Implementación numérica de soluciones basadas en la naturaleza para mitigar la erosión costera Daniel Fernando Valbuena Sierra Trabajo de investigación presentado para optar al título de Magíster en Gestión Ambiental Director Vladimir Giovanni Toro Valencia, Doctor (PhD) en Oceanografía física Asesora Valeria Chávez Cerón, Doctor (PhD) en Ingeniería civil – hidráulica Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería Maestría en Gestión Ambiental Medellín, Antioquia, Colombia 2025 Cita (Valbuena Sierra, 2025) Referencia Estilo APA 7 (2020) Valbuena Sierra, D. (2025). Implementación numérica de soluciones basadas en la naturaleza para mitigar la erosión costera [Tesis de maestría]. Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. Maestría en Gestión Ambiental, Cohorte X. Grupo de Investigación Ingeniería y Gestión Ambiental (GIGA). Corporación Académica Ambiental (CAA). Programa Integral para el Monitoreo y Mitigación la Erosión Costera en el Litoral Antioqueño (PIMECLA) Departamento Administrativo para la Gestión del Riesgo de Antioquia (DAGRAN) Biblioteca Sede Ciencias del Mar (Turbo) Repositorio Institucional: http://bibliotecadigital.udea.edu.co Universidad de Antioquia - www.udea.edu.co El contenido de esta obra corresponde al derecho de expresión de los autores y no compromete el pensamiento institucional de la Universidad de Antioquia ni desata su responsabilidad frente a terceros. Los autores asumen la responsabilidad por los derechos de autor y conexos. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 3 Dedicatoria A mi familia, por ser el pilar fundamental en cada paso de este camino. A mis padres, quienes con su amor, sacrificio y enseñanzas me guiaron hacia el esfuerzo y la perseverancia. A mi esposa, por su incondicional apoyo, paciencia y comprensión en cada momento, siendo mi compañera en este viaje. A mis hijos, por ser mi mayor motivación y fuente de inspiración diaria. A mis grandes amigos, quienes, con su confianza, palabras de aliento y compañía me impulsaron a seguir adelante. Este logro es también reflejo del esfuerzo compartido con todos ustedes. A cada uno, les dedico este trabajo con profundo agradecimiento y admiración. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 4 Agradecimientos Agradezco profundamente a todas las personas e instituciones que me acompañaron en este arduo pero gratificante proceso. En primer lugar, al Doctor Vladimir Toro Valencia, mi director, quien con su paciencia, sabiduría y perseverancia me ha guiado a lo largo de este proyecto. Su apoyo constante y su capacidad para orientarme en momentos de duda han sido fundamentales para alcanzar este logro. A la Doctora Valeria Chávez, mi asesora, por sus valiosas sugerencias y acompañamiento en cada etapa del trabajo. Su disposición y conocimientos han enriquecido enormemente este proyecto, contribuyendo a la calidad y profundidad de los resultados. Agradezco también al programa PIMECLA por brindar las herramientas y el apoyo académico necesarios para llevar a cabo esta investigación, así como a todos los profesores y colegas que forman parte del programa, por sus aportes y consejos que me ayudaron a avanzar. Extiendo mi gratitud a la Universidad de Antioquia, una institución que ha sido mi hogar académico y que me ha brindado los recursos y oportunidades para crecer profesional y personalmente. A cada uno de los miembros de esta comunidad que directa o indirectamente ha contribuido a mi formación, les doy las gracias por su dedicación y compromiso. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 5 Tabla de contenido Resumen ......................................................................................................................................... 10 Abstract .......................................................................................................................................... 11 Introducción ................................................................................................................................... 12 1. Planteamiento del problema ....................................................................................................... 15 1.2. Antecedentes ....................................................................................................................... 16 2. Justificación ................................................................................................................................ 19 3. Objetivos .................................................................................................................................... 21 3.1 Objetivo general ................................................................................................................... 21 3.2 Objetivos específicos ............................................................................................................ 21 4. Marco teórico ............................................................................................................................. 22 4.1 Erosión Costera .................................................................................................................... 22 4.1.1. Factores hidrodinámicos y morfodinámicos ................................................................. 23 4.2. Soluciones basadas en la naturaleza (SbN) ......................................................................... 23 4.2.1. Tipos de SbN................................................................................................................. 24 4.2.2. Estructuras permeables con postes hincados y troncos de madera ............................... 24 4.2.3. Beneficios y desafíos de las SbN .................................................................................. 25 4.3. Gestión sostenible de la erosión costera .............................................................................. 26 4.3.1. Integración de soluciones para la gestión costera ......................................................... 26 4.3.2. Resiliencia comunitaria y sostenibilidad ...................................................................... 26 4.3.3. Impacto ambiental y social ........................................................................................... 26 4.4. Modelado numérico para la evaluación de SbN para la protección costera ........................ 27 4.4.1. Modelo WAPO ............................................................................................................. 27 4.4.2. Modelo XBeach ............................................................................................................ 28 4.4.3. Aplicaciones y capacidades de los modelos ................................................................. 30 IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 6 4.4.4. Reducción de la energía del oleaje y estabilización de sedimentos .............................. 30 5. Metodología ............................................................................................................................... 32 5.1. Descripción de la zona de interés ........................................................................................ 32 5.2. Modelación numérica .......................................................................................................... 33 5.3. Batimetría idealizada y condiciones del modelo ................................................................. 34 5.4. Diseño y configuración de soluciones propuestas (estructuras permeables) ...................... 37 5.5. Ejecución de los casos de estudio ....................................................................................... 39 6. Resultados .................................................................................................................................. 40 6.1. Resultados modelación hidrodinámica (modelo WAPO) ................................................... 40 6.1.1. Alturas de ola máxima .................................................................................................. 42 6.1.2. Efecto de los obstáculos sobre la hidrodinámica .......................................................... 43 6.1.3. Comparación de Periodos (10 s vs 8 s) ......................................................................... 44 6.1.4. Efectividad de las soluciones propuestas ...................................................................... 44 6.2. Resultados modelación morfodinámica (modelo XBeach) ................................................. 45 6.2.1. Patrón de erosión........................................................................................................... 48 6.2.2. Patrón de sedimentación ............................................................................................... 48 6.2.3. Evolución temporal de los sedimentos ......................................................................... 49 6.2.4. Influencia de las estructuras permeables ....................................................................... 50 7. Discusión .................................................................................................................................... 52 7.1. Resultados de los experimentos numéricos ......................................................................... 52 7.1.1. Eficiencia en la disipación de la energía del oleaje ...................................................... 52 7.1.2. Comparación entre direcciones y periodos del oleaje................................................... 53 7.1.3. Distribución de la erosión y sedimentación: impacto sobre la línea de costa ............... 53 7.2. Potencial de combinación con SbN ..................................................................................... 54 7.3. Sobre la implementación de la solución propuesta ............................................................. 54 IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 7 7.3.1. Recomendaciones para la implementación futura ........................................................ 55 7.3.2. Consideraciones técnicas para la implementación futura ............................................. 55 7.3.3. Consideraciones técnicas para la planificación de proyectos ....................................... 55 8. Conclusiones .............................................................................................................................. 56 9. Recomendaciones ....................................................................................................................... 58 Referencias ..................................................................................................................................... 59 Anexos ............................................................................................................................................ 63 Anexo 1. Configuración de los modelos numéricos .................................................................. 63 Anexo 2. Diagrama de flujo de la metodología implementada .................................................. 64 Anexo 3. Resultados modelación numérica XBeach para las direcciones de oleaje W y SW. .. 65 IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 8 Lista de figuras Figura 1. Localización geográfica del golfo de Urabá y de la línea de costa de Antioquia. ....... 322 Figura 2. Batimetría idealizada y malla de cálculo utilizadas en el modelo WAPO. ................. 355 Figura 3. Batimetría idealizada y malla de cálculo utilizadas en XBeach. ................................. 377 Figura 4. Esquema de diseño de las soluciones propuestas. ....................................................... 388 Figura 5. Esquema idealizado de una playa con las estructuras permeables (postes hincados). 399 Figura 6. Resultados del modelo WAPO para el oleaje proveniente del noroeste. ...................... 