Altura de Ola Extrema en la Zona Exterior del Estuario de Baha Blanca,

Pcia. de Buenos Aires, Argentina

Andrs E. Pescio (1), Paula B. Martin (1,2,3) y Walter C. Dragani (1,2,3)

(1) Servicio de Hidrografa Naval, Argentina (SHN)

(2) Departamento de Ciencias de la Atmsfera y los Ocanos, (FCEyN-UBA)

(3) Consejo Nacional de Investigaciones Cientficas y Tcnicas (CIMA-CONICET)

E-mail: aepescio@yahoo.com.ar

RESUMEN: Con el objeto de estudiar la altura de ola extrema en la zona exterior del estuario de Baha Blanca, se aplic estadstica de extremos a la serie de alturas significativas mximas (Hs-max) anuales obtenidas a partir de simulaciones numricas y se obtuvieron los valores de alturas de olas para distintos perodos de retorno, necesarios para realizar cualquier emprendimiento costero u offshore. El sitio seleccionado para el anlisis posee una profundidad aproximada de 12 m y se encuentra en 39.12 S 61.61 W, a 13 km de la costa, en las proximidades de una zona reservada para maniobras y ejercicios navales de la Armada Argentina y con intenso trfico martimo.

Dado que en el lugar no se cuenta con series prolongadas de observaciones directas de oleaje, se implement el modelo SWAN para realizar una simulacin de 35 aos de duracin (1971-2005) de la altura significativa de las olas en el rea de estudio, utilizando como forzante vientos provenientes de la base de datos de NCEP/NCAR.

Se prob el ajuste de las funciones de distribucin de probabilidad tericas de Fisher-Tippet I y Weibull con k = 0.75, 1, 1.4 y 2 con la serie de Hs-max anuales, siendo la Weibull con k = 1.4 la que presento el mejor ajuste (r = 0.99). Considerando esta funcin, se calcul la altura de ola para periodos de retorno de 5, 10, 20, 50 y 100 aos con sus respectivos intervalos de confianza. En particular la ola centenaria result de 2.1 m 0.3 m. Si bien no existen mediciones sistemticas de olas en la regin, se presume que los resultados obtenidos en este trabajo podran estar subestimando los eventos severos de oleaje durante tormentas.

INTRODUCCIN Y OBJETIVO

Los responsables de la gestin y del manejo ambiental son los encargados de planificar el mejoramiento y el

desarrollo de la infraestructura costera y, adems, tienen la difcil tarea de trabajar en la prevencin de los

posibles daos relacionados con las fuerzas de la naturaleza como, por ejemplo, los ocurridos durante

tormentas o episodios extremos. Los eventos de oleaje severo afectan a las obras de ingeniera costeras y

off-shore (por ejemplo, construcciones portuarias, defensas costeras o plataformas petroleras) las cuales

son generalmente diseadas por los ingenieros, segn el caso, para soportar olas extremas de 50 a 100 aos

de recurrencia.

Para desarrollar cualquier tipo de emprendimiento tal como el dragado o el emplazamiento de defensas

costeras es indispensable conocer el clima de olas, pero ms importante, an, es conocer la altura mxima o

extrema de la ola, su probabilidad de recurrencia, el perodo de retorno y su intervalo de confianza. El

anlisis de extremos involucra ciertas decisiones y consideraciones basadas en la experiencia y en el

proyecto particular, la seleccin del periodo a analizar, las distribuciones probabilsticas consideradas y la

evaluacin de incertidumbres. Resulta de gran utilidad la estimacin de los intervalos de confianza de las

alturas obtenidas para as poder aplicar los resultados estadsticos en los diferentes proyectos de ingeniera

costera. En dichos proyectos los resultados obtenidos son interpretados desde el punto de vista ambiental,

ingenieril y econmico.

Hoy en da se cuenta con modelos numricos que constituyen una herramienta invalorable para resolver el

grave problema de la falta de datos. Estos pueden emplearse para simular series muy prolongadas (dcadas)

de parmetros de olas. Sin embargo, deben realizarse esfuerzos para implementar y validar dichos modelos

en las reas de inters, lo cual requiere de mediciones de campo para contrastar las simulaciones.

