Seasonal river mouth hydrodynamics and morphodynamics during extreme-flood conditions

Résumé

Las desembocaduras de los ríos y los deltas son zonas de gran interés ecológico y socioeconómico, que contienen algunos de los ecosistemas más valiosos del mundo y zonas densamente pobladas. Esto ha propiciado el desarrollo de importantes zonas industriales y agrícolas, que a menudo requieren vías navegables interiores a lo largo de los cursos fluviales que alimentan estas desembocaduras. Los procesos de transporte y mezcla de nutrientes, salinidad y sedimentos en estos entornos son muy importantes para la evolución biogeoquímica de muchos ecosistemas fluviales y marinos, así como para la formación de morfologías como barras y deltas. El desarrollo de estas morfologías suele producirse mediante la deposición del sedimento procedente del cauce fluvial, de la deriva litoral y la interacción entre ellos. Además, tanto las desembocaduras de los ríos como los deltas están sujetos a inundaciones extremas causadas por la descarga del río, marea meteorológica o una combinación de ambas. La gestión de estos fenómenos extremos es cada vez más difícil debido a los cambios en su frecuencia e intensidad provocados por el cambio climático, así como por el incremento de la presión urbanística. Mejorar el conocimiento de la dinámica de las desembocaduras de los ríos es, por tanto, fundamental para su gestión desde una perspectiva tanto medioambiental como socioeconómica. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es analizar la hidrodinámica y morfodinámica de las desembocaduras de los ríos durante eventos extremos de descarga fluvial con el fin de caracterizar el papel desempeñado por: (1) la geometría del canal, la desembocadura y del perfil de playa; (2) la variación temporal de las condiciones de descarga del río; y (3) la variación temporal del nivel del mar debido al efecto marea. El análisis se lleva a cabo utilizando un modelo numérico basado en procesos (Delft3D) sobre desembocaduras idealizadas cuyos parámetros geométricos y físicos se basan en desembocaduras reales donde se han identificado problemas de gestión durante eventos de inundación. Los resultados obtenidos suponen un importante avance en el conocimiento de la hidromorfodinámica de desembocaduras y deltas y son directamente aplicables a los gestores costeros y responsables políticos implicados en la gestión de inundaciones costeras. El análisis comienza con un estudio para caracterizar el límite de la zona de influencia de los agentes marinos aguas arriba de desembocaduras, y cómo las características del cauce y de la marea astronómica condicionan la posición de este límite. Los resultados muestran que esta posición está estrechamente relacionada con la pendiente del río, la rugosidad del río y las condiciones de la marea. En particular, la pendiente del río es el factor más importante para determinar el alcance de la influencia marina, siendo la rugosidad del lecho (es decir, la vegetación, las condiciones de conservación del río, etc.) y las condiciones de descarga/marea especialmente relevantes para valores bajos de la pendiente del río. El siguiente paso es la caracterización de la hidrodinámica de desembocaduras, y en particular del papel de la geometría de la desembocadura y el perfil de playa, así como de condiciones no estacionarias de descarga y nivel del mar ven dicha hidrodinámica. Las simulaciones para condiciones estacionarias en las que se varía la geometría de de la desembocadura y del perfil de playa muestran que la forma de la salida determina la estructura del chorro, ya que aquellas menos profundas y más anchas presentan dos picos de velocidad a los lados del chorro en lugar de un único máximo en el centro. Además, la hidrodinámica en la desembocadura está claramente dominada por la fricción para perfiles de playa horizontales, mientras que para perfiles inclinados las aceleraciones inerciales y barotrópicas aumentan significativamente su papel en las proximidades de la desembocadura. En cuanto al efecto de la marea y de las descargas fluviales variables en el tiempo, para las que se analizan hidrogramas con una escala temporal similar a la de la marea astrónomica, los resultados muestran que la variabilidad de la estructura del chorro durante el ciclo de marea es muy importante, limitando la aplicabilidad de los análisis realizados para condiciones estacionarias en entornos mareales o con un régimen hidrológico variable. Además, el desfase temporal entre el pico del hidrograma y las condiciones de marea determina la geometría del perfil de velocidad transversal. En condiciones de marea baja, el perfil de velocidad tiende a un perfil con dos picos laterales de velocidad. En condiciones de marea alta, se observa un perfil de velocidad con un único máximo en el eje. Por tanto, este desfase puede, potencialmente, provocar importantes cambios en la evolución morfodinámica de desembocaduras durante eventos extremos de descarga. Los cambios observados en la estructura del chorro en función del desfase entre el pico del hidrograma y el nivel de marea motivan el siguiente paso del análisis realizado en esta Tesis Doctoral, que aborda el papel de este desfase en el desarrollo de barras cercanas a la costa en las desembocaduras de los ríos durante eventos extremos de descarga fluvial. Los resultados obtenidos mediante simulaciones hidro-morfodinámicas muestran que diferentes valores del desfase provocan cambios significativos en (1) el instante en el que se alcanzan las corrientes máximas en la salida, (2) el periodo durante el cual el sedimento se moviliza a través de la salida, y (3) las tasas máximas de transporte de sedimentos durante los eventos. Estos cambios modifican significativamente las características finales de las barras que se desarrollan en la desembocadura, duplicando su extensión final y cuadruplicando el volumen final de la barra para las mismas condiciones de descarga del río y diferente desfase, variando también su forma en planta y el desarrollo de barras laterales. Por último, los avances obtenidos anteriormente son aplicados y analizados al cálculo de la peligrosidad de inundación en desembocaduras, analizando cómo cambia dicha peligrosidad en función de las características de la descarga y de cómo va evolucionando morfodinámicamente la desembocadura durante el evento extremo de inundación. El principal factor que domina la delimitación de las zonas de peligro es el caudal punta. Para caudales bajos, aumenta la influencia de la marea y las condiciones de peligro son mayores durante los periodos de marea alta. Para caudales intermedios, existe una influencia combinada de la descarga del río y la marea, de modo que las condiciones más peligrosas se producen cuando convergen el caudal punta y la marea baja. En los casos de caudales altos, las zonas de peligro vienen determinadas por el hidrograma del río y la influencia de la marea se reduce significativamente, limitándose a aumentar la condición de peligro en la zona de la desembocadura durante las coincidencias de la marea baja y el caudal punta. La presencia de una barra de desembocadura modifica la clasificación de las zonas de peligro alrededor de la desembocadura y reduce ligeramente la categoría máxima, especialmente para los casos con coincidencia de caudal punta y marea baja.