40 Figura 7. Resultados del modelo WAPO para el oleaje proveniente del oeste. . ........................ 411 Figura 8. Resultados del modelo WAPO para el oleaje proveniente del suroeste.. .................... 422 Figura 9. Secuencia temporal de la variación en el nivel del fondo marino ............................... 466 Figura 10. Evolución temporal de la altura media cuadrática de ola (Hrms) ............................ 477 Figura 11. Secuencia temporal de sedimentación y erosión acumulada. .................................... 499 IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 9 Siglas, acrónimos y abreviaturas PIMECLA Programa integral para el monitoreo de la erosión costera en el litoral antioqueño SbN Soluciones basadas en la Naturaleza UICN Unión internacional para la conservación de la naturaleza IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 10 Resumen Las soluciones basadas en la naturaleza (SbN) son una alternativa eficaz en la mitigación de la erosión costera. Su amplio uso reciente está relacionado con el alto impacto y costos que tienen las obras duras (o ingenieriles). En este trabajo se evaluó la efectividad las SbN para mitigar la erosión costera en el litoral antioqueño, empleando modelación numérica con los modelos WAPO y XBeach. La investigación se centró en la implementación de estructuras permeables con postes hincados, que simulan barreras naturales para la disipación de energía del oleaje. Se configuraron diferentes escenarios de intervención y se analizaron los impactos en la reducción de la energía del oleaje y la acumulación de sedimentos en la costa. Los resultados mostraron que las SbN no solo mitigan la erosión de manera efectiva, sino que también promueven la regeneración natural de los ecosistemas costeros, proporcionando una alternativa sostenible frente a las infraestructuras rígidas convencionales. Asimismo, se destacó el potencial de estas soluciones para combinarse con restauración de manglares y otros ecosistemas naturales, incrementando la resiliencia de las costas y las comunidades locales. Palabras clave: erosión costera, soluciones basadas en la naturaleza, modelación numérica, estructuras permeables, resiliencia costera. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 11 Abstract Nature-based solutions (NBS) are an effective alternative in coastal erosion mitigation. Their recent widespread use is related to the high impact and costs of hard (or engineered) works. In this work, the effectiveness of SbN to mitigate coastal erosion in the Antioquian coast was evaluated using numerical modeling with the WAPO and XBeach models. The research focused on the implementation of permeable structures with driven poles, which simulate natural barriers for wave energy dissipation. Different intervention scenarios were configured and the impacts on wave energy reduction and sediment accumulation on the coast were analyzed. The results showed that SbNs not only effectively mitigate erosion, but also promote the natural regeneration of coastal ecosystems, providing a sustainable alternative to conventional rigid infrastructures. The potential of these solutions to be combined with mangrove restoration and other natural ecosystems was also highlighted, increasing the resilience of coasts and local communities. Keywords: coastal erosion, nature-based solutions, numerical modeling, permeable structures, coastal resilience. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 12 Introducción La erosión costera es el retroceso de la línea de costa que se ha intensificado debido causa como la actividad humana y al cambio climático. A nivel global, los efectos de la erosión costera son especialmente notorios en las zonas bajas, donde fenómenos como el aumento del nivel del mar y la intensificación de eventos extremos han acelerado la pérdida de terrenos y ecosistemas costeros (Hernández-Narváez et al., 2019). Según datos recientes, se estima que el 70% de las playas del mundo están experimentando erosión, lo que representa una amenaza significativa para las poblaciones humanas y los ecosistemas (Vousdoukas et al., 2020). La necesidad de desarrollar estrategias de mitigación ha llevado al desarrollo de enfoques de gestión que integran tanto soluciones convencionales como alternativas que incorporan los servicios ecosistémicos en su diseño (Lamoglia, 2023). En Colombia, el fenómeno de la erosión costera es especialmente preocupante en las costas del Caribe y el Pacífico (Morales et al., 2024). Las zonas costeras del país, que incluyen ecosistemas altamente productivos como manglares, playas y dunas, han sido gravemente afectadas por la erosión, lo que ha impactado negativamente en la biodiversidad y las comunidades locales que dependen de estos ecosistemas para su sustento. En particular, la región del golfo de Urabá, ubicada en el litoral del departamento de Antioquia, ha sido testigo de un notable aumento en los índices de erosión en las últimas décadas (Correa, 2024). Estudios recientes muestran que el 47% de la línea costera del Caribe colombiano presenta tasas de erosión significativas, afectando tanto a los ecosistemas marino-costeros como a las infraestructuras construidas en la costa (Gobernación de Antioquia et al., 2021). El litoral antioqueño constituido por el Distrito de Turbo, y los municipios de Necoclí, San Juan de Urabá y Arboletes, ha experimentado una acelerada erosión costera que ha puesto en riesgo la estabilidad de la región (Gobernación de Antioquia et al., 2021). En estas áreas, la erosión ha afectado tanto a la infraestructura física como a las actividades económicas, tales como la pesca y el turismo, que dependen directamente de la integridad de la línea de costa. Las comunidades locales, en su mayoría conformadas por poblaciones vulnerables, se han visto forzadas a adaptarse a un entorno cada vez más inestable, lo que ha generado una serie de problemas sociales y IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 13 económicos relacionados con el desplazamiento y la pérdida de recursos (Agudelo, 2024; Otálvaro- Escobar, 2023). Históricamente, las soluciones convencionales para mitigar la erosión costera en esta región han incluido la construcción de obras duras (ingenieriles), como espolones y rompeolas, con el objetivo de frenar la pérdida de tierras. Si bien estas estructuras han mostrado en algunos lugares puntuales, cierto grado de efectividad en la protección de la costa, también han generado efectos colaterales negativos, como la aceleración de la erosión en áreas adyacentes debido a la interrupción del flujo natural de sedimentos (García, 2022). Este fenómeno ha generado la necesidad de explorar enfoques más sostenibles, que aprovechen los procesos naturales de defensa costera (Zarama, 2024). En este contexto, las soluciones basadas en la naturaleza (SbN) han surgido como alternativas sostenibles para mitigar la erosión. Estas soluciones incluyen la restauración y conservación de ecosistemas como manglares, vegetación de la playa, praderas de pastos marinos y arrecifes coralinos, que actúan como barreras naturales frente al oleaje y la erosión. Las SbN no solo proporcionan beneficios para la protección de la costa, sino que también promueven la biodiversidad y mejoran los medios de vida de las comunidades locales (Llorente, 2020). En el caso del litoral antioqueño, la implementación de estas soluciones podría generar una mayor resiliencia a largo plazo, al restaurar los ecosistemas degradados y reducir los impactos de la erosión (Gobernación de Antioquia et al., 2021). En este trabajo se emplea la modelación numérica como una herramienta clave para la evaluación de diferentes alternativas de mitigación de la erosión costera. La modelación permite simular el comportamiento de las playas y los ecosistemas costeros bajo diversas condiciones de intervención, facilitando la identificación de las soluciones más efectivas. Modelos como WAPO y XBeach, utilizados en este estudio, han demostrado ser valiosos para evaluar tanto las soluciones convencionales como las SbN, al permitir una comprensión más detallada de los procesos hidrodinámicos y morfodinámicos asociados a la erosión (Wang et al., 2024; Silva et al., 2020). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 14 El presente estudio se centra en la evaluación de soluciones verdes, las cuales integran las bondades de las SbN y acciones de tipo ingenieril. Estas soluciones verdes han sido usadas de manera exitosa en ambientes costeros con el fin de mitigar la erosión costera (Silva et al., 2020). Con el uso de la modelación numérica como principal herramienta de análisis, se esperan evaluar este tipo de intervenciones. Con este fin se emplearán escenarios marino costeros específicos. Con base en lo anterior, se propone en esta tesis la evaluación de soluciones sostenibles que no solo protejan la línea de costa, sino que también promuevan la conservación de los ecosistemas y mejoren la calidad de vida de las comunidades afectadas por la erosión (Otalvaro-Escobar, 2023; Agudelo Arcila, 2024). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 15 1. Planteamiento del problema La erosión costera es un fenómeno natural exacerbado por actividades humanas y el cambio climático, afectando cada vez más las zonas costeras del mundo. En el litoral antioqueño, ubicado en la región del golfo de Urabá, este fenómeno se ha convertido en una amenaza para la estabilidad de las playas y la infraestructura costera (Gobernación de Antioquia et al., 2021). Las causas principales de este proceso son la alteración del equilibrio sedimentario debido a la intervención humana, el aumento del nivel del mar y la acción intensificada de fenómenos meteorológicos extremos como tormentas y oleajes energéticos (García, 2022). En la costa del departamento de Antioquia, el Distrito de Turbo, y los municipios como Necoclí y Arboletes han visto cómo la erosión costera avanza rápidamente, afectando áreas habitadas, infraestructuras vitales y ecosistemas críticos como manglares y dunas costeras (Gobernación de Antioquia et al., 2021). Sin embargo, el problema no solo radica en la velocidad de la erosión, sino también en las intervenciones implementadas para mitigarla (Correa y Vernette, 2004; Rangel-Buitrago et al., 2015). A lo largo de las últimas décadas, las soluciones planteadas en esta región han sido principalmente obras de ingeniería convencionales, como espolones, rompeolas y muros de contención (Grisales, 2020). Aunque estas estructuras han proporcionado protección temporal, también han generado efectos adversos, como la erosión intensificada en áreas adyacentes debido a la alteración del transporte natural de sedimentos (Otalvaro-Escobar, 2023) A nivel local, muchas de las intervenciones carecen de una visión integral que considere las dinámicas ecológicas y sociales del litoral. En consecuencia, el uso de soluciones convencionales ha mostrado ser ineficiente a largo plazo, ya que, aunque protegen áreas específicas, provocan desequilibrios en los sistemas naturales, como la interrupción del flujo longitudinal de sedimentos, lo que genera nuevos problemas de erosión en otras partes del litoral (Agudelo, 2024; Zarama, 2024). En este contexto, surge la necesidad de investigar soluciones sostenibles, que no solo mitiguen la erosión, sino que también restauren y conserven los ecosistemas costeros. En este IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 16 sentido las soluciones basadas en la naturaleza (SbN), como la restauración de manglares, vegetación de playa, praderas de pastos marinos y dunas, han mostrado ser eficaces para enfrentar este desafío. Sin embargo, su implementación en el litoral antioqueño ha sido limitada debido a la falta de estudios técnicos detallados que consideren las condiciones locales específicas (Gobernación de Antioquia et al., 2021). Así como el tiempo para el establecimiento de las mismas, lo que las hace una solución de mediano a largo plazo. El interrogante que guía esta investigación es: ¿Cómo se pueden implementar SbN de manera eficiente en el litoral antioqueño para mitigar la erosión costera, considerando las variables hidrodinámicas y ecológicas locales? Para responder a esta pregunta, la investigación evalúa las posibles alternativas de la SbN como las soluciones verdes, por medio del uso de herramientas de modelación numérica para predecir su efectividad y su impacto en la dinámica costera y sedimentaria. 