Integración de métodos para la caracterización hidrogeomorfológica de la actividad torrencial en una cuenca de montaña (Portainé, Pirineos Orientales)

Abstract

[spa] La predicción de las avenidas torrenciales en zonas de montaña está limitada por la complejidad de las inestabilidades meteorológicas que las generan (tormentas convectivas con un fuerte efecto orográfico), la rápida respuesta hidrológica de las cuencas hidrográficas (avenidas súbitas) y la variabilidad de carga sólida de los flujos resultantes (acuosos, hiperconcentrados y de derrubios). Esto hace necesario buscar alternativas para determinar la actividad fluvio-torrencial de las cuencas y poder así evaluar su peligrosidad. Los métodos sistemáticos y paleohidrológicos presentan grandes dificultades en contextos montañosos debido a la falta de fuentes de datos completas y precisas. Llegados a este punto, la comprensión integral de un sistema pasa por adoptar una perspectiva holística que combine todas las evidencias disponibles en la zona y sus posibles métodos de análisis, correlacionando los resultados en función de la fiabilidad e incertidumbre de cada uno de ellos. El objetivo de este trabajo ha sido desarrollar e integrar la mayor cantidad de métodos posibles para caracterizar la actividad hidrogeomorfológica de la cuenca de Portainé (Pirineos Orientales), la cual presenta un alto riesgo torrencial. Dada la envergadura del estudio, éste se ha realizado en dos fases: a escala de cuenca y a escala de red de drenaje. Por un lado, se ha caracterizado la cuenca en su conjunto con métodos estructurales, sedimentológicos, geomorfológicos, históricos, dendrocronológicos y pluviométricos, así como la cartografía de coberturas del suelo ampliamente reconocidos. Esto ha permitido recopilar y analizar los flujos torrenciales y las alteraciones antropogénicas de las últimas décadas. Por otro lado, se han estudiado en detalle los cambios temporales y las avenidas extraordinarias en los torrentes principales mediante datos multi-temporales de LiDAR aéreo y modelizaciones hidráulicas, respectivamente. En este caso, se ha detectado que las aproximaciones convencionales generan grandes incertidumbres al aplicarse en cuencas de monaña sin series precisas de aforos ni lluvias. Para hacer frente a este reto, se han desarrollado dos procedimientos metodológicos novedosos. El primero consiste en un análisis de modelos digitales de elevaciones (MDEs) secuenciales que considera que los errores son espacialmente variables entre secciones transversales al canal. El segundo combina geomorfología, dendrogeomorfología, hidráulica e hidrodinámica para obtener una reconstrucción más fidedigna de las avenidas modelizadas. Las investigaciones llevadas a cabo conllevan nuevos avances paleohidrológicos en cuencas densamente forestadas, no aforadas y de carácter torrencial. En el campo de la teledetección, se ha conseguido discernir de forma más efectiva entre los errores de los MDEs y los cambios geomorfológicos reales, pudiendo cuantificar fiablemente la magnitud y patrón de los fenómenos de erosión-acumulación y optimizar los cálculos volumétricos del balance sedimentario. Además, se ha estimado el impacto geomorfológico de las barreras flexibles de retención de sedimentos, aportando así nuevas herramientas para la evaluación de la efectividad y estabilidad de este tipo de estructuras en terrenos de difícil acceso. Respecto a la reconstrucción de paleoavenidas mediante evidencias dendrogeomorfológicas, se ha inspeccionado la distribución de los daños externos en la vegetación en base a su posición geomorfológica y a la energía del flujo. También se han examinado las diferencias entre la altura de las heridas y la del flujo modelizado. Así, se ha identificado que las heridas más fiables para las estimaciones del caudal pico corresponden a los árboles situados sobre formas de energía intermedia (terrazas y conos aluviales), mientras que el lecho y las laderas están sujetas a mayores errores. Los resultados obtenidos indican que las cuencas pequeñas de montaña son altamente vulnerables a la actividad humana. En el caso de estudio, se ha detectado una intensificación de los procesos torrenciales en el siglo XXI, con un recurrencia anual de flujos torrenciales en la actualidad que difiere de la periodicidad media cercana a los 5 años que se registra durante el siglo XX. Teniendo en cuenta que no existen variaciones temporales de las precipitaciones desencadenantes, dicho fenómeno se debe a una alteración en las condiciones del terreno que resulta en una menor capacidad de intercepción de las aguas pluviales y una mayor escorrentía superficial. Estos factores han generado una ruptura del equilibrio geomorfológico, aumentando la capacidad erosiva de los torrentes, cuya evolución actual está condicionada por la interacción entre la dinámica fluvio-torrencial natural y las medidas de defensa. En conclusión, la integración de metodologías multidisciplinares permite una aproximación robusta al funcionamiento hidrogeomorfológico en cuencas carentes de fuentes de datos directos o con una limitada disponibilidad de evidencias indirectas. Un estudio de estas características requiere de una cuidadosa interpretación de los resultados dependiendo de las particularidades de la zona, pero su adaptación y extrapolación es viable para otros sistemas torrenciales montañosos.

