Tema 1 Variación Climática: Agentes y escalaselenasb/teaching/Tema1_MVariabilidadClimatica.pdf · Escala temporal de forzamiento INFLUENCIA DE LA EVOLUCIÓN DEL NIVEL MEDIO DEL

Elena Sánchez Badorrey, 2010/11 1

11

Tema 1

Variación Climática:

Agentes y escalas

Elena Sánchez Badorrey

22

Agentes, procesos y escalasMultiplicidad de agentes

Agentes marinos: nivel del mar, oleaje, …

Agentes atmosféricos: viento, gradientes de

presión, precipitación, temperatura del aire, radiación,

...

Agentes continentales: aportes fluviales, …

Agentes antropogénicos: obras hidráulicas, …


33

Agentes, procesos y escalasMultiplicidad de procesos y escalas

1.1. TurbulenciaTurbulencia (s)(s)

2.2. OlasOlas y y gruposgrupos de de olasolas (s(s--min)min)

3.3. SistemasSistemas circulatorioscirculatorios y y mareasmareas, (, (horahora))

4.4. ProcesosProcesos asociadosasociados a a borrascasborrascas ((díasdías))

5.5. ProcesosProcesos asociadosasociados a a secuenciasecuencia de de

borrascasborrascas y y calmascalmas (1(1--10 10 añosaños))

6.6. InteracciónInteracción sistemassistemas litoraleslitorales y y fluvialesfluviales

(10(10--100 100 añosaños))

7.7. FormaciónFormación de deltas y de deltas y cordonescordones litoraleslitorales

(100(100--1000 1000 añosaños))

8.8. EvoluciónEvolución de la de la línealínea de de costacosta (1000(1000--

10000 10000 añosaños))

44

O(1000 años) O(100 años)

O(10 años)

O(1año)

O(días/meses)

Periodos secosPeriodos húmedos

VeranoInvierno

Mar de fondoMar de viento

fluctuaciones climáticas periodos fríos/cálidos(históricas)

- Hiperciclos climáticos

- Ciclosestacionales

- Ciclos marealesTemporales/eventos

Escalas de tiempo: diferentes forzadores/diferentes magnitudes

FLUCTUACIONES CLIMÁTICAS Y METEOROLÓGICAS DE AGENTES MARINOS Y ATMOSFÉRICOS

+ Escala EVENTO (horas)


Tema 1.1. Tema 1.1. Variabilidad del Variabilidad del

Nivel Medio del MarNivel Medio del Mar

Escalas geológica O(>1.000 años)Escalas geológica O(>1.000 años)Fluctuaciones climáticas O(1000Fluctuaciones climáticas O(1000--100 años)100 años)

55


66

INFLUENCIA DE LA EVOLUCIÓN DEL NIVEL MEDIO DEL MAR EN EL

MEDIO MARINO

Escala temporal geológicaO(100.000 años)

Transgresión Holocénica


77

88

VARIABILIDAD CLIMATICA Y NMM


99


1010



1111

Egypt Development

-7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000

Classic Greece

Carthaginians Romanempire

Ara

b c

onq

uest

Mid

dle

Ag

eR

ena

issa

nce

Litt

le ic

e a

ge

(Fairbridge, 1957)(Fairbridge, 1957)


1212



1313


¿Cuál es su influencia en la planificación de ¿Cuál es su influencia en la planificación de recursos hídricos y obras hidráulicas?recursos hídricos y obras hidráulicas?

1414

Tema 1.1. Tema 1.1. Variabilidad del NMMVariabilidad del NMM

Escalas geológica O(>1.000 años)Escalas geológica O(>1.000 años)Fluctuaciones climáticas O(1000Fluctuaciones climáticas O(1000--100 años)100 años)

?


¿Cuál es su influencia en la planificación de ¿Cuál es su influencia en la planificación de recursos hídricos y obras hidráulicas?recursos hídricos y obras hidráulicas?

1515

Variabilidad del NMMVariabilidad del NMMEscalas geológica O(>1.000 años)Escalas geológica O(>1.000 años)

Fluctuaciones climáticas O(1000Fluctuaciones climáticas O(1000--100 años)100 años)

NIVEL MEDIO DEL MARCondición de contorno para cálculo de Caudales, cota de inundación, diseño de

encauzamientos, …

¿Cuán significativa es la variabilidad del NMM en

escala geológica y fluctuaciones climáticas?

