Criterios de aproximación para medir la efectividad de las actuaciones hidrológico-forestales, en el control del fenómeno nivo-torrencial en las cuencas de montaña

La presente Tesis Doctoral establece, con criterios científico-técnicos y como primera aproximación, una metodología para evaluar la protección ante los riesgos naturales que proporciona la restauración hidrológico-forestal de las cuencas hidrográficas de montaña, a los habitantes en ellas y a los transeúntes por las mismas. La investigación se ha planificado dividida en tres secciones en las que se analizan: 1) la protección que proporcionan las cubiertas forestales, tanto si son de regeneración natural o si proceden de reforestación; 2) la que se consigue con las obras ejecutadas en las propias cuencas y sus cauces de drenaje, que en el ámbito de la restauración hidrológico-forestal se vinculan con las reforestaciones, por lo que se hace intervenir a éstas en su evaluación y 3) la que se obtiene con las sinergias que surgen a lo largo de la consolidación de las reforestaciones y de las obras ejecutadas en la cuenca, cumpliendo con el proyecto para su restauración hidrológico-forestal; que se estiman en función del grado de cumplimiento de los objetivos específicos del mismo. La incidencia de las cubiertas forestales en el control de los riesgos naturales en la montaña se ha evaluado: a) teniendo en cuenta las experiencias de las investigaciones sobre la materia desarrolladas en la última década en el área alpina y b) analizando las características dasocráticas de las cubiertas forestales objeto de la investigación y, en función de ellas, identificando los parámetros más representativos que intervienen en el control de los principales riesgos naturales en la montaña (crecidas torrenciales, aludes, deslizamientos del terreno y caídas de bloques). La protección aportada por las obras de corrección se ha evaluado, considerado a las cuencas en las que están ubicadas como unidades específicas de corrección y analizando su comportamiento ante el mayor número de eventos torrenciales posible (que se han definido a partir de todas las precipitaciones registradas en las estaciones meteorológicas de serie histórica más larga, situadas en la cuenca en cuestión o más próximas a ella) y verificando a continuación incidencias que hayan ocurrido en la cuenca y el estado en que han quedado las obras. Con la evaluación de las sinergias surgidas a lo largo de la consolidación del proyecto de restauración, se ha tratado de precisar el grado de cumplimiento de sus principales objetivos; teniendo en cuenta que los resultados del proyecto, por su propia dinámica, se experimentan a medio y largo plazo; intervalo en el que pueden surgir distintos imponderables. En cualquier caso, la restauración de las cuencas de montaña no implica la desaparición en ellas de todos de los riesgos; sino un control de éstos y la consiguiente reducción de sus efectos. Por lo que es necesario realizar trabajos de mantenimiento de las reforestaciones y de las obras ejecutadas en ellas, para que conserven las condiciones de protección inicialmente diseñadas. La metodología se ha aplicado en cinco escenarios del Pirineo Aragonés; tres en los que en el pasado se efectuaron trabajos y obras de restauración hidrológico-forestal (las cuencas vertientes a los torrentes de Arratiecho y de Arás y el paraje de Los Arañones) y otros dos que no fueron intervenidos (la ladera de la margen derecha vertiente al cauce de Canal Roya y la ladera de solana de la cabera de la cuenca de Fondo de Pineta) que sirvan de contraste con los anteriores. ABSTRACT The present Thesis establish a methodology in first approach with scientist and technical criteria to assess the protection of persons provided by the water and forest restoration before natural risks in the mountain watersheds. The research has been planned into three sections where it is analysed: 1) the protection provided by the forest cover itself, either it comes from natural regeneration or reforestation; 2) the protection provided by the works executed within the watersheds and in the drainage channels, which it is bound together with the reforestations of water and forest restorations, assessing both effects at a time; and 3) the protection provided by the synergy that arises along the consolidation of the reforestations and the woks executed in the watersheds as the water and forest restoration project considered. This is estimated according the degree of accomplishment of its specific objectives. The impact of the forest covers in the control of natural risks in the mountain has been assessed: a) having into account the experience in the research about the topic developed in the last decades in the alpine area, and b) analysing the dasocratic characteristics of the forest covers and identifying the more representative parameters that take part in the control of the main natural risks in the mountain (torrential rises, avalanches, landslides and rock falls). The protection supplied by the correction works has been assessed considering the watershed as the specific correction unit, as well as analysing their behaviour before the largest number of torrential events possible. Those were defined from the precipitation recorded in the meteorological stations placed within or the closest to the watershed with long historic data. Then the incidents presented in the watershed and the state of the works are verified. The grade of accomplishment of the main objectives has been specified with the evaluation of the synergies raised along the restoration project. It has to be taken into account that the project has its own dynamics and its results show in mid and long term during a period with events unexpected. In any case, the restoration of the mountain basins doesn't imply the disappearance of all risk, but a control of them and the reduction of their effects. Then, it is necessary maintenance of the reforestations and of the works executed to conserve the protection conditions originally designed. The methodology has been applied into five scenes in the Aragonese Pyrenees; three in which works and water and forest restorations were executed in the past (watershed of Arratiecho and Aras torrents, and the Arañones location), and other two without any intervention that make contrast (the right hill-slope of Canal Roya and the south hill-slope of the headwaters of Pineta valley).

