¿Podemos predecir la variación de la turbidez en los ríos?

Por Jose González Fernández

La turbidez es una propiedad óptica del agua que representa la cantidad de luz que refleja la materia en suspensión, cuando hacemos incidir sobre ella un haz de luz de una longitud de onda determinada. Es, por lo tanto, una estimación indirecta de la concentración de partículas en suspensión que se encuentran en el agua y las unidades empleadas para representar la turbidez son las Unidades Nefelométricas de Turbidez (o NTU, de sus siglas en inglés). En consecuencia, un valor elevado de turbidez, implica una elevada concentración de partículas en el agua, lo que dificulta el paso de la luz a través de la columna de agua, reduciendo la profundidad de la capa fótica y afectando así a los organismos fotosintéticos, que dependen de ella para obtener la energía. Pero un grado elevado de turbidez no sólo afecta a los organismos fotosintéticos, sino que también puede tener efectos negativos sobre los organismos bentónicos no fotosintéticos, una vez que la materia en suspensión comienza a sedimentar. Un claro ejemplo de lo crítica que puede llegar a ser esta situación lo encontramos en el río Ulla (NO de España), concretamente en su desembocadura en la Ría de Arousa, una zona de producción marisquera muy importante para la economía de la región, con una extracción de hasta 700.000kg de almeja al año. Esta producción es muy sensible a las riadas, tanto por el descenso de salinidad que ocasiona la llegada de agua dulce, como por el aporte de sedimento que conllevan, ya que el enterramiento de los organismos cultivados puede producir altas tasas de mortalidad en los bivalvos, con graves repercusiones en la economía local.

Mientras que la monitorización de la salinidad es una tarea fácil de realizar y la predicción de su evolución en función de las lluvias y el caudal del río no conllevan gran dificultad, la turbidez presenta más problemas. Por una parte, la monitorización de esta variable presenta dificultades al tratarse de un parámetro óptico, por lo que es necesario que la lente del sensor (Figura 1) esté limpia en todo momento; debido al rápido crecimiento de organismos o fouling, es necesario realizar un elevado número de mantenimientos para evitar que los datos obtenidos sean erróneos, así como la realización de tareas preventivas. Por otro lado, la relación entre la turbidez y el caudal o la lluvia todavía no son bien conocidos, lo que impide realizar una previsión de los valores de turbidez en función de las previsiones de dichas variables.

figura1

Figura 1 – Sensor óptico para la determinación de los valores de turbidez en el agua.

Debido a esto y para poder comprender mejor la variación temporal de los valores de turbidez, se realizó la monitorización, con una frecuencia horaria y durante un periodo de 7 años, de los valores de turbidez en el tramo final del río Ulla, lo que permitirá establecer la relación con de los valores de caudal y precipitaciones registradas. Para ello se emplearon dos estaciones de medición (González et al. 2012) en el tramo final del cauce del río Ulla (Figura 2) y se emplearon los datos de precipitaciones registrados en las estaciones de Meteogalicia situadas en la cuenca del río así como los datos de caudal de la estación situada aguas arriba.

Hasta la fecha, algunos trabajos han relacionado directamente las precipitaciones con la turbidez, hablando incluso de cambios estacionales en los valores de turbidez (Göransson et al., 2013). Es lógico pensar que la turbidez del agua puede depender de las precipitaciones, por los sedimentos que arrastran las lluvias con el agua de escorrentía, o de los aumentos de caudal, por los sedimentos que arrastran los ríos durante las crecidas. No obstante, durante los 7 años del estudio, se comprobó que el promedio mensual de turbidez no presenta diferencias significativas a lo largo del ciclo anual, así como tampoco se ha encontrado una relación directa de los valores de turbidez con la lluvia o el caudal. ¿Significa esto que no existe ninguna relación entre la turbidez y las lluvias o el caudal? La respuesta es que no, lo que implica esto es que la relación es más compleja.

figura-2

Figura 2 – Estación para la monitorización de los valores de turbidez instalada en el cauce del río Ulla.

