Caracterización de los sistemas de protección basados en materiales naturales destinados al control de la socavación en obras marítimas presentes en instalaciones eólicas marinas

El fenómeno de la socavación puede poner en peligro la operatividad o la seguridad de estructuras offshore comprometiendo su estabilidad global. Hasta el momento, la gran mayoría de las investigaciones destinadas a estudiar el origen y el desarrollo de este fenómeno han estado centradas en entornos fluviales, bajo condiciones de corriente continua. En la última década, debido al crecimiento del mercado de la eólica marina, han surgido numerosos estudios para la caracterización de este fenómeno en el entorno marino, teniendo en cuenta que estas estructuras se encuentran sometidas de forma simultánea a los efectos de la corriente y el oleaje, y las corrientes provocadas por las mareas. Ante la observada carencia de criterios existentes para el diseño de protecciones frente a la socavación, la presente Tesis Doctoral surge con el objetivo principal de desarrollar una serie de recomendaciones que permitan mejorar y optimizar el diseño de estas estructuras, teniendo en cuenta no sólo los parámetros geométricos de las cimentaciones de los aerogeneradores, o la propia erosión, sino también, variables características del oleaje como la altura de ola, el periodo o la longitud de onda, así como la profundidad o la batimétrica de la cimentación. La caracterización de los sistemas de protección basados en materiales naturales destinados al control de la socavación en obras marítimas presentes en instalaciones eólicas marinas no es el único objetivo alcanzado en la presente Tesis Doctoral. A través de la calibración del parámetro de altura de ola adimensional (H0) en diferentes parques eólicos europeos, y de acuerdo al criterio propuesto por Van der Meer (1988), se propone la clasificación de este tipo de estructuras de protección, basadas en material granular o escollera. La información recopilada sobre la socavación registrada en numerosos parques eólicos con protección también ha permitido estudiar la funcionalidad de este tipo de protecciones instaladas hasta la fecha. Asímismo, gracias al conocimiento adquirido sobre el fenómeno de la socavación, se plantea una propuesta para la mejora de la caracterización de este fenómeno en ambiente marino basada en el estudio de la influencia del campo de aceleraciones. La presente Tesis Doctoral permite mejorar el diseño de las protecciones frente a la socavación que se utilizan en parques eólicos marinos teniendo en cuenta las acciones del clima marítimo, supliendo de este modo las carencias que hasta el momento presentan las formulaciones existentes, las cuales únicamente toman en consideración la geometría de las cimentaciones, el ángulo de rozamiento interno del terreno y la estimación de la máxima socavación que puede llegar a producirse. Scour phenomenon jeopardizes the stability and functionality of offshore structures compromising its overall stability. So far, most studies about the origin and the development of this phenomenon have been focused on river environments (under steady current conditions). In the last decade a lot of research projects about the characterization of this phenomenon have been carried out due to the growth of offshore wind industry. These projects take into account that these structures are subjected simultaneously to current, waves and tidal effects. This PhD Thesis arises due to the current lack of criteria for the design of scour protections. Its main objective is to develop some recommendations to improve and to optimize the design of scour protection structures. For that it is necessary to take into account not only the geometrical parameters of foundations or the erosion forecasted, but also wave variables such as wave height, wave period or wavelength. Characterization of protection systems based on natural materials for the control of the scour in offshore wind farms was not the only goal achieved in this PhD Thesis. Through the calibration of the dimensionless wave height parameter (H0) in different European offshore wind farms, and according to the criteria proposed by Van der Meer (1988), a classification of these protection structures based on natural elements (rocks or riprap) has been proposed. Scour data registered in numerous offshore wind farms with scour protection systems also allowed to study the functionality of this type of protection installed up to now. Thanks to the knowledge acquired about the scour development, a proposal for the improvement of the characterization of this phenomenon in marine environment is proposed. This has been based on the study of the influence of the acceleration parameters. This PhD Thesis improves the design of scour protections used in offshore wind facilities taking into account maritime climate actions. To solve the current formulae deficiencies only considering the foundation geometry, the internal friction angle of the seabed and the maximum scour depth forecasted.

