Estudio en laboratorio del arrastre del berberecho Cerastoderma

Estudio en laboratorio del arrastre del berberecho Cerastoderma

Tema A: Dinámica fluvial
Estudio en laboratorio del arrastre del berberecho
Cerastoderma edule de la ría de Arousa: efecto del tamaño y
del reclutamiento
Jose Anta Álvarez1, Jerónimo Puertas Agudo2 y Enrique Peña González3
(1) Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos; Profesor Ayudante, Grupo de Ingeniería del
Agua y del Medio Ambiente, Universidade da Coruña
[email protected]
(2) Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos; Catedrático de Universidade, Grupo de
Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente, Universidade da Coruña
[email protected]
(3) Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos; Profesor Titular, Grupo de Ingeniería del
Agua y del Medio Ambiente, Universidade da Coruña
[email protected]
1 Introducción
Una de las principales fuentes de ingresos de la economía de las villas costeras gallegas reside en las actividades
de pesca y marisqueo. Así, el marisqueo tradicional emplea a más 10000 mariscadores en todo Galicia, y la
producción anual se estima entre 6000 y 12000 toneladas entre 1997 y 2008. Una de las principales especies en
Galicia es el berberecho Cerastoderma edule, con un porcentaje cercano al 40% de todas las extracciones de
bivalvos (ver Figura 1) y que se pueden cifrar en unos 13 millones de euros anuales, para datos del periodo
comprendido entre 2001 y 2005 (datos extraídos de la Plataforma Tecnolóxica de Pesca,
www.pescadegalicia.com).
Sí se analiza la serie histórica de capturas desde 1960 de este molusco se puede observar como se han producido
un importante descenso a partir de los años 80. A partir de esta fecha, las extracciones se han estabilizado en el
entorno de las 2000 a 4000 toneladas por año (Molares et al., 2008). Cómo se puede apreciar en la Figura 1, la
zona de la ría de Arousa es una de las mayores productoras de berberecho de Galicia, con unas capturas cercanas
al 50% en el período 1997-2008.
12
BIVALVOS
C.EDULE - GALICIA
C.EDULE - AROUSA
17,3%
Capturas (miles de ton)
10
8
48,9%
6
4
33,8%
2
AROUSA
0
1997
Figura 1
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
MUROS E NOIA
RESTO
2008
Evolución de las extracciones de moluscos bivalvos y del berberecho C. edule en Galicia y en la ría de Arousa
(izquierda) y distribución de capturas del berberecho en el período 1997-2008 (derecha). Datos extraídos de la
Plataforma Tecnolóxica de Pesca, www.pescadegalicia.com
Tema A: Dinámica fluvial
En el contacto río-mar de la ría de Arousa, la desembocadura del río Ulla, se encuentra una zona de
sedimentación de arenas conocida como los Lombos do Ulla. Esta zona, caracterizada por la presencia de un
fondo con formas de fondo (ver Figura 2), es uno de los bancos de marisqueo más importante del área de
Arousa, y por extensión, de Galicia.
Figura 2
Foto satélite de la ría de Arousa (izquierda) y vista 3D de la desembocadura –Lombos do Ulla- (derecha)
Durante los últimos años se han producido caídas en la cantidad de moluscos recolectados, fundamentalmente de
almeja y berberecho. La reducción en la extracción de moluscos propició la puesta en marcha de un plan de
recuperación de esta zona en el año 2003 por parte de la Xunta de Galicia. Desde entonces, se han realizado
varios trabajos para analizar las causas de la elevada mortandad de los bivalvos.
Las principales conclusiones de estos trabajos (Molares et al., 2008) señalan como causantes de este fenómeno
los fuertes cambios de salinidad que se producen tras los aguaceros más intensos y los cambios en la
hidrodinámica de las zonas de marisqueo. Así, las caídas de producción de berberecho en 2001 y 2006 coinciden
con las grandes riadas producidas en estos años.
Motivados por este problema, el Grupo de Ingeniería del Agua y del Medio Ambiente comenzó a trabajar en el
análisis del arrastre de los berberechos de esta zona de Galicia. Los estudios preliminares, realizados con
berberechos muertos aislados colocados sobre arena de la zona ya han sido publicados (ver Anta et al., 2007 y
Peña et al., 2008).
