El Río Paraná: geomorfología y morfodinámica de barras e islas en un gran río anabranching

Abstract

En los últimos años se propuso una nueva categoría para los ríos con caudal medio anual superior a los ~17,000m3/s, la de los mega-ríos (Latrubesse, 2008), que incluye a los nueve sistemas fluviales más grandes de la Tierra, entre los cuales se encuentra el río Paraná. Estos mega-ríos tienen en común su patrón anabranching, caracterizado por la existencia de brazos entre islas aluviales, cuyos distintos estilos varían de acuerdo a la longitud, sinuosidad y cantidad de brazos, la complejidad morfológica de las islas, etc. Las islas, un elemento característico de este patrón, son geoformas vegetadas, estables, que no se ajustan con la variabilidad del escurrimiento anual y dividen al flujo hasta el caudal de cauce lleno (Nanson y Knighton, 1996). Los procesos involucrados en la generación de los diferentes estilos de patrón anabranching todavía no se han comprendido exhaustivamente; en principio, por la falta de observaciones sistemáticas sobre sus particularidades en los prototipos. En el caso del río Paraná, éste fue clasificado como un anabranching moderado a bajo, por la cantidad de brazos, la baja sinuosidad, y la tendencia al entrelazamiento (Latrubesse, 2008), con un thalweg bien definido y continuo en la dirección del escurrimiento, sinuoso a meandriforme (Ramonell et al., 2000). En tal marco, el presente trabajo de tesis doctoral propone contribuir al conocimiento sistemático e integral de las islas y los bancos de arena del tramo medio del río Paraná, que se extiende entre inmediaciones de la ciudad de Corrientes (27º28’ S) y Rosario (32º57’ S), con una longitud de cauce de más de 700 km. El estudio involucra un análisis evolutivo de las transformaciones de estas geoformas a través del tiempo, los mecanismos y condiciones para su formación, la relación existente entre los procesos actuantes y las características geomorfológicas y sedimentarias resultantes, y la interacción entre el flujo de agua y los sedimentos vinculados a la supervivencia de los bancos e islas dentro del cauce. Se realiza, además, una descripción de las características hidráulicas y del transporte de sedimentos en un segmento reducido del tramo, en torno a islas de dimensiones comunes en el cauce principal. Los métodos y técnicas utilizados combinaron análisis cartográficos (cartas batimétricas antiguas y modernas, fotografías aéreas e imágenes satelitales), hidrológicos, geomorfológicos, sedimentológicos e hidráulicos del cauce principal. Los principales materiales y las labores realizadas consistieron en la elaboración de mapas geomorfológicos de detalle de las islas y de la evolución morfológica de todo el tramo medio, las descripciones sedimentológicas de bancos, islas y márgenes, y el análisis de registros de perforaciones. En un sector más reducido del río se realizaron cálculos de variación volumétrica, estimaciones del transporte de sedimentos y relevamientos hidráulico-batimétricos con ADCP y ecosonda. Las islas son, en particular, las morfologías dominantes del cauce principal en cualquier condición hidrométrica, mientras que los bancos son formas emergidas principalmente en aguas bajas, y, en menor medida, en medias-bajas. Sin embargo, los bancos representan la etapa temprana de formación y crecimiento de buena parte de las islas, por lo que el entendimiento de su génesis y su posterior desarrollo son de gran importancia. El estudio sistemático de los bancos del cauce principal, asociado a la morfodinámica e hidrología del sistema, permitió clasificarlos de acuerdo a su dinámica, su ubicación, y, sobre todo, a su vinculación con las islas y las márgenes del río, en dos grandes grupos: a) bancos sumergidos (en cualquier nivel hidrométrico); y b) bancos emergidos (en aguas bajas y como máximo hasta niveles de aguas medias). Los bancos sumergidos pueden ser unitarios y de morfología linguoide, principalmente, o múltiples, de formas más complejas; la frecuencia de aparición de bancos sumergidos en el tramo medio es ampliamente superior a la de las islas. Por su parte, los bancos emergidos se subdividieron en ocho clases de acuerdo a su ubicación en torno a islas preexistentes y en el cauce, al grado de modificación morfológica en su evolución, y a la posibilidad de transformarse en islas. Varios de estos tipos son semejantes a los descriptos en la amplia literatura antecedente (e.g. Smith 1974, Bridge 1993, 2005, entre otros), en la que no abundan datos de campo sobre sus evoluciones a mediano plazo, a una escala de algunas decenas de años. Justamente, la clasificación que se presenta contribuye a evaluar los bancos con fines predictivos en ese rango temporal (del orden de los 30 años, por caso). Con relación a los bancos que evolucionan a islas, estos corresponden a dos clases: los formados en el centro de brazos de menor jerarquía respecto de aquél que contiene al thalweg, y los que tienen su origen vinculado a las exageraciones de las ondas (a modo de meandros) del thalweg. En este último caso, a medida que el thalweg exagera una onda se forma en el lado interno de la curva una plataforma de menor profundidad en la que se van desarrollando