La falta de datos de olas en el litoral martimo argentino es generalizada, disponindose de observaciones

directas en tan solo un puado de puntos especficos del vasto litoral. Por ejemplo, la zona exterior del

estuario de Baha Blanca, siendo el acceso al principal complejo portuario de aguas profundas de la

argentina, es un rea donde la escasez de mediciones de olas es significativa y, a la vez, llamativa. Por dicha

razn, cualquier estudio que apunte a la estimacin del oleaje extremo en dicha zona debe realizarse

valindose de modelos numricos y de la estadstica.

El objetivo de este trabajo es obtener los valores de altura de olas extremas en el rea exterior del estuario de

Baha Blanca. Dado que no se cuenta con series de observaciones directas, se realiz una simulacin

numrica de treinta y cinco aos de duracin y se obtuvo la serie de alturas mximas anuales. Sobre la

misma se aplic teora estadstica de extremos, se determinaron las alturas para distintos perodos de retorno

y se calcularon los correspondientes intervalos de confianza.

REA DE ESTUDIO

El rea de estudio se ubica en la zona exterior del estuario de Baha Blanca, al sudeste de la provincia de

Buenos Aires, en las cercanas del canal de ingreso al complejo portuario y a la zona de seguridad del

polgono de artillera de la estacin de experiencia de Puerto Belgrano (Figura 1), reservada para maniobras y

ejercicios de la Armada Argentina. En esta zona todos los aos se realizan ejercicios navales (a veces en

conjunto con otras fuerzas) involucrando centenares de hombres y contando con situaciones de apoyo de

juego areo, evacuacin mdica, apoyo logstico, comunicaciones, saltos y desembarco, entre otras

actividades y movilizando helicpteros, botes de goma, vehculos anfibios, avisos y transportes navales. El

estuario de Baha Blanca constituye, de acuerdo a la clasificacin morfolgica de Fairbridge un estuario de

planicie costera por ser un ambiente de relieve bajo con valles bifurcados y una planicie en forma de embudo

(Perillo, 1995). Segn la Convencin Ramsar como humedal marino/costero es uno de los 37 humedales ms

importantes (Canevari et al., 1998).

Figura 1.- Zona en estudio. Se detallan el nodo del modelo SWAN donde fueron extrados los datos de oleaje (rojo) y la zona reservada para maniobras de la Armada Argentina (amarillo). Fuente: elaboracin propia a partir de imagen

Landsat.

METODOLOGA Y DATOS

Se utiliz el modelo SWAN (Simulating WAves Nearshore) Cycle III versin 40.85 (ltima versin estable

disponible a la fecha) para simular la altura, el perodo y la direccin de las olas en el rea seleccionada.

SWAN es un modelo numrico de tercera generacin utilizado para obtener buenas estimaciones de los

parmetros de olas en aguas someras costeras a partir del viento, la batimetra y campos hidrodinmicos

(Booij et al., 1999; Ris et al., 1999; Delft University of Technology, 2004). Este modelo se basa en la

ecuacin de balance de la accin de olas (wave action) considerando fuentes y sumideros. Se representan

explcitamente, como en otros modelos de tercera generacin, la generacin del viento, la formacin de

burbujas (whitecapping), efectos no lineales (quadruplets), interacciones entre olas y la disipacin por

friccin en el fondo. Adems, pueden agregarse interacciones entre olas del tipo triads y rompientes

inducidas por profundidad. SWAN simula olas aleatorias cortas en reas costeras, lagos y estuarios, por lo

tanto es el modelo ms apropiado para la regin considerada en este estudio. Las salidas de SWAN se

aplican para la gestin de puertos, el diseo de instalaciones offshore, el desarrollo y manejo costero y

diagnstico y pronstico de olas. Es utilizado en aproximadamente en 50 pases y est registrado en ms de

700 institutos y centros de investigacin.

Se seleccion coordenadas esfricas ya que son convenientes tanto para escala pequea como grande y es la

ms recomendable para anidar. En este trabajo se utilizaron grillas regulares, uniformes y rectangulares para

todos los forzantes y las salidas del modelo. Para el presente estudio se implement el SWAN utilizando tres

grillas anidadas. Una grilla regional de baja resolucin 0.2644 x 0.2078 (aproximadamente 23 km x 23 km)

con 87 x 77 nodos que cubre la zona de 47 a 31 de latitud sur y de 68 a 45 de longitud oeste y una

resolucin temporal de 180 minutos. Una grilla intermedia de 0.0833 x 0.0600 de resolucin

(aproximadamente 7 km x 7 km) con 96 x 75 nodos que cubre la zona de 42.5 a 38 de latitud sur y de 66 a

58 de longitud oeste y una resolucin temporal de 60 minutos y, finalmente, una grilla cercana a la zona de

inters con resolucin de 0.0339 x 0.0268 de resolucin (aproximadamente 3 km x 3 km) con 38 x 27

nodos que cubre la zona de 39.45 a 38.75 de latitud sur y de 62.38 a 61.12 de longitud oeste y una

resolucin temporal de 30 minutos. Dragani et al. (2008) implement y valid el modelo numrico SWAN,

en la zona de la plataforma continental bonaerense, uruguaya y sud brasilea, en un dominio computacional

de baja resolucin similar al utilizado en este trabajo.

