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Boletn Cientfico CIOH No. 27, ISSN 0120-0542, 90-111 (2009)

ARTCULO

Fecha recepcin: 2009-06-25Fecha aceptacin: 2009-10-28

Abstract

Resumen

En este artculo se evala cmo los cambios en el aporte de caudal lquido a travs de los brazos del Canal delDique afecta el patrn de transporte de sedimentos en la baha Barbacoas y hacia las Islas del Rosario. Loscambios corresponden a seis alternativas planteadas para disminuir la carga de sedimentos hacia la Baha deCartagena. Se utiliza simulacin matemtica con el modelo tridimensional ELCOM, el cual fue calibrado y

validado con datos recolectados en campo incluyendo mediciones de las variables que caracterizan elforzamiento externo ejercido sobre el cuerpo de agua y de variables que caracterizan la dinmica del flujoestratificado que se presenta al interior de la baha. El transporte horizontal fue estudiado mediante la

propagacin de un trazador inerte y con flotabilidad neutra y no fue considerado el proceso de sedimentacin, porlo que los resultados obtenidos muestran el patrn de transporte horizontal y se interpretan como casos mscrticos que la situacin real. El patrn de corrientes est influenciado fuertemente por el rgimen de vientos en la

baha. El trazador alcanza las Islas del Rosario, en bajas concentraciones y de manera espordica. No se observaninguna corriente perifrica dominante que pudiera ser un medio preferencial para el transporte de sedimentos yse identifica la variabilidad en la direccin del viento como un factor importante para el transporte horizontalhasta las Islas del Rosario. La comparacin de alternativas de modificacin de las descargas de los brazos delCanal del Dique permiti identificar aquella que produce un menor transporte hacia las Islas del Rosario.

Palabr as claves:Baha Barbacoas, simulacin hidrodinmica, circulacin estuarina, flujo estratificado, Canal

del Dique.

This study evaluates how the changing of solid and liquid discharge through the Canal del Dique channels affectsthe sediment transport pattern in the Barbacoas bay and towards Islas del Rosario. The changes correspond to sixalternatives brought up in order to diminish the sediments discharge towards the Cartagena Bay. The study is

based on mathematical modeling using the tridimensional method ELCOM after calibration and validation with

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Efecto del cambio de los caudales del Canaldel Dique sobre el patr n de tr ansporte

horizontal en la baha de Barbacoas

Effects of changes in the Canal del Dique dischar ges on thehorizontal tr ansport patterns in Barbacoas Bay

Andrs Gmez Giraldo, [email protected]

Andrs Fernan do Osorio Arias, [email protected] ancisco Maur icio Toro, [email protected]

Juan David Osorio Cano,[email protected] Andr s lvarez,[email protected]

Grupo de Investigacin en Oceanografa e Ingeniera Costera (OCENICOS),Escuela de Geociencias y Medio Ambiente. Universidad Nacional de Colombia.

CIOHwww.cioh.org.co

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field measurements of the variables representing theexternal forcing and variables representing theinternal dynamics of the stratified flow characteristicof the bay. The horizontal transport pattern wassimulated by following an inert and neutrally buoyanttracer. The sedimentation process was not consideredhence, only the horizontal transport is described andthe results illustrate a situation more adverse for Islasdel Rosario than the actual situation. The results showthat the transport pattern is strongly influenced by thewind at the Bay. The tracer reaches Islas del Rosario,in low concentrations and sporadically. There was nota peripheral concentrated current that could producemost of the sediment horizontal transport and the winddirection variability was identified as a key factor to

produce transport towards Islas del Rosario. Thecomparison of the alternatives for changing the liquid

and solid discharge though the channels of the Canaldel Dique allowed to identify that one which wouldproduce less transport towards the Islas del Rosario.

Key words: Barbacoas bay, hydrodynamicsimulation, estuarine circulation, stratified flow,Canal del Dique.

El Canal del Dique es un canal artificial cuyaalineacin actual fue establecida en 1952 y que fueconstruido para permitir la comunicacin fluvial en elro Magdalena en el tramo de Calamar a la Baha deCartagena en el sector de Pasacaballos. En 1958fueron abiertas las bocas de Lequerica y Matunilla(figura 1) que desembocan a la baha de Barbacoascon el fin de disminuir la carga de sedimentos quellegaba en aquel entonces a la baha de Cartagena. Elcaudal lquido que transporta el canal es uncomponente fundamental del balance hdrico de loscuerpos cenagosos que se localizan alrededor delcanal [1].

Varios sectores de la comunidad cartagenera creen que

los sedimentos transportados por el canal hasta laBaha de Cartagena repercuten negativamente en lanavegacin y en las condiciones ambientales y

paisajsticas de la baha, por lo que han planteado lanecesidad de reducir el aporte de sedimentos mediantela reduccin del caudal lquido que le sirve comomedio de transporte. En un estudio adelantado en lasede de Bogot de la Universidad Nacional de

Colombia (UNAL) [1], se expone que la reduccindrstica del caudal lquido que fluye por el canalmediante obras hidrulicas ubicadas cerca a la entradadel canal en Calamar generara graves consecuencias

para los ecosistemas cenagosos vecinos al canal y parala fuente de agua del acueducto de la ciudad deCartagena, entre otros problemas. Por ello, UNAL [1]ha planteado seis alternativas que combinan diferentesintervenciones posibles para reducir el caudal quellega a la Baha de Cartagena mediante la construccinde obras hidrulicas que no afecten el intercambiohdrico entre el canal y el complejo cenagoso. Estasalternativas modifican los caudales que sondescargados a la baha Barbacoas y al mar Caribe atravs de los caos Correa, Matunilla y Lequerica.

Esta modificacin de la descarga al mar Caribe y a la

baha de Barbacoas estara acompaada de unamodificacin al aporte de sedimentos finos que seran,eventualmente, transportados por las corrientesmarinas de la baha hasta zonas de riqueza ecolgicacomo las Islas del Rosario, con la posibilidad degenerar grandes daos ambientales. Debido a esteriesgo, se adelant un estudio de las condicioneshidrodinmicas y de transporte de sedimentos en laregin del mar Caribe comprendida entre lasdesembocaduras de los caos Correa, Matunilla yLequerica y las Islas del Rosario, en donde seestudiaron los patrones de circulacin y de transportede sedimentos y se evalu el impacto de cada una delas seis alternativas propuestas.

