Soil hydrology in the Ribera Salada Catchment (Catalan PrePyrenees): application of hydrologic models for the estimation of hydrologic transitional regimes

Abstract

El principal objectiu d'aquesta investigació és estudiar la dinàmica hidrològica d'una conca Mediterrània<br/>afectada per canvis d'ús del sòl, mitjançant el monitoreig d'aquest i de l'aigua superficial. Aquest<br/>objectiu s'ha treballat a partir mesuraments de components del balanç hídric pels diferents tipus de<br/>cobertura i sòl, amb règims d'humitat i temperatura de transició.<br/>Aquest estudi s'ha realitzat a la conca de la Ribera Salada (Prepirineu meridional Català, al NE<br/>d'Espanya), amb una extensió de 222.5 km2, i un interval altitudinal de 420 a 2385 m i predomini de<br/>pendents entre 12 - 25 % i 25 - 50 %. El substrat consisteix en conglomerats calcaris massius, calcilutites<br/>i llims. La precipitació es de 507 i 763 mm. Amb sòls poc profunds, calcaris i pedregosos, essent<br/>majoritàriament Inceptisòls (Typic Calciusteps, Typic Haploustepts) i Entisòls (Typic Ustifluvents, Typic<br/>Udorthortents). A les zones més elevades de la conca, els sòls són més humits, degut a l'augment de la<br/>precipitació, on es produeixen processos de descarbonatació del sòl. L'ús del sòl és majoritàriament<br/>forestal, amb presència d'ecosistemes de ribera, subalpins i vegetació submediterrània. Algunes àrees es<br/>troben amb cultius de patata, cereal i pastures. Una de les característiques més importants d'aquesta<br/>conca són els canvis d'ús del sòl que ha patit en els últims 50 anys degut a l'abandó dels masos i cultius<br/>tradicionals. Es seleccionaren vuit llocs de mostreig considerant les següents cobertes: Quercus ilex, bosc<br/>de ribera, Pinus sylvestris, pastures, cultius (cereal-patata) i Pinus uncinata. A partir de l'any 1997 fins el<br/>2005, s'han anat monitorejant el contingut d'humitat del sòl, l'escolament i els cabals. Des del 2004 s'han<br/>anat anotant dades de drenatge. Les variables meteorològiques es mesuren a l'estació de Lladurs de la<br/>XAC (Xarxa Agrometeorològica de Catalunya).<br/>Els resultats obtenguts durant tres anys mostren una domini del règim d'humitat ústic (SSS, 2006), o xèric<br/>en aquells anys més secs. En la modelització de règims d'humitat i temperatura del sòl, s'utilitzaren els<br/>models de simulació NSM "Newhall simulation model" (Newhall, 1976) i JSM "Jarauta simulation<br/>model" (Jarauta 1989). NSM (Newhall,1976) tendeix a sobre estimar el règim d'humitat del sòl, però<br/>JSM (Jarauta, 1989) simula correctament el règim d'humitat del sòl (SSS, 2006) de la conca, funcionant<br/>millor en condicions intermitges d'humitat del sòl. Ambdós models simulen correctament el règim de<br/>temperatura dels sòls. Predomina un règim de temperatura mèsic-tèrmic, amb tendència a tèrmic els anys<br/>secs. A petita escala la profunditat del sòl, pendent, pedregositat i una alta porositat del sòl són factores<br/>que varien el règim d'humitat del sòl. La informació de sòl i clima, complementada mitjançant SIG, va<br/>permetre l'obtenció de mapes de règim d'humitat del sòl de la conca, a escala 1:50000, els quals<br/>permeten establir mediante simució els règims d'humitat del sòl en diferents escenaris de canvis<br/>meteorològics.<br/>El model TOPLATS ha sigut utilitzat en l'estimació de l'humitat del sòl en diferents usos del sòl. Aquest<br/>model fou calibrat amb les equacions del filtre Kalman estès (EKF), que deriven de la minimització del<br/>quadrat de la diferència entre els valors reals i els estimats (Goegebeur & Pauwels, 2007). Aquesta<br/>metodologia interrelaciona correctament els valors de pluja, humitat del sòl, escolament i infiltració,<br/>essent els valors d'humitat els que més s'aproximen als reals. Els resultats mostren que aquest filtre és<br/>una eina útil per estimar el volum d'aigua del sòl emmagatzemada en conques a escala puntual,<br/>assegurant una aplicació correcta del model hidrològic.