[eng] Flood forecasting in mountain areas is limited by the complexity of triggering meteorological instabilities (convective storms with high orographic influence), the rapid hydrological response of the watersheds (flash floods) and the variable sediment load of the resulting torrential flows (stream, hyperconcentrated or debris flows). Thus, in order to define fluvial and torrential activity for an adequate hazard assessment, a research for different alternatives needs to be done. Systematic and paleohydrological methods have additional drawbacks when applied to mountain environments lacking complete and accurate data sources. At this point, a comprehensive understanding of a system could be reported by adopting a holistic approach that combines all the available evidences in the area and their potential analysis methods, correlating the obtained results according to their reliability and uncertainty. The main objective of this work was to develop and integrate as many methods as possible to characterize the hydrogeomorphological activity of the Portainé catchment (Eastern Pyrenees), which shows high torrential risk. Given the scope of the study, it was divided in two stages depending on the subject under consideration: basin-scale and channel-scale assessments. On the one hand, the catchment was investigated in its entirety through widely tested structural, sedimentological, geomorphological, historical, dendrocronological, pluviometric and land-cover mapping methods. This allowed us to collect and analyse torrential flows and anthropogenic alterations that played out during last decades. On the other hand, temporal changes and extraordinary events along main torrents were reconstructed in detail using multi-temporal airborne LiDAR data and hydraulic modelling, respectively. In this case, large uncertainties arise from conventional techniques as long as mountain catchments lack of reliable discharge and rainfall time series. Two novel methodological approaches were developed so as to face this challenge. First, sequential digital elevation models (DEMs) were analysed accounting the spatial variability of errors on a section-by-section basis along channels. Second, a more consistent paleoflood reconstruction was obtained by combining geomorphology, dendrogeomorphology, flow hydraulics and hydrodynamics. This research involves new paleohydrological contributions for ungauged and densely forested torrential catchments. In the field of remote sensing, an effective appreciation of DEM errors and real geomorphic changes was achieved, which allowed magnitude and pattern of erosion-deposition phenomena to be quantified and sediment budget volumetric calculations to be optimized. Moreover, the geomorphic impact of flexible sediment retention barriers was also estimated, providing new tools for a high-resolution assessment of the behaviour, effectiveness and stability of engineering structures in remote areas that are hardly reached in the field. Regarding the dendrogeomorphic paleoflood reconstruction, the distribution of external disturbances was analysed in terms of their geomorphological position and flow energy. Differences between scar height and modelled water surface were also compared. This revealed that, while most reliable scars for peak discharge estimations are those from trees located on intermediate energy forms (alluvial terraces and fans), the riverbed and lateral slopes are prone to greater errors. The results achieved confirm that small mountain catchments are highly sensible to human activities. The study case shows that there has been an intensification of torrential processes in the 21st century, with an annual recurrence of torrential flows present-day. This tendency differs from the approximately 5-year interval recorded during the 20th century. Considering the non-variability in time of triggering rainfalls, this phenomenon must be related to changes in soil conditions, essentially resulting in lower rainfall interception and higher surface runoff. Those factors have provoked the geomorphological threshold to be exceeded and the transport capacity of the torrents to be increased. Their evolution is now strictly conditioned by the interaction of the natural river dynamics and debris flow protection measures. In conclusion, the integration of multidisciplinary methodologies enables a robust approximation to hydrogeomorphic behaviour in catchments lacking direct data or with limited indirect evidences. Even if such a study requires a thorough interpretation of the results according to site characteristics, it can also be adapted and extrapolated to other mountain torrential systems.

