Ingeniería de playas (I): conceptos de morfología costera

Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 97 INGENIERIA DE PLAYAS (I): CONCEPTOS DE MORFOLOGÍA COSTERA Agustín Sánchez-Arcilla, José A. Jiménez Laboratori d'Enginyeria Marìtima E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona Universitat Politécnica de Catalunya RESUMEN: Se entiende por ingeniería de playas aquella que se realiza en costas sedimentarias, provocando generalmente una respuesta rápida de la zona litoral ante las nuevas condiciones generadas. A fin de que las actuaciones en este ámbito sean lo eficiente que debieran, hay que conocer y, en la medida de lo posible, predecir los cambios que se producen en la zona costera. Por ello, antes de analizar en detalle los diferentes tipos de actuación, lo cual se hará en un próximo artículo, aquí se abordan conceptos básicos de la evolución costera, como son las diferentes escalas evolutivas, tanto temporales como espaciales. Asimismo, se presenta un conjunto de herramientas básicas para poder predecir el comportamiento de la costa, tanto en condiciones naturales, como bajo la influencia de obras. INTRODUCCION La ingeniería de costas tiene como objetivo resolver los problemas que se plantean en la franja costera a las escalas de tiempo y espacio manejadas por el hombre y con los medios técnicos y económicos que este posee. Por estar las costas acantiladas sometidas a menor presión de uso (turístico, industrial, etc...) y evolucionar a unas escalas de espacio y tiempo mas difíciles de controlar por el ser humano, este artículo se centrara en los tramos costeros sedimentarios. En particular, se abordaran las costas sedimentarias formadas por sedimento tipo arena, es decir, no se tendrán en cuenta las costas formadas por sedimentos cohesivos, ni las formadas por gravas, cantos y bolos. Aunque muchos de los procesos que se verán pueden ser extrapolables a este tipo de costas, las escalas de respuesta de estos sedimentos, difieren de las costas arenosas, debiendo ser particularizados a fin de caracterizar de forma adecuada su evolución. Este es, por tanto, el ámbito de actuación de la ingeniería de playas, en el que los aspectos biológicos, ecológicos y socio-económicos poseen una importancia notable. Sin embargo, este artículo se centrara en los aspectos físicomorfodinámicos que hacen referen-cia al movimiento del sedimento. Es la forma mas natural de abordar el problema, empezando por su extremo físico. Pese a que tanto en el mundo científico como en los medios de comunicación es habitual hablar del problema costero, es importante mencionar que este problema solamente surge cuando la evolución costera no es la esperada por el hombre. En efecto, piénsese en la hipotética erosión de un tramo de costa en un lugar deshabitado del planeta y es fácil imaginarse que pocos aplicarían el calificativo de problema costero a esta situación. La misma erosión en una zona costera en la que los edificios o vías de comunicación se encuentran a escasos metros o sobre la propia playa, si que constituiría, sin embargo, un problema a resolver o mejor aun evitar. Al plantearse los problemas que puede resolver la ingeniería de playas en este contexto de interacción del ser humano con el medio, es importante distinguir la evolución natural de una costa de la inducida por el hombre. Para ilustrar la evolución natural a que se ven someti-das las playas, se puede mencionar el retroceso que experimenta la línea de orilla después de la acción de una tormenta (Figura 1). Esta erosión del perfil ilustra también la evolución natural que se produce en muchas playas en invierno y en verano; el oleaje de tormenta, que suele presentarse en invierno, produce una erosión del perfil con el consiguiente retroceso de la línea de orilla. En la estación estival, por el contrario y, debido a la acción del swell (mar de fondo) reconstructor que se presenta en numerosas playas del planeta (funda-mentalmente estudiado en la costa pacifica de los Estados Unidos y Australia), se produce un avance de la línea de orilla asociado a una acreción -reconstruc-ción- del perfil (Figura 1). Es importante, sin embar-go, resaltar que en las costas mediterráneas apenas existe este swell reconstructor que tan bien documen-tado esta en las citadas costas. Por este motivo, este tipo de evolución natural no se presenta con la misma intensidad en las costas mediterráneas españolas. Este hecho aparentemente trivial, tiene, por ejemplo, repercusiones importantes, puesto que por este motivo, no es de esperar que en INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. I Num. 2 (1994) p. 98 nuestras playas mediterráneas una alimentación artificial depositada en la zona sumergida del perfil (por una tormenta), vuelva, en una fracción importante a la zona emergida de la playa (la temporada estival siguiente). dividirse en dos grandes grupos: (i) las que actúan sobre la franja costera directamente (que son las genuinas de la ingeniería de playas), y (ii) aquellas que afectan indirectamente la franja costera (la construcción de embalses que disminuye el aporte de sedimento a las playas, la emisión de gases con efecto inver- Figura 1. Perfiles de erosión y acreción (obtenidos en laboratorio) Como ejemplo de evolución de costas inducida por el hombre, se puede mencionar el retroceso general a que están sometidas nuestras playas debido a que el volumen de sedimento que aportan nuestros ríos es cada vez mas escaso. Esta situación es debida, tanto a una mejor explotación de las cuencas de drenaje, lo que dificulta la erosión, como a una mayor regulación de los ríos, mediante embalses que actúan como òarrera al transporte de sedimento hacia la línea de orilla Tipología Por los motivos antes expuestos, las actuaciones de ingeniería en la franja costera admiten muy diversas clasificaciones. Posiblemente lo mejor seria clasificarlas en actuaciones apropiadas (las que usan las propias fuerzas y procesos naturales para conseguir el objetivo deseado) e inapropiadas (las que, o bien pretenden ir frontalmente contra las propias fuerzas y procesos naturales, o bien aquellas en las que por desconocimiento se consigue un objetivo contrario al inicialmente deseado). Ejemplo ilustrativo de estas ultimas soluciones inapropiadas es la construcción de puertos--isla que, con un coste notablemente superior al de los puertos convencionales, se ubicaban a una cierta distancia de la línea de orilla pensando que así, al no existir una barrera para interrumpir el transporte longitudinal, este se verificaría a lo largo de la playa sin interrupción (y por tanto sin producir erosiones y acreciones no deseadas inicialmente). Desde un punto de vista mas general, las actuaciones de ingeniería con impacto en la franja costera pueden nadero que al aumentar el nivel medio del mar disminuye la extensión de playa seca, etc.). En ambos casos, aun siendo de diferente naturaleza, generaran una respuesta en la zona costera de similares características, desde el punto de vista de la morfología costera. Ello es debido a que lo único que hacen, es alterar la hidrodinámica, mientras que la respuesta del borde costero a estas alteraciones es independiente de la forma en que se producen (la evolución costera no tiene capacidad de discernir quien genera un cambio, sino solo el cambio). Con una perspectiva un poco mas convencional de ingeniería de costas, las intervenciones humanas en las zonas de playa pueden clasificarse en dos grandes grupos: rígidas y flexibles. Cada una de estas a su vez, se especifica por su geometría en planta, en perfil y por el material constructivo. Como ilustración se pueden mencionar las actuaciones rígidas clásicas que son los espigones, que en función de su geometría en planta pueden ser: paralelos a la costa, perpendiculares a la costa, oblicuos a la costa, etc. Por su geometría en perfil pueden ser emergidos o sumergidos. Por su material constructivo pueden ser de escollera, que es la solución habitualmente empleada (debido a que, al realizarse en calados relativamente reducidos, la opción mas comente para conseguir una sección estable es utilizar escollera natural), o bien tablestacas metálicas, sedimento rodeado por una cubierta de geotextil, etc. Las actuaciones flexibles se caracterizan por modificar la costa sin rigidizarla y además porque no son estacionarias en el tiempo y/o el espacio. Como ilustración se pueden mencionar dos grandes bloques de actuaciones flexibles en función del material constructivo utilizado. Las INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 99 primeras utilizan como material básico el sedimento y pueden ser, en función de su geometría en planta: alimentaciones artificiales a lo largo de la orilla, playa seca, alimentaciones artificiales en el perfil sumergido de playa, diques de arena perpendicu-lares a la orilla, etc. Actuaciones flexibles utilizando otros materiales pueden ser los espigones flotantes construidos, por ejemplo, con neumáticos o bidones y también, las coberturas de vegetación para fijar el sedimento y disminuir el transporte. Esta ultima solución, en función de su geometría