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Summary-Resumen

 

Summary:

Multiscale analysis of soil erosion in steep slopes. Physical processes, field monitoring and modelling of future environmental changes. 

 

Soil erosion represents an important environmental threat to the natural ecosystem, sustainability and agriculture productivity. Several recent studies have shown that the problem of soil erosion is even more severe in Spain than other countries due to its particular climatic and environmental conditions. In addition, future climate and land cover changes will strongly influence the land degradation. Under such changing conditions, it is noteworthy to provide reliable predictions on soil erosion. Notwithstanding, only few studies have addressed prediction of present and future soil erosion by a quantitatively and physically-based approach.

The EROSPLOP project aims at improving our understanding of soil erosion by using an innovative multi-scale and multi-disciplinary approach. The project focusses on soil erosion in steep slopes working at three different scales: talus slope, first-order catchment and regional scale. At these several working scales, volume of soil erosion is measured, on one side, by geomatic techniques such as unmanned aerial vehicle -based digital photogrammetry, structure from motion, airborne (for regional scale) and terrestrial (for catchment and talus scales) laser scanning. Detailed monitoring of changes of the ground surface will allow the comprehensive analyse of the erosion mechanisms at slope scale. On the other side, accurate instrumental monitoring is performed at catchment scale in two test sites with different soils (coarse vs fine-grained) and at slope scale, both at the full-scale experiment as well as in the laboratory. At catchment scale, rainfall, runoff and sediment yield are measured, while at slope scale, additional data like soil moisture and temperature, rainfall energy, radiation, among others, are recorded.

The monitoring data are interpreted regarding the geomorphological observations to define a conceptual model. Then, all the information is incorporated and analysed by existing soil erosion models and the new model developed during the project. This new multi-scale model is conceived as a tool immersed in a spatially reference database and driven by heuristic rules allowing for different analyses according to the scale of analysis: deterministic (Finite Element and Material Point Method) at slope scale, physically-based stochastic at regional scale and mixed up-scaled deterministic/downscaled stochastic at catchment scale.

Finally, the new multi-scale model is applied to assess the impacts of future environmental changes (climate changes and land use and land cover changes) on soil erosion in steep slopes. Future climate conditions are taken from existing regional climate models and specific scenarios (RCP2.6 and RCP8.5). In contrast, future land cover conditions are modelled by an existing geospatial modelling software. As a final outcome, the multi-scale model quantifies the sediment yield under future environmental conditions in selected regional test basins and prepares susceptibility maps for soil erosion.

The project will use several test areas in the central and eastern Pyrenees to set up the model. However, the model is also applied to other basins in the Pyrenees to guarantee their transferability. Last but not least, the multiples results of this research are evaluated with the stakeholders that are involved in the consortium to propose recommendations regarding land-use planning and soil erosion mitigation.

 

Resumen:

Análisis de la erosión de suelos en terrenos de alta pendiente a diferentes escalas. Procesos físicos, auscultación y modelización de futuros cambios ambientales

 

La erosión de suelos es una amenaza importante para los ecosistemas naturales, la sostenibilidad y la productividad agrícola. Varios estudios recientes indican que la erosión de suelos en España es más grave que en otros países debido a sus particulares condiciones climáticas y medio ambientales. Los cambios futuros en el clima y en la cubierta del suelo influirán previsiblemente de forma sustancial en la degradación del mismo. Sin embargo, son pocos los trabajos en los que se aborda la previsión de la erosión mediante un enfoque cuantitativo y con base física.

El proyecto pretende mejorar la comprensión de los procesos de erosión mediante un enfoque multidisciplinar y a diferentes escalas. El proyecto se centra en la erosión de suelos en zonas de alta pendiente y a tres escalas diferentes: talud, cuenca de primer orden y escala regional. El volumen de erosión se medirá mediante técnicas geomáticas como la fotogrametría digital con vuelos de dron y lídar aéreo (escala regional) o terrestre (escala de cuenca y talud). La auscultación detallada permitirá también analizar los mecanismos de erosión a escala talud. Por otra parte, se monitorizará la erosión mediante instrumentación: en dos cuencas con diferente tipo de suelo (grano grueso y grano fino) y a escala de talud, tanto en un talud experimental como en el laboratorio. En la escala de cuenca, se medirán la precipitación, la escorrentía y el volumen de sedimentos, mientras que en la escala de talud, se registrarán también, entre otras, la humedad y la temperatura del suelo, la energía de la lluvia y la radiación.

Los datos de la auscultación se interpretarán en función de las observaciones geomorfológicas para definir un modelo conceptual. Toda la información disponible se incorporará y analizará usando modelos de erosión existentes y también mediante un nuevo modelo a desarrollar. Este nuevo modelo se concibe como una herramienta multi-escala alimentada por una base de datos espacial y con la que, empleando reglas heurísticas, pueden realizarse diversos tipos análisis en función de la escala de trabajo seleccionada: determinista a escala de talud (método de elementos finitos y método del punto material), estocástico con base física a escala regional y mixto en la escala de cuenca (determinista a gran escala / estocástico).

Finalmente, se aplicará el nuevo modelo para analizar el impacto de futuros cambios medioambientales (cambios climáticos, cambios en el uso y la cubierta del suelo) en la erosión de suelos en zonas de alta pendiente. Las condiciones climáticas futuras se elegirán de modelos climáticos regionales existentes y escenarios específicos. Sin embargo, las condiciones futuras de la cubierta del suelo se modelizarán con un código de modelización geoespacial ya existente. Como resultado final, el modelo multi-escala desarrollado se utilizará para cuantificar la producción de sedimentos bajo futuras condiciones ambientales en las cuencas regionales seleccionadas y para elaborar mapas de susceptibilidad de erosión de suelos.

El proyecto empleará zonas de estudio situadas en el Pirineo oriental y central para poner a punto en nuevo modelo. Para verificar la transferibilidad del modelo, éste se aplicará también a otras cuencas del Pirineo. Finalmente, de forma indispensable, los resultados del proyecto serán analizados con los socios del consorcio con el propósito de proponer recomendaciones sobre la planificación en el uso del suelo y la mitigación de la erosión.