1.2. Antecedentes La erosión costera es un fenómeno natural que ha ganado relevancia mundial debido al cambio climático y la intervención humana, afectando especialmente a zonas vulnerables como el litoral del Caribe colombiano. Este proceso genera retroceso de la línea de costa, pérdida de terreno y degradación de ecosistemas críticos, impactando tanto a las comunidades locales como a la biodiversidad. En el litoral antioqueño, en áreas como Turbo, Arboletes y Necoclí, el problema se ha intensificado en las últimas décadas, impulsado por factores naturales y antrópicos que agravan los efectos sobre infraestructuras costeras y actividades económicas dependientes del litoral (Correa & Vernette, 2004). A nivel global, la erosión costera representa una creciente amenaza para las áreas costeras. La mayoría de las playas del mundo están experimentando algún grado de erosión debido a la combinación del aumento del nivel del mar y actividades humanas, como la minería de arena y construcciones costeras inapropiadas (Rangel-Buitrago et al., 2015). Las zonas costeras, al ser ecosistemas dinámicos y complejos, requieren una planificación integral y sostenida para mitigar estos efectos. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 17 En el contexto colombiano, se estima que alrededor del 47% de la línea costera del Caribe muestra signos significativos de erosión, y el litoral antioqueño ha experimentado pérdidas de hasta 1.6 km de tierra en las últimas décadas. En sectores críticos como Arboletes, las tasas de erosión superan los 40 metros por año, exacerbadas por el ascenso relativo del nivel del mar, la tectónica y prácticas no reguladas, como la extracción de arena y desviación de ríos (Correa et al., 2007). Las construcciones de defensa rígida, como espolones y muros de contención, han mostrado resultados limitados y, en algunos casos, han generado efectos negativos en áreas adyacentes no protegidas (Rangel-Buitrago et al., 2015; Jaramillo-Vélez, 2016). Las soluciones tradicionales de ingeniería no han ofrecido una respuesta sostenible a largo plazo, y la comunidad científica está explorando alternativas basadas en la naturaleza (SbN). Estas soluciones, que incluyen la restauración de manglares, praderas de pastos marinos y la construcción de arrecifes artificiales, buscan utilizar los ecosistemas como barreras naturales, mitigando la erosión y promoviendo la conservación de la biodiversidad y servicios ecosistémicos beneficiosos para las comunidades locales (Correa et al., 2007; Jaramillo-Vélez, 2016). Diversas investigaciones han abordado la erosión en el Caribe colombiano, donde el avance de este fenómeno se ha relacionado con factores naturales y actividades humanas, como la deforestación de manglares, que actúan como barreras naturales (Llorente, 2020). En el litoral antioqueño, la Universidad de Antioquia y el Departamento Administrativo de Gestión del Riesgo de Antioquia (DAGRAN) han liderado investigaciones para monitorear los cambios topobatimétricos y el impacto de la erosión costera (García, 2022). Los estudios recientes subrayan el uso de tecnologías avanzadas, como la modelación numérica, para evaluar el impacto de las olas y las corrientes en las costas, así como la efectividad de distintas soluciones. En este contexto, el Programa Integral para el Monitoreo y Mitigación de la Erosión Costera en el Litoral Antioqueño (PIMECLA) ha sido fundamental al proporcionar datos clave sobre la evolución de la línea costera y sugerir medidas de mitigación. Sin embargo, es necesario mejorar los criterios técnicos en la selección de soluciones, ya que las obras rígidas han demostrado ser insuficientes para enfrentar los efectos de la erosión a largo plazo (Gobernación de Antioquia et al., 2021). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 18 La investigación sobre SbN ha cobrado importancia en los últimos años, destacándose estudios como los de Winterwerp et al. (2012), quienes propusieron estructuras de madera permeables para mitigar la erosión costera de manera alternativa a las obras convencionales. En la región del golfo de Urabá, el potencial de los ecosistemas como barreras naturales es cada vez más reconocido, pero estos enfoques requieren mayor respaldo técnico y científico para su implementación efectiva (Zarama, 2024; Correa, 2024). La presente investigación se basa en estos antecedentes, utilizando modelación numérica para evaluar la viabilidad y efectividad de las SbN en el litoral antioqueño, con el fin de ofrecer soluciones sostenibles para la mitigación de la erosión costera. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 19 2. Justificación La erosión costera es un fenómeno que ha adquirido relevancia en las últimas décadas debido a su creciente impacto sobre los ecosistemas y las comunidades humanas. En particular, la región del litoral antioqueño ha sido afectada por un acelerado proceso erosivo que ha puesto en riesgo tanto la estabilidad de las infraestructuras costeras como la seguridad de las comunidades que dependen de estos territorios para su sustento. Este problema no solo es de carácter ambiental, sino que también tiene profundas implicaciones sociales y económicas. La pérdida de terrenos productivos, la degradación de los ecosistemas marinos, la alteración de actividades económicas como la pesca y el turismo, y el desplazamiento de comunidades son algunos de los efectos más visibles de la erosión en esta zona. En este contexto, surge la necesidad urgente de desarrollar e implementar soluciones efectivas y sostenibles para mitigar sus impactos. El presente trabajo de investigación se justifica en la necesidad de abordar la problemática de la erosión costera desde una perspectiva integral, incorporando tanto el conocimiento técnico como la sostenibilidad ambiental. La investigación se centra en el estudio y evaluación de SbN y especial soluciones verdes, como una alternativa viable y sostenible frente a las soluciones convencionales de ingeniería, que hasta ahora han mostrado limitaciones significativas. Aunque las obras de protección tradicionales, como espolones y rompeolas, han sido la respuesta comúnmente empleada para enfrentar la erosión costera en la región, estas soluciones han generado efectos adversos, como la interrupción de los flujos sedimentarios y la intensificación de la erosión en áreas no protegidas. Este enfoque ha sido insuficiente para resolver el problema de manera integral y a largo plazo. Por lo tanto, la implementación de SbN y verdes representa una opción prometedora que no solo busca mitigar la erosión, sino que también promueve la restauración y conservación de los ecosistemas costeros, proporcionando beneficios ambientales, sociales y económicos a las comunidades locales. Las SbN y las verdes son capaces de disipar la energía del oleaje y promover la acumulación de sedimentos, lo que protege la línea de costa de manera natural y sostenible (Correa Quiñones, 2024; Zarama Neira, 2024). A pesar de estos beneficios potenciales, su IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 20 aplicación en el litoral antioqueño ha sido limitada, en parte debido a la falta de estudios técnicos detallados que respalden su implementación. Este trabajo espera contribuir al avance del conocimiento científico en el campo de la mitigación de la erosión costera mediante el uso de herramientas de modelación numérica con el fin de predecir el comportamiento de las playas bajo distintas condiciones ambientales y de intervención con SbN. Esto proporciona una herramienta para la toma de decisiones sobre la implementación de este tipo de soluciones en la región. El aporte de este trabajo a la ciencia se enmarca en la generación de nuevo conocimiento sobre la efectividad y viabilidad de las SbN en el contexto de la erosión costera, especialmente en regiones vulnerables como el litoral antioqueño. Se espera que los resultados de esta investigación proporcionen una base sólida para el diseño de políticas públicas y estrategias de manejo costero que promuevan el uso de soluciones sostenibles, que mitiguen los impactos negativos de la erosión y fomenten la resiliencia de las comunidades locales frente al cambio climático y otros factores que intensifican este fenómeno. Por último, esta investigación tiene el potencial de aportar a la manera en que se enfrentan los problemas de erosión costera en Colombia, y puede servir como modelo para la implementación de SbN en otras regiones costeras del mundo. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 21 3. Objetivos 3.1 Objetivo general Estimar la efectividad de soluciones basadas en la naturaleza (SbN) para la mitigación de la erosión costera en el litoral antioqueño, mediante el uso de modelación numérica, con el fin de proponer alternativas sostenibles que promuevan la mitigación de la erosión costera. 3.2 Objetivos específicos • Identificar los factores hidrodinámicos y morfodinámicos que contribuyen a la perdida de sedimentos y a la degradación de las playas, mediante el uso de modelación numérica. • Evaluar el desempeño de diferentes soluciones, bajo escenarios de intervención y cuantificando su impacto en la reducción de la energía del oleaje. • Proponer una estrategia integrada y tecnificada para la gestión de la erosión costera en el litoral antioqueño, considerando aspectos económicos y ambientales de la región para garantizar la sostenibilidad de las soluciones planteadas. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 22 4. Marco teórico 4.1 Erosión Costera La erosión costera es un proceso dinámico y complejo que afecta a las zonas costeras de todo el mundo. Este fenómeno, que implica la pérdida progresiva de sedimentos y el retroceso de la línea de costa, es impulsado tanto por factores naturales como antrópicos. Entre los factores naturales se encuentran el aumento del nivel del mar, la energía de las olas, las corrientes marinas y las tormentas. Por otro lado, los factores antrópicos incluyen la intervención humana directa, como la construcción de infraestructuras y la extracción de sedimentos de los ríos (Pranzini, 2018). A nivel global, el aumento del nivel del mar asociado al cambio climático ha intensificado la vulnerabilidad de las zonas costeras. Se espera que el nivel del mar continúe aumentando durante el presente siglo, lo que permitirá que eventos como inundaciones costeras y tormentas afecten de manera más efectiva el litoral costero. Este fenómeno es especialmente preocupante para las comunidades costeras de baja elevación, donde se estima que millones de personas están en riesgo de ser desplazadas debido a la pérdida de tierras y la degradación de los ecosistemas costeros (Dasgupta et al., 2022). En esencia una playa es un volumen de área dispuesto sobre el litoral, que actúa como la primera línea de defensa frente a la energía del oleaje. Esta zona está perdiendo su capacidad para cumplir esta función debido al bajo aporte y la pérdida constante de sedimentos, lo que agrava la vulnerabilidad de las comunidades locales ante eventos climáticos extremos. Además, el impacto de la erosión no solo es físico, sino también socioeconómico. Las actividades económicas dependientes de las zonas costeras, como la pesca y el turismo, han visto una disminución considerable debido a la pérdida de playas y terrenos productivos (Dasgupta et al., 2022). Las comunidades que residen en estas áreas, muchas de las cuales ya enfrentan condiciones de vulnerabilidad socioeconómica, se ven obligadas a adaptarse a un entorno cada vez más inestable, lo que genera desplazamientos y una mayor presión sobre los recursos naturales y las infraestructuras (Pranzini, 2018). