Análisis de la transferencia de oleaje producida en diferentestipologías de arrecife de coral en Recife (Brasil)

Abstract

ABSTRACT: The coastal zone is one of the most dynamic, complex and productive systems that can be found in natural environments. These sectors favor the concentration of urban settlements, mainly due to industrial, fishing, tourism and transportation productivity. Specifically in Brazil, approximately 20% of the population is found in coastal municipalities and due to its location in the neotropical biogeographic region, its coastal zone is characterized by having varied ecosystems and natural environments, such as atolls, reefs, algae banks, estuaries, marshes, mangroves, among others. Ecosystems such as coral reefs have the ability to act as natural protection in the event of extreme waves, but strong urban pressure and climate change can degrade these environments, potentially causing a decrease in the protection service. Based on information from bathymetric profiles, hydrodynamic conditions measured in the field and maritime climate databases at depths waters, in this work an analysis of wave transfer has been carried out in fringing and platform coral reef profiles, using the IH2VOF model. In the first place, field measurements (from Costa et al. (2015)) have been used to validate the performance of the detail model, obtaining that it manages to represent the waves transferred along the profiles under study, both for mean and storm conditions. Additionally, within the validation process the influence of infragravitational wave has been analyzed through the generation of irregular waves with secondorder components, obtaining that this type of waves is of greater importance in the fringing reef, which is mainly due to breaking wave process on the crest of the reef, dissipating the energy of short waves (low periods). Subsequently, in order to characterize the energy transmission coefficient in the current maritime climate conditions, a description of mean and extreme conditions of the maritime climate in the area at depth water has been made. Thus, a set of sea states have been selected that have been propagated in front of the coral reef profiles. The results of this wave propagation process are used as initial conditions to carry out simulations with the IH2VOF, that allow obtaining the wave height transmitted in the fringing and platform reefs. In this way, the transmission coefficients for the current maritime climate conditions are determined. The analysis of the transmission coefficient under current conditions indicates that the two typologies considered have the capacity to attenuate the height of the incident wave. The fringing reef provides a greater protection service, being able to decrease the wave height by up to 94% at times of low tide, while the platform reef produces a maximum attenuation of 69% under the same conditions. The differences mentioned are mainly due to the fact that the fringing reef has a higher elevation at its crest, which causes the break of the waves at that point, while in the platform reef the dissipation of energy occurs as the waves propagates across the profile. Finally, with the aim of evaluating the effects of climate change on transmission coefficients in the future, effects of an increase in mean sea level and a decrease in the elevation of the crest of the reefs have been incorporated, making new propagations for a storm condition and obtaining the variations of the transmission coefficient through simulations carried out with the IH2VOF. The results indicate that, when considering these two scenarios together, the wave height transmission coefficient increases by 40% in the fringing reef and by 69% in the platform reef. Furthermore, the values of the transmission coefficient under these scenarios cannot be described by the linear regression adjustment carried out for the current conditions, so it is considered that they must be analyzed independently to obtain adjustments that allow predicting future variations with a greater precision.

RESUMEN: La zona costera es uno de los sistemas más dinámicos, complejos y productivos que se pueden encontrar en los ambientes naturales. Estos sectores favorecen la concentración de asentamientos urbanos, debido principalmente a la productividad industrial, pesquera, turismo y transporte. Específicamente en Brasil, aproximadamente el 20% de la población se encuentra en municipios costeros y debido a su ubicación en la región biogeográfica neotropical, su zona costera se caracteriza por poseer variados ecosistemas y ambientes naturales, como atolones, arrecifes, bancos de algas, estuarios, marismas, manglares, entre otros. Ecosistemas como arrecifes de coral tienen la capacidad de actuar como obras de protección naturales ante episodios de oleaje extremo, pero la fuerte presión urbana y el cambio climático pueden degradar estos ambientes, pudiendo provocar una disminución en el servicio de protección. Con base en información de perfiles batimétricos, condiciones hidrodinámicas medidas en campo y bases de datos de clima marítimo en profundidades indefinidas en este trabajo se ha llevado a cabo un análisis de la transferencia de oleaje en perfiles de arrecife de coral tipo franja y plataforma, mediante el modelo IH2VOF. En primer lugar, las mediciones de campo (provenientes de Costa et al. (2015)) han sido utilizadas para validar el desempeño del modelo de detalle, obteniendo que éste logra representar el oleaje transferido a lo largo de los perfiles en estudio, tanto para condiciones medidas como de tormenta. Adicionalmente, dentro del proceso de validación se ha analizado la influencia de onda infragravitatoria mediante la generación de oleaje irregular con componentes de segundo orden, obteniendo que este tipo de ondas tiene mayor importancia en el arrecife tipo franja, lo que se debe principalmente a la rotura de oleaje en la cresta del arrecife, lo que disipa la energía de olas cortas (bajos periodos). Posteriormente, con el objetivo de caracterizar el coeficiente de transmisión de energía en las condiciones de clima marítimo actuales, se ha realizado una descripción de condiciones medias y extremas del clima marítimo en la zona en profundidades indefinidas. Así, se han seleccionado un conjunto de estados de mar que han sido propagados frente a los perfiles de arrecife de coral. Los resultados de este proceso de propagación del oleaje son utilizados como condiciones iniciales para la realización de simulaciones con el IH2VOF, que permiten obtener la altura de ola transmitida en los arrecifes tipo franja y plataforma. De esta forma, se determinan los coeficientes de transmisión para las condiciones de clima marítimo actuales. El análisis del coeficiente de transmisión en condiciones actuales indica que las dos tipologías consideradas tienen capacidad para atenuar la altura de ola incidente. El arrecife tipo franja presta un mayor servicio de protección, pudiendo disminuir la altura de ola hasta en un 94% en instantes de bajamar, mientras que el arrecife plataforma produce una atenuación máxima del 69% bajo las mismas condiciones. Las diferencias mencionadas se deben principalmente a que el arrecife tipo franja posee una mayor elevación en su cresta, lo que produce la rotura del oleaje en dicho punto, mientras que en el arrecife tipo plataforma la disipación de la energía se produce a medida que el oleaje recorre el perfil. Finalmente, con el objetivo de evaluar los efectos del cambio climático en los coeficientes de transmisión en el futuro, se han incorporado efectos de aumento del nivel medio del mar y la disminución en la elevación de la cresta de los arrecifes, realizando nuevas propagaciones frente a los perfiles para una condición de oleaje de tormenta y obteniendo las variaciones del coeficiente de transmisión mediante simulaciones realizadas con el IH2VOF. Los resultados indican que, al considerar estos dos escenarios de forma conjunta, el coeficiente de transmisión de altura de ola aumenta en un 40% en el arrecife franja y en un 69% en el arrecife plataforma. Además, los valores del coeficiente de transmisión bajo estos escenarios no logran ser descritos mediante el ajuste por regresión lineal realizado para las condiciones actuales, por lo que se considera que deben ser analizados de forma independiente para lograr obtener ajustes que permitan predecir variaciones futuras con una mayor precisión.