Los balances sedimentarios son una herramienta de gestión costera que se utiliza para analizar y describir las diferentes entradas (fuentes) y salidas (sumideros) de sedimentos en las costas, lo que se utiliza para predecir el cambio morfológico en una línea costera en particular a lo largo del tiempo. Dentro de un entorno costero, la tasa de cambio de sedimentos depende de la cantidad de sedimentos que ingresan al sistema en comparación con la cantidad de sedimentos que lo abandonan. Estas entradas y salidas de sedimentos equivalen entonces al balance total del sistema y, con mucha frecuencia, reflejan las cantidades de erosión o acreción que afectan la morfología de la costa. [1] [2]
Para evaluar el balance sedimentario, la costa debe dividirse en dos morfologías separadas, comúnmente conocidas como celdas y compartimentos litorales. Los compartimentos sedimentarios generalmente se pueden definir como dos barreras rocosas que marcan los extremos de una playa y tienen un balance sedimentario fijo, aunque generalmente permeable en cierta medida. Las celdas litorales pueden ser libres o fijas y pueden ocupar una jerarquía de escalas, desde celdas de resaca individuales hasta playas enteras. [2] [3] [ página necesaria ]
Existen varios tipos de fuentes y sumideros naturales dentro de un sistema costero. Las fuentes de sedimentos pueden incluir el transporte fluvial, la erosión de los acantilados marinos y la deriva litoral hacia una zona. Los sumideros de sedimentos pueden incluir la deriva litoral de sedimentos fuera de una zona y la deposición de sedimentos en un estuario .
Las actividades antropogénicas también pueden influir en los presupuestos sedimentarios; en particular, la construcción de represas en un río y la extracción de grava del lecho de un río pueden reducir la fuente de sedimentos hacia la costa. Por el contrario, la regeneración de playas puede aumentar la fuente de sedimentos.
En 1966, Bowen e Inman definieron una celda litoral y separaron las entradas de sedimentos, la acreción por deriva litoral y las salidas. [4]
Los presupuestos sedimentarios se utilizan para ayudar en la gestión de la erosión de las playas al intentar mostrar el movimiento actual de sedimentos y pronosticar el movimiento futuro de sedimentos. [5]
Para comprender el balance sedimentario de un entorno costero es importante conocer los diferentes tipos de retroalimentación que pueden determinar si existe estabilidad. Cuando un entorno de playa se ve afectado por la energía del viento, las olas y las mareas, responde con una retroalimentación positiva o negativa que determina si el sistema está equilibrado y en equilibrio .
La retroalimentación negativa es un mecanismo estabilizador que actúa para oponerse a los cambios en la morfología costera y establecer el equilibrio. Un entorno costero en equilibrio es capaz de disipar o reflejar la energía entrante sin que se produzcan entradas o salidas de sedimentos y cambios en la morfología. Por ejemplo, cuando una playa en equilibrio se erosiona durante una tormenta, forma una barra en alta mar que, a su vez, obliga a las olas a romper sobre ella. Al hacer esto, las olas pierden mucha energía y se disipan antes de llegar a la costa, lo que reduce significativamente la erosión. Cuando la tormenta se calma, la barra se vuelve a colocar en la playa. [2]
Por el contrario, la retroalimentación positiva aleja al sistema costero del equilibrio modificando su morfología hasta que se alcanza un umbral, en el que se produce un tipo de respuesta diferente. Por ejemplo, si una tormenta atravesara la duna frontal de una playa que no está en equilibrio, se crearía una zona vulnerable, que a su vez sería susceptible a la formación de un reventón debido al viento que aprovecha la ausencia de vegetación. [2] [3] [ página necesaria ]
La compartimentación de la costa se produce cuando hay obstáculos u objetos importantes, especialmente en promontorios en costas con mucha profundidad. Las playas más cerradas se conocen comúnmente como playas de bolsillo. En este tipo de playas, el volumen de arena permanece constante y son compartimentos cerrados. Las células litorales se pueden definir como sedimentos dentro de una costa que circulan, por ejemplo, corrientes de resaca. Las células litorales generalmente se desarrollan en costas que no están obstaculizadas por promontorios y donde se permite el desarrollo de corrientes litorales.
