1. Educación

XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L
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DE
H I D R Á U LI C A
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014
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CARACTERIZACIÓN HIDRODINÁMICA DE LA LAGUNA DE TÉRMINOS, CAMPECHE
Kuc Castilla Ángel Gabriel, Posada Vanegas Gregorio, Vega Serratos Beatriz Edith,
Canul Turriza Román Alejandro y Ramírez Vargas Débora Libertad
Instituto de Ecología, Pesquerías y Oceanografía del Golfo de México, Universidad Autónoma de Campeche.
Av. Agustín Melgar S/N, Col. Buenavista, San Francisco de Campeche, Campeche, México. C.P. 24039
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[email protected]
INTRODUCCIÓN
Para describir la hidrodinámica de una laguna costera, se
toman en cuenta diferentes variables como la batimetría,
mareas y si es el caso la descarga de ríos adyacentes, los
cuales sirven de insumos para llevar a cabo una modelación
numérica para conocer el comportamiento de las velocidades y
superficie libre de la zona de estudio.
En el presente artículo se describe el trabajo realizado para la
generación del modelo topobatimétrico, así como la obtención
de los datos de marea y de caudales de los ríos alrededor de la
laguna, los cuales forman parte de los insumos necesarios para
la modelación hidrodinámica de la Laguna de Términos.
Trabajos previos como los de Mancilla (1980), Espinal (2002)
y Morán (2005) han caracterizado la hidrodinámica de la
laguna, la importancia de este trabajo radica en que es la
primera modelación de la Laguna de Términos que se realiza
en el Instituto EPOMEX de la Universidad Autónoma de
Campeche y al contar con la modelación de este sistema
lagunar servirá de apoyo para las demás áreas dentro del
instituto para sus análisis, así como inferir cuales zonas
pueden ser susceptibles a la erosión o depositación de arena.
Para realizar el modelo topobatimétrico de la Laguna de
Términos, fue necesario contar con información detallada del
área en cuestión, debido a que este insumo es fundamental
para determinar el comportamiento hidrodinámico de la
laguna de la manera más precisa. Para esto fue digitalizada la
información recolectada, la cual no solo incluye la Laguna de
Términos, sino también los sistemas lagunares que se
encuentran a su alrededor llegando hasta el estero de
Sabancuy.
Los resultados obtenidos se muestran de manera gráfica
haciendo una comparación entre los diferentes escenarios de
simulación hidrodinámica, para observar el comportamiento
de la laguna bajo diferentes condiciones.
Ilustración 1. Imagen satelital de Laguna de Términos.
METODOLOGÍA
Para caracterizar el comportamiento hidrodinámico de la
Laguna de Términos se utilizará el programa numérico
bidimensional MIKE desarrollado por el Danish Hydraulic
Institute (DHI) en su módulo MIKE 21 FM. Los datos de
entrada necesarios para la simulación son el modelo
topobatimétrico de la Laguna de Términos, los datos de marea
que fueron obtenidos mediante las componentes de marea del
programa MIKE, y los hidrogramas de caudal medio diario
para los ríos que desembocan en la laguna.
Los resultados que se obtengan en las simulaciones del
programa MIKE by DHI se presentaran de manera gráfica por
medio de mapas.
ÁREA DE ESTUDIO
La Laguna de Términos se localiza al sur del Golfo de
México, en la Región de la Península de Yucatán. Se sitúa
entre 91o 00 y 92o 20’ de longitud oeste; y 18o 25’ y 19o 00’ de
latitud norte. Tiene una longitud de 70 km y una amplitud de
26 km. Su superficie es de 1, 661.50 km2, con una
profundidad media de 3.5 m. Al norte se limita por la Isla del
Carmen de 38 km de largo por 2.5 km de ancho. La laguna
tiene conexión con el mar, mediante dos bocas, la “Del
Carmen”, al Oeste de 4km de largo y la de “Puerto Real” al
Este de 3.3 km. (Yáñez Arancibia y Day, 1988).
Modelo topobatimétrico
Para la batimetría al interior de la Laguna de Términos se
utilizó la carta batimétrica elaborada por PEMEX en el año
2008 (Ilustración 2), la cual fue digitalizada a formato .dwg en
el programa Autocad (Ilustración 3) de donde se extrajeron
puntos con coordenadas x,y,z en formato .txt.