Guidelines for the design of an environmental flow regime program at the regional scale: Application of the ELOHA framework in the Ebro River basin

La gestión de los recursos hídricos se convierte en un reto del presente y del futuro frente a un panorama de continuo incremento de la demanda de agua debido al crecimiento de la población, el crecimiento del desarrollo económico y los posibles efectos del calentamiento global. La política hidráulica desde los años 60 en España se ha centrado en la construcción de infraestructuras que han producido graves alteraciones en el régimen natural de los ríos. Estas alteraciones han provocado y acrecentado los impactos sobre los ecosistemas fluviales y ribereños. Desde los años 90, sin embargo, ha aumentado el interés de la sociedad para conservar estos ecosistemas. El concepto de caudales ambientales consiste en un régimen de caudales que simula las características principales del régimen natural. Los caudales ambientales están diseñados para conservar la estructura y funcionalidad de los ecosistemas asociados al régimen fluvial, bajo la hipótesis de que los elementos que conforman estos ecosistemas están profundamente adaptados al régimen natural de caudales, y que cualquier alteración del régimen natural puede provocar graves daños a todo el sistema. El método ELOHA (Ecological Limits of Hydrological Alteration) tiene como finalidad identificar las componentes del régimen natural de caudales que son clave para mantener el equilibrio de los ecosistemas asociados, y estimar los límites máximos de alteración de estas componentes para garantizar su buen estado. Esta tesis presenta la aplicación del método ELOHA en la cuenca del Ebro. La cuenca del Ebro está profundamente regulada e intervenida por el hombre, y sólo las cabeceras de los principales afluentes del Ebro gozan todavía de un régimen total o cuasi natural. La tesis se estructura en seis capítulos que desarrollan las diferentes partes del método. El primer capítulo explica cómo se originó el concepto “caudales ambientales” y en qué consiste el método ELOHA. El segundo capítulo describe el área de estudio. El tercer capítulo realiza una clasificación de los regímenes naturales de la cuenca (RNC) del Ebro, basada en series de datos de caudal mínimamente alterado y usando exclusivamente parámetros hidrológicos. Se identificaron seis tipos diferentes de régimen natural: pluvial mediterráneo, nivo-pluvial, pluvial mediterréaneo con una fuerte componente del caudal base, pluvial oceánico, pluvio-nival oceánico y Mediterráneo. En el cuarto capítulo se realiza una regionalización a toda la cuenca del Ebro de los seis RNC encontrados en la cueca. Mediante parámetros climáticos y fisiográficos se extrapola la información del tipo de RNC a puntos donde no existen datos de caudal inalterado. El patrón geográfico de los tipos de régimen fluvial obtenido con la regionalización resultó ser coincidente con el patrón obtenido a través de la clasificación hidrológica. El quinto capítulo presenta la validación biológica de los procesos de clasificación anteriores: clasificación hidrológica y regionalización. La validación biológica de los tipos de regímenes fluviales es imprescindible, puesto que los diferentes tipos de régimen fluvial van a servir de unidades de gestión para favorecer el mantenimiento de los ecosistemas fluviales. Se encontraron diferencias significativas entre comunidades biológicas en cinco de los seis tipos de RNC encontrados en la cuenca. Finalmente, en el sexto capítulo se estudian las relaciones hidro-ecológicas existentes en tres de los seis tipos de régimen fluvial encontrados en la cuenca del Ebro. Mediante la construcción de curvas hidro-ecológicas a lo largo de un gradiente de alteración hidrológica, se pueden sugerir los límites de alteración hidrológica (ELOHAs) para garantizar el buen estado ecológico en cada uno de los tipos fluviales estudiados. Se establecieron ELOHAs en tres de los seis tipos de RNC de la cuenca del Ebro Esta tesis, además, pone en evidencia la falta de datos biológicos asociados a registros de caudal. Para llevar a cabo la implantación de un régimen de caudales ambientales en la cuenca, la ubicación de los puntos de muestreo biológico cercanos a estaciones de aforo es imprescindible para poder