en perfil, puede ser cobertura de vegetación emergida, ilustrada por ejemplo por la vegetación que se utiliza para fijar y/o promover la creación de dunas, o bien cobertura de vegetación sumergida, ilustrada en el Mediterráneo, por ejemplo, por las poseidoneas que ayudan a fijar las zonas mas sumergidas del perfil de playa. Figura 2. Esquematización de la influencia de un espigón en una playa. Impacto Desde el punto de vista de su impacto, las actuaciones ingenieriles en la franja costera producen tres tipos de impacto tal como ya se avanzó anteriormente: (i) Impacto físico, que es el que aquí se considerara, y que se refiere al movimiento de agua y sedimento. Como ejemplo se puede mencionar un espigón perpendicular a la orilla, que al ser construido disminuye el movi-miento de agua y sedimento a lo largo de la línea de costa. Esto produce una erosión en la zona aguas abajo del espigón y una acumulación en la zona aguas arriba (Figura 2); (ii) Impacto ecológico en el que, tomando el ejemplo anterior de un espigón perpendicular a la línea de orilla, el movimiento de agua o corriente longitudinal que discurre en sentido paralelo a la costa es impedido por el espigón. Esto provoca una zona de agua sin renovación y varía la calidad del agua, su productividad biológica, etc.; (iii) Impacto socio-eco-nómico que, en el ejemplo anterior puede ilustrarse por las repercusiones sociales y económicas que la crea-ción de una playa aguas arriba y la erosión de la playa existente aguas abajo tiene (turismo, etc.), así como por las modificaciones que en la productividad bioló-gica de la zona (pesca, etc.) pueda producir la acreción y erosión antes mencionadas. Lo importante es que cada actuación de ingeniería en la franja costera vaya acompañada de una matriz con todos los impactos previsibles junto con su consi-guiente cuantificación y valoración. Ya existen meto-dologías y protocolos tanto a nivel legislativo como en los centros de investigación, puesto que debido a la complejidad de los procesos que actúan en la franja costera, la tecnología para evaluar de un modo global e integral el impacto no esta aun del todo desarrollada y mucho menos, suficientemente difundida. En este articulo se abordara la evolución de las playas, a distintas escalas de tiempo y espacio, para ilustrar así el comportamiento costero en función de los diferentes agentes actuantes. Este constituye el primer paso antes de evaluar como las actuaciones de ingeniería genera-ran un impacto físico -sea positivo o negativo- en el borde costero. A continuación se dará una perspectiva general de los modelos existentes, desde los modelos físicos hasta los modelos numéricos y analíticos. Se pondrá un énfasis especial en estos últimos debido a su facilidad de uso, lo que los convierten en herramientas sencillas para predecir los cambios de la morfología costera. Es objetivo de los autores completar este artículo con uno próximo, en el que se analicen detalladamente el impacto (tanto positivo como negativo) producido por las principales actuaciones de la Ingeniería de Playas. LA EVOLUCION NATURAL DE LAS PLAYAS Estudiar la evolución del borde costero tanto en condiciones naturales, como bajo la influencia de obras costeras, supone analizar los procesos que ocurren en la zona de confluencia de tres medios: aire, mar y tierra. Este hecho origina que esta zona se vea someti-da a grandes solicitaciones energéticas, de origen y contenido energético diverso, por lo que el espectro teórico del movimiento de la costa abarcaría diferentes frecuencias, asociadas a diferentes agentes impulsores. Escalas de tiempo y espacio El estudio de los procesos costeros a diferentes escalas, tanto espaciales como temporales, no es nuevo, ya que se ha utilizado implícitamente al estudiar de forma desacoplada tanto los agentes hidrodinámicos (turbulencia, olas, mareas, storm-surges, corrientes, etc...), como los morfodiriámicos (formación de ripples, transporte transversal, transporte longitudinal, etc...). Su utilización en los estudios de morfología costera es relativamente reciente, sobre todo a partir de la necesidad de estudiar los cambios a gran escala (ver e.g. Wilkinson y McGowen, 1977; Horikawa, 1981; Wright et al, 1984; Eliot y Clarke, 1989 y Stive et al., 1990 entre otros). INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 100 La determinación del tamaño de las escalas temporal y espacial de cada una de las componentes en las que se quiera dividir los procesos evolutivos, tiene un cierto grado de subjetividad y, dependerá de los intereses que se