Monitoring and analysis of soil-vegetation-atmosphere interactions at slope and catchment scale : Implications for mass-wasting in natural and man-made slopes

Slope mass-wasting (SMW) due to shallow landslides or debris flows is one of the most important erosional processes in many mountainous regions together with surficial erosion by rainfall runoff. These erosive processes cause great socioeconomic and environmental impacts. SMW is affected by soil-vegetation-atmosphere (SVA) interactions and is mainly triggered by climatic actions such as rainfall. SVA interactions involve many factors (e.g. soil type, slope topography, slope hydrological conditions and cover (e.g. bare or vegetated)) that are closely linked to slope thermo-hydro-mechanical response, and hence, to slope stability and erosion. The main aim of this work is to improve the knowledge on SVA interactions through two monitoring systems at slope and catchment scale. At slope scale, an embankment divided in four partitions with North and South orientations and bare/vegetated slopes in each orientation has been monitored. This work has analyzed four years (2017-2020) of soil hydro-thermal and atmospheric parameters related to SVA interactions. The results show that vegetation increases rainfall infiltration, which suggests a decrease in runoff. In addition, vegetation transpiration increases soil drying rates and states, which favors slope stability. Regarding the thermal response, orientation plays an important role with higher temperatures on the South slopes. However, vegetation diminishes the incidence of solar radiation, which reduces soil heat flux up to 75% on the South-facing slopes, and hence, reduces evaporation and daily temperature fluctuations. Nevertheless, the effect of vegetation transpiration is more important than orientation in developing drier soil conditions. This is clearly observed by comparing the drying rates and hydrologic conditions of the North-vegetated slope, which are higher and dryer, with those of the South-bare slope, which are lower and wetter. The results show that vegetation has effects on the hydrologic and thermal response of slopes that may be positive or negative for SMW. At catchment scale, a monitoring system for torrential flows (debris flows and debris floods) detection and characterization has been maintained and further developed in the Rebaixader catchment (Central Pyrenees). 12 years of rainfall and torrential flows occurrence (2009-2020) and 8 years of soil hydrological parameters (2013-2020) have been analyzed to characterize both hydrological soil conditions and rainfall characteristics necessary for torrential flows triggering. Most torrential flows are triggered by short duration (<3 hours) and high intensity (4-10 mm in 5 minutes) rainfalls. Furthermore, the rainfall intensity for torrential flow initiation must be higher when the soil is dryer, and vice versa. First, rainfall thresholds based on rainfall mean intensity (Imean) and maximum intensity (Imax) are defined by means of Receiver Operating Characteristics and Precision-Recall curves. The Imean threshold predicted 2 false negatives and 73 false positives for the 2013-2020 dataset, which includes 15 torrential flow events. This results in a low precision of 15%, since only 13 torrential flow out of 86 issued alarms are correctly predicted. Contrarily, the best Imax threshold reduced the false positives to 11 and predicted also 2 false negatives, increasing the precision to 54%. Then, the hydro-meteorological thresholds were defined by combining Imax and volumetric water content. The best hydro-meteorological threshold reduced the false positives to 8 and the false negatives to 1, increasing the precision to 63%. This confirms that soil hydrological conditions play an important role in torrential flows triggering and may improve early warning predictions. This work significantly contributed to improve our understanding on SVA interactions and its coupling with slope thermohydro-mechanical response, which is strongly related to SMW, by means of in-situ monitoring at slope and catchment scale.La pèrdua