Modelos de estimación de erosión del suelo y producción de sedimentos aplicados a una cuenca de drenaje semiárida el área vertiente al embalse del Argos (Cuenca del Segura)

Abstract

La colmatación es una de las principales afecciones ambientales de los embalses, provo-cando importantes efectos sobre la calidad hidromorfológica del cauce y los ecosistemas, así como la disminución de su capacidad reguladora.

En esta tesis se propone la aplicación de dos modelos de erosión y transporte a escala de cuenca para evaluar la degradación específica y el transporte de sedimentos en una cuenca kárstica semiárida mediterránea que vierte sus aguas y sedimentos a un embalse, así como la implementación de modelos empíricos de transporte de sedimentos (en disolución, suspensión y de fondo).

El área de estudio seleccionada es la cuenca del río Argos vertiente al embalse del Argos (Cuenca del Segura), por disponer de datos técnicos suficientes con los que poder cotejar los resultados de dichos modelos.

La metodología para estimar el transporte de sedimentos en disolución, suspensión y carga total se basa en modelos logarítmicos, a partir de mediciones de aforo de sólidos y registros de caudales de diferentes campañas del CEDEX. Al no disponer de mediciones directas, la modalidad de transporte de fondo se ha calculado a partir de las ecuaciones de Einstein-Brown, Colby y el modelo regresivo de Dar y Agarwal, utilizando la información complementaria de las memorias de aforo del CEDEX y el informe sedimentológico del embalse. Para su validación fue aplicada la técnica de validación cruzada dejando fuera un caso, obteniendo coeficientes de determinación R2 satisfactorios.

La carga total media anual de la cuenca para el periodo de estudio (1974-2015) se estimó en torno a 18.077,61 t.año-1 (0,40 t.ha-1.año-1), resultando que la modalidad principal de transporte tiene lugar por disolución (concretamente el 71-88% del promedio de carga total), lo que se debe al predominio de materiales calizos y a la intensidad de los procesos de karstificación en el área vertiente.

Los modelos de erosión seleccionados fueron WEPP, de base física, y SWAT, de base conceptual, previamente testados en ambientes semiáridos y kársticos con buenos ren-dimientos. La metodología consistió en preparar las variables de entrada a los modelos mediante Sistemas de Información Geográfica (variable climática, edáfica, topográfica y usos del suelo), efectuar la calibración y validación de los modelos a partir de datos de sedimentos obtenidos mediante los modelos predictivos, y evaluar la eficiencia de los modelos de erosión mediante 5 estadísticos cuantitativos.

En la etapa de calibración se realizó un análisis de sensibilidad para detectar los paráme-tros más influyentes en los modelos. Para continuar con la fase de validación, los modelos tenían que alcanzar en la calibración los criterios de eficiencia requeridos en cada caso. En el caso de SWAT fue posible modelizar caudal y transporte de sedimentos, mientras que en WEPP sólo los aportes de sedimentos, obteniendo indicadores de eficiencia satis-factorios en ambos modelos.

La carga total media anual obtenida mediante WEPP y SWAT para el periodo de estudio se estima en 20.413 y 18.739 t.año-1, respectivamente. De la comparación con la superfi-cie total del área vertiente se deduce una degradación específica (DE) de la cuenca en torno a 249 y 279 t.km-2.año-1 para WEPP y SWAT, respectivamente. Estos valores, aun-que algo inferiores según el cálculo de los aforos de sólidos, concuerdan con los valores de DE calculados por otros autores a partir de registros sedimentológicos y campañas batimétricas del embalse del Argos. Por tanto, los modelos de erosión WEPP y SWAT, han demostrado ser un buen instrumento para estimar la producción de sedimentos y la pérdida de suelo de forma espacialmente distribuida en pequeñas cuencas mediterráneas de cabecera, útiles para la conservación de suelos en la zona de estudio y en otras de condiciones ambientales similares. Silting is one of the main environmental problems of the reservoirs, causing important effects on the hydromorphological quality of the channel and the ecosystems, and the decrease in its regulatory capacity too.

In this thesis it is proposed the application of two models of erosion and transport at basin scale to evaluate the sediment yield and sediment transport in a Mediterranean semi-arid karst basin, which drains its waters and sediments into a reservoir, as well as the imple-mentation of empirical models of sediment transport (dissolved, suspended and bed load).

The basin of the river Argos flowing to the Argos reservoir (Segura Basin) has been se-lected as the study area, because it has enough technical data available to check the out-puts of the models.

The methodology to estimate the dissolved load, the suspended load and the total sediment load is based on logarithmic regressions from solid gauging measurements made in different campaigns by the CEDEX. The bed load was calculated from the equations of Einstein-Brown, Colby and the regressive model of Dar and Agarwal, because direct measurements were not available. For this purpose it had been used the complementary information from the CEDEX gauging reports and the sedimentological report of the reser-voir. The validation was carried out by the Leave-one-out cross-validation technique (LOOCV), obtaining satisfactory coefficients of determination (R2).

The total annual mean load of the basin for the study period (1974-2015) was estimated at around 18,077.61 t.year-1 (0.40 t•ha-1•year-1). The main mode of transport is the dissolved load (specifically 71-88% of the average total load), which is due to the predominance of limestone materials and the intensity of the Karstification processes in the catchment.

The selected erosion models were WEPP, which has a physical basis, and SWAT, which is conceptual. Both of them had already been tested in semi-arid and karst environments with good performance. The methodology consisted of preparing the input variables to the models using Geographic Information Systems (climatic, soil, topographic and “land uses” variables), realising the calibration and validation of the models from flow and sediment data obtained from the predictive models, and evaluating the efficiency of the models us-ing 5 quantitative statistics.

During the calibration a sensitivity analysis was performed to detect the most influential parameters in the models. In order to continue to the validation stage, the models had to reach in the calibration phase the required efficiency conditions.

It was possible to model by SWAT both flow and sediment transport, whereas only sedi-ment inputs were calibrated and validated in the case of WEPP, obtaining satisfactory efficiency indicators in both models.

The total annual mean load of the basin provided by the WEPP and SWAT models in the Argos river basin for the study period was estimated at 20,413 and 18,739 t•year-1, re-spectively. The specific degradation (DE) of the river basin was deduced from the comparison with the total area of the catchment. The DE calculated by WEPP and SWAT models is around 249 and 279 t•km-2•year-1 respectively. Despite the fact that these values are a bit lower than those from the sediment gauges, the values obtained are consistent with those calculated by other authors from sedimentological records and bathymetric campaigns realized in the reservoir of Argos. Therefore, WEPP and SWAT erosion models, have demonstrated to be succesfull spatially distributed models for the prediction of sediment yield and soil loss at the catchment scale in small headwater Mediterranean basins. Both tools contribute to the soil conservation in the study area and in other catchments with similar environmental conditions.