viento, estabilidad térmica y ondas internas: bases para una gestión ...

VIENTO, ESTABILIDAD TÉRMICA Y ONDAS INTERNAS: BASES PARA UNA
GESTIÓN DE LOS EMBALSES A CORTO PLAZO.
Wind, thermal estability and internal waves: bases for short time reservoir management.
Joan Armengol 1 *, Enrique Navarro 1 , Luciano Caputo 1 y Josep Dolz 2
1 Dept. Ecología. Fac. Biología. Universidad de Barcelona. Avd. Diagonal, 645. 08028-Barcelona.
España. *jarmengol@.ub.edu
2 Dept. Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de
Caminos, Canales y Puertos. Univ. Politécnica de Catalunya. C/ Jordi Girona, 1-3, D1. 08034-
Barcelona. España.
29

RESUMEN
La entrada de energía en lagos y embalses se
produce mayoritariamente por la superficie
en forma de energía calórica y cinética
turbulenta. Mientras que la primera tiende
a aumentar la estabilidad térmica de la
columna de agua, la segunda la disminuye
mezclando el agua superficial más caliente,
con la más profunda y fría. Estos procesos
de calentamiento y mezcla tienen diferentes
escalas temporales de actuación, que dan
lugar a los ciclos de estratificación y mezcla.
Existe una notable falta de información sobre
estos procesos para escalas superiores a la
anual, p.e. la variabilidad interanual o el
cambio climático, y también para escalas
menores, p.e. el ciclo diario. En este trabajo
se presenta la información recogida a escala
diaria en el embalse de Sau (Barcelona, NE
de España). En concreto se trata de analizar
conjuntamente las variaciones horarias en los
perfiles de temperatura recogidos mediante
cadenas de termistores y la información
meteorológica.
Los resultados obtenidos durante la fase de
estratificación de Sau muestran que se forman
ondas internas a nivel del metalimnion con
periodicidad de 24 horas que se relacionan
perfectamente con el régimen de vientos
que lo afectan. Estas oscilaciones periódicas
tienen la forma de secas cuyas oscilaciones
se superponen perfectamente a la velocidad
y dirección del viento. Este comportamiento
regular se ve alterado cuando hay cambios
meteorológicos importantes como el paso
de frentes, especialmente fríos. En estas
condiciones hay entradas importantes de
energía cinética turbulenta, que rompe
las oscilaciones de periodicidad regular
al mezclar el agua hasta una mayor
profundidad. Esta reducción de la estabilidad
30
térmica de la columna de agua tiene, entre
otros efectos el bombeo de agua fría y rica en
nutrientes hacia la superficie y dando lugar a
pulsos cortos pero intensos de producción e
incremento de la concentración de clorofila.
Otro de los efectos que se han podido detectar
en Sau es la formación de termoclinas diarias
en los 3-4 primeros metros de la columna de
agua. La formación de estas termoclinas se
produce por la combinación de la energía
radiativa absorbida, radiación solar y de onda
larga, con la energía turbulenta introducida
por el viento. Durante el día se acumula calor
en la capa más superficial dando lugar a una
termoclina muy superficial y relativamente
estable, por el contrario, por la noche hay
una perdida de calor hacia la atmósfera
con lo que la acción del viento tiende a ser
más importante y rompe esta estratificación.
En Sau, las características de las termoclinas
diarias van variando en función de las
condiciones meteorológicas. Así, en días
nublados y con vientos algo más fuertes de lo
normal, las termoclinas diarias tienden a ser
menos estables o incluso inexistentes. En días
soleados la termoclina diaria presenta una
mayor persistencia asociada a la entrada
de energía radiativa. Las características de
las termoclinas diarias se pueden describir
mediante el número de Wedderburn.
En resumen, la combinación de la información
de las ondas internas de la base del epilimnion
y las termoclinas diarias en la superficie
permiten conocer y describir mucho mejor
algunos de los procesos químicos y biológicos
que se producen en el epilimnion de algunos
embalses como los que se presentan en este
estudio.
Palabras claves: Termoclina, Turbulencia ,
número de Wedderburn.

