Hydromorphological analysis of ephemeral streams: Integrating remote sensing and machine learning approaches
- Autores: María Pilar Rabanaque Yuste
- Directores de la Tesis: Gerardo Benito Ferrández (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2024
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Francesca Segura Beltran (presid.), Alfredo Ollero Ojeda (secret.), Askoa Ibisate González de Matauco (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ordenación del Territorio y Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza
- Materias:
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- Resumen
Los ríos efímeros suponen más del 50% de la red fluvial mundial. Este número se espera que incremente debido al cambio climático. En algunas zonas como el Mediterráneo, este tipo de ríos son muy frecuentes, y en cuencas como la del Júcar o el Segura suponen más del 70% de la red fluvial. Desde el establecimien-to de la Directiva Marco del Agua en el año 2000, se ha puesto de relieve la necesi-dad de abordar la problemática ambiental de los ríos efímeros de forma indepen-diente. En el primer ciclo de implantación de la Directiva se pretendía unificar las ac-tuaciones de gestión del agua en todos los países miembros de la UE, tomando como indicadores de calidad biológicos y ecológicos, dominantes en ríos perennes. En el segundo ciclo de la Directiva, se ha avanzado en incorporar criterios hidro-morfológicos adaptados a los ríos efímeros mediterráneos. Sin embargo, estos in-dicadores físicos siguen teniendo un sesgo ecohidrológico importante.
En esta Tesis se persigue avanzar en el desarrollo combinado de metodo-logías y modelos que permitan caracterizar y evaluar el estado físico y geomorfológi-co de los cauces efímeros. Para ello, se han seleccionado dos cuencas pertenecientes a la Confederación Hidrográfica del Júcar, en concreto la Rambla de Cervera y la Rambla de la Viuda. Estas dos cuencas acumulan múltiples alteraciones antrópicas ocurridas en el último siglo, tales como cambios de usos de suelo, extracciones de gravas y construcción de presas.
En concreto las extracciones de gravas, intensas desde 1970, han cambiado significativamente la morfodinámica de estas ramblas. En la actualidad, estas extrac-ciones son residuales pero la recuperación morfo-sedimentaria de estos cauces sigue siendo un reto importante. Por tanto, resulta crucial comprender la trayectoria de cambio actual y la tasa de ajuste a su nuevo estado hidro-geomorfológico. Es por ello que esta Tesis se ha enfocado en conocer cuál es el estado y cómo se recuperan los sistemas fluviales tras el cese de la extracción de gravas en estas dos cuencas mediterráneas. Con este fin, se han empleado distintas metodologías, las cuales, combinadas entre si, nos permiten conseguir los objetivos propuestos.
Diversos estudios han demostrado que la respuesta y la recuperación del cauce están controladas por la disponibilidad y transferencia de sedimentos tras una perturbación. Estos procesos trascienden la escala de tramo, ya que dependen de la disponibilidad de sedimento y su transferencia a lo largo de la red fluvial. Es por ello que se requiere un análisis y clasificación jerárquica que aborde múltiples escalas: cuenca, tramo, cauce y formas de lecho. A escala de cuenca, se ha realizado una segmentación automatizada de tramos que comprende un análisis multivariante de parámetros físicos obtenidos de modelos digitales del terreno, y que incorpora va-riables hidromorfológicas (potencia del flujo, anchura de cauce activo) en la discreti-zación de tramos. Esta metodología, aplicada anteriormente en ríos permanentes, se ha combinado con una caracterización espacial y diacrónica de las diferentes formas fluviales identificadas en imágenes de satélite y de muy alta resolución, mediante al-goritmos de machine learning. El análisis de imágenes nos permite abordar grandes zonas dotando de objetividad a la cartografía, a la vez que reduce el tiempo de ejecu-ción. En su conjunto, se obtienen una clasificación espacial de los segmentos con características geomórficas similares, lo que permite centrar los estudios de detalle (escala de cauce y forma) en tramos concretos y representativos. Como resultado se ha propuesto, por primera vez, una clasificación de tipos de cauce en ríos efímeros mediterráneos, que ayuda en la sistematización de los cauces más allá de las cuencas estudiadas.
Sin duda, el sedimento constituye el motor de la morfodinámica y, por tan-to, de la recuperación fluvial. Conocer la dinámica del flujo del sedimento incluye determinar los tramos fuente y de acumulación del sedimento, así como la tasa de transporte y la conectividad. El cálculo del sedimento movilizado, ya sea erosionado, transportado o depositado, mediante modelos creados para sistemas fluviales con escasez de datos, permite obtener estimaciones volumétricas de sedimento y su co-nectividad. La mayor parte de estos modelos de flujo de sedimento a escala de red fluvial se ha desarrollado para ríos permanentes, debido a la mayor disponibilidad de datos para su validación. En esta Tesis se han optado por implementar un mo-delo simple de transporte sedimentario (CASCADE) basado en el balance sedimen-tario realizado en tramos identificados en la segmentación con criterio geomorfoló-gico, anteriormente descritos. Los cálculos de balance sedimentario se han realizado para dos eventos de flujo (enero y abril de 2020) cuyos caudales en cada tramo se obtienen de un modelo hidrológico distribuido (TETIS). En la validación del mode-lo se ha utilizado la estimación de cambio de volumen de sedimento, calculada de la diferencia de dos modelos digitales del terreno obtenidos mediante fotogrametría con drones realizada en tres segmentos del modelo. Igualmente, se ha realizado una valoración cualitativa, basada en juicio experto, de la coherencia de los resultados del modelo con el tipo de cauce, formas fluviales y granulometrías existentes en los di-ferentes tramos. Además de determinar las tasas de transporte, el modelo permite identificar los tramos fuente y de acumulación del sedimento, así como caracterizar la conectividad sedimentaria y el efecto de las presas como barrera de la dinámica sedimentaria.
Los resultados de esta Tesis ponen de manifiesto el gran potencial que tie-nen el uso de nuevas técnicas y datos digitales abiertos para conocer el estado am-biental, monitorización y evolución de los ríos afectados por acciones antrópicas. Estas técnicas comprenden desde la cartografía de imágenes de distinta resolución de manera semiautomática, segmentación automática de cursos fluviales y modelos numéricos capaces de estimar el movimiento de sedimento a lo largo de una cuenca. De esta forma es posible cuantificar tasas de recuperación o estabilización del canal, conocer las transiciones del estado morfo-sedimentario, establecer tipologías que ayudan a la identificación de segmentos degradados, estimar las tasas de transporte, depósito y erosión que se producen de un tramo a otro mediante los modelos en cascada. Toda esta información permite también realizar estimaciones a largo plazo para conocer cuáles van a ser las trayectorias de recuperación a escala de tramo, cau-ce y forma de lecho, así como determinar el tiempo y estadios de mejora en diferen-tes escenarios hidroclimáticos.
Las metodologías empleadas en esta Tesis con distintas escalas espaciales y temporales han permitido detectar problemas ambientales en los sistemas fluviales estudiados y proponer estrategias de mejora de las condiciones geomorfológicas. Aunque los estudios se han aplicado a dos cursos efímeros, su aplicación es viable a otras cuencas mediterráneas. Estas metodologías se consideran unas buenas herra-mientas para que gestores o administraciones las puedan utilizar y conocer de una manera rápida, sencilla y reproducible, en el diagnóstico y mejora del estado am-biental de los ríos efímeros mediterráneos.