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 23 4.1.1. Factores hidrodinámicos y morfodinámicos La erosión costera puede incrementarse por factores hidrodinámicos incluyen como la energía del oleaje, las mareas y las corrientes marinas, que influyen directamente en el transporte de sedimentos a lo largo de la costa. El oleaje es uno de los principales impulsores de la erosión, ya que su energía erosiona las playas y transporta los sedimentos hacia otras áreas, permitiendo el equilibrio natural de los ecosistemas costeros (Stephenson, 2013). Las mareas, por su parte, contribuyen a procesos de inundación/secado de las zonas bajas y con esto el movimiento de sedimento. Por otro lado, las corrientes litorales redistribuyen los sedimentos, lo que puede provocar erosión en áreas donde el suministro de sedimentos ha sido interrumpido por construcciones humanas como puertos o espigones (Rangel-Buitrago et al., 2019). Los factores morfodinámicos se refieren a la configuración física de la costa, incluyendo su topografía, la composición de los sedimentos y la geomorfología de las playas. Las playas con suelos más finos y no consolidados son más vulnerables a la erosión, mientras que aquellas con sedimentos más gruesos o estructuras naturales como arrecifes de coral tienden a ser más resistentes (Otvos, 2020). Sin embargo, la intervención humana, como la construcción de infraestructuras costeras y la extracción de arena, ha alterado significativamente estos procesos naturales, aumentando la vulnerabilidad de muchas áreas al proceso erosivo. 4.2. Soluciones basadas en la naturaleza (SbN) En las últimas décadas, las Soluciones Basadas en la Naturaleza (SbN), concepto desarrollado y promovido por la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN), se han presentado como una alternativa a las soluciones de ingeniería tradicionales para la mitigación de la erosión costera. Según la UICN (2020), las SbN son “acciones dirigidas a proteger, gestionar y restaurar de manera sostenible ecosistemas naturales o modificados, que hacen frente a retos de la sociedad de forma efectiva y adaptable, proporcionando simultáneamente bienestar humano y beneficios de la biodiversidad”. Estas soluciones buscan aprovechar los procesos naturales para ofrecer protección costera, restaurar ecosistemas y mejorar la resiliencia frente a fenómenos como la erosión y el aumento del nivel del mar. A diferencia de las soluciones convencionales, las SbN promueven la restauración de hábitats naturales y la integración de IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 24 infraestructura verde con estructuras de ingeniería, conocidas como infraestructuras verde-gris (Hagedoorn et al., 2021; Almström et al., 2022). 4.2.1. Tipos de SbN Las SbN incluyen una amplia gama de intervenciones que aprovechan las características de los ecosistemas para reducir la erosión costera. Algunas de las más destacadas son: Restauración de manglares y humedales costeros: Los manglares actúan como una barrera natural frente a la energía de las olas, ayudando a reducir su impacto y promover la acumulación de sedimentos. La reforestación de manglares en áreas degradadas ha sido implementada con éxito en varias regiones, aunque su efectividad depende de factores como la selección adecuada del sitio y el mantenimiento a largo plazo (Winterwerp et al., 2020). Los manglares, además, generan importantes servicios ecosistémicos, como la protección frente a tormentas y la captura de carbono (Rangel-Buitrago et al., 2018). Arrecifes artificiales y naturales: Los arrecifes de coral, ostras y otros tipos de estructuras biogénicas no solo contribuyen a la biodiversidad, sino que también actúan como una barrera física que reduce la energía de las olas antes de que estas alcancen la costa. Los arrecifes artificiales hechos de materiales como concreto o rocas también han mostrado ser eficaces para reducir la erosión en áreas costeras vulnerables (Gracia et al., 2018). Vegetación costera y praderas de pastos marinos: Las plantas costeras, como las praderas de pastos marinos, ayudan a estabilizar los sedimentos y a reducir la erosión mediante la amortiguación de las olas. Estas soluciones son particularmente efectivas en combinación con otras infraestructuras más rígidas o en áreas donde la sedimentación es lenta (Almström et al., 2022). 4.2.2. Estructuras permeables con postes hincados y troncos de madera Las soluciones verdes se desprenden de las SbN como una posibilidad de incorporarlas a estos elementos de la ingeniería tradicional. Un ejemplo de soluciones verdes son las estructuras permeables que consisten en la instalación de postes de madera o troncos hincados en el lecho marino. Estas estructuras, diseñadas para ser permeables, permiten la acumulación progresiva de sedimentos, lo que ayuda a reconstruir playas y hábitats costeros degradados, como los manglares (Winterwerp et al., 2020). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 25 Este tipo de intervención ha sido utilizado con éxito en países como Indonesia y Guyana, donde las costas están afectadas por la erosión acelerada debido a la pérdida de manglares y la subida del nivel del mar. Los postes hincados y las barreras de madera permiten que los sedimentos transportados por el oleaje se depositen en la zona costera, ayudando a la restauración natural de las playas y la vegetación costera. Con el tiempo, estas estructuras crean un entorno favorable para la reforestación de manglares y la regeneración de otros hábitats costeros (Winterwerp et al., 2020; Guyana Green-Grey Infrastructure Guidelines, 2021). Por último, las estructuras permeables presentan varias ventajas en comparación con las infraestructuras duras tradicionales, como espigones y rompeolas. Estas últimas tienden a generar efectos adversos como la erosión en áreas adyacentes debido a la alteración del transporte de sedimentos, mientras que las estructuras de postes hincados trabajan en armonía con los procesos naturales para regenerar las playas de manera sostenible (Slinger et al., 2021). 4.2.3. Beneficios y desafíos de las SbN El principal beneficio de las SbN es su capacidad para ofrecer soluciones sostenibles y de bajo costo a mediano y largo plazo, integrando la protección costera con la conservación de ecosistemas. Estas soluciones no solo mitigan la erosión, sino que también ofrecen servicios ecosistémicos adicionales, como la mejora de la biodiversidad y la captura de carbono (Gracia et al., 2018). Además, la implementación de SbN permite una mayor resiliencia frente al cambio climático, ya que los ecosistemas restaurados tienden a ser más adaptativos y menos costosos de mantener que las infraestructuras rígidas tradicionales (Hagedoorn et al., 2021). Sin embargo, uno de los principales desafíos es la necesidad de conocer las condiciones locales. Para que estas soluciones sean efectivas, es esencial contar con un conocimiento detallado de los procesos físicos y ecológicos de la zona. Además, requieren de mantenimiento frecuente y a largo plazo con la participación de las comunidades y otros actores locales (Winterwerp et al., 2020; Jacob et al., 2021). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 26 4.3. Gestión sostenible de la erosión costera La gestión sostenible de la erosión costera requiere un enfoque integral que considere no solo la implementación de soluciones técnicas, sino también los aspectos sociales, económicos y ambientales que determinan la viabilidad de las intervenciones a largo plazo. Las SbN y las infraestructuras verdes, combinan elementos naturales y artificiales, han ganado terreno como alternativas sostenibles para mitigar la erosión costera (Hagedoorn et al., 2021). 4.3.1. Integración de soluciones para la gestión costera La integración de SbN en la gestión costera implica la implementación de soluciones que no solo aborden la erosión costera, sino que también promuevan la restauración de ecosistemas y mejoren la resiliencia de las comunidades costeras frente a eventos climáticos extremos. Esto requiere un enfoque integral que combine soluciones estructurales con la regeneración de ecosistemas naturales (Winterwerp et al., 2020). 4.3.2. Resiliencia comunitaria y sostenibilidad Las SbN también ofrecen beneficios más allá de la mitigación de la erosión costera. Al restaurar ecosistemas costeros, estas soluciones pueden mejorar la resiliencia comunitaria frente a los efectos del cambio climático, proporcionando medios de subsistencia sostenibles a las poblaciones locales (Hagedoorn et al., 2021). La participación activa de las comunidades en la implementación y el mantenimiento de estas soluciones es crucial para garantizar su éxito a mediano y largo plazo (Winterwerp et al., 2020). Además, las SbN presentan ventajas en términos de costo-efectividad. A diferencia de las infraestructuras convencionales que requieren altos costos de construcción y mantenimiento, estas tienden a ser más económicas, ya que aprovechan los procesos ecosistémicos para mantener su efectividad y adaptarse a los cambios ambientales (Guyana Green-Grey Infrastructure Guidelines, 2021). 4.3.3. Impacto ambiental y social Finalmente, la implementación de estrategias basadas en la naturaleza y verdes contribuye a la sostenibilidad ambiental al reducir la huella ecológica de las intervenciones y promover la IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 27 conservación de la biodiversidad. Al integrar estas soluciones, las estrategias de manejo costero también tienen un impacto positivo en el bienestar social, mejorando la calidad de vida de las comunidades locales mediante la creación de espacios costeros más saludables y resistentes (Winterwerp et al., 2020). 4.4. Modelado numérico para la evaluación de SbN para la protección costera La modelación numérica es una herramienta fundamental para estudiar los procesos hidrodinámicos y morfodinámicos que afectan las zonas costeras, así como para evaluar la efectividad de las soluciones propuestas para mitigar la erosión costera. En este contexto, los modelos numéricos como WAPO y XBeach han sido desarrollados para simular con precisión estos fenómenos litorales, proporcionando una comprensión profunda del comportamiento de las olas, las corrientes y el transporte de sedimentos. 4.4.1. Modelo WAPO El modelo WAPO (Wave Propagation On the Coast) es una herramienta numérica diseñada para simular la propagación de las olas en entornos complejos y sobre fondos variables. Este modelo se basa en la ecuación modificada de pendiente suave (Mild Slope Equation), que toma en cuenta los fenómenos de refracción, difracción, reflexión y disipación de energía debido a la fricción de fondo y la rotura del oleaje (Silva et al., 2005). En este sentido, la ecuación modificada de pendiente suave es una extensión de la ecuación clásica derivada por Berkhoff (1972), y permite resolver la transformación de ondas lineales sobre un fondo que varía lentamente en el espacio. El WAPO es capaz de simular la interacción del oleaje con estructuras costeras, lo que lo convierte en una herramienta clave para evaluar SbN y soluciones verdes como las estructuras permeables (Silva, 2010). La ecuación que gobierna el comportamiento del modelo es la siguiente: ∇ ∙ (𝐶𝑔∇𝛷) + 𝑘2𝛷 = 0 (1) donde: • 𝐶𝑔 es la velocidad de grupo de las olas • 𝛷 es el potencial de velocidad IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 28 • 𝑘 es el número de onda local Este modelo incluye términos para la disipación de energía por fricción de fondo y rotura del oleaje, lo que permite simular la pérdida de energía de las olas al interactuar con estructuras costeras y fondos variables. El modelo se resuelve numéricamente mediante técnicas de diferencias finitas, usando condiciones de frontera abiertas, parcialmente reflejantes o completamente absorbentes, dependiendo del caso de estudio (Silva et al., 2010). 