Hydrodynamic and water quality modelling in Cartagena Bay, Colombia, as a method of target setting for policy on land-based discharges into the coastal zone

  1. Tosic, Marko
Dirigida por:
  1. Serguei A. Lonin Director/a
  2. Flávio Augusto Bastos da Cruz Martins Director/a
  3. Alfredo Izquierdo González Tutor

Universidad de defensa: Universidad de Cádiz

Fecha de defensa: 29 de enero de 2019

Tribunal:
  1. Ramiro Neves Presidente/a
  2. Oscar Alvarez Esteban Secretario
  3. Maria Joao da Anunciaçao Franco Bebianno Vocal
Departamento:
  1. Física Aplicada

Tipo: Tesis

Teseo: 577185 DIALNET

Resumen

En esta tesis, se presenta una investigación sobre procesos de aguas costeras y el desarrollo de herramientas para la gestión marina y costera. La investigación es aplicada a la bahía de Cartagena, Colombia, uno de los “hot-spots” de contaminación costera en el Caribe, conocida por tener impactos de contaminación de fuentes terrestres incluyendo la escorrentía continental, efluentes industriales y aguas residuales domésticas. El manejo de cuerpos de aguas costeras como la bahía de Cartagena requiere de herramientas para evaluar los impactos de contaminación, las descargas de fuentes terrestres y planes potenciales de mitigación, mientras una política efectiva es necesaria para establecer estándares de la calidad de agua costera. A través de cuatro manuscritos, separados aunque relacionados, la investigación presentada en esta tesis combina el monitoreo de la calidad de aguas y sedimentos con la modelación de la hidrodinámica y la calidad de agua con el fin de realizar un diagnóstico de impactos de contaminación, evaluar el efecto de planes de mitigación sobre la circulación costera, y desarrollar métodos novedosos para la evaluación de fuentes terrestres de contaminación y la determinación de metas de la calidad de agua costera. Un programa exhaustivo de monitoreo de 14 parámetros de calidad de agua y un análisis de siete metales en muestras de sedimento demostraron la extensión y variabilidad espacio-temporal de la contaminación de aguas y sedimentos en la bahía de Cartagena. Impactos potenciales de contaminación son evidentes ya que casi todos los parámetros medidos se encontraron en niveles inadecuados en comparación con los valores umbrales recomendados para la conservación marina y la adecuación recreacional. Estos incluyeron sólidos suspendidos totales, turbidez, demanda biológica de oxígeno, nitrato, fosfato, fósforo total, fenol, coliformes fecales y enterococos, los cuales presentaron niveles más altos en aguas durante la época lluviosa. La época de transición produjo temperaturas elevadas y concentraciones reducidas de oxígeno disuelto. Durante la época seca, la transparencia se mejoró y la concentración de clorofila-a aumentó en la columna de agua, sugiriendo que la productividad primaria en este sistema eutrófico es limitada por la luz en lugar de los nutrientes. En los sedimentos de la bahía, se hallaron concentraciones de mercurio, cadmio, cromo, cobre y níquel indicativas de impactos potenciales sobre la vida marina. Estos hallazgos son importantes para el manejo costero, dado que justifican acciones de mitigación y apoyan el desarrollo de política. La tarea de identificar y priorizar las fuentes de contaminación es esencial pero complicada al haber una variedad de fuentes de contaminación e información limitada. Este estudio presenta una metodología para la evaluación integrada de fuentes de contaminación antropogénica en la zona costera a través de la aproximación de sus cargas y la comparación de sus aportes relativos a las aguas costeras receptoras. Esta estrategia combina varios métodos de la aproximación de cargas basados en monitoreo, análisis SIG e investigación previa, mientras se enfatiza la importancia de calcular intervalos de confianza para cada valor de carga. Los resultados muestran que la escorrentía continental del Canal del Dique es la fuente principal de sedimentos y fósforo, las aguas residuales domésticas son la fuente principal de coliformes, mientras que cargas significativas de nitrógeno y materia orgánica son atribuidos a la escorrentía continental, las aguas residuales domésticas y también a las aguas residuales industriales. La mitigación de fuentes de contaminación hasta ahora se ha enfocado en el flujo de aguas dulces del Canal del Dique. Se proyecta que este flujo incremente en años futuros, pero hay planes para reducirlo a través de la construcción de puertas hidráulicas en aguas arriba. Dada la influencia de descargas de aguas dulces sobre los procesos de renovación de aguas costeras, un modelo hidrodinámico 3D (MOHID) calibrado y asociado a un modelo de transporte lagrangiano fueron aplicados para evaluar como estos cambios en aguas arriba afectarán los procesos hidrodinámicos de la bahía. Tiempos medianos de residencia de 3-6 días y tiempos de recambio de 10-20 días fueron estimados para el agua del Canal del Dique en la bahía, mientras tiempos medianos de residencia de 23-33 días y tiempos de recambio de 70-99 días fueron calculados para el volumen completo de la bahía. La variabilidad de estos tiempos de renovación depende primariamente del nivel de descarga del canal y secundariamente de los vientos prevalentes. Una evaluación de escenarios futuros mostró que aumentos de la escorrentía de agua dulce resultarían en una renovación más rápida de las aguas de la bahía, mientras que planes para reducir la descarga de agua dulce a través de puertas hidráulicas resultarían en una renovación más lenta. Es imperativo entonces que cualquier plan para reducir flujos fluviales a la bahía se acompañe del control de fuentes locales de contaminación, que son abundantes y podrían empeorar la problemática de la calidad de agua en la bahía si los tiempos de renovación de agua se extendiesen. El manejo efectivo de fuentes de contaminación requiere de una política para la calidad de aguas costeras que considere umbrales relevantes para el ecosistema y tenga una base científica que vincule las descargas terrestres con la calidad de agua marina. Este estudio demuestra un método práctico para determinar objetivos de calidad de agua costera a la escala local para las cargas fluviales de sedimentos suspendidos con el fin de mitigar los impactos de turbidez en los arrecifes coralinos en mar afuera. Esta estrategia considera umbrales para concentraciones de sólidos suspendidos en arrecifes y utiliza datos de monitoreo para calibrar y aplicar un modelo 3D acoplado de hidrodinámica y calidad de agua (MOHID) con el fin de vincular los umbrales marinos con las cargas fluviales. Los resultados muestran que los umbrales ecosistémicos de sólidos suspendidos podrían ser mantenidos dentro de la extensión de la bahía de Cartagena si se redujesen las cargas actuales de sedimento suspendido en el Canal del Dique en aproximadamente 80-90% hasta cargas de 500-700 t/d. Las reducciones substanciales que se necesitan reflejan una problemática en curso en la cuenca del Magdalena que ha experimentado condiciones severas de erosión y deforestación intensa a lo largo de las últimas cuatro décadas. Aunque estos estudios son demostrados en la bahía de Cartagena, los métodos presentados serían prácticos para aplicar en otros países en desarrollo que similarmente carezcan de datos a largo plazo. La Región Caribe tiene una dependencia fuerte sobre sus recursos costeros naturales, pero problemas de contaminación son comunes a lo largo de la región, lo cual pone dichos recursos en riesgo. Los métodos de esta tesis para la evaluación de impactos de contaminación, fuentes terrestres de contaminación, planes potenciales de mitigación y el desarrollo de objetivos para estándares de calidad de agua costera hacen así un aporte valorable hacia el desarrollo de herramientas para el manejo costero que son aplicables a aguas similarmente contaminadas en la región.