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Measurement of suspended sediment concentration using optical and acoustic devices: application in tropical systems (Mira River Delta, Colombia)/Medicion de la concentracion de sedimentos en suspension mediante dispositivos opticos y acusticos: aplicacion en sistemas tropicales (Delta del rio Mira, Colombia).

INTRODUCCION

Los cambios en la linea de costa y la topografia submarina (Meadows & Campbell, 1981), el flujo de nutrientes y compuestos quimicos hacia el oceano, y la penetracion de la luz a traves del agua, son algunos de los procesos relacionados con la concentracion de sedimentos en suspension (CSS). A pesar de su importancia en los procesos estuarinos, la estimacion de la CSS ha sido compleja debido a su alta variabilidad temporal y espacial (Dyer, 1995). La CSS depende, principalmente, del tipo de estuario (i.e. altamente estratificado, parcialmente mezclado, bien mezclado) (Dyer, 1995), magnitud y variabilidad de las descargas fluviales (Milliman & Meade, 1983), caracteristicas de los procesos hidrodinamicos (i.e. efectos de friccion, circulacion residual) (Nichols & Biggs, 1985; Dronkers, 1986), caracteristicas del sedimento (i.e. granulometria, floculacion, velocidad de sedimentacion) (Krone, 1978), ocurrencia de zonas de maxima turbidez (Jiufa & Chen, 1998) y tasa de residencia de los sedimentos, entre otros.

Para determinar la CSS se han utilizado instrumentos como turbidimetros, trampas de sedimento, muestreadores mecanicos y botellas Niskin (USGS, 1999). Algunos autores (Jiufa & Chen, 1998; Creed et al., 2001) han senalado que estos instrumentos modifican las condiciones fisicas del muestreo (i.e. velocidad de captura, volumen de muestra) conduciendo a imprecisiones en el valor de CSS. Estos instrumentos realizan mediciones puntuales, y por lo tanto no permiten cuantificar la variabilidad temporal y espacial de la CSS (Holdaway et al., 1999). En los ultimos anos se han utilizado instrumentos opticos (e.g. Optical Backscatter Sensor-OBS) y acusticos (e.g. Acoustic Doppler Current Profiler-ADCP) para estimar la CSS (Holdaway et al., 1999; Alvarez & Jones, 2001; Tattersall et al., 2003; Kostaschuk et al., 2005; Dinehart & Burau, 2005; Fettweis et al., 2006; Merckelbach & Ridderinkhof, 2006). El OBS es un sensor optico que mide turbidez y CSS, detectando la radiacion infrarroja retrodispersada por las particulas en suspension (Creed et al., 2001). El ADCP es un dispositivo acustico utilizado principalmente para hacer perfiles de velocidad emitiendo pulsos sonoros a traves de la columna de agua y registrando la intensidad y frecuencia del eco reflejado por las particulas en suspension. Recientemente se ha demostrado que la intensidad de la senal registrada por el ADCP es proporcional a la CSS (Thorne & Hanes, 2002; Nortek, 2004; Dinehart & Burau, 2005). En tal sentido, el OBS y el ADCP permiten realizar mediciones durante largos periodos de tiempo sin interferir directamente con la dinamica de los sedimentos en suspension. Ademas, el ADCP registra variaciones espaciales de la CSS a traves de las mediciones efectuadas en la columna de agua (Gartner, 2002). Investigaciones recientes han mostrado el alto desempeno y confiabilidad de los OBS y ADCP en la medicion de CSS (Holdaway et al., 1999; Creed et al., 2001; Masselink & Hughes, 2003; Dinehart & Burau, 2005; Fettweis et al., 2006). Sin embargo, en la actualidad no se tienen reportes del uso de esta tecnologia en ambientes tropicales.

La mayoria de los estudios sobre concentracion y transporte de sedimentos en zonas tropicales se ha dirigido hacia la obtencion de mediciones puntuales y a la aplicacion de ecuaciones empiricas y modelos con ecuaciones hidrodinamicas y de transporte promediadas en la vertical (Jiufa & Chen, 1998; Chen et al., 2001; Shi et al., 2003). En este trabajo se busca (i) obtener mediciones de CSS mediante dispositivos OBS-3A y ADCP en el delta del rio Mira (Fig. 1), discutiendo las ventajas y desventajas en su implementacion, y (ii) verificar la aplicacion de las ecuaciones de calibracion para la medicion de concentracion de sedimentos en suspension en ambientes tropicales.

El delta del rio Mira

El delta del rio Mira (Fig. 1) tiene una superficie subaerea de 520 [km.sup.2] que se extiende desde el apice ubicado aproximadamente a 20 km de la linea de costa. Esta compuesto por un sistema de descarga principal localizada en la Boca de Milagros y siete distributarios menores al sur y al norte del canal principal. La desembocadura principal (Boca de Milagros) tiene ~370 m de ancho en su parte mas extensa y se caracteriza por la presencia de deltas y espigas de marea bajante. Los esteros Guadarajo y Brazo del rio Mira, principales distributarios (que desembocan cerca a la isla del Morro) se desprenden desde el apice del delta, mientras que los demas distributarios lo hacen desde el curso del rio sobre el plano deltaico (Monroy et al., 2008) (Fig. 1). El plano deltaico subaereo, con un gradiente de 0,053 m [m.sup.-1] (Restrepo & Lopez, 2008), se divide en dos sectores segun el dominio mareal o fluvial de los procesos hidrodinamicos que operan en el delta. Restrepo & Lopez (2008) indicaron que el plano deltaico de dominio marino, definido por la extension de manglar en los distributarios y canales de marea, se extiende hacia el continente entre 2 y 8 km, siendo mayor la extension cerca al estero Guadarajo (Fig. 1) debido a que la influencia mareal en este sector es mayor.

