Modelización 3D de la dispersión de residuos generados en piscifactorías marinas

Abstract

Intensive fish culture in floating cages is one of aquaculture activities that has grown fastest in recent years. However, this activity produces impacts ranging from alterations in the natural environment to social and cultural changes at the local level. The major negative impacts on the system associated with marine aquaculture are eutrophication, oxygen depletion and the disruption of local biodiversity (due to the input of organic matter and nutrients from uneaten food, feces and fish excreta), as well as other harmful effects in the medium and long term related to the various chemicals and therapeutic products normally used in aquaculture. Since the early 1990s, several models have been developed to investigate and assess the environmental impact of fish farming, and are used, together with field measurements, as production management tools. However, most of these use very simplified approaches, primarily in the physical aspects of the problem (bathymetry and hydrodynamics of the study area), and have been generally used to determine the benthic impact of particulate matter near the cages, ignoring the environmental impact associated with the discharge of dissolved nutrients and other substances from farms on the aquatic environment in general. In this thesis, two advanced models (the 3D hydrodynamic model ROMS and the Lagrangian dispersión code LIMMIX) have been adapted and applied to model the patterns of dispersion and concentration oforganic matter (carbon), nutrients (nitrogen and phosphorus) and copper from the antifouling products that coat fishpen nets, from two farms located in the Valencian Community(Spanish Mediterranean coast), dedicated to the intensive cultivation of gilthead seabream (Sparus aurata). A complete fish rearing cycle (17 months) has been simulated, taking into account the natural variations in food demand and biomass throughout the cycle. Specifically, the simulations have included the dispersion and concentration on the sea bed of organic carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P), in the form of particles, in the vicinity of the farms, and the dispersal and concentration of dissolved N, P and copper (Cu) in the column of water close to and away from the farms. The results obtained for the dispersion of particulate matter (C, N, and P) from uneaten fed and feces indicate that the model (ROMS-LIMMIX) has adequately simulated the pattern of deposition of particles on the bottom. The qualitative comparison of these results with the works of various authors shows a great match in the shape and in the extension of the affected benthic zone. On the other hand, the results of the modelling of dissolved substances (N, P, and Cu), show that 90% of particles representing such substances exit the studied domain during the simulation. Within the study area, most of the particles (in average, 50% of those representing N and P, and 34% of those describing Cu) remain in the surface layer of the column of water - the first 10 m ¿ throughout the simulation, whereas the rest of the particles are distributed randomly at greater depths. In addition, dissolved matter discharged from the cages of both farms extends over a large area, affecting places that are tens of kilometers from the sources. In general, it can be concluded that the joint application of ROMS and LIMMIX constitutes a powerful and versatile tool that can be perfectly applicable to the modelling of the dispersion of waste from fish farms sea, especially for the advancement in the ecosystemic knowledge of the interactions between aquaculture and the environment. The undertaking of long-term and large-scale modelling using this combination of models allows improve the knowledge about the local and global impacts of aquaculture wastes.

