Analysis of the hydrological and erosive behavior of agrararian watersheds in Navarre (Spain) by experimentation and modelling

Abstract

Es de general conocimiento que la actividad agraria causa un importante efecto en el medio ambiente. Se hace por tanto necesario conocer este efecto así como proponer medidas para su control. Para ello, la información obtenida a partir de cuencas agrarias (experimentales) es de indudable valor. Por otro lado, los modelos de simulación permiten extender ese conocimiento a amplias zonas, una vez calibrados en zonas limitadas como pueden ser las citadas cuencas experimentales. Además, estas herramientas informáticas permiten analizar a largo y medio plazo las implicaciones de cambios en usos y manejos de las tierras, lo que resulta esencial para avanzar en el control de los problemas ambientales derivados de la actividad agraria. De entre los problemas causados o incrementados por la actividad agraria destaca el de la erosión hídrica del suelo, objeto de atención preferente en esta tesis, en sus diferentes modalidades tradicionalmente reconocidas: laminar, en surcos y en cárcavas. Así, los principales objetivos planteados son: evaluar el modelo AnnAGNPS como herramienta para la estimación de escorrentía y exportación de sedimentos en una pequeña cuenca experimental (Latxaga, 207 ha) de uso homogéneo y representativa de amplias zonas de Navarra; realizar ese mismo ejercicio en una cuenca mayor (Cemborain, 50 km2) y mucho más compleja en cuanto a relieve, clima, suelos, y uso y manejo de los mismos; explorar la capacidad del modelo para simular escenarios de cara a su utilización como herramienta de gestión; evaluar, en una zona extensa que muestra alto nivel de acarcavamiento, la capacidad del módulo APEGT, integrado en AnnAGNPS, para identificar los lugares de las cuencas hidrográficas en donde se espera la aparición de cárcavas efímeras (EGs); evaluar la capacidad de observaciones a partir de ortofotos para caracterizar la erosión EGs en amplias zonas y durante largos periodos de tiempo, aportando datos sobre las principales características del fenómeno en una zona de Navarra; evaluar el modelo TIEGEM, integrado en AnnAGNPS, para predecir la erosión por EGs en Navarra. La evaluación AnnAGNPS para escorrentía y exportación de sedimentos se llevó a cabo, por un lado en la cuenca experimental de Latxaga, cultivada casi íntegramente con cereales de invierno; y por otro en la cuenca de Cemborain (en esta última el análisis de la evaluación se limita a la escorrentía), cultivada en un 24 %, siendo el resto mayoritariamente bosques y matorral (40% y 30% respectivamente). Los resultados indican que se ha podido llevar a cabo una muy buena calibración de la escorrentía en ambas cuencas, siendo el comportamiento del modelo en validación adecuado en el primer caso e insatisfactorio en el segundo. La calibración se ha llevado variando únicamente el CN y buscando la simulación adecuada a nivel mensual, posteriormente reescalada a nivel estacional y anual. Calibration consisted of adjusting the initial CN values, as well as adding new CN values during winter and spring. Sin embargo, ha sido necesario utilizar valores de CN poco realistas en algunos casos, lo puede poner en duda la validez del método. Por un lado, ello puede deberse a la necesidad de ajustar mediante el CN la elevada infiltración observada en las zonas en épocas secas, muy por encima de lo que cabría esperar de acuerdo con la textura del suelo. Ello puede a su vez deberse a la presencia de flujo preferente (preferential flow), constatado en la zona. Por otro lado, para ajustar la escorrentía simulada en invierno y primavera ha ocurrido en general lo contrario (aunque con mucha menor intensidad): ha sido necesario incrementar los valores de CN, como consecuencia tal vez del efecto transmitido del valor muy bajo del CN al principio del otoño y de la disminución de la infiltración por vías de flujo preferencial debido a la expansión del suelo como consecuencia del incremento de la humedad del mismo durante el invierno. Este comportamiento parece poner en evidencia las limitaciones propias del método del CN para cuencas pequeñas o en las que fenómenos locales o peculiares pueden tener gran transcendencia y no ser adecuadamente