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Con relación a la topografía de la zona en estudio, se editó por
medio del programa ArcGis, el modelo digital de elevaciones
(MDE) para el estado de Campeche (Ilustración 5) con el que
cuenta el Instituto EPOMEX de la Universidad Autónoma de
Campeche, el cual tiene una resolución espacial de 20 m en las
zonas adyacentes a la laguna y de 2 m en el área
correspondiente a la isla del Carmen.
Ilustración 2. Carta batimétrica de Laguna de Términos, PEMEX
2008.
Ilustración 5. Modelo digital de elevaciones (MDE) del estado de
Campeche.
Ilustración 3. Digitalización de la carta batimétrica de Laguna de
Términos, PEMEX 2008.
Primero se recortó del MDE la zona de interés (Ilustración 6),
después fue necesario aumentar el tamaño de las celdas del
MDE pasando de 20 m a 80 m y de 2 m a 8 m, debido a que se
tiene un gran número de celdas, lo que aumenta el tiempo de
análisis y procesamiento en la simulación hidrodinámica.
Posteriormente el área recortada se convirtió a puntos con
coordenadas x,y,z (Ilustración 7) y se exportaron en formato
.xmls, para luego trasladarlos a formato .txt.
De igual forma, este procedimiento se repitió con la carta
náutica de la National Imagery and Mapping Agency realizada
en el año 1999 (Ilustración 4), y con los mapas batimétricos de
la Secretaria de Marina (SEMAR), para obtener la batimetría
en la zona correspondiente al Golfo de México.
Ilustración 6. MDE del estado de Campeche recortado para la
zona de la Laguna de Términos.
Ilustración 4. Carta náutica de la National Imagery and Mapping
Agency, 1999.
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Predicción de mareas
Para la predicción de las mareas en el sector de la Laguna
de Términos, se utilizaron las componentes de marea con
las que cuenta el programa MIKE by DHI en su
herramienta Tide Prediction of Heights.
La predicción se realizó para las fronteras Nortedel modelo
numérico, para todo el año 2014.
Análisis de caudales
Ilustración 7. Detalle del MDE de isla del Carmen transformado
a puntos.
Una vez que se obtuvo la información batimétrica y
topográfica de la Laguna de Términos, se introdujo al
programa MIKE by DHI en su módulo Mesh Generator para
que, a partir de interpolaciones, se generara un modelo digital
de elevaciones con la batimetría integrada para la zona de
estudio.
Para el análisis de la descarga de los ríos Palizada,
Mamantel y Candelaria, se utilizaron los caudales
registrados por las estaciones hidrométricas de la
CONAGUA que se encuentran ubicadas sobre sus cauces.
Estos datos fueron empleados para generar hidrogramas de
caudal medio diario. Los datos se analizaron obteniendo el
gasto promedio para cada día del año.
Los años de registro que se tienen para el río Palizada se
encuentran desde el año 1992 hasta el año 2013, para el río
Mamantel van del año 1995 a 2013 y para el río Candelaria
se tiene para el periodo del año 1953 a 2013.
Esta información se encuentra en línea por medio de la
página de internet de la CONAGUA en
ftp://ftp.conagua.gob.mx/Bandas/Bases_Datos_Bandas.
Escenarios de simulación hidrodinámica
Se realizaron 2 escenarios de simulación para la obtener la
variación de la superficie libre al igual que la dirección y
magnitud de las corrientes, en el primer escenario se
consideró solo la variación de la marea astronómica y en el
segundo caso se tomó la marea astronómica así como la
descarga de los ríos Palizada, Candelaria y Mamantel hacia
la Laguna de Términos.
Escenario 1
Ilustración 8. Malla y puntos de batimetría y topografía en la
Laguna de Términos.
El tiempo de simulación fue de 10 días, empezando el día
13 de octubre de 2014 hasta el día 23 de octubre de 2014,
la fecha de simulación fue tomada en base a la época
climática (época de nortes) y en el análisis de los datos de
caudal de los ríos, obteniendo que en este periodo se
registra el mayor gasto promedio que es descargado por los
ríos en la laguna.
