Modelación de inundaciones costeras en Surgidero de Batabanó para los años 2050 y 2100

Área de estudio

El asentamiento costero de Surgidero de Batabanó se localiza en el municipio de Batabanó, en el sur de la provincia de Mayabeque, limitando al norte con el municipio San José de las Lajas; al este con Melena del Sur; al oeste con los municipios Quivicán y Güira de Melena, y al sur con el golfo de Batabanó (Figura 1). Tiene una extensión de 185.5 km² y una población de 26 614 habitantes por km². Cuenta con 1 614 viviendas y una población total de 4 697 habitantes. En esta localidad se ubica el puerto costero y pesquero más importante de la costa sur. Su economía se sustenta en la planta pesquera y de mariscos que procesa y exporta productos frescos, en particular especies como langostas y camarones (UNDP, 2021UNDP (United Nations Development Programme). (2021). Resiliencia Costera al Cambio Climático en Cuba a través de la Adaptación basada en Ecosistema–“MI COSTA” (p. 138) [Anexo VI (b) – Informe de evaluación social y ambiental. Propuesta de financiamiento del Fondo Verde para el Clima]. Cubaenergia. http://financiamientoclimatico.cubaenergia.cu/index.php/descargas/19-undp-5994-cuba-annex-vi-b-esar-mi-costa-21102020-es/file).

Esta región es una zona muy llana propensa a inundaciones y está fundamentalmente cubierta por paisajes agrícolas y ganaderos, así como humedales costeros. Los demás ecosistemas aledaños a la costa son mayormente 164 hectáreas de manglares y 291 hectáreas de bosques de ciénaga con un alto grado de deterioro. El asentamiento se encuentra en la región del país con los índices de erosión costera más altos, siendo afectadas las zonas agrícolas por la intrusión salina (UNDP, 2021UNDP (United Nations Development Programme). (2021). Resiliencia Costera al Cambio Climático en Cuba a través de la Adaptación basada en Ecosistema–“MI COSTA” (p. 138) [Anexo VI (b) – Informe de evaluación social y ambiental. Propuesta de financiamiento del Fondo Verde para el Clima]. Cubaenergia. http://financiamientoclimatico.cubaenergia.cu/index.php/descargas/19-undp-5994-cuba-annex-vi-b-esar-mi-costa-21102020-es/file). El peligro por inundaciones, fundamentalmente por surgencia de huracán, es muy alto hacia la zona costera del golfo de Batabanó (Mitrani et al., 2017Mitrani, I., García, E., Hidalgo, A., Hernández, I., Salas, I., Pérez, R., Díaz, O., Vichot, A., Pérez, A., Cangas, R., Álvarez, L., Pérez, O., Rodríguez, C., Pérez, A., Morales, A., Viamontes, J., Pérez, J., & Rodríguez, J. (2017). Inundaciones costeras en Cuba. Estructura termohalina y su influencia en las inundaciones. CITMA℡ (Empresa de Tecnologías de la Información y Servicios Telemáticos Avanzados). https://www.libreriavirtual.cu/libreria/meteorologia-marina).

Huracán Charley como caso de estudio

Como caso de estudio se seleccionó el huracán Charley, que afectó con gran intensidad a la región. Charley fue categoría 3 en la escala de huracanes Saffir-Simpson. Tocó tierra con vientos máximos sostenidos de 180 km/h cerca de Punta Cayamas, entre Playa Guanímar y Playa del Cajío, en la costa sur de la actual provincia de Artemisa, cerca de la medianoche (04:00 UTC) del día 13 de agosto de 2004 (Figura 2). Fue un ciclón tropical muy pequeño, cuyo centro tenía un diámetro de 18 km y los vientos con fuerza de huracán se extendieron hasta 23 km a la derecha y 19 km a la izquierda de la trayectoria. El movimiento medio sobre Cuba fue en dirección al norte noroeste, con una velocidad de traslación de 25 km/h. Provocó fuertes inundaciones costeras en la costa sur, donde la marea de tormenta hizo avanzar el mar varios kilómetros. En Playa del Cajío se observó una marea de tormenta de 4 m por encima del nivel del mar y las aguas llegaron hasta 2.6 km tierra adentro, barriendo 360 casas. En Surgidero de Batabanó la marea de tormenta fue de 2.8 m de altura y el mar penetró hasta 1.5 km (Rubiera & Ballester, 2005Rubiera, J., & Ballester, M. (2005). Resumen de temporada ciclónica de 2004 en el Atlántico Norte. Instituto de Meteorología. http://www.insmet.cu/asp/genesis.asp?TB0=PLANTILLAS&TB1=TEMPORADA&TB2=/Temporadas/temporada2004.htm).