El estudio aquí presentado está motivado por la realización de un proyecto de investigación que pretende
analizar el efecto de las centrales hidroeléctricas de punta sobre las especies productivas de la zona baja del río
Ulla y de la desembocadura. En el presente trabajo se ha realizado un estudio hidrodinámico sobre el arrastre de
varios grupos de berberechos adultos, con diferentes reclutamientos y tamaños, en un canal de recirculación de 9
metros de cuerda. Para la determinación de los campos de velocidades se ha empleado la tecnología Particle
Image Velocimetry, que permite obtener los campos instantáneos de velocidad así como la posición del lecho
cubierto con berberechos.
2 Metodología experimental
2.1 Instalaciones
Los experimentos de arrastre de berberechos se han realizado en un canal de recirculación construido
específicamente para la realización de este proyecto, en las instalaciones del Centro de Innovación Tecnolóxica
en Edificación e Enxeñería Civil –CITEEC- de la Universidade da Coruña.
Tema A: Dinámica fluvial
El canal, con forma de hipódromo o circuito de carreras, está construido con acero inoxidable. En la zona donde
se realizan los experimentos dispone de unas ventanas de plexiglás transparente para facilitar la realización de
los mismos y para poder emplear técnicas de visualización de flujo. El desarrollo del canal es de ~9.05 m, y está
compuesto por dos alineaciones rectas de 1.2 m y por dos curvas semicirculares de 1.25 m de radio. El ancho del
canal es de 50 cm y el calado de 40 cm. En las Figura 3 se presenta una planta y una fotografía del mismo.
1.2 m
R: 1 m
Motor DC 24V
R:
0.
5
m
Deflectores
Caja de sedimento
70 x 40 x 10 cm
0.7 m
0.95 m
Figura 3
Planta y fotografías del canal de ensayos
El movimiento del agua se produce por la fricción de 10 discos de material plástico de 28 cm de radio y 1 cm de
espesor. Los discos giran solidariamente con un eje propulsado por un motor de 24 V de CC, con un par máximo
de 9 N·m y una velocidad de giro de 98 rpm. El canal cuenta en la zona de ensayo con una caja de 70 x 40 x 10
cm que se puede enrasar con arena hasta alcanzar el nivel del resto de la solera del canal. En los ensayos
realizados se ha empleado arena de la desembocadura del Ulla con un diámetro medio 0.98 mm.
En todos los ensayos el calado empleado fue de 150 mm y se empleó agua de mar bruta filtrada (∼200 µm) con
una salinidad de unos 35 ppm y una temperatura de entre 15 y 17.5ºC. En los ensayos el calado de la lámina de
agua fue de 15 cm. De este modo, la relación ancho-calado es de ~3.34, similar a la empleada en otros estudios
de arrastre de organismos bénticos a escala de laboratorio: Snelgrove et al. (1998), Hunt (2004), de Montadouin
et al. (2003) o St-Onge y Miron (2007).
2.2 Experimentos realizados
Para la realización de los ensayos se han empleado berberechos C. edule, los presentes en la desembocadura del
río Ulla, extraídos en la zona de marisqueo de Santa Cristina, situada a pocos km del CITEEC. Una vez
recolectados se clasificaron con la ayuda de un calibre (pie de rey) de precisión de 0.1 mm. En esta primera
identificación únicamente se midió la dimensión mayor de los moluscos. Tras tomar nota de esta dimensión, los
berberechos se etiquetaron y se introdujeron en un acuario relleno con agua de mar. En este acuario, los
moluscos fueron alimentados a diario con Tretraselmis suecica, una alga cultivada en el Laboratorio de
Microbiología de la Facultad de Ciencias.
Los berberechos se clasificaron en cuatro grupos de tamaños (15-20 mm, 20-25 mm, 25-30 mm y 30-35 mm)
con dos densidades de reclutamiento diferentes (500 y 1000 ind/m2), similares a las encontradas en la
desembocadura del Ulla (Parada et al., 2006).
