Assessing temporal variability and controlling factors on the hydrosedimentary response in Mediterranean catchments

Abstract

[eng] Assessing the hydrological response and suspended sediment transport in rivers is fundamental to improve the knowledge and management of water resources, floods, droughts, transmission of pollutants and soil erosion at catchment scale. The Mediterranean regions received special attention due to the seasonality of their climate, which promotes large differences in water resources availability between years and seasons. Furthermore, the land cover of most Mediterranean catchments have been strongly modified by humans over millennia creating a complex landscape causing a significant influence on the hydrosedimentary behaviour of fluvial systems. This thesis aims to determine the effects of basin lithology, land uses and temporal scales on runoff generation and suspended sediment transport dynamics in representative Mediterranean catchments. Continuous measurements in hydrometric stations were used over a five-year period at: a) Small Mediterranean catchments (i.e. < 10 km2) characterised by contrasting land uses and lithology, where rainfall-runoff relationships were carried out at multiple temporal scales to achieve a better understanding of the hydrological response. b) A representative small mid-mountainous Mediterranean catchment (i.e. Es Fangar, 3.4 km2), where the role of soil moisture in water and suspended sediment fluxes were investigated during five hydrological years. c) Two medium size Mediterranean catchments (i.e. Búger in Mallorca, 68.2 km2; Carapelle, in Southern Italy, 506 km2) selected to analyse the most relevant driven factors affecting the flow regime and to quantify the runoff and suspended sediment yields at different temporal scales. In the small Mediterranean catchments, the assessment of the hydrological response at multiple temporal scales depicted how non-linearity increased from annual to event scale in the rainfall-runoff relationships according to basin lithology. At the annual scale, the rainfall-runoff relationship in impervious catchments showed a significant linearity, whereas pervious lithology increased substantially the non-linearity of this relationship. A large intra-annual variability was observed in the seasonal runoff contribution according to the dynamics of rainfall and evapotranspiration throughout the year that leads to a succession of wet (winter), dry (summer) and transition periods (last autumn and early spring). Such periods generated different seasonal catchment moisture conditions for runoff generation at the event scale, being a breakdown point for the non-linearity of the rainfall-runoff relationship. As a result, at the event scale the non-linearity of the seasonal rainfall-runoff relationship increased from spring and winter to summer. Furthermore, differences in runoff amount and rainfall-runoff linearity were observed in relation to lithology and land use characteristics. The event scale rainfall-runoff relationships showed that floods occurred in catchments with impervious lithology had stronger linearity and larger runoff values than catchments with pervious lithology. In addition, the assessment of rainfall-runoff relationships according to land uses showed how agriculture promoted the highest correlations attributable to lower vegetation cover. In the small mid-mountainous Es Fangar catchment and also in the medium size Búger and Carapelle catchments, the spatial distribution of physical driving factors (lithology and land cover) and human structures (terraces and check dams) influenced the annual sediment yields. In Es Fangar and Búger catchments, the afforested headwaters characterised by carbonate materials promoted low runoff and suspended sediment response. Lowland areas were characterised by higher suspended sediment availability than headwaters due to higher coupling with the main channel system in areas with deeper soil profiles over softer marl soils predominantly covered by rainfed herbaceous crops. However, in these areas soil conservation structures avoided rill erosion, laminated runoff and retained soil. In Carapelle catchment, median annual sediment yield were two orders of magnitude higher (i.e. 267.8 t km2 yr-1) than in Es Fangar (i.e. 4.5 t km2 yr-1) and Búger (i.e. 1.4 t km2 yr-1) catchments because agricultural areas with seasonal vegetation cover and less pervious materials were the driving factor of suspended sediment transport. Additionally, collapsed check dams in Carapelle promoted riverbed erosion increasing the sediment supply. A large inter- and intra-annual variability of the sediment load was also observed. As a result, the seasonal assessment in Es Fangar and Búger catchments showed that >80% of sediment was generated during autumn and winter. At the event scale, soil moisture and rainfall depth accumulated during one day before the event strongly correlated with the runoff response in Es Fangar and Búger catchments because limestone lithology promoted a high threshold for runoff generation. This process was observed mainly during wet