Modelación acoplada ADCIRC+SWAN

Para la modelación numérica de la marea de tormenta y el oleaje generado por el huracán Charley se emplearon los modelos ADCIRC (empleado para calcular la sobreelevación del nivel del mar considerando el arrastre del viento y el descenso de la presión atmosférica) y SWAN (para el cálculo de las características del oleaje a partir de condiciones dadas de viento, fondo y corriente) acoplados.

Ambos modelos pueden correr en modo acoplado, tanto en serie como en paralelo, ejecutándose primero ADCIRC para obtener los resultados de tensión superficial del viento, fricción de fondo, corrientes en aguas poco profundas y niveles de agua que son empleados por el modelo SWAN para generar los gradientes de tensión de radiación de fondo marino en aguas someras. Para la simulación es necesaria la creación de varios ficheros de entrada de datos que portarán los forzadores del modelo y las condiciones de frontera. En el fichero de configuración de corrida queda establecido que ADCIRC y SWAN intercambiarán resultados internamente cada 600 s, y que el paso temporal de ADCIRC es de 1 s, lo que garantiza resultados estables de SWAN (Casals & Marrero, 2022Casals, R., & Marrero, L. (2022). Generación de una malla no estructurada para la simulación de niveles del mar en la costa norte de la región central de Cuba (p. 46) [Informe Técnico de Resultado]. Instituto de Meteorología.).

Para la simulación se empleó una malla no estructurada de elementos finitos, que consta de 25087 nodos y 44948 elementos triangulares. Con este diseño, la malla garantiza una alta resolución espacial hacia las costas. Este dominio abarca toda la línea costera sur del occidente de Cuba, así como el archipiélago de los Canarreos (Figura 3).

Para la determinación de la evolución de la marea de tormenta en Surgidero de Batabanó se seleccionó un punto en la línea de costa (frontera principal), que coincide con un punto costero en el sector oriental del asentamiento, en las coordenadas 22.681° de latitud Norte y 82.288° de longitud Oeste. También se seleccionó un punto en la localidad de Playa del Cajío, en las coordenadas 22.682° de latitud Norte y 82.461° de longitud Oeste, para establecer comparaciones entre los valores de marea de tormenta observados y los simulados en estas localidades.

Los datos del fichero de entrada que contiene las posiciones del ciclón tropical, el radio de vientos y los valores mínimos de la presión atmosférica en cada posición, fueron tomados de la base de datos revisada de los huracanes en el Atlántico (HURDAT2) (Landsea & Franklin, 2013Landsea, C. W., & Franklin, J. L. (2013). Atlantic hurricane database uncertainty and presentation of a new database format. Monthly Weather Review, 141(10), 3576–3592. https://doi.org/10.1175/MWR-D-12-00254.1), disponible en la página web del Centro Nacional de Huracanes de Estados Unidos (NHC).

Una vez obtenidos los valores de marea de tormenta se grafica la curva hidráulica, que es una representación de la evolución periódica del nivel del mar. Para ello fueron reorganizados los datos del fichero resultante empleando hojas de cálculo de Excel. Se graficaron las curvas para ambas localidades: Surgidero de Batabanó y Playa del Cajío.