Cada uno de estos grupos de tamaño y reclutamientos (8 escenarios), se sometió a 6 velocidades de arrastre
diferentes (entre ∼0.30 y ∼0.5 m/s). El rango de velocidades ensayadas es similar al encontrado en la zona de
estudio en condiciones de desagüe normales y para pequeñas crecidas.
Las medidas de velocidad se realizaron con un equipo Particle Image Velocimetry (PIV) de la casa Lavision©.
El equipo cuenta con una cámara de 1Mpx y se configuró para capturar los campos de velocidades con una
frecuencia de 3.33 Hz. Para cada uno de los ensayos realizados, y para las 6 configuraciones de fondo de arena
sin berberechos, se capturaron 500 imágenes (150 s). El agua fue sembrada con partículas de 50 micras.
Tema A: Dinámica fluvial
Los campos de velocidades se han obtenido en una zona de 15 x 15 cm, con una resolución de 0.25 mm/px. Para
calcular los mismo se ha utilizado el software Davis© v 7.2, con un algoritmo de correlación cruzada adaptativo,
con una ventana de interrogación decreciente de 128 px2 a 32 px2 y un solape (overlap) del 50%. Con esta
configuración la resolución espacial obtenida es de ∼4 mm y la precisión de la medida del orden de 1px/s (0.25
mm/s). Los campos de velocidades se post-procesaron para eliminar vectores anómalos con un filtro de mediana
y un umbral de 3 RMS.
Además, y para comprobar la influencia de la actividad de los moluscos, los ensayos se realizaron con los
berberechos vivos y muertos, por lo que en total el número de escenarios analizados asciende a 96. Sin embargo,
en este trabajo se presentarán los resultados sin contemplar la influencia del estado (vivo/muerto) de los
moluscos.
2.3 Metodología del doble promediado
Debido a la alta rugosidad del lecho originada por la presencia de los berberechos, se aplicó la metodología del
doble promediado (Double Averaged Methodology, DAM) para definir entre otros parámetros, el origen (z=0) de
los perfiles de velocidad, las velocidades de arrastre y de corte causantes del movimiento de los moluscos.
La metodología DAM es especialmente útil cuando se trabaja en flujos sobre lechos rugosos, como el que se
analiza en este trabajo, y ha sido aplicada en otras aplicaciones de ingeniería como flujos atmosféricos, flujos de
aire sobre masas de árboles u otras superficies rugosas (p.ej. edificaciones), flujos hidráulicamente rugosos, e
incluso flujos subsuperficiales (Nikora y Rowinski, 2008).
De un modo resumido, se puede indicar que esta metodología se basa en promediar las ecuaciones de Reynolds
en un volumen o superficie de control. El procedimiento de promediado se basa en descomponer las variables
promediadas temporalmente en su componente de media y fluctuación espacial de manera que la media temporal
cualquier variable hidrodinámica θ i se puede escribir como:
θ i = θ i + θ% i
(1)
donde los paréntesis angulares denotan promedio espacial, la barra superior promedio temporal y la tilde
fluctuación espacial (Nikora et al., 2007). Esta descomposición es similar a la descomposición de Reynolds de
las variables instantáneas en su promedio temporal y en la componente de fluctuación, θi = θ i + θi ' .
Aplicando esta metodología para determinar el perfil de velocidades, se pueden definir dos tipos de promediados
en función del operador empleado. Las diferencias entre la media superficial y la media intrínseca. Para el
análisis de flujos hidráulicamente rugosos, es más correcto emplear la media intrínseca (Nikora et al., 2007). La
velocidad u intrínseca doblemente promediada se puede definir como (ver p.ej. en Mignot et al., 2009):
U ( x, t ) =
1
Af
∫∫
Af
U (x + r , t )dS
(2)
donde Af es el área ocupada por el fluido a una cota determinada z (nótese que Af=1 por encima del nivel de las
crestas del lecho zc ), siendo A0 la superficie total donde se realiza el promediado para esa misma cota z; r es un
vector de posición que describe el valor de Af en el entorno de un punto con coordendas x y dS es un elemento
diferencial de área.
