Sediment transport and processes in a highly regulated river. The lower Ebro, NE Iberian Peninsula.

Abstract

Aquesta tesi estudia el transport de sediment i els processos fluvials associats al tram baix del riu Ebre al llarg de dos anys hidrològicament mitjans (2002-2004). El transport de sediment, que inclou tant la càrrega de fons com el sediment en suspensió, s'ha mesurat aigües amunt i avall del complex d'embassaments Mequinenza-Riba-roja-Flix. Els canvis morfològics i granulomètrics s'han analitzat aigües avall de la presa de Flix. La càrrega mitjana anual de sediment aigües amunt de les preses és de 1,64·106 tones, de les quals un 99% ho són en suspensió. El transport mig anual aigües avall dels embassaments és de 0,45·106 tones (60% en suspensió i 40% com a càrrega de >fons). Els embassaments retenen al voltant del 95% de la càrrega transportada en suspensió. El transport mitjà anual aigües avall de la presa de Flix representa el 3% del que el riu transportava a l'inici del segle XX en absència d'embassaments. La major part del sediment que el riu transporta actualment prové, per tant, de la pròpia llera, fet que causa una incisió mitjana anual d'uns 30 mm. Una part molt important de la càrrega transportada anualment es produeix durant avingudes d'alta magnitud. Per exemple, el transport aigües amunt de les preses durant les crescudes de febrer i març de 2003 (Q10, 2.600 m3/s) va ser de 1.700.000 tones de sediment. La concentració mitjana de sediment en suspensió durant aquests episodis va ser de 0,5 g/l i la taxa mitjana de càrrega de fons de 100 g/ms. El sediment transportat com a càrrega de fons va representar un 1,5% del total del sediment transportat. Aigües avall de la presa de Flix el riu va transportar 175.000 tones de sediment durant les mateixes crescudes, la meitat com a càrrega de fons. La concentració mitjana de sediment en suspensió fou de 0,05 g/l i la taxa mitjana de càrrega de fons va ser de 150 g/ms. Ambdós modes de transport tenen una gran variabilitat temporal i espacial. La distribució granulomètrica del material del llit està directament controlada per la competència del flux i per la disponibilitat de sediment. Les crescudes d'alta magnitud de 2002-2003 van mobilitzar la cuirassa superficial, incrementant la disponibilitat de sediment (material subsuperficial) i causant una notable incisió de la llera. Contràriament, durant el 2003-2004 el cabal no fou suficientment competent per mobilitzar les fraccions més grolleres i, conseqüentment, el procés dominat fou el de re-acuirassament del llit del riu. Ambdós anys mostren un cicle complert de incisió-acuirassament. Els canvis en la morfologia fluvial aigües avall de la presa de Flix durant la segona meitat del segle XX mostren la pèrdua d'àrees sedimentàries actives (disponibilitat de sediment) degut a la colonització per la vegetació de ribera, i la disminució de l'amplada de la llera (20%), reduint, conseqüentment, la secció activa d'aquesta. La manca de sediment i la reducció de les crescudes controlen els canvis en la morfologia fluvial a mig i llarg termini.