Para esta modelación solo se consideró la variación de la
marea astronómica entrando por la frontera norte del
modelo numérico teniendo como condición inicial de
simulación un valor de elevación de superficie libre de
0.233m.
Los parámetros de entrada empleados para la modelación
hidrodinámica se muestran en la Tabla 1.
Ilustración 9. Modelo topobatimétrico generado en el programa
MIKE by DHI.
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Tabla 1. Parámetros de entrada del módulo hidrodinámico.
PARÁMETRO
VALOR
Batimetría
93492 nodos
Periodo de simulación
13/10/2014 12:00:00 a.m.
AMH
El valor de gasto promedio máximo descargado por el río
Palizada es de 460.33 m 3/s, para el río Candelaria 143.68
m3/s y caudal para el río Mamantel es de 12.13 m 3/s,
siendo el río Palizada el que mayor agua aporta a la Laguna
de Términos.
23/10/2014 12:00:00 a.m.
Intervalo de paso de
tiempo
30 sec.
No. De pasos de tiempo
28800
Solución Técnica
Tiempo de integración
Alto orden
Incremento de tiempo mínimo: 0.01 seg.
Solución Técnica
Tiempo máximo: 30 seg.
Áreas secas y mojadas
Discretización del espacio
Alto orden
Profundidad en seco: 0.005
Áreas secas y mojadas
Densidad
Profundidad de inundación: 0.05
Ilustración 10. Hidrograma río Palizada.
Profundidad de mojado: 0.1
Barotrópica
Viscosidad Turbulenta
Formulación Smagorinsky: valor
constante en el dominio y en el tiempo,
valor: 0.28 m2/s
Fricción de fondo
Número de Manning constante de 32
[m^(1/3)/s]
Fuerza de Coriolis
Variable en el dominio
Viento
-------
Cobertura de hielo
-------
Precipitación –
evaporación
-------
Tensores de radiación
-------
Estructuras
-------
Condiciones iniciales
Constante, Superficie de elevación:
0.2333428m
Ilustración 11. Hidrograma río Candelaria.
Este: Flujo específico, constante 0
[m3/s/m]
Fronteras
Oeste: Flujo específico, constante 0
[m3/s/m]
Norte: Nivel específico, variable en el
tiempo y a lo largo de la frontera
Escenario 2
Al igual que en el escenario 1 el tiempo de modelado fue
de 10 días empezando el día 13 de octubre de 2014 hasta el
día 23 de octubre de 2014.
Para las condiciones iniciales de simulación el valor de
elevación de la superficie libre fue de 0.233 m, este valor
se obtuvo de la predicción de la marea norte por medio de
las componentes de marea con las que cuenta el programa
MIKE.
En referencia al caudal descargado por los diferentes ríos
en la Laguna de Términos, se consideró una descarga
variable en el tiempo para lo cual se generaron
hidrogramas de caudal medio diario correspondientes al
periodo de simulación.
Ilustración 12. Hidrograma río Mamantel.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para el análisis de resultados se escogieron 5 puntos de los
cuales se extrajeron la máxima elevación de superficie
libre así como la máxima magnitud de velocidad, para
hacer una comparación entre los dos escenarios de
simulación y poder observar si existe algún cambio entre
los parámetros.
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Tabla 2. Parámetros de elevación de superficie libre y velocidad
en el escenario 1.
astronómica y descarga de los ríos en comparación con el
escenario bajo condiciones de solo marea astronómica.
Coordenadas
(UTM)
En los siguientes mapas se muestra la velocidad máxima en
los diferentes puntos de comparación dentro de la Laguna de
Términos.
Punto de Análisis
Boca Cd. del Carmen.
Boca de Isla Aguada.
Boca estero Sabancuy.
Desembocadura río
Palizada.
Elevación
(m)
Velocidad
(m/s)
0.238
0.437
0.250
0.319
0.263
0.550
0.239
0.077
0.236
0.072
0.234
0.043
621264.288
2059896.183
657278.285
2076583.063
691342.367
2100902.496
628479.083
2045026.099
Desembocadura ríos
Candelaria y
Mamantel.
2059489.678
Centro de la Laguna de
Términos.