[eus] Mendi inguruneetan garatzen diren uholdeen iragarpena oso mugatua da, batez ere ezegonkortasun meteorologiko sortzaileen konplexutasuna (efektu orografiko handiko ekaitz konbektikoak), arro hidrografikoen erantzun bizkorra (bat-bateko uholdeak) eta fluxuen sedimentu kontzentrazio aldakorra (urtsuak, hiperkontzentratuak edo debris flow motatakoak) direla eta. Hortaz, beste alternatiba batzuk bilatu behar dira arroetako mendi- erreken jarduera eta honi lotutako uholde-arriskugarritasuna zehaztu ahal izateko. Metodo sistematiko eta paleohidrologikoek, ordea, zailtasun handiak erakusten dituzte eremu hauetan aplikatzen direnean, ez baitago datu iturri zehatz edota osorik. Gauzak horrela, sistema baten ulermen integrala lortu nahi izanez gero beharrezkoa da ikuspuntu holistiko bat hartzea, tokian eskuragarri dauden ebidentziak eta dagozkien analisi-metodo guztiak erabiliz, eta lortzen diren emaitzak euren fidagarritasun eta ziurgabetasunaren arabera erlazionatuz. Lan honen helburua uholde-arrisku handia erakusten duen Portainé arroa (Ekialdeko Pirinioak) hidrogeomorfologikoki aztertzeko ahalik eta metodologia gehien garatzea eta integratzea izan da. Ikerketaren zabaltasuna kontuan izanik, bi fasetan burutu da: arro eskalara eta drainatze-sare eskalara. Alde batetik, arroa bere osotasunean ikertu da metodo estruktural, sedimentologiko, geomorfologiko, historiko, dendrokronologiko eta plubiometrikoetaz baliatuz, baita lurrazal-estalkiaren kartografiaren bitartez ere. Honi esker, azken hamarkadetako mendi- uholdeak eta eraldaketa antropogenikoak biltzea eta ezaugarritzea lortu da. Bestetik, LiDAR hegaldietako datuak eta modelizazio hidraulikoak erabiliz, ibaibideetako aldaketa tenporalak eta ohiz kanpoko uraldiak zehaztasunez aztertu dira, hurrenez hurren. Kasu honetan, ikuspegi klasikoek ur-emari eta prezipitazio datu-serie zehatz gabeko mendi arroetan ziurgabetasun ugari sortzen dituztela igarri da. Erronka horri aurre egiteko, bi prozesu metodologiko berri garatu dira. Lehenengoa lurzoruaren eredu digital (LED) sekuentzialen azterketa sakon bati dagokio, non euren erroreak ibilguaren zeharkako profiletik profilera espazialki aldakortzat jotzen diren. Bigarrenak geomorfologia, dendrogeomorfologia, hidraulika eta hidrodinamika bateratzen ditu modelizatutako uholdeen berregite zintzoago bat lortu nahian. Garatutako ikerketek pausu