Cimentación de la presa de Campos del Paraíso y corrección de la permeabilidad del vaso

El embalse de Campos del Paraíso está ubicado en terrenos con áreas permeables heterogéneas. El agua almacenada tiene un valor añadido importante, ya que procede del Acueducto Tajo-Segura, por lo que asegurar la estanqueidad ha sido un aspecto técnico prioritario de la obra. El sellado global se ha hecho mediante un tapiz de arcilla. Para ello se ha realizado una investigación profunda de las características geotécnicas del vaso, una preparación cuidada del soporte de apoyo de la arcilla, y se han establecido una serie de protecciones para evitar la erosión del tapiz.

Inspección técnica de la presa Santa Marta, mediante medidas subacuáticas de potencial espontáneo

Las filtraciones de agua, con la consecuente erosión interna en presas de materiales sueltos, es una de las causas principales de fallos y accidentes. Las consecuencias del fallo de estas estructuras, pueden ser, pérdidas tanto económicas como de vidas humanas. Por lo cual en este proyecto se describe la aplicación de un método de prospección geofísica no invasiva, medidas de potencial espontáneo, para detectar posibles filtraciones de agua en el cuerpo de la presa. El flujo de agua a través de un material poroso y permeable crea un campo de potencial eléctrico de una magnitud de decenas o centenas de milivoltios, el cual puede ser medido y así detectar infiltraciones de agua en presas de materiales sueltos. Se ha aplicado esta técnica en la Presa Santa Marta, y mediante una interpretación cualitativa de los datos medidos, tomados en la cara aguas arriba de la presa (medidas subacuáticas), se logró identificar un flujo de agua vertical y otro subhorizontal, que estaban ingresando en el cuerpo de la presa, los cuales estaban causando erosión interna y la formación de una tubificación. ABSTRACT Water leakages and internal erosion in embankment dams is one of the main causes of failures and accidents. The consequences of the failure of these structures may cause losses both, economical and of human lives. Therefore, this project describes the application of a noninvasive geophysical prospecting method, self potential measurements, to detect water leakages in the body of the dam. Water flow through a porous and pervious medium creates an electric potential field with a magnitude of tens or hundreds of milivolts, which can be measured and thus detect water leakage in embankment dams. This technique has been applied to the Santa Marta dam, and through a qualitative self potential data interpretation, of the measurements obtained in an upstream direction (underwater measurements), a vertical and sub horizontal water flows entering in the body dam were identified, which were causing internal erosion and developing a piping

Proyecto de piscifactoria en el rio Guadalentin

Encargado por el Patrimonio Forestal del Estado de la redacción de un PROYECTO PE PISCIFACTORIA EN EL RIO GUADALQUIVIR, se nos ordenó nos pusiésemos a las ordenes de la Jefatura del Patrimonio en Jaén. No existiendo datos sobre los ríos de la provincia, fuimos encargados por dicha Jefatura de hacer un recorrido de ellos, dando particular importancia a los ríos trucheros. En este recorrido fuimos acompañados por el Sr. Ingeniero delegado de Pesca Pluvial en la provincia. A la vista de los datos recogidos se nos ordena por la Jefatura del patrimonio cambiásemos la denominación original por la de PROYECTO DE PISCIFACTORÍA EN EL RIO GUADALENTIN, encabezando la Memoria con un estudio preliminar de los ríos trucheros de la región oriental de la provincia. Careciendo de datos referentes a caudales de ríos, temperaturas y análisis de sus aguas hemos tenido que basar nuestro estudio en las observaciones hechas durante nuestro recorrido. Por falta de tiempo nos hemos tenido que limitar a hacer una análisis incompleto de las aguas del rio Guadalentín este análisis tendrá que ser terminado antes de poner en ejecución el proyecto.