En la regin descripta se dispone de una muy baja cobertura espacial de estaciones meteorolgicas costeras o

en el mar adyacente (boyas MET-OCEAN), con lo cual los datos disponibles medidos en forma directa son

insuficientes para generar campos de viento realistas para ser utilizados como forzante de un modelo de olas.

Debido a esto y considerando que los datos de viento provistos por satlite tienen una baja resolucin

temporal y son de corta data, en este trabajo se utilizaron las componentes NS y EW (10 m de altura)

correspondientes al reanlisis de NCEP/NCAR de las 0, 6, 12 y 18 UTC. Esta base de datos ha sido usada

para numerosos trabajos como por ejemplo el anlisis de variabilidad de viento realizado por (Simionato et

al., 2005a, c; 2006a, b; 2007) o el estudio niveles de agua y corrientes para el Ro de la Plata y plataforma

continental adyacente (Simionato et al., 2005b; 2006c).

La base de datos de NCEP/NCAR, aunque de baja resolucin, tiene la gran ventaja de cubrir un muy

prolongado perodo de tiempo (desde 1948 a la fecha) y de ser un modelo global, abarcando un dominio

computacional mucho ms extenso que el del rea de inters de este trabajo. Estos reanlisis no son

observaciones directas sino el resultado de un anlisis objetivo combinando radiosondeos, observaciones de

sensores remotos y modelos numricos (Kalnay et al., 1996). El resultado de este anlisis es un conjunto de

datos de grilla con resolucin espacial 1.875 en longitud y 1.905 en latitud y una resolucin temporal de 6

horas. Las principales ventajas de este reanlisis son su consistencia fsica y su relativamente alta cobertura

temporal (ms de cincuenta aos). La validacin de este modelo fue presentada por Simmonds y Keay

(2000).

Se realiz una simulacin de 35 aos de duracin (1971-2005) utilizando como forzante vientos provenientes

de la base de datos de NCEP/NCAR. Se obtuvieron las alturas horarias para dicho perodo y se seleccionaron

los mximos anuales correspondientes a un sitio ubicado en la zona exterior del estuario de Baha Blanca a

aproximadamente 13 km off-shore de la costa, en 39.13 S 61.60 W, y con una profundidad de 12 m

aproximadamente. Sobre dicha serie de mximos anuales se aplic la teora estadstica de extremos y se

calcularon los correspondientes intervalos de confianza.

Sobre la serie de Hs-max anuales, se aplicaron tcnicas de extrapolacin estadstica de valores extremos

considerando distintos perodos de retorno. Para ello, se requiere encontrar una distribucin de probabilidad

condicional que ajuste a la serie de alturas mximas anuales. Se considera que las 35 alturas mximas

anuales son muestras aleatorias de alguna distribucin de probabilidades que en principio es desconocida. Se

supone entonces que los valores extremos extrapolados (ms all del lapso en que fueron recabados los

datos) pertenecen tambin al total de la poblacin de las alturas extremas de olas de tormentas.

Las distribuciones consideradas para este estudio fueron: Fischer Tipett 1 y Weibul con k= 0.75 , 1, 1.4 y 2.

Siendo la distribucin de Weibull con k=1.4 la que present el mejor ajuste (r=0.99) y por lo tanto la

empleada para realizar el presente trabajo. Adicionalmente, se calcularon los intervalos de confianza de la

altura de ola extrema obtenida para los distintos perodos de retorno con un 90% de confianza utilizando la

metodologa descripta por Goda (2000) considerando que estos siguen una distribucin normal.

RESULTADOS

Con la metodologa descripta previamente se estim la altura de ola significativa mxima esperada (Hr) para

cada uno de los periodo de retorno propuestos en este trabajo (r: 5, 10, 20, 50 y 100 aos). El valor de Hr

result de la extrapolacin de la recta ajustada y su valor verdadero o ms probable estar contenido en un

cierto intervalo de confianza determinado por el error calculado con la metodologa descripta anteriormente.