periods, when the highest values of runoff, peak discharge and sediment load were recorded. In Es Fangar catchment, runoff and peak discharge showed the closest correlations with sediment load, being most significant in autumn and winter. In the Carapelle catchment, the largest sediment contributions were controlled by rainfall amount and intensities and largest runoff events, suggesting that the larger area covered by agriculture controlled the hydrological response and suspended sediment transport. In Es Fangar and Búger catchments, the highest frequency of clockwise discharge-suspended sediment concentration hysteresis revealed that most of the sediment was generated from nearby sources, illustrating the strong influence of the spatial distribution of basin lithology, land use and terraces on the suspended sediment transport. Thus, in Es Fangar catchment the soil moisture-discharge hysteresis illustrated how high moisture content during the wet period enabled the increase of flow and sediment conveyance by activating less available sediment sources as counter-clockwise discharge-suspended sediment concentration hysteresis occurred. In the Carapelle catchment, the highest frequency of counter-clockwise discharge-suspended sediment concentration hysteresis confirmed that the larger area of agricultural land promoted the sediment availability from the whole catchment. The results of this thesis confirmed that physical driving factors (lithology and land cover) and the conservation state of human structures (terraces and check dams) exerts a strong control in the hydrological response and suspended sediment transport. The spatial distribution, patchiness and interaction between these driving factors explained water and sediment yields of the study catchments. The analysis of the runoff response and suspended sediment transport from the annual to the event scale allowed to identify the hydro-meteorological driving factors and how these are related to the physical and human features of the catchments. The characterization of catchment features from a evidence-based approach has demonstrated to be essential for understanding the hydrosedimentary response to move towards an integrated management catchment process useful to simulate multiple future scenarios of land use and climate change.

[cat] Avaluar la resposta hidrològica i el transport de sediment en suspensió a escala de conca de drenatge és fonamental per millor el coneixement i la gestió dels recursos hídrics, inundacions, sequeres, transmissió de contaminats i l’erosió del sòl. La regió mediterrània ha rebut una atenció especial ja que l’estacionalitat del seu clima promou grans diferències en la disponibilitat dels recursos hídrics entre anys i estacions. A més, els usos del sòl de la majoria de les conques mediterrànies han estat modificats per l’home durant segles creant -amb la interacció de la litologia- un paisatge complex, el qual influencia la resposta hidrològica i el transport de sediment. Aquesta tesi té com a objectiu determinar els patrons d’escolament i les dinàmiques del transport de sediment en suspensió en conques mediterrànies representatives, avaluant com aquests patrons canvien al llarg del temps a causa de la variabilitat inter- i intra-anual. La monitorització contínua del cabal i la concentració del sediment en suspensió a partir de xarxes hidromètriques s’ha analitzat durant un període de cinc anys a: a) Petites conques de drenatge mediterrànies (i.e. < 10 km2) caracteritzades per usos del sòl i litologies, on la relació precipitació-escolament a múltiples escales temporals es va dur a terme per comprendre millor la seva resposta hidrològica. b) Una petita conca mediterrània representativa de mitja muntanya (Es Fangar; 3,4 km2), on el paper de la humitat del sòl en els fluxos d’aigua i sediment en suspensió s’analitzaren durant cinc anys hidrològics. c) Dues conques mediterrànies (Búger 68,2 km2 i Carapelle 506 km2) foren seleccionades per tal d’identificar els factors principals que influeixen en el règim hidrològic i quantificar la generació d’escolament i el transport de sediment en suspensió a diverses escales temporals. A les conques mediterrànies petites, l’avaluació a múltiples escales temporals de la resposta hidrològica mostrà com la no linealitat de la relació precipitació-escolament incrementà de l’escala anual a l’escala d’episodi. A escala anual, la relació precipitació-escolament mostrà una linealitat significativa en conques de litologia impermeable, mentre que la no linealitat incrementà en conques de litologia permeable. Una gran variabilitat intra-anual s’observà a la contribució estacional de l’escolament en concordança a les dinàmiques de precipitació i l’evapotranspiració al llarg de l’any, els quals van generar una successió de períodes humits (hivern), secs (estiu) i de transició (final de tardor i principi de primavera). Aquests períodes generaren diferents condicions estacionals de la humitat del sòl a la conca per a la generació d’escolament a escala d’episodi, sent-ne el punt clau de partida per a la no linealitat en la relació precipitació-escolament. Com