Circulacin en estuar iosUn estuario es un cuerpo de agua costero,semiconfinado, que tiene una conexin abierta con elmar y dentro del cual el agua de mar se mezcla conagua fresca derivada del drenaje terrestre [2]. La bahade Barbacoas se considera un estuario ya que alldescargan aguas frescas provenientes del Canal delDique.

El movimiento del agua en un estuario est regulado

por variables geomorfolgicas y forzadores externos[3]. Entre estos ltimos est la marea, que generamovimientos horizontales asociados a la variacin delnivel del mar. La densidad tambin juega un papelimportante en la circulacin, as algunos estuarios

permanecen estratificados verticalmente de tal formaque el agua dulce de los ros, menos densa, circulasobre el agua salada ms densa. Si las corrientes en el

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Introduccin

Gmez, et al.: Efecto del cambio de los caudales del Canal del Dique en la baha de Barbacoas

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estuario son lo suficientemente dbiles no producemezcla importante y se forma una cua salada que

penetra hacia el interior del estuario [4]. En otrosestuarios el agua dulce se mezcla con agua marina,crendose un gradiente de densidad horizontal en elestuario. Los gradientes de densidad generados pordiferencias de salinidad, de temperatura oconcentracin de slidos suspendidos generancorrientes gravitacionales y afectan la forma en quelos forzadores externos modifican la dinmica.Adicionalmente, el viento genera esfuerzos de cortesobre la superficie del agua y la arrastra en la direccindel viento aadiendo energa cintica que producecorrientes superficiales, mareas meteorolgicas ysurgencia de aguas profundas hacia la superficie [4].Por su parte, los caudales afluentes aportan energacintica al entrar en contacto con el agua del estuario.

Otro aspecto a tener en cuenta es que la hidrodinmicadel estuario est estrechamente relacionada con losmecanismos de sedimentacin. En la medida en que laenerga de las corrientes se disipe, los sedimentos setransportan, mezclados, intercambiados o acumuladosy la geometra del fondo se modifica [4].

AntecedentesUno de los primeros y de los pocos estudios realizadossobre la hidrodinmica y la sedimentologa de la zonade estudio es el de Leble y Cuignon [5], quienestomaron muestras de sedimentos y realizaron

mediciones mensuales de temperatura, salinidad yturbidez del agua de mar durante un ao en zonasaledaas a las Islas del Rosario para estudiar, entreotros, la influencia del Canal del Dique sobre las islas.

Los primeros estudios hidrodinmicos sobre ladesembocadura del Canal del Dique fueron llevados acabo por Lonin [6], quien us su modelo CODEGO

para estimar el transporte de partculas suspendidasprovenientes del Canal del Dique en la Baha deCartagena. Posteriormente, ese mismo modelo seaplic en estudios de impacto ambiental del Canalsobre las bahas de Cartagena y de Barbacoas [7]. En

2004, se realizaron nuevas simulaciones de transportede sedimentos en la Baha de Cartagena con el modeloCODEGO, esta vez refinando la malla de clculo ycomparando los resultados del modelo con imgenesde sensores remotos [8].

La UNAL [9] desarroll un completo estudio sobre lageomorfologa de la baha de Barbacoas, en donde se

hace una aproximacin a la circulacin de las aguassuperficiales en las bahas de Cartagena y Barbacoasen funcin de las corrientes litorales y ocenicasreportadas en la literatura. En este estudio, adems, serevisa la evolucin morfolgica durante varias

dcadas de las bocas Matunilla y Lequerica utilizandofotografas areas de diferentes pocas que evidenciansu crecimiento.

El trabajo mas reciente sobre el Canal del Dique fuedesarrollado por UNAL [1]. En este estudio seevaluaron varias alternativas para el manejohidrosedimentario del canal. Una de las conclusionesde este estudio fue que no es posible entender los

procesos, ni recomendar actuaciones definitivas parael manejo hidrosedimentolgico del canal sin conocerclaramente el clima martimo y la hidrodinmica en

las zonas litorales de influencia del canal. Dentro deeste marco de referencia, la UNAL [10] realizestudios de circulacin de la baha de Barbacoasutilizando el modelo hidrodinmico ELCOMdesarrollado por la Universidad de AustraliaOccidental [11].

Localizacin y descripcin de la zona de estudioLa baha de Barbacoas se encuentra localizada entrelas coordenadas 1007'00''N y 1015'00''N y lascoordenadas 7531'00''W y 7543'00''W en el litoral

Caribe colombiano, al sur de la Baha de Cartagena yal este de las Islas del Rosario y tiene un rea

2aproximada de 120 km (ver figura 1).

Las Islas del Rosario y sus inmediaciones son elhbitat de arrecifes de coral y por tanto de una granvariedad de fauna y flora. Los corales necesitan aguacon baja turbidez y bajo contenido de materia orgnica

para su conservacin y desarrollo, para que penetre laluz solar y haya una adecuada concentracin deoxgeno disuelto. En general, las descargas desedimentos pueden ocasionar blanqueamiento y

necrosis de ciertas partes del tejido vivo y muerte delas colonias de corales [12]. La pluma de sedimentosproveniente del Canal del Dique se caracterizaprecisamente por aumentar la turbidez y el contenidode materia orgnica. El conocimiento del patrn decirculacin hidrodinmica en la baha Barbacoas y susalrededores es indispensable para determinar el

posible impacto de la entrada de la pluma del canal del

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Zona de estudio

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Dique al mar a travs de sus bocas Lequerica yMatunilla.

Figura 1. Zona de estudio en donde se identifican: a) bahade Barbacoas; b) baha de Cartagena. c) boca Pasacaballosdel Canal del Dique; d) boca Lequerica; e) boca Matunilla;f) cao Correa; g) Islas del Rosario. Sistema de coordenadasUTM, dtum Bogot, zona 18N.

Climatologa de la zonaEl ciclo anual de la hidro-climatologa de Colombiaest dominado por fenmenos fsicos como lamigracin latitudinal de la Zona de ConvergenciaIntertropical (ZCIT), la actividad del chorro delChoc y los sistemas conectivos de mesoescala [13].Entre estos fenmenos, el ms determinante para laclimatologa de la baha de Barbacoas es elrelacionado con la migracin de la ZCIT.

