Mediterráneo para el Cambio Climático, Bolonia, Italia. La Figura A4-2 muestra una imagen del dominio en el que se ha realizado el reanálisis en la obtención de los datos de la base MEDREA y en la Figura A4-3 se muestra un ejemplo de mapas de corrientes medias diarias de esta misma base de datos. Figura A4-2. Dominio en el que se ha realizado el reanálisis de MEDREA. 14
18 Figura A4-3. Mapa de corrientes medias diarias superficiales (correspondientes al 30/09/2007) obtenido de la base de datos MEDREA. Para la generación de la base de datos se utilizó el modelo Océan PArallelisé (OPA) [37] en su versión v.8.1, desarrollado en el proyecto europeo EU-MFSTEP, utilizado en la actualidad para predicción en la región del Mediterráneo [38]. Este modelo utiliza las ecuaciones primitivas tridimensionales en coordenadas esféricas, asumiendo incompresibilidad e hipótesis de Boussinesq. El modelo integra además una ecuación de superficie libre con un esquema implícito. El modelo ha utilizado los siguientes forzamientos: Forzamiento atmosférico: se han utilizado las bases de datos de reanálisis de 15 años ERA-15 del ECMWF (ERA-15) [39] y de 1993 a 2007, los análisis operacionales del ECMWF, para reproducir las interacciones océano-atmósfera. El modelo utiliza los campos atmosféricos de superficie y calcula los flujos de calor, momento y agua, usando la SST (Temperatura Superficial del Mar) del modelo. Cobertura de nubes: se tomaron para el periodo datos de NCEP-NCAR y de 1993 a 2007 de nuevo los datos de análisis operacional de cobertura de nubes de ECMWF. Precipitación: se han tomado de las medias mensuales de reanálisis de los centros meteorológicos NCEP-NCAR, interpolados de la malla original de estos datos a los puntos de la malla del modelo. Evaporación: se calcula para cada paso de tiempo y cada punto de la malla mediante interactivebulk formulas. Descarga fluvial: se multiplica por una función gaussiana de modo que en la desembocadura de los ríos exista una mayor dispersión de puntos de agua dulce mar adentro y así caracterizar mejor la pluma fluvial Se han introducido además condiciones de contorno en el fondo y en superficie para la velocidad vertical, las velocidades horizontales, temperatura y flujo de sal y solo en superficie para la salinidad en función del flujo de agua, que se define como la evaporación menos la precipitación y menos un término que tiene en cuenta la escorrentía de los ríos y el área de las desembocaduras. La Tabla A4-5 resume las principales características de la base de datos MEDREA: Dominio Nº de años reanálisis ºW ºE 30.25º N 46º N 23 años ( ) Resolución espacial 871 (x) X 253 (y) celdas horizontal 1/16º 6.5 Km Resolución vertical espacial Coordenadas cartesianas Max: 72 niveles o capas de espesor variable, 15
19 entre las profundidades 1.5 y 5335 m. Mayor resolución en las capas superficiales. Resolución temporal Datos diarios y medias mensuales Variables Salinidad (psu) Temperatura (ºC) Altura de la superficie del mar (m) Flujo de calor (W/m²) Flujo de agua (Kg/m²/S) Radiación de onda corta (W/m²) Corrientes en x, (W-E), (m/s) Corrientes en y, (N-S), (m/s) Tensión del viento en el eje x (N/m²) Tensión del viento en el eje y (N/m²) Viscosidad vertical del remolino (m²/s) Tabla A4-5. Principales características de la base de datos MEDREA. La base de datos ha sido validada con las siguientes bases de datos instrumentales: - Temperatura superficial del mar, registrada mediante satélite. - Perfiles de temperatura y salinidad medidos con CTD o equivalente. - SLA (Sea Level Anomaly) de satélite. A modo de ejemplo, la Figura A4-4 y la Figura A4-5 muestran la serie temporal completa de 20 años de datos diarios de temperatura y salinidades, para un punto del Mediterráneo (punto 8 de la discretización que se presenta en apartados posteriores) en la superficie, media columna y fondo marino. Se observa claramente las fuertes variaciones de temperatura entre el invierno y la época estival, especialmente en la superficie del mar, que, como se ve, siguen un claro patrón estacional. La salinidad, sin embargo, experimenta variaciones en un rango mucho más pequeño (prácticamente entre 37 psu y 38.5 psu). Figura A4-4. Serie temporal completa de MEDREA de datos diarios de temperatura en un punto del Mediterráneo, en tres niveles de la columna de agua. 16
20 Figura A4-5. Serie temporal completa de MEDREA de datos diarios de salinidadese en un punto del Mediterráneo, en tres niveles de la columna de agua. DOWNSCALED OCEAN TIDES (DOT)- La base de datos MEDREA tiene la desventaja de que, por tratarse de medias diarias calculadas a partir de los forzamientos meteorológicos, ignora las corrientes debidas a la marea astronómica. Estas corrientes, sin embargo, pueden llegar a ser del mismo orden de magnitud en el caso del Mar Mediterráneo, por lo que han de ser también tenidas en cuenta. Para considerar las corrientes generadas por la marea astronómica, se ha utilizado la base de datos DOT (Downscaled Ocean Tides), desarrollada por el Instituto de Hidráulica Ambiental de Cantabria (IH Cantabria). Se trata de una base de datos horaria de nivel y corrientes de marea astronómica, que se ha obtenido mediante reanálisis. La base de datos abarca toda la costa peninsular, incluidos el Mar Mediterráneo, Mar Cantábrico y Océano Atlántico. DOT tiene una resolución espacial horizontal de 1 minuto e incluye 30 niveles en su discretización vertical. El modelo utilizado en el reanálisis de DOT es el modelo tridimensional ROMS (Regional Ocean Modeling System) desarrollado por el Ocean Modeling Group de Rutgers (http://marine.rutgers.edu/po/index.php?model=roms), que resuelva las ecuaciones primitivas asumiendo que la presión sigue una ley hidrostática (Ver Anexo 6). Como condiciones de contorno en el reanálisis se han utilizado las componentes armónicas proporcionadas por el modelo TPXO, modelo inverso de mareas que asimila la información del nivel del mar derivada de las observaciones del sensor TOPEX/Poseid, y que proporciona cuatro componentes armónicas semidiurnas (M2, S2, N2, K2), cuatro componentes diurnas (K1, O1, P1, Q1) y dos de largo periodo (Mf y Mm), en una malla con cobertura global de 1440 x 721 puntos con 0.25º de resolución espacial. Los resultados de evolución horaria del nivel del mar obtenidos han sido validados con los mareógrafos de la Red REDMAR, contenidos en la malla numérica, de la red OPPE (Puertos del Estado). 17

References: resolución 
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