Coastal Sediments 07 Author Instructions

estudios previos para el dimensionamiento de un bypass de arena en el puerto de sisal, yucatn.

P. E. REYES1, P. SALLES1, J. LPEZ1

1.Laboratorio de Ingeniera y Procesos Costeros, Instituto de Ingeniera, Universidad Nacional Autnoma de Mxico, Puerto de Abrigo S/N, Sisal, Yucatn, 92718, Mxico. PreyesC@iingen.unam.mx, PSallesA@iingen.unam.mx, JLopezGo@iingen.unam.mx.

Abstract: Sisal Harbor is located in the North Coast of the Yucatan Peninsula. This zone is characterized by a marked westward net longshore transport ranging from 20,000 m3/year to 80,000 m3/year, and the construction of coastal structures (jetties, groins) has modified the natural equilibrium and produced chronic erosion in some areas of the coast. Local authorities have tried to solve the problem through periodic dredged and bypassing with small dredges and trucks across the small shelter harbors located throughout the coast. Focusing on the beach and Port of Sisal, recent bathymetric studies in the port entrance channel have demonstrated the inefficiency of this works. Indeed, three months after the dredging ended the shoals in the channel had regained their original size, whit depths of only 1 meter in some zones. This situation has motivated the design of an experimental Sand Bypass System with fixed Jet Pumps, to transport permanently material extracted in the updrift beach, east of the port entrance, to the downdrift zones, similar to systems implemented in Australia and USA. This solution would decrease the accretion in the entrance channel and mitigate the erosion downdrift. For this project firstly the estimation of the littoral transport for the Sisal Harbor, was done, considering three methods: a) Parametric Formulations (e.g. CERC formula) b) analysis of field data (bimonthly beach profiles during one year), and c) numerical hydrodynamic and sediment transport modeling using the Mike 21 suite. These estimates will serve to dimension the system components, including the length of the hose downdrif. Funds are being searched to finance this experimental system and, if successful, will serve as an example to be implemented in the other shelter harbors in the Yucatan coast and solve the updrift accretion, the cumulative downdrift erosion and the channel shoaling in a systematic and low cost manner.IntroduccinLa generacin de zonas de calma en los puertos, se realiza usualmente con estructuras (Smith 1989) consistentes en un par de espigones construidos de forma de perpendicular a la costa, los cuales tienen por objeto disipar la energa del oleaje y desviar el efecto de la corriente que llega a esta zona (Keshtpoor et al. 2013), no obstante esto implica modificaciones en el equilibrio natural del sistema costero provocando problemas de erosin y acrecin en las playas adyacentes a las obras. Por lo antes expuesto considerar la relacin entre la hidrodinmica, el transporte de sedimentos y la morfologa de la zona, as como el estudio de sus efectos es importante a fin de minimizar costos en dragados y facilitar el paso de sedimentos corriente abajo (Holliday et al. 2003). En playas como las de la pennsula de Yucatn caracterizadas por un rgimen de transporte en direccin oeste (Appendini et al. 2012), la carencia de estos estudios ha provocado que escolleras, espigones, y espolones construidos a lo largo de la costa, acten como barreras artificiales al transporte de arena generando un crecimiento constante en las playa al Este y erosin al Oeste de las obras, adems gradualmente las estructuras en los puertos pierden parte de su funcionalidad permitiendo la entrada del sedimento a los canales de navegacin causando prdidas de profundidad en periodos muy cortos de tiempo.

