Assessing the effects of traditional soil conservation structures on sediment connectivity in Mediterranean catchments using remote sensing and gis

Abstract

[eng] Understanding the sedimentary dynamics of the catchments is a central issue in Earth Sciences research because of its important implications on water resources management, agriculture, landscape evolution and ecosystems. Sediment transfer is strongly determined by natural factors such as climatology, lithology, vegetation or morphological characteristics of the catchment, but in the Mediterranean region the anthropogenic factors have a special relevance. For that reason, in the current context of Global Change, studying the impacts of changes in land uses and human activities on hydrosedimentary dynamics is a preferential scientific challenge. Traditionally, the sediment transfer efficiency of a catchment has been estimated by the sediment budget approach, which allows establishing the proportion of eroded materials reaching the catchment outlet. However, this methodological approach is insufficient to analyse the internal dynamics of the catchment since it does not provide information on spatio-temporal variability of the sediment flows occurring within it. In recent years, under the advent of new technologies for observation and analysis in geomorphology, the concept of sediment connectivity has emerged as a more adequate framework to analyse the (de-)coupling mechanisms for sediment transfer, their frequency and magnitude or their spatial and temporal feedbacks, allowing a better understanding of the effects of human activities and different anthropic elements on the internal sedimentary dynamics in a catchment. In this thesis, the effects of different traditional soil conservation structures on sediment connectivity were evaluated in two Mediterranean catchments under global change dynamics, representative of mountainous areas (Sa Font de la Vila, 4.8 km2) and lowlands (Can Revull, 1.4 km2). Spatio-temporal variability of sediment flows was analysed by combining the calculation of the morphometric index of connectivity proposed by Borselli et al. (2008) –using the method of Cavalli et al. (2013)– with different techniques for its validation, including field mapping, soil sample analysis and the measurement of erosion/deposition landforms by means of UAV aerial campaigns and automated digital photogrammetry. In the Sa Font de la Vila River catchment, the massive presence of terraces resulted in spatial patterns of sediment connectivity very different from other studies in mountainous catchments without terraces. Due to their morphological characteristics and their relative position within the drainage system, these structures generated (i) a general disconnection between the different compartments of the catchment and (ii) a concentration of water and sediment flows along preferential pathways promoted by a cascade effect of collapse within the terraced areas. 73% of the surveyed wall-failures were located on these trajectories with high IC values. This spatial matching was related to feedback dynamics, in which the failure of the walls increased the runoff concentration, which in turn accelerated the hydraulic processes causing their collapse. Accordingly, abandoned terraced areas showed more developed erosion processes, as well as lower soil quality indicators with respect to non-terraced areas. The occurrence of successive wildfires in Sa Font de la Vila was also identified as a relevant factor exacerbating these soil degradation processes. In the Can Revull Creek catchment, the design and configuration of traditional drainage systems promoted (i) the decoupling of overland flows within hillslopes, as well as the decoupling of the hillslope–alluvial plain and alluvial plain–channel linkages, and (ii) improved longitudinal connectivity along the artificial channel network. Field observations corroborated that, during frequent events of moderate magnitude, the combination of surface channels and tile drains enabled a rapid evacuation of water excess, decreasing surface runoff within the fields. However, during less frequent events of high magnitude (T=25 yrs.), the structures capacity was overflooded, activating new sediment linkages and increasing the effective area of the catchment and sediment delivery at the catchment outlet. During three consecutive flood events, changes in distribution of the sediment pathways were observed, increasing drainage density, as well as the length and depth of concentrated erosion landforms. This thesis revealed that, while well maintained, soil conservation structures act as anthropogenic controls of the catchment's sensitivity, reducing its structural connectivity and imposing high precipitation thresholds for the activation of water and sediment flows. However, its abandonment and degradation trigger feedback dynamics between structural and functional connectivity leading to changes into the spatiotemporal patterns of sediment fluxes and accelerating erosion and land degradation processes. Sediment connectivity proved to be a suitable conceptual framework to study the effects of these anthropic elements on sediment dynamics within catchments. The precise identification of sources, links and deposition zones as well as the mechanisms and the magnitude-frequency of sediment (de-)coupling processes may have applications for land management operations, maintenance and improvement of traditional soil conservation structures.

