Aplicación del modelo numérico Mohid para el estudio hidrodinámico y de transporte de la Ciénaga Mallorquín

Abstract

Knowledge about the coastal systems functions is limited by observations scarcity and researches in the hydrodynamics field. This study shows how numerical models can help to generate knowledge about coastal processes with little local information and at relatively low cost. This research is a step to the comprehension and the hydrodynamic and transport processes understanding that occur in the Mallorquín lagoon. In this work the hydrodynamic and transport processes of Mallorquín lagoon was studied by applying the modeling system MOHID. The MOHID model is a numerical system for three-dimensional aquatic ecosystems modeling, solving the incompressible primitive equations, assuming hydrostatic equilibrium and using the Boussinesq approximation. In this study, the hydrodynamic and transport behavior of Mallorquín lagoon was analyzed for two simulation scenarios, dry and rainy season, through analysis of water currents and transport of salinity, temperature and dissolved oxygen. The system was forced using the meteorological parameters in the study area, the contribution of inland waters and the tide variation using the integrated model of tides FES (finite element solution) called FES2004. For dry scenario it was considered that the system boundaries were closed and for rainy season an open boundary was established, allowing the interaction between Caribbean Sea and Mallorquín lagoon. The study used all data available locally and made available through oceanographic platforms such as the Centre for Oceanographic and Hydrological Research (CIOH) and the Institute of Hydrology, Meteorology and Environmental Studies of Colombia (IDEAM). In the absence of field data, the verification of the model results was supported according to known physical processes hydrosystem. The sea levels registered by CIOH for October 2013, were used for the qualitative evaluation of water levels registered by the 2D hydrodynamic model. These data together with those established by the FES 2004 integrated model, allowed the characterization of the tide main components, since it was established that the tide that occurs in the study area is of mixed type daytime predominance.

7 As a result of the study, for the dry season scenario the most important and influential forcing is the wind. The contributions of continental waters due to his flow are not significant and influential in the water movement inside the Mallorquín lagoon. Into the lagoon, low velocities are presented largely the same, the higher velocities are given in the zone close to the mouth of the "Arroyo León and on the edge of the sand bar that separates the Caribbean Sea of the Mallorquín Lagoon. The transport of salinity, temperature and dissolved oxygen are dominated by diffusive transport because of the low velocities that occur in the lagoon in this simulation scenario. On the rain scenario season is also considered the wind and the contribution of continental waters, the tide as forcing of the lagoon system, it was obtained that the wind is still important for the movement of water bodies in the lagoon, the tide has great influence on the input or "mouth" that connects the lagoon with the sea and the areas close to it, giving the highest velocities in that area of the lagoon. However it is shown that the tide lost influence in the circulation of the lagoon in the rest of it, presenting very low velocities to areas that comprise the center of the lagoon into the adjoining part with communities. The "Arroyo León” for this time of year has a greater contributor flow, so that carries runoff collection along its path because of the winter. Salinity, temperature and DO in the Mallorquín lagoon is dominated by diffusive transport, however the levels of the first subject to the connection or not with the Caribbean Sea, which agree that the tide brings high salinity the body of water.

El conocimiento sobre el funcionamiento de los sistemas costeros está limitado por la escasa disponibilidad de observaciones e investigaciones en el campo de la hidrodinámica. En este estudio se muestra cómo los modelos numéricos pueden contribuir a generar el conocimiento acerca de los procesos costeros, con poca información local y a un costo relativamente bajo. Esta investigación representa un paso hacia la comprensión y entendimiento más completa de los procesos hidrodinámicos y de transporte que se dan en la Ciénaga Mallorquín. En el presente trabajo se estudió los procesos de hidrodinámica y transporte de la Ciénaga Mallorquín, mediante la aplicación del modelo numérico bidimensional (2D), MOHID Studio, el cual es una interfaz de usuario del sistema de modelación MOHID. El modelo MOHID es un sistema numérico para la modelación tridimensional de ecosistemas acuáticos, resuelve las ecuaciones primitivas incompresibles, suponiendo equilibrio hidrostático y empleando la aproximación de Boussinesq. En el estudio se analizan los comportamientos hidrodinámicos y de transporte de la Ciénaga Mallorquín, para los dos escenarios de simulación, época de secas y de lluvias. Por medio del análisis de las corrientes del agua y el transporte de la salinidad, temperatura y oxígeno disuelto presentes en la Ciénaga Mallorquín. El sistema fue forzado por medio de la implementación de las condiciones meteorológicas de la zona de estudio, los aportes de aguas continentales (AAC) y la imposición de la marea en el límite abierto oceánico utilizando el modelo integrado de mareas FES (solución de elementos finitos) llamado FES2004. En el escenario de secas se consideraron que las fronteras del sistema estaban cerradas y en la época de lluvias se estableció una condición de frontera abierta, permitiendo al modelo la entrada de la marea a la Ciénaga Mallorquín. El estudio utilizó todos los datos disponibles a nivel local y puestos a disposición a través de las plataformas oceanográficas como la del Centro de Investigaciones Oceanográficas e Hidrológicas (CIOH) y la del Instituto de Hidrología,

4 Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM). En ausencia de datos de campo, la verificación de los resultados del modelo fue apoyado de acuerdo con los procesos físicos conocidos del hidrosistema. Los datos registrados del nivel del mar por el CIOH para las fechas del mes de Octubre del año 2013, fueron utilizados para la evaluación cualitativa de los niveles del agua registrados por el modelo hidrodinámico 2D. Estos datos en conjunto con los establecidos por el FES 2004 integrado al modelo, permitieron la caracterización de los principales componentes de la marea, a partir de esto se estableció que la marea que se da en la zona de estudio es de tipo mixto con predominio diurno. Como resultado del estudio, para el escenario de época de secas la forzante más importante e influyente es el viento. Los AAC debido a su caudal aportante no son apreciables e influyentes en la circulación de la ciénaga. En la ciénaga se presentan bajas velocidades en gran parte de la misma, las mayores velocidades se dan hacia la zona comprendida por la desembocadura del arroyo León y sobre las orillas de la barra de arena que separa la Ciénaga Mallorquín del mar Caribe. El transporte de la salinidad, la temperatura y el oxígeno disuelto están dominados por el transporte difusivo debido a las bajas velocidades que se dan en la ciénaga en este escenario de simulación. En el escenario de época de lluvias, se considera además del viento y los AAC, a la marea como forzante del sistema lagunar, con lo que se obtiene que el viento sigue siendo importante para la circulación de las masas de agua en la ciénaga, la marea presenta gran influencia en la entrada o “boca” que comunica a la ciénaga con el mar y en las zonas próximas a la misma, dándose las mayores velocidades del lagunar en dicha zona. Sin embargo se muestra que la marea pierde influencia en la circulación de la ciénaga en el resto de la misma, presentando velocidades muy bajas hacia las zonas que comprenden el centro de la ciénaga hacia la parte colindante con las comunidades. El Arroyo León para esta época del año presenta un mayor caudal aportante, por lo que transporta la escorrentía recogida a lo largo de su trayecto por causa de la época invernal.

5 La salinidad, temperatura y el OD en la ciénaga Mallorquín, está dominada por el transporte difusivo, sin embargo los niveles de la primera están sujetos a la conexión o no con el mar Caribe, por lo que acepta que la marea aporta altos niveles de salinidad al cuerpo de agua.