persigan, aunque las escalas asociadas a la acción de cada uno de los agentes impulsores, generalmente son aceptadas de forma estandarizada. Un ejemplo de clasificación de procesos costeros en escalas temporales y espaciales pueden verse en la Figura 3. es mayor que la escala de interés, a dicho agente se le considerara como una componente extrínseca, lo que supone que actúa como condición de contorno sin producir una interacción a la escala de estudio. Por ultimo, si la escala de los agentes actuantes, y por tanto, los procesos inducidos, esta relacionada con la escala de estudio, es donde se producirá la interacción dinámica, y los agentes actuaran como componentes del proceso estudiado. En este ultimo caso, se ha mencionado que la escala de los agentes este "relacionada" con la del proceso estudiado, ya que Figura 3. Escalas en morfologia costera (Fenster et al., 1993). Uno de los problemas que aparecen a la hora de dividir en componentes la evolución costera, es la determinación de la escala de influencia de los cambios inducidos por un agente determinado, es decir, hasta donde son relevantes cada uno de los procesos. Al tratar el problema desde una óptica multiescalar, cada paso de una escala a otra supone la realización de un filtrado o promediado tanto temporal como espacial, de tal manera que, un fenómeno que a una escala determinada es una componente del proceso, a otras escalas actúa de una forma muy diferente. Así, un agente cuya escala de acción es pequeña respecto a la escala de estudio, se considera como ruido y tendrá un efecto residual en el proceso. Si en cambio, la escala de acción del agente es difícil delimitar de forma exacta como interaccionan los agentes. Los cambios morfológicos sufridos por un tramo de costa son el resultado integrado de la acción de diferentes agentes dinámicos actuando a diferentes escalas temporales y espaciales. Esta diferencia de escala en los agentes impulsores se vera reflejada a su vez en una respuesta morfológica diferenciada, por lo que es de gran interés a la hora de formular un modelo evolutivo realizar un análisis de escala de dichos cambios. Un ejemplo de jerarquización de los cambios morfológicos, tomado de Jiménez et al. (1993), es aquel en el que se establecen cuatro componentes principales, caracteriza- INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 101 das por la acción de un conjunto de agentes impulsores y por un determinado tipo de respuesta costera. costera. En sentido decreciente, estas componentes son: Cambios a largo plazo Son cambios que experimenta la costa de forma global, tanto en planta como en perfil, y que determinan el balance total de sedimentos. Los agentes que producen estos cambios son varios: el aporte de sedimento por parte de ríos, que juega un papel positivo en el balance en cuanto a su actuación como fuente; las variaciones relativas en el nivel del mar, tanto de origen eustático como debidas a la subsidencia, que inducen una perdida de sedimento en la zona costera mas interna que es transportado mar adentro (Bruun, 1962); los intercambios de sedimento entre el perfil activo de la Figura 4. Estados morfodinámicos. INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. I Num. 2 (1994) p. 102 playa y la parte mas interna de la plataforma, debidos principalmente al movimiento oscilatorio inducido por el oleaje, a corrientes inducidas por este y, a corrientes inducidas por el viento y/o por gradientes de densidad (e.g. Wright, 1987); intercambios de sedimento en la playa emergida inducidos por rebase y viento (Leatherman, 1979; Illember y Rust, 1988). La escala temporal asociada a esta componente es del orden de décadas o superior. Cambios a medio plazo Son cambios que experimenta la costa de forma sistemática, que pueden considerarse como la tendencia evolutiva de un tramo costero con una escala espacial del orden de kilómetros a una escala temporal de varios años. El principal agente impulsor es el oleaje en cuanto a su capacidad para generar un transporte longitudinal de sedimentos, y mas específicamente, las variaciones de este a lo largo de la costa. En este caso, se considera el oleaje dominante o "resultante" a lo largo de un año, por lo que se tiene en cuenta su efecto integrado. En esta escala pueden considerarse como componentes extrínsecas, el aporte de sedimentos por parte del río y procesos de perdida o ganancia de sedimentos en tramos de costa específicos, debido a procesos de mas larga escala Cambios a corto plazo Consisten básicamente en los cambios experimentados en la zona mas