Modelación del alcance de la inundación costera

El modelo hidrodinámico LISFLOOD-FP será utilizado para simular la inundación costera. Este programa produce una eficiente predicción de la máxima inundación costera al acoplar un modelo hidráulico 1D y 2D basado en una rejilla ráster que permite una interacción inmediata con los Sistemas de Información Geográfica (SIG). Se definieron como parámetros internos de entrada: el paso de tiempo de cómputo, la salva de las corridas cada cuatro horas, la frontera variable para el empleo de la curva hidráulica, así como las variables a obtener como son el alcance máximo en tierra y el tiempo de ocurrencia. Fue empleado el Modelo Digital de Elevación del Terreno (MDE), disponible para realizar las simulaciones numéricas de las inundaciones costeras de carácter temporal, que cuenta con una resolución espacial de 12 m de píxel (Pérez et al., 2021Pérez, O., Casals, R., Pérez, R., Ortega, F., Pérez, P., Menéndez, L., Parra, L., Hernández, N., Rodríguez, N., Carracedo, D., Sánchez, B., Deus, C., Marrero, L., & Lam, C. (2021). Modelación numérica de inundaciones costeras por cambio climático en asentamientos seleccionados (p. 99) [Macroproyecto Escenarios de peligro y Vulnerabilidad de la zona costera cubana ante el ascenso del nivel medio del mar para los años 2050 y 2100. Informe Técnico de Resultado]. Instituto de Meteorología.).

La simulación del caso de estudio fue realizada para los escenarios climáticos previstos de 2050 y 2100. En estas proyecciones se tienen en cuenta las magnitudes medias obtenidas por Pérez (2019)Pérez, R. (2019). Ascenso del nivel del mar en Cuba por Cambio Climático. Revista Cubana de Meteorología, 25(1), 76–83. http://rcm.insmet.cu/index.php/rcm/article/view/455 de 29.3 cm y 95 cm, respectivamente. Tomando como base estos escenarios, se emplearán las nuevas líneas de costa obtenidas por Pérez et al. (2021)Pérez, O., Casals, R., Pérez, R., Ortega, F., Pérez, P., Menéndez, L., Parra, L., Hernández, N., Rodríguez, N., Carracedo, D., Sánchez, B., Deus, C., Marrero, L., & Lam, C. (2021). Modelación numérica de inundaciones costeras por cambio climático en asentamientos seleccionados (p. 99) [Macroproyecto Escenarios de peligro y Vulnerabilidad de la zona costera cubana ante el ascenso del nivel medio del mar para los años 2050 y 2100. Informe Técnico de Resultado]. Instituto de Meteorología., quienes determinaron para 2050 una disminución de 1.02 km² de tierra firme y 640 m de línea de costa, mientras que para 2100 la pérdida de superficie emergida es de 5.9 km² (que representa el 31.2 % del área emergida actual) y 12.71 km de línea de costa (Figura 4).

Una vez realizadas las corridas se procesaron las salidas mediante el SIG “QGIS” en su versión 3.18, permitiendo obtener los mapas correspondientes para cada escenario estudiado. Se preparó la región de estudio con imagen satelital que presenta un área de 19 km² y 12.92 km de línea de costa en el escenario actual. Dicha área abarca desde la línea de costa hasta la cota de altura de 10 m sobre el nivel del mar, estando alrededor del 95 % de su superficie emergida por debajo de los 2 m de altura.

Análisis de las salidas de la modelación acoplada

A partir de la modelación acoplada ADCIRC+SWAN, los mayores valores de altura significativa de la ola se obtienen al paso del huracán Charley en las aguas profundas al sur del archipiélago de los Canarreos, con alturas de ola que superan los 11 m en algunas áreas. Sin embargo, hacia el área de plataforma el oleaje no supera los 3 m de altura. Este comportamiento responde al cambio en la profundidad del fondo marino, donde las condiciones de profundidades reducidas en el golfo de Batabanó afectan el desarrollo del oleaje. Los mayores valores de velocidad del viento se encuentran en la pared derecha del centro de circulación, precisamente donde resulta mayor el valor de la marea de tormenta.

Para el punto seleccionado en el asentamiento de Surgidero de Batabanó se obtuvo un comportamiento de la marea de tormenta como se muestra en la Figura 5. A partir de las 11 horas de corrida del modelo, el nivel del mar comienza a descender ligeramente hasta alcanzar los -0.01 m, por debajo de la línea de costa. Este descenso se produce debido a la dirección inicial del viento de componente nordeste, a medida que se aproxima huracán, que provoca un desplazamiento de la masa de agua desde tierra hacia mar abierto.

