Els estuaris sempre han atret els assentaments humans. Ports protegits, zones de bona pesca, l'accés al transport al llarg dels rius han estat raons importants per les quals les persones han establerts ciutats al llarg de les ribes dels estuaris durant segles. Els diferents usos humans dels estuaris impacten en la qualitat de l'aigua i sobre la salut de l'ecosistema estuarí. A mesura que la població humana, que ha crescut durant el segle 19 i 20, continuï creixent durant la primera meitat del segle actual els assentaments humans al llarg de les costes del estuaris augmentaran de mida. Com a resultat, l'ús d'un estuari que pot haver estat un problema petit o irrellevant fa un segle, pot esdevenir una seriosa amenaça per a la totalitat dels sistemes estuarins.
El mar sempre ha estat un lloc convenient per a vessar material no desitjat. Els estuaris estan sempre sota pressió per fer-los servir com àrees d'eliminació de residus, en particular per als residus líquids. El sistema de clavegueram abocant als estuaris ha estat una pràctica des de fa segles sense efectes importants adversos sobre l'ecosistema; ha esdevingut en un problema seriós quan les megaciutats d'avui continuen amb la mateixa pràctica a una escala molt més gran. La introducció de nous mètodes de producció industrial ha augmentat considerablement la llista de productes residuals potencialment nocius per als quals els estuaris serveixen com abocadors. La gestió de la salut de l'ecosistema estuarí s'ha convertit en una necessitat.
Una de les eines de gestió dels estuaris és el concepte de temps de buidat. Sovint s'utilitza per a determinar quina quantitat d'una substància potencialment nociva, un estuari pot tolerar abans que el seu ecosistema es vegi afectat negativament de forma significativa. Mentre que el concepte de temps de buidat és una eina científica legítima, ha de ser entesa com exactament això: una ajuda científica per a la presa de decisions. La decisió bàsica de si una substància en particular s'ha de llençar i introduir en un estuari, s'ha de fer abans que el concepte de temps de buidat entri en joc i depèn de molts factors, com ara bé els mètodes alternatius d'eliminació a terra, les possibles opcions de reciclatge o solucions alternatives econòmiques, entre d'altres. Una vegada que s'ha pres la decisió que l'eliminació en un estuari és la solució correcta, el concepte de temps de buidat s'utilitza per avaluar on, com i quina quantitat d'una substància en particular pot ser eliminada.
La motivació per a l'ús del concepte de temps de buidat ve donat per dos problemes de la gestió moderna dels estuaris. Els efectes d'una substància potencialment nociva són generalment una funció de la seva concentració, i el coneixement del temps de buidat pot ajudar a la determinació de les càrregues admissibles d'eliminació d'un estuari en particular. A més, el coneixement del temps de buidat pot proporcionar alguna orientació de com gestionar els vessaments accidentals de materials nocius o tòxics i dissenyar procediments d'emergència per a situacions de desastres industrials.
Figura 15.1
En la seva forma més simple, el temps de buidat es defineix com el temps necessari per drenar un volum $\mathbf{V}$ a través d'una sortida $\mathbf{A}$ amb la velocitat del corrent $v$ (Figura 15.1). Més específicament, el temps de buidat $t_F$ d'un estuari pot ser definit com el temps necessari per reemplaçar el volum d'aigua dolça $\mathbf{V_F}$ al ritme del flux net a través de l'estuari, i que està donat per la taxa de descàrrega del riu $\mathbf{R}$:
\[ t_F = \frac{V_F}{R} \]
Aplicacions pràctiques d'aquest concepte requereixen informació significativa a partir d'observacións. Per a mantenir aquests requisits s'estableixen una sèrie d'aproximacions que s'introdueixen en la pràctica.
L'enfocament més rigorós estima el volum d'aigua dolça de l'estuari a partir de mesures de la salinitat. Si la barreja a l'estuari és completament turbulenta (és a dir, pot ser descrita matemàticament com un procés de mescla lineal) la fracció d'aigua dolça $f$ en una mostra d'aigua està donada per
\[ f = \frac{S_0 - S}{S_0} \]
On $S_0$ és la salinitat oceànica trobada fora de la boca de l'estuari. El volum d'aigua dolça de l'estuari, o de qualsevol secció particular de l'estuari, és la integral de volum sobre $f$:
\[ f^* = \int f\; d\mathbf{V} \]
On $V$ és el volum de l'estuari o de la secció en qüestió i $f^*$, és la fracció mitjana d'aigua dolça que es troba per integració sobre $(S_0 - S) / S_0$). D'això es dedueix que el temps de buidat està donat per
\[ t_F = f^* \; \frac{\mathbf{V}}{\mathbf{R}} \]
El càlcul del temps de buidat a través d'aquest mètode requereix el coneixement del volum de l'estuari (que es pot conèixer a través d'una campanya detallada de mesura de la profunditat que s'ha de dur a terme només una vegada) una mesura de la velocitat de descàrrega dels rius $\mathbf{R}$ (que es pot adquirir en un sol punt a l'extrem interior de l'estuari) i un estudi de la distribució de la salinitat a través de tot l'estuari.
