Catchment based hydrology under post farmland abandonment scenarios

[Abstract:] Vegetation expansion following farmland abandonment is a complex process that depends on multiple natural and human-induced factors, resulting in differences in the evolution of land cover on former cultivated fields, with various environmental implications. To assess the complexity of the hydrogeomorphological consequences of farmland abandonment, the Instituto Pirenaico de Ecología (CSIC) and the University of La Rioja monitored three small catchments, representative of different post land abandonment scenarios, in the Pyrenees and Iberian Range respectively. In the Pyrenees, a fourth small catchment, covered by natural forest, was monitored as a reference for an undisturbed environment. This study describes the evolution of land use in the abandoned catchments and examines its implications on catchment hydrological connectivity. It also analyses the hydrological responses of the three abandoned scenarios to similar rainfall events, and compares them to that of natural forested areas. .Vegetation tended to increase in the three catchments, but there were important differences in the characteristics of the current land cover. Arnás, the catchment left to a process of natural revegetation, contained a mosaic of shrubs (64%) and forest (27%) at different stages of succession, largely conditioned by the topography and soil properties. Araguás_afforestation was extensively afforested in the 1960s, with 75% of this catchment currently covered by forest, most of it planted artificially. In Munilla, occupied by terraced fields, vegetation recovery was partly restrained by the introduction of cattle, and 80% of the catchment was covered by sparse shrubs. Land abandonment resulted in a general reduction in computed hydrological connectivity in the three studied catchments, except in localized areas close to the main channel, new forest roads and trails, and upstream of terrace wall collapses, all areas of increased hydrological connectivity. The decrease in hydrological connectivity was much lower in Munilla, characterized by an absence of dense vegetation and still dominated by a terraced topography. The hydrological responses of the catchments to similar rainfall events differed significantly, showing the influence of not only vegetation cover but of the properties of soil remaining after previous agricultural activities. Significant storm-flow discharge was observed in Arnás, even under dry conditions, with high peakflows and fast responses. Lower streamflow response was observed in Araguás_Afforestation under dry conditions; however, once the soils were wet the hydrological response was notable and was characterized by high peakflow. The response under afforested trees differed greatly from that of a catchment covered by natural forest, with the latter characterized by gentler hydrographs. The hydrological response in Munilla was the lowest, with long response times and recessions, associated with the thick soils of the terraced fields. These results demonstrated the large variability of post land abandonment scenarios and associated hydrological implications, and highlighted the need to consider these differences to reduce future uncertainties in forecasting water resources and soil conservation.This study was performed under the framework of the European COST action ES1306 “Connecteur” (Connecting European Connectivity Research) and received financial support from Project ESPAS (CGL2015-65569-R), funded by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and FEDER. Manuel López-Vicente and Estela Nadal- Romero were beneficiaries of “Proyecto de I+D+i para Jóvenes Investigadores” and “Ramón y Cajal” postdoctoral contracts, respectively, both from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness. The authors would like to thank the municipality of Munilla who permitted and helped with the installation of field equipment. The authors also thank J. Latron, F. Gallart, P. Llorens and J. Estrany for their help with field instrumentation in the Munilla catchment.Bélxica. COST Association; ES130

Spatial distributed modelling of erosion and sediment transport in mountain catchments in the Pyrenees: challenges for calibration and validation