Para cada uno de los ensayos se ha determinado el perfil de velocidades doblemente promediado, y a partir de
éste, se calculó la velocidad de corte ajustando la siguiente ley logarítmica de velocidades en el tramo situado
sobre las crestas del lecho y hasta una altura inferior a 0.2·h:
U ( z) =
u*
κ
ln
z
z0
(3)
donde κ=0.41 es la constante de Von Karman, z0 es el nivel donde las velocidades son nulas y u* es la velocidad
de corte.
Tema A: Dinámica fluvial
2.4 Análisis estadístico de los resultados
Se ha analizado el efecto de las variables velocidad del flujo, tamaño, reclutamiento, así como las interacciones
entre las mimas, en el porcentaje de moluscos arrastrados. Para ello se ha realizado con ayuda del software
SPSS© un Análisis de la Varianza ANOVA, con un diseño experimental de tres factores (velocidad, talla y
densidad). Como paso previo al ANOVA se realizó un análisis exploratorio de los datos para analizar tendencias
y comprobar el cumplimiento de las hipótesis necesarias para este contraste (ver p.ej. Underwood, 1981).
3 Resultados
3.1 Hidrodinámica
Previamente a la aplicación de la metodología del doble promediado para obtener los perfiles de velocidad
característicos de cada ensayo ha sido necesario determinar la posición del lecho de sedimentos con berberechos.
Para ello se ha desarrollado un algoritmo de detección del pico del gradiente de intensidades en las imágenes con
Matlab ©. De esta forma se ha podido determinar la posición del fondo, la función de rugosidad de fondo y el
origen de coordenadas z=0 definido como z=zmediana (ver Figura 4).
zona de análisis
5 mm
posición
del lecho
zmax
zmedia
zmin
Figura 4
Ejemplo de imagen de PIV empleada para la determinación de la función de rugosidad de fondo, la posición
del lecho y del plano z=0
Empleando la metodología DAM se ha calculado el perfil de velocidades doblemente promediado sobre el lecho
liso y sobre las diferentes configuraciones de berberechos. A partir del perfil se ha obtenido la velocidad media
de cada ensayo y la velocidad de corte, para lecho liso y sobre los berberechos. En la Tabla 1 se presenta un
resumen con las velocidades medias y de corte sobre la arena, y de las velocidades de corte medias.
Tabla 1 Resumen de las velocidades medias y de corte obtenidas en los ensayos realizados, para las condiciones de lecho
liso, y para los reclutamientos alto y bajo
ENSAYO
Velocidad media
Arena
u* (m/s)
u
(m/s)
2
1000 ind/m (n=8)
2
500 ind m (n=8)
01
02
03
04
05
06
0.298
0.315
0.346
0.391
0.446
0.471
0.026
0.028
0.028
0.029
0.035
0.034
0.049
0.048
0.054
0.083
0.090
0.097
0.044
0.031
0.049
0.058
0.070
0.066
Tema A: Dinámica fluvial
Los valores de la Tabla 1 relativos a la velocidad de corte para los dos grados de reclutamientos son un promedio
de las velocidades de corte sobre todas las tallas analizadas. Se puede observar, tal y como era de esperar, que las
velocidades de corte son más altas a medida que se incrementa la velocidad. Además, para las condiciones de
reclutamiento bajo, los valores de u*, y por tanto de las tensiones tangenciales sobre el lecho, son mayores que
para las condiciones de alto reclutamiento (esta tendencia se refleja gráficamente en la Figura 5). Esto significa
que para bajos reclutamientos, y para la misma velocidad media, los berberechos están más expuestos al arrastre
que cuando hay una mayor densidad de moluscos.
0.15
Reclutamiento Bajo
Reclutamiento Alto
Lecho Liso
u * (m/s)
0.10
0.05
0.00
0.250
0.300
0.350
0.400
0.450
0.500
Umed (m/s)
Figura 5
Velocidades de corte medias obtenidas en los ensayos realizados en función del grado de reclutamiento: bajo
(500 ind/m2) y alto (1000 ind/m2). El resto de variables (tamaño y estado –vivo/muerto-) se han promediado
3.2 Movilización de los berberechos
En la Figura 6 se representa un ejemplo de los resultados obtenidos en los ensayos de erosión con los
berberechos vivos para la densidad de reclutamiento más baja. Se puede apreciar, tal y como era previsible, la
relación directa entre velocidad de corriente y ratio de erosión, o la relación inversa entre tamaño y ratio de
erosión. Sin embargo, también se aprecia que los patrones de erosión no son lineales con estas variables, por lo
que esta variabilidad debe investigarse con mayor profundidad.
