Geomorphic responses to natural and human disturbances in a mountain catchment at multiple temporal and spatial scales

Abstract

Aquesta tesis es centra en l’estudi de la transferència d’aigua i sediments des de les àrees font de sediments fins les zones de sedimentació a múltiples escales temporals (des de dades amb una freqüència de cinc minuts fins informació de tot un segle) i espacials (des de vessants fins a conques), i les seves implicacions en la morfologia de la llera de la conca de l’Alt Cinca, una conca de muntanya localitzada al vessant sud dels Pirineus. A escala de micro-conca, les dades d’alta resolució obtingudes durant 5 anys en dos badlands contrastats (0.3 ha cadascun) revelen com la pluja controla els processos erosius associats a l’escolament superficial, m’entre que les baixes temperatures tenen una relació significativa amb els processos de moviments en massa. La morfometria d’aquestes superfícies, conjuntament amb la cobertura vegetal són factors clau que determinen els principals processos geomorfològics i els associats canvis topogràfics. Els principals processos observats han estat seqüències d’Erosió i Sedimentació (Cutting and Filling) i Moviments Gravitacionals (Mass Wasting). Tot i que els badlands tenen un paper important en la producció de sediments, el balanç de sediments de la conca del riu Soto (10 km2) indica que aquestes superfícies no sempre controlen l’exportació de sediments a la sortida de petites conques de muntanya amb caràcter intermitent. Aquest fet és degut a la fluctuació de la connectivitat funcional de la xarxa de drenatge causada per la freqüència i magnitud dels polsos d’aigua i sediments durant crescudes sobtades o flashy. La xarxa de drenatge actua com a font i zona d’emmagatzematge de sediments i es clau per entendre les marcades diferències que hi ha en la proporció del sediment que s’exporta en relació a la producció o també anomenat Sediment Delivery Ratio. Els canvis en els usos de sòl en moltes conques de muntanya constatats des de els anys 50 del segle XX tenen un efecte directe en la generació d’escolament (quantitat i magnitud) i en la producció de sediments. La majoria de la superfície de la conca de l’Alt Cinca (1565 km2) ha sofert aforestació, que ha resultat en una reducció de la connectivitat sedimentaria estructural. La construcció de terrasses afecta la connectivitat molt més que els canvis en la coberta del sòl. Les terrasses generalment redueixen la connectivitat degut a l’establiment de zones planes entre mig de zones en pendent. Contràriament, a una escala més local, les terrasses poden incrementar la connectivitat degut a la convergència de flux produïda per les pròpies estructures, o per la caiguda d’aquestes degut a l’abandonament. La construcció de carreteres modifica el pendent i la xarxa de drenatge, fet que comportarà canvis en la connectivitat estructural, que a la vegada poden afectar els processos erosius en les zones veïnes. Així, els fluxos d’aigua i sediments a la conca de l’Alt Cinca han estat àmpliament modificats durant l’últim segle, amb implicacions directes en la forma de la llera. A més a més, impactes locals derivats de les extraccions d’àrids, construcció d’esculleres i embasaments també han condicionat la dinàmica sedimentaria d’aquest riu, amb un impacte directe sobre la morfologia. Aquesta situació ha generat una metamorfosis de la morfologia del riu en la part baixa de l’Alt Cinca (12 km), canviant d’un patró trenat, molt dinàmic, a un patró més estable amb una tendència cap a canal únic. Els resultats obtinguts indiquen que el tram d’estudi està assolint un nou equilibri morfo-sedimentari imposat pels canvis en els fluxos d’aigua i sediments ocorreguts en el darrer segle, incloent les pertorbacions antròpiques que han modificat la geometria del canal i les característiques morfològiques de la llera. S’han observat un total de tres fases en la seva evolució: abans de l’any 1927, el tram d’estudi es trobava en una situació de quasi-equilibri majoritàriament condicionada per les riuades. Entre l’any 1927 i 2012 el riu s’ha ajustat a les diferents pertorbacions que ha tingut a múltiples escales temporals i espacials. Aquest ajust s’ha portat a terme mitjançant dos canvis contrastats en les característiques morfològiques. Finalment, després de l’any 2012, els resultats indiquen que el riu pot haver assolit de nou un nou equilibri, ajustant-se als fluxos d’aigua i sediment imposats i a la nova configuració del canal. Aquesta tesis presenta innovadors mètodes quantitatius per a l’estudi de la producció de sediments i la transferència entre els diferents compartiments de les conques fluvials. La principal novetat en la majoria dels capítols de la tesis recau en l’elevada resolució, de les dades obtingudes, tant temporal com espacial. Els resultats obtinguts en aquesta tesi permeten entendre millor el funcionament dels sistemes fluvials i la seva evolució, aspectes claus per donar suport en la millora i gestió de conques hidrogràfiques de muntanya.