La ZCIT est asociada con la dinmica trans-ecuatorial de adveccin de humedad por los vientosalisios del este. Durante el mes de agosto, la principalzona de bajas presiones de la ZCIT est localizada enel hemisferio norte sobre el mar Caribeaproximadamente a 10N de la lnea ecuatorial (en lazona de baha Barbacoas). En esta poca los vientosalisios que cruzan el Ecuador desde el hemisferio suradquieren una componente hacia el oeste y se

caracterizan por magnitudes bajas y direccionesvariables, mientras que en enero la ZCIT se encuentraen su posicin ms al sur, generando fuertes yconstantes vientos alisios provenientes del noreste[14].

En cuanto al caudal del Canal del Dique, las serieshistricas y los resultados de modelaciones realizadas

por UNAL [1], sostienen, que en promedio, el 24% delcaudal del canal llega a la Baha de Cartagena por la

boca Pasacaballos, el 14% sale por el cao Correa, el21% por la boca Matunilla y el 5% por la bocaLequerica. El 36% restante desemboca por caosmenores o se queda almacenado en el sistemacenagoso.Por otra parte, Poveda [13] ha demostrado una

importante correlacin entre el fenmenomacroclimtico ENSO (El Nio South Oscilation) ylos caudales del ro Magdalena en Calamar, la entradadel Canal del Dique. Esto indica que no basta conanalizar el rgimen hidrolgico del canal para eventoso aos particulares, sino que es indispensable incluiren los anlisis la variabilidad interanual del sistema.

De los registros de humedad de la estacin delaeropuerto Rafael Nez de Cartagena, se concluyeque la humedad relativa en la zona no tiene uncomportamiento peridico fuertemente asociado a

alguna escala temporal. El promedio multianual de lahumedad relativa es del 82% con valores mnimos de67% y valores mximos de 95%. Los registros detemperatura del aire para la misma estacin si

presentan un marcado ciclo anual unimodal convalores mximos en los meses de junio (promediosdiarios del orden de 29 C), julio y agosto y valoresmnimos en los meses de noviembre, diciembre yenero, con promedios diarios del orden de 25 C [1].

La estimacin de la dinmica de los sedimentos en labaha de Barbacoas y su posible transporte hasta lasIslas del Rosario, se realiz mediante simulacinnumrica. No se model explcitamente el transportede sedimentos debido a que no se cont coninformacin primaria ni secundaria sobre lascaractersticas de los sedimentos como densidad,distribucin de tamaos de grano y, en especial,

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Metodologa


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potencial de floculacin. Se modelaron, entonces, lascondiciones hidrodinmicas de la baha paradeterminar su patrn general de circulacinhidrodinmica y as obtener una buena aproximacinde los patrones de transporte de sedimentos finos que

viajan en suspensin y que son candidatos a sertransportados largas distancias, posiblemente hasta lasIslas del Rosario. Para identificar la trayectoria a lolargo de la cual el material suspendido se transportarasi no se sedimentara, se utiliz un trazador inerte y deflotabilidad neutra que, al ser inyectado con loscaudales afluentes en los caos, permite simular el

patrn de transporte horizontal y describir latrayectoria a lo largo de la cual se espera lasedimentacin en funcin del tamao y peso de lossedimentos. La concentracin del trazador se presentaen porcentaje de la concentracin de entrada por las

bocas.El modelo matemtico utilizado se calibr y valid coninformacin recolectada de campaas de medicin dedos tipos de variables. Las primeras corresponden a lasvariables que caracterizan el forzamiento externoejercido sobre el cuerpo de agua, tales como, lavelocidad y direccin del viento, los niveles de mareaen las fronteras abiertas del dominio, los caudalesafluentes, entre otros. El segundo tipo de variablesincluye aquellas que caracterizan la dinmica alinterior del cuerpo de agua (salinidad, superficie libre,etc), las cuales se usan para comparar los resultadosobtenidos con el modelo con aquellos medidos encampo y as determinar la fiabilidad de los resultadosde la modelacin. El modelo se calibr verificando laforma en que reproduce la variabilidad de la densidaden lugar de comparar velocidades directamente debidoa que la medicin de stas requiere de equipos mscostosos y escasos que los utilizados en este estudio.Esta forma de calibrar se basa en la relacin estrechaque existe entre los campos de velocidad y densidad yse utiliza comnmente en Oceanografa [15] yLimnologa [16]. Con el fin de garantizar la fiabilidad

del modelo, en el proceso de calibracin se ajustaronalgunos parmetros fsicos y numricos del modelocon el fin de mejorar los resultados, de tal forma quereproduzca adecuadamente las mediciones. Ademsde la informacin recolectada en campo, se utilizinformacin secundaria como cartas nuticas, series declimatologa de la zona y series de caudal en los caosque vienen del Canal del Dique, entre otros.

Basados en informacin histrica, se simularonescenarios crticos y luego se simularon otrassituaciones modificando los caudales afluentes segnlas predicciones realizadas al considerar lasintervenciones en el Canal del Dique. La comparacinentre las simulaciones con la informacin histrica ylas simulaciones con los caudales incrementados

permite identificar los cambios generados por lasmodificaciones y permitir evaluar si dichos cambiosinducen cambios significativos en el transporte hacialas Islas del Rosario.

El modelo utilizado para la simulacin es el modeloELCOM (Estuary, Lake and Coastal Ocean Model).Este modelo es una herramienta de simulacinnumrica tridimensional para lagos y estuariosdesarrollada por el Centro de Estudios del Agua

(CWR) de la Universidad de Australia Occidental [11]que modela los procesos hidrodinmicos ytermodinmicos en cuerpos de agua estratificadossometidos a forzamientos ambientales externos y que

busca simular el comportamiento espacial y temporalde variables como velocidad, temperatura y salinidad.Para resolver numricamente las ecuacionesgobernantes de la hidrodinmica en tres dimensiones,el modelo hace uso de un esquema semi-implcito endiferencias finitas desarrollado por Casulli y Cheng[17]. Este modelo ha sido aplicado exitosamente enuna gran variedad de proyectos en golfos, estuarios ylagos, como se puede verificar en [18 22].

Campaa de campoCon el propsito de reunir informacin de campoadecuada para calibrar y validar el modelohidrodinmico, se realiz una campaa de medicionesentre el 13 y el 25 de octubre del 2008, durante la cualse midieron parmetros fsicos del agua (temperatura,salinidad, turbidez, velocidad) en diferentesestaciones de la baha, niveles del agua en dosestaciones, as como parmetros climticos comovelocidad del viento, temperatura del aire, etc.Algunas de estas variables son condiciones de frontera

para el modelo, otras se usan para validar losresultados del modelo matemtico.