activa del perfil de la playa (zona de rompientes) y que se manifiestan en avances y retrocesos de la línea de orilla, así como en las modificaciones del sistema surco/barra Los principales agentes impulsores son el oleaje y el viento, aunque a diferencia de la componente anterior, se considera sobre todo su acción estacional y/o cíclica (alternancia de períodos de oleaje de baja energía y de tormentas). La escala temporal de estos cambios es inferior a un año, pudiendo llegar a producirse variaciones en el orden de horas (Lippmann y Holman, 1990). Cambios episódicos Son cambios originados durante la acción de agentes dinámicos altamente energéticos con un período de retorno largo, y que se manifiestan en una transformación (e.g. erosión) muy importante de la costa de mucha mayor magnitud que la inducida durante los cambios a corto plazo. El principal agente inductor será la presencia de niveles del mar altos (marea meteorológica) junto con temporales de oleaje. Este tipo de cambios, a diferencia de los anteriores, no tiene una escala temporal definida ya que, por la naturaleza de los agentes que los inducen, deben considerarse como aleatorios, sin una periodicidad o estacionaridad predefinida. Aparecen muy localizados tanto en el tiempo como en el espacio ya que, aunque los agentes dinámicos que los inducen actúan sobre toda la costa, sólo algunos tramos de la costa especialmente sensibles, debido a su morfología sufrirán sus efectos de forma importante. Evolución costera real. Un proceso en tres dimensiones La evolución real de un tramo costero es el resultado de la integración de las componentes antes descritas, y se traduce en una variación tridimensional de la morfología costera. Este carácter tridimensional origina que muchos de los cambios sean bastante difíciles de caracterizar y, por supuesto, de predecir. Aunque los primeros estudios de caracterización y/o predicción de los cambios costeros se remonta varias décadas atrás, es a finales de los años 70 cuando comienza a imponerse una corriente de trabajo, en la que se estudia la evolución costera de forma integrada, como respuesta a las solicitaciones energéticas incidentes, la morfodinámica. Los primeros trabajos "completos" fueron realizados paralelamente por Wright et al. (1979) y Short (1979). Dichos trabajos fueron compilados por ambos (Wright y Short, 1983, 1984) resultando en un modelo de evolución de costas barradas, en las que se producía una variación en la morfología de la zona mas interna del perfil la zona de rompientes, en función de la energía incidente (Figura 4). En este modelo de comportamiento, se clasifican las playas en un espectro que va del estado disipativo al reflexivo asociados a determinados regímenes de oleaje y marea. Para eilo se suele utilizar como variable hidrodinámica que determina el estado del perfiL el llamado surf similarity parameter (Battjes, 1974), que no es mas que el Número de Iribarren. Este parámetro depende tanto de la pendiente del perfil, como de las condiciones del oleaje incidente (altura y período). Una de las características principales de la morfodinámica es que no sólo caracteriza las fuerzas impulsoras que actúan sobre la playa a través del oleaje incidente, sino que predice la aparición de diferentes tipos de ondas que van desde las armónicas y sub-armónicas (T < 15 s) hasta las infragravitatorias (hasta los 70 s), y una serie de elementos morfológicos ligados a ellas conocidos como topografía rítmica (ver e.g. Carter, 1988). El estado disipativo, asociado a un número de Irriba-rren pequeño, se caracteriza por un perfil con pendiente muy suave y una zona de rompientes ancha, donde pueden apreciarse barras paralelas a la playa y donde, generalmente, se generan ondas infragravitatorias. En esencia se corresponderá con un perfil de playa erosivo. El estado reflectivo, asociado a altos números de Irribarren, se caracteriza por poseer un perfil de playa de gran pendiente y ausencia de barras sumergidas, siendo INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 103 la zona de rompientes generalmente estrecha. Pueden encontrarse ondas de borde atrapadas que ueden generar medias lunas -cusps-. Este perfil se correspondería con una situación acumulativa. Entre ambos, aparecen una serie de estados intermedios en los cuales se desarrolla una morfología rítmica de acuerdo a las características del oleaje incidente y a las características de las ondas que se generan en la zona de rompientes (ver Figura 4). Evolución en planta y perfil Aunque como se ha visto, la evolución costera