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La ingeniería costera es un tipo de ingeniería altamente especializada que está diseñada para abordar tanto los cambios naturales como los provocados por el hombre en las zonas costeras.
Una solución de ingeniería costera bien considerada puede proporcionar la protección estructural y no estructural contra los cambios costeros, y puede maximizar los efectos beneficiosos al tiempo que minimiza los impactos adversos de las posibles soluciones a las áreas problemáticas en una línea de costa.
La ingeniería costera implica una aplicación tanto de la ciencia física como de la ingeniería, y requiere un conocimiento profundo de la zona en cuestión para comprender plenamente la naturaleza y la complejidad del problema en cuestión.
En Estados Unidos hay más de 84.240 millas de costa, de las cuales aproximadamente el 41 por ciento están expuestas al océano abierto y el resto están protegidas por bahías, estuarios y lagunas.
Las vastas costas de Estados Unidos varían considerablemente en cuanto a sus características, con costas rocosas en Nueva Inglaterra, marismas en la región del Atlántico Medio, acantilados costeros en California y actividad post-volcánica en el Pacífico Norte y Alaska.
La gran variación en los tipos de costas americanas demuestra la necesidad de un estudio en profundidad antes de emprender un proyecto de ingeniería costera.
Las playas y las costas tienen ciertas defensas naturales contra la erosión causada por las olas, las corrientes y las tormentas. Esto incluye un fondo inclinado cerca de la costa, que hace que las olas rompan mar adentro, disipando su energía sobre la zona de oleaje. Otras formas de protección pueden ser las dunas protectoras y las bermas de playa que se forman con el tiempo debido a la acción del viento y del agua.
Sin embargo, con el paso del tiempo, el desarrollo realizado por el hombre a lo largo de las playas y las costas ha dañado muchas de estas protecciones naturales contra la erosión.
Además, el uso de las vías fluviales con fines de transporte ha desviado el flujo natural de agua que puede acelerar el ritmo de la erosión. La pérdida potencial de terreno debido a la erosión de las tormentas, las olas y las corrientes puede causar importantes pérdidas monetarias a los propietarios e inversores.
Un ingeniero costero puede desarrollar a menudo soluciones para ayudar a prevenir o reducir el riesgo de erosión en estas áreas. Para ello, un ingeniero debe comprender no sólo los principios básicos de la ingeniería, sino también las fuerzas naturales que causan la erosión en primer lugar.
Un proyecto de ingeniería costera se desarrolla en tres fases.
En primer lugar, un ingeniero debe realizar un estudio para comprender el sistema físico en juego en la línea de costa, y la respuesta del litoral a estas fuerzas.
En segundo lugar, el ingeniero debe diseñar obras costeras que cumplan los objetivos del proyecto y que estén dentro de los límites de un impacto costero aceptable.
En tercer lugar, el ingeniero debe supervisar la construcción de las obras costeras y vigilar su rendimiento para garantizar un desempeño adecuado.
En este artículo se analizarán las dos primeras fases: el estudio de la línea de costa y el examen de las opciones para los proyectos de obras costeras.
Primera fase: estudio de la línea de costa
Antes de comenzar cualquier trabajo en un proyecto de ingeniería costera, el ingeniero debe realizar primero un estudio exhaustivo de la línea de costa en cuestión para comprender plenamente la dinámica de los elementos implicados.
Los proyectos costeros son únicos porque implican la intersección de aire, tierra y agua, con condiciones que cambian frecuentemente. Un ingeniero debe observar cada elemento, incluyendo el océano y la playa, así como la forma en que la playa responde a diversos eventos, como las tormentas, para obtener una comprensión de cómo diseñar el proyecto de obras costeras.
Como cuestión inicial, el ingeniero debe investigar el rango de mareas para la ubicación geográfica específica. Esta información puede ayudar a un ingeniero a entender el nivel al que las olas golpearán la playa.