a resultat, a escala d’episodi la no linealitat estacional de la relació precipitació-escolament incrementà des de l’hivern i la primavera fins a l’estiu. A més, s’observaren diferències en el volum d’escolament i la linealitat de la precipitació-escolament segons la litologia i els usos del sòl. En concordança amb els resultats obtinguts a escala anual, els episodis en conques de litologia impermeable tingueren una major linealitat i un major volum d’escolament que els episodis de les conques amb litologia impermeable. Endemés, la relació precipitació-escolament establerta sota diferents usos del sòl mostrà com els usos agrícoles obtingueren la correlació més alta a causa d’una menor cobertura vegetal. A les conques des Fangar, Búger i Carapelle els valors anuals d’exportació de sediment obtinguts estan influenciats per la distribució espacial dels factors físics (litologia i usos del sòl) i les estructures antròpiques (marjades, parats i preses de laminació). A les conques des Fangar i Búger, les capçaleres aforestades caracteritzades per materials carbonatats varen promoure una resposta baixa en la generació d’escolament i en el transport de sediment. Les zones baixes de la conca es caracteritzen per una major disponibilitat de sediment que les capçaleres per mor d’una major connectivitat amb el canal principal en àrees amb major desenvolupament edàfic en zones agrícoles margoses. No obstant això, en aquestes zones les estructures de conservació del sòl eviten l’erosió, laminen l’escolament i retenen el sòl. A la conca de Carapelle, els valors mitjans de taxa anual de producció de sediment (i.e. 267,8 t km2 a-1) foren majors que a les conques des Fangar (i.e. 4,5 t km2 a-1) i Búger (1,4 t km2 a-1) perquè les zones agrícoles amb cobertura vegetal estacional i els materials menys permeables foren els factors físics impulsors del transport de sediment, generant així les majors contribucions de sediment. Per afegitó, a la conca de Carapelle el col·lapse de preses de laminació afavorí l’erosió del llit del riu incrementat el volum de sediment. No obstant això, s’observà una gran variabilitat inter- i intra-anual de l’exportació de sediment. Així doncs, l’anàlisi realitzada a les conques des Fangar i Búger demostrà que el 80% del sediment es generà durant la tardor i l’hivern. En aquest sentit, a escala d’episodi la humitat del sòl i la precipitació antecedent un dia abans de l’episodi afectaren significativament la resposta de l’escolament de les conques des Fangar i Búger, respectivament. Aquest fet va ocórrer principalment durant períodes humits quan s’observaren els valors majors en escolament, pic de cabal i exportació de sediment. A més, a la conca des Fangar la correlació de l’escolament i el pic de cabal foren significatives amb l’exportació de sediment, incrementant aquesta significança durant la tardor i l’hivern. A la conca de Carapelle, les majors contribucions de sediment foren controlades pel volum i intensitat de la precipitació i els valors més grans d’escolament, els quals suggereixen que la gran extensió agrícola controla la resposta hidrològica i el transport de sediment en suspensió. A les conques des Fangar i Búger, la major freqüència de les histèresis horàries entre cabal i concentració de sediment en suspensió indicaren que la major part del sediment fou generat d’àrees pròximes a la sortida de la conca, confirmant la forta influència de la distribució espacial de la litologia, usos del sòl i marjades sobre el transport de sediment en suspensió. De fet, a la conca des Fangar les histèresis entre humitat del sòl i cabal mostraren com les situacions d’elevada humitat del sòl durant períodes humits incrementaren l’eficiència en els fluxos d’aigua i sediment connectant aquelles zones de sediment menys disponibles ja que la histèresi cabal-concentració de sediment en suspensió fou de gir antihorari. A la conca de Carapelle, la major freqüència de les histèresis antihoràries de cabal-concentració de sediment en suspensió confirmà que les àrees agrícoles estenen les fonts de sediment disponibles a gran part de la superfície de la conca. Els resultats d’aquesta tesi confirmen que els factors físics (litologia i usos del sòl) i l’estat de preservació de les estructures de conservació del sòl (marjades, parats i preses de laminació) exerceixen un control fort sobre la resposta hidrològica i el transport de sediment en suspensió. La distribució espacial, l’heterogeneïtat i la interacció entre aquests factors explicaren els volums d’aigua i de sediment de les conques seleccionades. L’anàlisi de la resposta hidrològica i del transport de sediment en suspensió ha permès identificar els factors hidrometeorològics més importants i com aquests estan relacionats amb les característiques físiques i humanes de les conques. Per tant, caracteritzar les conques des d’aquest punt de vista científic ha demostrat ser fonamental per comprendre la generació d’escolament i el transport de sediment per tal d’avançar cap a un procés de gestió de conques que ha de permetre simular múltiples escenaris futurs front al canvi d’usos del sòl i canvi climàtic.