[cat] Comprendre les dinàmiques sedimentàries en conques de drenatge és un tema d’investigació central en Ciències de la Terra per les importants implicacions que tenen sobre la gestió dels recursos hídrics, l'agricultura, l'evolució del paisatge i els ecosistemes. La transferència de sediment està fortament determinada per nombrosos factors naturals com ara la climatologia, la litologia, la vegetació o les característiques morfològiques de la conca. Cal afegir, emperò, que a la regió Mediterrània els factors antropogènics tenen una especial rellevància, fet pel qual i en l'actual context de Canvi Global, estudiar els impactes dels canvis en els usos del sòl i de les activitats humanes sobre les dinàmiques hidrosedimentàries suposa un repte científic preferencial. Tradicionalment, l'eficiència d'una conca a l’hora de transferir sediments s'ha estimat mitjançant el càlcul de balanços de sediment, que permeten establir la proporció de materials erosionats que arriben al punt de drenatge. No obstant això, aquest enfocament metodològic resulta insuficient per analitzar les dinàmiques internes de la conca ja que no proporciona informació sobre variabilitat espacio-temporal dels fluxos de sediment que es produeixen al seu interior. Recentment i amb l’adveniment de les noves tecnologies per a l’anàlisi i observació en Geomorfologia, el concepte connectivitat del sediment ha emergit com un marc conceptual més adequat per analitzar els mecanismes interns de (des-)acoblament dels processos de transferència de sediment, la seva freqüència i magnitud o la seva retroalimentació espacial i temporal, la qual cosa permet comprendre millor els efectes de les activitats humanes i de diferents elements antròpics. En aquesta tesi s’avaluen els efectes de diferents estructures tradicionals de conservació del sòl sobre la connectivitat del sediment a l'interior de dues conques mediterrànies sota dinàmiques del canvi global, representatives d’àrees muntanyoses (Sa Font de la Vila; 4,8 km2) i d’àrees planes (Can Revull, 1,4 km2). La variabilitat espacio-temporal dels fluxos de sediment es va analitzar combinant el càlcul de l'índex morfomètric de connectivitat proposat per Borselli et al. (2008) –usant el mètode de Cavalli et al. (2013)– amb diferents tècniques per a la seva validació, incloent cartografia de camp, anàlisi de mostres de sòl i mesures de formes d'erosió/deposició mitjançant campanyes aèries amb dron i fotogrametria digital automatitzada. A la conca del Torrent de sa Font de la Vila, la presència massiva de diferents tipus de terrasses va donar com a resultat patrons espacials de connectivitat de sediment molt diferents respecte als d’altres estudis en conques muntanyoses sense terrasses. Degut a les seves característiques morfològiques i a la seva posició relativa dins el sistema de drenatge, aquestes estructures van generar (i) una desconnexió general entre els diferents compartiments de la conca i (ii) una concentració dels fluxos d'aigua i sediment al llarg de trajectòries preferencials, associada al col·lapse en cascada dels murs de les terrasses. El 73% dels punts de col·lapse en els murs es van localitzar sobre aquests camins altament connectats. Aquesta correspondència espacial es va relacionar amb dinàmiques de retroalimentació a partir de les quals la caiguda dels murs genera una major concentració dels fluxos superficials que, al seu torn, afavoreix els processos hidràulics que causen aquesta caiguda. En conseqüència, les zones de terrasses abandonades van mostrar un desenvolupament més avançat de processos erosius i van exhibir indicadors de qualitat del sòl significativament més baixos en relació a zones sense terrasses. L'ocurrència de successius incendis forestals a Sa Font de la Vila també es va identificar com un factor rellevant que exacerba encara més aquests processos de degradació dels sòls. A la conca de Can Revull el disseny i configuració dels sistemes tradicionals de drenatge van afavorir (i) el desacoblament dels fluxos a l'interior dels vessants, així com el desacoblament