diferentes subambientes, entre ellos los bancos que se transformarán en islas, las cuales continuarán creciendo arealmente por adhesión de bancos en sus laterales y hacia aguas arriba y abajo. Precisamente, ese último mecanismo de formación de islas se corresponde a un estilo particular de patrón anabranching generado en ciertos segmentos cortos del Paraná Medio, caracterizados por una sucesión de estrechamientos y ensanchamientos, donde predominan brazos del río de longitudes relativamente cortas (< 12 km), en contraposición a otros tramos en que el anabranching se constituye de brazos más largos (> 15 km). Se identificaron, además, otros tres mecanismos de formación de islas en el cauce principal, a saber: por fragmentación de islas preexistentes, a partir de la jerarquización de riachos de la planicie aluvial, y por la combinación de todos los mecanismos anteriores mediante uniones entre distintas islas. La tasa de formación y modificación de islas en el tramo de estudio es notablemente elevada: el 57% de las islas de área mayor a 0,5 km² se formaron entre los años 1939 y 2009, mientras que sólo el 18% del total de islas tiene una antigüedad superior a los 150 años. El número de islas, por su parte, se ha mantenido en los años analizados. Lo anterior se relaciona con la dinámica del cauce, que combina aspectos de un patrón anabranching y meandriforme, y que ha barrido, en el último siglo, una superficie que es igual a dos veces su ancho efectivo, (es decir, un total de unos 4 km, sin considerar los anchos ocupados por las islas), con tasas de erosión y sedimentación de decenas de m/año o incluso algo superiores. Tal singularidad morfodinámica del río Paraná Medio genera una variedad de elementos geomorfológicos en sus islas que es más grande que la común de observar en cursos de menores dimensiones. En este sentido, se reconocieron hasta 19 elementos geomorfológicos que dan origen a distintas arquitecturas de islas, tales como derrames, albardones, surcos erosivos, espiras, bancos de acreción lateral, cauces colmatados, etc. Justamente, los elementos geomorfológicos presentes en las islas proporcionaron una base para diferenciarlas, de acuerdo a su complejidad, entre: simples (formadas mayoritariamente por uno o dos elementos geomorfológicos), compuestas (son asociaciones de diferentes geoformas deposicionales, cuyas márgenes son concordantes con la traza en planta de estos) y complejas (presentan tanto márgenes concordantes como erosivas, y una mayor diversidad de elementos geomorfológicos). Con relación a la sedimentología, la granulometría predominante tanto en el lecho del río como en el grueso del cuerpo de las islas de cauce es la de arenas medias a finas, con arenas gruesas (y hasta guijas finas) en proporciones muy subordinadas. En las islas, las facies exclusivamente arenosas tienen espesores que varían entre 15m y 3m, ubicándose desde las profundidades del thalweg en tramos ensanchados hasta las alturas del nivel de agua relacionada con el caudal efectivo imperante durante su deposición (como banco de arena, en origen). Superpuestos a esos tamaños se encuentran sedimentos finos y arenas finas a muy finas que formaban parte de la carga en suspensión del río, cuyos espesores más frecuentes se encuentran entre 2 y 3 metros. Sin embargo, la gran diversidad de ambientes de las islas dada por la variedad de geoformas y dimensiones asociadas es propicia para que la depositación de sedimentos finos (limos, en especial) ocurra no sólo al superarse el nivel de cauce lleno, sino también en niveles inferiores, como ocurre en bajíos profundos tales como lagunas y cauces en proceso de desactivación. Por ello, llegan a identificarse hasta 9 metros de sedimentos finos dentro de islas originadas deposicionalmente en el cauce principal. Existe además un amplio rango vertical donde coexisten ambas facies granulométricas, lo que está determinado por una diversidad de factores, tales como la mayor o menor cercanía del thalweg al momento de la sedimentación, por caso. La combinación de la información anterior con la relativa a la interacción del flujo de agua y sedimentos, aplicando metodologías de cálculo hidráulico y de transporte de sedimentos ajustados a este sistema fluvial, posibilitó concluir que la interrelación de factores como la característica sinuosa a meandriforme del thalweg, las fluctuaciones del caudal efectivo (o formativo), el tipo de materiales de las márgenes, la capacidad de transporte de sedimentos, la distribución diferencial de caudales líquidos y sólidos en las bifurcaciones, genera un sistema de retroalimentación entre los procesos de depositación/erosión a una escala temporal de orden decenal. Esta retroalimentación parece ser la principal responsable de la generación del patrón anabranching en este río. Por otra parte, los cambios en la pendiente de la superficie del agua y el tipo de material que compone las márgenes del río serían las dos variables principales que parecieran condicionar los dos estilos del patrón anabranching; esto es, de brazos relativamente cortos y otros más largos. Así, una mayor pendiente longitudinal y la presencia de planicie aluvial conformando ambas márgenes del río promovería mayor energía dentro del cauce y menor control litológico, lo que favorecería la formación y modificación de islas mediante los mecanismos ya mencionados, rodeados por largos brazos de jerarquía más o menos similar. En los segmentos de menor pendiente y con mayor resistencia a la erosión, con una margen limitada por una barranca antigua resistente, y la otra, por planicie aluvial, el cauce origina una forma en planta dada principalmente por una sucesión de tramos estrechos (de cauce único) y ensanchados (con formación de islas, de tamaños más reducidos que en los segmentos de mayor pendiente) modelados principalmente por la dinámica meandriforme del thalweg.