Entre las principales caracteristicas del rio Mira se destaca su descarga de solidos en suspension, estimada en 9,77 x [10.sup.6] ton [ano.sup.-1] (Restrepo & Lopez, 2008), que constituye junto con los rios Patia (Narino) y San Juan (Valle del Cauca, Choco) cerca del 50% del aporte de sedimentos de los rios del Pacifico colombiano, que se estima aproximadamente en ~96 x [10.sup.6] ton [ano.sup.-1]. Esta zona se caracteriza por una marea de tipo semidiurno (Otero & Restrepo, 2008). En Boca de Milagros (Fig. 1) hay rangos de marea media de 2,1 m, con maximos de 2,6 m (sicigia) y minimos de 1,6 m (cuadratura). En Bocana Nueva (Fig. 1) se observan rangos medios de 2,0 m, que varian entre 2,7 m y 1,1 m durante sicigia y cuadratura, respec-tivamente; mientras que en el estero Guadarajo se estima una marea media de 2,20 m, con valores minimos y maximos de 1,40 y 2,90 m, respec-tivamente (Otero & Restrepo, 2008). El delta del rio Mira se caracteriza ademas por la presencia de trenes de olas (en aguas profundas) con alturas significativas que varian entre 0,29 y 2,33 m, periodos maximos que oscilan entre 5 y 23 s, con direcciones predominantes suroeste y sursuroeste (Restrepo & Lopez, 2008; Restrepo et al., 2008).

[FIGURA 1 OMITIR]

En cuanto a las caracteristicas fisicas del sedimento en esta zona, el estudio de las facies sedimentarias de la plataforma continental del Pacifico colombiano (CCCP, 2003) indica que los sectores central (Boca de Milagros) y norte (islas barrera de Bocagrande, la Viciosa, el Morro y Tumaco) del delta del rio Mira (Fig. 1), estan compuestos por sedimentos finos que varian entre arenas y lodos de origen litoclastico. Muestreos puntuales adelantados por el Centro Control de Contaminacion del Pacifico (DIMAR-CCCP) indican que estos sitios presentan arenas finas a lodosas, con un [D.sub.50] que varia entre 0,1 y 0,3 mm, una densidad de sedimento entre 2,2 y 3,1 g [cm.sup.-3] y una porosidad media del 26% (CCCP, 2003).

MATERIALES Y METODOS

Dispositivo optico: Optical Backscatter Sensor-OBS-3A

El dispositivo OBS-3A cuenta con un sensor OBS (Optical Backscatter Sensor) que mide turbidez y CSS emitiendo radiacion en el infrarrojo cercano y registrando la porcion de radiacion que es retrodispersada por las particulas en suspension. Este sensor se encuentra constituido por un diodo de emision de luz infrarroja (IRED) con un maximo de longitud de onda de 875 nm que produce un rayo conico con una abertura de 50[grados], un arreglo de cuatro fotodiodos que registran la radiacion infrarroja esparcida entre 140[grados]y 160[grados], y un filtro que elimina la luz solar (D&A Instrument, 2004). El valor de CSS registrado por el OBS depende de las caracteristicas fisicas del sedimento. (i) La relacion inversamente proporcional entre el diametro de la particula y la radiacion retrodispersada hace que el tamano de la particula sea la variable de mayor influencia en la medicion; (ii) altas concentraciones de sedimento ([mayor que o igual a]5 g [L.sup.-1] absorben gran parte de la radiacion incidente, dando como resultado valores de CSS inferiores a los esperados; (iii) el color de los sedimentos, que depende de su composicion mineralogica; y (iv) la presencia de burbujas tambien puede generar cambios en la respuesta del OBS-3A (Butt & Ganderton, 2002; Fettweis et al., 2006). La influencia de este ultimo parametro es menor en conjuntos de sedimentos compuestos principalmente por lodos y disminuye a medida que aumenta la salinidad (Puleo, 2004).

Para la calibracion del OBS-3A se construyo un montaje experimental derivado del modelo propuesto por Butt & Ganderton (2002). Este montaje garantiza una mezcla homogenea de sedimento no cohesivo para concentraciones menores a 30 g [L.sup.-1]. El tamano medio de grano para la calibracion se selecciono a partir del analisis textural de 50 muestras desagregadas de sedimento de fondo (0,07 mm < [fi] < 2,50 mm) recolectadas en el sector frontal del delta del rio Mira (Fig. 1). Se determino un tamano medio de grano de 0,2 [+ o -] 0,1 mm (arenas finas). Por lo tanto, dos OBS-3A denominados OBS-204 y OBS-207 fueron calibrados con sedimentos de diametro de 0,2 y 0,3 mm, respectivamente, para evaluar las diferencias en la respuesta del OBS-3A frente a cambios en el tamano medio de grano. Se establecio un rango de concentracion de ~0 a 2000 mg [L.sup.-1] para la calibracion de los dispositivos. Este intervalo fue establecido a partir del registro historico de la estacion hidrologica San Juan (1980-2000), la mas cercana a la desembocadura del rio Mira (~30 km; 1,25[grados]N, 78,39[grados]W) y de cuatro mediciones puntuales desarrolladas por el CCCP en el 2005 en el sector frontal del delta (Fig. 1). Estos registros mostraron valores de CSS entre 10 y 570 mg [L.sup.-1.]

Se obtuvieron ecuaciones de calibracion (Ecuacion 1 y 2) con coeficientes de correlacion significativos a un nivel de confianza del 99% y un valor residual promedio de 0,001 mg [L.sup.-1] (i.e. magnitud promedio de los residuos inferior al 1% del rango de medicion),

[CSS.sub.204] = 8.671 x [10.sup.-7] ([c.sup.3) - 0,088 ([c.sup.2) + 2.898(c) - 3.225 x [10.sup.7] (n = 8, [r.sup.2] = 0,98) (1)

[CSS.sub.207] = 8.781 x [10.sup.-7] ([c.sup.3]) - 0,092([c.sup.2]) + 2.941 (c) - 3.224 x [10.sup.-7] (n = 8, [r.sup.2] = 0,94) (2)

donde, c corresponde a la senal interna de respuesta del OBS-3A (counts) frente a las variaciones de la concentracion de sedimentos en suspension (D&A Instrument, 2004); [CSS.sub.204] y [CSS.sub.207] representan la concentracion de sedimentos en suspension (mg [L.sup.-1]) estimada por los dispositivos OBS-204 y OBS-207, respectivamente