Para ello, se ha realizado un análisis ANOVA de tres variables de tipo factorial con todas sus interacciones.
Previamente a la realización del análisis se comprobó la homogeneidad de las varianzas con el contraste de
Cochran y los datos fueron arcsin transformados, siguiendo las indicaciones recogidas en la literatura sobre
análisis de experimentos en ecología marina (Underwood, 1981).
Tema A: Dinámica fluvial
100%
15-20 mm
20-25 mm
80%
25-30 mm
% Arrastrados
30-35 mm
60%
40%
20%
0%
0.298
0.315
0.346
0.391
0.446
0.471
Umed (m/s)
Figura 6
Porcentaje de berberechos arrastrados (media±SE) para la densidad de reclutamiento baja en función de la
velocidad de la corriente y la talla
Los resultados del análisis se presentan en la Tabla 2, y señalan que todos los factores analizados son
significativos. Esto significa que tanto la velocidad, como el tamaño y la densidad son factores que afectan
significativamente (desde un punto de vista estadístico) a la movilización de los berberechos.
Tabla 2 Análisis ANOVA factorial de 3 factores sobre el porcentaje de berberechos movilizados. Los factores significantes
se marcan con * (P<0.05)
FACTOR
Modelo
Velocidad
Talla
Densidad
Velocidad x Talla
Velocidad x Densidad
Talla x Densidad
Velocidad x Talla x Densidad
Residuo
Total
SS
155.549
18.566
22.879
1.971
3.591
.631
.323
2.402
27.014
182.563
df
48
5
3
1
15
5
3
15
336
384
MS
3.241
3.713
7.626
1.971
.239
.126
.108
.160
.080
F
40.306
46.185
94.853
24.515
2.977
1.571
1.340
1.991
Nivel P
<0.001*
<0.001*
<0.001*
<0.001*
<0.001*
0.168
0.261
0.015*
En la Tabla 2 también se puede comprobar como aparecen interacciones de primer orden significativas
(Velocidad x Talla o Velocidad x Densidad) lo cual justifica el comportamiento no lineal de la movilización que
se puede apreciar en la Figura 6, con la velocidad o la talla.
Tema A: Dinámica fluvial
4 Conclusiones
En este trabajo se ha aplicado con éxito la metodología del doble promediado para investigar el flujo sobe un
lecho rugoso formado por diferentes configuraciones de berberechos (Tallas y reclutamientos). Esta
metodología, de reciente aplicación en ingeniería hidráulica, proporciona un marco de trabajo adecuado para el
estudio de los flujos sobre lechos irregulares a través del análisis de los parámetros hidrodinámicas
convencionales (velocidades, tensiones y otros momentos de orden superior, energía cinética turbulenta, etc.)
promediados en el espacio y en el tiempo.
Los ensayos de arrastre de berberechos realizados han demostrado la movilización de los mismos es función de
la velocidad, el tamaño así como el reclutamiento con el que se encuentren. Se han constatado diferencias en las
velocidades de corte asociadas a lechos con diferentes densidades, que provocarían que para condiciones
similares de corriente, los berberechos reclutados con menor densidad sean más propensos a ser arrastrados.
Por último, aunque la hidrodinámica juega un papel importante en el transporte de estos moluscos, las
observaciones visuales realizadas a lo largo de los experimentos nos hacen pensar que otros factores, como el
estado, la actividad o el grado de enterramiento también pueden influir en este proceso.
5 Agradecimientos
Los autores de esta comunicación quieren agradecer el soporte económico proporcionado por el Proyecto
"Afecciones a la fauna de las aguas de transición de las variaciones de agua dulce generadoas por las centrales
hidroeléctricas de punta", 113/SGTB/2007/1.4 del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino, así
como el proporcionado por la Xunta de Galicia, en su programa de fortalecimiento de grupos competitivos
(FEDR 2007-2013).