2058178.100
680753.957
655030.366
Tabla 3. Parámetros de elevación de superficie libre y velocidad
en el escenario 2.
Punto de Análisis
Boca Cd. del Carmen.
Boca de Isla Aguada.
Boca estero Sabancuy.
Coordenadas
(UTM)
Elevación
(m)
Velocidad
(m/s)
0.238
0.438
0.250
0.320
0.263
0.550
0.241
0.579
0.238
0.143
0.234
0.043
Ilustración 13. Mapa de velocidades máximas en la Laguna de
Términos.
621264.288
2059896.183
657278.285
2076583.063
691342.367
2100902.496
628479.083
Desembocadura río
Palizada.
2045026.099
Desembocadura ríos
Candelaria y
Mamantel.
2059489.678
Centro de la Laguna de
Términos.
2058178.100
680753.957
655030.366
Los resultados demuestran que el nivel de la superficie libre
como la velocidad de las corrientes en las zonas de la Boca de
Cd. del Carmen, Boca de Isla Aguada, Boca estero Sabancuy
y en el centro de la Laguna de Términos, son iguales en los
dos escenarios de simulación.
Ilustración 14. Detalle de velocidades máximas en la boca de Cd.
del Carmen.
En el caso del punto ubicado en la desembocadura del río
Palizada existe un incremento insignificante en la elevación de
la superficie libre, la diferencia se puede notar en el valor de la
velocidad de las corrientes pues existe un incremento del
651% es decir de 6.5 veces en la magnitud de la velocidad
bajo condiciones de marea astronómica y descarga de los ríos
con respecto al valor obtenido en condiciones de solo marea
astronómica.
De igual forma en la zona ubicada en la desembocadura de los
ríos Candelaria y Mamantel se observa un aumento
insignificante en la elevación de la superficie libre, mientras
que en el valor de la velocidad de las corrientes tenemos un
incremento del 100% en la velocidad en condiciones de marea
Ilustración 15. Detalle de velocidades máximas en la boca de Isla
Aguada.
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Términos, Campeche. Tesis de maestría. México: UNAM,
2002, 100 pp.
MANCILLA, M. y VARGAS, M. Los primeros estudios sobre
la circulación y el flujo neto de agua a través de la Laguna de
Términos, Campeche. Anales del Centro de Ciencias del Mar
y Limnología, Vol. VII, núm 2, 1980.
MORAN, D.K. Estimación de los tiempos de residencia en la
Laguna de Términos, Campeche. Tesis de maestría. México:
UNAM, 2005, 154 pp.
POSADA, G., VEGA, B.E., y SILVA, R. Peligros Naturales
en el Estado de Campeche Cuantificación y Protección Civil.
Campeche: Gobierno del Estado de Campeche, 2013, 202 pp.
RAMOS, J., FLORES, D., AYALA, L.A., RENDÓN, J.,
VILLALOBOS, G., y SOSA, A. Atlas Hidrológico e
Ictiológico de la Laguna de Términos. Campeche:
Universidad Autónoma de Campeche, 2006, 173 pp.
Ilustración 16. Detalle de velocidades máximas en la
desembocadura del río Palizada.
Ilustración 17. Detalle de velocidades máximas en la
desembocadura de los ríos Candelaria y Mamantel.
CONCLUSIONES
Se simularon 10 días los cuales tomaron un tiempo de 2.5 días
en terminar la modelación, el tiempo de simulación nos
permite modelar fenómenos que sean de mayor duración
reduciendo el periodo de uso de los insumos de computación.
El valor de la elevación de superficie libre obtenido en las
diferentes zonas presenta un cambio insignificante al
comparar los valores que resultan de los dos escenarios de
modelación.
La magnitud de la velocidad de las corrientes presenta un
cambio notable en las zonas ubicadas en la desembocadura del
Palizada teniendo un aumento del 651% y del 100% para la
desembocadura de los ríos Candelaria y Mamantel.
REFERENCIAS
CÁRDENAS, S. Modelación hidrodinámica de la laguna
costera El Colorado, Ahome, Sinaloa. Tesis de maestría.
México: IPN, 2007, 80 pp.
ESPINAL, J.C. Caracterización del transporte de sedimentos
en las bocas del Carmen y Puerto Real en Laguna de