?

1616


1717


MEDIO MARINO

Respuesta morfológica a laRespuesta morfológica a la subida subida del NMMdel NMMRegla de Regla de BruunBruun

Erosión NETA línea de costaDeposición NETA perfil sumergido

Nivel del mar tras la subida

Acumulación tras la subida

Retroceso tras la subida

1818

SedimentoAgentes marinos y

atmosféricos

Transporte de sedimentos Procesos

Morfología

SISTEMA MORFODINAMICO

Erosión / Sedimentación

Pérdidas de energía

�� Escalas geológicas: Escalas geológicas: �� Agente principalAgente principal: Variación del nivel del mar (NMM): Variación del nivel del mar (NMM)

�� Escalas históricas, hiperEscalas históricas, hiper--anuales, mensuales,anuales, mensuales, diarias, ...diarias, ...�� Agente principalAgente principal: Oscilaciones climáticas y meteorológicas de : Oscilaciones climáticas y meteorológicas de

agentes marinos y atmosféricosagentes marinos y atmosféricos�� Otros agentesOtros agentes: bioquímicos, antropogénicos: bioquímicos, antropogénicos

AGENTES Y PROCESOS: RESPUESTA MORFOLÓGICA


1919

BALANCE DE SEDIMENTOS

FUENTES SUMIDEROS BALANCE

Transporte longitudinal entrante

Transporte longitudinal saliente

EROSIÓN / SEDIMENTACIÓN

Transporte fluvial Viento saliente

Erosión acantilados Deposición en cañones submarinos

Transporte transversal entrante

Transporte transversal saliente

Deposición biogénica Disolución y abrasión

Viento entrante Extracción

Regeneraciones de playas

RESPUESTA MORFODINÁMICA

2020

DISTINTOS AMBIENTES CON DISTINTOS PROCESOS DOMINANTES

(HIDRODINÁMICOS Y SEDIMENTARIOS)

Zona deRompientes

Zona deTransformación

Playa Seca

Swash

1.1. Talud continental:Talud continental:

2.2. Plataforma continental, interna y Plataforma continental, interna y

externa: externa: transformación del olaje y de transformación del olaje y de

los grupos de olas, ondas de plataforma los grupos de olas, ondas de plataforma

y mareas astronómica y meteorológicay mareas astronómica y meteorológica

3.3. Zona de rompientes o playa Zona de rompientes o playa

sumergida: sumergida: disipación de energía del disipación de energía del

oleaje y de reflexión/radiación de ondas oleaje y de reflexión/radiación de ondas

largas. Generación de sistemas largas. Generación de sistemas

circulatorioscirculatorios

4.4. Playa emergida o swash: Playa emergida o swash: flujos de flujos de

“mojado“mojado--secado” y percolación sobre secado” y percolación sobre

fuertes pendientesfuertes pendientes

5.5. Playa seca: Playa seca: predominio de los predominio de los

procesos eólicoprocesos eólico

6.6. Otras procesos: lagunas, bahías y Otras procesos: lagunas, bahías y

estuariosestuarios


2121


atmosféricos


Morfología





�� Escalas históricas, Escalas históricas, hiperhiper--anuales, mensuales,anuales, mensuales, diarias, ...diarias, ...�� Agente principalAgente principal: Oscilaciones climáticas y meteorológicas de : Oscilaciones climáticas y meteorológicas de

agentes marinos y atmosféricosagentes marinos y atmosféricos�� Otros agentesOtros agentes: bioquímicos, : bioquímicos, antropogénicosantropogénicos

AGENTES Y PROCESOS: RESPUESTA MORFODINAMICA

Escalas temporales de agentes y procesos

2222

TIPOLOGIAS DE FORMACIONES LITORALES …


2323

2424


Tipos de costas en el litoral españolTipos de costas en el litoral español

2525


2626



2727


2828



2929

3030


atmosféricos


Morfología





�� Escalas históricas, Escalas históricas, hiperhiper--anuales, mensuales,anuales, mensuales, diarias, ...diarias, ...�� Agente principalAgente principal: Oscilaciones climáticas y meteorológicas de : Oscilaciones climáticas y meteorológicas de

agentes marinos y atmosféricosagentes marinos y atmosféricos�� Otros agentesOtros agentes: bioquímicos, : bioquímicos, antropogénicosantropogénicos

AGENTES Y PROCESOS: RESPUESTA MORFODINAMICA

Escalas temporales de agentes y procesos

?