4.4.2. Modelo XBeach El modelo XBeach es una herramienta numérica ampliamente utilizada para simular procesos costeros a escala de eventos de corta duración, tales como tormentas, erosión de dunas, sobrelavados e inundaciones costeras (Roelvink et al., 2009). Su versatilidad radica en su capacidad para representar tanto la hidrodinámica como los procesos de transporte de sedimentos y evolución morfológica del lecho marino. XBeach posee tres modos principales de simulación, cada uno con distintos niveles de representación física: Modo estacionario (steady mode): calcula las condiciones promedio del oleaje y la corriente, sin representar la evolución temporal de las olas. Este modo es útil para análisis simplificados, pero no representa adecuadamente los procesos posteriores a la rotura de las olas, ni permite la evaluación de fenómenos como la difracción, las corrientes transversales o la interacción detallada entre estructuras y flujos. Por lo tanto, no es el más adecuado para analizar estructuras permeables donde estos efectos son relevantes. Modo Surfbeat: representa el oleaje como ondas moduladas por la marea y las ondas largas generadas por la agrupación de trenes de olas (wave groups). Este modo simula la evolución temporal del flujo medio y es capaz de capturar la generación de set-up y set-down, corrientes litorales, transporte de sedimentos inducido por la rotura de olas, así como procesos morfodinámicos clave para la evolución costera. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 29 Modo no hidrostático: permite la simulación de oscilaciones de alta frecuencia, como las ondas individuales (infragravitacionales), haciendo posible una representación más precisa de los fenómenos de interacción onda-estructura, reflexión, difracción, resonancia, y otros procesos no lineales. Este modo es computacionalmente más exigente, pero es el más completo en cuanto a la representación de procesos físicos complejos. XBeach utiliza una combinación de la ecuación de balance de acción de las olas, junto con las ecuaciones de aguas someras para simular el transporte de olas y sedimentos. Las ecuaciones de aguas someras que gobiernan el comportamiento de XBeach son las siguientes: 𝜕ℎ 𝜕𝑡 + 𝜕(𝑢ℎ) 𝜕𝑥 + 𝜕(𝑣ℎ) 𝜕𝑦 = 0 (2) 𝜕(𝑢ℎ) 𝜕𝑡 + 𝜕(𝑢2ℎ) 𝜕𝑥 + 𝜕(𝑢𝑣ℎ) 𝜕𝑦 = −𝑔ℎ 𝜕𝜂 𝜕𝑥 + 𝑆𝑥 (3) 𝜕(𝑣ℎ) 𝜕𝑡 + 𝜕(𝑢𝑣ℎ) 𝜕𝑥 + 𝜕(𝑣2ℎ) 𝜕𝑦 = −𝑔ℎ 𝜕𝜂 𝜕𝑥 + 𝑆𝑦 (4) donde: • 𝑢 y 𝑣 son las componentes de la velocidad en las direcciones 𝑥 y 𝑦, respectivamente, • ℎ es la profundidad del agua, • 𝑔 es la aceleración debido a la gravedad, • 𝜂 es la elevación de la superficie libre, • 𝑆𝑥 y 𝑆𝑦 son los términos de estrés de radiación debidos a la propagación de las olas (Trouw et al., 2012). El modelo también incluye formulaciones avanzadas para el transporte de sedimentos y la actualización del fondo marino, lo que permite simular la evolución de la morfología costera a lo largo del tiempo. Además, XBeach incorpora la simulación de ondas largas, según el modo en el que se configure el modelo, que son esenciales para la dinámica costera durante eventos de tormentas (Roelvink et al., 2009). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 30 4.4.3. Aplicaciones y capacidades de los modelos Tanto WAPO como XBeach son herramientas que permiten evaluar la respuesta costera bajo diferentes condiciones ambientales y de intervención. WAPO es particularmente útil para el estudio de la disipación de energía de las olas cuando interactúan con estructuras permeables, como pilotes de madera o barreras naturales (Wang et al., 2024; Silva et al., 2020). Por otro lado, XBeach es ideal para modelar la respuesta de la costa a eventos extremos, como tormentas, y para evaluar el impacto de las soluciones basadas en la naturaleza en la morfología costera. La simulación de diferentes escenarios de intervención es uno de los principales enfoques de la modelación numérica en la gestión costera. Utilizando modelos como XBeach y WAPO, se pueden diseñar y evaluar alternativas como las SbN y verdes. En este contexto, las estructuras permeables como postes hincados o barreras de madera son ejemplos de intervenciones que pueden ser simuladas para entender su impacto en la dinámica del oleaje y la sedimentación. En el modelo WAPO, que simula la interacción del oleaje con estructuras costeras y evalúa fenómenos como refracción, difracción y disipación de energía, es posible cuantificar cómo estructuras como los postes hincados reducen la energía del oleaje a medida que interactúan con la corriente y los sedimentos (Silva, 2010). Este tipo de simulaciones es útil para identificar los sitios óptimos de instalación de barreras permeables y evaluar su capacidad para facilitar la deposición de sedimentos. Por otro lado, XBeach ofrece una evaluación más integral de los cambios morfodinámicos en la costa. Permite evaluar como las soluciones propuestas afectan tanto la energía del oleaje y el transporte de sedimentos y los cambios en la topografía costera. XBeach, por ejemplo, permite evaluar el efecto de la acumulación de sedimentos detrás de las barreras permeables y la evolución de las dunas costeras bajo eventos de tormenta, lo que resulta crucial para entender la respuesta de las playas a largo plazo (Roelvink et al., 2009). 4.4.4. Reducción de la energía del oleaje y estabilización de sedimentos Uno de los objetivos principales de las soluciones para la mitigación de la erosión costera es reducir la energía del oleaje que llega a la costa y mejorar la estabilidad sedimentaria. Las IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 31 estructuras permeables, como los postes de madera hincados, desempeñan un papel importante al disipar la energía de las olas mientras permiten el paso de sedimentos, lo que facilita su acumulación y contribuye a la restauración natural de las playas (Winterwerp et al., 2020). El modelo XBeach permite simular estos procesos de transporte de sedimentos y la actualización del fondo marino, lo que proporciona una imagen clara del impacto de estas soluciones en la estabilidad a largo plazo de la costa. En este sentido se espera que las barreras permeables favorezcan la retención de sedimentos en áreas protegidas, lo que genera una recuperación gradual de las playas y mejora la protección natural contra la erosión (Roelvink et al., 2009). Al cuantificar la reducción de la energía del oleaje y la acumulación de sedimentos, la modelación numérica ofrece una herramienta robusta para evaluar y optimizar las SbN en función de las condiciones específicas de cada sitio costero. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 32 5. Metodología 5.1. Descripción de la zona de interés El litoral antioqueño, en el Golfo de Urabá, es un área de particular interés para la investigación de la erosión costera debido a su alta dinámica sedimentaria y su vulnerabilidad a los fenómenos naturales. El golfo se encuentra ubicado en la región noroccidental de Colombia, siendo el punto de unión entre Centro y Suramérica en la vertiente caribeña. Esta región se caracteriza por ser una de las áreas con mayor tasa de precipitación anual, llegando a registrar valores de 4944 mm/año (Lopez & Restrepo, 2007). Además, es una región con gran importancia ecológica y socioeconómica, dado que los ecosistemas del golfo proporcionan servicios ambientales esenciales y son fundamentales para las actividades productivas locales, como la pesca y el turismo. El Golfo de Urabá presenta un comportamiento morfodinámico complejo debido a la interacción de factores hidrodinámicos, como el transporte de sedimentos desde el río Atrato. Este río, uno de los más caudalosos del mundo en relación con su cuenca, descarga un promedio de 11 millones de toneladas de sedimentos (principalmente arenas finas) al año, lo que genera un delta que influye significativamente en la geomorfología de la región. Sin embargo, la erosión costera se ha incrementado en las últimas décadas, afectando gravemente a las poblaciones locales y sus infraestructuras. Figura 1. Localización geográfica del golfo de Urabá y de la línea de costa de Antioquia. (Fuente: Elaboración propia) IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 33 5.2. Modelación numérica Para la simulación de los procesos hidrodinámicos y morfodinámicos se usaron dos modelos numéricos: WAPO y XBeach. La implementación de los modelos permitió analizar los siguientes parámetros: Disipación de la energía del oleaje: El modelo WAPO se utilizó para evaluar la cantidad de energía que es disipada por los postes hincados en cada configuración. Acumulación de sedimentos: El modelo XBeach permitió analizar cómo los sedimentos se redistribuyen y acumulan detrás de las estructuras, evaluando la efectividad de cada solución en la estabilización costera. Se decidió utilizar los modelos numéricos WAPO y XBeach de manera complementaria, con el fin de abordar de manera integral los fenómenos hidrodinámicos y morfodinámicos que afectan la erosión costera y la eficacia de las soluciones propuestas. La combinación de ambos modelos responde a la necesidad de obtener una visión detallada de los procesos físicos involucrados, ya que cada uno de ellos ofrece capacidades y enfoques específicos que permiten un análisis más completo y robusto de la dinámica costera. El modelo WAPO se seleccionó debido a su enfoque especializado en la propagación del oleaje y la interacción de las olas con estructuras. Su formulación, basada en la ecuación de pendiente suave, es particularmente adecuada para analizar fenómenos de refracción, difracción y disipación de energía en presencia de obstáculos, como los postes hincados propuestos en este estudio. WAPO permitió evaluar con detalle la respuesta hidrodinámica del oleaje al interactuar con estos obstáculos y cuantificar la reducción de energía en función de la configuración de las soluciones. Sin embargo, WAPO está limitado en su capacidad para modelar cambios morfológicos en el lecho marino, lo que hace necesario un modelo complementario para analizar la evolución sedimentaria. A diferencia de WAPO, XBeach es un modelo morfodinámico capaz de simular tanto la hidrodinámica como el transporte de sedimentos y la evolución morfológica del fondo costero. Esto permitió observar cómo los sedimentos se redistribuyen a lo largo de la costa y analizar la IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 34 efectividad de las estructuras permeables en la retención de sedimentos y la regeneración costera. XBeach, además, es ideal para simular eventos de corta duración como tormentas y sobrelavado, proporcionando una perspectiva completa del impacto de las soluciones bajo condiciones extremas. La combinación de WAPO y XBeach resultó fundamental para cubrir los objetivos específicos de la investigación. Mientras que WAPO permitió un análisis detallado de la disipación de la energía del oleaje en condiciones de incidencia oblicua y en diferentes configuraciones de postes, XBeach aportó una visión global de los efectos de estas configuraciones sobre la morfología de la costa. Los resultados obtenidos con WAPO se utilizaron como base para ajustar las condiciones iniciales de las simulaciones en XBeach, integrando la información de ambos modelos para una evaluación integral de la erosión costera y la eficacia de las soluciones propuestas. Por último, la elección de utilizar ambos modelos también permitió la ejecución de una mayor cantidad de casos en WAPO para evaluar distintos ángulos de incidencia y configuraciones de postes sin comprometer el tiempo computacional. Esta flexibilidad permitió identificar patrones de disipación energética específicos de cada configuración, los cuales se integraron posteriormente en los análisis morfodinámicos de XBeach, aportando una validación cruzada de los resultados. 