Dispositivo acustico: correntometro AWAC-ADCP

El ADCP es un dispositivo acustico utilizado para medir velocidad de corrientes en la columna de agua. Mediante un conjunto de transductores emite pulsos de sonido a traves de la columna de agua con una frecuencia fija. En este estudio se trabajo con un correntometro Nortek AWAC ADCP con una frecuencia de emision de 600 kHz. A medida que el pulso de sonido se propaga es reflejado en todas las direcciones por las particulas en suspension. Parte de esta energia retorna al ADCP, que registra el nuevo valor de frecuencia de esta senal. Usando el efecto Doppler y el cambio en la frecuencia emitida se determina la velocidad de las particulas, que se considera igual a la del fluido que las transporta (Kostaschuk et al., 2005). El ADCP (600 kHz) registra la amplitud de la senal recibida (medida en "counts"-unidades internas del equipo), la cual se ha determinado que es proporcional a la CSS (Holdaway et al., 1999).

La transformacion de counts a valores de CSS requiere: (i) ajustar los valores de counts a una escala lineal de medicion, y (ii) lograr que los valores escalados sean funcion de las particulas en suspension e independientes de la profundidad y velocidad de propagacion del sonido (Lohrmann, 2001). Por lo tanto, es necesario someter la senal a una serie de correcciones debido a la perdida de intensidad que sufre a medida que se propaga a traves de la columna de agua: (i) forma conica del haz acustico, (ii) absorcion de la onda acustica por el agua, y (iii) dispersion y absorcion de la energia acustica por las particulas suspendidas (Lohrmann, 2001) (Ecuacion 1):

EL = counts x 0,43 + 20[log.sub.10] (R) + 2[[alfa].sub.w]R + 20R[integral][[alfa].sub.p]dr (3)

donde EL es el nivel de eco acustico; 0,43 es un factor de escalamiento (AWAC ADCP 600 kHz); R es el rango a lo largo del haz acustico; [[alfa].sub.w] es el coeficiente de absorcion del agua en dB [m.sup.-1], este valor depende de la frecuencia del ADCP, la salinidad y la presion (profundidad donde se encuentra el equipo) y se calculo utilizando el modelo de Francois & Garrison (1982a, 1982b) (ecuacion 4); [[alfa].sub.p] (dB [m.sup.-1]) es la atenuacion de las particulas integrada en profundidad.

[[alfa].sub.w] = [[A.sub.1][P.sub.1][F.sub.1][f.sup.2]/[F.sub.1.sup.2] + [f.sup.2]] + [[A.sub.2][P.sub.2][F.sub.2][f.sup.2]]/[F.sub.2.sup.2] + [f.sup.2]] + [[A.sub.3][P.sub.3][f.sup.2]] (4)

donde,

[EXPRESION MATEMATICA IRREPRODUCIBLE EN ASCII]

T es la temperatura del agua en [grados]C; f es la frecuencia de emision del correntometro, S es la salinidad; y d la profundidad en m. Ademas, este grupo de ecuaciones mostraron que el coeficiente de absorcion tambien esta determinado por la velocidad a la cual se propaga el sonido a traves del agua, c (Ecuacion 5). Este valor depende a su vez de la temperatura, salinidad y presion, que se relaciona con el aumento de la profundidad,

c = 1410 + 421t - 3,7[t.sup.2] + 110S + 0,18d (5)

La Ecuacion 3 (ecuacion con correcciones) se aplico a un conjunto de datos registrados por el ADCP (600 kHz) (Fig. 4) durante campanas realizadas en los anos 2006 y 2007 en el delta del rio Mira (Fig. 1). El ADCP permanecio fijo en el fondo con los transductores dirigidos a la superficie, a una distancia de 0,70 m del fondo. Los valores de counts de la ultima celda de medicion (~0,5 m) fueron eliminados puesto que estan influenciados por la intensidad de la senal que se refleja en la superficie (Lohrmann, 2001; Nortek AS, 2004).

Mediciones de CSS en el delta del rio Mira

Para evaluar la respuesta de los dispositivos OBS-3A frente a los cambios del ciclo mareal se realizo un monitoreo de CSS y turbidez en la isla del Morro cerca al estero Guadarajo (Fig. 1). Los instrumentos (OBS-204, OBS-207) fueron instalados a 2,1 m. del fondo y programados para realizar mediciones de CSS, turbidez y nivel del mar durante 72 h. Se utilizo un intervalo de medicion de 10 min, con valores de CSS y turbidez promediados a partir de 2 min de obtencion de datos. Considerando que los OBS-3A fueron calibrados con sedimento de tamano de grano diferente se aplico una prueba t pareada y una prueba de regresion para comparar los registros de CSS y turbidez obtenidos por cada dispositivo (Montgomery & Runger, 1996).