Fig. 1. Problemas de Erosin en las Costas de la Pennsula de Yucatn.En esta regin, se ha intentado mitigar estos problemas mediante dragados peridicos en los canales de acceso, mientras que en las zonas de acrecin de playa el material es retirado con equipo terrestre y transportado en camiones de volteo hasta las zonas de erosin o a tiraderos. Sin embargo claramente esta prctica no ha resuelto el problema de erosin y estudios especficos para el puerto de Sisal, Yucatn presentados en el contexto de este trabajo, demuestran que la implementacin de dragados para el desazolve de los canales de navegacin no ha dado solucin a los problemas de prdida de profundidad, lo cual crea la necesidad de buscar soluciones complementarias. Considerando lo anterior, en diversas partes del mundo como Queensland y Neerang River en Australia (Bruun 1996; Dyson et al. 2001), as como en diversos puertos de Estados Unidos (Boswood et al. 2001) se han obtenidos resultados favorables a estos problemas mediante la aplicacin de sistemas de Bypass fijos, que transportan el material desde las zonas de deposicin hasta las zonas de acrecin mediante tuberas y bombas eyectoras (jet pumps). El diseo y dimensionamiento de este tipo de sistemas requiere de un estudio especializado de los procesos costeros del sitio (Richardson & McNair 1981), por lo cual la motivacin principal de este trabajo es demostrar la necesidad de un sistema de Bypass en el Puerto de Sisal para dar solucin a los problemas de Acrecin/erosin en las playas adyacentes a las estructuras de abrigo y prdida de profundidad en el canal de acceso al puerto. Caso de Estudio: Playa Sisal Sisal se encuentra localizado en la costa norte del estado de Yucatn a 63 km de la ciudad de Mrida, su poblacin se dedica principalmente a la pesca y en menor medida a las actividades tursticas. El puerto de Sisal se encuentra localizada al Suroeste de la poblacin, el ancho del canal es de 85 metros, con una longitud de 400 m. Las estructuras de proteccin del puerto constan de dos espigones de 300 metros en el lado Este y 200 metros al oeste del canal, el tamao de grano expresado por el d50, presenta valores en un rango de 0.1 mm a 0.5 mm y hasta de 1 mm en algunas zonas de la playa (Cuevas-Jimenez & Euan-Avila 2009). El clima es clido hmedo caracterstico de la pennsula de Yucatn con la presencia de huracanes y tormentas en verano y la entrada de sistemas de alta presin polar conocidos en la regin como Nortes. Condiciones Hidrodinmicas El oleaje en condiciones de aguas intermedias es caracterstico al de la regin, con alturas de ola significante reinante menores a 1 metro, con un periodo pico predominante de 5-6 s, direccin predominante hacia el oeste, al igual que el rango de marea que va de 20 cm en marea muerta, hasta 80 cm en mareas vivas.

Fig. 2. Rosas de Oleaje Para Diferentes Periodos de tiempo a) Diciembre 2013-Enero 2014, b) Enero 2012 Junio2012 y c) Junio 2010 - Diciembre 2010.

Anlisis de Viento En el puerto de Sisal las mayores intensidades de vienen provienen del Noreste, con valores mximos de 16 km/hr y ngulo para los vientos mximos de aproximadamente 40, respecto de la lnea de costa y una velocidad promedio anual de 5.68 m/s para el ao 2012 y de 5.97 m/s, en el 2013 y mximas de hasta 22 km/hr, ver Fig. 3.

Fig. 3. Histogramas de frecuencias y rosas de viento en el puerto de Sisal a) ao 2012 y b) ao 2013.

Transporte de SedimentosUn estudio realizado por (Appendini et al. 2012) ha caracterizado a la regin de costera de Yucatn como una zona con marcada direccin de Transporte de sedimento hacia el oeste, con rangos variables de 20,000 a 80,000 m3/ao, identificaron como de Potencial erosin a las playas al oeste de Puerto de Sisal, no obstante existe carencia de mediciones especificas del comportamiento de la zona del Puerto de Sisal.

Corrientes Los datos de corrientes en aguas intermedias a una profundidad de 10 metros y 4 metros, son del orden de 0.1 a 0.55 cm/s.

Fig. 4. Medicin de Corrientes en aguas transicin.Estimacin de Transporte de Sedimentos CERC Formulation El Modelo del CERC es el modelo de estimacin de transporte ms ampliamente utilizado en aplicaciones de Ingeniera civil, el cual parte de la hiptesis de que el Transporte de sedimento se puede evaluar en funcin del componente longitudinal del flujo de energa, evaluado en la lnea de rotura: (1)En dnde Eb es la componente de energa del oleaje en la lnea de rompiente (2).