Esta tesis estudia el transporte de sedimento y los procesos fluviales asociados en el tramo bajo del río Ebro durante dos años hidrológicamente medios (2002-2004). El transporte de sedimento, que incluye tanto la carga de fondo como el sedimento en suspensión, se ha muestreado aguas arriba y abajo del complejo de embalses Mequinenza-Ribarroja-Flix. Los cambios morfológicos y granulométricos se han analizado aguas abajo de la presa de Flix. La carga media anual de sedimento aguas arriba de las presas es de 1,64·106 toneladas, de las cuales un 99% lo son en suspensión. El transporte medio anual aguas abajo de los embalses es de 0,45·106 toneladas (60% en suspensión y 40% como carga de fondo). Los embalses retienen alrededor del 95% de la carga en suspensión. El transporte medio anual aguas abajo de la presa de Flix representa el 3% de lo que el río transportaba al principio del siglo XX en ausencia d'embalses. La mayor parte del sedimento que el río transporta actualmente proviene, por lo tanto, del propio cauce, hecho que causa una incisión media anual de 30 mm. Una parte muy importante de la carga transportada anualmente lo es durante avenidas de alta magnitud. Por ejemplo, el transporte aguas arriba de las presas durante las crecidas de febrero y marzo de 2003 (Q10, 2.600 m3/s) fue de 1.700.000 toneladas de sedimento. La concentración media de sedimento en suspensión durante estos episodios fue de 0,5 g/l y la tasa media de carga de fondo de 100 g/ms. El sedimento transportado como carga de fondo representó un 1,5% del total del sedimento transportado. Aguas abajo de la presa de Flix el río transportó 175.000 toneladas de sedimento durante las mismas crecidas, la mitad como carga de fondo. La concentración media de sedimento en suspensión fue de 0,05 g/l y la tasa media de carga de fondo fue de 150 g/ms. Ambos modos de transporte tienen una gran variabilidad temporal y espacial. La distribución granulométrica del material del lecho está directamente controlada por la competencia del flujo y por la disponibilidad de sedimento. Las crecidas de alta magnitud de 2002-2003 movilizaron la coraza superficial, incrementando la disponibilidad de sedimento (material subsuperficial) y causando una notable incisión del cauce. Contrariamente, durante 2003-2004 el caudal no fue suficientemente competente para movilizar las fracciones más gruesas y, consecuentemente, el proceso dominante fue el de re-acorazamiento del lecho del río. Ambos años muestran un ciclo completo de incisión-acorazamiento. Los cambios en la morfología fluvial aguas abajo de la presa de Flix durante la segunda mitad del siglo XX muestran la pérdida de áreas sedimentarias activas (disponibilidad de sedimento) debido a la colonización por vegetación de ribera, y la disminución de la anchura del cauce (20%), reduciendo, como consecuencia, la sección activa. La falta de sedimento y la reducción de las crecidas controlan los cambios en la morfología fluvial a medio y largo plazo.

The sediment transport and the associated fluvial processes have been analysed in the large impounded lower Ebro River during two representative hydrological years (2002-2004). Sediment transport, including both suspended and bedload, have been measured upstream and downstream the Mequinenza-Riba-roja-Flix reservoirs chain. Fluvial adjustments have been monitored downstream from the Flix Dam. Results indicate that the mean annual total load upstream from the dams is estimated at 1.64·106 tonnes, of which more than 99% is transported in suspension. The mean annual total load below the dams is estimated at 0.45·106 tonnes, of which 60% is transported in suspension and 40% as bedload. Reservoirs retain up to 95% of fine sediments transported by the river. Total load represents 3% of what was transported at the beginning of the 20th century in the absence of dams. Nowadays, sediment load downstream from the dams is almost all entrained from the riverbed, causing a mean riverbed incision of 30 mm per year. Sediment transport was particularly high during floods. Around 1,700,000 tonnes were transported upstream from the dams during the February and March 2003 floods (Q10 with a peak discharge of 2,600 m3/s), with mean suspended sediment concentrations of 0.5 g/l and mean bedload rates of 100 g/ms. Bedload represented approximately 1.5% of the total load. In contrast, 175,000 tonnes were transported at the downstream monitoring section, with mean suspended sediment concentrations of 0.05 g/l and mean bedload rates of 150 g/ms, showing a high degree of temporal and spatial variability. Bedload represented approximately half of the total load. The grain-size distribution of the riverbed materials has shown to be strongly related to flow competence and sediment availability. On one side, high competent discharges during 2002-2003 were able to entrain most coarse surface material (i.e., armour layer), increasing the availability of sediment to be transported (subsurface material), causing remarkable incision. On the other, discharges during 2003-2004 were not competent to move coarse particles and a re-armouring process occurred. Both years, including five natural floods and two flushing flows, have shown a complete incision-armouring cycle. Riverchannel adjustments during the second half of the 20th century include the loss of active sedimentary areas, hence sediment availability, due to vegetation encroachment (i.e. riparian forest), and channel narrowing (20%), thus reducing the active section of the channel. The lack of sediment transport and the reduction of frequent floods below the dams control the medium and long-term changes observed in river's channel morphology.