De forma similar, la información sobre las corrientes y el oleaje puede informar sobre cómo el agua se acumula contra la tierra o cómo el agua surgirá durante una tormenta.
A continuación, los ingenieros deben examinar la propia playa para determinar el tipo de sedimento presente y la pendiente de la playa. Estos factores son una consideración importante en la construcción de un proyecto de obras costeras.
Por regla general, las partículas de arena más grandes tienden a encontrarse en las playas más empinadas, mientras que las playas de pendiente suave tienden a tener granos de arena más finos.
Los ingenieros también deben tener en cuenta las diversas protecciones naturales que puede tener una zona costera.
Las islas de barrera son una forma importante de protección física para ciertas costas, en particular a lo largo de la costa atlántica al sur de Long Island. En teoría, estas islas protegen al continente de las olas; sin embargo, muchas se han desarrollado tanto que sus propias costas pueden necesitar también protección.
Las lagunas son masas de agua poco profundas que separan una playa de barrera del continente. Las lagunas están conectadas al océano por una ensenada.
Estas ensenadas pueden proporcionar un paso de navegación hacia el mar y pueden permitir que el material de la playa eliminado por las tormentas sea llevado de nuevo al mar. Las condiciones cambiantes pueden hacer que ciertas ensenadas se cierren mientras se abren otras nuevas.
A través de la investigación, los ingenieros observarán la respuesta histórica de las playas a las condiciones cambiantes. Las costas tienen dos respuestas dinámicas principales al mar: una respuesta a las condiciones normales y una respuesta a las condiciones de tormenta.
Durante las condiciones normales, la energía de las olas del océano suele ser disipada por las defensas naturales de la playa, como los fondos inclinados cercanos a la costa y el desarrollo de dunas protectoras naturales.
Sin embargo, durante las tormentas, la energía masiva de las olas a menudo requiere que las playas sacrifiquen grandes cantidades de costa. Esto puede dar lugar a una pérdida permanente de terreno.
Durante las tormentas, los fuertes vientos generan olas altas y empinadas, y pueden dar lugar a mareas de tempestad que permiten que las olas golpeen partes de la playa que normalmente no están expuestas al agua.
Estas olas pueden entonces erosionar la playa, la berma y, a veces, las dunas, arrastrando material hacia el fondo cercano a la costa hasta que se forma una barra en alta mar. Esta barra servirá entonces para romper las olas más allá de la costa, protegiendo en última instancia la playa.
En tormentas severas, como los huracanes, no es inusual que los altos niveles de agua de las mareas de tormenta erosionen toda o parte de una duna en cuestión de horas. La playa sacrifica esencialmente parte de la playa y de la duna para construir una barra en la costa, impidiendo una mayor erosión.
Con el tiempo, la playa que fue erosionada por una tormenta puede ser devuelta por las olas. Sin embargo, la pérdida de terreno puede ser permanente, sobre todo si la tormenta fue especialmente violenta o la erosión fue importante.
Los ingenieros también deben tener en cuenta lo que se conoce como transporte de arena a lo largo de la costa, que es el movimiento de sedimentos tanto en paralelo como en perpendicular a la costa. Es el resultado de la agitación del sedimento por las olas que rompen y el movimiento de este sedimento por la energía de las olas y la corriente.
El sedimento que se mueve de esta manera se conoce como materia litoral. Puede variar considerablemente según la estación, el día e incluso la hora. En zonas con ensenadas e islas de barrera, el transporte litoral puede interrumpirse, atrapando la arena en lagunas.
La estabilidad del litoral es uno de los principales objetivos de un proyecto de ingeniería costera. Se considera que una playa es estable cuando las tasas de suministro y pérdida de arena a largo plazo son iguales.
Hay muchas fuerzas que pueden contribuir a la erosión de la línea de costa y a la pérdida de arena, cada una de las cuales debe ser considerada por un ingeniero costero antes de embarcarse en un proyecto.