El temps de buidat $t_F$ canvia amb les variacions del cabal dels rius, però no en proporció directa a $1 / \mathbf{R}$, perquè $f^*$ també varia amb $\mathbf{R}$ en cert grau. Les observacions realitzades a la Nova York Bight, per exemple, van mostrar que $f^*$ disminueix a menys del 50% de 10.6 a 6 dies, si la descàrrega dels rius augmenta un ordre de magnitud de $13-140 \times 10^6 \;m^3/dia$.
El requisit observacional d'un estudi complet de la distribució de la salinitat a l'estuari pot ser exigent en temps i recursos financers. Els esforços per a derivar els temps de buidat d'una base de dades observacional més petita introdueix supòsits addicionals. El mètode anomenat "prisma de marea" comença a partir del concepte que un volum d'aigua de mar $\mathbf{V_T}$ entra a l'estuari amb la marea alta, mentre que un volum d'aigua dolça $\mathbf{V_R}$ entra a l'estuari durant un cicle de marea (plenamar i baixamar). Se suposa que el volum d'aigua salada $\mathbf{V_T}$ s'ha barrejat completament amb el volum d'aigua dolça $\mathbf{V_R}$ durant la plenamar, i que el volum combinat $\mathbf{V_T} + \mathbf{V_R}$, que representa la barreja, surt de l'estuari durant la marea baixa.
La salinitat del volum d'aigua fresca, $\mathbf{V_R}$, és zero. Si la salinitat de l'aigua de mar portada per la marea alta és $S_0$, la salinitat $S^*$ de la mescla d'aigua en el volum $\mathbf{V_T} + \mathbf{V_R}$ es calcula fàcilment a partir de,
\[ (\mathbf{V_T} + \mathbf{V_R})\; S^* = V_T \; S_0 \]
i es troba que
\[ S^* = S_0 \; \frac{\mathbf{V_T}}{\mathbf{V_T} +\mathbf{V_R}} \]
Això proporciona la fracció d'aigua dolça
\[ f^* = \frac{S_0 - S^*}{S_0} = 1 - \frac{S^*}{S_0} \]
com
\[ f^* = \frac{\mathbf{V_R}}{(\mathbf{V_T} +\mathbf{V_R})}\]
El temps de buidat s'ha definit prèviament com,
\[ t_F = f^* \; \frac{\mathbf{V}}{\mathbf{R}}\]
On $\mathbf{R}$ és la taxa de descàrrega dels rius, o el volum d'aigua dolça per unitat de temps. En el mètode de prisma de marea, la unitat de temps és el període de marea $\mathbf{T}$, per la qual cosa $\mathbf{R = V_R / T}$. Utilitzant el resultat de la fracció d'aigua fresca obtinguda sota els supòsits del mètode de prisma de marea, això dóna
\[ t_F = \mathbf{T} \; \frac{\mathbf{V}}{\mathbf{V_T} +\mathbf{V_R}}\]
Figura 15.2
El volum combinat $\mathbf{V_T} + \mathbf{V_R}$ representa la diferència entre la marea alta i la marea baixa (Figura 15.2), per la qual cosa s'anomena sovint el prisma de marea. És l'única quantitat (a més del coneixement del volum de l'estuari) necessària per a calcular el temps de buidat amb aquesta tècnica i es pot obtenir fàcilment a partir dels registres de mareògrafs.
Els supòsits del mètode de prisma de marea no queden totalment coberts per als estuaris reals. La barreja dels dos volums $\mathbf{V_T}$ i $\mathbf{V_R}$ mai és completa, i part de la barreja de l'aigua que surt de l'estuari amb la marea baixa entrarà en ella de nou amb la marea alta. El temps de buidat deriva del mètode del prisma de marea i representa el menor temps possible durant el qual tota la fracció d'aigua dolça d'un estuari pot ser eliminada; en altres paraules, representa un límit inferior per a qualsevol càlcul del temps de buidat.