Para comparar la respuesta de los dispositivos (OBS-3A y ADCP) y evaluar su desempeno en diferentes ambientes se realizaron dos muestreos con mediciones simultaneas en el delta del rio Mira: (i) Boca de Milagros (ambiente fluvial), e (ii) isla del Morro (ambiente costero) (Fig. 1). Tambien se utilizo una botella Niskin para extraer muestras de agua y determinar CSS por proceso de filtrado y gravimetria. Aun cuando la botella Niskin es un muestreador no iso-cinetico e intrusivo, se ha utilizado para ajustar los coeficientes de calibracion de dispositivos acusticos y opticos (Baker & Lavelle, 1984; Campbell & Spinrad, 1987; Jones & Jago, 1994; Holdaway et al., 1999; Gartner, 2002). (i) En Boca de Milagros (desembocadura del rio Mira, ambiente fluvial) se selecciono una seccion transversal con profundidades entre 1,75 y 6,75 m y ancho de 210 m (Fig. 1). Para el analisis se tomaron cuatro estaciones ubicadas a 133, 163, 173 y 183 m del origen de la seccion, con profundidades entre 5,7 y 6,7 m (Fig. 1). En cada estacion se tomaron datos con el OBS-3A, el ADCP y se extrajeron muestras de agua con la botella Niskin a intervalos de 1 m de profundidad hasta alcanzar el fondo del canal. Estas estaciones fueron seleccionadas porque sus profundidades permiten obtener un mayor numero de datos en la columna de agua y registran las mayores velocidades de la seccion. (ii) En la isla del Morro (ambiente costero) se utilizo un montaje estatico (Fig. 1). El ADCP permanecio fijo en el fondo, con los transductores a una distancia de 0,70 m del fondo dirigidos hacia la superficie. El OBS-3A (207) fue sumergido a una distancia vertical de ~1,3 m respecto al ADCP. Considerando que el tamano de las celdas de muestreo y de la distancia de blanqueo es de 0,5 m se determino que la region monitoreada por el OBS-3A corresponde a la segunda celda de medicion del ADCP. Ademas, se recolectaron 25 muestras de agua con una botella Niskin a una profundidad de ~6 m (Fig. 1). Por las restricciones del lugar donde se instalaron los equipos (muelle-base militar) no se adquirieron datos continuos. Se obtuvieron datos simultaneos durante condiciones de reflujo mareal, durante el inicio del flujo mareal y al final del periodo de flujo mareal.

RESULTADOS

Mediciones de CSS registradas con el dispositivo OBS-3A

El dispositivo OBS-204 estimo un valor maximo de 18,3 NTU, mientras que el OBS-207 registro valores hasta de 19,2 NTU (Fig. 2a). Aun cuando existe una correlacion significativa (r = 0,86; P < 0,001) entre la turbidez registrada por ambos dispositivos, y que ademas estos valores presentan la misma tendencia (Fig. 2a), se encontraron diferencias significativas (prueba t pareada, P < 0,1) entre las mediciones de turbidez efectuadas por cada OBS-3A. En promedio, se observaron diferencias hasta del 5% entre las mediciones de turbidez registradas por los dispositivos (Fig. 2a). Los OBS-207 y OBS-1204 midieron CSS hasta de 61,8 y 421,4 mg [L.sup.-1], respectivamente. Aunque las series de CSS medidas por cada dispositivo presentan una correlacion significativa (Fig. 2b), la comparacion entre los valores registrados mostro diferencias significativas (prueba t pareada, P < 0,1).

Existe una relacion entre las variaciones de CSS y turbidez con los cambios en el nivel del mar (Jiufa & Chen, 1998; Tatersall et al, 2003; Merckelbach & Ridderinkhoff, 2006). En periodos de bajamar se presentan las menores concentraciones de sedimento con valores de 0,4 mg [L.sup.-1] (OBS-204) y 5,1 mg [L.sup.-1] (OBS-207), asi como los menores registros de tabidez con niveles de 1,4 NTU (OBS-204) y 0,8 NTU (OBS-207). Durante las fases de marea creciente se dan los mayores incrementos de turbidez y de concentracion de sedimentos en suspension, hasta llegar durante pleamar a valores de 18,3 NTU y 472 mg [L.sup.-1] con el OBS-204, y de 19,2 NTU y 61,8 mg [L.sup.-1] con el OBS-207 (Fig. 2).

Comparacion entre los datos de turbidez y concentracion registrados por el OBS

Con el OBS-207 se registraron datos de CSS y turbidez en la isla del Morro (ambiente costero) y la Boca de Milagros (ambiente estuarino) (Fig. 1). Por medio de un ajuste de minimos cuadrados se establecio la correlacion entre la turbidez y la CSS (Ecuaciones 5 y 6):

[CSS.sub.a] = 3,75 x NTU + 5,05 ([r.sub.2] = 0,871) (6)

[CSS.sub.b] = 3,21 x NTU + 7,97 ([r.sub.2] = 0,875) (7)

donde, [CSS.sub.a]--concentracion de sedimentos en suspension medida en la isla del Morro, [CSS.sub.b]--concentracion de sedimentos en suspension medida en la Boca de Milagros, y NTU valores de turbidez. En ambos casos se encontro una relacion lineal entre la turbidez y la CSS, con coeficientes de correlacion relativamente altos y significativos para un nivel de confianza del 99% (Fig. 3, Ecuaciones 6 y 7). En la isla del Morro, ambiente costero, se observaron menores rangos de variacion en la CSS (4,0-38,6 mg [L.sup.-1)] y la tabidez (0,1-11,8 NTU) (Fig. 3a), en comparacion con la variabilidad de CSS (4,8-93,5 mg [L.sup.-1)] y turbidez (0,2-14,0 NTU) registrada en Boca de Milagros, desembocadura principal del rio Mira (Fig. 3b).

Estimacion de CSS a partir de registros de ADCP

A partir de matrices de counts se obtuvo el nivel de eco (EL) en Boca de Milagros, durante condiciones de baja y alta descarga fluvial, y en el estero Guadarajo (Fig.4). En Boca de Milagros el nivel de eco esta relacionado con la magnitud y estratificacion de la velocidad de las corrientes en la columna de agua (Fig. 4a). Cuando la velocidad en la columna de agua es homogenea, o parcialmente homogenea, se produce una debil estratificacion del EL. Ademas, los mayores niveles de eco ([mayor que o igual a] 90 dB) se observaron durante los periodos de reflujo mareal y las primeras horas del flujo mareal, cuando se presentaron las mayores velocidades netas ([mayor que o igual a] 1,2 m [s.sup.-1]). Durante marea alta solo se observan altos niveles de eco ([mayor que o igual a] 80 dB) en las capas mas superficiales de la columna de agua (Fig. 4a). Por el contrario, en Boca de Milagros durante condiciones de altas descargas fluviales se observo una marcada estratificacion del EL en la columna de agua (Fig. 4b). Se mantiene por encima de 60 dB en los estratos mas superficiales (~1,5 m de la superficie), alcanzando valores hasta de 90 dB en condiciones de reflujo mareal. Los niveles de eco mas bajos (~30-50 dB) se presentaron durante la ultima fase de flujo mareal y la fase temprana de reflujo mareal, en las capas mas profundas de la columna de agua (Fig. 4b).