3131

SedimentoGeología

/ GeomorfologíaForzamiento externo

/ Agentes


Morfología

SISTEMA MORFODINÁMICO

Pérdida / ganancia


GEOLOGÍA, AGENTES Y PROCESOS: RESPUESTA GEOMORFOLÓGICA

3232


MEDIO MARINO

Respuesta morfológica a la subida del NMMRespuesta morfológica a la subida del NMMRegla de BruunRegla de Bruun





¿Magnitud de la respuesta?¿Tiempo de respuesta o de relajación morfológica?


3333


MEDIO MARINO

Respuesta morfológica del sistema PLAYA Respuesta morfológica del sistema PLAYA -- ACANTILADOACANTILADO

Erosión NETA observadaen los últimos 500 añosEvolución O(1000 años)

Tiempo de relajación Oscilaciones holocénicas O(1000años) (?)

Oscilaciones milenarias O(100 años) (?)

3434

�� IMPORTANTE: LA RESPUESTA DEIMPORTANTE: LA RESPUESTA DE LA COSTA A LA LA COSTA A LA EVOLUCIÓN DEL NIVEL DEL MAR NO ES EVOLUCIÓN DEL NIVEL DEL MAR NO ES INSTANTANEA Y TIENE MEMORIA!INSTANTANEA Y TIENE MEMORIA!

Forzamiento:

Evolución del NMM

Ajuste morfodinámico

Respuesta:

Movimiento de la línea de costa

(avance or retroceso)

Ts,

Tiempo de

relajación

Tf,

Escala temporal de forzamiento


MEDIO MARINO


3535

Acantilados blandos: décadas,

respuesta a cambios estacionales,

anuales del NMM

Acantilados semi-blandos:

centurias, variaciones del

NMM milenarias

Acantilados duros: milenios,

evolución del NMM milenarias

(geológicas)


MEDIO MARINO

Tipos de costas del litoral españolTipos de costas del litoral español

3636


3737

DELTAS

3838


MEDIO MARINO


3939

El Portal

Doña Blanca

4040


MEDIO MARINO

Respuesta morfológica del sistema ESTUARIO / RIARespuesta morfológica del sistema ESTUARIO / RIA


4141


MEDIO MARINO

Respuesta morfológica de un sistema FLUVIO / MARINORespuesta morfológica de un sistema FLUVIO / MARINO

Acumulación NETA observada en los últimos 500 años

Evolución O(1000 años)

Tiempo de de relajación holocénica O(1000años) (?)


4242

� Perfiles sismográficos de

alta resolución (reflexión)

� Perfiles sismicos de

media- alta penetración

� Catas

� Arqueología, ….

� Mapas fisiográficos …


4343

4444

ESCALAS ESPACIO-TEMPORALES EN EL MEDIO MARINO


4545

Cordon litoral

(estructura de cierre de

la Bahía): Playa de

Valdelagrana-Levante

4646


Forzamiento:

Evolución del NMM


Respuesta:



Ts,

Tiempo de

relajación

Tf,



MEDIO MARINO


4747


MEDIO MARINO

Respuesta morfológica del sistema ESTUARIO / RIARespuesta morfológica del sistema ESTUARIO / RIA

4848

Relleno de bahías, estuarios


MEDIO MARINO

Albufera de Adra

Corrubedo

Valdoviño

El Rompido

L’Albufera de Valencia

Zahara

1400 m

400 m

Mar Menor

24 Km.

900 m

Respuesta Respuesta morfológica morfológica del sistema del sistema ESTUARIO ESTUARIO / RIA/ RIA


4949


MEDIO MARINO


Acumulación NETA observada en los últimos 500 años

Evolución O(1000 años)

Tiempo de de relajación holocénica O(1000años) (?)