de sòl en ves s ants (PSV) per lliscaments de terra superficials o corrents d’arrossegalls és un dels processos erosius més importants a moltes regions muntanyoses junt amb l'erosió superficial per escorrentia de pluja. Aquests processos provoquen grans impactes socioeconòmics i ambientals. Les interaccions sòl-vegetació-atmosfera (SVA) afecten la PSV i es desencadena principalment per accions climàtiques com ara la pluja. Les interaccions SVA impliquen molts factors (tipus de sòl, topografia del talús, condicions hidrològiques i de coberta (nues o vegetades)del talús, etc.) estretament relacionats amb la resposta termo-hidro-mecànica del talús i, per tant, amb la seva estabilitat i erosió. L'objectiu principal és millorar el coneixement de les interaccions SVA amb dos sistemes de monitorització a escala de talús i de conca. A escala de talús s'ha instrumentat un terraplè dividit en 4 parts orientades al nord i al sud i amb un talús amb coberta vegetada i nua a cada orientació. S¿ han analitzat quatre anys (2017-2020) de paràmetres atmosfèrics i hidro-termals del sòl relacionats amb interaccions SVA. Es veu que la vegetació augmenta la infiltració de la pluja, suggerint una disminució de l'escorrentia. A més, la transpiració de la vegetació augmenta les taxes i l'estat d'assecat del sòl, el que afavoreix l’estabilitat del talús. Pel que fa a la resposta termal, l'orientació és important amb temperatures més elevades als talussos sud. Tanmateix, la vegetació disminueix la incidència de radiació solar reduint així el flux de calor al sòl fins un 75% als talussos sud i disminuint l'evaporació i les oscil·lacions de temperatura diàries. Tot i això, l'efecte de la transpiració de la vegetació és més important que el de l'orientació per desenvolupar condicions de sòl més seques. Això s'observa comparant les taxes d'assecatge i condicions hidrològiques del talús nord vegetat, més elevades i seques, amb les del sud no vegetat, més baixes i humides. Els resultats mostren que la vegetació té efectes en la resposta hidro-termal dels vessants que poden ser positius o negatius per la PSV. A escala de conca s'ha mantingut i millorat la instrumentació per detectar i caracteritzar fluxos torrencials a la conca del Rebaixader (Pirineu Central). S'han analitzat 12 anys d'ocurrència de fluxos torrencials i de pluja (2009-2020) i 8 anys de paràmetres hidrològics del sòl (2013-2020) per caracteritzar tant les condicions hidrològiques del sòl com les de pluja necessàries per desencadenar aquests fluxos. La majoria de fluxos torrencials es desencadenen per pluges curtes (< 3 hores ) i d’alta intensitat (4-10 mm en 5 minuts ). A més, la intensitat de pluja per iniciar un flux torrencial és més elevada quan el sòl està més sec, i viceversa. Primerament s’han definit llindars de pluja basats en intensitat mitja (Imean) i màxima (Imax) de pluja amb les corbes de rendiment diagnòstic (ROC) i de Precisió-Reclam. El llindar d’Imean prediu 2 fals os negatius i 73 falsos positius per al conjunt de dades 2013-2020, que inclou 15 fluxos torrencials. Això representa una precisió baixa del 15%, ja que només es preveuen correctament 13 fluxos torrencials de 86 alarmes emeses. En canvi, el millor llindar Imax redueix els falsos positius a 11 i també prediu 2 falsos negatius, augmentant la precisió al 54%. A continuació s’han definit llindars hidro-meteorològics combinant Imax i contingut volumètric d'aigua. El millor llindar hidrometeorològic redueix els falsos positius a 8 i els falsos negatius a 1, augmentant la precisió al 63%. Això confirma que les condicions hidrològiques del sòl juguen un paper important en el desencadenament de fluxos torrencials i poden millorar les prediccions d'alerta primerenca. Aquest treball ha contribuït significativament a millorar la comprensió de les interaccions SVA i el seu acoblament amb la resposta termo-hidro-mecànica del talús, fortament relacionada amb la PSV, mitjançant monitorització a escala de talús i de conca.La pérdida de suelo en laderas (PSL) por deslizamientos de tierra superficiales o corrientes de derrubios es uno de los procesos erosivos más importantes