La identificación de las células litorales es crucial para determinar el balance de sedimentos de las costas arenosas. En el sudoeste de Australia Occidental, se cree que los grandes promontorios con cúspides y los promontorios rocosos son los límites de las células litorales. Los límites de las células litorales se han definido mediante estudios de trazadores del movimiento de sedimentos, observación geomorfológica y descripción sedimentológica, obtención de minerales pesados y análisis de la distribución espacial del flujo de olas a lo largo de la costa. [4]
Las celdas litorales son generalmente un área donde los cambios en el volumen de sedimentos afectan directamente los cambios en la línea de costa, y lo ideal es que se definan para minimizar el intercambio de sedimentos a lo largo de la costa con otras celdas litorales, por ejemplo, una playa de bolsillo rodeada de promontorios rocosos (que se supone que excluyen los sedimentos). Las subceldas se definen generalmente para medir mejor el presupuesto de sedimentos de una costa con diferentes tasas de acreción y erosión. El límite terrestre de una celda litoral suele ser el pie de una duna o acantilado, sin embargo, el límite marítimo es difícil de definir ya que los mecanismos de transporte de sedimentos aquí son poco conocidos. Hay tres tipos de límites entre celdas litorales: a lo largo de la costa, hacia la tierra y hacia el mar; a través de los cuales los sedimentos pueden ingresar a la celda litoral o salir de ella mediante varios procesos. Es importante identificar qué procesos operan en una celda litoral en particular y también es importante identificar las fuentes y los sumideros de sedimentos, ya que al medir el sedimento ganado o perdido por estas fuentes y sumideros, se puede determinar un presupuesto de sedimentos. [5]
Los ríos son fuentes puntuales importantes de aporte de sedimentos al balance sedimentario costero, esto es particularmente cierto en las costas con un gradiente pronunciado, donde los ríos vierten directamente sus sedimentos en la costa. Las costas con un gradiente bajo pueden perder sedimentos fluviales en los estuarios. [5] La entrega de sedimentos a la costa puede ser muy intermitente, ocurriendo principalmente durante las inundaciones, y el aumento del caudal suele generar un aumento del sedimento suministrado a la costa. Algunos ríos se denominan "grandes" porque producen grandes cantidades de sedimento para nutrir el entorno costero. Por ejemplo, el río Waimakariri en la costa de Canterbury , Nueva Zelanda, produce el 77% del sedimento suministrado a la costa de la bahía de Pegasus . [6] Este no siempre es el caso de algunos ríos denominados "pequeños" porque luchan por suministrar suficiente sedimento para evitar que sus costas se erosionen, por ejemplo, el río Rakaia al sur de la península de Banks en Canterbury, Nueva Zelanda. [7]
La construcción de presas fluviales para el control de inundaciones y la generación de energía hidroeléctrica reduce el suministro de sedimentos a muchas costas debido al atrapamiento de sedimentos y la disminución de los picos de inundación y la intensidad de las inundaciones. En lugares como el sur de California en los Estados Unidos, en particular el río San Luis Rey , se construyen presas para controlar las inundaciones de propiedades a lo largo del río. Irónicamente, al hacerlo, esto contribuye al daño de las propiedades costeras debido a la falta de sedimentos producidos para proteger las playas. [8] Otro ejemplo es la presa de Asuán construida en el río Nilo , Egipto , en 1964. Antes de la construcción de la presa de Asuán, el río Nilo entregaba entre 60 y 180 millones de toneladas de sedimentos y agua al mar Mediterráneo cada año. El suministro de sedimentos es ahora casi nulo, lo que ha producido un desequilibrio significativo en el presupuesto sedimentario cercano a la costa, creando una importante erosión y desplazamiento de sedimentos a lo largo de la costa. [9] [10]
Los efectos de la retención de sedimentos debido a las represas pueden verse exacerbados cuando se combinan con otras actividades como la extracción de grava en el cauce. La excavación de grava del lecho de un río forma fosas dentro del perfil del canal que pueden atrapar gran parte del sedimento de carga de fondo entrante , impidiendo o ralentizando su llegada a la costa. La minería también puede reducir la cantidad total de sedimento disponible para el transporte, especialmente cuando se produce río abajo de las represas. Por ejemplo, cada año se extraen aproximadamente 300.000 m3 de grava del río San Luis Rey en el sur de California, lo que es casi 50 veces más que el rendimiento de sedimento de carga de fondo después de la construcción de la represa. [8] Por lo tanto, la extracción de más sedimento de carga de fondo reduce aún más el rendimiento de sedimento disponible para la costa.