paleohidrologiko nabarmenak dakartzate landaredi dentsodun, emari estazio gabeko eta bat-bateko uholde izaeradun arroetarako. Teledetekzioaren alorrean, LEDen erroreen eta aldaketa geomorfologiko errealen arteko bereizketa eraginkorra lortu da, higadura-metaketa prozesuen magnitude eta banaketa hobeto kuantifikatzea ahalbidetuz, eta era berean, balantze sedimentarioaren kalkulu bolumetrikoak optimizatuz. Gainera, sedimentua atxikitzeko diseinatutako sare deformagarrien inpaktu geomorfologikoa zenbatu da. Honek, iristeko zailak diren tokietan kokatzen diren neurri estrukturalen eraginkortasuna eta egonkortasuna balioztatzeko irizpide berriak dakartza. Iraganeko uholdeak seinale dendrogeomorfologikoen bidez berreraikitzeari dagokionez, landarediak erakusten dituen kanpo-kalteen sakabanaketa euren posizio geomorfologikoaren eta ur korrontearen energiaren arabera aztertu da. Enborretako zaurien eta modelizatutako ur mailaren arteko altuera diferentzia ere neurtu da. Honela, muturreko emaria kalkulatzeko erabilitako zaurien artean fidagarrienak energia ertaineko formetan kokatzen direla ikusi ahal izan da, ubide eta magalek errore handiagoak ekartzen dituztelarik. Lortutako emaitzek mendi arro txikiek giza jarduerekiko duten kalteberatasun altua uzten dute agerian. Ikerketa tokian, XXI. mendean zehar uholdezko prozesuak zeharo biziagotu direla nabarmentzen da. Izan ere, gaur egun fluxuak urtero garatzen dira. XX. mendean, ostera, hauen maiztasuna 5 urte ingurukoa zen. Prezipitazio eragileen patroi aldaketarik ez dela eman kontuan izanda, gertakari honek lurzoruaren baldintzekin lotuta egon behar du. Hain zuzen ere, azken urteetan gauzatutako lurzoru erabilerek infiltrazio gaitasuna txikitu eta azaleko isurketa areagotu dute. Faktore guzti hauek oreka geomorfologikoa gainditzea ekarri dute, baserreken higadura ahalmena handituz. Beren egungo eboluzioa ibai-dinamika naturalaren eta defentsa neurrien arteko interakzioaren emaitza da. Ondorioz, metodologia multidisziplinarrak integratzea aukera ezinhobea da datu zuzen gabeko eta zeharkako-datu eskaseko arroen funtzionamendu hidrogeomorfologikoa era sendoan aztertzeko. Horrelako ikerketa bat gauzatu ahal izateko, ezinbestekoa da emaitzak ingurunearen ezaugarrien arabera arreta handiz interpretatzea. Hala ere, aurkeztutako lana gainerako mendi-sistemetara egokitu eta estrapolatu daiteke.