extraer relaciones causa-efecto de la gestión hidrológica sobre los ecosistemas dependientes. ABSTRACT In view of a growing freshwater demand because of population raising, improvement of economies and the potential effects of climate change, water resources management has become a challenge for present and future societies. Water policies in Spain have been focused from the 60’s on constructing hydraulic infrastructures, in order to dampen flow variability and granting water availability along the year. Consequently, natural flow regimes have been deeply altered and so the depending habitats and its ecosystems. However, an increasing acknowledgment of societies for preserving healthy freshwater ecosystems started in the 90’s and agreed that to maintain healthy freshwater ecosystems, it was necessary to set environmental flow regimes based on the natural flow variability. The Natural Flow Regime paradigm (Richter et al. 1996, Poff et al. 1997) bases on the hypothesis that freshwater ecosystems are made up by elements adapted to natural flow conditions, and any change on these conditions can provoke deep impacts on the whole system. Environmental flow regime concept consists in designing a flow regime that emulates natural flow characteristics, so that ecosystem structure, functions and services are maintained. ELOHA framework (Ecological Limits of Hydrological Alteration) aims to identify key features of the natural flow regime (NFR) that are needed to maintain and preserve healthy freshwater and riparian ecosystems. Moreover, ELOHA framework aims to quantify thresholds of alteration of these flow features according to ecological impacts. This thesis describes the application of the ELOHA framework in the Ebro River Basin. The Ebro River basin is the second largest basin in Spain and it is highly regulated for human demands. Only the Ebro headwaters tributaries still have completely unimpaired flow regime. The thesis has six chapters and the process is described step by step. The first chapter makes an introduction to the origin of the environmental flow concept and the necessity to come up. The second chapter shows a description of the study area. The third chapter develops a classification of NFRs in the basin based on natural flow data and using exclusively hydrological parameters. Six NFRs were found in the basin: continental Mediterranean-pluvial, nivo-pluvial, continental Mediterranean pluvial (with groundwater-dominated flow pattern), pluvio-oceanic, pluvio-nival-oceanic and Mediterranean. The fourth chapter develops a regionalization of the six NFR types across the basin by using climatic and physiographic variables. The geographical pattern obtained from the regionalization process was consistent with the pattern obtained with the hydrologic classification. The fifth chapter performs a biological validation of both classifications, obtained from the hydrologic classification and the posterior extrapolation. When the aim of flow classification is managing water resources according to ecosystem requirements, a validation based on biological data is compulsory. We found significant differences in reference macroinvertebrate communities between five over the six NFR types identified in the Ebro River basin. Finally, in the sixth chapter we explored the existence of significant and explicative flow alteration-ecological response relationships (FA-E curves) within NFR types in the Ebro River basin. The aim of these curves is to find out thresholds of hydrological alteration (ELOHAs), in order to preserve healthy freshwater ecosystem. We set ELOHA values in three NFR types identified in the Ebro River basin. During the development of this thesis, an inadequate biological monitoring in the Ebro River basin was identified. The design and establishment of appropriate monitoring arrangements is a critical final step in the assessment and implementation of environmental flows. Cause-effect relationships between hydrology and macroinvertebrate community condition are the principal data that sustain FA-E curves. Therefore, both data sites must be closely located, so that the effects of external factors are minimized. The scarce hydro-biological pairs of data available in the basin prevented us to apply the ELOHA method at all NFR types.