Reordenación ambiental y recuperación del entorno urbanístico de la Marina Baja en Benidorm, Alicante

El objeto de estudio de este proyecto es la Cala Finestrat, situada en la Marina Baja, en la frontera sur del municipio de Benidorm. La zona se encuentra bastante deteriorada, especialmente por el volumen turístico y de desarrollo de las inmediaciones de Benidorm. Esto ha originado en la cala una disminución de la calidad de las aguas, que bajan principalmente de la zona norte. Por otra parte, al no pertenecer administrativamente a Benidorm, presenta un abandono urbanístico, ya que no es incluida en los desarrollos y planes de ordenación urbana de éste. Además, las características fisiográficas de la cala, hacen que se encuentre en un continuo proceso de transporte de sedimentos del extremo Nor-Este al Sur-Este. Por lo tanto, las necesidades primarias del emplazamiento serán la regeneración ambiental del entorno de la cala, para garantizar el desarrollo de la fauna marina y, en especial, de la flora mediterránea, la cual es única en el Mundo y se encuentra en situación de protección, ya que han sido gravemente dañadas durante los años de desarrollo urbanístico boyante en el entorno. Se debe proceder a una regeneración litoral que reduzca el transporte de sedimentos, mediante elementos de contención de finos que nos garanticen una playa estable. Dado que la cala tiene una alta ocupación, habrá que aumentar el ancho de playa, especialmente en la zona de erosión. A sí mismo, para paliar los efectos del desarrollo humano en la zona seca, será necesaria la reordenación de la fachada urbana, mediante la construcción de un paseo marítimo que haga de conexión entre la playa y la ciudad, un linde muy abrupto en la actualidad. Todas estas medidas deberán realizarse en un régimen de interacción con el paisaje, para provocar el menor impacto ambiental y visual posible.

Proyecto constructivo de la variante de la carretera M-302 a su paso por Morata de Tajuña (Madrid)

El presente proyecto se enmarca dentro de un encargo promovido por la Comunidad de Madrid para facilitar el tránsito y la movilidad de los usuarios de la carretera M-302 en las proximidades del casco urbano de Morata de Tajuña. Con la construcción de la variante M-302 a su paso por Morata de Tajuña, se consigue eliminar el tráfico del interior del municipio que afecta a la circulación interior y reduce la calidad de vida de los habitantes de Morata de Tajuña. Además se mejora la seguridad puesto que se reduce el número de intersecciones, y éstas se realizan de forma mucho más legible y sencilla. También se reducen los tiempos de viaje para todos los usuarios que no tengan en su origen o destino el casco urbano de Morata de Tajuña. Todo ello manteniendo unos estándares de calidad, seguridad, medioambiente, salud, tiempo y dinero, propios para una infraestructura de este tipo. El factor ambiental más influyente en el presente proyecto es la presencia del Lugar de Interés Comunitario “Vegas, Cuestas y Páramos del sureste de Madrid”. Debido a que el proyecto constructivo se encuentra en la Vega del Tajuña, el proceso de erosión que ha sufrido la zona ha producido zonas de grandes pendientes, siendo la media del 15% pudiendo llegar a extremos del 50%.