La eliminación de la vegetación natural para el cultivo y el uso de la tierra puede aumentar la erosión del suelo, lo que da lugar a un aumento de la producción de sedimentos transportados por los ríos hasta la costa. Por ejemplo, en Westland , Nueva Zelanda, esto ha tenido un efecto acumulativo: la tala rasa de árboles ha aumentado la producción de sedimentos de los ríos hasta ocho veces. [10]
La erosión de los acantilados marinos es una importante fuente de sedimentos para muchos presupuestos sedimentarios costeros, iniciada por muchos procesos diferentes, incluidos el ataque de las olas, las precipitaciones y la filtración de aguas subterráneas. La erosión de los acantilados puede verse influenciada por el aumento del nivel del mar y se magnifica con los eventos de mareas de tormenta . [11] Un ejemplo de erosión de los acantilados es la erosión de los grandes abanicos aluviales del Pleistoceno que se extienden a lo largo de la bahía de Canterbury , situada al norte del río Waitaki en Nueva Zelanda. La erosión de estos acantilados, debido a entornos de olas de alta energía, contribuye con el 70% del material total suministrado a estas playas. [12]
Aunque se observan con menos frecuencia que el transporte fluvial y la erosión de los acantilados marinos, las tormentas pueden explicar un gran porcentaje de los presupuestos sedimentarios costeros. Después del huracán Katrina y el huracán Rita en 2005, se depositaron más de 131 x 10 6 toneladas métricas de sedimento a lo largo de la costa del Golfo de Luisiana y el este de Texas. Un estudio de los humedales costeros del oeste de Luisiana descubrió que los huracanes parecen ser la "vía abrumadora" por la que se depositan sedimentos en ese lugar, lo que explica cantidades de sedimentos mucho mayores que las depositadas por los sistemas fluviales locales. [13] Según estimaciones anualizadas de la magnitud de la deposición de sedimentos, se ha descubierto que los huracanes depositan cientos de veces más sedimentos en estas regiones de humedales costeros que las desviaciones de ríos artificiales destinadas a redirigir los sedimentos transportados por los ríos a sistemas de humedales hambrientos. En el caso de los humedales de marismas, en particular los de la costa de Luisiana, la acumulación de sedimentos de los huracanes es "suficiente" para explicar todo el presupuesto sedimentario inorgánico. [13]
Los estuarios son un ejemplo de sumidero costero, ya que tienden a atrapar sedimentos, lo que puede deberse a las circulaciones de marea y la mezcla de agua dulce y salada, la inyección de sedimentos fluviales y la presencia de manglares . A medida que la marea sube y baja, el agua y los sedimentos se bombean hacia el estuario. Debido a que el agua salada y las partículas de sedimento son más pesadas que el agua dulce, tienden a ser arrastradas hasta el fondo hasta que el sedimento se hunde hasta el fondo y queda atrapado dentro del estuario. El movimiento de arenas y material de alta mar hacia un estuario generalmente depende de la dirección de la deriva litoral y del movimiento de las aguas del fondo a través de la plataforma continental . Los estuarios a menudo pueden atrapar una gran cantidad de sedimentos de fondo grueso que se alimentan ríos, interceptándolos antes de que lleguen a la costa. [14] La Isla Norte de Nueva Zelanda experimenta a menudo hundimientos de sedimentos en los estuarios, potenciados por la presencia de manglares. Los manglares son hambrientos de sedimentos y atrapan una gran cantidad de sedimentos suspendidos con su compleja estructura de raíces aéreas , funcionando así como constructores de tierra. [15]
La arena que el viento arrastra hacia el interior y forma dunas de arena suele formarse en las costas donde hay vientos lo suficientemente fuertes, lo que puede ser un importante sumidero para el balance de sedimentos de una costa.
La deriva litoral de sedimentos es importante para distribuir los sedimentos a lo largo de la costa y se considera uno de los mecanismos más importantes. [5] La deriva litoral de sedimentos puede considerarse tanto una fuente como un sumidero debido al hecho de que en algunos casos puede agregar sedimentos a una línea costera, pero en otros los transporta lejos de la costa. Un ejemplo de ambos extremos de la deriva litoral se puede encontrar en la costa de Canterbury en Nueva Zelanda, a ambos lados de la península de Banks. Tanto el río Waimakariri en el norte como la bahía de Canterbury en el sur de la península de Banks proporcionan grandes cantidades de sedimentos respectivamente. La diferencia es que el sedimento suministrado por el río Waimakariri es una fuente para la lengua de tierra de New Brighton de la costa debido a la inversión de las corrientes del sur que transportan sedimentos hacia el sur. [12] En contraste, la bahía de Canterbury tiene una combinación de entornos de alta energía y fuertes corrientes litoral del sur que transportan grandes cantidades de sedimentos hacia el norte, lo que puede clasificarse como un sumidero, lo que genera un déficit en el presupuesto sedimentario de las costas. [7] Como resultado, se produce una erosión de Canterbury Bight y un New Brighton Spit predominantemente equilibrado.