Esta tesis se centra en el estudio de la transferencia de agua y sedimentos desde las áreas fuente de sedimentos hasta las áreas de sedimentación a múltiples escales temporales (desde datos con una frecuencia de cinco minutos hasta información de un siglo) y espaciales (desde laderas hasta cuencas), y sus implicaciones en la morfología del cauce en la Cuenca del Alto Cinca (vertiente sur de los Pirineos). A escala de micro-cuenca, los datos de alta resolución obtenidos durante 5 años en dos badlands contrastados (0.3 ha cada uno) revelan como la lluvia controla los procesos erosivos asociados a la escorrentía superficial, mientras que las bajas temperaturas tienen una relación significativa con los procesos de movimientos en masa. La morfometría de estas superficies, conjuntamente con la cobertura vegetal, son factores clave que determinan los principales procesos geomorfológicos y los cambios topográficos asociados. Los principales procesos observados han sido secuencias de Erosión y Sedimentación (Cutting and Filling) y Movimientos Gravitacionales (Mass Wasting). Pese a que los badlands tienen un papel importante en la producción de sedimentos, el balance de sedimentos de la cuenca del rio Soto (10 km2) indica que estas superficies no siempre controlan la exportación de sedimentos a la salida de pequeñas cuencas de montaña con carácter intermitente. Esto principalmente se debe a la fluctuación de la conectividad funcional de la red de drenaje causada por la frecuencia y magnitud de los pulsos de agua y sedimentos durante las crecidas súbitas o flashy. La red de drenaje actúa como fuente y zona de almacenamiento de sedimentos, y es clave para entender las marcadas diferencias que hay en la proporción de sedimento que se exporta en relación a la producción o Sediment Delivery Ratio. Los cambios en los usos del suelo en muchas cuencas de montaña constatados desde los años 50 del siglo XX tienen un efecto directo en la generación de escorrentía (cantidad y magnitud) y en la producción de sedimentos. La mayoría de la superficie de la cuenca del Alto Cinca (1565 km2) ha sufrido forestación, que ha resultado en una reducción de la conectividad sedimentaria estructural. La construcción de terrazas afecta la conectividad mucho más que los cambios en la cobertura del suelo. A una escala más local, las terrazas pueden incrementar la conectividad debido a la convergencia de flujo producida por las propias estructuras, o por la caída de estas debido a su abandono. La construcción de carreteras modifica la pendiente y la red de drenaje, hecho que comporta cambios en la conectividad estructural, que a su vez pueden afectar a los procesos erosivos en las zonas vecinas. Así, los flujos de agua y sedimento en la cuenca del Alto Cinca han estado ampliamente modificados durante el último siglo, con implicaciones directas en la morfología del canal. Además, impactos locales derivados de las extracciones de áridos, construcción de escolleras y embalses también han condicionado la dinámica sedimentaria de este río, con un impacto directo sobre la morfología. Esta situación ha generado una metamorfosis de la morfología del río en la parte baja del Alto Cinca (12 km), cambiando de un patrón trenzado, muy dinámico, a un patrón más estable con una tendencia hacia el canal único. Los resultados obtenidos indican que el tramo de estudio está alcanzando un nuevo equilibrio morfo-sedimentario impuesto por los cambios en los flujos de agua y sedimentos ocurridos durante el último siglo, incluyendo las perturbaciones antrópicas que han modificado la geometría del canal y las características morfológicas del cauce. Se han observado un total de tres fases en su evolución: antes de 1927, el tramo de estudio se encontraba en una situación de casi-equilibrio, mayoritariamente controlada por las crecidas. Entre el año 1927 y 2012 el río se ha ajustado a las diferentes perturbaciones que ha tenido a múltiples escalas temporales y espaciales. Este ajuste se ha llevado a cabo mediante dos cambios contrastados en las características morfológicas. Finalmente, después del año 2012, los resultados indican que el río puede haber alcanzado un nuevo equilibrio, ajustándose a los flujos de agua y sedimento impuestos y la nueva configuración del canal. Esta tesis presenta innovadores métodos cuantitativos para el estudio de la producción de sedimentos y la transferencia entre los diferentes compartimentos de las cuencas fluviales. La principal novedad en la mayoría de los capítulos de la tesis recae en la elevada resolución de los datos obtenidos, tanto temporal como espacial. Los resultados obtenidos en esta tesis permiten entender mejor el funcionamiento de los sistemas fluviales y su evolución, aspectos clave para dar soporte y apoyo en la mejoría y gestión de cuencas hidrográficas de montaña.