A new category of very large rivers, which includes the nine largest rivers on Earth with an average annual flow of more than ~ 17,000m3/s, was recently proposed and defined as mega-rivers. The Parana River is one of the selected members of that peculiar group (Latrubesse, 2008). The planform adjustment of mega-rivers is a variety of anabranching pattern characterized by the existence of channel branches between alluvial islands. Their different styles vary according to the degree of sinuosity, the length and quantity of anabranches, the complexity of the islands, etc. The islands, a characteristic element of this pattern, are identified to be vegetated or otherwise stable; they do not seasonally adjust to annual flow variability and divide flow at bankfull discharge (Nanson and Knighton, 1996). The processes and mechanisms involved in the generation of different anabranching styles, however, are not well understood, mainly because of the lack of systematic observations of its prototypes. The Parana channel pattern has been classified as a low to moderate anabranching, low sinuosity with tendency to braided (Latrubesse, 2008) and having a well-defined, sinuous to meandering thalweg (Ramonell et al. 2000). Furthermore, in our analysis, two basic styles have been identified for the Middle Parana, one dominated by short length branches (<12 km), and another dominated by long length ones (> 15 km). The aim of this thesis is to contribute to the systematic and comprehensive knowledge of the bars and islands of the Middle Parana River, between the city of Corrientes (27º28'S) and Rosario (32º57'S) (~ 700 km). This study involves an evolutionary analysis of their changes over time, the mechanisms and conditions for their formation, the relationship between the processes and the geomorphological and sedimentary characteristics resulting from these landforms, and the interaction between the water flow and sediment linked to the survival of the bars and islands within the channel. Additionally, a description of sediment transport and space-time distribution is provided. The methods and techniques used involve a combination of cartographic analysis (ancient and modern bathymetric charts, aerial photographs and satellite imagery), hydrological, geomorphological, sedimentological and hydraulic analyses. The main materials and work produced were the development of geomorphologic maps of the details of the islands and multitemporal geomorphologic maps, the sedimentary descriptions of bars, islands and banks, and drilling log analysis. Furthermore, in a specific sector of the river, volumetric calculations were performed using multitemporal bathymetric charts, sediment transport estimations and hydro-bathymetric surveys with ADCP and echo sounder. The islands are the dominant morphologies in any hydrometric condition, while bars are only emerging in medium-low and particularly low water levels. However, the bars represent an earlier stage of evolution and growth of many of the islands; thus, understanding their genesis is of paramount importance. The systematic study of bars, associated with the morphodynamics and hydrology of the system, allowed us to identify and classify them into the following two groups, according to their dynamics, location, and, in particular, their links with the islands and the river banks: a) submerged bars in any hydrometric level, and b) bars emerged at most up to mid-water levels. The submerged bars can occur as individual landforms (show a linguoid shape), or as a coalescent group in the center of the main channel or near the channel and island banks; their frequency being vastly superior to the islands of the Middle Paraná. The bars emerged, in turn, were subdivided into eight classes according to their ability to evolve into islands, their location around preexisting islands, their location in the channel and the degree of morphological change. Several of these types are morphologically similar to those described in the extensive background literature (e.g. Smith 1974, Bridge 1993, 2005, etc.), in which field data about their evolution in the medium term are rare. Precisely, the classification presented contributes to the identification of bars for predictive purposes, because we have considered the evolution of the bars together with the channel morphodynamics, at the decadal scale (30 years). The bars that evolve into islands correspond to two classes: bars formed in the center of the channel branches, lower in hierarchy than the main channel containing the thalweg, due