Dispersión y mezcla en la zona costera del Río de la Plata
Supervisor(es): Pedocchi, Francisco - Maciel, Fernanda
Resumen:
La gestión y la preservación de los estuarios resulta de gran relevancia, especialmente para la creciente población que habita en sus costas. Los estuarios presentan gran complejidad tanto por su hidrodinámica y sus forzantes, su hidrosedimentología, como su diversidad biológica. El estuario del Río de la Plata se encuentra entre Uruguay y Argentina, al sureste de América del Sur. Es de gran importancia tanto social, medioambiental como económica para la región, siendo su cuenca hidrográfica la quinta más grande del mundo, y albergando más de 110 millones de habitantes pertenecientes a cinco países. En el Capítulo 1 se presentan las principales definiciones del fenómeno de dispersión, y se establece la relevancia de comprender los procesos de dispersión y mezcla en las zonas costeras como herramienta clave para gestionar y proteger los cuerpos de agua. Tanto por el rol de estos procesos en su ecología, como para estimar el impacto de descargas de aguas residuales o industriales. Para estimar estos procesos se utilizan modelos que requieren como variable de entrada coeficientes de difusión o dispersión que representan el fenómeno de mezcla. Particularmente, para predecir el comportamiento de plumas de descarga o estimar la concentración de una cierta sustancia aguas abajo de su descarga, se utiliza la ecuación de dispersión. En el desarrollo de dicha ecuación se manifiestan los coeficientes de dispersión y los coeficientes de mezcla vertical. En esta tesis se presenta la aplicación de la metodología del tensor de dispersión de Fischer (1978), que permite estimar el coeficiente de dispersión transversal a partir de mediciones de campo, utilizando perfiles de velocidad obtenidos con un perfilador de velocidad de corriente acústico (ADCP, por sus siglas en inglés). Se incorpora además el efecto de corrientes y viento local sobre la mezcla vertical en el cálculo de la viscosidad turbulenta vertical. Se presenta en primer lugar, en el Capítulo 2, la deducción analítica de la ecuación de dispersión como fue desarrollada por Fischer (1978) considerando un cuerpo de agua extenso y poco profundo, indicando las hipótesis contempladas para alcanzar la definición del tensor de dispersión, su método de cálculo y aplicación. En el sitio de estudio, que se describe en el Capítulo 3, se encuentra una central térmica de ciclo combinado, cuyo proceso productivo involucra la toma de agua del Río de la Plata, y la descarga de agua caliente mediante una tubería con difusores. Se fondeo un ADCP aproximadamente a 400 m de la descarga, obteniendo información de perfiles de velocidad desde enero de 2015 hasta diciembre 2021. De modo de validar la metodología del ADCP, se aplica la misma a un año de la serie de datos recolectados en el sitio de estudio, cuyos resultados se encuentran en el Capítulo 4, y se compara con la aplicación de dos métodos de estimación del coeficiente de dispersión transversal más tradicionales, basados en el seguimiento de trazadores. Respecto a las metodologías tradicionales, en primer lugar se presenta la metodología que estima el coeficiente de dispersión transversal a partir del campo de temperatura registrado durante las campañas de seguimiento de pluma de agua caliente, utilizando el equipo River Ray. En segundo lugar se presenta una metodología experimental más exhaustiva, utilizando sensores de temperatura que se colocan en elipses alrededor de la descarga. En el Capítulo 5 se desarrolla la discusión de los resultados obtenidos, y se realiza en primera instancia un análisis de sensibilidad del cálculo de dispersión del ADCP frente a la variación de la estimación de la mezcla vertical, representada por la viscosidad turbulenta vertical. A su vez, en el Capítulo 5 se realiza un análisis de sensibilidad del método del ADCP frente a las variaciones esperables de los parámetros involucrados, obteniendo un error promedio del 10% en las estimaciones del coeficiente de dispersión. A igual que para el método del ADCP, se realiza un análisis de sensibilidad del método del River Ray y el método de los sensores de temperatura, obteniendo un error promedio del 15% y 20% en las estimaciones del coeficiente de dispersión respectivamente. De acuerdo con la comparación entre metodologías del Capítulo 5, se observa que los métodos presentan resultados del mismo orden. Aun así, los resultados del River Ray indican una sobrestimación de aproximadamente un 40% del coeficiente de dispersión transversal respecto al método del ADCP, mientras que los resultados de la comparación con los sensores de temperatura se encuentran en su mayoría contenidos en el espacio de ±200 %. Además, en la comparación con el método de sensores de temperatura se observan grupos de resultados que difieren en gran medida, los cuales coinciden con eventos de oleaje de gran magnitud, por lo que se establece la necesidad de incorporar el oleaje en la mezcla vertical para el cálculo con el ADCP. Finalmente, en el Capítulo 6 se realizó el cálculo del coeficiente de dispersión transversal utilizando la serie de aproximadamente siete años de datos del ADCP recabados en la zona de estudio, lo que permitió realizar un análisis con el fin de encontrar tendencias y resultados relevantes para la ingeniería. La presente tesis concluye en el Capítulo 7 los principales aportes y resultados obtenidos a partir del trabajo realizado. Resulta de gran relevancia y utilidad la metodología desarrollada e implementada en la zona costera del Río de la Plata, como herramienta a ser aplicada en otros sitios de condiciones similares.