This thesis focusses on the study of water and sediment transfer from sources to sinks at multiple temporal (from 5-min data to a century data sets) and spatial (from slope to catchment scales) scales and their implications for channel morphology in the Upper Cinca catchment, a mountain catchment located in the Southern Pyrenees. At the micro-catchment scale, our 5-year High Resolution Data Set of two contrasted badlands (around 0.3 ha each) reveal as rainfall control overland-surface flow processes while low temperatures have a significant relation with mass movement-based processes. Morphometry together with vegetation cover are key factors determining main geomorphic processes and associated topographic changes. Main observed geomorphic processes were Cutting and Filling and Mass Wasting. Although badlands may have an important role on sediment production, the 2-year sediment budget of the Soto catchment (10 km2) indicates that badlands do not always control the export of sediments at the outlet of small intermittent mountain catchments. This is mainly due to the fluctuation of the functional connectivity of the channel network caused by the frequency and magnitude of water and sediment pulses during flashy floods. The channel drainage network acts as sediment source and sink and it is key to understand marked differences in the Sediment Delivery Ration. Land use and cover in many mountain catchments have been modified since the fifties of the 20th century, having a direct effect on runoff and sediment production. Most of the area of the Upper Cinca catchment (1565 km2) has undergone afforestation, which resulted in a decrease of structural sediment connectivity. Terracing affects connectivity much more than changes in land cover. Terraces generally reduce connectivity due to the establishment of flat areas between slopes and, contrarily, locally, may increase connectivity due the convergence produced by the structures or the collapse of terraces due to abandonment. Road construction, however, modify slope and the drainage network, which leads to changes in connectivity that could affect erosional processes in the neighbouring areas. Thus, water and sediment fluxes through the Upper Cinca are spatially and temporal dynamic and have been dramatically modified in the last century, with direct implications on channel morphology. Additionally, localised disturbances such as gravel mining, channel embankments and dams have also impacted on sedimentary dynamics, thus channel morphology. This situation led to a river metamorphosis, changing from a braided pattern to a more static channel towards a wandering pattern. We hypothesise that the lowermost 12-km reach of the Upper Cinca has reaching a new equilibrium imposed by catchment-scale changes of water and sediment fluxes caused by global changes, but also influenced by localised human-disturbances that modify channel geometry and morpho-sedimentary characteristics. Three phases were identified: before 1927, the reach remained in a quasi-equilibrium state imposed, mainly, by water and sediment supply during flood events. During the period 1927-2012 the river adjusted to the disequilibrium imposed by disturbances acting at different temporal and spatial scales, yielding two contrasted channel states. Finally, after 2012, we hypothesise that the river may be reaching again a new equilibrium, adjusting to the imposed water and sediment fluxes and the new channel configuration. This thesis presents some novel quantitative methods for the study of sediment production and transfer between the different compartments of fluvial catchments. The main transversal novelty in all the methods used in each chapter lies in the high resolution of the data obtained. This comprehensive analysis aids at understanding the functioning of the river system and their evolution based on multiple-scale disturbances, which can help to support integrated watershed management practices or plans.