Las variaciones del nivel del mar se registraron cada 5minutos en dos estaciones cuya localizacin semuestra en la figura 2. El registro en la primeraestacin (marea-Choln) sirvi para preparar lascondiciones de frontera del modelo numrico en su

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etapa de calibracin y el segundo registro (marea LaPaz) se utiliz para evaluar la calidad de los resultadosdel modelo [23].

Figura 2. Ubicacin de los equipos de medicin de nivelesde superficie libre y la distribucin espacial de los perfileslevantados durante la campaa de campo.

La figura 3 muestra las dos series obtenidas y la sealde marea para la zona generada con el software

WX_tide que genera series sintticas de marea encualquier punto del mar Caribe con base en un anlisisde armnicos [24]. La correspondencia entre lasseales es buena, aunque se muestran un desfase de laserie sinttica y unos valores de niveles mnimosmenores que las mediciones, diferencias que puedenestar asociadas a efectos meteorolgicos (presin yviento) y deformacin de la onda al propagarse alinterior de la baha, entre otros. Sin embargo, esimportante resaltar que la serie sinttica generada conel WX_tide, la cual representa bastante bien la mareaastronmica, fue utilizada para forzar el modelo en lacondicin de contorno mar afuera.

La informacin de vientos locales, humedad relativa ytemperatura del aire se registr cada 30 minutos en laestacin meteorolgica instalada en Punta Bar (verfigura 2).

Debido a que no existen registros de radiacin solar, ode onda corta y no se contaba con un radimetro, se

procedi a estimarla con expresiones reportadas en la

literatura [4] en funcin de la latitud, la longitud, lafecha, la hora, y algunas caractersticas atmosfricas.

Figura 3.Nivel del mar durante el perodo 15-22 de octubrede 2008 medidos en las estaciones de Choln y la Paz yobtenidos con el software WX_tide.

La figura 4 presenta, a manera de ejemplo, campos dedensidad y turbidez a lo largo de un corte verticalconstruido a partir de perfiles medidos en lasestaciones M1, M2, M3 y M4 (ver figura 2). Estasvariables permiten identificar masas de aguadiferentes, lo que proporciona informacin clavesobre aspectos como la profundidad sobre la cual elviento distribuye momentum, el espesor de la capa deagua dulce y menos densa y su variabilidad espacial, ysobre la manera como la concentracin de sedimentossuspendidos, asociados con la turbidez, varaespacialmente.

Modelo ElcomPara la simulacin numrica, se escogi un dominioque abarca toda la baha Barbacoas, las Islas delRosario, una regin al norte antes de la isla de TierraBomba y una regin al sur de las bocas del CaoCorrea (figura 2). En los contornos abiertos seespecific una salinidad de 36 psu y una temperaturade 24.5 C.

Luego de realizar un anlisis de sensibilidad al tamaode las celdas de clculo se decidi trabajar con unamalla horizontal con celdas de 500 m x 500 m y21 capas horizontales de altura variable, partiendodesde 0,25 m cerca a la superficie hasta celdas de 5 mcerca al fondo. Se encontr que para efectos deinterpretacin de resultados en lo relacionado concorrientes y transporte horizontal de los sedimentos ensuspensin, la precisin y la resolucin espacialobtenida con estas mallas es suficiente. En [23] se

presenta el detalle sobre el anlisis de sensibilidad deestos parmetros numricos.

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X

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3Figura 4. Contornos de (a) densidad del agua en kg/m y (b)turbidez del agua en la maana del 16 de octubre a lo largode un corte vertical construido a partir de perfiles medidosen las estaciones M1, M2, M3 y M4. Los puntos indican loslugares y profundidades en donde se recolectaron datos.

Calibr acin y validacin del modelo. El proceso decalibracin del modelo ELCOM implic hacer ajustesen las variables que inciden en el intercambio de calor

con la atmsfera y en las condiciones de frontera parala salinidad.

Para la campaa de medicin, se definieron lasestaciones X01 a X09 mostradas en la figura 2. Enestas estaciones se realizaron mediciones los das 18 y22 de octubre. El 18 de octubre se recorrieron estasestaciones en sentido horario, comenzando a las

6:40 a.m. en la estacin X01 y terminando a la1:40 p.m. en la estacin X09. El 22 se hizo el recorridoen sentido anti horario, comenzando a las 8:11 a.m. enla estacin X09 y terminando a las 2:32 p.m. en laestacin X01. Debido a que no se pudieron realizarotras campaas de campo durante condicioneshidrolgicas diferentes, se realiz la calibracin delmodelo con los datos medidos el 18 de octubre,mientras que la validacin se realiz con los datosmedidos el 22 de octubre. Los detalles de este procesose presentan en [23]. La figura 5 presenta, a manera deejemplo, los resultados de la validacin del modelocomparando los perfiles de salinidad simulados conaquellos medidos en el da 22 de octubre de 2008 paralas estaciones X1, X3, X4 y X5. Los resultadosmuestran que el modelo captura bien lascaractersticas del perfil medido, en especial la

localizacin de la haloclina y la magnitud de losgradientes verticales, parmetros importantes en elclculo de la distribucin vertical del momentumimpartido por el viento. La densidad, calculada a partirde la frmula de la UNESCO [25], y que para estuariosdepende fundamentalmente de la salinidad, tambines bien estimada por el modelo.

Como parte del proceso de calibracin, tambin seobserv que el modelo reproduce adecuadamente losniveles de superficie libre observados en campo, talcomo lo muestra la figura 6 para el sitio conocidocomo La Paz.

Los resultados de la calibracin, indican que elmodelo es adecuado para estimar los patrones decirculacin y de transporte en baha Barbacoas.

Seleccin de casos de estudio. De las simulacionespreliminares y de la calibracin del modelo, se detectque las fuerzas externas ms importantes en ladinmica de la baha y sus alrededores son los vientosy los caudales afluentes.