to hydrodynamic conditions favorable to the sedimentation of sand; and those whose genesis is related to the dynamic of meandering thalweg. Specifically, in the latter case, as the thalweg exaggerates its waves, a platform is formed in the inner side of the curve that evolves developing different sub-environments, including bars that become islands. The islands continue to grow in different directions by accretion bars on their sides, upstream and downstream. Indeed, the referred island formation mechanism corresponds to a particular style of anabranching pattern generated in certain segments of the Middle Parana, characterized by a succession of enlargements with narrower, shorter and deeper sectors between them. In addition, 3 other mechanisms of island configuration were identified: fragmentation of existing islands, excision of part of a floodplain and a combination of all the above mechanisms by unions between different islands. The high rate of formation and modification of the islands we have recorded in the study shows the great renovation of these landforms, since the 57% (area larger than 0.5 square kilometers) analysed, were formed between 1939 and 2009, while only 18% of the total originated 150 years ago; the number of islands in the years analyzed thus remaining quite similar. This is related to the dynamics of the channel that combines aspects of a meandering and anabranching pattern that, over the last century, has swept away an area that is equal to twice the actual width, with erosion and sedimentation rates of tens of m/year or even higher. That singular morphodynamics of the Middle Parana River generates a variety of geomorphological elements in the islands which is much larger than the one regularly observed in smaller channels. In this regard, we have identified up to 19 geomorphologic elements (crevasse splay, crevasse channel fill, levees, backswamp, paleochannel, lake, lateral, upstream and downstream accretion bars, scroll bars, etc.) which interrelate originating different islands architectures. Precisely, the detailed characterizations of the geomorphological elements of the islands, provided a basis to differentiate them according to the diversity of geomorphologic and depositional environments into: simple (formed mainly by one or two geomorphological element), composed (they are associations of different depositional landforms, whose edges are consistent with the plant trace of these) and complex (they present both erosive and consistent edges, and a greater diversity of geomorphological elements). Sub-sedimentary environments are easily recognized in two main groups: channel facies which constitute the major volume of the islands (they vary, depending on the environment, between 15m and 3m) are formed by medium to fine sand, and, exceptionally, coarse sand (and even fine pebbles). In this unit lie fine flood sediments and fine and very fine sand deposited from the suspended sandy load of the channels; the most common thicknesses are between 2 and 3 meters. However, the diversity of environments of the islands is appropriate for the deposit of fine sediments (particularly silt) to occur not only when the bankfull is exceeded, but also at much lower levels (deep lakes and channels in deactivation). Specifically, up to 9 meters of fine material (silt and clay) have been identified on islands originated in the main channel. Moreover, there is a wide vertical range where both granulometric facies coexist, which is determined by a variety of factors such as the proximity to the thalweg, in the moment of sedimentation. The combination of the above information with the interaction of water flow and sediment by applying hydraulic calculation methodology and sediment transport, made it possible to conclude that the interrelation of various factors such as the meandering thalweg feature, the temporal variability of the effective discharge, the type of materials of the banks, the availability and path of sandy sediments, the differential distribution of liquid and solid flows in the branches, among other secondary factors generates a feedback system between erosional/depositional processes at the decadal scale. This seems to be the main cause for the generation of complex anabranching pattern in this river. Furthermore, we have identified that changes in the slope and type of material along the river might be the main geomorphological variables that may condition the two styles of anabranching pattern. In this context, a higher longitudinal gradient and presence of floodplain forming both riverbanks, promotes greater energy within the channel and lower lithologic controls. This seems to favor the formation and modification of islands by all the above mechanisms, surrounded by long branches of similar hierarchy. As regards the areas that have a lower slope and a greater lithologic control, limited by a resistant and old bank (Tertiary and Quaternary formation) and the other by a floodplain, the plan form of the channel is characterized by a succession of narrow (single channel) and enlarged sectors (with the formation of smaller islands than the segments stepper), modeled mainly by the meandering thalweg dynamics.