5050


MEDIO MARINO


Dominio fluvial Morfología debida a la dinámica marina


5151

Tema 1.2.Tema 1.2.Modelos de respuesta morfológica a la Modelos de respuesta morfológica a la

variación del Nivel Medio del Marvariación del Nivel Medio del Mar


5252


MEDIO MARINO

Respuesta morfológica a la subida del NMMRespuesta morfológica a la subida del NMMRegla de BruunRegla de Bruun





¿Magnitud de la respuesta?¿Tiempo de respuesta o de relajación morfológica?


5353

RESPUESTA ESTACIONARIA DE LA LÍNEA DE COSTA A LA VARIACIÓN

DEL NMM

� Perfil de equilibrio: variables, parámetros

adimensionales y respuesta

� Regla de Bruun

� Tramos de costa longitudinalmente uniformes

� Islas barrera

� El método de Edelman

5454

PERFIL DE EQUILIBRIO

EL CONCEPTO

Perfil transversal de una playa resultado de la respuesta media de la misma a

forzamientos naturales (marinos, atmosféricos) y/o antropogénicos

estacionarios. VARIABLES Y PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA FORMA DEL PERFIL

� Tamaño de sedimento

� Altura del oleaje

� Periodo del oleaje

� Nivel medio del mar

PARÁMETROS ADIMENSIONALES

1. Número de Dean

2. Parámetro de similaridad (Battjes, 1974)

3. Número de Froude

bHD

wT=

0 0

tan

/H L

βξ =

b

FgH

ω=


5555

PERFIL DE EQUILIBRIO Y SUBIDA DEL NMM

INFLUENCIA DE LA VARIACION DEL NMM EN EL PERFIL DE EQUILIBRIO

� Factor de disipación por u. de volumen

*

hD H

y

∂∝

∂Una columna de agua mayor, requiere una

pendiente de playa menor para alcanzar el

equilibrio

REGLA DE BRUUN

5656

REGLA DE BRUUN

REGLA DE BRUUN (1962)

� Cuantificar el retroceso (R) / avance de la línea de costa y perfil de

equilibrio en respuesta a una variación del NMM (S)

� Descripción estacionaria de la respuesta morfológica del perfil

HIPÓTESIS

� El nuevo perfil de equilibrio relativo a la intersección del nuevo

NMM con el perfil, debe CONSERVAR LA FORMA

� El volumen de sedimento en el perfil, DEBE CONSERVARSE


5757

(1)

(2)

(3)

RESPUESTA DEL

PEFIL DE

EQUILIBRIO A LA

SUBIDA DEL NMM

*V W S−∆ =

( )*V R h B+∆ = +

( )*

* tan

W Sy R S

h B θ∆ = − = − = −

+

5858

RESPUESTA DEL

PEFIL DE

EQUILIBRIO A LA

SUBIDA DEL NMM

UN EJEMPLO

� Respuesta de una playa a la subida del NMM

� Tamaño de grano 0.2mm, velocidad de caida de

grano dado por figura adjunta.

� Extensión de la playa activa 20 m

� Subida del NMM 1m.

¿Cuál es el retroceso de la línea de costa?


5959

6060

Otro ejemplo

Estima el retroceso que experimentarían las playas de: (1) Valdelagrana (Cádiz), (2) de

Castilla (Cádiz) ante una subida de 1m del NMM. Ambas playas tienen el mismo

tamaño medio de sedimento 0.2mm, y la misma pendiente media del 2%. En el primer

caso (Valdelagrana) el oleaje efectivo está caracterizado por una altura de 2m y

periodo 7s. En el caso de la playa de Castilla, el oleaje efectivo tiene una altura de 3m

y un periodo de 9s.


6161

EFECTO DE LA SUBIDA DEL NMM EN ACTUACIONES DE

REGENERACIÓN DE PLAYAS

La subida del NMM afecta a la viabilidad y al coste a medio y largo

plazo de actuaciones de restauración del litoral.