[FIGURA 2 OMITIR]

En el estero Guadarajo, un canal de circulacion mareal del delta del rio Mira (Restrepo & Lopez, 2008), se encontro una distribucion homogenea del EL en la columna de agua (Fig. 4b). Los mayores valores de EL (> 74 dB) coinciden con la fase inicial del flujo mareal (Fig. 4b). Durante marea alta se observaron valores bajos de EL (~60 dB) en las capas mas superficiales, pero tambien se registraron valores altos de EL (~70-80 dB) cerca al fondo (1,5-3,0 m por encima del fondo) (Fig. 4b). En promedio, en Boca de Milagros se registraron mayores niveles de eco que en el estero Guadarajo (Fig. 4).

Comparacion de registros de CSS y nivel de eco (EL)

Desembocadura principal del rio Mira (ambiente fluvial)

La CSS estimada a partir de los registros del OBS-3A mostro una sobre-estimacion superior al 22% respecto a los valores obtenidos por el filtrado de muestras de agua recolectadas con botellas Niskin (Tabla 1). Los valores registrados por el OBS-3A muestran un incremento de la CSS en funcion de la profundidad de la columna de agua (Fig. 5a). De igual forma, el EL registrado por el ADCP, directamente comparable con valores de concentracion (Holdaway et al., 1999; Kostaschuck et al., 2005; Merckebach & Ridderinkoff, 2006), se incremento a medida que los registros se acercaron al fondo del rio (Fig. 5c). Si se considera que la distribucion vertical del tamano de las particulas en suspension fue estable durante el tiempo de muestreo, es posible afirmar que un aumento en el EL correspondio a un incremento en la concentracion de sedimento en suspension (Thorne & Hanes, 2002; Merckelbach & Ridderinkhoff, 2006). Con excepcion de los resultados observados en la estacion A, los valores de CSS obtenidos mediante el analisis gravimetrico de las muestras recolectadas con las botellas Niskin no variaron en funcion de la profundidad de la columna de agua (Fig. 5a). Las mediciones del OBS-3A y el ADCP se ajustaron mas al perfil vertical formulado por Rouse (Martin-Vide, 2000) para describir la distribucion del sedimento en suspension en la columna de agua, asi como a mediciones desarrolladas por algunos autores (i.e. Masselink & Hughes, 2003; Kostaschuck et al., 2005).

[FIGURA 3 OMITIR]

Isla del Morro (ambiente costero)

La serie de datos obtenida se dividio en tres regiones para su analisis (Fig. 6) considerando los horarios de muestreo, los ciclos de marea y las restricciones de seguridad (instrumentos instalados en el muelle de una unidad militar). Se obtuvieron datos simultaneos durante condiciones de reflujo mareal (region I [incremento de h] = 0,1 m), durante el inicio del flujo mareal (region I - [incremento de h] = 0,8 m) y al final del periodo de flujo mareal (region III - [incremento de h] = 0,2 m). En la region I los resultados de la botella Niskin mostraron una concentracion promedio de 6,4 mg [L.sup.-1,] con minimo y maximo de 4,2 y 8,2 mg [L.sup.-1,] respectivamente. Para esta region, el OBS-3A senalo un rango de concentracion que vario entre 17,4 y 30,1 mg [L.sup.-1] (Fig. 6a). En la region II se observo una mayor variabilidad en la CSS, encontrando concentraciones entre 4,9 y 15,7 mg [L.sup.-1] con la botella Niskin, y entre 21,1 y 31,3 mg [L.sup.-1] con el OBS-3A (Fig. 6a). Finalmente, en la region III se observaron los valores mas altos de toda la serie de datos, encontrando CSS de 16,9 y 20,4 mg [L.sup.-1] con la botella Niskin, mientras que el OBS-3A mostro concentraciones superiores a 38,8 mg [L.sup.-1] (Fig. 6a). Aun cuando se observaron algunas tendencias similares entre los datos de CSS obtenidos por medio de la botella Niskin y el OBS-3A, una prueba t pareada indico diferencias significativas (P < 0,1) entre estas concentraciones, y en general, se encontro una sobrestimacion del ~64,2% en los valores de CSS registrados por el OBS-3A con respecto a las concentraciones obtenidas con la botella Niskin (Fig. 6a). La tendencia en los registros de nivel de eco del ADCP presento un comportamiento similar al mostrado por el OBS-3A (Fig. 6b). Los valores mas bajos se presentaron en la region II (64-66 dB), mientras que en la region III se alcanzaron valores de hasta 76 dB. La mayor variabilidad se observo en la region II, con valores de EL entre 62 y 70 dB (Fig. 6b). No se encontro una relacion estadistica significativa entre el nivel de eco y la CSS estimada por medio del OBS-3A o la botella Niskin.

[FIGURA 4 OMITIR]

DISCUSION

Calibracion de equipos OBS-3A y ADCP

Las senal optica del OBS-3A fue calibrada para cuantificar la CSS, y la respuesta acustica del ADCP fue corregida para obtener un indicador (i.e. proxy) de la variabilidad de la CSS en el delta del rio Mira. La aplicacion de este procedimiento en un delta tropical permitio estimar la variabilidad (i) temporal (OBS-3A y ADCP) y (ii) espacial (ADCP) de la CSS, (iii) relacionar la variabilidad de la CSS con los procesos hidrodinamicos del delta (OBS-3A y ADCP), y (iv) estimar flujos netos de transporte de sedimentos a partir de la integracion de datos de velocidad y CSS (ADCP). Sin embargo, la ausencia de una correlacion estadistica significativa entre los datos del OBS-3A y el ADCP (Figs. 5 y 6) indico que la cuantificacion de la CSS en el delta no es concluyente. Lo anterior puede estar relacionado con (i) el efecto del tamano de grano en la calibracion de los dispositivos, (ii) la variabilidad espacial de las caracteristicas texturales del sedimento, (iii) dificultades en la logistica del diseno experimental, y (iv) el efecto de la atenuacion por la concentracion de particulas en suspension en la correccion de la senal acustica (Baker & Lavelle, 1984; Jiufa & Chen, 1998; Creed et al, 2001; Thorne & Hanes, 2002; Williams et al, 2003; Kostaschuck et al, 2005).