Se han desarrollado modelos para medir la deriva litoral que pueden ayudar a determinar un presupuesto sedimentario, si se integran en la escala de tiempo correcta. [5]
El presupuesto de sedimentos tiene en cuenta las fuentes y sumideros de sedimentos dentro de un sistema . [16] Este sedimento puede provenir de cualquier fuente, con ejemplos de fuentes y sumideros que consisten en:
Este sedimento luego ingresa al sistema costero y es transportado por la deriva litoral. Un buen ejemplo del trabajo conjunto del balance de sedimentos y la deriva litoral en el sistema costero son los bancos de arena de reflujo-marea de entrada , que almacenan arena que ha sido transportada por el transporte litoral. [16] [17] Además de almacenar arena, estos sistemas también pueden transferir o desviar arena a otros sistemas de playa, por lo tanto, los sistemas de bancos de arena de reflujo-marea de entrada proporcionan buenas fuentes y sumideros para el balance de sedimentos. [16] [17]
El oleaje y las corrientes pueden tener un impacto significativo en el balance de sedimentos, aunque es difícil de medir. El oleaje puede ser un proceso erosivo o de acreción dependiendo de muchos factores como la textura de la arena y la ola en sí. Aunque durante el buen tiempo el impacto del oleaje es insignificante, durante las tormentas el nivel del mar puede subir lo suficiente como para erosionar las dunas y los acantilados, vertiendo grandes cantidades de sedimentos en la celda litoral, que solo pueden ser devueltos a la duna por transporte eólico . Cuando la marea de tormenta hace que los sedimentos se depositen en la tierra desde la celda litoral, pueden formar abanicos de lavado o abrir una nueva entrada de marea que transporta los sedimentos fuera de la celda litoral. [5]
Cuando un entorno costero presenta un déficit de sedimentos, la alimentación antropogénica de sedimentos es una forma de mantener un balance sedimentario equilibrado. Este tipo de gestión de la erosión costera se ha adoptado en todo el mundo con el fin de preservar y proteger. Un ejemplo de esto es la playa del Monte Maunganui en la Isla Norte de Nueva Zelanda, que había estado experimentando erosión, lo que resultó en un retroceso de las dunas costeras de casi 20 m. Cuando comenzó el dragado en curso en la entrada del puerto de Tauranga, se decidió que el sedimento eliminado se utilizaría para renutrir la playa del Monte Manganui. El sedimento se depositó en la zona cercana a la costa, lo que promovió la acreción de la playa mediante el emplazamiento de bermas en alta mar. Los resultados muestran que la mayoría de los 80.000 m 3 de sedimento añadidos a la zona cercana a la costa llegaron a la costa para renutrir la playa y compensar el déficit de sedimentos anterior. [18] La alimentación de una costa puede considerarse una opción de solución rápida para revertir un déficit de sedimentos; Sin embargo, es importante que la alimentación sea continua para garantizar que el presupuesto sedimentario se mantenga equilibrado.
A la hora de proteger la línea costera, es importante entender cómo se puede ver afectado el balance sedimentario al implementar técnicas adecuadas de protección costera. A menudo, los planes de gestión de la erosión costera han contemplado el uso de estructuras de ingeniería "duras" como medio de proteger la línea costera de la recesión. En particular, los espigones que se utilizan para atrapar la deriva de sedimentos a lo largo de la costa que a menudo priva a una playa. Los espigones tienen la capacidad de cambiar el balance sedimentario de la costa, acumulando playas de deriva pero al mismo tiempo despojándolas de ellas. [19] Este enfoque de gestión no se utiliza tanto en la actualidad, ya que el conocimiento moderno de la dinámica costera promueve el uso de enfoques naturales "blandos", como la nutrición y la conservación de sistemas naturales como las dunas.
La incorporación del presupuesto sedimentario en un plan de gestión costera se está volviendo fundamental, especialmente en el mundo actual, donde la mayoría de las poblaciones viven y poseen propiedades muy cerca de la costa. Uno de los componentes esenciales extraídos del presupuesto sedimentario es la capacidad de predecir el cambio morfológico que es probable que ocurra en una línea costera con el tiempo, especialmente cuando se crean planes asociados con cambios ambientales importantes, como el aumento del nivel del mar. La incorporación de un presupuesto sedimentario en un plan costero se ha reconocido como muy importante en la bahía de Hawke en Nueva Zelanda para encontrar información relacionada con zonas de riesgo , protección de propiedades de playa y erosión costera, así como para evaluar el éxito de las estrategias de gestión actuales. [20] El principal obstáculo para utilizar el presupuesto sedimentario para la gestión y lo que probablemente sea el problema subyacente con respecto al presupuesto sedimentario es su complejidad.