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1. Introducción
De acuerdo con Yoshimi Goda (1990) el clima de oleaje se describe en forma mensual, anual y estacional y sus principales elementos son: la altura, el período y la dirección de incidencia del oleaje. Esta última se expresa comúnmente en un sistema de 16 direcciones (N, NNE, NE, ENE, etc.).
Las fuentes de información para la caracterización del clima de oleaje son las siguientes:
· Datos visuales de oleaje, por ejemplo, Ocean Waves Statistics (véase figura 1) y Sea and Swell Charts; esta fuente de información proporciona datos de altura, período, direcciones del oleaje y número de observaciones en forma mensual. · Pronósticos de oleaje, los cuales toman como referencia información global de campos de viento, por ejemplo, el Atlas de Oleaje Oceánico de México (ATLOOM). Las características de esta fuente de información se describirán con detalle más adelante. · Mediciones directas mediante la instalación de ológrafos direccionales y boyas direccionales medidoras de oleaje, como es la Red Nacional de Estaciones Oceanográficas y Meteorológicas (RENEOM). Las características de esta fuente de información se describirán con detalle más adelante.
Figura 1. Zonificación de información de datos visuales de oleaje.
Fuente: Ocean Waves Statististics, Laboratorio Nacional de Física, Ministerio de Tecnología de la Gran Bretaña, 1967.
Para su aplicación en estudios y proyectos de ingeniería de puertos y costas, el clima de oleaje se divide en: clima de oleaje medio y clima de oleaje extremal, los cuales tienen las siguientes características:
· Clima de oleaje medio: Se caracteriza por la representación de las características del oleaje, en tablas de frecuencias cruzadas para los regímenes mensual, estacional y anual, de las siguientes variables:
Ø Tablas de frecuencias cruzadas de alturas contra períodos del oleaje Ø Tablas de frecuencias cruzadas de alturas contra direcciones del oleaje Ø Tablas de frecuencias cruzadas de períodos contra direcciones del oleaje.
· Clima de oleaje extremal: Se caracteriza por la definición de la altura de ola de diseño de obras de protección en puertos y costas, relacionada con el período de retorno asociado a dicha altura. En general los pasos involucrados en la selección de un oleaje de diseño, serán los siguientes:
Ø Selección y obtención de los mejores datos disponibles Ø Selección de las tormentas dentro de los datos disponibles Ø El uso de datos de tormentas en análisis extremales.
2. Especificaciones del oleaje de diseño
Los registros de oleaje, generalmente consisten de una curva como la que se muestra en la figura 2, los cuales constan de una muestra de datos de oleaje medidos durante un tiempo de 30 min registrados en intervalos fijos continuos de muestreo de 0.7 s (1.42 Hz).
(1) Estadística del oleaje de corto plazo
Utilizando los registros de oleaje, como el mostrado en la figura 2, se pueden realizar dos tipos de análisis. El primer tipo se refiere a un análisis en el dominio del tiempo y, el segundo, se refiere a un análisis en el dominio de la frecuencia. Ambos métodos se utilizan para representar un estado de mar estacionario (i. e. el estado del mar no varía con el tiempo durante el muestreo).
Figura 2. Registro en el tiempo de la superficie libre del agua.
(2) Análisis en el dominio del tiempo
Para un registro (e. g. un registro de 20 minutos representando un período de 3 horas) las siguientes características del oleaje se pueden derivar directamente en el dominio del tiempo, usando un análisis de cruce por cero ascendentes, o cruce por cero descendente. De acuerdo con estos dos métodos, la altura de la ola (H) es la distancia entre dos cruces hacia arriba o hacia abajo y, el período (T) es el intervalo del tiempo entre dichos cruces.
En la figura 3, se indica el análisis en el dominio del tiempo mediante el cual se obtienen las siguientes alturas y períodos del oleaje: Hz es la altura media entre el cruce por cero ascendente, Tz es el período medio entre el cruce por cero ascendente (o descendente), Hc es la altura media entre crestas de oleaje, Tc es el período medio entre crestas de oleaje, Hmáx es la diferencia máxima entre cresta y valle adyacente, Hrms es la raíz media cuadrática de la altura de la ola, H1/3 o Hs es la altura media del tercio superior de un tren de oleaje y H1/10 es la altura media del décimo superior del tren de oleaje.