Cgb es la celeridad de grupo, evaluada en la zona de rompiente (3):

hb es la profundidad de rotura y b es el ngulo de incidencia del oleaje en rotura referido a la lnea de costa. Y la tasa la tasa de transporte por unidad de tiempo por metro de costa, se expresa:

En dnde K es un parmetro adimensional, estimado por Komar & Inman en 1970 y del Valle et al. 1993, es la densidad del agua, s densidad de la arena y n porosidad de grano, estimado en n=0.4. Para playas con arenas de cuarzo. Cmo se mencion antes el valor de K ha sido estimado en varios estudios experimentales, en este caso se utilizar K=1.4e2.5d50 propuesto por del Valle en 1993, debido a que se considera que el tamao de sedimento es un factor de mucha relevancia en playas con material no cohesivo.

Kamphuis Formulation (1991)Basado en experimentos y mediante anlisis dimensional Kamphuis (1991), desarroll una frmula para estimar el transporte de sedimentos. Estudios posteriores demostraron la utilidad de la frmula para datos obtenidos en campo y modelacin (Smith et al. 2003), la cual se expresa como:

En dnde Qu is la tasa de transporte sumergido en kg/s, Hsb es la altura significante en zona de rompiente, Tp es el periodo pico del oleaje, mb es la pendiente desde la lnea de rompiente a la lnea de costa y d50 es el tamao medio de grano. Finalmente la tasa anual de transporte en m3/ao queda como:

Datos MedidosA fin de tener un tercer mtodo para estimar el transporte litoral, se han realizado mediciones a cada 50 metros en los meses Marzo, Abril, junio, agosto y septiembre, con registros hasta la profundidad conocida como de cierre para tener una mejor aproximacin (Hallermeier 1980), la zona de levantamiento se muestra en la Fig. 5.

Fig. 5. Zona de Medicin de PerfilesMediciones en canal de NavegacinSe realizaron batimetras en el interior del canal. En un principio el objetivo fue obtener una tasa de asomeramiento aproximada, sin embargo considerando que durante el mes de junio y hasta el mes de septiembre de 2014 se realizaron trabajos de dragado en su interior, fue posible comparar la velocidad de llenado del canal recin dragado, despus de terminadas las obras. Las mediciones de profundidad se realizaron durante los meses de Abril, Junio, Agosto, septiembre y Diciembre, obteniendo los cortes que se muestran en la Fig. 6.

Fig. 6. Medicin de datos sobre el canal de navegacin. Fig. 7. Perfiles en el canal de navegacin METODOLOGA Medicin y procesamiento de datos Para la caracterizacin del oleaje y corrientes de la zona, se analizaron a) datos obtenidos de un Hindcast de 30 aos en un periodo de 1979 al 2008 por el LIPC UNAM La distancia de la costa al punto de obtencin de datos es de 13 km y a una profundidad aproximada de 11.5 m y b) mediciones de la Boyas SENTINEL, MONITOR 1 y MONITOR 2 a 10 m de profundidad, instaladas por el Laboratorio de Ingeniera y Procesos Costeros (LIPC) del Instituto de Ingeniera UNAM, con estos datos se obtuvieron los parmetros de altura significante, periodo pico, direccin del oleaje y corrientes.La caracterizacin de viento se realiz con datos obtenidos de anemmetros instalados en una torre dentro de los terrenos de la UNAM en el puerto de Sisal a una altura de 12.5 m. Los datos de Batimetra se midieron con una Ecosonda de la marca VALEPORT, y la correccin de profundidad por marea se realiza posteriormente con datos del maregrafo localizado en el puerto de abrigo de Sisal. El procesado de los datos (limpieza y obtencin de datos UTM) se realiz con Matlab, mientras que la topografa utilizando GPS mviles de la marca Magellan Promark 500 y uno fijo como base para la correccin de datos de medicin, la extraccin de los datos en coordenadas UTM se realiz con el Software GNSS Solutions.La generacin de los perfiles con los datos topo batimtricos se realiz con AutoCAD Civil, generando una superficie por medio de interpolacin lineal de puntos xyz, suavizando la superficie de la mejor manera posible, para evitar discontinuidades y cambios abruptos de profundidad producidos por el oleaje y errores en las lecturas de la Ecosonda. Generacin de Tasas de Transporte LitoralLa estimacin del transporte de Sedimentos, se ha llevado a cabo mediante tres mtodos a) Frmula del CERC 1984, b) Frmula de Kamphuis (1991) y c) datos medidos de perfiles de playa. Para la aplicacin del modelo del CERC y Kamphuis se sustituyeron en las frmulas los parmetros de oleaje significante de rotura (Hsb), tamao de sedimento (d50), periodo pico (Tp), pendiente de la playa desde la lnea de rotura a la lnea de costa (mb) y ngulo del oleaje rompiente con respecto a la lnea de costa. El volumen de arena de playa entre perfiles se consider como el promedio del rea bajo dos perfiles consecutivos multiplicado por la distancia existente entre ellos, la diferencia entre dos volmenes de playa de campaas consecutivas correspondientes a la misma seccin, se dividi entre el nmero de das trascurridos entre las dos campaas para obtener un cambio de volumen diario por cada seccin de playa y se realiza la suma acumulativa de estas diferencias a lo largo de la costa. Para obtener un aproximado del Tasa de Transporte Longitudinal Neto se hace la suma del acumulado de gradientes de volumen por periodo de medicin.