ABSTRACT
The energy entrance in lakes and reservoirs is
mainly produced at the surface as caloric and
cinetic turbulent energy. Meanwhile the first
tends to increease the thermic stability of the
water column, the second diminishes it mixing
the warmer superfitial water with the deeper
cooler one. These processes of warming and
mixing have different temporal scales giving
place to cycles of stratification and mixing.
There is a notorious lack of information about
these processes at scales beyond a year,
e.g. the interannual variation, the climatic
change, and also for minor scales such as the
daily cycle. This work presents the information
obtain at a daily scale at the Sau reservoir
(Barcelona NE, Spain). It intends to analize
timetable variations of the temperature profiles
gathered with thermistor chains together with
methereological information.
The results obtained during the stratification
phase of Sau show that internal ways form at the
metalimniom level with a 24 hours periodicity,
perfectly related with wind regimen of it.
These periodical oscillations have the form of
“secas” which oscillations superimpose with
the wind velocity and direction. This regular
behaviour is altered when there are important
metheorological changes as the occurrence
of specially cold winds. In these conditions
there are important addition of cinetic
turbulent energy that breaks oscillations of
regular periodicity in mixing the water at a
deeper depth. This thermic stability reduction
of the water column has among other effects
the removal of cold and nutrient rich waters
towards the surface producing short pulses
but intense ones of clorophyl production.
Other effects that have been observed in Sau
is the formation of daily thermoclines at the
first 3-4 metres depth of the water column.The
formation of these thermoclines is produced
by the combination of the radioactive
absorbed energy, solar long wave radiation
and the turbulent energy introduced by the
wind. During the day, heat is accumulated
at the surface layers forming a superfitial and
relatively stable thermocline, on the contrary
at night, heat is lost to the atmosphere and
the wind action tends to be more important
and breaks this stratiphication. At Sau
the thermocline characteristics change
depending on the metereological conditions.
Thus, during cloudy days with stroger winds,
daily thermoclines have the tendency to
be less stable or to be absent. During sunny
days the daily thermocline presents a higher
persistance associated to the radiation energy.
The characteristics of the daily thermoclines
can be described by the Wedderburn
number.
In summary, the combination of of the internal
waves information of the epilimniom base
allow to better know and describe some of
chemical and biological processes produced
in the epilimniom of some reservoirs as the
ones of this study.
Key words: thermocline. Turbulence.
Wedderburn number.
31

INTRODUCCIÓN
La entrada de energía en lagos y embalses se
produce mayoritariamente por la superficie
en forma de energía calórica y cinética
turbulenta. Mientras que la primera tiende
a aumentar la estabilidad térmica de la
columna de agua, la segunda la disminuye
mezclando el agua superficial más caliente,
con la más profunda y fría. Este proceso de
calentamiento y mezcla tiene diferentes
escalas temporales de actuación. Así a escala
anual da lugar a los ciclos de estratificación y
mezcla que caracterizan a los ciclos térmicos
de los lagos y embalses, monomícticos,
dimícticos, etc.
Existe una notable falta de información sobre
estos mismos procesos a escalas superiores a
la anual, p.e. la variabilidad interanual o el
cambio climático, y a escalas menores, p.e.
el ciclo diario. En este trabajo se presentará
la información recogida a escala diaria en el
embalse de Sau (Barcelona, NE de España).
La base de este estudio es el análisis conjunto
de los perfiles de temperatura recogidos
mediante cadenas de termistores y la
información meteorológica en una estación
próxima. El interés de este tipo de estudios es
el de establecer un marco de condiciones
físicas basada en la estructura térmica a
escala horaria que permita situar los cambios
químicos y biológicos que se producen a
escala diaria.
Una parte importante del conocimiento del
ciclo anual de los lagos y embalses se basa
en estudios con periodos que oscilan entre
32
semanas y meses, que describen de forma
sintética la sucesión estacional del plancton
(Planas, 1973; Margalef, 1983; Lampert &
Sommer, 1997; Naselli-Flores, 1999) o la evolución
de las características químicas del hipolimnion
(Vidal, 1972; Wetzel, 1983; Margalef, 1983;
Margalef, 1992), por poner dos ejemplos entre
otros muchos. Este tipo de estudios consideran
como anomalías o ruido los cambios que
no siguen el patrón de evolución estacional
como por ejemplo pequeños incrementos
de clorofila, o de producción. No obstante,
existen cada vez más evidencias de que
estos cambios son producidos por el paso de
frentes fríos o cálidos que alteran la entrada
de energía calórica y cinética turbulenta y
dan lugar a cambios significativos en muchos
procesos físicos (Imberger & Parker, 1985),
químicos (Stumm, 1985; Romero & Imberger,
1999) y biológicos del lago (Reynolds, 1984;
Reynolds, 1997, Sommer et al., 1986; Spigel &
Imberger, 1987) con especial incidencia en el
epilimnion.
El objetivo de este trabajo es el de poner de
relieve la forma en la que las condiciones
meteorológicas establecen unos patrones
de disipación de energía en forma de ondas
internas cuando los lagos y embalses están
estratificados. Una vez conocida la causa
de estas ondas internas es muy importante
seguir su evolución cuando se producen
cambios meteorológicos, en especial el paso
de frentes, y como tras un cierto tiempo de
estabilidad se restablecen las condiciones.

