Tesis doctorales DPIR - LIPS Doktoretza tesiak

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http://hdl.handle.net/2454/14781

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Browsing Tesis doctorales DPIR - LIPS Doktoretza tesiak by Author "Casalí Sarasíbar, Javier"

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    Analysis of the hydrological and erosive behavior of agrararian watersheds in Navarre (Spain) by experimentation and modelling
    (2017) Chahor, Youssef; Casalí Sarasíbar, Javier; Giménez Díaz, Rafael; Proyectos e Ingeniería Rural; Landa Ingeniaritza eta Proiektuak
    It is general knowledge that agrarian activities causes important effects on the environment. It is therefore necessary to better understand these effects as well as propose controlling measures. To this end, the information obtained from agrarian watersheds (experimental) is very valuable. However, simulation models enable the extension of this knowledge to wider zones, once calibrated in limited zones such as the mentioned experimental watersheds. Computer tools allow for medium- and long- term analysis of the implications of changes in use and management of soil, which is essential to advance in the control of environmental problems derived from agrarian activities. Among the issues caused or enhanced by agrarian activities, hydric erosion of the soil must be mentioned, which is the main focus of this thesis, in its traditionally recognized categories: sheet, rill, and gully erosion. The main objectives of this thesis are: evaluate the AnnAGNPS model as a tool to estimate runoff and sediment exports in a small experimental watershed (Latxaga, 207 ha), with homogeneous soil use and representative of wider zones of Navarre; carry out the same exercise in a larger watershed (Cemborain, 50 km2), much more complex regarding relief, climate, and soil use and management; explore the capacity of the model to simulate scenarios, aimed at its utilization as a management tool; evaluate, in an extensive zone with high gully activity, the capacity of the APEGT module, integrated within AnnAGNPS, to identify the locations of the hydrographic watersheds where the apparition of ephemeral gullies (EGs) are expected; evaluate the observation capacity of orthophotos to characterize EG erosion in wide zones and throughout long periods of time, providing data on the main characteristics of the phenomenon in a zone of Navarre, and evaluate the TIEGEM model, integrated within AnnAGNPS, to predict EG erosion in Navarre. The evaluation of AnnAGNPS for runoff and sediment exports was carried out firstly in the experimental Latxaga watershed, almost entirely cultivated with winter cereal, and secondly in the Cemborain watershed (analysis limited to runoff), with 24% of its surface cultivated (the remaining 40% and 30% are respectively, forests and brushland). Results indicate that good calibration was performed for runoff for both watersheds, with satisfactory behavior of the model when validating the first case, but unsatisfactory for the second case. Calibration considered variation of CN only, searching for adequate simulation at monthly levels, then escalated to seasonal and annual scales. Calibration consisted of adjusting the initial CN values, as well as adding new CN values during Winter and Spring. Nevertheless, it was necessary to utilize unrealistic CN values in some cases, with could raise questions on the validity of the model. On one hand, this could be due to the necessity of adjusting the elevated infiltration observed in the zones during dry periods only by CN; infiltration was much higher than expected in accordance with soil texture. This could have happened due to the presence of preferential flows, verified in the zone. On the other hand, adjustment of simulated runoff in Winter and Spring presented the opposite effect (although less pronounced): it was necessary to increase CN values as a consequence of: i) very low CN values at the beginning of Autumn, and ii) decrease of infiltration by preferential flow paths due to the expansion of soil (consequence of elevated soil humidity during Winter). This behavior seems to evidence the own limitations of the CN method for small watersheds or in those where local or peculiar phenomena could have great transcendence and not be adequately simulated. Evaluation of the model for the simulation of sediment exports resulted less satisfactory. Calibration, after an innovative sensibility analysis where six parameters that intervened in the process were identified, provided good results, aimed at the optimization of annual simulations. However, validation provided poor results. The complex erosion processes of the watershed, despite its reduced size, and the necessity of utilizing more detailed topographic information, could be the cause of such poor results in the validation stage. The use of more complex