De las series histricas de caudales y de magnitud y

direccin del viento se detect, adems, que los ciclosde estas series no estn en fase, es decir que cuando sepresentan los vientos ms fuertes por lo general no sepresentan los mayores caudales y viceversa. Estoimplica que hay condiciones crticas para el transportede sedimentos hacia las Islas del Rosario que estndeterminadas por altos caudales afluentes, comotambin otros escenarios crticos definidos por fuertes

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a)

b)


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modelacin se realiz un anlisis de probabilidadconjunta de ocurrencia de vientos y caudales parapoder justificar adecuadamente los escenarios desimulacin ms representativos.

vientos. Se consider, entonces, que para tener unaidea real de las condiciones de largo plazo del sistemano basta con analizar un par de situaciones crticas ypor tanto para la eleccin de los escenarios de

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Figura 5.Resultados del proceso de validacin. Perfiles de salinidad simulados y medidos el da 22 en lasestaciones X1, X3, X4 y X5.

Figura 6. Superficie libre medida y simulada (15 al 22 de octubre de 2008).


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Los datos de velocidad y direccin del viento para elanlisis de probabilidad conjunta fueron tomados de labase de datos del modelo de reanlisis regional(NARR) NCEP/NCAR [26]. Los datos de este modelotienen resolucin temporal de 3 horas y resolucin

espacial de 0.25 grados de arco. Esta base de datoscubre el perodo entre el primero de enero de 1979 y el31 de diciembre de 2006.

La figura 2 muestra la ubicacin del punto de la malladel modelo de reanlisis que se tom para el anlisis deprobabilidad (crculo azul). Se escogi este nodo porser el punto del modelo ms cercano a las Islas delRosario. La rosa de direcciones de viento para la seriede reanlisis (figura 7) muestra una alta probabilidadasociada a vientos provenientes del nor-noreste (30%aproximadamente), seguida de las direcciones norte y

del noreste con probabilidades de ocurrencia del 11%y 9%, respectivamente.

Para las simulaciones se consider que los forzadorespredominantes del sistema son el viento y la marea yno se tuvo en cuenta las corrientes de rotura generadaspor el oleaje. Esto debido a que en el mar Caribecolombiano el oleaje predominante (swell) provienedel norte y del noreste [27, 28], en correspondenciacon los vientos predominantes (ver figura 7), as quepara ingresar en la baha de Barbacoas ste debedifractarse hasta 180 grados (ver figura 1) lo quegenerara corrientes hacia el interior del cuerpo deagua, y por tanto desfavorece el transporte desedimentos hacia las Islas del Rosario.

Por otro lado, cuando estos vientos entran a la bahadesde tierra no tienen un fetch geogrfico [29]suficiente para producir olas de gran tamao queresuspendan el sedimento y faciliten su transporte porcorrientes desde el interior de la baha hacia las islas.De igual manera, el oleaje generado por vientosprovenientes del sur-oeste (de baja probabilidad deocurrencia, ver figura 7) tampoco tendrimplicaciones en el patrn de circulacin de

sedimentos hacia las islas ya que el oleaje que es capazde generar va en direccin opuesta y con alturas de olapoco desarrolladas. El nico oleaje con implicacionesimportantes en el complejo de islas seria un oleajelocal (tipo sea) asociado a vientos provenientes deleste, para lo cual la probabilidad de ocurrencia duranteel ao es nula (figura 7). Por estas razones no seconsidera el efecto del oleaje sobre el patrn de

transporte superficial de sedimentos hacia las Islas delRosario.

Figura 7. Rosa de direcciones de viento para la serie dereanlisis utilizada en las simulaciones.

Los caudales se tomaron de la modelacin hidrulicadel canal y sus caos [1] para las seis alternativasdiferentes de intervencin del canal y tienenresolucin diaria. El efecto final de estas alternativas

de intervencin en la baha Barbacoas es el cambio enlos caudales fluviales que descargan all por las tresbocas. Sin embargo, la concentracin de sedimentosen estos caudales no se ve alterada por lasintervenciones propuestas en las alternativas y portanto, tampoco se vara la concentracin inicial deltrazador en las bocas del canal para las simulacionesde las alternativas.

Segn UNAL [1] las alternativas de intervencinsobre el canal son:

Alterna tiva 1 (A1):Condiciones actuales.

Alternativa 2 (A2): Canal con compuerta en el km104 entre Lequerica y Matunilla.Alternativa 3 (A3): Canal con tres contracciones ysin compuerta.Alternativa 4 (A4): Canal con tres contracciones +compuerta en km 104Alternativa 5 (A5): Canal con compuerta en k 110aguas abajo de Lequerica.

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Alterna tiva 6 (A6): Canal con compuerta en k 110 +tres contracciones.

Con la informacin de vientos y caudales, se hizo elanlisis de probabilidad conjunta para estas dos

variables para el perodo enero de 1984 a diciembre de2000. Este perodo es suficiente para capturar lavariabilidad intranual asociada a la variacin de lazona de convergencia intertropical (ZCIT) einteranual asociada a las dos fases del ENSO (El Nioy La Nia), incluyendo as las condiciones de inviernoy verano extremos. Para considerar la variabilidad enla direccin del viento, se hace el anlisis para cadauna de las ocho direcciones principales del viento porseparado, a saber: vientos provenientes del norte,noreste, este, sureste, sur, suroeste, oeste y noroeste.La figura 8 presenta los resultados del anlisis de

probabilidad para las direcciones noreste, noroeste,suroeste y sur. Se toman para el anlisis final sloestas cuatro direcciones por ser las de mayorprobabilidad de ocurrencia (figura 7), o las mscrticas en el sentido de favorecer el transportesuperficial en direccin a las Islas del Rosario. Para lasotras direcciones no se encontraron eventos que sepudieran considerar como muy probables o crticos.Los crculos en la figura 8 indican los casos puntualesescogidos como representativos para las simulacionesdefinitivas.

Una vez determinados los eventos de viento y de

caudal ms probables o ms crticos, se procedi aidentificar en las respectivas series de vientos ycaudales las pocas en las cuales se presentaronconjuntamente. Para las simulaciones finales, seseleccionaron de estas series los cuatro perodos de 20das ms representativos en los resultados del anlisisde probabilidad conjunta. Estos perodos son:

Perodo I: Entre el 10 de diciembre de 1990 hasta el30 de diciembre de 1990.Perodo II: Entre el primero de marzo de 1991 hasta el20 de marzo de 1991.

Perodo III: Entre el primero de septiembre de 1989hasta el 20 de septiembre de 1989.Perodo IV: Entre el 5 de julio de 1990 hasta el 25 dejulio de 1990.