ÁREA DE ESTUDIO
El embalse de Sau está situado en la parte
central del río Ter, de 200 km de longitud,
nace en los Pirineos y desemboca en el NE
de España. Tiene una capacidad máxima
de 168 hm 3 , una superficie de 580 ha, 75
m de profundidad máxima y una cota
máxima de 426 m.s.n.m. Estos valores son
tan solo nominales ya que si tomamos como
referencia los valores medios del periodo 1965
a 2001 se producen variaciones importantes
respecto a los datos anteriores. Así el volumen
medio para el periodo considerado ha sido
de 114.5 hm 3 , la superficie de 459.31 ha y la
cota media 415.3 m.s.n.m. Más importante
que los valores medios es la gran variabilidad
interanual que puede presentar el embalse
con años como 1973, 1989 o 1998 en los que la
entrada de agua tan solo superó ligeramente
a los 200 hm 3 /año, mientras que otros, como
1972, 1977, 1982 o 1996 la entrada de agua
estuvo en torno a los 1000 hm 3 /año. Estas
fluctuaciones se deben al régimen nivopluvial
del río Ter, con caudales altos en los años
en los que las nevadas en la cabecera son
importantes y caudales muy bajos cuando los
aportes dependen tan solo de la lluvia de la
parte baja o media de la cuenca. En estas
condiciones el tiempo de residencia medio
del agua es de 90.5 días pero con un rango de
variación que oscila entre 45 días y 147 días.
La forma en que el agua entra en el embalse
es otra característica destacable ya que en la
zona mediterránea son frecuentes las lluvias
torrenciales de finales de verano a otoño. En
estos momentos el caudal del río puede llegar
a alcanzar 700 m 3 /s, mientras que el caudal
medio para el periodo 1965 a 1995 ha sido de
17 m 3 /s. Una de estas avenidas torrenciales,
como la de diciembre de 1996 puede aportar
hasta 60 hm 3 /día lo que representa el 35% del
volumen total de Sau.
La zona de estudio se ha centrado en la
parte final del embalse que va desde la presa
hasta 2.5 km hacia la cola. Esta zona de Sau
corresponde a la parte final del cañón por el
que circula el río Ter y es donde el embalse
se ensancha para formar el tramo de mayor
volumen (Fig. 1). En esta zona se encuentran
las estaciones 1 y 2 que cubren los extremos
de la cubeta principal de Sau.
33

MATERIAL Y METODOS
Los datos meteorológicos han sido registrados
mediante una estación Campbell Scientific
instalada en el tejado del club Náutico de
Sau situado a unos 200 m de la orilla y a 12 m
de altura de la superficie del agua cuando
el embalse se encuentra en su máxima
capacidad. De los diferentes datos registrados
por la estación en este trabajo se han utilizado
la velocidad y la dirección del viento mediante
un conjunto anemómetro-veleta RM Young
05103. Los datos se han recogido con una
periodicidad horaria a partir de mediciones
realizadas cada minuto.
Los perfiles de temperatura se han realizado
34
mediante una cadena de termistores TR 7
Aanderaa de 20 m de longitud equipada
con 10 termistores situados a intervalos de
2 m. También se han utilizado 2 cadenas
de sensores CTR 7 Aanderaa de 5 metros
de longitud equipada con 5 termistores
y 5 sensores de conductividad situados a
intervalos de 1 m de de distancia. Ambas
cadenas CTR 7 se han utilizado unidas para
formar una cadena de 10 m de longitud. En
todos los casos el sistema de registro de datos
se ha programado para medir un perfil de
temperatura de forma sincrónica cada hora.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Velocidad y dirección del viento
La situación del embalse en un valle que está
orientado en el sentido E-W y con un relieve
que se eleva entre 300 m y 400 m sobre la
cota media de Sau, es la que determina la
existencia de un ciclo diario de velocidad y
dirección del viento.
Como se puede ver en la figura 2, el día
medio mensual presenta un patrón horario
de velocidad que se mantiene durante todo
el periodo de máxima estratificación. Desde
media noche hasta las 6 de la mañana, hora
solar, la velocidad del viento se reduce a una
ligera brisa que no supera 1m/s, a partir de
esta hora y hasta las 16 h hay una incremento
progresivo de la velocidad del viento que
alcanza valores próximos a 3.5 m/s. Finalmente,
a partir de las 16 h y hasta medianoche el
viento va disminuyendo de velocidad hasta
alcanzar el valor mínimo nocturno, momento
en el que se inicia un nuevo ciclo diario.
Con respecto a la dirección del viento, la
figura 2 muestra que también existe un ciclo
diario muy marcado. Así desde media noche
hasta las 6 la dirección dominante es E-NE
que corresponde a vientos que provienen de
la zona costera situada a unos 100 km de la
presa. A partir de las 6 de la mañana y hasta
las 9 el viento rola rápidamente hacia el S-
SW y se mantiene en esta situación hasta las
14 h momento en el que vuelve a rolar hasta
retornar de nuevo a la dirección E-NE.
Como hay una clara componente
bidireccional E-NE y S-SW se puede combinar
velocidad y dirección del viento tomando de
forma arbitraria el valor de 1 para el viento
que sopla en dirección N-NE y -1 para el que lo
hace en sentido W-SW. En la figura 2 se puede
ver que cuando se combinan ambas variables
se produce una onda diaria de velocidad y
dirección del viento que, como se ha dicho
anteriormente, tiene una gran persistencia
cuando las condiciones meteorológicas son
estables. Por el contrario, el paso de frentes
altera este patrón forzando que la dirección
predominante de los vientos sea la misma
que la del frente.
Según el esquema de la figura 2 el ciclo diario
de velocidad y dirección del viento se reduce
a tres etapas largas con dos fases de transición
rápida entre ellas. De 24 h a 6 h sopla una
suave brisa marina que va de la presa a la
cola, E-NE. A partir de las 6 h y hasta las 8 h
se produce el primer cambio rápido en el
sentido del viento y sopla hacia la presa, S-SW,
y aumentando de velocidad hasta llegar a
las 12 h momento en que se invierte de nuevo
la dirección del viento que vuelve a soplar
desde la presa. Esta etapa, que dura hasta las
16 h da inicio a la tercera etapa larga del día
y se caracteriza por una reducción gradual
de la velocidad del viento hasta alcanzar el
mínimo diario a medianoche, momento en
que se inicia un nuevo ciclo.
Ondas internas a nivel del metalimnion
El viento al soplar sobre la superficie de Sau,
aporta energía para mover el agua hasta
una cierta profundidad que depende de la
resistencia del agua a ser desplazada. De
esta forma se establece la capa de mezcla
que tiene gran importancia en la distribución
vertical de los organismos y de algunos de
los procesos que ellos controlan, como la
producción y la respiración. En general, hay
un cierto consenso en establecer que este
límite acostumbra a estar relacionado con la
profundidad del epilimnion. No obstante,
35