Para un perfil transversal (i.e. sin tener en cuenta aportes de transporte

longitudinal):

Haciendo uso de la regla de Bruun, la velocidad de retroceso de una playa

que recibe un aporte de sedimento por unidad de tiempo y unidad de

longitud es

( ) **

1 oQR SW

t h B t t

∂∂ ∂ = − ∂ + ∂ ∂

El aporte mínimo necesario para mantener la posición de la línea

de costa constante (dR/dt=0) es

0*

Q SW

t t

∂ ∂=

∂ ∂

La tasa de aporte de sedimento

debe ser proporcional a la tasa

de variación del NMM

6262

RESPUESTA DE ISLAS BARRERA A LA SUBIDA DEL NMM


6363


Ley de Bruun aplicada a islas barrera: migración y “overtopping”

HIPÓTESIS (profundidad laguna menor que mar abierto)

Conservación de la forma y conservación del volumen de sedimento

( )0 LV S L W L−∆ = + +

( )*0 * LV R h h+∆ = −( )

( )0

*0 *

L

L

L W LR S

h h

+ +=

−

6464



Cuando la profundidad de la laguna/bahía es del mismo orden

o superior a la profundidad del mar abierto

No es posible asumir hipótesis de conservación de la forma


6565



Cuando la profundidad de la laguna/bahía es del mismo orden

o superior a la profundidad del mar abierto

No es posible asumir hipótesis de conservación de la forma

Progresivo estrechamiento de la isla, migración hacia mar-abierto, posible sumergencia

6666

EL METODO DE EDELMAN

Una de las limitaciones de la Regla de Bruun es que la subida del NMM (S)

debe ser menor a la altura de la berma (S<<B)

EDELMAN (1972)

Tiene en cuenta la posible variación relativa de la altura de la berma B

HIPÓTESIS

� Perfil en equilibrio

� La velocidad de recesión horizontal se representa por U

� La velocidad de crecimiento vertical (relativo) del fondo V

� a y b representan el desplazamiento relativo de un punto cualquiera

del perfil durante un intervalo de tiempo ∆t


6767


Teniendo en cuenta que el perfil se encuentra en equilibrio

( )* *h B U t W V t+ ∆ = ∆( )

*

*

W VU

h B=

+El retroceso total del perfil

0

t

R y Udt= −∆ = ∫

6868


Para la variación de la altura de la duna es:

( ) ( )* * 0h B h B S+ = + −Sustituyendo en retroceso total del perfil:

( )*

* 00

t W dSR y dt

h B S dt= −∆ =

+ −∫

dSV

dt=

* 0*

* 0

lnh B

R y Wh B S

+= −∆ = + −


6969

Respuesta morfológica a la variación del NMM:

MODELOS DE RELAJACIÓN NO ESTACIONARIOS

De acuerdo con Bruun (1962), para efectos a largo plazo puede

considerarse que el ajuste de la costa a un cambio en el nivel

del mar consiste en una traslación del perfil, paralelamente a sí

mismo y conservando su forma.

0ηη↓

η↑

0RR↓ R↑

El ajuste morfológico no es instantáneo, sino que depende de otros factores también

determinantes, por ejemplo la composición geológica del litoral, el oleaje incidente, etc.

Si los cambios en el nivel del mar son más rápidos que la adaptación morfológica, los

estados de equilibrio no llegan a presentarse y en su lugar sucede una serie de estados

transitorios, cada uno de los cuales, por lo tanto, es la respuesta al historial del

forzamiento

7070


Forzamiento:

Evolución del NMM


Respuesta:



Ts,

Tiempo de

relajación

Tf,



MEDIO MARINO


7171


MODELO DE RELAJACIÓN

Planteamiento matemático del modelo:

( )( )d 1

d s

RR R t

t T ∞= −

η(t) es la cota del nivel del mar en el instante de tiempo t,

R(t) es la posición instantánea de la línea de costa (proyectada sobre el eje

horizontal trasversal a la costa)

R∞ es la posición de equilibro, que depende del valor de η(t).

Ts tiempo de relajación, es el tiempo que tarda la costa en responder al

forzamiento actual.

7272



Para la aplicación del modelo es necesario disponer de una formulación que exprese R∞

en función de η(t).

