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Aplicación del modelo numérico MOHID para el estudio hidrodinámico y de transporte de la Ciénaga Mallorquín, Colombia
Ing. Cesar Torres Marchena PhD. Franklin Torres Bejarano
Universidad de la Costa, Barranquilla - Colombia
58° CONGRESO INTERNACIONAL AGUA, SANEAMIENTO, AMBIENTE Y ENERGÍAS RENOVABLES
CONTENIDO
1. Introducción (Metodología)
2. Descripción de la zona de estudio
i. Origen y características de la Ciénaga Mallorquín
ii. Problemática Ambiental
3. Objetivos de trabajo
4. Descripción del modelo MOHID Studio
5. Adaptación del MOHID a la zona de estudio
6. Resultados
7. Conclusiones y resultados finales
Recopilación y Generación de
información
Descripción de la zona de
estudio
Adaptación del Modelo a las condiciones establecidas
Simulación Hidrodinámica
Simulación de Temperatura,
Salinidad y Oxígeno Disuelto
Interpretación de Resultados
Recomendaciones y propuestas
Metodología de trabajo
Calibración Calibración
CARACTERÍSTICAS DE LA CIÉNAGA MALLORQUÍN
• Extensión de 1200 ha, • Comunicada con el Mar
esporádicamente; • Profundidad alrededor de 1.5 m, • Alta viabilidad ambiental • Ecosistema estratégico • Atributo exclusivo del litoral Caribe
La Ciénaga Mallorquín, se ubica al noreste del departamento del
Atlántico, al oeste del río Magdalena
ORIGEN DE LA CIÉNAGA MALLORQUÍN
La Ciénega Mallorquín se formó como parte de la evolución morfo dinámica del delta del río Magdalena a principios de siglo pasado. A partir de la construcción de los tajamares de Bocas de Ceniza entre 1924 y 1936 se corta el proceso normal de estabilización costera impidiendo la comunicación del río con las ciénagas
Variación Multitemporal de la Ciénaga de Mallorquín
Fuente: “Ejecución de acciones para la implementación del plan de ordenamiento y manejo de la cuenca hidrografía de la ciénaga de Mallorquín
Convenio 006 de 2010”. Pág. 306.
PROBLEMÁTICA AMBIENTAL
Problemática ambiental
Vertimientos y residuos sólidos
Barrios adyacentes y asentamientos
irregulares
Antiguo basurero
Pérdida en Riqueza vegetal y faunística y
Erosión costera
Perdida de la franja costera, mangle, espejo de agua
Fauna acuática, peces, camarones,
moluscos y avifauna
Movimiento hidrodinamico del
agua
MEJORAMIENTO DE LA INTERCONEXIÓN VIAL REGIONAL, SEGUNDA CALZADA AVENIDA CIRCUNVALAR DE BARRANQUILLA-ATLÁNTICO, SECTOR CRA 53 – VÍA 40,
SECTOR VÍA DE ACCESO ZONA PORTUARIA
OBJETIVOS DEL TRABAJO
Objetivo general: Determinar, mediante la modelación numérica, la influencia de los procesos físicos como la marea, el viento y aportes de aguas continentales en la hidrodinámica y transporte de la Ciénaga Mallorquín bajo condiciones climáticas de lluvias y secas
Objetivos específicos: • Adaptar un modelo hidrodinámico y de transporte a la ciénaga mallorquín. • Describir la influencia de las forzantes de marea, viento y aportes de aguas
continentales en la hidrodinámica de la ciénaga para las épocas de secas y lluvias.
• Determinar, por medio de la simulación numérica, el comportamiento de la salinidad, temperatura y OD dentro de la Ciénaga Mallorquín para las dos épocas seleccionadas.
• Presentar un análisis de las respuestas hidrodinámicas y comportamiento de los parámetros de salinidad, temperatura y OD de la Ciénaga Mallorquín mediante pronósticos bajo diferentes escenarios de modelación.