hasta ahora se tendía a considerar que este
límite era la termoclina, mientras que en la
actualidad se tiende a ver al límite inferior del
epilimnion como un sistema multiestratificado
(Margalef, 1983, Imberger, 1998) en el que
una de las capas puede ser más importante,
la termoclina, pero en el que no faltan capas
similares de menor gradiente térmico que se
denominan estructuras térmicas secundarias.
Este es el motivo por el que el metalimnion
es un sistema multicapa con una intensa
dinámica producida por la combinación
de la resistencia a la mezcla, el elevado
gradiente térmico y la llegada de energía
cinética turbulenta por efecto del viento.
Si la energía que llega a estas capas no es
excesiva o el gradiente térmico de las capas
del metalimnion es elevada, parte de la
energía se invierte en pequeños movimientos
verticales del agua que cuando se estudian
en el tiempo presentan la forma de ondas
internas. Las características de estas ondas
dependen de la estabilidad térmica de
cada capa y se pueden definir mediante
la frecuencia de Brunt-Vaïsälä (Tritton, 1977;
Imberger, 1994; Salençon & Thebault, 1997),
36
(1)
donde ρ es la densidad del agua, g la
constante gravitacional y z el espesor de la
capa de agua.
Según el esquema que se acaba de explicar
un sistema multicapa es en realidad un
sistema oscilatorio en el que se generan
ondas cuya frecuencia está definida por el
gradiente de densidad de cada capa. Si la
estabilidad es nula, o lo que es lo mismo no
hay diferencias de densidad a lo largo de la
columna de agua, la estabilidad térmica es
nula, N vale 0, y por ello no hay oscilaciones
sino mezcla de toda la columna de agua
desde la superficie al fondo. Por el contrario,
si hay capas con gradientes de densidad
importantes, p.e. la termoclina, estas capas
ofrecen una resistencia a la mezcla y, a lo
sumo oscilan según una frecuencia que esta
definida por el valor de N.
El viento es la fuente de energía cinética
turbulenta más importante de un sistema
acuático como el embalse de Sau. Las
oscilaciones que se pueden encontrar en
las capas del metalimnion han de reflejar la
frecuencia e intensidad del viento al soplar
en la superficie del embalse.
Como se ha comentado en el apartado
anterior, el viento que sopla en Sau sigue un
patrón muy marcado de velocidad y dirección
(Fig. 2), que, como es de esperar, tiene su
reflejo en el metalimnion. Los datos recogidos
mediante cadenas de termistores situados
en las estaciones 1 y 2 durante las fases en
las que el embalse está estratificado, reflejan
en realidad las ondas correspondientes a los
gradientes de densidad.
En la figura 3 se puede ver la evolución horaria
de la temperatura de la zona epilimnionmetalimnion
desde el 11 al 19 de Mayo de 1999
en las estaciones 1 y 2 de Sau. En primer lugar
destacan las ondas internas producidas por
la energía cinética turbulenta que llega a las
diferentes capas y que presentan una clara
periodicidad de 24 horas y a continuación
ondas de mayor frecuencia. Si se comparan
los perfiles obtenidos en las dos estaciones se
puede observar que presentan periodos de
oscilación inversos lo que indica que en entre
ellas se están produciendo secas internas en
respuesta al ciclo diario de viento. Así, durante
la noche los vientos E-NE desplazan el agua
superficial desde la presa, estación 1 a la
cola, estación 2, provocando un hundimiento
de la termoclina en esta última estación y
su subida en la estación opuesta. Durante el
día, con vientos S-SW, se produce la situación
inversa, con un descenso de la termoclina en
las proximidades de la presa y su elevación en
el lado opuesto del embalse (Fig.4).