vessant–plana al·luvial i plana al·luvial–canal, i (ii) una major connectivitat longitudinal al llarg la xarxa de canals artificials. Les observacions de camp van corroborar que, durant esdeveniments freqüents de moderada magnitud, la combinació de canals superficials i subsuperficials va facilitar un drenatge ràpid de l'excés d'aigua i, alhora, una disminució de l'escorrentia superficial a l'interior dels camps de cultiu. No obstant això, durant esdeveniments menys freqüents d'alta magnitud (T = 25 anys) es va sobrepassar la capacitat de les estructures, generant nous traçats de fluxos de sediment i un augment remarcable de l'àrea efectiva de la conca, així com d’exportació de sediments. Al llarg de tres esdeveniments d'inundació consecutius es van produir canvis en patrons de distribució dels fluxos superficials, augmentant la densitat de drenatge, així com la longitud i profunditat de les formes d'erosió concentrada. Aquesta tesi demostra que, mentre estan ben mantingudes, les estructures tradicionals de conservació del sòl actuen com a controls antropogènics de la sensitivitat de la conca, reduint la seva connectivitat estructural i imposant llindars de precipitació molt elevats per a l'activació de processos de transferència de sediment. No obstant això, la seva degradació desencadena dinàmiques de retroalimentació entre la connectivitat estructural i funcional que alteren els patrons espacio-temporals dels fluxos de sediment, accelerant els processos d'erosió i degradació del sòl. La connectivitat de sediments ha demostrat ser un marc conceptual adequat per estudiar els efectes de diferents elements antròpics sobre els fluxos de sediment a l'interior de les conques. La identificació precisa de zones de generació de sediment, de deposició i els mecanismes d’intercomunicació interzonals, així com la magnitud-freqüència dels processos de (des-)acoblament pot tenir aplicacions per a la gestió sostenible de terres o per al disseny d'actuacions que permetin reduir l'erosió i degradació dels sòls.

[spa] Comprender las dinámicas sedimentarias en cuencas de drenaje es un tema central en la investigación en Ciencias de la Tierra debido a sus importantes implicaciones sobre la gestión de los recursos hídricos, la agricultura, la evolución del paisaje y los ecosistemas. La transferencia de sedimentos está fuertemente determinada por numerosos factores naturales tales como la climatología, la litología, la vegetación o las características morfológicas de la cuenca, pero en la región Mediterránea los factores antropogénicos tienen una especial relevancia. Por esa razón, en el actual contexto de Cambio Global, estudiar los impactos de los cambios en los usos del suelo y de las actividades humanas sobre las dinámicas hidrosedimentarias supone un reto científico preferencial. Tradicionalmente, la eficiencia de una cuenca al transferir sedimentos se ha estimado mediante el cálculo de balances de sedimento, que permiten establecer la proporción de materiales erosionados que alcanzan el punto de drenaje. Sin embargo, este enfoque metodológico resulta insuficiente para analizar las dinámicas internas de la cuenca ya que no proporciona información sobre la variabilidad espaciotemporal de los flujos de sedimento que se producen en su interior. En los años recientes y gracias al advenimiento de las nuevas tecnologías en el análisis y observación en Geomorfología, el concepto conectividad del sedimento ha emergido como un marco conceptual más adecuado para analizar los mecanismos internos de (des-)acoplamiento de los procesos de transferencia de sedimento, su frecuencia y magnitud o su retroalimentación espacial y temporal, permitiendo una mejor comprensión de los efectos de actividades humanas y distintos elementos antrópicos. En esta tesis se evalúan los efectos de distintas estructuras tradicionales de conservación del suelo sobre la conectividad del sedimento en el interior de dos cuencas mediterráneas bajo dinámicas del cambio global representativas de áreas montañosas (Sa Font de la Vila, 4,8 km2) y de áreas