En el análisis del oleaje en el dominio del tiempo, las alturas de ola individuales se analizan estadísticamente mediante la distribución de Rayleigh, la cual se expresa en términos de la probabilidad de excedencia de un valor dado de (h), o mediante la función de densidad de probabilidad f(h) como se indica a continuación:
Figura 3. Análisis del oleaje en el dominio del tiempo.
(3) Análisis en el dominio de la frecuencia
Espectro frecuencial del oleaje
El perfil de la superficie libre del agua indicada en la figura 3, también puede ser analizada en el dominio de la frecuencia mediante la aplicación de series de Fourier. En esencia, algún estado del mar unidireccional se puede escribir matemáticamente por una serie infinita compuesta de ondas senoidales de amplitud y frecuencia variable, como se representa de forma gráfica en la figura 4.a. La distribución de la energía de las componentes de oleaje, indicadas en la figura antes señalada, las cuales al graficarlas contra la frecuencia y dirección se le llama espectro del oleaje. En otras palabras, la distribución de la energía respecto a la frecuencia solamente, sin considerar la dirección del oleaje, es llamado espectro frecuencial (véase figura 4.b).
Espectro direccional del oleaje
Las olas en el mar no pueden ser descritas de forma adecuada únicamente mediante el uso del espectro frecuencial ya que, los patrones de las crestas de oleaje que se observan en la naturaleza, indican que existen muchos componentes de propagación del oleaje en la dirección del oleaje. El concepto de espectro direccional describe el estado de la sobreposición de componentes direccionales y representa la distribución de la energía del oleaje en el dominio de la frecuencia en una dirección determinada (ángulo q) el cual se expresa como:
Donde S (f, q) es la función de densidad espectral direccional del oleaje o simplemente el espectro direccional del oleaje, mientras que G (f;q) es la función de dispersión direccional (también llamada función de dispersión) y de la distribución angular o direccional. La función G(f;q) representa la distribución direccional de la energía del oleaje en una dirección.
Figura 4. a) Representación de un estado de mar por la superposición de varias ondas senoidales. 4. b) Espectro frecuencial del oleaje.
3. Atlas de Oleaje Oceánico de México
Con la finalidad de integrar un adecuado banco de información de las condiciones medias y extremales del oleaje en los litorales mexicanos y cubrir las necesidades de la falta de información oceanográfica a nivel nacional, en el año 2004 el Instituto Mexicano del Transporte elaboró el Atlas de Oleaje Oceánico de México (ATLOOM). Dicho Atlas utiliza el modelo numérico WAMC4 (Wave Model) para generar los espectros direccionales del oleaje, así como sus principales variables (altura significante, período medio, frecuencia pico y dirección media) con datos horarios para un período de 44 años, comprendidos del 1 de enero de 1958 al 31 de diciembre de 2001, en 38 sitios de aguas profundas para el Océano Pacífico y 23 sitios para el Golfo de México y Mar Caribe (Ver Fig. 5).
Fig. 5. Sitios donde se dispone de información de olaje del ATLOOM
Como información base para el modelo numérico, se utilizó la información de los componentes de la velocidad del viento a 10 m sobre el nivel medio del mar (U10 y V10), las cuales fueron obtenidas del proyecto “Reanalysis” de las agencias NCEP (National Centers for Environmental Prediction) y NCAR (National Center for Atmospheric Research) de los Estados Unidos de Norteamérica. Con respecto a la información batimétrica, se obtuvo de la base de datos de elevaciones de la superficie terrestre denominada “ETOPO2”, del National Geophysical Data Center (NGDC) de los Estados Unidos de Norteamérica, cuya resolución espacial es de 2 minutos en latitud y en longitud.
Cabe mencionar que, la información generada con el modelo numérico se validó con la información registrada por boyas direccionales del NDBC (National Data Buoy Center).
4. Red Nacional de Estaciones Oceanográficas y Meteorológicas
En el año 2004, el IMT estableció y puso en operación la Red Nacional de Estaciones Oceanográficas y Meteorológicas (RENEOM), en forma conjunta con la Coordinación General de Puertos y Marina Mercante y sus tres Direcciones Generales. Esto con el fin de aportar al sector marítimo Nacional, información medida de las condiciones oceanográficas y meteorológicas que imperan en los puertos ubicados en los litorales mexicanos.