en muchas regiones montañosas junto con la erosión superficial por escorrentía de lluvia. Estos procesos provocan grandes impactos socioeconómicos y ambientales. Las interacciones suelo-vegetación-atmósfera (SVA) afectan a la PSL y se desencadena principalmente por acciones climáticas como la lluvia. Las interacciones SVA implican muchos factores (tipo de suelo, topografía del talud, condiciones hidrológicas y de cubierta (desnuda o vegetada) del talud, etc.) estrechamente relacionados con la respuesta termo-hidromecánica del talud y, por tanto, con su estabilidad y erosión. El objetivo principal es mejorar el conocimiento de las interacciones SVA con dos sistemas de monitorización a escala de talud y de cuenca. A escala de talud se ha instrumentado un terraplén dividido en 4 partes orientadas al norte y al sur y con un talud con cubierta vegetada y desnuda en cada orientación. Se han analizado cuatro años (2017-2020) de parámetros atmosféricos e hidrotermales del suelo relacionados con interacciones SVA. Los resultados muestran que la vegetación aumenta la infiltración de la lluvia, lo que sugiere una disminución de la escorrentía. Además, la transpiración de la vegetación aumenta las tasas y el estado de secado del suelo, lo que favorece la estabilidad del talud. En cuanto a la respuesta termal, la orientación es importante con temperaturas más elevadas en los taludes sur. Sin embargo, la vegetación disminuye la incidencia de radiación solar reduciendo así el flujo de calor en el suelo hasta un 75% en los taludes sur y disminuyendo la evaporación y las oscilaciones de temperatura diarias. Sin embargo, el efecto de la transpiración de la vegetación es más importante que el de la orientación en el desarrollo de condiciones de suelo más secas. Esto se observa claramente al comparar las tasas de secado y las condiciones hidrológicas del talud norte vegetado, más elevadas y secas, con las del sur no vegetado, más bajas y húmedas. Los resultados demuestran que la vegetación tiene efectos en la respuesta hidro-termal de la ladera que pueden ser positivos o negativos para la PSL. A escala de cuenca se ha mantenido y mejorado la instrumentación para detectar y caracterizar flujos torrenciales en la cuenca del Rebaixader (Pirineo Central). Se han analizado 12 años de ocurrencia de flujos torrenciales y de lluvia (2009-2020) y 8 años de parámetros hidrológicos del suelo (2013-2020) para definir tanto las condiciones hidrológicas del suelo como las de lluvia necesarias para desencadenar estos flujos. La mayoría de flujos torrenciales se desencadenan por lluvias de corta duración (< 3 horas) y de alta intensidad (4-10 mm en 5 minutos). Además, la intensidad de lluvia para iniciar un flujo torrencial es mayor cuando el suelo está más seco, y viceversa. Primeramente, se han definido umbrales de lluvia basados en intensidad media (Imean) y máxima (Imax) de lluvia con las curvas de Característica Operativa del Receptor (ROC) y de Precisión-Exhaustividad. El umbral de Imean predice 2 falsos negativos y 73 falsos positivos para el conjunto de datos 2013-2020, que incluye 15 flujos torrenciales. Esto representa una precisión baja del 15%, puesto que sólo se prevén correctamente 13 flujos torrenciales de las 86 alarmas emitidas. Por el contrario, el mejor umbral Imax reduce los falsos positivos a 11 y también predice 2 falsos negativos, aumentando la precisión al 54%. A continuación, se han definido umbrales hidro-meteorológicos combinando Imax y contenido volumétrico de agua. El mejor umbral hidro-meteorológico reduce los falsos positivos a 8 y los falsos negativos a 1, lo que aumenta la precisión al 63%. Esto confirma que las condiciones hidrológicas del suelo juegan un papel importante en el desencadenamiento de flujos torrenciales y pueden mejorar las predicciones de alerta temprana. Este trabajo ha contribuido significativamente a mejorar la comprensión de las interacciones SVA y su acoplamiento con la respuesta termo-hidro-mecánica del talud, fuertemente relacionada con la PSL, mediante la monitorización in-situ a escala de talud y a escala de cuenca.Postprint (published version