<br/>Per la modelització del comportament de l'humitat del sòl i diferents components del balanç hídric<br/>s'utilitzà el modelo TOPLATS (Famiglietti & Wood, 1994). El model de simulació TOPLATS permite<br/>simulà acceptablement el comportament de l'humitat del sòl. Els resultats de infiltració, escolament,<br/>intercepció, evapotranspiració de referència i temperatura del sòl són correctes. Les diferències existents<br/>entre valors simulats i observats són: l'humitat del sòl no sobrepassa el 5%, la infiltració fluctua entre 4%<br/>i 15%, la diferència entre els valors reals i simulats d'evapotranspiració, depèn de l'estació de l'any,<br/>essent 1mm a l'hivern i 2.7 mm a l'estiu. La temperatura varia entre 0.01ºC i 3.5ºC. El model calibrat<br/>prediu amb precisió el comportament de les diferents components del balanç hídric. Respecte als valors<br/>mesurats d'aigua de drenatge correspon al 11-41 % de la pluja total.<br/>Respecte al balanç d'aigua en el sòl (&#916;SW), els valors són negatius durant cert període de l'any, arribant a<br/>valors crítics els mesos secs. La recuperació de humitat del sòl durant la resta de mesos succeeix de<br/>manera parcial. A la part mitja de la conca, alguns mesos els valors d'humitat del sòl s'acosten a<br/>condicions de punt de marchites (ecosistema submediterrani). A la part alta de la conca el sòl conserva<br/>humitat (ecosistema subalpí). Els valors de cabal trobats corresponen a aportacions per escolament el<br/>cuals són molt baixos. La majoria de les sortides es deuen a evapotranspiració, intercepció, infiltració i<br/>drenatge (en ordre de importància).

El principal objetivo de esta investigación es estudiar la dinámica hidrológica de una cuenca Mediterránea<br/>afectada por los cambios de uso del suelo, mediante el monitoreo del suelo y el agua superficial. Dicho objetivo<br/>se ha abordado a partir de la medición de componentes del balance hídrico para diferentes tipos de cobertura y<br/>suelo, considerando regimenes de humedad y temperatura de transición.<br/>Este estudio se ha realizado en la cuenca de la Ribera Salada (Prepirineo meridional Catalán, NE España) de<br/>222.5 km2, con un intervalo altitudinal de 420 a 2385 m y predominio de pendientes entre 12 - 25 % y 25 - 50<br/>%. El sustrato consiste en conglomerados calcáreos masivos, calcilutitas y limos. La precipitación anual es de<br/>507 y 763 mm. Los suelos són poco profundos, calcáreos y pedregosos, siendo en su mayoría Inceptisols<br/>(Typic Calciusteps, Typic Haploustepts) y Entisols (Typic Ustifluvents, Typic Udorthortents). En las partes<br/>altas de la cuenca los suelos son más húmedos, debido al aumento de la precipitación, allí ocurren procesos de<br/>descarbonatación del suelo. Predomina el uso forestal, con ecosistemas de ribera, subalpinos y vegetación<br/>submediterránea. Algunas áreas se dedican al cultivo de patatas, cereal y pastos. Una de las características más<br/>importantes de esta cuenca es los importantes cambios de uso del suelo sufridos en los últimos 50 años, debido<br/>al abandono de las masías y cultivos tradicionales.<br/>Se seleccionaron ocho sitios de muestreo, considerando las siguientes coberturas: Quercus ilex, bosque de<br/>ribera, Pinus sylvestris, pastos, cultivo (cereal-patata) y Pinus uncinata. A partir del año 1997 hasta 2005, se<br/>han venido monitoreando el contenido de humedad del suelo, escorrentía y caudales. Desde 2004 se vienen<br/>tomando datos drenaje. Las variables meteorológicas se miden la estación Lladurs perteneciente a la XAC<br/>(Xarxa Agrometeorológica de Cataluña).