28 p., 10 Figs., 5 Tabls.Publicado inicialmente por la Universidad de La Rioja (España) en: Cuadernos de Investigación Geográfica 39(2) (2013)[EN] Most erosion models applied at basin scale are based on spatially aggregated representation, for example, in a space subdivision of the surfaces to which behavior is assumed homogeneous (sub-basins, hydrological units, etc.). This approach leads to a desirable simplification of the calculations, but presents difficulties in addressing problems related to sediment transport and identification of sediment source areas, which should be treated by a continuous spatial representation. Spatially distributed models, however, allow a more accurate approach to this problem, at the cost of an increased computational complexity. The objective of this work is the calibration and validation of the model WATEM/SEDEM, an empirical-conceptual spatially distributed model, to predict erosion and sediment yield in two watersheds in the Central Spanish Pyrenees: i) the watershed of the Barasona Reservoir (1504 km2), which is drained by the Esera and Isabena Rivers, the model calibration and validation was based on the depositional history of the Barasona Reservoir and suspended sediment records over 3 years (May 2005–May 2008) at the outlet of the Isabena River; ii) the experimental Arnas catchment (2.84 km2), the model calibration was performed based on a dataset of soil redistribution rates derived from point 137Cs inventories, allowing capture differences per land use in the main model parameters. The validation process was carried with the registration of six years of suspended sediment at the outlet of the Arnas catchment. The calibration process for watershed of the Barasona Reservoir showed the problem you have when trying to calibrate the parameters of transport capacity with a single variable (the export of sediment to the basin outlet), making impossible to find a single set of parameters that optimize the error function, making it necessary to adopt a compromise solution. For the experimental Arnas catchment the model calibration processes using spatially distributed sediment yield derived from 137Cs inventories allowed calibrating the empirical parameters of transport capacity in a satisfactory way, finding a single combination of values that optimizes the error function. These results show that the calibration parameters of transport capacity are a fundamental aspect of the model WATEM/SEDEM and other similar models. To obtain a reliable estimate of the spatial distribution of erosion and sediment transport requires a calibration and validation by means of spatially distributed data of soil loss, which in turn allows a calibration of spatially distributed parameters concerning transport capacity.[ES] Una gran parte de los modelos de erosion aplicados a escala de cuenca se basan en una representacion espacialmente agregada, es decir en la subdivision del espacio en superficies a las que se supone un comportamiento homogeneo (subcuencas, unidades hidrologicas, etc.). Esta aproximacion conlleva una deseable simplificacion de los calculos, pero presenta dificultades para abordar problemas relacionados con el transporte de sedimentos y la identificacion de areas fuente de sedimento, que deben tratarse mediante una representacion espacial continua. Los modelos espacialmente distribuidos, en cambio, permiten una aproximacion mas precisa a este problema, a costa de una mayor complejidad de calculo. El objetivo de este trabajo es la calibracion y validacion del modelo WATEM/SEDEM, un modelo empirico-conceptual espacialmente distribuido, para predecir erosion y la produccion de sedimentos en dos cuencas del Pirineo aragones: i) la cuenca del embalse de Barasona (1504 km2), drenada por los rios Esera e Isabena, donde la base de datos para el proceso de calibracion fue el registro de 3 anos de sedimentos en suspension (mayo 2005-mayo 2008) a la salida de la subcuenca del Rio Isabena y para la validacion se utilizo el registro historico de sedimentacion del embalse de Barasona; y, ii) la cuenca experimental de Arnas (2.84 km2), donde se conto para la calibracion con datos espacialmente distribuidos de tasas de erosion y sedimentacion derivadas de inventarios de Cs137, mas el registro de seis anos de sedimento en suspension a la salida de la cuenca de Arnas para el proceso de validacion. El proceso de calibracion para el embalse de Barasona mostro el problema que se tiene al intentar calibrar los parametros de capacidad de transporte con una sola variable (la exportacion de sedimento a la salida de la cuenca), haciendo imposible encontrar un solo conjunto de parametros que optimicen la funcion de error y obligando a adoptar una solucion de compromiso. En la cuenca de Arnas el uso de datos espacialmente distribuidos de produccion de sedimentos derivados de inventarios de Cs137 permitio calibrar los parametros empiricos de capacidad de transporte de una forma satisfactoria, encontrando una sola combinacion de valores que optimiza la funcion de error. Con los resultados obtenidos se demuestra que la calibracion de los parametros de capacidad de transporte es un aspecto fundamental de WATEM/SEDEM y de otros modelos similares. Para obtener una estimacion fiable de la distribucion espacial de los procesos de erosion y transporte de sedimento se requiere de una calibracion y validacion con datos espacialmente distribuidos de perdida o ganancia de suelo que permita a su vez realizar una calibracion espacialmente distribuida de los parametros relativos a la capacidad de transporte.Este trabajo se ha llevado a cabo con el apoyo del proyecto INDICA (CGL2011- 27753-C02-01 y -02), financiado por el Ministerio de Economia y Competitividad, el proyecto ACQWA (FP7-ENV-2007-1-212250), financiado por la Comision Europea y un acuerdo entre el CSIC y el Ministerio de Medio Ambiente (RESEL). N. Lana-Renault ha disfrutado de un contrato de investigacion en el Programa Juan de la Cierva (Ministerio de Economia y Competitividad). En este articulo han participado numerosos colegas del Departamento de Procesos Geoambientales y Cambio Global del Instituto Pirenaico de Ecologia (IPE), asi como del Departamento de Suelo y Agua de la Est. Exp. Aula Dei (EEAD-CSIC).Peer reviewe

