Hydrodynamics and mixing at river confluenceson the influence of buoyancy and tides/ hidrodinámica y mezcla en la confluencia de ríos: influencia de los contrastes de densidad y de la marea

Resumen

Las confluencias de ríos son nodos clave en la red hídrica en donde se producen fuertes gradientes físicos y químicos (ej.: gradientes en la temperatura del agua, en la materia orgánica, en la carga de nutrientes, etc.), que permiten la formación de un abanico amplio de condiciones ambientales (hábitats) para el crecimiento biológico. Debido a la heterogeneidad tanto espacial como temporal de los hábitats y recursos presentes en las confluencias, éstas se comportan como puntos calientes de biodiversidad, donde el número de especies puede aumentar de forma muy significativa en comparación con otros tramos de la red fluvial. Además, estos efectos persisten aguas abajo de las confluencias por lo que influyen sobre las comunidades biológicas y sobre los procesos ecológicos tanto a nivel de tramos de ríos, como a nivel de toda la red fluvial; si bien, la extensión del tramo de río, aguas abajo de una confluencia, con características heterogéneas depende, en gran medida, de las tasas de mezcla entre el agua de la corriente principal y la de su tributario. Aunque la literatura que versa sobre la mezcla de ríos aguas abajo de confluencias es extensa, todavía queda camino por recorrer en nuestro entendimiento sobre los procesos de mezcla en estas áreas. Concretamente, y debido a que se trata de ambientes dominados en gran medida por las diferencias inerciales de los ríos confluyentes, la literatura suele despreciar el efecto sobre la mezcla que podría tener la presencia de contrastes de densidad entre los ríos. Sin embargo, a medida que la escala de la confluencia aumenta, la probabilidad de que los ríos que confluyen en ella drenen cuencas de mayor tamaño también aumenta, y por tanto de que drenen territorios con distintas características geológicas, lo que potencialmente resultaría en diferencias significativas en las densidades de los ríos. En esta tesis, se presentan los resultados de una serie de experimentos realizados en una confluencia en el norte de España donde los contrastes de densidad son importantes tanto para la distribución espacial de los ríos una vez confluyen como para las tasas de mezcla de los mismos aguas abajo de la confluencia. Estos contrastes de densidad varían de forma estacional, con valores que van desde los O (10−2) kg m−3 en invierno hasta las diferencias de O (1) kg m−3 en verano, y la magnitud de estas diferencias es responsable de que los ríos fluyan uno paralelo al otro o de que se dispongan uno encima del otro (estratificación vertical). Mediante el uso de modelación numérica, se mostrará que, a pesar de que podrían despreciarse desde un punto de vista dinámico, la existencia de pequeños contrastes de densidad (como los encontrados en invierno en esta confluencia) puede causar la deformación de la interfase de mezcla entre los dos ríos, lo que conlleva cambios en el área de contacto entre las dos masas de agua y, por tanto, tiene consecuencias sobre las tasas de mezcla. También se presentarán simulaciones con las que se evaluarán los factores que controlan la localización del punto de hundimiento así como las tasas de mezcla bajo las condiciones de fuertes contrastes de densidad típicas del verano, con particular foco sobre la interacción entre las fuerzas inerciales y de flotabilidad, el efecto del forzamiento del viento y sobre la naturaleza no estacionaria del forzamiento hidráulico. Esta tesis mostrará que la localización, en estado estacionario, del punto de hundimiento está controlada por un equilibrio entre las fuerzas inerciales (los ríos entran con distinta inercia a la confluencia) y de flotabilidad (los ríos tienen distinta densidad), lo cual tiene importantes consecuencias en la mezcla de los ríos ya que las tasas de mezcla aumentan a medida que el punto de hundimiento se produce en la confluencia en sí misma, debido a una combinación de una mayor interfase de mezcla y valores altos de difusividad. Por otro lado, el forzamiento del viento, dependiendo de su dirección y velocidad, también es capaz de afectar a las tasas de mezcla mediante (1) la alteración del equilibrio entre las fuerzas inerciales y de flotabilidad, (2) la alteración del patrón de recirculación lateral en la confluencia y/o (3) el aumento de los niveles de cizalla en la confluencia. Esta tesis también muestra que hay un desfase entre un cambio en las condiciones de entrada de los ríos (cambios en el caudal y/o densidad) y el desplazamiento del punto de hundimiento como respuesta del sistema a un cambio en las condiciones de equilibrio. Los nodos en la red hidrológica donde el agua puede seguir uno o más caminos alternativos (difluencias) son también puntos críticos en la red fluvial, en donde las especies migratorias acuícolas eligen distintas rutas migratorias. Este es el caso, por ejemplo, del salmón real (Oncorhynchus tshawytscha) en el delta formado por los ríos Sacramento y San Joaquín en California. Esta tesis también recoge los resultados preliminares de simulaciones realizadas en un tramo del río Sacramento donde los juveniles del salmón real pueden o bien permanecer en la corriente principal, o bien elegir entre otras dos rutas migratorias que los dirigen al interior del delta, donde las tasas de supervivencia de los juveniles son inferiores. Este tramo del río Sacramento está afectado por el régimen mareal por lo que el agua fluye en sentido contrario durante la marea llenante, y la entrada a las dos rutas que dirigen a los salmones al interior del delta están situadas en el exterior de un meandro, donde se producen fenómenos de recirculación lateral del flujo. Los resultados preliminares son consistentes con estudios previos que muestran la importancia de las mareas, ya que durante la marea llenante casi todo el flujo, y por tanto los salmones, se dirigen hacia el interior del delta a través de estas dos rutas migratorias. Este trabajo también sugiere que, durante la marea vaciante el porcentaje de peces que entra en el interior del delta es mayor que el esperado en función del caudal redirigido hacia estas dos rutas, debido a la combinación de la preferencia de los salmones por nadar cerca de la superficie (en los primeros cuatro metros de la columna de agua en el río Sacramento) y de la presencia de recirculación lateral, que desplaza a los salmones hacia el exterior del meandro (donde se localizan las entradas a estas dos rutas migratorias) en las zonas cercanas a la superficie.