La calibracion de dos OBS-3A con diferentes tamanos de grano mostro que una variacion de solo 0,1 mm conduce a diferencias hasta de ~37% en los valores de CSS (Fig. 2b). Esta significativa diferencia implica que la relacion entre la radiacion registrada por el OBS-3A y la CSS varia exponencialmente, ya que la cantidad de radiacion retrodispersada es inversamente proporcional al diametro de la particula (D&A Instruments, 2004; Fettweis et al, 2006). Lo anterior indica que la variabilidad temporal y espacial del tamano de grano constituye una restriccion fundamental en la calibracion de la senal optica del OBS-3A. De acuerdo con Bunt et al. (1999), una relacion lineal entre la turbidez y la CSS indico que durante el tiempo de muestreo el tamano de grano se mantuvo relativamente constante, y que este ultimo determino la pendiente de la recta de ajuste (Bunt et al., 1999). En el delta del rio Mira se obtuvieron relaciones lineales significativas entre turbidez y CSS (Fig. 3). Ademas, las pendientes de las rectas de ajuste en la isla del Morro y la Boca de Milagros mostraron valores de 3,75 y 3,21, respectivamente (Ecuacion 5 y 6). Lo anterior sugiere que en el delta del rio Mira el tamano de grano permanecio relativamente constante durante el tiempo de muestreo y tambien a escala geografica (Isla del Morro y Boca de Milagros (Fig. 1)). Considerando que la respuesta del OBS-3A esta determinada por algunas de las caracteristicas del sedimento (i.e. tamano, forma, color), esta relacion lineal es un indicador favorable para el uso del OBS-3A en la estimacion de la CSS en el delta del rio Mira. Sin embargo, las curvas de ajuste entre turbidez y CSS unicamente tienen validez a escala local y solo deben ser empleadas para propositos descriptivos o semicuantitativos.

Para comparar los resultados de cada uno de los dispositivos (OBS-3A y ADCP) se requieren mediciones simultaneas en un mismo punto de la columna de agua. Esta condicion es dificil de asegurar (Kostaschuck et al., 2005). El OBS-3A requiere estar sumergido a diferentes profundidades de la columna de agua para realizar mediciones puntuales de CSS. En zonas donde se registraron altas velocidades (> 0,6 m [s.sup.-1)] el OBS-3A puede sufrir un desplazamiento longitudinal. Por lo tanto, no es posible garantizar que en estas condiciones las lecturas (OBS-3A y ADCP) sean efectuadas a la misma profundidad en la columna de agua. Ademas, se ha senalado que durante condiciones de turbulencia generadas por corrientes con velocidades > 0,7 m [s.sup.-1] se generan senales adicionales de retrodispersion acustica, que afectan las mediciones de los dispositivos (Reichel, 1998; Kostaschuck et al, 2005; Merckelbach & Ridderinkhoff, 2006).

[FIGURA 5 OMITIR]

[FIGURA 6 OMITIR]

El proceso de conversion de la senal acustica del ADCP a CSS requiere la correccion de la senal acustica a nivel de eco (EL) (Ecuacion 3) y la obtencion de una curva de ajuste (lineal o logaritmica) entre CSS y EL (e.g. Holdaway et al., 1999; Gartner, 2002; Thorne & Hanes, 2002; Kostaschuck et al., 2005). Los valores de counts entregados por el ADCP (Fig. 4a) fueron corregidos considerando las perdidas en intensidad de la senal originadas por la dispersion geometrica y la atenuacion causada por la propagacion del haz acustico en un medio liquido (Ecuacion 3). Aun cuando la Ecuacion 3 considera la influencia de las particulas en suspension en la atenuacion de la senal, algunos autores (Alvarez & Jones, 2001; Merkelbach & Ridderinkhoff, 2006) senalan que los procesos de ajuste in situ, y la implementacion de modelos de retrodispersion (i.e. backscatter) en la correccion de la intensidad de la senal acustica del ADCP, hacen innecesaria la correccion por atenuacio de las particulas en suspension al incluirla en forma implicita dentro de los terminos y constantes del ajuste (Merkelbach & Ridderinkhoff, 2006; USGS, 2006). Las aproximaciones que no incluyen el efecto de las particulas en suspension en la atenuacion de la senal del ADCP han sido aplicadas con bastante exito en ambientes dominados por sedimentos no-cohesivos (Thorne & Hanes, 2002). Sin embargo, la correccion por dispersion y absorcion de la energia acustica por particulas en suspension puede mejorar en forma significativa la estimacion de la CSS en otro tipo de ambientes (e.g. Holdaway et al., 1999; Creed et al., 2001; Kostaschuck et al., 2005). Por ejemplo, Creed et al. (2001) utilizaron un OBS-3A y un LISST-100 para examinar la variacion de la senal de un ADCP con respecto a gradientes de concentracion y distribucion vertical del tamano de los sedimentos. Holdaway et al. (1999) emplearon un transmisometro para calibrar la respuesta del ADCP en funcion de la distribucion vertical del tamano de sedimento y la profundidad de las mediciones en la columna de agua. En ambos casos, la relacion estadistica entre EL y CSS mejoro hasta un 35%. Thorne & Hanes (2002) determinaron que en ambientes mixtos, con presencia de sedimentos cohesivos y no-cohesivos, se debe incluir la correccion por dispersion y absorcion de la energia acustica de particulas en suspension (Ecuacion 3) para obtener resultados mas confiables en la estimacion de la CSS. La presencia de arenas finas es dominante en el delta del rio Mira, pero tambien se encuentran arcillas, limos y materia organica en suspension (CCCP, 2003). Por lo tanto, se puede afirmar que en el delta del rio Mira la correccion por dispersion y absorcion asociada a particulas en suspension debe ser considerada en el ajuste de la senal acustica del ADCP (Ecuacion 3), para incluir los procesos de floculacio y variabilidad vertical del diametro de la particula, y obtener una mejor estimacion de la CSS (Jiufa & Chen, 1998; Holdaway et al, 1999; Thorne & Hanes, 2002).