5.3. Batimetría idealizada y condiciones del modelo Para los experimentos numéricos en el modelo WAPO se utilizó una batimetría idealizada (figura 2) que tiene las principales características de algunas playas del Golfo de Urabá. Los datos característicos de la zona de interés fueron aportados por la componente de mediciones del programa PIMECLA. Esta batimetría, tiene dimensiones de 298 x 200 metros, con una profundidad máxima de 5 metros. Este es un modelo batimétrico simplificado que nos permitió estudiar la dinámica del oleaje y el transporte de sedimentos en un entorno controlado, y que coincide con las principales características batimétricas de la región. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 35 Figura 2. Batimetría idealizada y malla de cálculo utilizadas en el modelo WAPO. La batimetría se discretizó en una malla de cálculo con 994 nodos en la dirección X y 668 nodos en la dirección Y, obteniendo una resolución de 0.30 m. Esta alta resolución permite una representación detallada de los elementos a usar (postes hincados), así como de los fenómenos hidrodinámicos y morfodinámicos que se investigan. Las condiciones de amplitud del oleaje (H/2) utilizadas en los experimentos fueron de 0.5 m para todos los casos, las cuales coinciden con condiciones de oleaje moderado típicas del litoral antioqueño (Gobernación de Antioquia et al., 2021; Rangel-Buitrago y Neal, 2019; Rangel- Buitrago et al., 2015). Se configuraron condiciones de frontera en el lado oeste, simulando la incidencia del oleaje desde el mar abierto. Los experimentos se realizaron para tres direcciones de oleaje suroeste (SW), oeste (W) y noroeste (NW) y dos periodos (T = 10 s y T = 8 s), que cubren IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 36 las principales condiciones de oleaje observadas en la zona. De esta manera se simularon un total 18 casos, los cuales pueden ser consultados en el capítulo de resultados. Por otro lado, la batimetría y la malla de calculo utilizadas en el modelo XBeach se muestran en la figura 3. Con el fin de analizar en detalle las condiciones morfológicas de la zona de estudio, se utilizó un dominio de 120 x 100 m en estas simulaciones, con una profundidad máxima de 2.5 m. Por su parte, la malla de cálculo se discretizó en 60 nodos en la dirección X y en 50 nodos en la dirección Y, con una resolución inicial de 2 m. Además, se realizó un refinamiento local, en el área de influencia de las soluciones propuestas, obteniendo una resolución de 0.33 m. El modelo XBeach, fue configurado en modo estacionario (stationary), lo cual implica que la simulación considera condiciones promedio del oleaje sin representar su evolución temporal, lo que reduce significativamente la carga computacional. Este modo desactiva el cálculo de ondas largas (infragravedad), limita la representación de la difracción, las corrientes de retorno y no permite una descripción precisa de los procesos post-rotura, ya que no activa completamente la formulación de roller. La condición de frontera se definió mediante oleaje no espectral, con una altura de ola cuadrática media (Hrms) de 1.2 m, un periodo de 8 s y una dirección predominante de 300° (noroeste). Se evaluaron también las direcciones provenientes del oeste (270°) y suroeste (240°), manteniendo los demás parámetros constantes. Se activaron los siguientes procesos físicos en el modelo: oleaje (swave=1), flujo (flow=1), transporte de sedimentos (sedtrans=1), morfodinámica (morphology=1) y avalancha (avalanching=1). La formulación de transporte de sedimentos utilizada fue Van Thiel-Van Rijn, con condiciones de transporte tanto en suspensión como por carga de fondo. La morfodinámica se simuló en escala de tiempo real (morfac=1) y no se aplicó ningún acelerador morfológico, lo que permitió una interpretación directa de los resultados. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 37 En cuanto a la fricción del lecho, se empleó la formulación Chezy con un coeficiente de 55 m^0.5/s, adecuado para fondos arenosos sin cobertura vegetal. Se asumió un valor de porosidad de 0.40 y un tamaño medio del grano (D50) de 0.2 mm, representativo de arenas finas. El número de capas para la representación del fondo fue de tres (dzg = 0.1 m). A pesar de las ventajas en eficiencia computacional, se reconoce que el uso del modo estacionario representa una limitación importante en cuanto a la fidelidad de procesos clave para este estudio, como la difracción del oleaje frente a estructuras permeables o la formación de células de retorno, por lo que se sugiere considerar, en estudios posteriores, el uso de los modos surfbeat o no hidrostático, que permiten una resolución más detallada de la interacción ola-estructura. Figura 3. Batimetría idealizada y malla de cálculo utilizadas en XBeach. 5.4. Diseño y configuración de soluciones propuestas (estructuras permeables) En este trabajo la hidrodinámica fue evaluada mediante el modelo WAPO y para esto se usaron tres tipos de estructuras permeables. Estas estructuras son postes hincados que simulan barreras naturales para la disipación de la energía del oleaje y la acumulación de sedimentos. Estas soluciones fueron diseñadas con base en principios documentados en el Coastal Engineering Manual, y se enfocan en minimizar el impacto adverso de las infraestructuras rígidas convencionales. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 38 Las soluciones simuladas en el modelo WAPO consisten en tres tramos de postes distribuidos a lo largo de 130 metros en la línea de costa (figura 4). Los postes tienen un diámetro de 30 cm y están distribuidos de la siguiente manera: • Solución Tipo 1: Separación entre tramos (Lg) de 20 metros y longitud de cada tramo (Ls) de 30 metros. • Solución Tipo 2: Separación entre tramos (Lg) de 12.5 metros y longitud de cada tramo (Ls) de 35 metros. • Solución Tipo 3: Separación entre tramos (Lg) de 5 metros y longitud de cada tramo (Ls) de 40 metros. Figura 4. Esquema de diseño de las soluciones propuestas. Postes hincados de madera en tres líneas ondulares. Ls indica la longitud de cada tramo, Lg es la separación entre cada tramo, Y es la distancia de la solución a la línea de costa. Por otro lado, en XBeach fue configurada la solución Tipo 2, buscando un valor intermedio entre las soluciones Tipo 1 y 3. Los resultados obtenidos representan solo dos tramos de la solución, esto se realizó con el fin de observar con más detalle la redistribución de sedimentos en la zona de influencia de la solución propuesta. Se espera que estas estructuras permeables permitan la acumulación de sedimentos detrás de los postes mientras disipan progresivamente la energía del oleaje. La variación en la longitud y separación de los tramos permite evaluar el impacto de la configuración geométrica en la eficacia para retener sedimentos. Un esquema de configuración se presenta en la figura 5, donde se IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 39 evidencia la disposición de los postes de madera hincados en cada tramo y la abertura o separación entre ellos (parámetro Lg). El diseño de las estructuras sigue un patrón ondulado, cuya geometría fue definida con base en las recomendaciones del programa PIMECLA. Este criterio propone que las líneas de estructuras permeables adopten una configuración ondular con una longitud de onda (L) y amplitud (A) comparables a las características del oleaje local. En este caso, se consideraron las condiciones típicas del Golfo de Urabá, donde se presentan oleajes con alturas entre 1 y 2 metros y periodos de aproximadamente 8 segundos. Esta configuración busca maximizar la disipación de energía a lo largo de las estructuras, permitiendo que el impacto sea gradual y distribuido desde la primera línea de postes, favoreciendo además la deposición de sedimentos en las zonas de baja energía generadas detrás de las crestas de la ondulación estructural. Figura 5. Esquema idealizado de una playa con las estructuras permeables (postes hincados). 5.5. Ejecución de los casos de estudio Se ejecutaron 18 casos en total en el modelo WAPO, configurados de acuerdo con la combinación de las diferentes soluciones (Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3), las direcciones del oleaje (SW, W y NW) y los periodos del oleaje (T = 10 s y T = 8 s). Por otro lado, en el modelo XBeach se ejecutaron 3 casos particulares, simulando 12 horas para tres direcciones del oleaje diferentes (noroeste, oeste y suroeste). IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 40 6. Resultados 6.1. Resultados modelación hidrodinámica (modelo WAPO) La figura 6 muestra los resultados de la altura de ola máxima instantánea (m) obtenidos con el modelo WAPO para el oleaje proveniente del noroeste con dos periodos: 10 s (izquierda a, c, e) y 8 s (derecha b, d, f), y para las tres soluciones propuestas (Tipo 1 en la parte superior, Tipo 2 en el centro y Tipo 3 en la parte inferior). Los valores de la altura de ola se representan mediante una escala de colores, donde los tonos cálidos (rojo/naranja) indican mayores alturas de ola y los tonos fríos (azul/púrpura) representan menores alturas. Figura 6. Resultados del modelo WAPO para el oleaje proveniente del noroeste. (a) Solución Tipo 1, periodo 10 s; (b) Solución Tipo 1, periodo 8 s; (c) Solución Tipo 2, periodo 10 s; (d) Solución Tipo 2, periodo 8 s; (e) Solución Tipo 3, periodo 10 s; (f) Solución Tipo 3, periodo 8 s. Las zonas de colores indican la altura máxima instantánea del oleaje, con mayor disipación cerca de la costa debido a los postes hincados. a b c d e f IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 41 La figura 7 presenta los resultados del modelo WAPO para la altura de ola máxima instantánea (m) con el oleaje proveniente del oeste, simulados para los periodos de 10 s (izquierda) y 8 s (derecha), y las tres soluciones propuestas (Tipo 1 arriba, Tipo 2 al centro, Tipo 3 abajo. Figura 7. Resultados del modelo WAPO para el oleaje proveniente del oeste. (a) Solución Tipo 1, periodo 10 s; (b) Solución Tipo 1, periodo 8 s; (c) Solución Tipo 2, periodo 10 s; (d) Solución Tipo 2, periodo 8 s; (e) Solución Tipo 3, periodo 10 s; (f) Solución Tipo 3, periodo 8 s. La escala de colores muestra la altura de ola máxima instantánea, con mayor disipación en las zonas cercanas a la costa debido a los postes hincados. a b c d e f IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 42 La figura 8 muestra los resultados obtenidos del modelo WAPO para la altura de ola máxima instantánea (m) con el oleaje proveniente del suroeste, para los periodos de 10 s (izquierda) y 8 s (derecha), y las tres soluciones propuestas (Tipo 1 arriba, Tipo 2 en el centro, Tipo 3 abajo). Figura 8. Resultados del modelo WAPO para el oleaje proveniente del suroeste. (a) Solución Tipo 1, periodo 10 s; (b) Solución Tipo 1, periodo 8 s; (c) Solución Tipo 2, periodo 10 s; (d) Solución Tipo 2, periodo 8 s; (e) Solución Tipo 3, periodo 10 s; (f) Solución Tipo 3, periodo 8 s. La escala de colores muestra la altura de ola máxima instantánea, con mayor disipación cerca de la costa debido a los postes hincados. 6.1.1. Alturas de ola máxima Los valores de altura de ola máxima se muestran en una escala de colores, donde el color rojo indica las alturas más grandes (cercanas a 1.7 metros), y el color azul/púrpura representa las a b c d e f IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 43 alturas más bajas (cercanas a 0 m). En las zonas más alejadas de la costa (a la izquierda de cada panel en la figura 6), se observan las mayores alturas de ola entre 1.3 a 1.7 m, lo que es consistente con la energía del oleaje que aún no ha sido modificada por los obstáculos. Por otro lado, en la figura 7, a partir de los 200 metros de distancia se aprecia una reducción progresiva en la altura de ola, especialmente en las áreas cercanas a los postes hincados, donde las alturas de ola disminuyen considerablemente. De manera similar, en la figura 8, las zonas alejadas de la costa (izquierda de cada panel) muestran alturas de ola más grandes, en el intervalo de 1.3 a 1.7 m. Estas alturas de ola disminuyen progresivamente a medida que las olas se acercan a la costa y entran en contacto con los obstáculos. En la zona cercana a los postes hincados, en las tres configuraciones, se observa una disipación de la energía del oleaje. 