La piscicultura intensiva en jaulas flotantes es una actividad que produce impactos que van desde alteraciones en el medio ambiente natural en el cual se desarrolla hasta cambios sociales y culturales a escala local. Los principales impactos negativos sobre el sistema asociados a la piscicultura marina son la eutrofización, el agotamiento de oxígeno y la alteración de la biodiversidad local (relacionados todos con la introducción de materia orgánica y nutrientes contenidos en el alimento no comido, las fecas y las excreciones de los peces), así como otros efectos perjudiciales, a medio y largo plazo, relacionados con las diversas substancias químicas y productos terapéuticos usados normalmente en acuicultura. Desde los años 90 se han desarrollado varios modelos para investigar y evaluar el impacto ambiental de la piscicultura que se utilizan, junto con mediciones de campo como herramientas de manejo productivo. Sin embargo, la mayoría de estos utiliza planteamientos muy simplificados, sobre todo en los aspectos físicos de la situación (batimetría e hidrodinámica de la zona de estudio), y se han utilizado para determinar el impacto béntico del material particulado cerca de las jaulas, ignorando el impacto ambiental asociado al vertido de nutrientes disueltos y otras substancias provenientes de las piscifactorías sobre el medio acuático en general. En este trabajo se han adaptado y aplicado dos modelos avanzados (el modelo hidrodinámico 3D ROMS y el modelo lagrangiano LIMMIX), para modelar los patrones de dispersión y la concentración de materia orgánica (carbono), de nutrientes (nitrógeno y fósforo) y de cobre procedente de los productos antifouling con que se impregnan las redes, desde dos piscifactorías ubicadas en la Comunidad Valenciana, dedicadas al cultivo intensivo de dorada (Sparus aurata). Se ha simulado un ciclo completo de crecimiento de los peces (17 meses), considerando la variación en la demanda de alimento y en la biomasa a lo largo de todo el ciclo. Específicamente, se ha modelado la dispersión y concentración sobre el fondo marino de carbono orgánico (C), nitrógeno (N) y fósforo (P), en forma de partículas en las cercanías de las piscifactorías, y la dispersión y concentración en zonas cercanas y lejanas de N, P y cobre (Cu) disueltos en la columna de agua. Los resultados obtenidos para la dispersión de materia particulada (C, N y P) proveniente del alimento no comido y las fecas, indican que el modelo (ROMS-LIMMIX) ha simulado adecuadamente el patrón de deposición de las partículas en el fondo. La comparación cualitativa de estos resultados con los trabajos de diferentes autores analizados muestra una gran concordancia en la forma y en la extensión de la zona béntica afectada. Por otra parte, los resultados de la modelización de las substancias disueltas (N, P y Cu), muestran que el 90% de las partículas que representan dichas substancias escapan del dominio a medida que transcurre la simulación. Dentro de la zona de estudio, la mayoría de las partículas (en promedio, el 50 % de las que representan N y P, y el 34 % de las que representan Cu) permanece en la capa superficial de la columna de agua -los primeros 10 m- a lo largo de toda la simulación, en tanto que el resto de las partículas se distribuyen aleatoriamente a mayores profundidades. Además, la materia disuelta vertida desde las jaulas de ambas se extiende por una gran área, afectando a lugares que se encuentran a decenas de kilómetros de los puntos de vertidos. En general, se puede concluir que la aplicación conjunta de Roms y Limmix es una herramienta poderosa, versátil y perfectamente aplicable a la modelización de la dispersión de residuos procedentes de piscifactorías marinas, especialmente para el avance en el conocimiento ecosistémico de las interacciones entre acuicultura y medio ambiente realizando modelaciones de largo plazo y a gran escala que permitan conocer los impactos locales y globales de las substancias vertidas.