[spa] Evaluar la respuesta hidrológica y el transporte en suspensión a escala de cuenca de drenaje es fundamental para mejorar el conocimiento y la gestión de los recursos hídricos, inundaciones, sequías, transmisión de contaminantes y la erosión del suelo. La región mediterránea ha recibido una especial atención debido a que la estacionalidad de su clima genera importantes diferencias inter- e intra-anuales en la disponibilidad de los recursos hídricos. Además, los usos del suelo de la mayoría las cuencas mediterráneas han sido ampliamente modificados durante siglos creando -juntamente con la interacción de la litología- un paisaje complejo, influenciando la respuesta hidrológica y del transporte de sedimento. Esta tesis tiene como objetivo determinar los patrones de escorrentía y las dinámicas del transporte de sedimento en suspensión en cuencas mediterráneas representativas. La monitorización continua del caudal y la concentración del sedimento en suspensión mediante redes hidrométricas se analizó durante un periodo de cinco años en: a) Pequeñas cuencas de drenaje mediterráneas (i.e. < 10 km2) caracterizadas por usos del suelo y litologías distintas, donde se analizó la relación precipitación-escorrentía a múltiples escalas temporales para comprender mejor su respuesta hidrológica. b) Una pequeña cuenca mediterránea representativa de ambientes de media montaña (Es Fangar; 3,4 km2), donde la humedad del suelo interviene notablemente en los flujos de agua y sedimento, analizándose estas variables durante cinco años hidrológicos. c) Dos cuencas mediterráneas (Búger 68,2 km2 y Carapelle 506 km2) se seleccionaron para identificar los factores principales que influyen en el régimen hidrológico, la generación de escorrentía y el transporte de sedimento en suspensión en multitud de escalas temporales. En pequeñas cuencas mediterráneas, la evaluación a múltiples escalas temporales de la respuesta hidrológica reflejó como la no linealidad de la relación precipitación-escorrentía se incrementó de escala anual a escala evento. A escala anual, la relación precipitación-escorrentía tuvo una linealidad significativa en cuencas con litología impermeable, mientras que la no linealidad fue mayor en cuencas con litología permeable. Una gran variabilidad intra-anual se observó en la contribución estacional de la escorrentía de acuerdo con la alternancia de dinámicas de precipitación y evapotranspiración a lo largo del año, generando la sucesión de periodos húmedos (invierno), secos (verano) y de transición (finales de otoño e inicio de primavera). Estos periodos impusieron distintas condiciones estacionales de humedad del suelo en la cuenca para la generación de la escorrentía a escala evento, siendo un elemento clave de partida para la no linealidad en la relación precipitación-escorrentía. Como resultado, a escala evento la no linealidad estacional de la relación precipitación-escorrentía fue incrementándose de invierno y primavera a verano. Además, se observaron diferencias en el volumen de escorrentía y la linealidad precipitación-escorrentía según litología y usos del suelo. De acuerdo con los resultados obtenidos a escala anual, los eventos en cuencas con litología impermeable obtuvieron una mayor linealidad y un mayor volumen de escorrentía que los eventos en cuencas con litología permeable. Además, la relación precipitación-escorrentía establecida según usos del suelo demostró como los usos agrícolas tuvieron mayor correlación atribuible a una menor cobertura vegetal. En las cuencas de Es Fangar, Búger y Carapelle los valores anuales de exportación de sedimento obtenidos están influenciados por la distribución espacial de los factores (litología y usos del suelo) y las estructuras antrópicas (terrazas y presas de laminación). En las cuencas de Es Fangar y Búger, las cabeceras forestadas caracterizadas por materiales carbonatados promovieron una respuesta baja de la generación de escorrentía y del transporte de sedimento. Las zonas bajas de las cuencas, se caracterizan