2023 | |
Mecánica de los Fluidos Hidráulica Aplicada Mezcla Dispersión Río de la Plata |
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Español | |
Universidad de la República | |
COLIBRI | |
https://hdl.handle.net/20.500.12008/44058 | |
Acceso abierto | |
Licencia Creative Commons Atribución - No Comercial - Sin Derivadas (CC - By-NC-ND 4.0) |
Sumario: | La gestión y la preservación de los estuarios resulta de gran relevancia, especialmente para la creciente población que habita en sus costas. Los estuarios presentan gran complejidad tanto por su hidrodinámica y sus forzantes, su hidrosedimentología, como su diversidad biológica. El estuario del Río de la Plata se encuentra entre Uruguay y Argentina, al sureste de América del Sur. Es de gran importancia tanto social, medioambiental como económica para la región, siendo su cuenca hidrográfica la quinta más grande del mundo, y albergando más de 110 millones de habitantes pertenecientes a cinco países. En el Capítulo 1 se presentan las principales definiciones del fenómeno de dispersión, y se establece la relevancia de comprender los procesos de dispersión y mezcla en las zonas costeras como herramienta clave para gestionar y proteger los cuerpos de agua. Tanto por el rol de estos procesos en su ecología, como para estimar el impacto de descargas de aguas residuales o industriales. Para estimar estos procesos se utilizan modelos que requieren como variable de entrada coeficientes de difusión o dispersión que representan el fenómeno de mezcla. Particularmente, para predecir el comportamiento de plumas de descarga o estimar la concentración de una cierta sustancia aguas abajo de su descarga, se utiliza la ecuación de dispersión. En el desarrollo de dicha ecuación se manifiestan los coeficientes de dispersión y los coeficientes de mezcla vertical. En esta tesis se presenta la aplicación de la metodología del tensor de dispersión de Fischer (1978), que permite estimar el coeficiente de dispersión transversal a partir de mediciones de campo, utilizando perfiles de velocidad obtenidos con un perfilador de velocidad de corriente acústico (ADCP, por sus siglas en inglés). Se incorpora además el efecto de corrientes y viento local sobre la mezcla vertical en el cálculo de la viscosidad turbulenta vertical. Se presenta en primer lugar, en el Capítulo 2, la deducción analítica de la ecuación de dispersión como fue desarrollada por Fischer (1978) considerando un cuerpo de agua extenso y poco profundo, indicando las hipótesis contempladas para alcanzar la definición del tensor de dispersión, su método de cálculo y aplicación. En el sitio de estudio, que se describe en el Capítulo 3, se encuentra una central térmica de ciclo combinado, cuyo proceso productivo involucra la toma de agua del Río de la Plata, y la descarga de agua caliente mediante una tubería con difusores. Se fondeo un ADCP aproximadamente a 400 m de la descarga, obteniendo información de perfiles de velocidad desde enero de 2015 hasta diciembre 2021. De modo de validar la metodología del ADCP, se aplica la misma a un año de la serie de datos recolectados en el sitio de estudio, cuyos resultados se encuentran en el Capítulo 4, y se compara con la aplicación de dos métodos de estimación del coeficiente de dispersión transversal más tradicionales, basados en el seguimiento de trazadores. Respecto a las metodologías tradicionales, en primer lugar se presenta la metodología que estima el coeficiente de dispersión transversal a partir del campo de temperatura registrado durante las campañas de seguimiento de pluma de agua caliente, utilizando el equipo River Ray. En segundo lugar se presenta una metodología experimental más exhaustiva, utilizando sensores de temperatura que se colocan en elipses alrededor de la descarga. En el Capítulo 5 se desarrolla la discusión de los resultados obtenidos, y se realiza en primera instancia un análisis de sensibilidad del cálculo de dispersión del ADCP frente a la variación de la estimación de la mezcla vertical, representada por la viscosidad turbulenta vertical. A su vez, en el Capítulo 5 se realiza un análisis de sensibilidad del método del ADCP frente a las variaciones esperables de los parámetros involucrados, obteniendo un error promedio del 10% en las estimaciones del coeficiente de dispersión. A igual que para el método del ADCP, se realiza un análisis de sensibilidad del método del River Ray y el método de los sensores de temperatura, obteniendo un error promedio del 15% y 20% en las estimaciones del coeficiente de dispersión respectivamente. De acuerdo con la comparación entre metodologías del Capítulo 5, se observa que los métodos presentan resultados del mismo orden. Aun así, los resultados del River Ray indican una sobrestimación de aproximadamente un 40% del coeficiente de dispersión transversal respecto al método del ADCP, mientras que los resultados de la comparación con los sensores de temperatura se encuentran en su mayoría contenidos en el espacio de ±200 %. Además, en la comparación con el método de sensores de temperatura se observan grupos de resultados que difieren en gran medida, los cuales coinciden con eventos de oleaje de gran magnitud, por lo que se establece la necesidad de incorporar el oleaje en la mezcla vertical para el cálculo con el ADCP. Finalmente, en el Capítulo 6 se realizó el cálculo del coeficiente de dispersión transversal utilizando la serie de aproximadamente siete años de datos del ADCP recabados en la zona de estudio, lo que permitió realizar un análisis con el fin de encontrar tendencias y resultados relevantes para la ingeniería. La presente tesis concluye en el Capítulo 7 los principales aportes y resultados obtenidos a partir del trabajo realizado. Resulta de gran relevancia y utilidad la metodología desarrollada e implementada en la zona costera del Río de la Plata, como herramienta a ser aplicada en otros sitios de condiciones similares. |
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