es un proceso tridimensional, es frecuente abordar el problema mediante el estudio de dos componentes de forma desacoplada, para posteriormente ser combinadas, la mayor parte de las veces, de forma lineal. Así, se suele separar la evolución de un tramo de costa en dos direcciones, una paralela a la línea de costa, cambios en planta, y otra normal a esta, cambios en perfil. Cada uno de estos cambios estarán inducidos por un tipo dominante del transporte, en el primero de los casos por el transporte longitudinal y en el segundo, por el transporte transversal. Cambios en planta Los cambios en planta de una playa, son aquellos que se producen debido, generalmente, a la presencia de un gradiente en el transporte longitudinal de sedimento a lo largo de la orilla. En el caso de que este sea positivo (lo que indica que las tasas de transporte se incrementan), se producirá una erosión de la costa, con la consiguiente perdida de superficie de playa. En el caso de que los gradientes sean negativos, situación que ocurre en zonas donde decrecen las tasas de transporte, se producirá una acumulación de sedimentos y, por lo tanto, un aumento en la superficie de playa. Este tipo de cambios suele considerarse como permanente en el tiempo, salvo que las condiciones generadoras desaparezcan. Una excepción serían los cambios en planta que se producen en playas encajadas, donde puede observarse una basculación de la playa hacia sus apoyos en función del oleaje incidente. Por ello, cabe decir que los cambios en planta que sufren las costas sedimentarias son función tanto de las características naturales del esquema de transporte, como de cualquier elemento existente en la costa que pueda alterar el mismo, como pueden ser condiciones de contorno y existencia de fuentes y sumideros. Intentar hacer un listado de las posibles modificaciones en planta que sufren las costas sedimentarias, puede llegar a convertirse en una interminable lista de cambios y agentes asociados, lo cual escapa al objetivo del presente articulo. Si el lector desea encontrar una excelente presentación sistemática de los cambios en planta, así como la de los agentes o condiciones generadoras, puede consultar la metodología propuesta por Suarez Bores (1980) para el análisis de cambios en planta basada en el estudio de singularidades. Cambios en perfil Los cambios en el perfil de playa, son aquellas modificaciones que se producen en la dirección normal a la costa, producto generalmente del transporte transversal de sedimento. En principio, suelen considerarse como estacionales y/o cíclicos, ya que dependen, fundamentalmente, del contenido energético del oleaje, el cual suele tener un marcado carácter estacional. Básicamente pueden describirse dos tipos de cambios, o dos tipos de perfil (ver Figura 1): (i) Perfil de erosión o de tormentas, que se produce durante la acción de tormentas, en las que el oleaje que actúa sobre la playa es de gran contenido energético y, genera durante el proceso de rotura corrientes de retomo -undertow- de gran intensidad. Bajo estas condiciones, se produce una erosión de la parte interna del perfiL retrocediendo la línea de orilla y, transportándose el material hacia mar adentro, siendo depositado la mayor parte de las veces en forma de barras sumergidas, lo que genera un suavizamiento de la pendiente del perfil. Las barras suelen cumplir dos funciones, por un lado actúan como filtro energético, haciendo que las olas rompan antes de llegar a la playa y actuando, por lo tanto, como un mecanismo autoprotector de la playa ante la acción de tormentas (ver e.g. Carter y Balsillie, 1983). A la vez, las barras actúan a modo de reservorio sedimentario, donde el sedimento es almacenado hasta que las condiciones de oleaje permitan su vuelta a la playa emergida (ii) Perfil de acrecíón, que se produce durante la acción de un oleaje de baja energía o reconstructor. Bajo estas condiciones, el sedimento erosionado y depositado como barra, comienza a ser transportado hacia costa, hasta llegar a la línea de orilla, produciendo un avance de la misma El resultado ideal, seria un perfil sin barras, de elevada pendiente y con una amplia berma. Hay que destacar que las escalas de tiempo a las que se producen ambos perfiles son bastante diferentes. Así, mientras que el perfil de erosión puede tardar del orden de horas en formarse (dependiendo de la intensidad de la tormenta), el perfil de acreción puede durar incluso meses en llegar a su desarrollo completo, el cual puede interrumpirse en el caso de la acción de un nuevo temporal (ver en