En la figura 5 se muestra otro ejemplo de la
relación existente entre la onda generada por
el viento y las oscilaciones del metalimnion.
En dicha figura, que muestra la evolución
horaria de la temperatura del agua, se ha
superpuesto la onda de viento generada
según el apartado anterior y figura 2 con
la isoterma de 22 mostrando un elevado
grado de superposición entre las oscilaciones
seguidas por ambas curvas. Esta situación
indica claramente que tanto las oscilaciones
de periodo largo del metalimnion como las
menores son el resultado del efecto del viento
transmitiendo sus cambios al agua a través de
la entrada de energía cinética turbulenta.
El paso de frentes como alterador de las
ondas internas.
La situación que se acaba de explicar en
el apartado anterior corresponde a lo que
podríamos considerar como una situación
meteorológica estacionaria, en la que el
patrón de vientos es el habitual de S-SW a E-
NE. No obstante, el paso de frentes, cálidos
o fríos altera dicho patrón ya que durante
su paso fuerza la dirección de los vientos en
el sentido del desplazamiento del frente. En
estas condiciones se produce una entrada
mayor de energía cinética turbulenta, que
mezcla el agua y rompe algunas de las
capas con lo que se produce un cambio de
temperatura, primero un calentamiento por
el transporte hacia el fondo de agua caliente
más superficial y luego un enfriamiento con la
subida de agua profunda hacia la superficie.
En la figura 6 se pueden ver los datos
meteorológicos correspondientes al periodo
11 a 19 de Mayo de 1999 y que corresponde
también, a los datos de temperatura del
agua que se muestran en la figura 3. Como se
puede comprobar el día 16 se inició el paso
de un frente frío con una bajada de la presión
atmosférica que produjo lluvias a finales del
día 17 y cambió totalmente el patrón de
vientos de los días anteriores. Como se puede
ver en la figura 3 a partir del día 16 se pierde
la regularidad de las fluctuaciones diarias
y hay un hundimiento de las isotermas más
superficiales lo que significa más turbulencia
que mezcla el agua superficial con la de las
capas inferiores.
Este patrón se repite cada vez que pasa un
frente tal y como se puede ver en la figura 7
que muestra la evolución de la temperatura
en la estación 2 del 13 al 27 de Mayo de 1999.
En este caso se puede ver como después del
paso de un frente la situación estacionaria
con oscilaciones periódicas de 24 horas se
restablece rápidamente. Como se puede
ver en la figura 7 el paso del frente se inició
con una bajada de la presión atmosférica
el 13 de mayo y finalizó el 20 del mismo mes.
Durante estos días se produjeron lluvias diarias
y el patrón de vientos fue totalmente irregular
respecto a la situación posterior al paso del
frente. La evolución del perfil de temperatura
fue igual que el de la figura 3, así en los 3
primeros días, del 14 al 17, hay un hundimiento
de las isotermas lo que indica transporte de
calor hacia el fondo y a partir de día 17 se
invierte la evolución anterior y las temperaturas
descienden por la mezcla del agua superficial
y la profunda más el enfriamiento superficial
por el descenso de la temperatura del aire y
de la radiación solar. El día 19 puede darse
por acabado el paso del frente y de nuevo
se restablecen las condiciones de estabilidad
en el régimen de vientos. Como se puede
ver por la evolución de las isotermas de 15º
y 17º de la figura 7, el restablecimiento de las
condiciones meteorológicas se hace sentir
muy rápidamente en el agua ya que a partir
del día 21 se forman nuevamente oscilaciones
cíclicas de 24 horas de periodo y con un ligero
calentamiento progresivo como corresponde
a esta fase de inicios de verano.
Se ha insistido en que el paso de frentes
supone una entrada de energía cinética
turbulenta que mezcla agua de la zona del
epilimnion con la del metalimnion y una de las
consecuencias de este efecto es el bombeo
de agua fría hacia la superficie. En un periodo
37