En la tabla 1 se detallan las alturas mximas calculadas para los siguientes perodos de retorno: 5, 10, 20, 50

y 100 aos y el error estimado correspondiente.

Tabla 1.- Hr calculada para distintos periodos de retorno

Perodo de Retorno (aos) Hr (m) Error (m)

5 1.5 0.1

10 1.6 0.1

20 1.8 0.2

50 1.9 0.2

100 2.1 0.3

En la figura 2 se presenta el ajuste de la recta de valores extremos adoptada (Weibull con k=1.4) con la serie

de Hs-max anuales resultantes de la modelacin. Adicionalmente se detallan los perodos de retornos para

los cuales se calcul Hr y cuyo valor se detalla en la Tabla 1.

Figura 2.- Ajuste de la recta de regresin adoptada con los valores de Hs-max anuales resultantes de la modelacin. Los smbolos representan los perodos de retorno en aos para los cuales se estim la altura de ola.

CONCLUSIONES

Debido a los altos costos y riesgos involucrados al construir obras de ingeniera en la costa y en aguas

abiertas (offshore) es necesario contar con estadsticos confiables que estimen las alturas de ola extremas

en el lugar de inters teniendo en cuenta los errores involucrados. Actualmente se cuenta con una

herramienta til para resolver el grave problema de la carencia de datos: los modelos matemticos y, en

particular, el modelo SWAN. Con este modelo, y a la espera de mediciones para su contrastacin y

calibracin, se pueden simular series largas de alturas de olas y, juntamente a la aplicacin de estadstica de

extremos pueden estimarse valores confiables para la ola de diseo los cuales constituyen un aporte valioso

para la gestin y el manejo costero.

Con las alturas extremas y sus errores presentados en la Tabla 1 se calcularon los intervalos de confianza (en

m) con el 90% de confianza para los perodos de retorno comprendidos entre 5 y 100 aos. Se encontr que

en para la zona en estudio la ola centenaria es de 2.1 m 0.3 m, es decir, comprendida entre 1.8 m y 2.4 m.

Debe destacarse que los resultados aqu obtenidos pareceran estar subestimados ya que en regiones costeras

relativamente cercanas como Quequn se han registrado Hs superiores a 4 m. Consecuentemente podra

inferirse que la base de reanlisis de baja resolucin utilizado (NCEP/NCAR) no sera capaz de capturar las

intensidades del viento en condiciones de tormentas severas. En este sentido, como futura lnea de trabajo se

prev, por un lado, la incorporacin de bases de datos de reanlisis de viento de mayor resolucin (CFSR:

Climate Forecast System Reanalysis NOAA) como forzantes del modelo SWAN y, por otro lado, realizar

una validacin y eventual calibracin del modelo utilizando mediciones altimtricas de olas en la regin.

Finalmente, se concluye que la arquitectura de modelacin aqu implementada es muy razonable pero, sin

embargo, se debera realizar una investigacin ms exhaustiva en la bsqueda de un forzante atmosfrico

ms realista, sobre todo en lo que respecta a la caracterizacin de eventos meteorolgicos severos.

Cabe aclarar que clculos preliminares de altura de ola mediante el mtodo publicado en el Shore Protection

Manual (CERC, 1984), empleando vientos provenientes de tierra, dan como resultado alturas levemente

superiores a las obtenidas mediante la modelacin. Por otro lado, corridas exploratorias del modelo SWAN

efectuadas en modo estacionario arrojan valores de Hs hasta un 45% superiores. Por lo tanto, adoptando un

criterio conservador, se recomendara la implementacin del SWAN en modo estacionario hasta tanto

existan mediciones que verifiquen su validez.

Agradecimientos.

Proyecto PIDDEF 046/11 SHN: Estudio de las condiciones atmosfricas y del oleaje en la Zona de Seguridad del

Polgono de Artillera de la Estacin de Experiencia de la Base Naval Puerto Belgrano, Baha Blanca. Proyecto

PIDDEF 043/10 SHN: Estudio de olas, corrientes y niveles del mar en la Zona de Seguridad del Polgono de

Artillera de la Estacin de Experiencia de la Base Naval Puerto Belgrano, Baha Blanca

REFERENCIAS

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INTRODUCCIN Y OBJETIVOREA DE ESTUDIOMETODOLOGA Y DATOSRESULTADOSCONCLUSIONES