Una altra estimació del temps de buidat es pot obtenir a partir de les equacions de l'equilibri de la sal (la fórmula de Knudsen). Si $\mathbf{R}$ denota la taxa de descàrrega dels rius com abans i, $\mathbf{Q}_{inf}$ i $\mathbf{Q}_{sup}$, són els transports de volum d'aigua que entra i surt de l'estuari a la seva desembocadura amb transport $S_{inf}$ i $S_{sup}$, la conservació del volum i de la massa (sal) dóna
\[ \mathbf{Q}_{sup} - \mathbf{Q}_{inf} = \mathbf{R} \]
\[ \mathbf{Q}_{sup} S _{sup} = \mathbf{Q}_{inf} S_{inf}\]
Aïllant $\mathbf{Q}_{sup}$ i tenint en compte que el temps de descàrrega està donat pel volum $\mathbf{V}$ de la ria, dividit per $\mathbf{Q}_{sup}$, es dedueix que
\[ t_F = \mathbf{V} (S_{inf} - S_{sup}) / (S_{inf} \mathbf{R}) = \mathbf{V} / \mathbf{R} (1 - S_{sup} / S_{inf}). \]
Aquesta determinació del temps de buidat requereix el coneixement del volum de l'estuari i del cabal dels rius com abans i, a més, una mesura de $S_{inf}$ i $S_{sup}$, que es pot obtenir d'una sola estació a la desembocadura de la ria.
El supòsit bàsic de la fórmula de Knudsen és que tota l'aigua de mar que entra a l'estuari, surt a la capa superior després de la mescla completa amb aigua fresca. Si aquest no és el cas i la interfície entre les dues capes és més difusa, la capa superior no mantindrà la salinitat zero aigües avall, i una mica d'aigua de mar de la capa inferior es barrejarà amb aigua que ja està lleugerament salada. La barreja resultant tindrà una salinitat més gran que $S_{sup}$. La fórmula de Knudsen per tant subestima el temps veritable de buidat d'una manera similar al mètode de prisma de marea, ja que també comporta la barreja completa d'aigua dolça i aigua oceànica. En la pràctica, la fórmula de Knudsen sembla més apropiada per a estuaris de falca salina i molt estratificats, mentre que el mètode del prisma de marea és més adequat per a estuaris lleugerament estratificats i barrejats verticalment. La següent taula resumeix els tres mètodes.
| Dades d'entrada | Resultat | Comentaris |
|---|---|---|
| \[\displaystyle \mathbf{t_F} = \frac{f^* \mathbf{V}}{\mathbf{R}} \] | |
| \[\displaystyle \mathbf{t_F} = \mathbf{T} \;\left(\frac{\mathbf{V}}{V_{\mathbf{T}} + V_{\mathbf{R}}}\right)\] | el mètode del prisma de marea, subestima $t_F$. Adequat per als estuaris poc estratificats |
| \[\displaystyle \mathbf{t_F} = \frac{\mathbf{V}}{\mathbf{R}} \left(1 - \frac{S_{inf}}{S_{sup}} \right) \] | la fòrmula de Knudsen, subestima $t_F$. Adequada per a estuaris molt estratificats |
Sigui quin sigui el mètode utilitzat per a obtenir un temps de buidat d'un estuari real, no hi pot haver cap dubte que el temps de buidat estimat amb aquests mètodes és només una descripció molt bàsica del procés de buidat. El següent capítol mostrarà que moltes substàncies introduïdes circulen a través d'un estuari de la mateixa manera com l'aigua dolça introduïda per un riu. Un sol número pot donar una estimació raonable del temps que es triga a eliminar la fracció d'aigua dolça i, com a conseqüència, de qualsevol substància introduïda des d'un estuari, però no és necessàriament representatiu del temps necessari per a eliminar una substància introduïda des de totes les parts de l'estuari. Molts estuaris tenen una supografia complicada, que inclou depressions aïllades i badies amagades amb poc intercanvi d'aigua. Encara que la major part d'un potencial contaminant pot ser eliminada de l'estuari en el temps estimat a partir de qualsevol dels tres mètodes, alts nivells de contaminants poden romandre en bosses d'aigua estancada durant molt més temps. La gestió adequada d'un estuari requereix estimacions dels temps de buidat per a totes les parts de l'estuari.
Figura 15.3
Els tres mètodes es poden aplicar a les peces individuals dels estuaris. La fórmula de Knudsen, per exemple, es pot utilitzar amb les observacions de salinitat des de qualsevol estació en un estuari i, a continuació es dona una estimació pel temps de buidat de la part de l'estuari entre l'entrada del riu i una estació. Això augmenta la quantitat de dades necessàries per a obtenir els temps de buidat.
Un mètode alternatiu que requereix la verificació només amb dades de llocs seleccionats es disposa com un resultat del desenvolupament de tècniques de modelització numèrica. Els models numèrics calculen els temps de rentat per a cada ubicació d'un estuari mitjançant el càlcul del temps que triga una partícula d'aigua en arribar a la desembocadura de l'estuari. Aquest temps està determinat pel seguiment de les partícules. Els resultats del procediment proporcionen un mapa de temps de buidat, que dóna el temps de buidat com una funció de la localització. Aquests mapes resalten les àrees problemàtiques dels estuaris, on la circulació s'estanca i es poden utilitzar per a millorar el moviment de l'aigua a través de mesures d'enginyeria. La figura 15.3 mostra un exemple.