La forma más sencilla es mediante la ley de Brunn, que establece una dependencia

lineal del tipo

( )R tαη∞ =

cuya pendiente α es función principalmente del material de la costa y de la

energía que aporta el oleaje incidente. Esta relación puede interpretarse

como la traducción del forzamiento η(t) a términos morfológicos.

( )*

* tanW S

y R Sh B θ

∆ = − = − = −+


7373



El tiempo de relajación o tiempo de reacción morfológi ca depende principalmente de

(1) la composición geológica, (2) de las condiciones energéticas locales (oleaje, mareas,

viento, etc.), (3) de la magnitud de las variaciones del nivel medio del mar y (4) del tipo de

proceso que esté ocurriendo (erosión o crecimiento de la costa).

En general, los procesos de erosión son más lentos que los de crecimiento; los primerosrequieren de la abrasión y movimiento de material, mientras que los segundosredistribuyen material ya suelto.

Una forma sencilla de expresarlo es

( )( )

.

.

0

0

s e

s

s c

T si R R tT

T si R R t

∞

∞

− >= − <

�,

7474




7575

Ejemplo



CASOS A MODELAR

Respuesta morfológica de dos tipos de costa durante un periodo de 3000 años:

Costa TIPO 1.

Caracterizada por un material suelto (poco consolidado) con tiempos de relajación

Ts.c= 20 y Ts.e = 100 años

Costa TIPO 2

De material de consolidación media, con Ts.c = 70 y Ts.e= 500 años.

En ambos casos se ha utilizado una relación lineal R∞ = α η(t) , α = 100. Condición inicial en ambos casos R = 0.

7676

Ejemplo



TIPO DE FORZAMIENTO

Variación del NMM en distintas escalas,

con fase aleatoria.

Amplitud (m) Periodo (años)

50 50.000

5 8.000

1 1.200

0.5 100

0.25 25

0.2 10

0.1 1

( )sini ii

A tη ω ϕ= +∑


7777

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000tiempo [años-calendario]

-150

-100

-50

0

50

100

150

R∞,

R(t

)

[m]

Forzamiento (R∞)

R(t), Ts.c = 20, Ts.e = 100 años

R(t), Ts.c = 70, Ts.e = 500 años

Ejemplo



7878

Práctica 1: Modulo 1, Parte 1a

Objetivos Parte 1a:

• Tarea 1.1. Caracterización de la posición de la línea de costa

como condición de contorno para la planificación de obras

hidráulicas en la desembocadura de un cauce fluvial en la zona de

estudio.

• Tarea 1.2. Caracterización de cota de nivel del mar relevante

para la definición de cota de inundación, planificación de

encauzamientos en desembocadura del cauce en la zona de

estudio.


7979

Guía de aspectos a tratar:

1. Buscar información sobre estimaciones recientes de la tasa actual de variación del NMM

y posible variación del NMM en los próximos 100 años en la zona de estudio.

2. Caracterización geomorfológica y sedimentológica del tramo litoral próximo: tipología de

sedimento, tiempo de relajación morfológica, aportes fluviales, … Actuaciones

antropogénicas significativas en la zona y vida útil de las mismas.

3. Caracterización de evolución geomorfológica en escala geológica (desde el Holoceno) y

reciente de la zona de estudio actuaciones humanas recientes en la zona de estudio.

4. Determinación de posición de la línea de costa previsible en un horizonte temporal de

50, 100 y 500 años. Discusión cualitativa y cuantitativa. Justificación de la metodología

empleada.

5. Análisis de resultados: fiabilidad e incertidumbre de los resultados, análisis cualitativo

de implicaciones para la planificación de obras hidráulicas en la desembocadura.

Práctica 1: Modulo 1, Parte 1a

Tarea 1.1. Caracterización de la posición de la línea de costa como condición de contorno para la planificación de obras hidráulicas en la desembocadura de un cauce fluvial en la zona de estudio.

Documents

Tema 1 Variación Climática: Agentes y escalaselenasb/teaching/Tema1_MVariabilidadClimatica.pdf · Escala temporal de forzamiento INFLUENCIA DE LA EVOLUCIÓN DEL NIVEL MEDIO DEL