<br/>Los resultados obtenidos par un period de tres años muestran una predominancia del regimen de humedad<br/>ústico (SSS, 2006), o xérico en los años más secos. Se utilizaron los modelos de simulación NSM "Newhall<br/>simulation model" (Newhall, 1976) y JSM "Jarauta simulation model" (Jarauta 1989) en la modelización de<br/>regimenes de humedad y temperatura del suelo. NSM (Newhall,1976) tiende a sobre estimar el régimen de<br/>humedad del suelo. Por contra, JSM (Jarauta, 1989) simula de forma correcta el régimen de humedad del suelo<br/>(SSS, 2006) presente en la cuenca, funcionando mejor bajo condiciones medias de humedad del suelo. Ambos<br/>modelos simulan de forma correcta el régimen de temperatura de los suelos. Predomina un régimen de<br/>temperatura mésico-térmico, con tendencia a térmico para los años secos. A pequeña escala la profundidad del<br/>suelo, pendiente, pedregosidad y alta porosidad del suelo son factores que hacen variar el régimen de humedad<br/>del suelo. La información de suelo y clima, complementada mediante SIG, permitió obtener mapas de régimen<br/>de humedad del suelo para la cuenca, a una escala 1:50000, los cuales permiten establecer mediante simulación<br/>los regimenes de humedad en el suelo bajo diferentes escenarios de cambios meteorológicos.<br/>El modelo TOPLATS ha sido utilizado en la estimación de la humedad en el suelo para diferentes usos del<br/>suelo. Este modelo fue calibrado con las ecuaciones del filtro Kalman extendido (EKF), que se derivan de la<br/>minimización del cuadrado de la diferencia entre los valores reales y los estimados (Goegebeur & Pauwels,<br/>2007). Esta metodología interrelaciona correctamente los valores de lluvia, humedad en el suelo, escorrentía y<br/>infiltración, siendo los valores de humedad los mas ajustados a los valores reales. Los resultados muestran que<br/>este filtro es una herramienta para estimar el volumen de agua en el suelo almacenada en las cuencas a escala<br/>puntual, asegurando una aplicación correcta del modelo hidrológico.<br/>Para la modelización del comportamiento de la humedad del suelo y los diferentes componentes del balance<br/>hídrico se utilizó el modelo TOPLATS (Famiglietti & Wood, 1994). El modelo de simulación TOPLATS<br/>permite simular aceptablemente el comportamiento de la humedad del suelo. Los resultados para infiltración,<br/>escorrentía, intercepción, evapotranspiración de referencia y temperatura del suelo son correctos. Las<br/>diferencias existentes entre valores simulados y observados son: la humedad del suelo no sobrepasa el 5%, la<br/>infiltración fluctúa entre 4% y 15%, la diferencia entre los valores reales y simulados de evapotranspiración,<br/>depende de la estación del año, siendo 1mm en invierno y 2.7 mm en verano, la temperatura varia entre 0.01 ºC<br/>y 3.5ºC. El modelo calibrado predice con precisión el comportamiento de las diferentes componentes del<br/>balance hídrico. Respecto a los valores medidos para agua de drenaje corresponde al 11-41 % de la lluvia total.<br/>Respecto al balance de agua en el suelo (&#916;SW), los valores son negativos para un corto periodo del año,<br/>alcanzando valores críticos en meses secos. La recuperación de humedad del suelo para el resto de los meses<br/>ocurre de manera parcial. En la parte media de la cuenca, para algunos meses los valores de humedad del suelo<br/>son cercanos a condiciones de punto de marchites permanente (ecosistema submediterráneo). En la parte alta<br/>de la cuenca el suelo conserva condiciones intermedias de humedad (ecosistema subalpino). Los valores de<br/>caudal encontrados corresponden a los aportes por escorrentía, los cuales son muy bajos. La mayor parte de las<br/>salidas ocurren por evapotranspiración, intercepción, infiltración y drenaje (en orden de importancia).