Cambio Volumtrico en el Canal de Navegacin Para realizar el anlisis de la evolucin del asomeramiento del canal se utilizaron datos de batimetra para los meses de abril, junio, agosto, septiembre y diciembre del ao 2014, el cambio de volumen se estim como la diferencia entre dos superficies generadas por datos de batimetras correspondiente a diferentes periodos de medicin utilizando AutoCAD Civil 3D como herramienta de modelado, adicionalmente se generaron cortes trasversales al canal de navegacin para visualizar de una mejor manera la profundidad en cada periodo. ANLISIS DE RESULTADOS I. Oleaje y CorrientesNo obstante que el oleaje es caracterstico al de las costas de la pennsula de Yucatn, caracterizado como de baja energa, el anlisis de oleaje, muestra un oleaje Reinante con direccin Oeste con una altura significante de 0.4 0.6 m y un periodo pico de 6 s, con una baja componente de oleaje en direccin proveniente del Noroeste de mayor intensidad correspondiente a los eventos conocidos como Nortes, lo cuales aparecen en la temporada invernal con oleajes en rangos de 1-1.5 m/s y periodos caractersticos de 8-10 s, ver tablas de ocurrencia de oleaje de la Fig. 9. %%% Poner tablas de ocurrencia de oleaje proveniente del Noreste %%% Poner tablas de ocurrencia de oleaje proveniente del Noroeste II. Transporte de Sedimentos De acuerdo a 8 campaas de medicin en una regin de 1.65 km sobre la costa contabilizados del Rompeolas hacia el oeste y de 2 km de contados desde el perfil hacia el oeste, se observ una tendencia a la ganancia de volumen de arena durante la primera mitad del ao y de prdida de arena para el mes de septiembre, este efecto se puede observar en la figura 8, en dnde se muestra la ganancia o prdida de arena de entre periodos de medicin.