En primer lugar, este río, al igual que la mayoría, tiene su caudal regulado por presas, lo que hace que el caudal no dependa únicamente de las lluvias, sino que el agua puede ser liberada de manera progresiva, o incluso con anterioridad a que se produzcan las lluvias. No obstante, si se ha conseguido establecer una relación entre los incrementos de caudal y el aumento de los valores de turbidez. Es decir, cuando se produce un incremento del caudal, se ha observado que con frecuencia lleva asociado un incremento de los valores de turbidez, pero con posterioridad al aumento de caudal, aunque éste siga siendo elevado, los valores de turbidez vuelven a la normalidad. Dicho de otra manera, la turbidez sólo aumenta en el momento en el que se produce la variación del caudal, de modo que aunque luego este siga siendo elevado, la turbidez vuelve a sus valores habituales. Esto se debe a que es durante la fase de aumento de caudal cuando se produce un mayor arrastre de sedimentos por parte del río, de modo que tras ese incremento inicial, la cantidad de materiales en suspensión va disminuyendo, independientemente del valor del caudal en ese momento. Esta es la causa de que no se pueda establecer una relación directa entre el valor del caudal y la turbidez, ya que ésta depende únicamente de su variación y no de su valor absoluto

También se ha visto que existe una relación entre la magnitud del incremento del caudal, y de las precipitaciones, y la probabilidad de que se produzca un incremento de turbidez. De esta manera, cuanto mayor sea la magnitud del incremento de caudal o mayores sean las precipitaciones, más probable es que aumente la turbidez en las aguas del río. Asimismo, la probabilidad de que aumente la turbidez también es mayor cuando el aumento de caudal va asociado a un episodio de lluvias. A modo de ejemplo, podemos decir que la probabilidad de que aumente la turbidez en el río varía entre un 60% cuando se produce un aumento de caudal (de cualquier magnitud) y valores superiores al 90% cuando el caudal se incrementa en más de un 50% y se registran lluvias superiores a los 10 l/m2.

Estos datos, con los que estamos trabajando en la actualidad, permitirán que a partir de las previsiones de lluvia y de caudal para la zona, se pueda predecir el nivel de riesgo de que se produzca un aumento de turbidez que pueda ocasionar daños en los organismos y así prevenir las posibles pérdidas económicas para el sector marisquero.

Referencias:

– González, J., Herrera, J.L.,Varela, R.A.. 2012. A design proposal of real time monitoring stations: implementation and performance in contrasting environmental conditions. Scientia Marina 76S1:235-248.

– Göransson, G., Larson, M., and Bendz, D., 2013. Variation in turbidity with precipitation and flow in a regulated river system – river Göta Älv, SW Sweden. Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 2529–2542.

 

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  1. Gabi Rosón

    Muy bueno Jose!

  2. Michel Nombela

    Hola Jose:
    Me parece muy interesante el artículo.
    Una cuestión que me suscita su lectura es si las estaciones están sometidas al régimen mareal. De ser así, quizás habría que tener en cuenta para el modelo la posible entrada de material en suspensión provenientes de las zonas aguas abajo de las estaciones aportado por el prima mareal durante el flujo. Esto podría explicar parte de esa relación compleja entre la turbidez, los aportes fluviales y las precipitaciones.

    Un cordial saludo

    • josegonzalez0

      Hola Michel, muchas gracias por tu comentario. Efectivamente las estaciones están sometidas al régimen mareal. Aunque a priori para estudiar la relación con la lluvia y el caudal estamos trabajando con los datos promediados cada 24h, eliminando así la variabilidad mareal, también estamos estudiando el efecto de la marea sobre la turbidez. Además, el hecho de que las estaciones estaban situadas en distintos puntos del río, también nos permitirá ver si existe un gradiente de turbidez o en que parte del río comienza el incremento de turbidez, determinando así si proviene de la ría o de aguas arriba.
      Un saludo

  3. Mi comentario es sobre el siguiente texto del artículo:

    “Por una parte, la monitorización de esta variable presenta dificultades al tratarse de un parámetro óptico”.

    Actualmente la “Batimetría LIDAR aérea” se esta úsando conjuntante con “imágenes multibanda de satélite” para determinar la turbidez y la profundidad, no presentando ninguna dificultad la monitorización de ambas variables.