Functional and environmental design of detached, low crest level breakwaters

In this article we research the design of detached breakwaters, a type of coastal defence work designed to combat erosion on beaches in a stable, sustainable fashion. Our aim is to formulate a functional and environmental (nonstructural) method of design that defines the fundamental characteristics of a detached breakwater as a function of the desired effect on the coast whilst meeting social demands and preserving or improving the quality of the littoral environment. We aim to make this method generally applicable by considering relations between variables of different natures (climatic, geomorphologic, and geometric) influencing the changes experienced on the coast after the detached breakwater has been built. We carried out the study of the relations between the different variables on the data from 19 actual, existing detached breakwaters on the Spanish Mediterranean coastline, and we followed a methodology based on the implementation of nondimensional monomials and on a search for relations of dependency between them. Finally, we discussed the results obtained and came up with a proposal for a design method that uses some of the graphic relations found between the variables studied and that achieves the main objective. For example, a case of a detached breakwater’s geometric presizing is solved as a practical demonstration of how the method is applied. La investigación que se presenta en este artículo aborda el diseño de los diques exentos, por constituir estos un tipo de obras de defensa costera con el que poder luchar de una forma estable y sostenible contra muchos de los problemas de erosión que existen en las playas. El objetivo principal de este trabajo es la formulación de un método de diseño funcional y ambiental (no estructural) que permita definir las características fundamentales de un dique exento en función del efecto que se quiera inducir en la costa, satisfaciendo las demandas sociales y preservando o mejorando la calidad del medio ambiente litoral. Además, se busca la aplicabilidad general del método mediante la consideración de relaciones entre variables de distinta naturaleza (climáticas, geomorfológicas y geométricas) que tienen influencia en los cambios que se experimentan en la costa tras la construcción del dique exento. El estudio de las relaciones entre las distintas variables se realiza sobre los datos de una base de diecinueve diques exentos reales, existentes en el litoral mediterráneo español, y sigue una metodología basada en el planteamiento de monomios adimensionales y en la búsqueda de relaciones de dependencia entre ellos. Finalmente, la discusión de los resultados obtenidos conduce a la propuesta de un método de diseño que utiliza algunas de las relaciones graficas encontradas entre las variables estudiadas y con el que se consigue el objetivo principal anteriormente expuesto. Para demostrar la aplicación práctica del método se resuelve un caso de predimensionamiento geométrico de un dique exento a modo de ejemplo.

Coastal floods and decadal changes: the climate factor

Observation has widely shown for nearly all last century that the Spanish (Dynamic) Maritime Climate was following around 10 to 11 year cycles in its most significant figure, wind wave, despite it being better to register cycles of 20 to 22 years, in analogical way with the semi-diurnal and diurnal cycles of Cantabrian tides. Those cycles were soon linked to sun activity and, at the end of the century, the latter was related to the Solar System evolution. We know now that waves and storm surges are coupled and that (Dynamic) Maritime Climate forms part of a more complex “Thermal Machine” including Hydrological cycle. The analysis of coastal floods could so facilitate the extension of that experience. According to their immediate cause, simple flood are usually sorted out into flash, pluvial, fluvial, groundwater and coastal types, considering the last as caused by sea waters. But the fact is that most of coastal floods are the result of the concomitance of several former simple types. Actually, the several Southeastern Mediterranean coastal flood events show to be the result of the superposition within the coastal zone of flash, fluvial, pluvial and groundwater flood types under boundary condition imposed by the concomitant storm sea level rise. This work shall be regarded as an attempt to clarify that cyclic experience, through an in-depth review of a past flood events in Valencia (Turia and Júcar basins), as in Murcia (Segura’s) as well.

Modelización de las deformaciones corticales en El Salvador (Centroamérica) mediante la integración de datos geodésicos (GPS), geológicos y sismológicos