submodels or models is suggested, within the AnnAGNPS environment, such as CONCEPTS, which enables a more detailed simulation of sediment dynamics. Nevertheless, these verifications seem to decrease the applicability of AnnAGNPS for our conditions, given the high requirements for data and detailed calculations, inadequate for general use in practice. In any case, this tool can be very useful when long term trends are necessary, rather than absolute values. In this sense, it must be mentioned that scenario analysis provides very realistic results. The APEGT module for the location of EG heads, based on the CTI (Compound Topographic Index), more specifically on its critical value, CTIc, has been evaluated for a homogeneous zone regarding climate, and soil use and management. Great variability has obtained throughout the years analyzed. This indicates that the processes that control the formation of EGs are much more complex than what is generally admitted, including subsurface flows (exfiltration of seepage), preferential flow paths, soil humidity regime conditions (influence in turn by its position within the environment), etc. The variability observed resulted similar across the years, which enables the affirmation that CTIc can be representative and therefore useful to estimate the average location of EGs in a homogeneous zone at the long term. This coincides and is coherent with the objectives established by the designers of AnnAGNPS. For the correct analysis of the CTI method, it was necessary to identify two values: CTIc1 corresponds to the watershed zones where special conditions are present that favor new heads, while CTIc2 enables identification of the zones where head migration is not possible anymore. Multitemporal analysis of orthophotos, at detailed scale and throughout long periods of time, obtained at the same moments each year, permitted a good characterization of the EG erosion phenomenon in an extensive area with significant savings in resources. In a similar reflection of what was previously exposed, the low repetitiveness in the apparition of EGs (it is rare that gullies form in the same microwathershed) also highlights the complexity of the phenomenon, controlled by very different factors. The evaluation of the AnnAGNPS model was carried out in four small watersheds affected by EGs, and the study presented herein, although modest, is the most complete carried out up to date. This highlights the scarcity of existing data to proceed with these evaluations, evidencing the difficulties in data obtainment and providing value to methodological approaches such as those aforementioned (orthophotos). Calibration was carried out only by variation of the τc (critical shear stress) parameter, aimed at an adequate simulation of the moment of EG apparition as well as their shape and volume. It must be mentioned that, during the calibration phase, adequate identification of the events that caused the apparition of each EGs was accomplished by the model. However, estimation of volume has not been very successful. This has been fundamentally conditioned by the poor predictions of gully length.
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    Caracterización y control de la erosión por cárcavas
    (Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa, 1997) Casalí Sarasíbar, Javier; López Rodríguez, José Javier; Giráldez Cervera, Juan Vicente; Proyectos e Ingeniería Rural; Landa Ingeniaritza eta Proiektuak
    El modelo propuesto para el estudio de la erosión en cárcavas efímeras ha podido calibrarse con valores razonables de los parámetros, para simular la aparición y desarrollo de una cárcava medida, aunque los caudales que la originaron sólo pudieron ser estimados. El modelo simuló adecuadamente la magnitud de la erosión y la forma del cauce, incluyendo su variación espacial. Aunque el caudal no fue medido, es razonable pensar que la situación real no estará muy alejada de la utilizada en la calibración, por lo que el modelo también podrá calibrase adecuadamente en ese caso. La hipótesis de transporte de sedimentos no equilibrado parece muy aplicable, y no ha sido necesario alejarse mucho de las estimaciones de equilibrio para conseguir resultados aceptables, aunque son necesarios estudios específicos. El uso del modelo así calibrado con otras lluvias arroja resultados coherentes. Los parámetros a los que el modelo se muestra más sensible son densidad y tamaño de las partículas y coeficiente n de Manning. El coeficiente K y el esfuerzo cortante crítico τc de la ecuación para calcular la erosión en el lecho tienen gran transcendencia en la forma del cauce. Aunque el modelo está aún muy poco contrastado y evidentemente adolece de limitaciones, puede ser un buen punto de partida para abordar el estudio de los procesos de la erosión en cárcavas, pues se realizado un tratamiento que abarca una buena parte de la complejidad implicada.