    Como prueba de esta afirmación adjunto el artículo publicado en Science Direct titulado:

    Assessment of depth and turbidity with airborne Lidar bathymetry and multiband satellite imagery in shallow water bodies of the Alaskan North Slope

    Kutalmis Saylam, Rebecca A. Brown1,John R. Hupp1,

    Near Surface Observatory, Bureau of Economic Geology, John A. and Katherine G. Jackson School of Geosciences, The University of Texas at Austin, Austin, TX, USA

    Received 31 August 2016, Revised 24 January 2017, Accepted 11 February 2017

    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0303243417300387

    • josegonzalez0

      Hola Ramiro,

      Ni la batimetría LIDAR ni el uso de imágenes de satélite son válidas para este tipo de estudios. Los datos de satélite no tienen resolución espacial para obtener varios puntos de medida en un río como el Ulla y la resolución temporal es claramente insuficiente. En cuanto al LIDAR, dado que los datos con los que se trabajan en este estudio son horarios, obtenidos durante un periodo de 7 años, es impensable operar con este sistema y obtener semejante resolución (24h, 365 días al año, durante 7 años). La escala espacial y temporal del estudio es fundamental, ya que debe adaptarse a los ciclos de marea y a los tiempos de respuesta tras episodios de lluvia o de cambios de caudal, así como estudiar la existencia de un gradiente a o largo del tramo final de dicho río. Esta metodología podría usarse en áreas de mayor tamaño, en las que no sea necesaria tener una buena resolución temporal o como una primera aproximación en estudios previos (como se indica en el artículo que citas), pero nunca en un estudio como el realizado.
      Un saludo

  4. Errata: en Geoeye-2 son también metros (0,31 m = 31 cm), más que suficiente para el río Ulla (a no ser que el estudio se haya hecho en una zona de menos de 10 m de anchura).

  5. Si el problema es la resolución temporal, bastaría con embarcar el sensor multiespectral en una aeronave no tripulada que vuele sobre el río Ulla. Si esto pareciera muy costoso o engorroso, el dron podría sustituirse por un globo aerostático cautivo, es decir anclado a tierra por cable en el tramo donde se quiera monitorizar la turbidez. Alternativamente podría sustituirse este globo aerostático por un mástil (o torreta) con la altura suficiente para que el sensor multiespectral dispusiera de un campo de visión adecuado (FOV).

    Son éstos métodos alternativos, que podrían usarse si se quisiera evitar tener un sensor sumergido dentro del agua, que como has dicho, es un método válido y usado en investigación (como el sencillo y simple disco de Secchi para medir la turbidez.

    Saludos

    • josegonzalez0

      Gracias por tus sugerencias, pero mantener una aeronave, dron o globo aerostático durante 7 años no es una alternativa viable. La aproximación de montar varias torretas para obtener medidas en distintos puntos de río y el mantenimiento de los equipos a largo plazo (cualquier equipo midiendo y transmitiendo en tiempo real durante largos periodos requiere mucho mantenimiento), así como su mayor coste no suponen ninguna mejora de las medidas obtenidas ni en la eficiencia. Esto no quita que la detección remota sea una aproximación adecuada en otros estudios, pero en este caso no era una alternativa factible.

  6. Lamento discrepar, este proyecto es válido como lo has hecho y también sería válido realizado con dichas técnicas de Teledetección, cierto que saldría mucho más caro, pero no es lo mismo disponer de medidas de turbidez obtenidos solamente en unas pocas posiciones:

    “dos estaciones de medición en el tramo final del cauce del río Ulla”

    que disponer de “millones de cordenadas XYZ con su correspondiente valor de turbidez” (y profundidad) en un estupendo *mapa de turbidez de alta resolución* del río Ulla con resolución submétrica.

    Adjunto un innovador mapa de turbidez + sedimentos en suspensión + carbón orgánico disuelto + clorofila-a de un nuevo sensor llamado PRISM:

    Es un excelente sensor aerotransportado ya que te proporciona a la vez componentes individuales de la turbidez: sedimentos en suspensión + carbón orgánico disuelto + clorofila-a

    Que esta tecnología es aplicable al río Ulla es innegable, que mejora y amplia la información suministrada por los turbidímetros tradicionales es evidente.