La RENEOM tiene como objetivo principal el establecer una red de estaciones oceanográficas y meteorológicas para la medición de oleaje, mareas, variables meteorológicas y tsunamis, contemplando para su funcionamiento eficiente y operativo: la centralización de la información para una mejor distribución; el aprovechamiento de medios y recursos; la minimización de los costos de mantenimiento; la estandarización de metodologías evitando duplicidades y carencias; y el balanceo de la ubicación de los sitios de medición evitando zonas “vacías”.
El alcance principal de la RENEOM para el corto y mediano plazo, es la disponibilidad sistemática y continua de datos para análisis de eventos determinados, teniendo como beneficios: una red de alerta en tiempo real; disponibilidad de datos para la modelación física (en modelos hidráulicos) y para la modelación numérica (en modelos matemáticos); calibración de modelos de predicción de oleaje; información para el peritaje de daños y responsabilidades y/o indemnizaciones; ayudas al tráfico y salvamento marítimo; y evaluación del comportamiento de estructuras marítimas, portuarias y costeras.
Con respecto en el largo plazo, el alcance principal de la RENEOM es la creación de una base de datos histórica con herramientas de acceso y utilización, teniendo como beneficios: la elaboración de estadísticas representativas del oleaje, zonificación y caracterización del clima marítimo; revisión y diseño de obras exteriores de protección en puertos y costas; análisis de la oportunidad de instalaciones marítimas; análisis de la capacidad de transporte litoral en las costas Mexicanas; estudio de maniobrabilidad de buques y diseño de accesos a lagunas litorales y puertos; y elección de rutas de navegación.
En la operación de la RENEOM, la Dirección General de Puertos coordina y proporciona los recursos financieros, las Administraciones Portuarias Integrales y, las Capitanías de Puerto, proporcionan el apoyo operativo y el IMT, proporciona el apoyo técnico y realiza el análisis e interpretación de la información.
La RENEOM está conformada con equipos de medición autónomos que se encuentran instalados en 48 sitios estratégicos de los litorales nacionales (ver Fig. 6), con la finalidad de generar información representativa la cual es publicada en tiempo real en la página Web www.imt.mx del IMT y respaldada para integrar una base de datos con la información registrada de los equipos de medición.
El desarrollo de la RENEOM, le ha permitido al IMT participar en el Sistema Nacional de Alerta de tsunamis (SINAT) como representante de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, así como estrechar vínculos con múltiples instituciones de investigación y educación superior, tanto nacionales como internacionales, al formar parte de grupos de trabajo como el del Consorcio de Instituciones de Investigación Marina del Golfo de México y Mar Caribe (CIIMAR GOMC). Adicionalmente, el IMT está elaborando el Atlas de las características del oleaje medidas en los litorales.
Figura 6. Sitios donde se encuentran instalados equipos de la RENEOM
5. Información resultante de la Red
A manera de ejemplo, en las figuras 7 y 8 se muestran los resultados de la caracterización del oleaje para el puerto de Manzanillo, tomando como base la información medida con los equipos instalados de la RENEOM para el oleaje medio y, para el caso del oleaje extremal, con la información del oleaje del ATLOOM.
Figura 7. a) Rosa de alturas de ola por dirección en el régimen anual. 7. b) Curvas de dispersión de períodos contra alturas de ola en el régimen anual.
Figura 8. a) Alturas de ola asociadas a períodos de retorno. 8. b) Gráfica de dispersión de períodos contra alturas de ola, para determinar la relación del período del oleaje asociado a la altura de ola extremal
6. Utilización del oleaje para estructuras de protección portuarias y costeras
De manera general, en las figuras 9 y 10 se indica el procedimiento para la utilización de las características del oleaje en el diseño de estructuras portuarias y costeras, así como el estudio de fenómenos relacionados con la propagación del oleaje y la acción de este fenómeno en estructuras portuarias y costeras.
Figura 9. Procedimiento para la utilización de las características del oleaje en el diseño de estructuras portuarias y costeras.
Figura 10. Estudio de fenómenos relacionados con la propagación del oleaje y la acción en estructuras portuarias y costeras.
Agradecimientos:
Se agradece la colaboración técnica de Noé Fabricio Toledano Vega y Rodolfo Ramírez Xicoténcatl en la elaboración de este artículo.
Referencias bibliográficas Yoshimi Goda (1990): Random Seas and Design of Maritime Structures, University of Tokyo Press. Yoshimi Goda (1983): Wave Measuraments and Utilization of Wave data, Civil Engineering Transactions,Sixth Australian Conference on Coastal and Ocean Engineering MONTOYA, José Miguel |