Diseño de un experimento a gran escala para estudiar el efecto de las interacciones suelo-vegetación-atmósfera en laderas

El TFM trata del diseño de un experimento a gran escala (12m x 3 m) para evaluar el efecto de las acciones climática en una talud artificial sin y con vegetación. Se realizará la concepción del ensayo y se usará un modelo numérico acoplado para predecir la respuesta de la maqueta y posicionar los distintos sensores. Se participará en la realización de la maqueta y a la instalación de la instrumentación de acuerdo con el diseño

Monitoring of rainfall and soil moisture at the Rebaixader catchment (Central Pyrenees)

The instrumental monitoring of torrential catchments is a fundamental research task and provides necessary information to improve our understanding on the mechanisms of debris flows. While most monitoring sites include meteorological sensors and analyze the critical rainfall conditions, only very few contain soil moisture measurements. In our monitoring site, the Rebaixader catchment, 11 debris flows and 24 debris floods were detected during the last nine years. Herein, the initiation mechanisms of these torrential flows were analyzed focusing on the critical rainfall conditions and the soil water dynamics. Comparing the temporal distribution of both rainfall episodes and torrential flows, the Kernel density plots showed maximum values for rainfalls at the beginning of June, while the peak for torrential flows is at July 20th. This means that highest probability of debris flows and debris floods triggering is about 1.5 months later than the one of rainstorms in the catchment. Thus, the antecedent rainfall and especially the soil moisture conditions may influence the triggering of torrential flows. In a second step, a new updated rainfall threshold was proposed including total rainfall duration and mean intensity. The analysis of soil moisture data was more complicated and no clear trends were observed in the dataset. Therefore, additional data has to be recorded in order to quantitatively analyze the role of soil moisture on the triggering of flows and for the definition of thresholds. Some preliminary results show that the soil moisture at the beginning of a rainfall event affects the maximum increase of soil moisture, while a slight trend was visible comparing the initial soil moisture with the necessary rainfall amount to trigger a torrential flow.Postprint (published version

Monitoring the role of soil hydrologic conditions and rainfall for the triggering of torrential flows in the Rebaixader catchment (Central Pyrenees, Spain)

Torrential flows (debris flows and debris floods) are mainly triggered by precipitation and soil hydrological processes. Most early warning systems in torrential catchments are rainfall-based. However, this approach can result in frequent false positives, due to its pure black-box nature, in which soil water conditions are neglected. We aim to contribute to the understanding of the conditions required for triggering torrential flows by considering also in situ measurements of soil water content. Herein, monitoring data of 12 years of rainfall and torrential flow occurrence (2009–2020) and 8 years of soil hydrologic conditions (2013–2020) in the Rebaixader catchment (Central Pyrenees, Spain) are analyzed. The dataset includes more than 1000 rainfall events and 37 torrential flows. First, rainfall thresholds using maximum rainfall intensity (Imax) and mean intensity (Imean) are defined. For the 2013–2020 dataset, which includes 15 torrential events, the Imean threshold predicted 2 false negatives and 73 false positives (positive predictive value, PPV, of 15.1%) and the best Imax threshold predicted also 2 false negatives but only 11 false positives (PPV of 54.2%). However, our observations confirmed quantitatively that the lower is the soil moisture the higher is the rainfall intensity to trigger torrential flows. Then, we combined Imax and volumetric water content at 15 and 30 cm depth to define a hydro-meteorological threshold. This latter threshold reduced false negatives to 1 and false positives to 8 and increased the PPV to 63.6%. These results confirm that soil hydrological conditions are key factors for torrential flow triggering and may improve early-warning predictions.Open Access funding provided thanks to the CRUE-CSIC agreement with Springer Nature. This research was funded by the national research projects called “Slope mass-wasting under climate change (SMuCPhy, reference number BIA 2015–67500-R and co-funded by AEI/FEDER)” and “Multiscale analysis of soil erosion in steep slopes (EROSLOP, project reference number PID2019-104266RB-I00/AEI/10. 13039 / 501100011033)” granted by the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain. In addition, RO was supported by a PhD grant from the same Ministry (grant reference number BES-2016–077696).Peer ReviewedPostprint (published version

In-situ monitoring of slope mass-wasting: examples from the Pyrenees

Slope mass-wasting triggered by rainfall is a complex phenomenon and representsan important hazard in most mountainous regions. In-situ monitoring of the involved processes is difficult due to harsh environmental conditions and the fact of remote monitoring sites.The present work shows examples of monitoring data gathered in two test sites, where shallow landslides and torrential processes produce slope mass-wasting.Postprint (published version

Efecto de la orientación en la respuesta de taludes ante acciones climáticas: experimento de campo y modelación

En este artículo, se presenta un experimento de campo diseñado para estudiar los fenómenos de interacción termo-hidráulicos suelo-atmosfera en taludes de dos orientaciones distintas: norte y sur. El experimento consiste en un terraplén instrumentado sometido a condiciones meteorológicas naturales (radiación solar, atmosférica y del suelo, infiltración, escorrentía, evaporación, evapotranspiración y viento.). Se han obtenido series de datos de larga duración y alta frecuencia (medidas cada 5 mins durante 4 años) incluyendo variables atmosféricas, temperatura. contenido de agua, potencial del agua y flujo de calor a distintas profundidades en el suelo, Los datos se han interpretado numéricamente mediante el código Elementos Finitos (Code_Bright) que resuelve problemas acoplados termo-hidro-mecánicos e incluye una condición de contorno específica para modelar acciones atmosféricas. Los resultados del modelo numérico se pueden comparar favorablemente con las mediciones y proporcionan valiosas informaciones sobre el efecto de la orientación de la ladera para su respuesta frente a acciones climáticas presentes y futuras.El estudio fue financiado por el proyecto de investigación nacional “Slope mass-wasting under climate change” (smucphy.upc.edu) otorgado por el Gobierno de España (número de referencia del proyecto BIA 2015-67500-R) y cofinanciado por AEI/FEDER, UE.Postprint (published version