  7. josegonzalez0

    Como bien dices, es un sistema muchísimo más caro, lo que haría el proyecto inviable. Además respecto al sensor que comentas, es un sensor aerotransportado, con lo que volvemos al problema de mantenerlo operativo, midiendo en tiempo real durante los 7 años de estudio, 24 horas al día. No es que no se puedan realizar estudios de turbidez con la metodología que propones, pero para estudios locales a tan largo plazo, el elevadísimo coste y esfuerzo logístico que supondría emplear esta tecnología, pensada para medir grandes áreas en periodos de tiempo más reducidos, no lo hacen viable.

  8. El coste no sería ningún problema para otros grupos y centros de investigación que captan cientos de miles de euros de financiación (ejemplo: más de trescientos mil euros para un UAV que localizará basura en la Islas Cíes, proyecto conceptualmente mucho más sencillo que el tuyo: http://ecimat.uvigo.es/es/noticias/2192-o-proxecto-litterdrone-empregará-vehículos-aéreos-non-tripulados-para-a-detección-de-lixo-mariño-2.html )

    Mantener operativo un detector multiespectral no es un problema, ya que cualquier sensor aerotransportado puede operar también desde tierra, además existen sensores similares de diferentes tamaños y pesos (incluso muy inferiores a 500 g). Con esta tecnología bastaría mucho menos tiempo para extraer conclusiones espacio-temporales sobre las variables a estudiar ya que los datos captados serían en tiempo real, masivos y abarcando mucha más superficie (millones de coordenadas GPS y profundidad con sus correspondientes datos de turbidez, carbón orgánico disuelto y clorofila-a).

    El proyecto sería viable realizarlo con dichas técnicas de Teledetección, y por tener una resolución centimétrica sería válido incluso para estudiar la turbidez en un minúsculo afluente de 3 m de ancho.

  9. josegonzalez0

    El poblema del coste no depende del grupo ni del centro, si no de la finalidad del proyecto. El proyecto que citas es un claro ejemplo en el que la teledetección ofrece una clara ventaja operativa, ya que lo que se busca es muestra una área bastante amplia.

    Como todos sabemos, emplear una tecnología 10 veces más cara para un mismo fin, no se justifica en ningún proyecto, ni es aceptable en ninguna evaluación, ya que demostraría una gestión ineficiente de los recursos. Además, obtener más muestras por día no reduce la duración del proyecto. También con boyas de monitorización podemos tener una frecuencia mucho mayor, pero hay que ajustarse a la escala temporal de la variable a medir; si se quiere estudiar la variabilidad interanual necesitas varios años de estudio, con diferentes condiciones de precipitaciones y caudal.

    Agradecemos tus comentarios y sugerencias, pero seguimos considerando que la aproximación que propones no es la más adecuada en este caso concreto. Insisto, esto no quiere decir que en otros muchos estudios la teledetección no sea la aproximación más adecuada.

    • No se trata de obtener más muestras por día, sino de obtener *más muestras por metro cuadrado*, finalidad que resultaría mucho más eficaz usando técnicas de teledetección que colocando muchas boyas de monitorización, y su coste no sería 10 veces más caro.

      Respecto a que “el problema del coste no depende del grupo ni del centro, si no de la finalidad del proyecto”, la realidad es diferente, ya que la moderna gestión de proyectos establece que el coste de un proyecto depende en mayor medida de:

      1) la cantidad de tiempo disponible para completar un proyecto (menos años de proyecto con técnicas de teledetección).

      2) la cantidad presupuestada para el proyecto (financiación conseguida). Si el equipamiento entra dentro de este presupuesto es irrelevante si los equipos son carísimos.

      3) La calidad del proyecto. Con técnicas de teledetección el proyecto ganaría en calidad ya que se muestrean más variables en 3D (turbidez, XYZ, profundidad) y además con “mayor densidad por metro cuadrado” (aunque pusieras 30 boyas de monitorización)

      Seguimos considerando, tanto yo como varios miembros de la Asociación Española de Teledetección (AET), expertos en Limnología-Aguas-Carbono-Biomasa-Algas-Hidrología, que están siguiendo este caso en directo, que “tu proyecto podría ser mejorado con las técnicas de teledetección mencionadas”, en la actualidad por supuesto, ya que en ningún modo me refiero a cuando empezó hace muchos años tu proyecto en el río Ulla.

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