El MOHID Studio
El MOHID fue desarrollado por investigadores del MARETEC (Centro de Ambiente y Tecnologías Marítimas) perteneciente al Instituto Superior Técnico (IST) de la Universidad Técnica de Lisboa
MOHID
MOHID Water
MOHID Soil
MOHID Land
MOHID Studio es una interfaz gráfica de usuario para el
Sistema Modelación de Agua MOHID.
ECUACIONES GOBERNANTES
𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝑡𝑡
+ 𝑢𝑢 𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝑣𝑣 𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝑤𝑤 𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕− 𝑓𝑓𝑣𝑣 = − 1
𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
𝐴𝐴𝑉𝑉𝜕𝜕𝑢𝑢𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝑡𝑡
+ 𝑢𝑢 𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝑣𝑣 𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝑤𝑤 𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝑓𝑓𝑣𝑣 = − 1𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
𝐴𝐴𝐻𝐻𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕
+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
𝐴𝐴𝑉𝑉𝜕𝜕𝑣𝑣𝜕𝜕𝜕𝜕
Donde t es el tiempo, u, v, w son los componentes de los vectores de velocidad en la x, y, z respectivamente, f es el parámetro de Coriolis, p es la presión, 𝜌𝜌 es la densidad del agua, g representa la gravedad y AH y AV son las viscosidades turbulenta en las direcciones horizontal y vertical.
Las ecuaciones de movimiento para las velocidades horizontales se expresan
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕w𝜕𝜕z = 0
ECUACIONES GOBERNANTES
El modelo resuelve las ecuaciones de transporte de salinidad y temperatura y una ecuación de estado
𝜕𝜕(𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕(𝑢𝑢𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕(𝑣𝑣𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕(𝑤𝑤𝑆𝑆)𝜕𝜕𝜕𝜕 =
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻
𝜕𝜕𝑆𝑆𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻
𝜕𝜕𝑆𝑆𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝑉𝑉
𝜕𝜕𝑆𝑆𝜕𝜕𝜕𝜕
Donde S y T son la salinidad y la temperatura, t es el tiempo, x, y son las coordenadas horizontales, z es la coordenada vertical, KH, KV son los coeficiente de difusión de calor y salinidad horizontal y vertical, y u, i, w son las componentes de la velocidad de flujo en los ejes X, Y, Z.
𝜕𝜕(𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕(𝑢𝑢𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕(𝑣𝑣𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕(𝑤𝑤𝑇𝑇)𝜕𝜕𝜕𝜕 =
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻
𝜕𝜕𝑇𝑇𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝐻𝐻
𝜕𝜕𝑇𝑇𝜕𝜕𝜕𝜕 +
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝐾𝐾𝑉𝑉
𝜕𝜕𝑇𝑇𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜌𝜌 =5890 + 38𝑇𝑇 − 0.375𝑇𝑇2 + 3𝑆𝑆
1779.5 + 11.25𝑇𝑇 − 0.0745𝑇𝑇2 − 3.8 + 0.01𝑇𝑇 𝑆𝑆 + 0.698 5890 + 38𝑇𝑇 + 0.375𝑇𝑇2 + 3𝑆𝑆
ECUACIONES GOBERNANTES
El ciclo del oxígeno disuelto
Símb Descripción 𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑁𝑁𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Consumo de oxígeno en nitrógeno
Mineralización 𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Consumo de oxígeno en fósforo
Mineralización
𝐾𝐾𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡𝑜𝑜𝜕𝜕𝜕𝜕 Cambio de nitrificación
𝐾𝐾𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡𝑜𝑜𝜕𝜕𝜕𝜕 Tasa en desnitrificación
𝜇𝜇𝑋𝑋 Tasa de crecimiento
𝑟𝑟𝑋𝑋 Tasa de respiración
𝐾𝐾𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡 Tasa de desnitrificación
𝐾𝐾𝑚𝑚𝑚𝑚𝑡𝑡 Tasa de nitrificación
𝛼𝛼𝑂𝑂:𝐶𝐶𝐶𝐶𝑂𝑂2 Relación de oxígeno/carbono en CO2
𝛼𝛼𝑁𝑁:𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂 Relación nitrógeno/carbono en la materia orgánica
𝛼𝛼𝑃𝑃:𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂 Relación fosforo/carbono en materia orgánica
𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑁𝑁𝑁𝑁𝑂𝑂𝑁 Relación de oxígeno / nitrógeno en nitrato
𝛼𝛼𝑂𝑂:𝑃𝑃𝐼𝐼𝑃𝑃 Relación de oxígeno / nitrógeno en fosforo
CONFIGURACIÓN DE LA MALLA Y BATIMETRÍA
Información de la Malla Columnas: 190
Filas: 150 No. Elementos: 28500
Angulo: 30° Δx = Δy = 20 m
MOHID GIS
CONDICIONES INICIALES Y DE FRONTERA
Condiciones de frontera para época de secas
Condiciones de frontera para época de lluvias
Calibración hidrodinámica y de transporte
Calibración del modelo hidrodinámico
Calibración de parámetros de estudio
CONCLUSIONES/COMENTARIOS FINALES
El modelo hidrodinámico ha sido satisfactoriamente adaptado a las condiciones de la Ciénaga Mallorquín, obteniendo simulaciones acordes con el comportamiento natural de este cuerpo de agua.
