Evaluating Sediment Resuspension and Internal Nutrient Loading in Tappan Lake Using Remote Sensing, Acoustic Doppler Current Profiler Observations, and EFDC+ Modeling
Este estudio integra la teledetección, observaciones de perfiladores de corriente acústicos Doppler y la modelización EFDC+ para demostrar que la resuspensión de sedimentos impulsada por el viento y el flujo en la zona media del lago Tappan es el principal motor de la carga interna de nutrientes y de las floraciones algales persistentes, independientemente de los aportes externos de la cuenca hidrográfica.
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Los lagos y embalses de agua dulce suelen verse como cuerpos de agua estáticos, pero son sistemas dinámicos donde el agua, los sedimentos y los nutrientes interactúan constantemente. Un desafío importante en la gestión de estas aguas es comprender por qué las proliferaciones de algas persisten incluso cuando el terreno circundante se mantiene limpio. Si bien es bien sabido que la escorrentía de granjas y ciudades puede verter exceso de nutrientes en un lago, causando escúmulos verdes de algas, los científicos han sospechado durante mucho tiempo que el lecho del lago actúa como un reservorio oculto. A lo largo de las décadas, los sedimentos en el fondo pueden absorber nutrientes como el fósforo y el nitrógeno. Cuando las condiciones cambian, estos nutrientes almacenados pueden liberarse de nuevo en el agua, alimentando a las algas desde abajo en lugar de desde arriba. Este reciclaje interno es difícil de ver porque ocurre bajo el agua, oculto para las cámaras satelitales que solo miran la superficie y para las muestras de agua simples tomadas en un solo punto. Comprender este mecanismo oculto es crucial porque, si el problema proviene del fondo, simplemente limpiar los ríos que alimentan el lago podría no ser suficiente para detener las proliferaciones.
Los investigadores centraron su atención en el lago Tappan, un embalse de tamaño medio en el condado de Harrison, Ohio. A pesar de que el área circundante es mayormente boscosa con una escorrentía agrícola limitada, el lago sufre de proliferaciones de algas recurrentes que degradan la calidad del agua y amenazan el uso recreativo. Para resolver este misterio, un equipo de científicos combinó tres formas diferentes de observar el lago: imágenes satelitales para ver la superficie, instrumentos acústicos submarinos para medir el flujo y las partículas, y un modelo computacional para simular cómo se mueve el agua. Querían averiguar si las algas estaban siendo alimentadas por nutrientes provenientes de los sedimentos del fondo, agitados por el movimiento del agua misma.
El equipo comenzó observando la superficie desde el espacio. Utilizando imágenes de un satélite que pasa sobre la Tierra cada pocos días, rastrearon la cantidad de pigmento de algas verdes, conocido como clorofila-a, a través de todo el lago desde 2020 hasta 2025. Primero verificaron que sus mediciones satelitales coincidieran con las muestras de agua reales tomadas por botes, confirmando que la tecnología era precisa. Los resultados mostraron un patrón claro: el lago estaba consistentemente lleno de algas. Cada verano durante este periodo, toda la superficie del lago mostró signos de eutrofización, una condición donde el agua es rica en nutrientes y soporta un crecimiento excesivo de plantas. Los niveles de algas fueron lo suficientemente altos como para ser considerados una proliferación en cada uno de los años, sin que ninguna parte del lago regresara a un estado limpio y de bajo contenido de nutrientes. Esto confirmó que el problema no era solo un pico temporal, sino una condición crónica que afectaba a todo el embalse.
Para entender por qué estas algas eran tan persistentes, los investigadores necesitaban mirar debajo de la superficie. Desplegaron un instrumento especializado llamado perfilador de corriente acústica Doppler, el cual utiliza ondas de sonido para medir qué tan rápido se mueve el agua a diferentes profundidades y para detectar cuántas partículas flotan en ella. Navegaron este dispositivo a través de diez líneas diferentes que cortaban el lago. Los datos revelaron una diferencia sorprendente entre la parte occidental profunda del lago cerca de la presa y las secciones medias más superficiales. En la cuenca profunda, el agua se movía muy lentamente, casi como un estanque estancado. Sin embargo, en el medio del lago, donde el agua era más superficial y el canal se estrechaba, el agua se movía mucho más rápido.
Más importante aún, las ondas de sonido que rebotaban en el agua revelaron dónde se estaba agitando el sedimento. El instrumento detectó un aumento significativo en la cantidad de partículas suspendidas justo cerca del fondo del lago en esa zona media. Este "refuerzo cerca del lecho" significaba que el agua que fluía a través del medio del lago era lo suficientemente fuerte como para levantar el sedimento lodoso del lecho del lago y mantenerlo flotando. En contraste, la cuenca occidental profunda no mostró tal actividad, con las partículas asentándose y el agua permaneciendo clara. Esto sugería que la fuerza física del movimiento del agua a través del medio del lago estaba constantemente removiendo el fondo, liberando los nutrientes atrapados en el lodo.
Para confirmar este panorama, los científicos utilizaron un modelo computacional que simula la física del lago, incluyendo cómo el viento y el flujo del agua mueven el sedimento. El modelo produjo un mapa de sólidos suspendidos que coincidía perfectamente con las mediciones del mundo real. Mostró altas concentaciones de sedimento en los brazos orientales poco profundos y en el medio del lago, disminuyendo hasta casi cero en la cuenca occidental profunda cerca de la presa. Esta simulación respaldó la idea de que el lago actúa como una trampa para el sedimento que proviene de los ríos, pero la sección media es una zona de perturbación constante donde el sedimento es recogido una y otra vez.
Cuando los investigadores unieron todas estas piezas, surgió un mecanismo claro. El viento y el flujo del agua crean una zona específica en el medio del lago Tappán donde el sedimento del fondo es constantemente resuspendido. Este proceso libera nutrientes almacenados en el lodo de vuelta al agua, proporcionando una fuente constante de alimento para las algas. Debido a que este reciclaje interno ocurre independientemente de qué tan limpios estén los ríos, el lago permanece fértil y propenso a las proliferaciones. El estudio sugiere que las algas no son solo el resultado de la contaminación que viene de la tierra, sino que están siendo sostenidas por la propia dinámica física del lago. Este hallazgo indica que la gestión del lago requerirá más que solo reducir la contaminación externa; las estrategias también deben abordar el reciclaje interno de nutrientes causado por la resuspensión de sedimentos en el medio del lago.
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