Fig. 8. Grfica de variacin de volumen de arena entre periodos de medicinDe la grfica 8, se aprecia como la mayor acumulacin de arena ocurre en los periodos Marzo-Abril y Abril-Junio, con una acumulacin promedio de arena de 120 m3 por cada 50 metros de playa, en contraste para el mes de septiembre se presenta una acumulacin de volumen aproximado de -47.89 m3, para el periodo Junio-Agosto, existe un gradiente de volumen muy pequeo con apenas una acumulacin media diaria de volumen de 5 m3, mientras que el Transporte Longitudinal Neto se estim en aproximadamente 48,000 m3 anuales. Los resultados antes obtenidos a travs de perfiles son de esperarse, ya que la llegada de los Nortes en la temporada invernal, genera oleaje de mayor energa proveniente del Noroeste, generando las erosin de las playas, mientras que en los meses de verano la regin se caracteriza por un oleaje de baja energa con una marcada direccin hacia el oeste, lo cual provoca la acumulacin de material sobre la Berma provocando una acrecin constante en ausencia de nortes, la cual se intensifica en la zona este de Sisal por la presencia de las escolleras de proteccin al puerto. III. Asomeramiento del CanalConclusiones En este trabajo, mediante un estudio del clima martimo del Puerto de Sisal se han demostrado que dado a las caractersticas hidrodinmicas de la zona, las estructuras de proteccin al puerto, bloquean el transporte longitudinal de sedimento generando reas de intensa acrecin al Este del puerto y de erosin al oeste, por otro lado mediante estudios de Batimetra en el canal de acceso se ha comprobado la ineficiencia de los trabajos de dragado que la SCT implementa peridicamente en el puerto, debido a que en un periodo relativamente corto de 3 meses se alcanzaron niveles de asomeramiento similares a los de antes comenzados los trabajos de limpieza y desazolve, con un niveles de profundidad de 1 metro en algunas zonas, mismas que se mantienen solo por los procesos de flujo y reflujo de mareas. Por lo anterior, y debido las condiciones hidrodinmicas antes descrita se justifica la implementacin de un Sistema de Bypass fijo como alternativa de solucin que mitigue los problemas en la zona, en dnde la tasa anual de sedimento de Bypass ser la Tasa Bruta de Transporte Longitudinal sin considerar las escolleras del puerto. AgradecimientosReferencesAppendini, C.M. et al., 2012. Longshore Sediment Transport on the Northern Coast of the Yucatan Peninsula. Journal of Coastal Research, 285, pp.14041417. Available at: http://www.bioone.org/doi/abs/10.2112/JCOASTRES-D-11-00162.1.Boswood, P.K., Murray, R.J. & August, I., 2001. World-wide sand bypassing systems: data report World-wide Sand Bypassing Systems: Data Report ( Compiled 1997 ). , 2001(15).Bruun, P., 1996. Navigation and Sand Bypassing at Inlets: Technical Management and Cost Aspects. Journal of Coastal Research, (Special Issue No. 23), pp.pp. 113119. Available at: http://www.jstor.org/stable/25736072.Cuevas-Jimenez, A. & Euan-Avila, J., 2009. Morphodynamics of carbonate beaches in the Yucatan Peninsula. Ciencias Marinas, 35(3), pp.307320. Available at: ://WOS:000271367600006.Dyson, A., Victory, S. & Connor, T., 2001. Sand bypassing the Tweed River entrance: an overview. Coasts & Ports 2001: . Available at: http://search.informit.com.au/documentSummary;dn=929052300462480;res=IELENG [Accessed October 29, 2014].Hallermeier, R.J., 1980. A profile zonation for seasonal sand beaches from wave climate. Coastal Engineering, 4, pp.253277. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0378383980900228 [Accessed November 9, 2014].Holliday, B.W., McNair, E.C. & Kraus, N., 2003. The U.S. Army Corps of Engineers Coastal Inlets Research Program. Dredging 02: Key Technologies for Global Prosperity: 3rd Specialty Conference On Dredging And Dredged Material Disposal, pp.116.Keshtpoor, M. et al., 2013. Beach response to a fixed sand bypassing system. Coastal Engineering, 73, pp.2842. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378383912001561 [Accessed November 7, 2014].Richardson, T.W. & McNair, E.C.J., 1981. A Guide to the Planning and Hydraulic Design of Jet Pump Remedial Sand Bypassing Systems, Washington, D. C. 20314.Smith, E.R., 1989. Case Histories of Corps Breakwater and Jetty Structures, Report Number 5, Vicksburg, MS.Smith, E.R., Zhang, J. & Wang, P., 2003. Evaluation of the Cerc Formula Using Large-Scale Model Data. Geology Faculty Publications,, Paper 238, pp.113.

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