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    Efectos de la actividad agraria sobre los recursos hídricos y la erosión del suelo. Análisis y modelado en cuencas experimentales de la zona media de Navarra
    (2014) Gastesi Barasoain, Rakel; Casalí Sarasíbar, Javier; López Rodríguez, José Javier; Proyectos e Ingeniería Rural; Landa Ingeniaritza eta Proiektuak
    Este trabajo caracteriza el comportamiento hidrológico y erosivo de la cuenca agraria experimental de La Tejería del valle de Yerri en Navarra, de 164 ha. Se evalúa el modelo hidrológico de contaminación difusa AnnAGNPS, exitosamente en cuanto al volumen de escorrentía y casi de manera satisfactoria respecto a los sedimentos, la evacuación de N y P se compara al carecer de datos suficientes para su calibración. Se pone de manifiesto una vez más, la conveniencia de caracterizar localmente los parámetros del modelo y el problema que representa la erosión hídrica del suelo y la contaminación por nitratos que acontece como consecuencia de la actividad agrícola. El análisis de sensibilidad destaca el papel del número de curva, del tipo de distribución de lluvia, de la profundidad del suelo, la capacidad de campo, la masa radicular y la rugosidad superficial, además de otros parámetros que caracterizan la erosión por cárcavas efímeras y la erosión de taludes y lecho, como el tamaño de partícula que se considera erosionable. Es un modelo complejo con multitud de parámetros especialmente indicado para la simulación de la contaminación difusa en entornos agrarios. El desarrollo de este trabajo aborda el papel de la distribución temporal de lluvia en el cálculo del caudal punta, y por ello del hidrograma de la cuenca en cada nodo, siendo de especial influencia en los procesos de transporte de sedimentos, y en la evacuación de sedimentos a la salida de la cuenca. Un análisis cluster de las precipitaciones revela dos tipos de eventos, unos más intensos y torrenciales ligados al verano, y otros más moderados propios del resto del año. Se calcula el caudal punta para ambos tipos de eventos, con la metodología NEH-4, y posteriormente se calculan los coeficientes de regresión según la ecuación del extended TR55, para ser capaces de calcular el caudal punta de una manera continua. Pese al énfasis que se le ha otorgado al cálculo local del tipo de distribución de lluvia y del caudal punta, no se ha logrado simular la carga de sedimentos de manera satisfactoria. Esto refleja una realidad: aunque se trate de una cuenca pequeña y homogénea en cuanto a suelos y a cultivos, muestra un comportamiento erosivo complejo, que añade importantes retos tanto para su correcta y completa medida en campo espacial y temporalmente, como para su simulación con éste y otros modelos. La erosión por cárcavas efímeras, el deslizamiento de ladera, y sobre todo la erosión de taludes y lecho tienen un gran peso en la cantidad total de sedimentos evacuados. El análisis de datos experimentales a lo largo de esta tesis, tanto de mapas como de texturas de sedimentos evacuados, da pistas sobre la relevancia de cada una de estas fuentes de sedimentos. Una mejor caracterización del aporte de estas fuentes de sedimentos mejoraría la simulación de la carga de sedimentos, creyendo que en esta cuenca ahí está la clave.
