Summary - Resumen

Summary:

Soil erosion is a key driver of land degradation and desertification, two major environmental problems. The highest rates of soil erosion occur in mountain or steep-slope areas. Several major research questions on this topic have been raised from the literature and the consortium’s experiences, such as; 1) How is the highly erodible topsoil layer of a clayey soil regenerated? 2) How can the sediment flux from a torrential catchment entering the river network be quantified and modelled? 3) How are the impacts of future environmental changes (climate, land cover)? Therefore, the project aims to significantly reduce these and related research needs by applying a multi-disciplinary approach. On one side, advanced geotechnical and geomatic techniques measure and characterise the soil production and erosion processes at several spatial scales: from small hillslopes (10² m² size) to torrential catchments (~1 km²). On the other side, monitoring datasets are used for the co-development and validation of modelling tools applying this multiscale approach. Physically-based models are implemented at the local scale, and ensembled physically-based and machine-learning models at a larger scale. Finally, predictions on sediment yield will be upscaled up to a fluvial valley head scale (10² km²).

Erosion mechanisms are highly conditioned by the clay fraction of soil, which determines its hydro-mechanical behaviour, and by the morphology of the landscape. In this project, four main litho-geomorphic environments are differentiated: 1) badland torrential catchments in fine-grained soils (resulting from weathering of soft bedrocks), 2) debris torrential catchments formed by coarse-grained sediments (typically glacial or periglacial), 3) open hillslopes consisting of mixed-grained colluvial sediments, and 4) river valley heads formed by the whole range of sediment grain-sizes, in which the sediment cascades converge. In these four environments, we selected different test areas located in the Eastern and Central Pyrenees, where we will apply the monitoring and modelling techniques. These test areas have been used as natural laboratories throughout several projects, and thus, long-time monitoring series are already available.

The work plan consists of three work blocks dealing with 1) erosion in badland areas, 2) erosion in debris torrential catchments and open hillslopes, and 3) upscaling of sediment yield to upper river valley heads as well as the assessment of the impacts of future scenarios due to climate change and land cover variations.

In summary, the project advances knowledge of soil erosion and sediment production in mountainous areas through long-term datasets and innovative models, assessing the impacts of future environmental changes. By aligning with global initiatives, it fosters resilience and sustainable environmental practices. Thus, stakeholders can implement the project results in land-use planning and soil erosion mitigation.

Resumen:

La erosión es uno de los principales desencadenantes de la degradación de suelos y de la desertificación, dos importantes problemas ambientales. Las mayores tasas de erosión se dan en zonas montañosas y en laderas de gran pendiente. A partir de la bibliografía sobre el tema y de las propias experiencias del consorcio, se plantean varias cuestiones importantes, por ejemplo: 1) ¿Cómo se regenera la capa más superficial de un suelo arcilloso, que es fácilmente erosionable? 2) ¿Cómo se puede cuantificar y modelizar el flujo de sedimentos que entran en la red fluvial procedente de cuencas torrenciales? 3) ¿Cuál es el impacto de los futuros cambios medioambientales (clima, ocupación del suelo)? A partir de estas preguntas, el proyecto pretende reducir significativamente estas y otras muchas necesidades de investigación usando un enfoque multidisciplinario. Por un lado, se utilizarán técnicas geotécnicas y geomáticas avanzadas para medir y caracterizar la producción de suelo y los procesos erosivos a distintas escalas: desde pequeñas laderas (10² m²) hasta cuencas torrenciales (aprox. 1 km²). Por otro lado, se usarán conjuntos de datos de monitorización para el desarrollo y la validación de modelos, aplicando también tal enfoque multi-escalar.  Los modelos físicos se implementarán a una escala local, y los modelos ensamblados, que combinan modelos físicos y técnicas de “machine learning”, se aplicarán a una escala mayor. Finalmente, las predicciones de las tasas de erosión se ampliarán a escala de cabecera de valle fluvial (10² km²).

Los mecanismos de erosión están altamente condicionados por el contenido de arcilla en el suelo, hecho que determina su comportamiento hidromecánico y la morfología del paisaje. En este proyecto se diferencian cuatro ambientes lito-geomorfológicos: 1) cuencas torrenciales en cárcavas en suelos de grano fino (resultantes de la meteorización rocas arcillosas), 2) cuencas torrenciales en derrubios constituidos por sedimentos de grano grueso (típicamente glaciares o periglaciares), 3) laderas formadas por sedimentos coluviales de grano mixto, y 4) cabeceras de valles fluviales formadas por todo tipo de granulometrías, en las que convergen las diversas cascadas de sedimentos. En estos cuatro ambientes se han seleccionado varias áreas de estudio, situadas en los Pirineos Orientales y Centrales, donde aplicaremos las técnicas de monitorización y modelización. Estas áreas de estudio se han usado como laboratorios naturales en numerosos proyectos por lo que ya se dispone de series de series de datos largas.

El plan de trabajo consta de tres bloques tratando con 1) erosión en cárcavas, 2) erosión en cuencas torrenciales de derrubios y laderas, y 3) re-escalado de la tasa de producción de sedimentos a la cabecera de valles fluviales, así como la evaluación de los impactos de posibles escenarios de cambio climático, variaciones en la cobertura del suelo.

En resumen, el proyecto avanza el conocimiento sobre la erosión de suelos y la producción de sedimento en áreas montañosas a partir de series de datos largas y modelos innovadores, evaluando el impacto de cambios ambientales futuros.  Alineándose con iniciativas globales, promueve la resiliencia y prácticas ambientales sostenibles. De este modo, los usuarios finales del proyecto podrán usar los resultados del mismo en la planificación del uso del suelo y la mitigación de la erosión.