El perodo I se caracteriza por una alta frecuencia deocurrencia de vientos del noreste (cerca al 25% deltiempo). Esta direccin de vientos favorece las

Figura 8. Probabilidad conjunta de ocurrencia de vientos ycaudales totales por las bocas Correa, Matunilla yLequerica. a) Para vientos en direccin noreste, b) Paravientos en direccin noroeste, c) Para vientos en direccinsuroeste d) Para vientos en direccin sur. Los crculosindican las combinaciones de viento y caudal elegidas parala simulacin de las diferentes alternativas.


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corrientes superficiales saliendo de la baha deBarbacoas y se caracteriza por caudales altos de losefluentes. El perodo II considera una situacinsimilar del campo de vientos a la del perodo I, perocon mayor velocidad y caudales bajos. Los perodos

III y IV no se caracterizan ni por altos valores develocidad del viento ni de caudales, sino por su altafrecuencia de ocurrencia y por alta variabilidad en lasdirecciones del viento, lo cual favorece el transportede sedimentos hacia las Islas del Rosario, como seobservar en los resultados.

El promedio de los caudales afluentes para cadaperodo seleccionado se presentan en la tabla 1,aclarando que para las simulaciones definitivas seutiliz la informacin completa de las series.

Una vez seleccionadas los perodos climticos asimular y los parmetros climticos e hidrolgicospara cada poca, se utiliz el modelo ELCOM parasimular las combinaciones de perodos climticos concada alternativa.

Los resultados de la modelacin muestran que laconcentracin del trazador empleado para dar una ideadel patrn de transporte horizontal de la pluma de

sedimentos en suspensin cambia en el tiempo y en elespacio como resultado de las corrientes generadaspor la marea y, sobretodo, por el viento. La figura 9muestra, a manera de ejemplo, la distribucinsuperficial de concentracin de trazador en cuatro

instantes de tiempo durante un da para la alternativaA1 (condicin actual) y durante un da del perodoclimtico III. Se aprecia cmo la pluma de trazador secontrae y luego se extiende. En este caso, la pluma esinicialmente transportada hacia la costa surorientalpor la accin de los vientos. Al cesar la accin delviento, la pluma se extiende hacia el occidente debidoa que la marea se encuentra en su fase de vaciado,cubriendo toda la baha. No se observa ningunacorriente perifrica dominante que pudiera ser unmedio preferencial para el transporte del trazador. Seaprecia que el trazador llega a la costa de la isla de

Bar proveniente de la boca del cao Matunillaatravesando transversalmente la baha y no como unacorriente continua a lo largo de la costa. Esta forma detransporte es tpica en todas las alternativasestudiadas.

Para estudiar la estructura vertical de la pluma, seprocesaron resultados del modelo en una franjalongitudinal que va desde la punta de la isla Bar y unpunto al norte de la desembocadura del cao Correa(ver figura 2).

Resultados

3

Tabla 1. Caudales (m /s) por cada boca, para cada alternativa y cada perodo.


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La figura 10 presenta la estructura vertical de la plumapara la poca climtica III para la alternativa A1. De lafigura se tiene que las concentraciones importantes detrazador se observan en una delgada capa superficialde unos 2 m de espesor a excepcin del extremo final

del corte que se encuentra relativamente cerca de laboca del cao Correa, en donde se profundiza hastau n o s 5 m. E s t a e s t ru c t u ra n o camb i asignificativamente en todas las alternativasestudiadas. A pesar de que la profundidad de la plumatambin vara debido fundamentalmente a cambios enla magnitud del viento, los valores significativos deconcentracin de trazador se encuentran siemprecerca de la superficie, por lo que los campossuperficiales de trazador son un buen indicador paracomparar las condiciones generadas por las diferentesalternativas.

Dado el carcter cclico del fenmeno, una formaadecuada de estudiar las condiciones en la baha esmirar la concentracin media en un perodo dado detiempo que cubra varios ciclos diarios. La muestra lasituacin superficial para la concentracin de trazadory la velocidad para todas las alternativas durante elperodo climtico I, obtenida como el promedio de losltimos 10 das de simulacin. Se aprecia que la plumase mantiene recostada sobre la margen suroriental dela baha y hacia el sur debido a la accin del viento,a l e j n d o s e d e l a s I s l a s d e l R o s a r i oindependientemente de la alternativa. Este

comportamiento se repite durante la poca climtica II(no presentada), con la particularidad de que losvientos, ms fuertes para esta poca, concentran lapluma en una franja costera mucho ms estrecha

Para la poca climtica III, correspondiente a caudalesaltos en los caos y vientos dbiles con direccionespredominantes del noroeste, suroeste y sur, perofluctuantes, la pluma de concentraciones medias seextiende ms all de la entrada de la baha, cubriendouna gran rea hacia el sur (figura 12). Laconcentracin media de trazador del 1% de la

concentracin en los afluentes no alcanza las Islas delRosario, pero se observa que la concentracin mediadel 5% cubre toda la baha Barbacoas y se extiendetambin hacia el sur, siendo las alternativas A2, A5 yA6 las que generan un mayor tamao de la pluma.

Durante la poca climtica IV (figura 13), conmenores caudales y con un rgimen de vientos similar

al de la poca III pero con mayor frecuencia deeventos provenientes del sur, se observa que lacondicin media de la pluma tambin se extiende msall de los lmites de la baha, cubriendo una menorrea que en el perodo climtico III, pero ahora el

extremo norte de la pluma se aproxima a las Islas delRosario, especialmente en los alternativas A2, A5 yA6.

Otro parmetro importante en el estudio de plumasfluviales es la velocidad de avance del frente, pues dauna idea del tiempo disponible para que se lleven acabo procesos fisicoqumicos, de sedimentacin y dedifusin. Como una manera indirecta de estimar lavelocidad de avance del frente de la pluma en bahaBarbacoas, se calcul el avance mximo que logr lapluma en las 36 horas siguientes al comienzo de

inyeccin del trazador. En las figuras 14 y 15 semuestra el avance de estas plumas en trminos de lasconcentraciones de 1% y 5% del valor deconcentracin especificado en las bocas de los caos,para las pocas climticas III y IV (durante las pocas Iy II la pluma no se acerca a las Islas del Rosario) y lasseis alternativas de intervencin del Canal del Dique.Estas figuras tambin indican que las alternativas A2,A5 y A6 son algo ms crticas que las dems, aunqueestas diferencias no son grandes.