La investigación hidrogeomorfológica en cuencas experimentales de montaña media en el Pirineo Central (1996-2014)

10 páginasPeer reviewe

Cartografía temática de la revegetación en laderas mediante ortofotografía infrarroja y SIG: bancales abandonados de montaña (Cameros, S. Ibérico)

Durante el último siglo se ha producido el total abandono de los bancales de montaña que antiguamente se cultivaban en las zonas de montaña en Cameros Viejo (Sistema Ibérico riojano). Desde la perspectiva medioambiental, la consecuencia más evidente es la recolonización vegetal condicionada por diversos factores naturales (climáticos, topográficos y litológicos) y otros relacionados con las intervenciones humanas (reforestación, ganadería). En esta investigación, los objetivos son: (1) realizar un mapa de vegetación con un alto nivel de detalle (resolución 1 metro/píxel) en una pequeña cuenca de Cameros (S. Ibérico) mediante la base de ortofotografías infrarrojas y mapas temáticos complementarios y, (2) analizar la distribución actual de la vegetación en 50 años tras el abandono de antiguas terrazas de cultivo. Al analizar el mapa de vegetación obtenido se ha observado el predominio de los estratos herbáceo y matorral con un 64% de la superficie total (primeros estadios de la sucesión vegetal), mayor presencia de las especies herbáceas en las zonas más altas y los estratos arbustivos generan manchas homogéneos más amplias, lo que es más característico de una expansión progresiva (316-371 zonas/ha), por el contrario las herbáceas aparecen relativamente fragmentadas (629 zonas/ha).Proyecto INDICA (CGL2011-27753_C02-01 y 02) financiado por la Secretaría de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación

Характеристики температурного режиму приповерхневих шарів гірських порід за даними досліджень на геофізичній станції "Лисовичі" (Передкарпаття)

В роботі за даними спеціальних польових геотермічних досліджень (так званого вертикального геотермічного зондування) на станції “Лисовичі” поблизу м. Моршина в Передкарпатті, проведених геотермічною апаратурою з кварцовими термочастотними датчиками, проаналізовано сезонні особливості температурного режиму верхніх шарів гірських порід та ґрунтів.В работе по данным специальных полевых геотермических исследований (так называемого вертикального геотермического зондирования) на станции “Лисовичи” вблизи г. Моршина в Предкарпатье, проведенных геотермической аппаратурой с кварцевыми термочастотными датчиками, проанализированы сезонные особенности температурного режима верхних слоев горных пород и грунтов.In the article by data of the special fields geothermal researches (so-called vertical geothermal sounding) in the station “Lysovychy” near-by Morshyn in Precarpathians carried out by a geothermal apparatus with quartzs termofrequency sensors the seasonal peculiarities of temperature regime of rocks near surface layers and ground are analysed

Análisis de la variabilidad temporal de la infiltración en un gradiente de degradación de usos del suelo en el Pirineo central