No obstante, una vez que el área de vientos máximos del huracán comienza a aproximarse rápidamente al área de estudio, con un giro del viento a componente sur, se produce un brusco ascenso del nivel de mar en apenas 3 horas. La marea de tormenta en la simulación alcanza los 4.00 m por encima del nivel del mar a las 5:00 UTC del 13 de agosto y luego comienza a descender, primero rápidamente y luego de manera gradual, a medida que el radio de vientos máximos del ciclón tropical se aleja del territorio. Los mayores valores de marea de tormenta se obtienen en las áreas que quedaron a la derecha del centro de circulación del sistema, dentro del radio de vientos máximos (Figura 6).

En el caso de la marea de tormenta simulada en el punto seleccionado en Playa del Cajío se obtuvo un valor máximo de 2.63 m, en el mismo horario que el máximo en Surgidero de Batabanó (Figura 7).

Estableciendo una comparación entre los valores reportados y simulados se aprecia que el modelo sobrestima en 1.20 m el valor de la marea de tormenta para Surgidero de Batabanó, mientras que subestima en 1.37 m el valor para Playa del Cajío (Tabla 1). Esto pudiera atribuirse a un desplazamiento hacia el este de los valores máximos en la simulación, que puede estar en el orden de la distancia lineal entre ambas localidades (aproximadamente 17 km). Para el cálculo del alcance máximo de la inundación costera en Surgidero de Batabanó se asumió el valor simulado de 4.00 m.

Alcance de la inundación costera en los escenarios de 2050 y 2100

La modelación numérica de la inundación costera temporal ocasionada por el huracán Charley arrojó un área inundada de aproximadamente el 50 % de la superficie emergida para el escenario del año 2050. Se observa la afectación total del asentamiento y sus infraestructuras, además de alcances significativos del agua en tierra, los cuales oscilan entre 1300 m en el extremo oeste del sector y los máximos en la porción central del mismo con 2200 m (Figura 8a).

Durante el proceso de inundación temporal por este evento extremo, se producen las mayores alturas de sobreelevación del mar producto del oleaje y la surgencia en la línea de costa y hacia el interior del canal o puerto existe en este asentamiento, con valores cercanos a los 4 m. Se obtienen valores entre 2.0 m y 2.5 m de altura a una distancia de 800 m dentro del asentamiento, siendo los inferiores a 0.5 m en la porción este del sector a una distancia de 1800 m en tierra (Figura 8b).

Para el escenario del año 2100 se identifica la desaparición total del asentamiento e infraestructuras, la base de pesca y gran parte del bosque de mangle existente en ambos extremos del área de estudio. En este escenario, la magnitud de las inundaciones costeras temporales provocadas por la afectación del huracán Charley se aprecia en la Figura 9a. Las penetraciones del mar alcanzan distancias máximas de 2300 m tierra adentro en la parte central, 1000 m en el extremo este y 800 m en el oeste, mientras que se obtienen valores cercanos a los 4 m de altura en todo el perímetro de la línea costera, siendo más prominente en la parte central del asentamiento (Figura 9b).

Los resultados arrojan alcances del agua inferiores a los determinados por Pérez et al. (2021)Pérez, O., Casals, R., Pérez, R., Ortega, F., Pérez, P., Menéndez, L., Parra, L., Hernández, N., Rodríguez, N., Carracedo, D., Sánchez, B., Deus, C., Marrero, L., & Lam, C. (2021). Modelación numérica de inundaciones costeras por cambio climático en asentamientos seleccionados (p. 99) [Macroproyecto Escenarios de peligro y Vulnerabilidad de la zona costera cubana ante el ascenso del nivel medio del mar para los años 2050 y 2100. Informe Técnico de Resultado]. Instituto de Meteorología. para un huracán categoría 5 con 12 horas de afectación, con diferencias de alcance que van desde 300 hasta 500 m. Se evidencia como un huracán categoría 3 en la escala Saffir-Simpson, con un tiempo de afectación menor, es capaz de producir en ambos escenarios una inundación costera temporal significativa que abarca la totalidad del asentamiento, de manera similar a un huracán de categoría superior.