[cat] La predicció de les avingudes torrencials en zones de muntanya està limitada per la complexitat de les inestabilitats meteorològiques que les generen (tempestes convectives amb un fort efecte orogràfic), la ràpida resposta hidrològica de les conques hidrogràfiques (avingudes sobtades) i la variabilitat de càrrega sòlida dels fluxos resultants (aquosos, hiperconcentrats i corrents d’arrossegalls). Això fa necessari buscar alternatives per determinar l'activitat fluvio-torrencial de les conques i així poder avaluar la seva perillositat. Els mètodes sistemàtics i paleohidrològics presenten grans dificultats en contextos muntanyosos per causa de la falta de fonts de dades completes i precises. Arribats a aquest punt, la comprensió integral d'un sistema passa per adoptar una perspectiva holística que combini totes les evidències disponibles a la zona i els seus possibles mètodes d'anàlisi, tot correlacionant els resultats en funció de la fiabilitat i incertesa de cada un d'ells. L'objectiu d'aquest treball ha estat desenvolupar i integrar la major quantitat de mètodes per caracteritzar l'activitat hidrogeomorfològica de la conca de Portainé (Pirineus Orientals), la qual presenta un alt risc torrencial. Donada l'envergadura de l'estudi, aquest s'ha realitzat en dues fases: a escala de conca i a escala de xarxa de drenatge. D'una banda, s'ha caracteritzat la conca en el seu conjunt amb mètodes estructurals, sedimentològics, geomorfològics, històrics, dendrocronològics, pluviomètrics i de cartografia de cobertes del sòl àmpliament reconeguts. Això ha permès recopilar i analitzar els fluxos torrencials i les alteracions antropogèniques de les últimes dècades. D'altra banda, s'han estudiat en detall els canvis temporals i les avingudes extraordinàries en els torrents principals mitjançant dades multi-temporals de LiDAR aeri i modelitzacions hidràuliques, respectivament. En aquest cas, s'ha detectat que les aproximacions convencionals generen grans incerteses a l’aplicar-se en conques de muntanya sense aforaments ni sèries pluviomètriques precises. Per fer front a aquest repte, s'han desenvolupat dos procediments metodològics nous. El primer consisteix en una anàlisi de models digitals d'elevacions (MDEs) seqüencials que considera que els errors son espacialment variables entre seccions transversals al canal. El segon combina geomorfologia, dendrogeomorfologia, hidràulica i hidrodinàmica per obtenir una reconstrucció més fidedigna de les avingudes modelitzades. Les investigacions dutes a terme comporten nous avenços paleohidrològics en conques amb bosc dens, no aforades i de caràcter torrencial. En el camp de la teledetecció, s'ha aconseguit discernir de forma més efectiva entre els errors dels MDEs i els canvis geomorfològics reals, tot quantificant amb fiabilitat la magnitud i el patró dels fenòmens d'erosió-acumulació i optimitzant els càlculs volumètrics del balanç sedimentari. A més, s'ha estimat l'impacte geomorfològic de les barreres flexibles de retenció de sediments, tot aportant noves eines per a l'avaluació de l'efectivitat i estabilitat d'aquest tipus d'estructures en terrenys de difícil accés. Respecte a la reconstrucció de paleoavingudes mitjançant evidències dendrogeomorfològiques, s'ha inspeccionat la distribució dels danys externs en la vegetació en base a la seva posició geomorfològica i l'energia del flux. També s'han examinat les diferències entre l'altura de les ferides i la del flux modelitzat. Així, s'ha identificat que les ferides més fiables per a les estimacions del cabal pic corresponen als arbres situats sobre formes d'energia intermèdia (terrasses i cons al·luvials), mentre que el llit i els vessants estan subjectes a majors errors. Els resultats obtinguts indiquen que les conques petites de muntanya són altament vulnerables a l'activitat humana. En el cas d'estudi s'ha detectat una intensificació dels processos torrencials al segle XXI, amb un recurrència anual de fluxos torrencials en l'actualitat que difereix de la periodicitat mitjana propera als 5 anys que s’enregistra durant el segle XX. Tenint en compte que no hi ha variacions temporals en les pluges desencadenants, aquest fenomen es deu a una alteració en les condicions del terreny que resulta en una menor capacitat d'intercepció de les aigües pluvials i un major escolament superficial. Aquests factors han generat una ruptura de l'equilibri geomorfològic, tot augmentant la capacitat erosiva dels torrents, l'evolució actual dels quals està condicionada per la interacció entre la dinàmica fluvio-torrencial natural i les mesures de defensa. En conclusió, la integració de metodologies multidisciplinaris permet una aproximació robusta al funcionament hidrogeomorfològic en conques mancades de fonts de dades directes o amb una limitada disponibilitat d'evidències indirectes. Un estudi d'aquestes característiques requereix d'una acurada interpretació dels resultats, que depenen de les particularitats de la zona, però la seva adaptació i extrapolació és viable per a altres sistemes torrencials muntanyencs.