Characterization of suspended sedimets in the Guadalquivir estuary at modeled scale

Abstract

Los estuarios son complejas zonas de transición e intercambios de agua, energía, sólidos en suspensión y nutrientes, con variaciones estacionales y espaciales de la materia suspendida (SPM), materia orgánica (MO) y salinidad a lo largo del mismo asociadas a ciclos de marea y descargas fluviales, especialmente en régimen de avenidas. Las características morfológicas de estas áreas de transición (semiconfinamiento, escaso calado, bajos regímenes de velocidad) unidas a que son tramos finales de los ríos, favorece la presencia de elevadas concentraciones de sólidos en suspensión de naturaleza fina o muy fina, que han superado las barreras de regulación aguas arriba, y que inducen una mayor capacidad de suspensión y resuspensión. La presencia de eventos de elevada concentración de sólidos en suspensión, afecta a las propiedades físicas del agua: densidad, viscosidad cinemática y transparencia del agua, su turbidez, generando daños ecológicos y económicos, que pueden persistir durante días o semanas y la convierte en motivo de estudio y seguimiento. Las redes de control de calidad de agua superficial miden su turbidez; no obstante, no siempre existen puntos de control con la suficiente densidad en la red y, sobre todo, alta frecuencia de registro, para poder analizar los efectos transitorios de los múltiples procesos que coexisten en un estuario. En ese sentido, las medidas de reflectancia proporcionada por sensores remotos añaden información de la cual derivar medidas indirectas de turbidez y, con ello, estimar concentraciones de sólidos en suspensión a lo largo de la masa de agua. En las últimas décadas, su uso se ha convertido en una herramienta rápida y de bajo coste, que permite obtener mapas de distribución espacial de la concentración de sólidos en suspensión y turbidez, con la resolución temporal de los sensores empleados. Este trabajo aborda el análisis de los efectos de los sólidos en suspensión en aguas hiperconcentradas a ambas escalas del modelado: global, con fines de seguimiento y calibrado de modelos a escala de estuario, y de detalle, con fines de corrección de variables de estado significativas de la mezcla agua-sales-sedimentos en la columna de agua característica del estuario del Guadalquivir. Este estuario es un claro ejemplo de un sistema muy regulado en el que han disminuido los caudales aportados al mismo y que ha sufrido importantes cambios de uso en la cuenca vertiente. El estudio de la influencia de los sólidos en suspensión en las mezclas agua-salessedientos con la temperatura permite cuantificar los cambios que estos factores implican en las variables físicas de densidad y viscosidad cinemática. Dichas modificaciones condicionan los procesos de advección- difusión en la masa de agua, así como la dinámica del transporte de sólidos afectando a su sedimentación y resuspensión. La obtención de curvas trivariadas densidad-salinidad-temperatura para distintas concentraciones de sólidos en suspensión, permite obtener valores de densidad en masas...

Estuaries are complex areas of transition and exchanges of water, energy, suspended solids and nutrients. There are seasonal and spatial variations in suspended matter (SPM), organic matter (MO) and salinity throughout them, which are associated with tidal cycles and fluvial discharges, especially under flood regimes. The morphological characteristics of these transition areas (semi-confinement, small depth, low velocity regimes) as well as being final stretches of rivers, favours the presence of high suspended solid concentrations of a fine or very fine nature. The latter have passed through the regulation barriers upstream, which has induced a greater suspension and resuspension capacity. The presence of these suspended solid events affects the physical properties of the water: density, kinematic viscosity and water transparency, its turbidity, thus generating ecological and economic damage, which may persist for days or weeks and converts them into a reason for study and monitoring. The quality control networks of surface water measure its turbidity although there are not always control points with a sufficient density in the network and, especially, a recording frequency to enable the analysis of the transitory effects of the multiple processes which co-exist in an estuary. In this sense, the reflectance measurements supplied by remote sensors add information from which indirect measurements of turbidity can be derived and, thus, concentrations of suspended solids throughout the mass of water can be estimated. In the last few decades, their employment has become a fast and low-cost tool, which permits the obtaining of maps of the spatial distribution of suspended solid concentrations and turbidity, with the temporal resolution of the sensors used. This work deals with the analysis of the effects of suspended solids in hyperconcentrated water at both scales of the modelling: global, with monitoring and model calibration objectives at an estuary scale; and detailed, with the purpose of correcting variables of the significant state of the water-salts-sediments mix in the column of water which is characteristic of the Guadalquivir estuary. This is a clear example of a highly regulated system, in which the discharges supplied to it have diminished, and which has undergone important use changes in its catchment. Studying the influence of the suspended solids on the water-salts-sediments mixes with the temperature permits one to quantify the changes implied by these factors in the physical variables of density and kinematic viscosity. Those modification condition the advection-diffusion processes in the water mass, as well as the dynamics of the transport of solids affecting its sedimentation and resuspension. The obtaining of trivariate curves of density-salinity-temperature for different suspended solids permits the finding out of density values in characteristic water masses in estuarine environments similar to the Guadalquivir estuary conditions...