Concentracion de sedimentos en suspension en el delta del rio Mira

Aunque las estimaciones de CSS en el delta del rio Mira no fueron concluyentes, las mediciones efectuadas permiten analizar preliminarmente el efecto de los procesos hidro-sedimentarios sobre la variabilidad de la CSS en el delta. Los mayores y menores valores de CSS y EL se encontraron en Boca de Milagros y en isla del Morro, respectivamente. Mientras que el estero Guadarajo mostro valores intermedios (Figs. 2, 4, 5 y 6). Este patron destaca la predominancia de los procesos fluviales en la variabilidad y distribucion de los sedimentos en suspension en el delta, conforme a lo expuesto por Restrepo & Lopez (2008) y Monroy et al. (2008). La Boca de Milagros ha sido catalogada como un delta de marea bajante, con una circulacion general de descarga neta durante altos y bajos aportes fluviales (Monroy et al, 2008). Mientras que el estero Guadarajo, se ha clasificado como un sistema mareal de bajos aportes fluviales con altos valores de estratificacion vertical (Monroy et al., 2008) y la isla del Morro como un sistema de captacion de sedimentos (Molares, 2008).

La variabilidad de la CSS en un estuario depende principalmente de descargas fluviales, circulacion gravitacional, procesos de sedimentacion y resuspension de sedimentos finos (Dyer, 1995; Jiufa & Chen, 1998). En la isla del Morro (Figs. 2 y 6) la variabilidad de la CSS esta controlada por los procesos de deriva litoral y resuspension de particulas finas. Durante los periodos de flujo mareal aumenta la velocidad de las corrientes y se produce un flujo neto hacia el continente. Estos flujos transportan sedimentos en suspension producidos en el sistema de descarga principal del rio Mira, los cuales han definido el sistema de islas barrera localizado al nororiente del delta (Fig. 1) (Restrepo & Lopez, 2008). Aunque en reflujo se presentan corrientes de magnitud similar que originan procesos de resuspension, estos estan limitados por la compactacion de los sedimentos depositados, procesos de floculacion y un ambiente de moderada energia de oleaje (Jiufa & Chen, 1998; Tatersall et al, 2003; Restrepo et al., 2008). Un balance sedimentario realizado por Molares (2008) entre 2005 y 2007 indico que la isla del Morro presenta un balance sedimentario positivo, controlado por los aportes fluviales del rio Mira. Lo expuesto por Molares (2008) coincide con los resultados de este estudio, e indica que la isla del Morro constituye un ambiente de captacion de sedimentos de plataforma, que son transportados por deriva litoral. Los maximos valores de CSS en el estero Guadarajo, tambien estan relacionados con los aportes de plataforma por deriva litoral (Fig. 4b). Los aportes fluviales son muy limitados en este estero. En condiciones de flujo mareal experimenta un transporte neto hacia el continente, con bajas velocidades (< 0,3 m [s.sup.-1]) (Monroy et al., 2008). En estas condiciones de flujo, es probable que la resuspension sea inhibida por los umbrales requeridos para generar el arrastre del sedimento de fondo (i.e. shear bottom stress) (e.g. Holdaway et al., 1999). En ambientes con presencia de sedimentos cohesivos y materia organica, los umbrales del esfuerzo cortante de fondo son relativamente altos (Dyer, 1986).

En Boca de Milagros se presenta un dominio fluvial durante todo el ciclo de marea, especialmente durante condiciones de reflujo mareal cuando el efecto de la cuna salina disminuye (Fig. 4). Se observa una estratificacion vertical de la CSS (i.e. valores de EL), con mayores concentraciones en la superficie, incluso en periodos de aguas quietas (i.e. slack water). En este caso se presentan altas CSS (i.e. altos valores de EL) como resultado del transporte de sedimentos del rio Mira; un sistema fluvial con alto gradiente hidraulico, localizado en una zona de convergencia de placas tectonicas activas, e intensas precipitaciones, y por ende, con una alta produccion de sedimentos (1025 ton [km.sup.2] [ano.sup.-1]) (Restrepo & Lopez, 2008). Durante pleamar, se observan aguas con muy bajas CSS en la parte mas profunda de la columna de agua y altas CSS en las capas superficiales. Lo anterior indica que los procesos de resuspension (inducidos por marea y oleaje) no son tan competentes como el transporte fluvial (Shen et al., 1982; Dyer, 1986; Jiufa & Chen, 1998; Williams et al., 2003), y que la mezcla de masas de agua, por efectos de la circulacion gravitacional, esta limitada por la magnitud de las descargas fluviales (Fig. 4). Cuando las descargas fluviales disminuyen, la circulacion gravitacional es mas efectiva y se presentan CSS mas homogeneas en la columna de agua, especialmente durante pleamar (Fig. 4a). Los resultados obtenidos coinciden con los rasgos geomorfologicos predominantes en el delta del rio Mira (Monroy et al., 2008; Restrepo & Lopez, 2008). Debido a que la asimetria en la magnitud de las velocidades en un delta de marea bajante no necesita ser muy marcada para producir una direccion predominante en el transporte de sedimentos, la dominancia del reflujo mareal se refleja directamente en el transporte neto de sedimentos hacia el mar y la formacion de bajos frontales (Dyer, 1986), como los descritos por Monroy et al. (2008). A su vez, estos bajos disipan la energia del oleaje incidente (Restrepo et al., 2008) y limitan la resuspension inducida por el oleaje.