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    Evaluación de la aplicabilidad de la teledetección radar a la estimación de la humedad superficial del suelo en cuencas agrícolas
    (2006) Álvarez-Mozos, Jesús; Casalí Sarasíbar, Javier; González de Audícana Amenábar, María; Proyectos e Ingeniería Rural; Landa Ingeniaritza eta Proiektuak
    En esta tesis doctoral se aborda el tema de la estimación de la humedad superficial del suelo mediante teledetección radar. La humedad superficial del suelo es una variable que interviene en multitud de procesos que tienen lugar en la superficie terrestre. Su estimación a partir de sensores espaciales resultaría muy atractiva para disciplinas como la hidrología, agronomía, meteorología, etc. Los sensores de teledetección radar emiten un pulso de radiación hacia la superficie del suelo y reciben la proporción del mismo que retorna al sensor, de este modo permiten calcular el coeficiente de retrodispersión σ0 de la superficie. Este coeficiente depende de las características dieléctricas de la superficie del suelo, que, a su vez, se encuentran íntimamente relacionadas con su contenido de humedad. Sin embargo, existen otras variables que influyen en las observaciones radar, como la rugosidad superficial, lo que complica la estimación de la humedad superficial del suelo a partir de este tipo de imágenes. Se han propuesto diferentes técnicas para estimar la humedad superficial del suelo a partir de imágenes radar. Entre éstas la aplicación e inversión de modelos de retrodispersión constituye la opción más adecuada. Otras técnicas, como los modelos de regresión lineal o las técnicas de detección de cambios, requieren de condiciones homogéneas de rugosidad y ángulo de incidencia, por lo que su aplicabilidad es más reducida. Entre los diferentes modelos de retrodispersión que se han propuesto el Integral Equation Model (IEM) es el más adecuado. Existen otros que pueden resultar interesantes por su sencillez o porque incorporan una descripción más simple de la rugosidad, pero el IEM tiene una sólida base teórica y ha sido exitosamente validado en condiciones de laboratorio. En esta tesis doctoral, se evalúa la aplicabilidad de estos métodos a la estimación de la humedad superficial del suelo en una cuenca agrícola de Navarra. Para ello se cuenta con observaciones adquiridas por dos sensores espaciales, RADARSAT-1 y ENVISAT/ASAR, en sendas campañas experimentales llevadas a cabo en los años 2003 y 2004. En estas campañas experimentales se realizaron mediciones de campo de la humedad del suelo y de la rugosidad superficial. Estas mediciones se emplean para estimar los parámetros de rugosidad necesarios en los modelos de retrodispersión y para proporcionar mediciones de humedad de referencia con las que comparar las estimaciones que se realicen. La existencia de vegetación complica el estudio de la humedad mediante esta técnica. En esta tesis se corrige la influencia que ejerce una cubierta de cereal mediante el empleo de un modelo semi-empírico denominado Water Cloud Model (WCM). Este método constituye una herramienta útil y sencilla para corregir la atenuación que ejerce la vegetación. Entre los diferentes modelos de retrodispersión evaluados, el IEM es el que proporciona unos resultados más adecuados. El modelo empírico de Oh et al. (1992) no funciona correctamente en condiciones de ángulo de incidencia bajo y superficies poco rugosas. El modelo posterior de Oh (2004), en cambio, proporciona unos resultados adecuados. La fiabilidad de las estimaciones mejora cuanto mayor sea el nivel de agregación o escala a la que se estima la humedad. En este trabajo se han obtenido estimaciones a escala de cuenca con un error del 0,06 cm3cm-3, comparable al obtenido con métodos de medición de humedad en campo. Las estimaciones a escala puntual no resultan tan adecuadas debido a la influencia de la rugosidad espacial y su variabilidad espacial. La rugosidad superficial es el principal escollo de la estimación de la humedad mediante teledetección radar. Su alta variabilidad espacial, por un lado, y la sensibilidad del coeficiente de retrodispersión a sus parámetros, por otro, hacen que sea necesario caracterizarla de forma muy detallada. En este contexto, se han empleado esquemas iterativos basados en el método propuesto por Pauwels et al. (2002) que permiten estimar tanto los parámetros de rugosidad como la humedad superficial a partir de dos observaciones adquiridas en condiciones homogéneas de rugosidad. Estos esquemas se basan en el uso combinado de dos modelos de retrodispersión que forman un sistema que se resuelve de forma iterativa. Si bien el fundamento de esta metodología resulta interesante, los resultados obtenidos varían con la rugosidad, ángulo de incidencia y condiciones de humedad haciendo que tales esquemas no sean generalizables. Por otro lado, se ha tratado de estimar el parámetro de rugosidad longitud de correlación l, cuya medición en campo resulta más complicada, mediante sendas expresiones basadas en los trabajos de Davidson et al. (2003) y Baghdadi et al. (2002; 2004). Los resultados obtenidos por estos métodos resultan interesantes ya que demuestran la posibilidad de estimar el parámetro l a partir de la desviación estándar de las alturas de la superficie, parámetro considerablemente más fácil de determinar. Siendo la rugosidad superficial una variable cuyo conocimiento es vital para estimar adecuadamente la humedad del suelo a partir de teledetección radar, en esta tesis se estudia a fondo su caracterización. En el ámbito de este tema se ha diseñado un perfilómetro láser que ha demostrado ser una herramienta muy valiosa para el estudio de la rugosidad. A partir de mediciones adquiridas mediante el mismo se analiza el comportamiento de los distintos parámetros existentes para la caracterización de la rugosidad, la influencia del laboreo en tales parámetros, su variabilidad o la escala de medida que resulta adecuada para caracterizar adecuadamente la rugosidad en superficies agrícolas.
