Hydrodynamics and mixing at river confluences: on the influence of buoyancy and tides/ hidrodinámica y mezcla en la confluencia de ríos: influencia de los contrastes de densidad y de la marea

Las confluencias de rios son nodos clave en la red hidrica en donde se producen fuertes gradientes fisicos y quimicos (ej.: gradientes en la temperatura del agua, en la materia organica, en la carga de nutrientes, etc.), que permiten la formacion de un abanico amplio de condiciones ambientales (habitats) para el crecimiento biologico. Debido a la heterogeneidad tanto espacial como temporal de los habitats y recursos presentes en las confluencias, estas se comportan como puntos calientes de biodiversidad, donde el numero de especies puede aumentar de forma muy significativa en comparacion con otros tramos de la red fluvial. Ademas, estos efectos persisten aguas abajo de las confluencias por lo que influyen sobre las comunidades biologicas y sobre los procesos ecologicos tanto a nivel de tramos de rios, como a nivel de toda la red fluvial; si bien, la extension del tramo de rio, aguas abajo de una confluencia, con caracteristicas heterogeneas depende, en gran medida, de las tasas de mezcla entre el agua de la corriente principal y la de su tributario. Aunque la literatura que versa sobre la mezcla de rios aguas abajo de confluencias es extensa, todavia queda camino por recorrer en nuestro entendimiento sobre los procesos de mezcla en estas areas. Concretamente, y debido a que se trata de ambientes dominados en gran medida por las diferencias inerciales de los rios confluyentes, la literatura suele despreciar el efecto sobre la mezcla que podria tener la presencia de contrastes de densidad entre los rios. Sin embargo, a medida que la escala de la confluencia aumenta, la probabilidad de que los rios que confluyen en ella drenen cuencas de mayor tamano tambien aumenta, y por tanto de que drenen territorios con distintas caracteristicas geologicas, lo que potencialmente resultaria en diferencias significativas en las densidades de los rios. En esta tesis, se presentan los resultados de una serie de experimentos realizados en una confluencia en el norte de Espana donde los contrastes de densidad son importantes tanto para la distribucion espacial de los rios una vez confluyen como para las tasas de mezcla de los mismos aguas abajo de la confluencia. Estos contrastes de densidad varian de forma estacional, con valores que van desde los O (10−2) kg m−3 en invierno hasta las diferencias de O (1) kg m−3 en verano, y la magnitud de estas diferencias es responsable de que los rios fluyan uno paralelo al otro o de que se dispongan uno encima del otro (estratificacion vertical). Mediante el uso de modelacion numerica, se mostrara que, a pesar de que podrian despreciarse desde un punto de vista dinamico, la existencia de pequenos contrastes de densidad (como los encontrados en invierno en esta confluencia) puede causar la deformacion de la interfase de mezcla entre los dos rios, lo que conlleva cambios en el area de contacto entre las dos masas de agua y, por tanto, tiene consecuencias sobre las tasas de mezcla. Tambien se presentaran simulaciones con las que se evaluaran los factores que controlan la localizacion del punto de hundimiento asi como las tasas de mezcla bajo las condiciones de fuertes contrastes de densidad tipicas del verano, con particular foco sobre la interaccion entre las fuerzas inerciales y de flotabilidad, el efecto del forzamiento del viento y sobre la naturaleza no estacionaria del forzamiento hidraulico. Esta tesis mostrara que la localizacion, en estado estacionario, del punto de hundimiento esta controlada por un equilibrio entre las fuerzas inerciales (los rios entran con distinta inercia a la confluencia) y de flotabilidad (los rios tienen distinta densidad), lo cual tiene importantes consecuencias en la mezcla de los rios ya que las tasas de mezcla aumentan a medida que el punto de hundimiento se produce en la confluencia en si misma, debido a una combinacion de una mayor interfase de mezcla y valores altos de difusividad. Por otro lado, el forzamiento del viento, dependiendo de su direccion y velocidad, tambien es capaz de afectar a las tasas de mezcla mediante (1) la alteracion del equilibrio entre las fuerzas inerciales y de flotabilidad, (2) la alteracion del patron de recirculacion lateral en la confluencia y/o (3) el aumento de los niveles de cizalla en la confluencia. Esta tesis tambien muestra que hay un desfase entre un cambio en las condiciones de entrada de los rios (cambios en el caudal y/o densidad) y el desplazamiento del punto de hundimiento como respuesta del sistema a un cambio en las condiciones de equilibrio. Los nodos en la red hidrologica donde el agua puede seguir uno o mas caminos alternativos (difluencias) son tambien puntos criticos en la red fluvial, en donde las especies migratorias acuicolas eligen distintas rutas migratorias. Este es el caso, por ejemplo, del salmon real (Oncorhynchus tshawytscha) en el delta formado por los rios Sacramento y San Joaquin en California. Esta tesis tambien recoge los resultados preliminares de simulaciones realizadas en un tramo del rio Sacramento donde los juveniles del salmon real pueden o bien permanecer en la corriente principal, o bien elegir entre otras dos rutas migratorias que los dirigen al interior del delta, donde las tasas de supervivencia de los juveniles son inferiores. Este tramo del rio Sacramento esta afectado por el regimen mareal por lo que el agua fluye en sentido contrario durante la marea llenante, y la entrada a las dos rutas que dirigen a los salmones al interior del delta estan situadas en el exterior de un meandro, donde se producen fenomenos de recirculacion lateral del flujo. Los resultados preliminares son consistentes con estudios previos que muestran la importancia de las mareas, ya que durante la marea llenante casi todo el flujo, y por tanto los salmones, se dirigen hacia el interior del delta a traves de estas dos rutas migratorias. Este trabajo tambien sugiere que, durante la marea vaciante el porcentaje de peces que entra en el interior del delta es mayor que el esperado en funcion del caudal redirigido hacia estas dos rutas, debido a la combinacion de la preferencia de los salmones por nadar cerca de la superficie (en los primeros cuatro metros de la columna de agua en el rio Sacramento) y de la presencia de recirculacion lateral, que desplaza a los salmones hacia el exterior del meandro (donde se localizan las entradas a estas dos rutas migratorias) en las zonas cercanas a la superficie.