6.1.2. Efecto de los obstáculos sobre la hidrodinámica En la figura 6, se observa a medida que las olas se aproximan a la costa (aproximadamente a los 200 metros de distancia), se observa una reducción significativa de su la altura. Este fenómeno es más evidente en la parte derecha de cada panel, donde se encuentran los obstáculos representados por postes de madera hincados. Además, en las tres soluciones, los postes generan una zona de disipación de energía visible en la zona costera, donde las alturas de ola descienden notablemente. Los resultados sugieren que los obstáculos están cumpliendo su función de reducir la energía del oleaje antes de llegar a la costa. En la figura 7, las soluciones, en las tres configuraciones, muestran una reducción significativa de la altura de ola en las cercanías de la costa, donde las estructuras permeables disipan la energía del oleaje. Por su parte, en las soluciones con mayor separación entre tramos (como la Solución Tipo 1), la disipación de la energía del oleaje es menor, mientras que en la Solución Tipo 3 (con tramos más cercanos), la reducción de la altura de ola es mayor. En la figura 8, para los tres tipos de soluciones muestran una disminución considerable de la altura de ola cerca de la costa, con las estructuras permeables actuando como disipadores de energía. La extensión de la zona de disipación varía ligeramente entre las configuraciones. La Solución Tipo 3 (parte inferior) muestra la disipación más pronunciada y localizada, mientras que la Solución Tipo 1 (parte superior) presenta una disipación más gradual. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 44 6.1.3. Comparación de Periodos (10 s vs 8 s) En el caso del oleaje del noroeste (Figura 6), para el periodo de 10 s (izquierda), se observa un patrón de alturas de ola más altas en toda la zona de simulación (Figura 6). La reducción de la altura de ola es más progresiva y el área afectada por el oleaje es mayor. Para el periodo de 8 s (derecha), las alturas de ola son ligeramente menores en comparación con el periodo de 10 s, pero el patrón de reducción de energía sigue siendo similar. La disipación de la energía del oleaje es igualmente efectiva en las tres soluciones propuestas. En el caso del oleaje del oeste (Figura7), los casos simulados con un periodo de 10 segundos (izquierda), las alturas de ola en la zona de mar abierto son mayores, y la transición de la disipación de energía es más progresiva a medida que el oleaje interactúa con las estructuras. En el periodo de 8 segundos (derecha), la altura de ola es ligeramente menor, y la disipación de energía parece ser más localizada cerca de la costa, mostrando una mayor reducción en la zona protegida por los postes. Para el caso del oleaje del suroeste (Figura 8), el periodo de 10 segundos (izquierda), se observa un patrón de alturas de ola ligeramente más alto en toda la zona, con una disipación más lenta en comparación con el periodo de 8 segundos. En el periodo de 8 segundos (derecha), la reducción de la altura de las olas es más evidente cerca de la costa, mostrando que las soluciones propuestas son efectivas en condiciones de menor periodo de oleaje. 6.1.4. Efectividad de las soluciones propuestas Caso del oleaje del noroeste (Figura 6) Solución Tipo 1 (arriba a y b): La disipación de energía parece ser más gradual y las alturas de ola cerca de la costa muestran una reducción más consistente en ambos periodos. Esta solución parece generar un balance entre la altura de ola y la extensión de la zona protegida. Solución Tipo 2 (centro c y d): La reducción de la altura de ola es más notoria en comparación con la Solución Tipo 1, lo que sugiere que esta configuración es efectiva para bloquear la energía de las olas en un espacio más limitado. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 45 Solución Tipo 3 (abajo e y f): Esta solución parece ser la más efectiva para reducir la altura de las olas, especialmente cerca de la costa. La energía del oleaje se disipa más rápido, pero la zona protegida es más estrecha. Caso del oleaje del oeste (Figura 7) Solución Tipo 1 (arriba a y b): La disipación de energía es moderada, con una reducción gradual en la altura de ola a lo largo de toda la franja costera. La energía del oleaje se disipa de manera más uniforme en comparación con las otras soluciones. Solución Tipo 2 (centro c y d): La reducción en la altura de ola es más notoria, mostrando una mayor disipación de energía justo antes de alcanzar la costa. La acumulación de sedimentos en las zonas protegidas sería mayor, debido a la disposición más ajustada de los postes. Solución Tipo 3 (abajo e y f): Esta solución muestra la mayor disipación de energía del oleaje, reduciendo las alturas de ola de forma más rápida, lo que sugiere que es la más efectiva en términos de protección costera cercana a la costa. Caso del oleaje del suroeste (Figura 8) Solución Tipo 1 (arriba a y b): Muestra una disipación de la energía del oleaje más gradual, con un área más extensa de transición de altura de ola a medida que se acercan a la costa. Solución Tipo 2 (centro c y d): La disipación es más rápida que en la Solución Tipo 1, con una reducción más notoria de la altura de ola antes de alcanzar la costa. Solución Tipo 3 (abajo e y f): Esta configuración ofrece la mayor reducción en la altura de las olas cerca de la costa, mostrando una disipación más efectiva en una zona más localizada, lo que la convierte en la más efectiva de las tres. 6.2. Resultados modelación morfodinámica (modelo XBeach) Los resultados que muestran en este apartado corresponden a la simulación realizada durante 12 h. En la figura 9 se presenta la evolución del perfil del fondo marino, donde los colores más cálidos (rojo) indican áreas de acumulación o elevación del fondo (sedimentación), y los colores fríos (azul) señalan áreas de erosión o disminución del nivel del fondo. A lo largo de la simulación, las imágenes muestran un patrón progresivo en la interacción del oleaje con el lecho IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 46 marino, donde se observan procesos de erosión en la zona intermareal cercana a la costa (representada por la transición de azul claro a amarillo y luego rojo). En las primeras horas de la simulación, la erosión es predominante en el área de la costa, marcada por el retroceso de la línea de costa y la disminución del nivel del fondo en las áreas más cercanas a la costa. Con el paso de las horas, se evidencia un aumento en la acumulación de sedimentos (color rojo) en las zonas más alejadas de la costa, posiblemente debido al transporte sedimentario inducido por el oleaje incidente. Las estructuras permeables presentes en el dominio de simulación también parecen contribuir a una modificación en la distribución de los sedimentos, reduciendo la energía del oleaje en las áreas más cercanas a la costa. Figura 9. Secuencia temporal de la variación en el nivel del fondo marino durante 12 horas de simulación en el modelo XBeach. Los resultados corresponden a un escenario con oleaje proveniente del noroeste, con Hrms de 1.2 m y Tp de 8 s. Los colores representan la elevación o disminución del nivel del fondo en metros, donde los colores cálidos (rojo) indican acumulación de sedimentos (sedimentación), y los colores fríos (azul) representan erosión. Se observan zonas críticas de erosión cerca de la línea costera, que se reducen a medida que las estructuras permeables contribuyen a la disipación de la energía del oleaje. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 47 Los resultados de la simulación de la altura media cuadrática de ola (Hrms) se presentan en la figura 10. Allí se observa la distribución de la energía de las olas a lo largo del tiempo en el dominio modelado. Figura 10. Evolución temporal de la altura media cuadrática de ola (Hrms) durante 12 horas de simulación. Los colores indican la magnitud de la altura de ola en metros, donde las zonas en azul representan la reducción progresiva de la energía del oleaje hacia la costa. En todas las imágenes de la figura 10, se observa cómo la altura de ola se reduce significativamente conforme las olas se acercan a la costa (aproximadamente entre los 80-90 metros en la dirección X). Las zonas en color azul oscuro indican una reducción considerable de la IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 48 altura de ola, especialmente en las zonas costeras donde las estructuras permeables tienen un impacto directo. Al comparar las imágenes de la figura 10 en diferentes tiempos (2, 4, 6, 8, 10 y 12 horas), se puede observar como la energía de las olas parece disiparse cada vez más conforme las olas interactúan repetidamente con las estructuras y la pendiente del fondo. Aunque el Hrms al principio parece elevado en la parte externa (mar adentro), su valor disminuye progresivamente al aproximarse a la costa, lo que coincide con la presencia de estructuras. 6.2.1. Patrón de erosión Los resultados que muestran en este apartado corresponden a la sedimentación y erosión acumulada y la evolución del lecho marino. En la figura 11 las áreas en tonalidades azules representan zonas donde ha ocurrido erosión, es decir, una disminución en el nivel del fondo del lecho marino de hasta -3 m. La erosión es más evidente cerca de la costa, alrededor de la coordenada X = 100 m. En el caso de las zonas cercanas a la costa (aproximadamente entre 85 y 100 m en la dirección X), se puede observar una erosión significativa desde el inicio de la simulación, lo cual es consistente con la interacción del oleaje con la costa. Las áreas de color azul celeste indican erosión moderada, lo que sugiere que la interacción del oleaje con la estructura ha removido sedimentos, pero no en niveles críticos. 6.2.2. Patrón de sedimentación Las áreas en color amarillo o anaranjado indican acumulación de sedimentos, es decir, un aumento en la altura del lecho marino, con acumulaciones de hasta +3 m (Figura 11). Se observa un patrón de sedimentación acumulada en el rango de X entre 50 y 80 m, lo que sugiere que los sedimentos erosionados de las áreas costeras están siendo transportados y depositados en esta zona. Este comportamiento es típico en situaciones donde la energía del oleaje disipa los sedimentos a lo largo del perfil costero. La sedimentación también es prominente en la parte media del dominio, particularmente en las zonas de interacción con las estructuras permeables, lo cual sugiere que estas estructuras están ayudando a frenar el transporte de sedimentos y promoviendo la deposición en áreas específicas. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 49 Figura 11. Secuencia temporal de sedimentación y erosión acumulada durante 12 horas de simulación. Los colores indican la magnitud de los cambios en el fondo marino, donde el azul representa erosión y el amarillo/rojo muestra áreas de sedimentación. 6.2.3. Evolución temporal de los sedimentos Al comparar las imágenes de la figura 11 desde las 2 hasta las 12 horas, se nota un patrón progresivo de erosión cerca de la costa, mientras que la sedimentación aumenta en el área cercana a los 50 a 70 metros. Esto indica que los sedimentos removidos de la costa no están siendo IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 50 completamente llevados mar adentro, sino que se redistribuyen y depositan en otras partes del dominio. Los patrones de erosión y sedimentación parecen estabilizarse hacia el final de la simulación, lo que sugiere que las dinámicas de transporte sedimentario han alcanzado un equilibrio temporal bajo las condiciones de oleaje simuladas. 