la introducción la descripción básica de los cambios en el perfil en la costa mediterránea). Para estimar la presencia de un tipo u otro de perfil, existen una serie de parámetros sencillos que utilizan tanto características del oleaje como del propio perfil en si (granulometría y pendiente). El primer parámetro INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 104 utilizado fue el peralte del oleaje (Waters, 1939), y puesto que se vio que era insuficiente para predecir de forma efectiva los cambios observados (Saville, 1957), se introdujeron otros parámetros que tenían en cuenta la granulometría del sedimento (Rector, 1954; Iwagaki y Noda, 1962; Dean, 1973). Adicionalmente otros autores incluyeron la pendiente del perfil (Sunamura y Horikawa, 1974; Hattori y Kawamata, 1980). Una extensa revisión acerca de los criterios existentes puede verse en Larson (1988) y Negro (1990). Jiménez y Sánchez-Arcilla (1993) analizan la capacidad de predecir cuantitativamente los cambios en el perfil de una serie de parámetros, concluyendo que para ello había que incluir la pendiente del perfil inicial (Jiménez et al., 1993). MODELOS PREDICTIVOS Una vez vista esta somera descripción de los cambios que se producen a diferentes escalas de tiempo y espacio, a continuación se presentaran parte de las herramientas disponibles para predecirlos. La importancia de estas herramientas radica en que permitirán estimar el efecto que puede generar cualquier acción realizada en la costa sobre la situación evolutiva de la misma. Con ello, se podrían evitar acciones contraproducentes a la vez que permitirían diseñar de forma efectiva actuaciones de protección costera. Modelos físicos La primera herramienta disponible son los modelos físicos, considerando como tales los modelos de laboratorio y las medidas de campo. El primer y mas grande de los laboratorios es la naturaleza, en la que se pueden medir todos los procesos antes descritos a una escala real (ver e.g. Howd y Birkemeier, 1987; Sánchez-Arcilla et al., 1991). El problema radica en que el control de un tramo de costa supone, dependiendo de su tamaño, un gran esfuerzo tanto de personal, como de aparataje, lo que redunda en un coste difícilmente asumible, a no ser que las características del tramo costero en si lo justifiquen (un ejemplo podía ser la costa holandesa). Actualmente, se están desarrollando nuevas tecnologías cuya utilización, como puede ser el GPS en levantamientos topográficos (ver e.g. Morton et al., 1993) o como la teledetección, permitirán en un futuro próximo el abaratamiento de los costos y la reducción del tiempo de ejecución. A fin de intentar reproducir y estudiar los cambios costeros de forma controlada, se utilizan los experimentos de laboratorio o, modelos físicos propiamente dichos. Estos se pueden dividir en dos grandes clases dependiendo de la escala a la que se realizan: modelos a pequeña escala y modelos a gran escala. Los modelos a pequeña escala, se caracterizan por reproducir las condiciones del oleaje incidente utilizando relaciones de escala que permiten trabajar con alturas de ola del orden de hasta 100 veces menores de las reales. Aunque las características del oleaje pueden llegar a reproducirse de forma adecuada mediante estas escalas, no ocurre lo mismo con el sedimento, ya que sus dimensiones no pueden ser reducidas, por lo que en este tipo de modelos es intrínseco la retención de algunos efectos de escala dependiendo de las dimensiones utilizadas. Dentro de los modelos a pequeña escala destacan los modelos en planta, realizados en piscinas de oleaje, generalmente multidireccional, en los que se pueden reproducir de forma mas que aceptable, el efecto de estructuras sobre la morfología en planta de las playas. Hay que notar que este tipo de modelos no existen a gran escala, debido a las dimensiones que implicarían. Los modelos físicos de perfil tratan de estudiar la dinámica transversal que se genera en el perfil de playa por incidencia normal del oleaje, y se realizan en canales de oleaje, en los que el eje longitudinal de este suele ser del orden de 20 veces o mas el ancho del mismo. Aunque existen numerosos canales de pequeña escala, debido a los efectos antes mencionados, no pueden competir a la hora de caracterizar la dinámica del perfil con los grandes canales. Los modelos a gran escala serían aquellos realizados en grandes canales, en los que los problemas de escala se reducen a su mínima expresión, y donde las alturas de ola utilizadas se aproximan a las que se pueden encontrar en la naturaleza. Los conjuntos