Del anlisis anterior, se deduce que las pocas endonde el viento presenta una mayor variabilidad en sudireccin con eventos espordicos importantes(pocas III y IV) son las crticas en trminos decubrimiento de la pluma y avance hasta Islas delRosario. En estas pocas climticas, se destacan comoms desfavorables las alternativas A2, A5 y A6. Enestos mismos trminos, las alternativas A3 y A4representan situaciones un poco benficas conrespecto a la alternativa A1 que es la condicin actual.

Dado que el desplazamiento de la pluma es un procesocclico del cual se han presentado valores medios queencubren la variabilidad temporal, se presentan series

de tiempo (figura 16) de la concentracin superficialde trazador en un punto (punto de control en lafigura 2) cercano a las Islas del Rosario para el perodoclimtico IV, resaltando las alternativas A1, que es lacondicin actual, y A4, que es la alternativa quegenera mejores condiciones ambientales para el Canaldel Dique y su complejo cenagoso. Se observa que las


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Figur a 9.Instantes en un ciclo diario de la concentracin de trazador (cdigo de color) y de la velocidad en superficie(flechas negras) durante la poca climtica III sin modificaciones en los aportes del Canal del Dique. Se destacan lasconcentraciones de 1% y 5% especificada en la salida de los caos. La barra de colores expresa porcentaje de laconcentracin de trazador inyectado en las bocas de los caos. El recuadro muestra la magnitud y direccin del viento encada instante.


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Y(km)

X (km)

c) 15 Sep 1989 (08:00)

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Y(km)

a) 14 Sep 1989 (20:00)

0 10 20 30 40

X (km)

d) 15 Sep 1989 (14:00)

a) 15 Sep 1989 ( 2:00)0

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mayores concentraciones se presentan como pulsos decorta duracin. La alternativa A4 muestra una mejora(menor concentracin de trazador) con respecto a lascondiciones actuales, mientras que las alternativas A5y A6 presentan condiciones ms desfavorables.

Pensando en disminuir la concentracin desedimentos, los pulsos que alcanzan Islas del Rosarioo la frecuencia de estos ltimos, se exploraron, demanera preliminar, varias estrategias. Debido a que enninguna de las simulaciones se observ que las plumasse movieran gracias a corrientes concentradassusceptibles de ser modificadas con obrasperpendiculares a la costa y de proporcionesrazonables, no se explor el efecto que obras de estetipo generaran sobre las concentraciones de trazadoren las Islas del Rosario. En cambio, se analiz el efectoque tendra cambiar el alineamiento de la boca deMatunilla con respecto a la configuracin actualbuscando orientar el flujo hacia la parte ms interna debaha Barbacoas, de tal modo que se aumente eltiempo de viaje (o recorrido) de la pluma de este cao.Esta reorientacin del flujo se logra en el modeloELCOM, definiendo la direccin hacia la cual saldrael flujo desde tierra hacia la baha. En este caso subusca que el cao Lequerica oriente el flujo endireccin sureste y el cao Matunilla en direccinnoreste.

La figura 17 muestra cmo esta modificacinincrementa significativamente las concentraciones enlas Islas del Rosario, para la alternativa A6 durante lapoca climtica IV. La simulacin sugiere que esto sedebe a que esta nueva configuracin mantiene unapluma con alta concentracin de trazador en el interiorde la baha la cual se transporta como un pulso de altaconcentracin cuando los vientos cambian dedireccin. Debe recordarse aqu que lasconcentraciones calculadas son de un trazador inerte yneutralmente boyante. El sedimento real es

susceptible a floculacin con las sales disueltas en elagua del mar, proceso que puede intensificarse alenfrentar las plumas de los caos Lequerica yMatunilla favoreciendo la sedimentacin, as que losresultados de este experimento de modelacin no sonconclusivos y an es posible que una modificacin deeste tipo en las bocas de los caos sirva para que lapluma que es transportada hacia fuera de la bahatenga una menor concentracin de slidossuspendidos. Nuestros resultados sirven, sin embargo,para llamar la atencin al indicar que para obtener unarespuesta sobre los efectos reales de modificacionesde este tipo, deben hacerse simulaciones que permitanestimar la cantidad de slidos suspendidos que sesedimentan.

figura 10. Promedio de concentracin de trazador en uncorte vertical a la entrada de la baha (ver figura 2) para lapoca climtica III para la alternativa A1 (sin intervencindel canal), obtenido al promediar los resultados de losltimos diez das de simulacin.


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Figura 11. Promedio de los 10 ltimos das de la simulacin del campo de velocidad y de concentracin de trazadorsuperficiales para las seis alternativas durante la poca climtica I. Se presentan las concentraciones del 1% y del 5% delvalor inyectado por las bocas de los caos. Paneles a), b), c), d), e) y f) corresponden a las alternativas A1, A2, A3, A4, A5 yA6 respectivamente.


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Figura 12. Promedio de los 10 ltimos das de la simulacin del campo de velocidad y de concentracin de trazadorsuperficiales para las seis alternativas durante la poca climtica III. Se presentan las concentraciones del 1% y del 5% delvalor inyectado por las bocas de los caos. Paneles a), b), c), d), e) y f) corresponden a las alternativas A1, A2, A3, A4, A5 yA6 respectivamente.

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e) III-A5 f) III-A6

c) III-A3 d) III-A4

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Figura 13.Promedio de los 10 ltimos das de la simulacin del campo de velocidad y de concentracin de trazadorsuperficiales para las seis alternativas durante la poca climtica IV. Se presentan las concentraciones del 1% y del 5% delvalor inyectado por las bocas de los caos. Paneles a), b), c), d), e) y f) corresponden a las alternativas A1, A2, A3, A4, A5 yA6 respectivamente.


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e) IV-A5 f) IV-A6

c) IV-A3 d) IV-A4

a) IV-A1 b) IV-A2

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0.5 m/s 0.5 m/s

0.5 m/s 0.5 m/s

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Figura 14. Mximo avance de la pluma superficial de trazador en 36 horas durante la poca climtica III, representado porlos contornos del 1% y del 5% del valor de la concentracin en las bocas de los caos. Los paneles a), b), c), d), e) y f)corresponden a las alternativas A1, A2, A3, A4, A5 y A6, respectivamente.