Esto puede incluir causas naturales, como el aumento del nivel del mar, la variabilidad en el suministro de sedimentos, las olas de las tormentas, el sobrelavado de las olas y las mareas, la deflación, el transporte de sedimentos a lo largo de la costa y la clasificación de los sedimentos de la playa.
También puede ser causada por el ser humano, lo que puede ocurrir debido al hundimiento de la tierra por la eliminación de los recursos del subsuelo, la interrupción del material en el transporte, la reducción del suministro de sedimentos, la concentración de la energía de las olas en las playas, el aumento de la variación del nivel del agua, el cambio en la protección costera natural, o la eliminación del material de la playa.
Cada uno de estos factores debe tenerse en cuenta al estudiar una línea de costa en previsión de un proyecto de ingeniería costera.
Segunda fase: Diseño de las obras costeras
Una vez completado el estudio de la línea de costa, un ingeniero costero debe considerar a continuación el tipo de proyecto de obras costeras apropiado para la zona.
Si bien las características naturales, como las dunas y las bermas de la playa, pueden proporcionar un cierto nivel de protección, cuando han sido erosionadas por las tormentas o disminuidas por el desarrollo hecho por el hombre, sin las obras costeras, las olas y las mareas de tormenta pueden dañar la playa, la propiedad frente al mar y más allá.
La primera solución que muchos ingenieros de costas consideran para la protección de la costa son las protecciones casi naturales, como la construcción de dunas de arena de forma artificial o la alimentación de la playa.
Estos métodos pueden ayudar a retener la propia playa, disipar la energía de las olas y restaurar la duna como defensa contra las mareas de tempestad y las olas.
La alimentación de la playa tiene la ventaja añadida de ensanchar la propia playa, aumentando su valor recreativo.
Sin embargo, estas opciones son sólo arreglos temporales y no serán soluciones viables para la erosión a largo plazo causada por el aumento del nivel del mar o la disminución del suministro de sedimentos en el sistema litoral.
En caso de que sea necesaria una solución más permanente a la erosión para proteger los desarrollos costeros, deben construirse estructuras artificiales.
Estos proyectos se dividen en dos categorías: (1) estructuras diseñadas para evitar que las olas lleguen a una zona portuaria, como mamparos, diques, revestimientos o rompeolas, y (2) estructuras utilizadas para evitar el transporte a lo largo de la costa de la deriva litoral, como espigones y muelles.
La primera categoría de estructuras se construye en tierra para proporcionar protección a la playa superior que hace frente al desarrollo de la costa o a los acantilados erosionables.
Los mamparos y las barreras marinas tienen diseños similares pero varían en cuanto a su propósito.
Los mamparos están diseñados principalmente para resistir las olas y retener algo de suelo, mientras que las barreras marinas están diseñadas principalmente para retener el suelo y también para resistir las olas. Pueden construirse con acero, madera, pilotes de hormigón, gaviones o montículos de escombros.
Los mamparos no proporcionan suficiente protección para los lugares expuestos al océano debido a la erosión de la costa y el flanqueo. Los mamparos deben combinarse con otros tipos de protección o ampliarse en un dique de contención para soportar las olas directas.
Los diques de contención pueden tener caras verticales, curvas, escalonadas o inclinadas. Aunque los malecones protegen las tierras altas, pueden crear un problema a nivel local, ya que las fuerzas descendentes pueden eliminar la arena delante del muro. Los delantales de piedra pueden evitar el exceso de socavación.
Los revestimientos suelen estar formados por una o más capas de piedra de cantera o unidades de armadura de hormigón prefabricado con una capa de filtro que se superpone a un talud de suelo graduado in situ.
La finalidad de un revestimiento es proteger la cara del talud existente de una duna. No son una estructura de contención, sino que sirven como una especie de armadura para una duna o un terraplén más estable.
Los revestimientos tienen un efecto menos adverso sobre la playa que un mamparo vertical porque su cara inclinada puede disipar la energía de las olas.