por una mayor disponibilidad de sedimento que las cabeceras ya que tienen una mayor conectividad con el canal en áreas con mayor desarrollo edáfico en zonas agrícolas margosas. No obstante, en estas zonas las estructuras de conservación del suelo evitan la erosión, laminan la escorrentía y retienen el suelo. En la cuenca de Carapelle, la mediana de los valores de la tasa anual de producción de sedimento (i.e. 267,8 t km2 a-1) fue mayor que en las cuencas de Es Fangar (i.e. 4,5 t km2 a-1) y Búger (1,4 t km2 a-1) debido a que las zonas agrícolas con cobertura vegetal estacional y materiales menos permeables fueron aquellos factores físicos que promovieron el transporte de sedimento, generando así una mayor contribución de sedimento. Además, en la cuenca de Carapelle, el colapso de las presas de laminación favoreció una mayor aportación de sedimento al incrementar la erosión del cauce. Sin embargo, se observó una gran variabilidad inter- e intra-anual de la exportación de sedimento. De hecho, el análisis en las cuencas de Es Fangar y Búger demostró que el 80% del sedimento se generó durante otoño e invierno. De este modo, a escala de evento la humedad del suelo y la precipitación antecedente un día antes del evento influenciaron de forma significativa la generación de escorrentía en las cuencas de Es Fangar y Búger, respectivamente. Este proceso tuvo lugar principalmente durante periodos húmedos en los que se registraron los mayores valores de escorrentía, pico de caudal y exportación de sedimento. Además, en la cuenca de Es Fangar la correlación de la escorrentía y pico de caudal fue significativa con la exportación de sedimento, siendo mayor esta significancia en otoño e invierno. En la cuenca de Carapelle, las mayores contribuciones de sedimento se generaron debido al volumen e intensidad de la precipitación y los valores mayores de escorrentía, los cuales sugieren que la gran extensión agrícola controla la respuesta hidrológica y el transporte de sedimento en suspensión. En las cuencas de Es Fangar y Búger, la mayor frecuencia de histéresis horarias entre caudal y concentración de sedimento en suspensión indicaron que la mayor parte del sedimento fue generado en áreas cercanas a la salida de la cuenca, confirmando la fuerte influencia de la distribución espacial de la litología, usos del suelo y terrazas en el transporte de sedimento en suspensión. Así, en la cuenca de Es Fangar las histéresis entre humedad del suelo y caudal reflejaron como en situaciones de máxima humedad del suelo se incrementó la eficiencia en los flujos de agua y sedimento conectando zonas de sedimento menos disponibles ya que las histéresis caudal-concentración de sedimento en suspensión fueron de giro antihorario. En la cuenca de Carapelle, la mayor frecuencia de las histéresis antihorarias de caudal-concentración de sedimento en suspensión confirmó que las áreas agrícolas extienden las fuentes de sedimento disponibles a la mayoría de la superficie de la cuenca. Los resultados de esta tesis confirman que los factores físicos (litología y usos del suelo) y el estado de preservación de las estructuras de conservación del suelo (terrazas y presas de laminación) ejercen un fuerte control sobre la respuesta hidrológica y el transporte de sedimento en suspensión. La distribución espacial, la heterogeneidad y la interacción entre estos factores explican los volúmenes de agua y sedimento de las cuencas seleccionadas. El análisis de la respuesta hidrológica y del transporte de sedimento en suspensión ha permitido identificar los factores hidrometeorológicos más relevantes y cómo estos interaccionan con las características físicas y humanas de las cuencas. Por lo tanto, caracterizar las cuencas desde este punto de vista científico ha demostrado ser fundamental para comprender la generación de escorrentía y el transporte de sedimento y así avanzar hacia un proceso de gestión de cuencas que debería permitir simular múltiples escenarios futuros de cambio en los usos del suelo y del cambio climático.