de datos a gran escala existentes son los debidos a Kraus y Larson (1988), Kraus et al. (1992), Kajima et al. (1982), Dette y Uliczka (1987), Vellinga (1986) y Sánchez-Arcilla et al. (1994). Modelos numéricos basados en la física Dado el coste que supone tanto la obtención de datos en campo, como en laboratorio, la utilización de modelos predictivos, se ha convertido en la principal herramienta para caracterizar y predecir el comportamiento costero. Su principal ventaja es la rapidez y economía que representa para el usuario, mientras que entre las desventajas, hay que citar las simplificaciones que encierran, por lo que hay que aplicarlos dentro de las hipótesis en las que han sido desarrollados y, tras una previa calibración. Existen numerosas clases de modelos numéricos, validos para las distintas escalas de tiempo y espacio (e.g. ver Kraus, 1988). Entre los mas utilizados cabe destacar los modelos de 1 línea, en los que sólo simulan las variaciones en planta y donde el único agente impulsor es el transporte longitudinal de sedimentos (e.g. Hanson INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 105 Hanson y Kraus, 1989). Este tipo de modelo, aunque aceptable el impacto de las obras costeras relacionadas con modificaciones del esquema de transporte longitudinal, a una escala a la que se suele diseñar este tipo de actuaciones (Figura 5). Una extensión de este tipo de modelo es el modelo de 2 líneas, en los que se incluye de forma paramétrica los efectos del transporte transversal. reproducir el comportamiento de la costa. Dado que son modelos empíricos, cuanto mas grande sea el conjunto de datos, mayor será su fiabilidad. La desventaja principal es que no tienen en cuenta la física del proceso, y se limitan a hacer un tratamiento estadístico del conjunto de datos, teniéndose que interpretar posteriormente los resultados. El ejemplo típico de estos modelos es el de funciones ortogonales empíricas (Winant et al:, 1975; Medina et al., 1990). Figura 5. Simulación del efecto de diques exentos con un modelo de 1 linea (Hanson y Kraus, 1989). Aparte de estos modelos, existen otros con un nivel de resolución mucho mas detallado y, que reproducen la acción de prácticamente todos los agentes impulsores existentes. Su esquema de trabajo es: propagación del oleaje, estimación del campo de corrientes, evaluación de las tasas de transporte de sedimento y evolución del fondo. Entre estos se encuentran los modelos de evolución del perfil (modelos 2DV) y los modelos completos de evolución del fondo (modelos 2DH). Una revisión detallada acerca de los mismos puede verse en Horikawa (1988). Modelos numéricos basados en la estadística Existe una serie de modelos que aunque son capaces de simular el comportamiento evolutivo de una costa, su desarrollo esta basado en un análisis estadístico de datos registrados sobre la evolución de la misma. Estos modelos, analizan un conjunto de datos dado y a través de determinadas funciones empíricas, son capaces de aislar los distintos modos de evolución del tramo costero analizado y a partir de una serie de funciones Modelos analíticos Aunque desde el desarrollo de los ordenadores personales y su rápida expansión hacia aparatos con grandes velocidades de calculo, la utilización de modelos numéricos esta al alcance de todo aquel que posea una ordenador, existen una serie de modelos analíticos, mucho mas sencillos de aplicar que, respetando las hipótesis sobre las que se han desarrollado, pueden dar una estima aceptable del comportamiento de la costa. A continuación se describen algunos de los mas utilizados y las condiciones bajo las que se pueden aplicar, tanto en planta como en perfil. Modelos en planta Bahías de equilibrio: Uno de los modelos analíticos mas conocidos para la determinación de la forma en planta es el de bahías de equilibrio,' en los que se predice la forma de equilibrio de playas encajadas. Se parte del concepto de que la configuración de equilibrio es aquella en la que el transporte de sedimentos a lo largo de la costa se anula. Esto implica que en todo muy simplista, permite predecir con una fiabilidad INGENIERÍA DE PLAYAS Ingeniería del Agua. Vol. 1 Num. 2 (1994) p. 112 REFERENCIAS Battjes, J.A. (1974). Surf similarity. Proc. of the 14th Coastal Eng. Conf., ASCE, 466480. Berenguer, J.M. y Enríquez, J. (1988). Design of pocket beaches. The Spanish case. Proc. 21st Coastal Eng. Conf., ASCE, 1411-1425. Bodge, K. (1992). Representing equilibrium beach profiles with an exponential expression. 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