Los diques de contención son barreras diseñadas para proteger cualquier forma terrestre o zona acuática de las olas mediante la absorción de su energía. Debido a que estas estructuras se construyen en alta mar, su coste es mayor que el de las estructuras en tierra, como los diques, y se utilizan principalmente para la protección de los puertos y la navegación.
Los rompeolas pueden construirse de varias formas, entre ellas, paralelos a la orilla, separados y segmentados. Los rompeolas se construyen normalmente con secciones de escombros con piedra de blindaje que encierra capas inferiores y material de núcleo.
De cualquier manera que se construyan, pueden reducir el transporte de sedimentos a lo largo de la costa, lo que da lugar a la acumulación de arena y a la erosión de la playa.
El bombeo de arena desde donde se ha acumulado hasta la playa erosionada ha sido una forma en que los ingenieros costeros han tratado este problema.
La segunda categoría de estructuras está diseñada para impedir el transporte de sedimentos a lo largo de la costa.
Esto incluye las espigones, que son estructuras de barrera que se extienden desde la orilla hasta la zona litoral.
Los espigones suelen construirse en serie a lo largo de la playa que hay que proteger, para modificar el movimiento de la arena, con el objetivo final de acumular arena en la orilla o impedir su pérdida.
Las dunas tienen el potencial de impactar negativamente en otras playas, ya que la arena atrapada no estará disponible para ellas, por lo que a menudo será necesario colocar arena artificialmente para prevenir el daño y la erosión de esa línea de costa.
Las dunas pueden construirse utilizando madera, acero, hormigón o piedra de cantera, y se clasifican, como altas o bajas, largas o cortas, permeables o impermeables, o, fijas o ajustables.
Los diques se utilizan en las ensenadas para proteger a las embarcaciones de las fuerzas del oleaje, controlar el movimiento de la arena a lo largo de las playas para evitar que se acumule en el canal, y estabilizar la posición del canal de navegación.
Los diques se requieren con frecuencia en ambos extremos de una ensenada para proteger un canal y evitar que se llene de arena debido al transporte marítimo.
Pueden construirse con diversos materiales, como madera, acero, hormigón o piedra de cantera.
Al igual que los espigones, los espigones pueden causar un impacto adverso en las playas a la deriva al impedir el transporte de arena a lo largo de la costa. Para minimizar la erosión de estas playas, algunos proyectos prevén el bombeo de arena desde el espigón hasta la playa a la deriva.
Típicamente, los proyectos de obras costeras se diseñan mejor como proyectos integrales a gran escala. La protección de lotes individuales o proyectos más pequeños tiende a fracasar, ya que la línea de costa adyacente seguirá erosionándose. Las medidas de protección parciales pueden, de hecho, acelerar esta erosión.
Una acción coordinada en un área regional es más eficiente, efectiva y económica.
La importancia de los proyectos de ingeniería costera
Conservar la arena mediante proyectos de ingeniería costera bien planificados es vital para preservar las playas y proteger la propiedad y las inversiones a lo largo de las costas de todo Estados Unidos.
Aunque las playas tienen un cierto grado de protección natural contra la erosión, las tormentas y los desarrollos creados por el hombre pueden provocar el retroceso de las playas y un alto potencial de daños a las viviendas, los negocios y las infraestructuras en caso de tormenta.
La ingeniería costera puede resolver muchos de estos problemas a través de proyectos estratégicos como dunas de arena artificiales, diques, revestimientos, rompeolas, espigones, espigones y mamparos.
Estos proyectos son complejos. Requieren un conocimiento profundo tanto de los principios de la ingeniería como de la ciencia que hay detrás de cómo y por qué se produce la erosión en un lugar concreto.
Después de un cuidadoso estudio y proceso de diseño, un proyecto de obras costeras puede ayudar a prevenir la erosión y proteger tanto la playa como las propiedades de una región costera.
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