Gracias a Ramón Losada y Eva Martín su colaboración en la realización de los experimentos y en la puesta a
punto del canal de ensayo.
Así mismo, los autores agradecen los consejos, materiales y tiempo proporcionados por el Centro de
Investigacións Mariñas de Corón, el Lab. de Microbiología de la Facultad de Ciencias de la Universidade da
Coruña, a la cofradía de mariscadores de Santa Cristina y al Instituto Oceanográfico de A Coruña.
6 Referencias bibliográficas
Anta, J.; Peña, E. y Puertas, J. (2007). "Análisis hidrodinámico del arrastre del bereberecho Cerastoderma Edule
de los Lombos del Ulla". Revista de la Real Academia Galega das Ciencias, VOl XXVI, pág 53-90.
de Montaudouin, X., Bachelet, B. y Sauriau, P.-G. (2003). "Secondary settlement of cockles Cerastoderma edule
as a function of current velocity and substratum: a flume study with benthic juveniles." Hydrobiologia. Vol. 203.
págs. 103-116.
Hunt, H. L. (2004). "Transport of juvenile clams: effects of species and sediment grain size." Journal of
Experimental Marine Biology and Ecology. Vol. 312(2). págs. 271-284.
Huxham, M. y Richards, M. (2003). "Can postlarval bivalves select sediment type during settlement? A field test
with Macoma balthica (L.) and Cerastoderma edule (L.) " Journal of Experimental Marine Biology and Ecology.
Vol. 288. págs. 279-293.
Mignot, E., Barthelemy, E. y Hurther, D. (2009). "Double-averaging analysis and local flow characterization of
near-bed turbulence in gravel-bed channel flows." Journal of Fluid Mechanics. Vol. 618. págs. 279-303.
Molares, J; Parada, J.M.; Navarro-Pérez, E. y Fernández, A. (2008). “Variabilidad interanual de las ventas de los
principales recursos marisqueros de galicia y su relación con las condiciones ambientales”, Revista Galega dos
Recursos Mariños, Vol 2, pág 1-42
Nikora, V., McEwan, I., McLean, S., Coleman, S., Pokrajac, D. y Walters, R. (2007). "Double-averaging
concept for rough-bed open-channel and overland flows: Theoretical background." Journal of Hydraulic
Engineering. Vol. 133(8). págs. 873-883.
Nikora, V. I. y Rowinski, P. M. (2008). "Rough-bed flows in geophysical, environmental, and engineering
systems: Double-Averaging Approach and its applications." Acta Geophysica. Vol. 56(3). págs. 529-533.
Tema A: Dinámica fluvial
Parada, J. M., Molares, J., Sánchez-Mata, A., Martínez, G., Darriba, C. y Mariño, J. (2006). "Plan de actuación
para la recuperación del banco "Lombos do Ulla": Campañas marisqueras dese 2002 a 2005." Revista Galega
dos Recursos Mariños. Vol. 1(1). págs. 1-37.
Peña, E.; Anta, J.; Puertas, J. y Teijeiro, T. (2008). “Estimation of Drag Coeficcient and Settling Velocity of the
Cockle Cerastoderma edule using Particle Image Velocimetry”, Journal of Coastal Research, Vol 24(4C), pág
150-156.
Snelgrove, P. V. R., Grassle, J. P. y Butman, C. A. (1998). "Sediment choice by settling larvae of the bivalve,
Spisula solidissima (Dillwyn), in flow and still water." Journal of Experimental Marine Biology and Ecology.
Vol. 231(2). págs. 171-190.
Snelgrove, P. V. R., Grassee, J. P., Grassle, J. F., Petrecca, R. F. y Hongguang, M. (1999). "In situ habitat
selection by settling larvae of marine soft-sediment invertebrates." Limnology and Oceanography. Vol. 44(5).
págs. 1341-1347.
St-Onge, P. y Miron, G. (2007). "Effects of current speed, shell length and type of sediment on the erosion and
transport of juvenile softshell clams (Mya arenaria)." Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. Vol.
349(1). págs. 12-26.
Underwood, A. J. (1981). "Techniques of analysis of variance in experimental marine biology and ecology."
Oceanographic and Marine Biological. Annual Review. Vol. 19. págs. 513-605.