llanas (Can Revull, 1,4 km2). La variabilidad espaciotemporal de los flujos de sedimento se analizó combinando el cálculo del índice de conectividad de Borselli et al. (2008) –usando el método de Cavalli et al. (2013)– con distintas técnicas para su validación, incluyendo cartografía de campo, análisis de muestras de suelo y mediciones de formas de erosión/deposición mediante campañas aéreas con drone y fotogrametría digital automatizada. En la cuenca del Torrent de Sa Font de la Vila, la presencia masiva de distintos tipos de terrazas dio como resultado patrones espaciales de conectividad muy diferentes con respecto a otros estudios en cuencas sin terrazas. Debido a sus características morfológicas y a su posición relativa dentro del sistema de drenaje, estas estructuras generaron (i) una desconexión general entre los distintos compartimentos de la cuenca y (ii) una concentración de los flujos de agua y sedimento a lo largo de trayectorias preferenciales asociada al colapso en cascada de los muros de las terrazas. El 73% de los puntos de colapso en los muros se localizaron sobre estos caminos con altos valores de IC. Esta correspondencia espacial se relacionó con dinámicas de retroalimentación a partir de las cuales la caída de los muros genera una mayor concentración de la escorrentía que, a su vez, favorece los procesos hidráulicos que causan su caída. En consecuencia, las zonas de terrazas abandonadas mostraron un desarrollo más avanzado de procesos erosivos, y exhibieron indicadores de calidad del suelo significativamente más bajos con respecto a zonas sin terrazas. La ocurrencia de sucesivos incendios forestales en Sa Font de la Vila también se identificó como un factor relevante que exacerba aún más estos procesos de degradación de los suelos. En la cuenca de Can Revull, el diseño y configuración de los sistemas tradicionales de drenaje favorecieron (i) el desacoplamiento de los flujos en el interior de las laderas, así como una desconexión ladera−llanura aluvial y llanura aluvial−canal, y (ii) una mayor conectividad longitudinal a lo largo de la red de canales artificiales. Las observaciones de campo corroboraron que, durante eventos frecuentes de moderada magnitud, la combinación de canales superficiales y subsuperficiales facilita un drenaje rápido del exceso de agua y, a su vez, una disminución de la escorrentía superficial en el interior de los campos de cultivo. Sin embargo, durante eventos menos frecuentes de alta magnitud (T=25 años) se sobrepasó la capacidad de las estructuras, generando nuevos trazados de flujo de sedimento y un aumento remarcable del área efectiva de la cuenca, así como de la exportación de sedimento. A lo largo de tres eventos de inundación consecutivos se produjeron cambios en patrones de distribución de los flujos superficiales, aumentando la densidad de drenaje, así como la longitud y profundidad de las formas de erosión concentrada. Esta tesis reveló que, mientras están bien mantenidas, las estructuras de conservación del suelo actúan como controles antropogénicos de la sensitividad de la cuenca, reduciendo su conectividad estructural e imponiendo umbrales de precipitación muy elevados para la activación de procesos de transferencia de sedimento. Sin embargo, su abandono y degradación desencadena dinámicas de retroalimentación entre la conectividad estructural y funcional que alteran los patrones espaciotemporales de los flujos de sedimento, acelerando los procesos de erosión y degradación del suelo. La conectividad del sedimento demostró ser un marco conceptual adecuado para estudiar los efectos de estos elementos antrópicos sobre los flujos de sedimento en el interior de las cuencas. La identificación precisa de las zonas de generación del sedimento, de deposición y los mecanismos de intercomunicación interzonales, así como la magnitud–frecuencia de los procesos de (des-)acoplamiento de sedimentos puede tener aplicaciones para la gestión sostenible de tierras o para el mantenimiento y mejora de las estructuras tradicionales de conservación del suelo.