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Figura 15. Mximo avance de la pluma superficial de trazador en 36 horas durante la poca climtica IV, representado porlos contornos del 1% y del 5% del valor de la concentracin en las bocas de los caos. Los paneles a), b), c), d), e) y f)corresponden a las alternativas A1, A2, A3, A4, A5 y A6, respectivamente.


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Figura 17. Concentracin de trazador en un punto cerca delas Islas del Rosario con y sin modificacin hipottica de laorientacin de la boca del cao Matunilla en la alternativaA6 para el perodo climtico IV.

El uso de un trazador para identificar patrones detransporte horizontal permite estimar la ruta a lo largo

del cual el material suspendido es susceptible desedimentarse pero no permite evaluar el proceso desedimentacin. Un estudio del proceso desedimentacin requiere mediciones especficas ycalibracin rigurosa de los parmetros que gobiernaneste proceso, lo cual resulta complejo por el procesode floculacin de los sedimentos finos con las salesdisueltas en el agua de mar.

Las pocas crticas para el avance de la pluma hasta lasIslas del Rosario son aquellas en las cuales ladireccin de los vientos flucta. La situacin se agravasi el caudal proveniente de los caos es alto. Las

pocas de vientos fuertes no son crticas debido a queel viento sopla constantemente hacia el suroeste,alejando la pluma de las Islas del Rosario.

Figura 16.Concentracin de trazador, para cada una de las alternativas y en un punto cerca de las Islas del Rosario durante lapoca climtica IV, medida como porcentaje de la concentracin de trazador inyectado por los caos del Canal del Dique.

Discusin y conclusiones


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En el estudio realizado por Lable y Cuignon [5], losautores concluyen que durante los dos primerostrimestres del ao los sedimentos que llegan a la bahade Barbacoas provenientes del Canal del Dique sontransportados hacia el sur y no alcanzan las islas.

Durante el tercer trimestre del ao las corrientesdesplazan los sedimentos raramente hacia el norte ydurante el cuarto trimestre las corrientes baan lasIslas del Rosario con las aguas del Canal del Dique.Estas conclusiones coinciden en gran medida con losresultados del presente estudio, en el que las pocassimuladas fueron seleccionadas a partir de un anlisisde probabilidad conjunta, pero que cae cada una en uncuatrimestre diferente del ao, que fue el criteriousado por Leble y Cuignon [5] para estudiar lavariabilidad espacial. Ambos estudios indican que lossedimentos llegan a las Islas del Rosario durante el

cuarto cuatrimestre del ao. El presente estudiopermite identificar que la variabilidad en la direccinde los vientos es el factor determinante y que lossedimentos llegan a las islas en pulsos y no en formacontinua.

La comparacin de alternativas realizada si permiteevaluar cualitativamente la que menos impactogenera. Las concentraciones de trazador estimadas enlas Islas del Rosario para las alternativas estudiadasindican que alternativas como la A3 y la A4 sugierenconcentraciones menores que aquellas para lascondiciones actuales. Las alternativas A2, A5 y A6

generan eventos con un aumento importante de lasconcentraciones con respecto a las condicionesactuales. Las concentraciones reportadas en esteartculo sirven para dar idea de cmo la modificacinde caudales influye sobre los patrones de transportehorizontal, siendo ste el aporte ms importante deeste estudio. Debido a que existe la posibilidad de quelos sedimentos lleguen a Islas del Rosarioprovenientes de varias fuentes, y a que no se hizo unestudio real de transporte de sedimentos, no se puedeconcluir sobre las concentraciones reales desedimentos que llegan a las islas provenientes delCanal del Dique ni sobre su importancia relativa aotras fuentes.

No se identifican corrientes concentradas que sirvancomo medio dominante de propagacin de la pluma.Por el contrario, la pluma presenta un frente ancho quese extiende por varios kilmetros y que se mueve atravs de la baha.

Si se desea evaluar la conveniencia de generar unazona de sedimentacin controlada en la parte internade la baha de Barbacoas, especficamente en la zonacomprendida entre las bocas de los caos Matunilla yLequerica, se sugiere, como complemento al presente

estudio, un anlisis detallado, de las caractersticas delos sedimentos, con una malla de clculo ms fina, yexplorando ms combinaciones de forzadoresexternos, que permitan estimar adecuadamenteconcentraciones de sedimentos y de otras especies queafectan la calidad del agua en baha Barbacoas y elrea del mar Caribe hasta las Islas del Rosario.

Se sugiere tambin realizar simulacioneshidrodinmicas y de calidad de agua para evaluar elefecto que sobre la Baha de Cartagena puede generarla modificacin de los caudales que aporta el Canal del

Dique. Aunque el propsito de las modificaciones alCanal del Dique objeto de este estudio es la reduccinde la carga de slidos suspendidos, la reduccin delcaudal lquido asociada puede afectar el balancehdrico de la Baha de Cartagena, aumentando lostiempos de residencia del agua y con la posibilidad degenerar problemas de calidad de agua. Un estudio deeste tipo proporcionara informacin importante sobrereglas de operacin de las compuertas que seproponen en el Canal del Dique de tal manera que sepermita alguna entrada de agua dulce para que no segeneren problemas de calidad de agua en la Baha deCartagena.

El grupo de investigacin OCENICOS de laUniversidad Nacional de Colombia sede Medellnagradece a la empresa Exocol y al Doctor CarlosAndrade por los recursos y el equipo de trabajo puestoen la campaa de campo; a la Universidad deCartagena, a la empresa HidroConsultores Ltda. y alprofesor Alfonso Arrieta por los equipos facilitadosdurante la campaa de campo, al hotel Sport Bar porfacilitar sus instalaciones para el alojamiento e

instalacin de un medidor de nivel. Se agradeceadems a los estudiantes ngela Mara Gmez y aJulin Ceballos por su apoyo en el procesamiento de lainformacin, a los profesores Jaime Ivn Ordoez y aLuis Alejandro Camacho de la Universidad Nacional Sede Bogot, al CWR por permitir la utilizacin delmodelo ELCOM, y finalmente a Cormagdalena porfinanciar el proyecto denominado: Estudio de

Agradecimientos


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viabilidad de realizar sedimentacin controlada en labaha de Barbacoas y de reduccin de la seccintransversal del Canal del Dique.

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Referencias bibliogrficas


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