20 págs, 4 figs, 5 tablas[ES] Se analiza
 la 
capacidad
 de
 infiltración
 con
 respecto
 a
 las
 condiciones
 físicas
 superficiales
(humedad
 y
 resistencia
 mecánica)
de
 suelos
 en
 el 
Pirineo 
Central,
considerando tres
 escenarios:
bosque
 natural,
campos abandonados
 y
 cárcavas.
El
 estudio
 se
 ha
 realizado
 en
 tres
 cuencas
 experimentales
(San
 Salvador, 
Arnás
 y Araguás)
situadas 
en 
un 
contexto 
geográfico,
 geológico
 y 
climático
 similar.
La
 información
 se
 ha
 obtenido mediante 
ensayos
 con
 un
 infiltrómetro 
de
 doble
 anillo 
entre
 otoño
 de
 2008
 y
 verano
 de 
2009.
 Los 
resultados
 sugieren 
cierto
 efecto
 de
 las 
condiciones
 físicas
 previas 
sobre
 la capacidad 
de
 infiltración.
Sin 
embargo,
el
 uso
 del
 suelo
 y 
la orientación
 de
 las
 laderas
(N‐S) se 
han
 revelado
 los factores más
 determinantes. Esto
 se
 relaciona
 con
 la
 variabilidad
 estacional del 
estado 
físico
 antecedente
 y
 su
 dinámica
 durante
 los
 ensayos.
 Las 
diferencias 
de la
 infiltración
 asociada
 a
 la 
orientación
 de
 las
 laderas
 incluso
 pueden
 superar
 a
 las observadas 
entre
 usos
 del
 suelo.[EN] The
 infiltration
 capacity
 has
 been
 analysed
 related 
to
 the
 variation 
of
 surface
 physical
 conditions
(moisture and 
mechanical
r esistance)
of 
soils
 from
 the
 Central
 Spanish
 Pyrenees,
taking 
into
 account
 the
 most
 representative
 situations
 of
 land
 uses
 and
 vegetal
 covers.
The
 study
 was
 carried 
out
 in
 three
 experimental catchments,
each
 representative
 of
 different
 environments
 in
 terms
 of
 soil
 use
 and
 vegetation
 cover: forested
(San
 Salvador),
field
 abandonment
 (Arnás)
and
 badlands
(Araguás).
The
 three
 catchment s
are 
located
 near by
 and 
have
 similar
 geologica l
and
 climatic
 conditions.
 The
 study
 was
 done
 through
 experimental infiltration
s et s
using
 a
 big
 double
ring
 instrument
(50
 cm 
water
 column
 height.
 Experiments 
were
 performed
 from
 autumn
 2008 
to
summer
 2009.
The
 infiltration
 process
 was
 analysed 
on 
six
 land
 uses 
situations:
bare regolith,
grass
c overed
 regolith,
north‐facing
 slope 
in
 forested 
soil,
south‐facing
 slope
in
 forested soil,
north‐facing
 slope
 in
 meadow
 soil 
and
south‐facing
 slope
 in 
pasture
 soil.
 Before and
after
 each
 experiment
 soil
 was
 sampled
 in
 order
 to 
estimate 
moisture 
content 
(0‐1,
0‐5
 and
 5‐10
 cm
 depth)
and 
surface mechanical
 resistance
 was
 measured
 with
 the
 help
 of
 a
 pocket 
penetrometer,
providing
 an 
idea
a bout 
previous 
conditions
 and 
its
 variation.
 The
 results
 suggest
 a
 certain
 effect 
of 
moisture 
conditions 
on
 infiltration capacity. 
However,
 soil
 use
 and 
slope
 exposition
(North 
and
 South)
seem
 to 
be
 the
 most
 determinant
 factors.
This 
is
 related
 to
 the
 seasonal 
variability
 of antecedent
 soil
 conditions
 and 
its 
dynamics
 during
 the
experiments.
 The
 differences 
on
 infiltration
 capacity
 associated
 with
 slope
e xposition
 can 
be
 higher 
than those
 observed
 between
 land
 uses.Este
 estudio
 se 
ha financiado 
mediante
 fondos
del
 proyecto 
CETSUS
 (CGL2007‐66644‐C04‐01/HID)
del
 Plan Nacional 
I+D+I
 2004‐207
(Ministerio
 de
 Ciencia
e
 Innovación).
El
 mantenimiento
 y
 parte
 de
 la
monitorización de
 las 
cuencas
 experimentales
 se
 ha
 logrado 
a
partir
 de la
 financiación
 proporcionada
 por
 el
 convenio
RESEL (Ministerio
 del
 Medio
Ambiente‐CSIC). E.
Nadal‐Romero y 
N.
Lana‐Renault 
contaron
 durante 
2009
 y
 2010
con
 un contrato postdoctoral
 del
 Ministerio
 de
Ciencia 
e 
Innovación,
mediante
 el
 Programa
Nacional
 de
 Movilidad
 de Recursos
 Humanos
 del
 Plan
 nacional
 de
 I‐D+I
 2008‐2011 
y
 en
 la
actualidad
 están
 contratadas
 gracias
 al
 programa
 Postdoctoral
 Juan
 de
 la
 Cierva
 (Ministerio
 de Ciencia 
e
 Innovación).Peer reviewe