La piscicultura intensiva en gàbies flotants és una de les activitats aqüícoles que més ha crescut en els darrers anys, degut sobretot a factors econòmics i a la necessitat d‘augmentar la productivitat per unitat de superfície en aquelles zones disponibles per al cultiu de peixos. No obstant, aquesta activitat, com qualsevol altra activitat econòmica, produeix impactes que, en aquest cas, poden anar des d’alteracions del medi ambient natural en el qual es desenvolupa fins a canvis socials i culturals a escala local. Des del punt de vista ecològic, els impactes negatius més importants associats a la piscicultura marina sobre el medi aquàtic són l’eutrofització, l’esgotament de l’oxigen i l’alteració de la biodiversitat local, que es deriven de la introducció permanent de residus de matèria orgànica i nutrients continguts en l’aliment no consumit, les partícules fecals, i les excrecions dels organismes cultivats. També cal tenir en compte els efectes contaminants i els impactes negatius sobre els ecosistemes aquàtics que poden tenir, a llarg i mitjà termini, les diverses substàncies químiques i productes terapèutics utilitzats normalment en les pràctiques aqüícoles. Des dels anys 90 fins a l’actualitat s’han estat desenvolupant diferents models numèrics com a instruments per a investigar i avaluar els impactes de la piscicultura sobre el medi aquàtic. En combinació amb mesures de camp, aquests models són utilitzats per productors i agències reguladores com una eina de gestió de la producció. Tanmateix, la majoria dels models fan servir plantejaments i anàlisis molt simplificats de la realitat, sobretot en els aspectes físics del problema, com poden ser la batimetria i la hidrodinàmica de la zona d’estudi. A més, generalment s’han utilitzat per a determinar els impactes sobre el bentos degut al material particulat que es diposita en el fons marí a prop (o directament a sota) de les gàbies, sense considerar els impactes ambientals que generen el vessament de nutrients dissolts i d’altres substàncies procedents de les piscifactories sobre el medi aquàtic en general. En el present treball s’han adaptat i aplicat dos models avançats d’ús general, com són el model hidrodinàmic tridimensional Roms i el model lagrangià de dispersió Limmix, per tal de modelar els patrons de dispersió i la concentració de matèria orgànica (carboni), de nutrients (nitrogen i fòsfor) i de coure procedent dels productes antifouling que recobreixen les xarxes, des de les gàbies flotants de dues piscifactories situades en la zona costanera de la Comunitat Valenciana, i dedicades al cultiu intensiu de la orada (Sparus aurata). Per al modelat s’ha fet servir un cicle complet de creixement dels peixos (17 mesos), considerant la variació en la demanda d’aliment i els canvis en la biomassa al llarg de tot el cicle. Específicament, s’ha modelat la dispersió i concentració sobre el fons marí de carboni orgànic (C), nitrogen (N) i fòsfor (P) en forma particulada, a sota i en les proximitats de les piscifactories, i la dispersió i concentració de nitrogen (N), fòsfor (P) i coure (Cu) dissolts en la columna d’aigua, en zones properes i llunyanes, degut a l’efecte acumulatiu d’ambdues piscifactories. Al analitzar els resultats obtinguts en la modelització de la dispersió de matèria particulada (C, N i P) procedent de l’aliment no consumit i de les partícules fecals, es pot concloure que la combinació de models Roms-Limmix ha simulat adequadament el patró de deposició de les partícules en el fons marí, donat que la comparació qualitativa de les “taques” generades pel model amb els resultats dels treballs dels diferents autors analitzats revela una gran concordança en la forma i l’extensió de la zona del fons afectada. Per altra part, els resultats del modelat de les substàncies dissoltes (N, P i Cu) mostren que la gran majoria de les partícules que representen aquestes substàncies surten del domini computacional a mida que transcorre la simulació; al cap dels 17 mesos, menys d’un 10% de les partícules vessades romanen a la zona d’estudi. Addicionalment, s’observa que, de mitjana, el 50% de les partícules que corresponen al N i P dissolts, i el 34% de les que representen al Cu dissolt, romanen en els primers 10 m de profunditat al llarg de tota la simulació, en tant que la resta de partícules es distribueixen de forma més o menys aleatòria a profunditats més grans. Això permet concloure que, per a la situació analitzada, la major part de matèria dissolta queda a la capa més superficial de la columna d’aigua, independentment de la taxa de vessament. També es conclou que la matèria dissolta procedent de les gàbies d’ambdues piscifactories és transportada permanentment per tota la zona d’estudi, afectant a zones que es troben a desenes de quilòmetres dels punts de vessament. En general, es pot concloure que l’aplicació conjunta de Roms i Limmix és una eina molt poderosa i perfectament aplicable al modelat de la dispersió de matèria particulada i dissolta procedent de piscifactories marines, especialment si es vol avançar en les interaccions entre aqüicultura i medi ambient des d’un punt de vista ecosistèmic, realitzant simulacions de llarga durada i a gran escala que permetin conèixer els impactes locals i globals de les substàncies vessades.