en el que el sistema ya está estratificado
las capas más superficiales tienen bajas
concentraciones de nutrientes, generalmente
fósforo, que limitan la producción primaria
y una de las consecuencias de esta subida
de agua profunda es el aporte de nutrientes
(Stumm, 1985) y la reactivación de la
producción (Reynolds, 1994).
La termoclina diaria.
Las termoclinas diarias se basan en el
calentamiento y enfriamiento de las capas más
superficiales del agua como consecuencia
de los cambios diarios en la cantidad de
energía radiante, solar y de onda larga, que se
acumulan o intercambian con la atmósfera.
Como la energía radiante tiene un coeficiente
de absorción muy elevado en el agua, se
acumula en las capas más superficiales
produciendo un rápido calentamiento a lo
largo de las horas de luz y de temperatura del
aire elevada. De no mediar el efecto de la
turbulencia introducida por el viento, los lagos
y embalses estarían fuertemente estratificados
a partir de unos pocos centímetros a partir
de la superficie. Esta situación no se produce
gracias a que el viento introduce energía
cinética turbulenta, que a medida que mezcla
el agua trasporta calor hacia las capas más
profundas. Cuando el viento no es muy fuerte
predomina el calentamiento superficial y se
crean gradientes de temperatura a muy poca
profundidad.
Como se acaba de ver las termoclinas diarias
se forman como resultado de dos efectos
contrapuestos, la entrada de radiación
calórica y la de energía cinética turbulenta.
Teniendo en cuenta las ecuaciones de
Navier-Stokes, esta relación se puede resumir
sucintamente, a las escalas temporal y
espacial adecuadas, en el cociente entre los
términos que hacen aumentar la estabilidad
térmica diaria de la columna de agua y los
que tienden a aumentar la velocidad de
mezcla vertical del agua. Esta relación se
puede expresar mediante el número de
38
Richardson,
(2)
donde el numerador es el cuadrado de
la frecuencia de Brunt-Väisälä, N 2 , (1) y el
denominador es una función que expresa
el gradiente superficial de la velocidad del
agua en función de la velocidad del viento u.
Dicha velocidad del agua, “wind stress”, u*, se
calcula a partir de la velocidad del viento, u 10 ,
mediante la ecuación,
(3)
donde, ρ a es la densidad del aire, se considera
aproximadamente constante e igual a 1.23 kg/
m 3 , ρ w es la densidad del agua, que también
se considera aproximadamente constante e
igual a 1000 kg/m 3 . C d es un coeficiente de
rozamiento que depende de la rugosidad
de las superficie según el oleaje, “drag
coefficient”, y para vientos superiores de 5 m/
s se considera que su valor oscila muy poco
alrededor de 1.3·10 -3 por lo que, a efectos
de cálculo se considera constante (Fischer
et al., 1979). Finalmente, u 10 es la velocidad
del viento medida a 10 m por encima del
agua. Para conocer si una capa de agua
esta mezclada o no la relación límite de Ri se
establece en 0.25 (Wetzel, 1983) , valor por
encima del cual se considera que persiste
la estratificación, estabilidad, mientras que
si es menor se considera que las condiciones
favorecen la mezcla, inercia.
El número de Reynolds ha sido recientemente
criticado (Imberger & Parker, 1985; Imberger,
1998) por lo que respecta a las aguas
superficiales ya que no tiene en cuenta