Para el escenario de época de secas la forzante más importante e
influyente son las condiciones meteorológicas resumidas en el viento de la zona de estudio, dado que la circulación y los procesos de transporte se ven dominados por la dirección en que sopla el viento. Los AAC debido a su caudal aportante no son apreciables dentro de la circulación de la Ciénaga Mallorquín.
CONCLUSIONES/COMENTARIOS FINALES
En el escenario de época de lluvias, el viento mantiene la influencia en la dinámica de circulación en la ciénaga, los procesos de flujo y reflujo como efecto de la interacción de la marea con la ciénaga son importantes en la entrada o “boca” y en las zonas próximas a la misma, dado que en esta zona es donde se presentan las mayores velocidades del sistema.
En esta época del año, el Arroyo León aumenta su caudal aportante y en consecuencia influencia, por lo que transporta la escorrentía recogida a lo largo de su trayecto por causa de la época invernal.
También se ha podido observar la importancia del intercambio de flujo y la distribución de la salinidad en la ciénaga, que permite la asimilación y lavado de nutrientes y que además le confiere características propicias para su productividad biológica.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• Braunschweig, F., Chambel, P., Fernandes, L., Pina, P. & R. Neves 2004. The object-oriented design of the integrated modelling system MOHID, Computational Methods in Water Resources International Conference, Chapel Hill, North Carolina, USA.
• Barreto I., Ezzatti P., Fossati M. Estudio inicial del modelo MOHID. Reporte Técnico RT 09-10, Uruguay, Instituto de Computación, Universidad de la República, 2009.
• Cancino L. y Neves R. Hydrodynamic and sediment suspension modelling in estuarine systems. Part II: Application to the Western Scheldt and Gironde estuaries, Journal of Marine Systems 22, 117-131, 1999.
• Coelho, H. S., Neves, R. J.J., White, M., Leitão, P.C. & A. J. Santos. 2002. A model for ocean circulation on the Iberian coast. Journal of Marine Systems 32:153- 179.
• IDEAM. Estudio sobre la Determinación de las Componentes Armónicas de la Marea y Descripción de su Comportamiento en Diferentes Puntos de las Costas Colombianas. METEO/003. Bogotá. 2010.
• Leitão, P., 2003. “Integração de Escalas e Processos na Modelação do Ambiente Marinho”, Dissertação para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia do Ambiente, Instituto Superior Técnico, Lisboa.
• Vaz, N. Dias, J.M., Leitão, P.C. and Nolasco, R., 2007. Application of the Mohid-2D model to a mesotidal temperate coastal lagoon. Computers & Geosciences, 28, 1204-1209.
• Martins, F., P. C. Leitão, A. Silva & R. Neves. 2001. 3D modelling of the Sado Estuary using a new generic vertical discretization approach, Oceanologica Acta, 24 (1), 51-62.
• http://www.mohid.com/ • http://www.actionmodulers.pt/default.aspx?canal=33