Assessment of uncertainties of soil erosion and sediment yield estimates at two spatial scales in the upper Llobregat basin (se pyrenees, Spain)

Abstract

La producción de sedimentos en zonas de montaña es un motivo de preocupación no sólo por la pérdida de la fertilidad de la capa superficial de suelo, sino también debido a sus efectos aguas abajo, tales como la deposición de sedimentos en embalses. En este trabajo, la producción de sedimentos se estudio a dos escalas espaciales: una cuenca pequeña y una grande en el noreste de los Pirineos orientales. La cuenca pequeña es Cal Rodó (4,2 km2), y la grande es la cuenca Alta Llobregat del Río Llobregat (504 km2), donde a la salida se encuentra el embalse de La Baells, la primera cuenca está anidado dentro de la última. <br/>En Cal Rodó, el objetivo fue determinar y comparar los intervalos de confianza de la carga de sedimentos en suspensión a escala de evento y a escala anual. Los datos utilizados abarcan 10 años (1996-2005). Estos incluyen muestras discretas de agua recogidas por un muestreador automático de agua, lecturas de turbidez proporcionada por un sensor de infrarojo de turbidez, un sensor de ultrasonidos, y mediciones de la lámina de agua. Todo conectado a un registrador de datos. <br/>La incertidumbre de producción de sedimentos fueron evaluados por simulaciones de Monte Carlo usando la función de distribución de la carga de sedimentos y modelación de residuales. La producción total para el periodo estudiado y estimada a través de la calibración de sensores de turbidez fue 17,217.0 Mg (4,1 Mg/ha/año) y su intervalo de confianza al 90% está entre 16,311.4 Mg y 18,395.8 Mg. Por otra parte la producción de sedimentos a través de las curvas de transporte de sedimento a escala anual fue de 103,441.0 Mg (24,6 Mg/ha/año), y su intervalo de confianza oscila entre 49,107.0 Mg y 254,803.0 Mg. Las conclusiones generales son que la incertidumbre de la carga de sedimentos por las curvas de transporte de sedimentos son amplias (> 300%) y que la producción de sedimentos se sobreestimo en un orden de magnitud. Una buena distribución de las muestras en todo el hidrograma es necesaria, a fin de desarrollar las curvas de transporte más fiable. <br/>La segunda fase de este estudio fue realizada en la cuenca Alta del Río Llobregat donde la cubierta del suelo es principalmente bosque de coníferas y pastos, con presencia de algunas zonas intensamente erosionadas (badlands). El promedio anual de erosión de suelo se estimó cuantitativamente a través de RUSLE integrado en SIG. Los datos tratados provienen de las precipitaciones registradas en ocho estaciones meteorológicas que abarcan 14 años (1991-2004), las propiedades físicas del suelo, el inventario de cubierta vegetal, las características de gestión del suelo y un modelo digital de elevaciones. Todo ello se utilizó como entradas (inputs) para generar cada uno de los factores de RUSLE, las imágenes tienen una resolución de 20 m. La producción de sedimentos se calculó mediante la aplicación de una tasa de entrega de sedimentos (sediment delivery ratio SDR) a los resultados obtenidos por RUSLE. <br/>También se llevaron a cabo análisis de sensibilidad para cada uno de los factores de RUSLE y una evaluación de la incertidumbre global de erosión de suelo. Adicionalmente diversos escenarios de erosión de suelos debido al Cambio Global fueron desarrollados. La producción de sedimentos media anual fue de 3,35 Mg/ha/año y el intervalo de confianza al 90% fue entre 0,95 y 13,7 Mg/ha/año. Estos resultados son similares a los resultados de un estudio previo de batimetría del embalse el cual fue de 4.54 Mg/ha/año, y su intervalo de confianza al 90% fue entre 4,29 Mg/ha/año y 4,79 Mg/ha/año. El mapa de riesgos de erosión muestra que pequeñas áreas altamente erosionables (5%) producen el 50% de sedimento.

A better understanding of soil erosion and sediment yield in mountainous areas is needed, for management purposes and to envisage uncertainties when developing soil erosion models. In this thesis, sediment yield estimates and associated uncertainties were studied at two spatial scales: a small catchment (Cal Rodó 4.2 km2) and a relatively large basin (Upper Llobregat Basin 504 km2), the former is nested within the latter, in the SE Pyrenees, Spain. <br/>In Cal Rodó stream which is characterized by an event based regime, is assessed the uncertainty of suspended sediment load (SSL) at event and annual scales. SSL in streams are currently estimated using diverse types of sediment rating curves (SRC) that allow the interpolation and extrapolation of the discrete observations of sediment concentrations to the whole range of recorded discharges. However, the accuracy of outcomes using SRCs in mountain event based streams is still unknown. The parameters of the non-linear relationship are obtained by a log transformation and then a bias correction factor is applied, based on the residual analysis. The uncertainty of SSL can be assessed by using Monte-Carlo approaches based on the simulation of residuals. Nevertheless, when these methods are going to be applied in streams with a regime characterized by events, it is necessary to verify if different events have different discharge-concentration relationships; if this occurs, the role of events must be taken into account in the load analyses, as they modify the structure of the residuals. Results showed that when SRCs are used for interpolation between samples, paying attention to the role of events allows to avoid nonlinear bias overcorrection and to reduce the uncertainty associated with the sediment load estimates. The sediment yield from annual and seasonal rating curves were 6.0 and 5.1 times larger than the estimated by sensor calibrations. Therefore a good distribution of samples throughout the hydrograph needs to be ascertained in order to develop reliable SRCs. <br/>The second part of this research deals with soil erosion and sediment yield assessment and its associated uncertainties in the Upper Llobregat River Basin. Land cover is mainly coniferous forest and pastures with some intensely eroded areas (badlands). Annual average soil erosion was quantitatively estimated with an integration of GIS and the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). Maps for each of the factors involved where obtained with a 20 m resolution. Rainfall dataset from eight weather stations and spanning 14 years, soil properties, land cover inventory, land management features and digital elevation model were used as resource datasets to generate each of the RUSLE factor maps. <br/>Annual average sediment yield was computed by applying a sediment delivery ratio to the results obtained by RUSLE, and this result was compared with an existing bathymetric survey. Uncertainty and sensitivity analyses were undertaken for each of the RUSLE factors, in order to assess its magnitude and determine which of the factors influences the most the soil loss estimate. Results show that the annual average sediment yield was 3.35 Mg km-2 yr-1 and its confidence interval lied between 0.95 and 13.7 Mg km-2 yr-1 with 90% confidence. These results are in agreement with results from reservoir bathymetric survey. Additional comparisons of estimated sediment yield were done with empirical methods such as PSIAC and FSM. Erosion risk maps showed that about 5% of the area generated 50% of soil loss. These areas are located in steep slopes and coincide in many cases with badlands which are near the streams. Finally, sediment yield changes under climate conditions for the late 21st Century where not relevant, whilst spreading agricultural activity as in the 1950's had a relevant increase in sediment yield.