las dimensiones del sistema considerado.
Para corregir este efecto se utiliza una
aproximación similar, conocida como número
de Wedderburn,
(4)
que como se indica, es en realidad el número
de Richarson (Ri) multiplicado por h, que
es el grosor de la capa de agua de mezcla
considerada y L, que es la distancia sobre
la cual puede actuar el viento de forma
continuada y en contacto con la superficie
del agua, que también se denomina “fetch”.
De forma general, W es una estimación del
tipo de perturbación que se puede producir
a nivel de la termoclina como resultado del
trabajo efectuado por el viento. Al igual
que en el caso de Ri hay unos límites en los
valores de W que definen las condiciones
de mezcla o estratificación en la capa más
superficial del agua. Así para valores de W
mayores de 10 la termoclina es muy estable
y no se destruye por lo que se mantiene las
condiciones de estratificación. Si W tiene
valores entre 3 y 10 se puede decir que a
nivel de la termoclina diaria llega suficiente
energía cinética turbulenta como para
producir inestabilidades, ondas de Kelvin-
Helmholtz, pero sin que se produzca la rotura
de la termoclina diaria. Si los valores de W
son menores de 3 hay condiciones de mezcla
entre el agua superficial caliente y la situada
debajo de la termoclina diaria. Por último si W
es menor de 1 la cantidad de energía cinética
turbulenta que llega a nivel de la termoclina
es muy elevada y se produce una mezcla del
agua rápida y completa. Como se puede ver,
desde el punto de vista biológico la situación
más interesante es aquella en la que W es
menor de 3 ya que, a partir de este valor, hay
un bombeo de nutrientes hacia la superficie
y aumenta la capa de mezcla respecto a
la capa fótica, situación que favorece el
desarrollo del fitoplancton.
En la figura 5 se puede ver un ejemplo
de formación de termoclinas diarias en la
estación 1 de Sau durante los días 21 a 27 de
Julio de 2000. En concreto durante los días 22
a 27 se forma una termoclina diaria desde
primera hora del día con la salida del sol y
persiste hasta pasada medianoche gracias
a que en Sau las brisas nocturnas son muy
suaves, 0.9 m/s. Durante la mayor parte de
este periodo la termoclina alcanzó los 5.6 m
de profundidad. El día 26 tan solo se formó
una termoclina diaria de poca duración
debido a que el viento fue un poco más fuerte
que en los días anteriores y mezcló el agua
superficial caliente con la fría y no dejó que
se produjera una estratificación superficial
importante. En la figura 5 se ha superpuesto los
valores de Nº de Weddenburg a las isotermas
correspondientes a las termoclinas diarias
para el periodo señalado. Como se puede
ver la curva correspondiente a la isoterma de
24º y la correspondiente a la evolución horaria
de W tienen un comportamiento opuesto ya
que en los momentos de mayor estabilidad
de la termoclina, la segunda mitad del
día, es cuando W alcanza los valores más
elevados, mientras que los valores bajos de W
corresponden con los momentos en los que
hay un enfriamiento del agua superficial y
predomina la mezcla por efecto del viento.
La información meteorológica como una
base para la gestión a corto plazo de los
embalses.
Como se acaba de mostrar existe una clara
relación entre las condiciones meteorológicas
a escala horaria y la evolución térmica del
embalse de Sau a escala diaria. Cuando
el embalse se encuentra estratificado, las
diferentes capas son barreras que impiden el
retorno de los nutrientes que van precipitando
o sedimentando hacia el hipolimnion con lo
que hay un claro descenso
39

en la producción primaria en el transcurso del
paso de primavera a verano. Estos cambios
van acompañados de una evolución de las
comunidades planctónicas que se adaptan
a esta sucesión temporal (Margalef, 1983;
Sommer et al., 1986; Reynolds, 1994). Esta
sucesión estacional se ve continuamente
alterada por pequeñas modificaciones en la
concentración de nutrientes (Stumm, 1985),
en la estructura de la comunidad (Reynolds,
1994) y en la producción primaria (Cullen
& Lewis, 1988), que ahora se empiezan a
asociar al incremento de la turbulencia en
las capas más superficiales de los sistemas
lacustres (Spigel & Imberger, 1987). Entre las
causas del incremento de la turbulencia esta,
como se ha visto en el caso de Sau, el paso
de frentes con bajadas de temperatura, con
entradas de energía calórica en el agua y
con cambios en la velocidad y dirección del
viento (Imberger & Patterson, 1990; Imboden
et al., 1995). El conocimiento de la relación
existente entre procesos físicos, químicos y
biológicos y condiciones meteorológicas es
la base para el desarrollo de herramientas
que permitan predecir el funcionamiento de
los ecosistemas lacustres en general, y de los
embalses en particular. Dichas herramientas
son los modelos numéricos de complejidad
variable que permiten el desarrollo de sistemas
de gestión (Hamilton & Schladow, 1997) y que
van desde ecuaciones empíricas sencillas
a modelos de sistemas multidimensionales
(Zimmerman, 1984; Straskraba, 1984). Sin
necesidad de llegar a una modelización más
o menos compleja, el simple conocimiento
de las relaciones entre las condiciones
meteorológicas y los procesos a corta escala
de tiempo, es en sí mismo una herramienta
de gestión importante. Para centrar el tema
en el embalse de Sau, el conocimiento de la
existencia de secas internas asociadas a la
estabilidad meteorológica permite deducir
40
cuales son los mejores momentos del día
para extraer el agua del embalse. Sau es un
embalse eutrófico (Vidal & Om, 1993, Armengol
et al., 1999) como consecuencia durante
los meses de primavera y verano, existe un
hipolimnion anóxico con una elevada carga
de nutrientes, nitrógeno amoniacal, metales
pesados disueltos y materia orgánica. En
estas condiciones, la utilización del agua
del hipolimnion para el suministro de agua
potable a Barcelona encarece en proceso
de tratamiento e incrementa el riesgo de
producir agua de mala calidad. Cuando se
sabe que durante la noche el metalimnion
asciende en la zona de la presa, en la que
se encuentra la torre de toma de agua (Fig.
4) y existe el peligro de bombear agua del
hipolimnion hacia la planta potabilizadora, el
simple cambio en los horarios de extracción
del agua del embalse es un elemento
importante para la mejora de la calidad del
agua suministrada. Sau es el embalse de
cabecera de una cadena de tres embalses,
esta situación permite una gestión conjunta de
la serie de embalses de tal forma que cuando
pasa un frente susceptible de provocar
crecimientos puntuales de fitoplancton se
puede parar la extracción de agua de los
embalses afectados sin que el suministro de
agua resulte afectado. Muy posiblemente
la aplicación de modelos puede dar lugar
a criterios de gestión más generales, pero
cuando se tiene un conocimiento detallado
del funcionamiento de un embalse concreto,
resulta mucho más sencillo de establecer y
aplicar unas normas empíricas específicas
que puedan ser aplicados por personal no
especializado. La información obtenida en
el embalse de Sau permite establecer este
tipo de criterios como una primera fase
para el desarrollo de criterios de gestión del
embalse.

AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer la colaboración
de M. A. Gallegos, M. Comerma y Rafael
Marcé en el trabajo de campo. El estudio
limnológico de Sau forma parte de un
proyecto a largo término financiado por
la empresa de abastecimiento Aigües Ter-
Llobregat. El proyecto ha sido parcialmente
financiado por el Ministerio de Ciencia y
Tecnología (Proyectos REN2001-2185-CO2-O1
y O2). Uno de los autores Luciano Caputo están
disfrutando de una beca FPI del Ministerio de
Ciencia y Tecnología. Finalmente, los autores
desean agradecer la ayuda de la Comissió
Interdepartamental de Ciència y Tecnologia
(CIRIT) de la Generalitat de Catalunya
(2001SGR104 y 2001SGR244).
41

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42
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43

Fig. 1: Situación geográfica del embalse y de las estaciones de muestreo. Las cadenas de
termistores se han situado en las estaciones 1 y 2.
44

Fig. 2: Ciclo diario de viento en el embalse de Sau. En las figuras superiores se muestra el ciclo
de velocidades, mientras que en el intermedio se muestra el ciclo de direcciones y en la inferior
una combinación de dirección y viento. En la grafica interior se ha considerado que los vientos
de dirección E-NE tienen valor positivo, +1, mientras que los que vienen del W-SW tienen valor
negativo, -1, de esta forma se obtiene una onda de viento que describe bastante bien las
ondas internas de la zona del metalimnion.
45

Fig. 3: Evolución horaria de la temperatura entre los días 11 a 19 de Mayo de 1999. En la parte
superior las temperaturas correspondientes a la estación 1 y en la inferior las de la estación
2. Se puede observar que las oscilaciones de las ondas internas tienen un comportamiento
opuesto lo que indica que hay secas internas a nivel de las capas con un mayor gradiente de
densidad tal y como se muestra en la figura 4.
46

Fig. 4: Representación esquemática de las oscilaciones diarias del metalimnion de Sau en
función del régimen de vientos que sopla a lo largo de su eje principal.
47

Fig. 5: Evolución diaria de la temperatura del agua entre los días 20 a 27 de Julio en la estación
1 del embalse de Sau. En la línea gris inferior se han superpuesto las ondas generadas por
el viento, tal y como se muestra en la figura 2, a la isoterma de 22º para mostrar el elevado
grado de superposición que hay entre ambas. En la curva gris superior se muestra la evolución
horaria de los valores del nº de Wedderburn, que en este caso se ha superpuesto a la isoterma
de 24º que se ha considerado como representativa de la termoclina diaria.
48

Fig. 6: Evolución horaria de diferentes variables meteorológicas para el periodo 11 a 19 de Mayo
de 1999 y que se corresponde con la evolución de la temperatura del agua que se muestra
en la figura 3. Como se puede ver, a partir del día 16 se produjo el paso de un frente, bajas
presiones, descenso de la temperatura y lluvias en el día 18. El régimen de vientos se modifico
respecto a los de los día anteriores en que la situación era estacionaria y se modificó el ritmo
de las oscilaciones del metalimnion coincidiendo con los días de mal tiempo (Fig.3).
49

Fig. 7: Evolución de las variables meteorológicas y de la temperatura del agua en la interfase
epilimnion metalimnion en la estación 2 del embalse de Sau del 13 al 27 de Mayo de 1999. Se
puede observar como el paso de un frente frío durante los día 13 a 19 modifico el ritmo de las
oscilaciones diarias que se produce en condiciones de estabilidad meteorológica. En este
periodo se produce primero un transporte de agua caliente hacia el fondo, hundimiento de
las isotermas y a continuación un enfriamiento por mezcla con el agua bombeada desde las
capas más profundas, subida de las isotermas. Inmediatamente después del paso del frente se
restablece el ritmo de las oscilaciones con un periodo de 24 horas indicando que se trata de
un sistema con una gran capacidad de respuesta frente a las condiciones atmosféricas.
50