Monitoring of a full-scale embankment experiment regarding soil–vegetation–atmosphere interactions

Slope mass-wasting like shallow slides are mostly triggered by climate effects, such as rainfall, and soil–vegetation–atmosphere (SVA) interactions play a key role. SVA interactions are studied by a full-scale embankment with different orientations (North and South) and vegetation covers (bare and vegetated) in the framework of the prediction of climate change effects on slope stability in the Pyrenees. A clayey sand from the Llobregat river delta was used for the construction of the embankment and laboratory tests showed the importance of suction on the strength and hydraulic conductivity. Sixty sensors, which are mostly installed at the upper soil layer of the embankment, registered 122 variables at four vertical profiles and the meteorological station with a 5 min scan rate. Regarding temperature, daily temperature fluctuation at the shallow soil layer disappeared at a depth of about 0.5 m. There was great influence of orientation with much higher values at the South-facing slope (up to 55 °C at -1 cm depth) due to solar radiation. Regarding rainfall infiltration, only long duration rainfalls produced an important increase of soil moisture and pore water pressure, while short duration rainfalls did not trigger significant variations. However, these changes mostly affected the surface soil layer and decreased with depth.Peer ReviewedPostprint (published version

Pérdida de suelo en laderas bajo cambio climático: procesos físicos, modelación predictiva y posibles estrategias de mitigación - El proyecto de investigación “SmuCPhy”

Este proyecto de investigación estudia los mecanismos de la pérdida de suelos en zonas montañosas mediante un método multidisciplinar y el trabajo a diferentes escalas. Uno de los objetivos principales es analizar el efecto del cambio climático sobre estos mecanismos y buscar métodos de mitigación para afrontarlo correctamente. Se utilizan datos obtenidos mediante la auscultación de un experimento físico a gran escala y cuatro laderas y cuencas naturales situadas en el Pirineo Catalán, para alimentar y validar un modelo numérico innovador que implementa un módulo de interacciones suelo-vegetación-atmósfera. Finalmente, los resultados de la auscultación y de la modelización numérica se usarán para realizar una correlación de factores condicionantes de la inestabilidad con la ocurrencia espacio-temporal de deslizamientos superficiales utilizando técnicas SIG a escala regional.Postprint (published version

Pérdida de suelo en laderas bajo cambio climático. procesos físicos, modelación predictiva y posibles estrategias de mitigación : el proyecto de investigación “Smucphy”

RESUMEN: Este proyecto de investigación estudia los mecanismos de la pérdida de suelos en zonas montañosas mediante un método multidisciplinar y el trabajo a diferentes escalas. Uno de los objetivos principales es analizar el efecto del cambio climático sobre estos mecanismos y buscar métodos de mitigación para afrontarlo correctamente. Se utilizan datos obtenidos mediante la auscultación de un experimento físico a gran escala y cuatro laderas y cuencas naturales situadas en el Pirineo Catalán, para alimentar y validar un modelo numérico innovador que implementa un módulo de interacciones suelo-vegetación-atmósfera. Finalmente, los resultados de la auscultación y de la modelización numérica se usarán para realizar una correlación de factores condicionantes de la inestabilidad con la ocurrencia espacio-temporal de deslizamientos superficiales utilizando técnicas SIG a escala regional. 1200Peer ReviewedPostprint (published version

Diseño de un experimento a gran escala para estudiar el efecto de las interacciones suelo-vegetación-atmósfera en laderas

El TFM trata del diseño de un experimento a gran escala (12m x 3 m) para evaluar el efecto de las acciones climática en una talud artificial sin y con vegetación. Se realizará la concepción del ensayo y se usará un modelo numérico acoplado para predecir la respuesta de la maqueta y posicionar los distintos sensores. Se participará en la realización de la maqueta y a la instalación de la instrumentación de acuerdo con el diseño