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    Evaluation of the improvement of streamflow prediction through the assimilation of remotely sensed soil moisture observations
    (2017) Loizu Maeztu, Javier; Álvarez-Mozos, Jesús; Casalí Sarasíbar, Javier; Proyectos e Ingeniería Rural; Landa Ingeniaritza eta Proiektuak
    El objetivo principal de esta tesis es evaluar si la asimilacion de datos de humedad superficial del suelo obtenidos mediante tecnicas de teledeteccion, en modelos hidrologicos es capaz de mejorar la prediccion de caudales en los rios a la salida de las cuencas. Este objetivo general se concreta en los siguientes objetivos especificos: 1) evaluar la respuesta de modelos de diferente configuracion espacial (agregados, semi-distribuidos, distribuidos), a la asimilacion de datos, con el fin de conseguir una mejora en la simulacion de caudales; 2) evaluar la influencia de las caracteristicas de cada cuenca (como tamano, topografia, clima o usos del suelo) en los resultados de la asimilacion de datos; 3) evaluar la posible mejora obtenida en la simulacion de escorrentia mediante la asimilacion de datos de sensores como ASCAT o SMOS, que observan diferentes frecuencias (banda C y banda L); 4) evaluar la mejora en la prediccion de escorrentia al asimilar en un modelo distribuido el producto de alta resolucion (1-km) desarrollado en el Barcelona Expert Center y obtenido a partir de los datos de los satelites SMOS y MODIS; 5) evaluar la influencia que las diferentes tecnicas de re-escalado de la informacion observada tienen sobre los resultados de la asimilacion, y por ultimo; 6) evaluar la influencia que tiene sobre los resultados de la asimilacion el valor de error de observacion atribuido a cada satelite. Un segundo objetivo de esta tesis es la evaluacion del modelo TOPLATS como herramienta de simulacion de caudales en cuencas Mediterraneas, y se concreto en los siguientes objetivos especificos: 1) llevar a cabo una revision bibliografica en profundidad de los diferentes trabajos desarrollados con TOPLATS anteriormente, con especial atencion a aquellos en los que se trabajo en la calibracion del modelo y en el analisis de sus diferentes parametros; 2) desarrollar un analisis de sensibilidad muy completo del modelo, en el que se analice la sensibilidad de la escorrentia superficial, el flujo base, la evapotranspiracion, la humedad del suelo y de la eficiencia enfocada a los diferentes rangos de caudal, a diferentes parametros; 3) comparar dos metodos de analisis de sensibilidad de diferente complejidad y costo computacional; 4) evaluar la efectividad de un algoritmo de optimizacion como herramienta de calibracion del modelo aplicado a diferentes escalas temporales; 5) comparar la influencia que tiene sobre la calibracion de un modelo la seleccion de periodos de calibracion continuos o discontinuos seleccionados en funcion de la variabilidad climatica que contienen; y 6) evaluar la eficiencia del modelo para predecir correctamente los caudales simulados en cuencas mediterraneas de diferente tamano y diferentes condiciones climaticas, tanto cuando el modelo es aplicado en paso horario como diario.