The main aim of this research is to study the hydrological dynamics of a Mediterranean mountain basin<br/>affected by land use changes, by means of the monitoring of soil and surface water. This aim has been<br/>reached by measuring and simulating hydric balance components of different soils and under different<br/>vegetational types, considering water and temperature transition regimes.<br/>This research was done in Ribera Salada basin (Catalan Pre Pyrenees, NE Spain), with an area of 222.5<br/>km2, altitudes between 420 and 2385 m, with predominance slopes between 12 - 25 % and 25 - 50 %. The<br/>substrate consists of massive calcareous conglomerates, calcilutites and limestones. Main annual<br/>precipitation are 507 to 763 mm. Soils are shallow, calcareous and stony, being most of them Inceptisols<br/>(Typic Calciusteps, Typic Haploustepts) and Entisols (Typic Ustifluvents, Typic Udorthortents). In the<br/>upper and moister part of the basin soil decarbonatation takes place. Forest use is predominant, going<br/>from brook forest environments to subalpine and submediterranean vegetation. Agricultural uses include<br/>mainly the growing of cereals, potatoes and pastures. One of the most important characteristics in this<br/>basin are the significant soil use changes in the last 50 years, due to the abandonment of farms and<br/>traditional crops.<br/>Eight sites were studied, corresponding to soils under Quercus ilex, brook forest, Pinus sylvestris, pasture,<br/>crops (cereal-potatoes) and Pinus uncinata. From 1997 until 2005, soil moisture, run-off, water flow and<br/>interception were monitored. From 2004 on, drainage data has been recorded. Meteorological variables<br/>were measured by means of a complete Lladurs meteorological station, belonging to XAC (Catalan<br/>Agrometeorological Network).<br/>The obtained results to three years show the predominance of ustic moisture regime (SSS, 2006), or xeric<br/>during the driest years. The simulation models NSM "Newhall simulation model" (Newhall, 1976) and<br/>JSM "Jarauta simulation model" (Jarauta 1989) were used to represent soil moisture and temperature<br/>regimes. NSM estimates a higher level of soil moisture regimes than observed. On the contrary, JSM<br/>simulates correctly soil moisture regimes, working better under intermediate soil moisture conditions.<br/>Both models simulate correctly the soil temperature regimes, being mesic-thermic to thermic during the<br/>driest years. At detailed scale (plot observation), soil depth, slope, stone amount and high soil porosity are<br/>factors that affect the soil moisture regimes. Soil and climate information, implemented through a GIS,<br/>allowed us to obtain soil moisture regime maps of the basin at a 1:50000 scale, which are very useful to<br/>simulate soil moisture regimes in different scenarios of meteorological changes.<br/>The TOPLATS model, when used to estimate soil moisture under different cover types, was calibrated<br/>with Extend Kalman filter (EKF) equations derived through a minimization of the square difference<br/>between the true and estimated model state (Goegebeur & Pauwels, 2007). This methodology interrelates<br/>correctly rainfall, soil moisture, runoff and infiltration. Among them, the obtained soil moisture values<br/>corresponded the best to observed data. The results show that it is a useful tool to estimate soil water<br/>volume stored in basins at a point scale, ensuring a correct application of this hydrological model.<br/>To model soil moisture behaviour and the different hydric balance components, the TOPLATS model<br/>(Famiglietti & Wood, 1994) was used. TOPLATS model simulates correctly the soil moisture behaviour.<br/>The differences between observed and simulated values are the following: soil moisture does not surpass<br/>5%; the infiltration fluctuates between 4% to 15%; in evapotraspiration depends on the season being<br/>between 1 mm in winter to 2.7 mm in summer, soil temperature values difference fluctuates between<br/>0.01ºC and 3.5ºC.The calibrated model predicts precisely the behaviour of different hydric balance<br/>components. The measured water drainage amount is 11-41 % of total rain.<br/>The observed and simulated soil water storage in the basin (&#916;SW), has negative values during the driest<br/>months. Soil moisture recovery during the rest of the months is only partial. In the medium part of the<br/>basin, occupied by submediterranean ecosystems, soil moisture values are closer to drought conditions<br/>during some months of the year. In the highest part of the basin (subalpine ecosystems) there are<br/>intermediate soil moisture conditions in dry periods. Most part of water outputs are due to<br/>evapotranspiration, interception, infiltration and drainage, in decreasing order of importance. Run-off<br/>values are very low.