simulados. La evaluación del modelo para la simulación de la exportación de sedimentos dio lugar a resultados menos exitosos. Si bien la calibración, tras un novedoso análisis de sensibilidad en el que se identificaron 6 seis parámetros que finalmente intervinieron en el proceso, arrojó buenos resultados, persiguiendo, como objetivo la misma, optimizar las simulaciones anuales, la validación produjo pobres resultados. Se alude como explicación a la complejidad de los procesos erosivos en la cuenca a pesar de su pequeño tamaño, y a la necesidad de utilizar una información topográfica más detallada. Se sugiere así mismo el uso de modelos o submodelos más complejos y ya existentes en el entorno de AnnAGNPS, como CONCEPTS, que permiten una más detallada simulación de la dinámica de los sedimentos. Sin embargo, estas constataciones parecen disminuir la aplicabilidad de AnnAGNPS para nuestras condiciones, dadas las altas exigencias de información y cálculo detallado, poco adecuadas para un uso generalizado en la práctica. En todo caso, esta herramienta, y a falta de nuevas evaluaciones, puede ser de utilidad cuando se buscan no tanto valores absolutos como tendencias a largo plazo. En este sentido, cabe decir que los análisis de escenarios arrojan resultados muy realistas. El módulo (APEGT) para la localización de cabeceras de EGs y basado en el denominado CTI (Compound Topographic Index), y más en concreto en su valor crítico CTIc, se ha evaluado en una zona homogénea en cuanto a clima, suelo y usos y manejos del mismo. Lejos de obtenerse un mismo valor para cada uno de los años analizados, se ha constatado una gran variabilidad. Ello indicaría que los procesos que controlan la formación de EGs son si cabe más complejos que lo generalmente admitido, tales como subsurface flow (exfiltration of seepage), preferential flow paths, condiciones del régimen de humedad del suelo, influidas a su vez por la posición en el paisaje, etc. Sin embargo, la variabilidad observada resulta similar de año a año, lo que permite sostener que CTIc puede ser representativo y por lo tanto de utilidad para estimar de media la localización de las EGs en una zona homogénea a largo plazo, lo que resulta coincidente y coherente con los objetivos planteados por los diseñadores de AnnAGNPS. Para un correcto análisis del método del CTI ha sido necesario identificar dos valores del mismo. CTIc1 se correspondería con las zonas de las cuencas donde se dan las condiciones para la formación de cabeceras nuevas. Mientras que CTIc2 permitiría identificar las zonas donde ya no es posible que la cabecera pueda continuar su proceso de migración. El análisis multitemporal de ortofotos a escala detallada y durante largos periodos de tiempo y obtenidas en los mismos momentos cada año, ha permitido una buena caracterización del fenómeno de la erosión por EGs en un área extensa y con un gran ahorro en recursos. En una reflexión similar a la anteriormente expuesta, cabe pensar que la baja repetitividad observada en la aparición de EGs (pocas veces ocurre que la cárcava se forme en una misma microcuenca) pone también de manifiesto la complejidad del fenómeno, controlado por muy diversos factores. Se ha llevado a cabo la evaluación del modelo AnnAGNPS en cuatro pequeñas cuencas afectadas por EGs, siendo este estudio, aunque modesto, el más completo efectuado hasta el momento. Ello, dicho sea de paso, pone de manifiesto la escasez de datos existentes para proceder a estas evaluaciones, evidenciando la dificultad de su obtención, y poniendo en valor las aproximaciones metodológicas como las expuestas con anterioridad (ortofotos). La calibración se ha llevado a cabo únicamente modificando el parámetro τc (critical shear stress) y en ella se perseguía simular adecuadamente tanto el momento de aparición de las EGs, como la forma de las mismas y por tanto su volumen. Es destacable el hecho de que se consiga, en la fase de calibración, una adecuada identificación por parte del modelo de los eventos causantes de la aparición de cada una de las EGs, Sin embargo, la estimación del volumen ha sido muy poco exitosa. Ello ha venido condicionado fundamentalmente por la muy mala predicción de la longitud de la cárcava.

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.