CONCLUSIONES

Los resultados variables encontrados en la medicion de CSS por medio de dispositivos OBS-3A calibrados con sedimento de diametro diferente, senalan la importancia de utilizar este dispositivo de medida en aguas donde el tamano de los sedimentos permanezca lo mas homogeneo posible. Considerando que lo anterior es dificil de garantizar en un ambiente deltaico y estuarino, es conveniente efectuar un estudio previo acerca del diametro medio de los sedimentos y de su variabilidad en la columna de agua, con el fin de ajustar el proceso de calibracion, y asi garantizar mediciones mas precisas.

A objeto de utilizar la amplitud de la senal registrada por el ADCP como un estimador de la concentracion de los sedimentos en suspension, se aplico una ecuacion de ajuste para la dispersion del haz acustico y la absorcion de energia por el agua. Con esta ecuacion se obtuvieron valores de intensidad que son funcion de la concentracion de sedimentos en suspension e independientes de la dispersion de la senal acustica en el agua o la absorcion de la senal en el agua y en los sedimentos. En este contexto se considera que el valor de intensidad ya corregido (nivel de eco, EL), es directamente comparable con valores de concentracion. Al aplicar la ecuacion de correccion a una serie de datos registrados durante campanas realizadas en los anos 2006 y 2007 en el delta del rio Mira, se encontraron relaciones con el ciclo mareal, asociados con los periodos de descarga del rio.

Se realizaron dos muestreos conjuntos utilizando el OBS-3A y el ADCP, con el fin de realizar una comparacion entre las dos mediciones. En el primero de ellos, realizado en la desembocadura principal del rio Mira (alta influencia fluvial), no se encontro una relacion significativa entre los registros obtenidos con los dispositivos OBS-3A y ADCP, debido principalmente a las condiciones del muestreo. Sin embargo, los datos del OBS-3A y del ADCP mostraron una tendencia similar al registrar incrementos simultaneos de concentracion y EL hacia el fondo, respectivamente. En el segundo muestreo, realizado en la isla del Morro, aunque no fue posible establecer relaciones cuantitativas entre los datos de EL y concentracion (OBS-3A), es posible apreciar la sensibilidad de estos instrumentos frente a la variacion espacial y temporal de la CSS. Sin embargo, para mejorar las relaciones cuantitativas entre las mediciones del OBS-3A y el ADCP es preciso disenar un muestreo experimental que incorpore los efectos de la variabilidad del diametro de particula, asi como un mayor numero de mediciones de CSS para encontrar una ecuacion de ajuste para las lecturas del ADCP.

DOI: 10.3856/vol40-issue1-fulltext-15

AGRADECIMIENTOS

Este estudio se desarrollo en el marco del proyecto "Modelos de Morfodinamica Litoral para definir Escenarios de Vulnerabilidad ante Amenazas Naturales: Bahia de Tumaco-Delta del Rio Mira", ejecutado por el Centro Control de Contaminacion del Pacifico (DIMAR-CCCP) y la Universidad EAFIT, con el apoyo financiero de COLCIENCIAS (Codigo: 12160517616). Los autores expresan su sincero agradecimiento a los evaluadores, quienes contribuyeron a mejorar el manuscrito de manera significativa.

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Received: 27 March 2011; 14 January 2012

Juan Camilo Restrepo (1), Jorge Omar Pierini (2)

(1) Universidad del Norte (Uninorte), km 5 via Puerto Colombia, Departamento de Fisica Instituto de Estudios Hidraulicos y Ambientales (IDEHA), Barranquilla, Colombia

(2) Universidad Nacional del Sur, Departamento de Fisica (IFISUR-UNS-CIC-CCT) CC 804 Florida 7500, Complejo CRIBABB. Edificio E1, B8000FWB, Bahia Blanca, Argentina

Corresponding author: Juan Camilo Restrepo (restrepocj@uninorte.edu.co)
Tabla 1. ConcentraciOn de sedimentos en suspensiOn obtenidos
con el OBS-3A y una botella Niskin en cuatro estaciones
(Estaciones A, B, C y D) ubicadas sobre una secciOn
transversal de rio Mira junto a la bocatoma del acueducto
de la ciudad de Tumaco (Figs. 1 y 5).

Table 1. Suspended sediment concentration measured with
OBS-3A and Niskin Bottle in four sites (A, B, C and D) in a
cross section of the Mira River near the aqueduct intake of
Tumaco City (Figs. 1 y 5).

                        ConcentraciOn de sedimentos en
                        suspensiOn--CSS (mg [L.sup.-1])

                      EstaciOn A              EstaciOn B
                  (1[grados]40'51,4"N,   (1[grados]40'51,8''N,
                  78[grados]75'31,0"W)   78[grados]75'30,6''W)

Profundidad (m)   OBS-3A   B. Niskin      OBS-3A   B. Niskin

1                  68,3       36,3         66,1       52,3
2                  70,8       42,8         72,8       54,3
3                  72,3       43,4         74,9       32,8
4                  75,9       49,2         74,6       51,5
5                   -          -           79,2       45,2

                          ConcentraciOn de sedimentos en
                          suspensiOn--CSS (mg [L.sup.-1])

                       EstaciOn C              EstaciOn D
                  (1[grados]40'52,2"N,   (1[grados]40'53,2"N,
                  78[grados]75'30,2"W)   78[grados]75'29,1"W)

Profundidad (m)   OBS-3A   B. Niskin      OBS-3A   B. Niskin

1                   70,1      35,2         72,3       31,9
2                   71,8      40,6         74,2       56,7
3                   74,9      49,4         76,6       53,4
4                   72,8      49,5         79,3       23,4
5                    77       42,9         84,8       69,2
COPYRIGHT 2012 Pontificia Universidad Catolica de Valparaiso, Escuela de Ciencias del Mar
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Title Annotation:sedimentos en suspension, sistemas tropicales
Author:Restrepo, Juan Camilo; Pierini, Jorge Omar
Publication:Latin American Journal of Aquatic Research
Date:Mar 1, 2012
Words:8448
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