6.2.4. Influencia de las estructuras permeables De acuerdo con los resultados obtenidos, se evidencia un efecto de reducción de la erosión en la línea costera y la facilitación de la acumulación de sedimentos en la zona más protegida detrás de las estructuras (entre 80 y 100 metros en el eje X). Las ondulaciones que aparecen a lo largo de la zona de interacción con las estructuras indican una modificación en los patrones de transporte de sedimentos, lo que sugiere que las estructuras están logrando su objetivo de disipar energía y redistribuir los sedimentos de manera más controlada. Esta interpretación sugiere que las estructuras permeables podrían estabilizar el perfil costero, favoreciendo la sedimentación en algunas áreas y mitigando la erosión en otras. Los resultados presentados en este capítulo corresponden al primer caso de simulación, con un oleaje proveniente del noroeste, ya que es la dirección predominante para la zona de interés cuando el oleaje genera impacto significativo en la redistribución de sedimentos del litoral antioqueño. En este sentido, los resultados de los otros dos casos (direcciones del oeste y del suroeste) serán presentados en el Anexo 3. Adicionalmente, desde el punto de vista hidrodinámico, se infiere que la disposición geométrica de los tramos permeables genera una modulación del patrón de circulación costera. Las aberturas entre tramos (parámetro Lg) permiten la canalización localizada del flujo, generando corrientes con mayor velocidad entre las estructuras y zonas de menor energía inmediatamente aguas abajo de las mismas. Esta dinámica favorece la formación de células de recirculación o vórtices locales, que inducen la acumulación de sedimentos en las zonas más protegidas y alteran la trayectoria de transporte en la región de estudio. Aunque el modo estacionario del modelo no permite observar directamente la evolución temporal de estas corrientes, los patrones morfológicos obtenidos y la configuración de las obras IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 51 permiten deducir la existencia de procesos de redistribución sedimentaria inducidos por la interacción entre el oleaje y las estructuras, especialmente en condiciones de oleaje oblicuo. En futuros estudios, el uso de modos de simulación más complejos (como surfbeat o no hidrostático) permitiría evaluar de manera más precisa la magnitud, dirección y persistencia de estas corrientes inducidas. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 52 7. Discusión 7.1. Resultados de los experimentos numéricos Los resultados obtenidos mediante los modelos numéricos WAPO y XBeach proporcionan una visión detallada sobre la efectividad de las estructuras permeables en la disipación de la energía del oleaje, así como en la redistribución de sedimentos y el impacto sobre la línea de costa. A continuación, se presentan los hallazgos principales en tres secciones: eficiencia en la disipación de energía del oleaje, comparación entre direcciones y periodos de oleaje, y distribución de la erosión y sedimentación. 7.1.1. Eficiencia en la disipación de la energía del oleaje Los resultados de los modelos WAPO y XBeach indican que las estructuras permeables son efectivas para disipar la energía del oleaje, cumpliendo su función protectora en la costa. El modelo WAPO permitió analizar la interacción entre el oleaje y los postes hincados en términos de refracción, difracción y disipación de energía, lo que proporcionó una evaluación detallada del comportamiento hidrodinámico de las olas en diferentes configuraciones de postes. La Solución Tipo 3 (con una separación de 5 m y longitud de tramo de 40 m) resultó ser la más eficiente en términos de disipación rápida y localizada de energía, protegiendo eficazmente áreas específicas de la costa. En comparación, la Solución Tipo 1 (con una separación de 20 m y longitud de 30 m) mostró una disipación más gradual y extendida, adecuada para áreas amplias. Por otro lado, el modelo XBeach permitió evaluar la energía del oleaje y el transporte de sedimentos bajo condiciones de tormenta, proporcionando una visión integral de los efectos de las estructuras permeables tanto en condiciones normales como extremas. En ambos modelos, la disposición de los postes resultó en una interferencia controlada de la energía de las olas, confirmando la capacidad de estas configuraciones para reducir significativamente la altura de ola en las proximidades de la costa. Al integrar los resultados de ambos modelos, se observa que WAPO proporcionó un análisis específico de la disipación energética en función de la geometría de los postes, mientras que XBeach extendió este análisis al comportamiento morfodinámico, mostrando cómo estas IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 53 estructuras influyen en la sedimentación a lo largo del tiempo. Esta combinación de modelos ofrece una evaluación completa, permitiendo tanto un análisis detallado de los efectos inmediatos de disipación de energía como de los cambios en la morfología costera en el tiempo. 7.1.2. Comparación entre direcciones y periodos del oleaje Los resultados del modelo WAPO también permiten analizar cómo los diferentes ángulos de incidencia del oleaje y los periodos del oleaje afectan la eficiencia de las estructuras permeables. Los casos de oleaje proveniente del noroeste presentaron mayores alturas de ola en comparación con los provenientes del suroeste, lo que sugiere que el diseño de soluciones debe adaptarse a las direcciones de oleaje más predominantes en el área de estudio. Además, el análisis mostró que los periodos más largos (10 s) resultaron en una mayor extensión de la zona afectada por el oleaje, mientras que los periodos más cortos (8 s) concentraron la disipación de energía cerca de la costa. Este hallazgo destaca la importancia de diseñar soluciones flexibles que puedan responder a distintas condiciones de oleaje, lo cual es clave para asegurar la efectividad de las soluciones permeables frente a diferentes situaciones climáticas y meteorológicas. 7.1.3. Distribución de la erosión y sedimentación: impacto sobre la línea de costa Los resultados de sedimentación y erosión acumulada del modelo XBeach evidencian la efectividad de las estructuras permeables en la redistribución de sedimentos a lo largo de la línea de costa. Se observó un patrón de erosión en áreas cercanas a los postes hincados y una acumulación de sedimentos en zonas más alejadas, específicamente entre los 50 y 80 metros del eje X. Este comportamiento favorece la regeneración natural de la playa, ya que permite el transporte y la deposición de sedimentos en áreas protegidas, reduciendo la pérdida neta de material sedimentario. Más allá de la simple acumulación o retiro de sedimentos, este comportamiento debe analizarse también a partir de los campos de corrientes generados por la interacción entre el oleaje y las estructuras permeables. La configuración geométrica de los tramos induce una modificación localizada del flujo costero, generando zonas de aceleración del flujo entre tramos (canalización) y áreas de baja energía justo detrás de las estructuras, donde es más probable la deposición de IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 54 sedimentos. Estos patrones son consistentes con la posible formación de células de circulación secundaria, producto de la incidencia del oleaje oblicuo y del diseño ondulado de las obras. Esta dinámica hidrosedimentológica sugiere que las estructuras no solo actúan como barreras disipadoras de energía, sino que también inducen una redistribución controlada del sedimento, guiando los flujos hacia zonas donde el transporte se vuelve menos eficiente y, por lo tanto, más propenso a la sedimentación. Este comportamiento es clave para entender los beneficios morfológicos observados y justifica la pertinencia de emplear este tipo de soluciones basadas en la naturaleza en contextos de erosión progresiva. En este sentido, la integración de los resultados de sedimentación con los patrones de corriente simulados permite concluir que las estructuras permeables no solo son efectivas para reducir el impacto del oleaje, sino que también favorecen la acumulación estratégica de sedimentos, promoviendo una solución costera sostenible a largo plazo y coherente con los procesos naturales del entorno. 7.2. Potencial de combinación con SbN La combinación de estructuras permeables con SbN, como la introducción de vegetación costera o la restauración de manglares, ofrece una solución híbrida que incrementa la resiliencia de las zonas costeras frente a fenómenos erosivos. Las estructuras permeables no solo reducen la energía del oleaje antes de que impacte directamente en la costa, sino que también facilitan el establecimiento de ecosistemas naturales detrás de ellas, promoviendo la estabilización de los sedimentos y mejorando la biodiversidad. 7.3. Sobre la implementación de la solución propuesta En función de los resultados obtenidos, la solución basada en estructuras permeables complementadas con SbN se perfila como una alternativa viable y sostenible para la mitigación de la erosión costera. A continuación, se presentan aspectos clave sobre su implementación en el contexto de los hallazgos de este trabajo. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 55 7.3.1. Recomendaciones para la implementación futura Para maximizar la efectividad de las estructuras permeables, es fundamental optimizar la configuración de los postes hincados. Los resultados de las simulaciones sugieren que una longitud de tramo de 20 metros y una separación de 10-12 metros entre postes es una disposición eficaz para mitigar la erosión en diferentes condiciones de oleaje. Sin embargo, futuras aplicaciones deben considerar otros factores hidrodinámicos, como las mareas y el viento, para realizar una evaluación más completa. Estos parámetros adicionales ayudarán a ajustar la implementación a las características locales específicas de cada zona costera, aumentando así su efectividad. 7.3.2. Consideraciones técnicas para la implementación futura Los resultados obtenidos plantean importantes implicaciones técnicas para futuras aplicaciones de estas soluciones. Las simulaciones indican que, para maximizar la eficacia de las estructuras permeables, es crucial optimizar su disposición, dimensiones y separación. Las simulaciones muestran que una longitud de tramo de 20 metros, combinada con una separación de aproximadamente 10-12 metros, ofrece un buen balance entre la disipación de energía del oleaje y la redistribución de sedimentos. 7.3.3. Consideraciones técnicas para la planificación de proyectos Es crucial que la implementación de estas soluciones sea parte de un enfoque integral que considere tanto los factores ambientales como los socioeconómicos. La colaboración con actores locales y comunidades costeras es fundamental para asegurar el éxito y la sostenibilidad de los proyectos. Además, los resultados obtenidos de los modelos numéricos indican que estas estructuras permeables permiten una integración con vegetación y otros elementos de SbN, lo que puede mejorar la retención de sedimentos y contribuir al mantenimiento y restauración de ecosistemas costeros. IMPLEMENTACIÓN NUMÉRICA DE SbN PARA MITIGAR LA EROSIÓN COSTERA 56 8. Conclusiones Las simulaciones numéricas mostraron que las estructuras permeables, como los postes hincados, fueron eficaces en reducir la energía del oleaje incidente en un porcentaje significativo, cercano al 30-50%, dependiendo de la configuración y las condiciones del oleaje. Esta reducción de energía se traduce en una disminución considerable de la erosión costera, protegiendo de manera efectiva la línea de costa y promoviendo una mayor estabilidad sedimentaria. Las estructuras permeables no solo redujeron la erosión, sino que también favorecieron el transporte y depósito de sedimentos en áreas protegidas. Durante las simulaciones, se observó una acumulación de sedimentos de hasta 20% en las zonas detrás de las estructuras, lo cual es fundamental para la regeneración natural de las playas y para mantener el equilibrio sedime