La República de El Salvador está localizada al norte de Centroamérica, limita al norte con Honduras, al este con Honduras y Nicaragua en el Golfo de Fonseca, al oeste con Guatemala y al sur con el Océano Pacífico. Con una población de casi 6.3 millones de habitantes (2012) y una extensión territorial de algo más de 21.000 km2, es el país más pequeño de toda Centroamérica, con la densidad de población más alta (292 habitantes por km2) y una tasa de pobreza que supera el 34%. Actualmente el 63.2% de la población del país se concentra en las ciudades, y más de la cuarta parte de la población se asienta en el Área Metropolitana de El Salvador (AMSS), lo que supone un área de alrededor del 2.6% del territorio salvadoreño. Según el Banco Mundial, el país tiene un PIB per cápita de 3790 dólares (2012). Asimismo, desde hace ya varios años el elemento clave en la economía salvadoreña ha sido las remesas del exterior, las cuales en el 2006 representaron el 15% del PIB, manteniéndose por varios años consecutivos como la más importante fuente de ingresos externos con que cuenta el país (Comisión Económica para América Latina‐CEPAL, 2007). La inestabilidad económica, la desigual distribución de la riqueza, así como la brecha entre los ámbitos urbano y rural, son las principales causas que limitan las capacidades de desarrollo social del país. El Salvador es uno de los países ecológicamente más devastado de América Latina. Más del 95% de sus bosques tropicales de hojas caducas han sido destruidos y más del 70% de la tierra sufre una severa erosión. Según la FAO el país se encuentra en un franco proceso de desertificación. Como consecuencia de ello, casi todas las especies de animales salvajes se han extinguido o están al borde de la extinción, sin que hasta ahora haya indicios de revertir tal proceso. Por otra parte, en el AMSS el 13% de la población habita sobre terrenos en riesgo por derrumbes o demasiado próximos a fuentes de contaminación (Mansilla, 2009). Por su ubicación geográfica, dinámica natural y territorial, El Salvador ha estado sometido históricamente a diferentes amenazas de origen natural, como terremotos, tormentas tropicales, sequías, actividad volcánica, inundaciones y deslizamientos, los que, sumados a los procesos sociales de transformación (la deforestación, los cambios de uso del suelo y la modificación de los cauces naturales), propician condiciones de riesgo y plantean altas posibilidades de que ocurran desastres. Es evidente que la suma del deterioro económico, social y ambiental, combinado con la multiplicidad de amenazas a las que puede verse sometido el territorio, hacen al país sumamente vulnerable a la ocurrencia de desastres de distintas magnitudes e impactos. En la historia reciente de El Salvador se han producido numerosos eventos de gran magnitud, tales como los terremotos de enero y febrero de 2001. El 13 de enero de 2001 El Salvador sufrió un terremoto de magnitud Mw 7.7 relacionado con la zona de subducción de la placa del Coco bajo la placa Caribe, dejando alrededor de 900 muertos y numerosos daños materiales. A este terremoto le siguió un mes después, el 13 de febrero de 2001, otro de magnitud Mw 6.6 de origen continental que sumó más de 300 víctimas mortales y terminó de derribar gran cantidad de casas ya dañadas por el terremoto anterior. Ambos eventos dispararon enormes deslizamientos de tierra, que fueron los responsables de la mayoría de las muertes. Como se observó durante el terremoto de 2001, este tipo de sismicidad implica un alto riesgo para la sociedad salvadoreña debido a la gran concentración de población en zonas con fuertes pendientes y muy deforestadas susceptibles de sufrir deslizamientos, y debido también a la escasez de planes urbanísticos. La complicada evolución sociopolítica del país durante los últimos 50 años, con una larga guerra civil, ha influido que hayan sido escasas las investigaciones científicas relacionadas con la sismotectónica y el riesgo sísmico asociada a la geología local. La ocurrencia de los terremotos citados disparó un interés a nivel internacional en la adquisición e interpretación de nuevos datos de tectónica activa que con los años han dado lugar a diferentes trabajos. Fue precisamente a partir del interés en estos eventos del 2001 cuando comenzó la colaboración de la Dra. Benito y el Dr. Martínez‐Díaz (directores de esta tesis) en El Salvador (Benito et al. 2004), lo que dio lugar a distintos proyectos de cooperación e investigación que han tenido lugar hasta la actualidad, y que se han centrado en el desarrollo de estudios geológicos, sismológicos para mejorar el cálculo de la amenaza sísmica en El Salvador. Según Martínez‐Díaz et al. (2004) la responsable del terremoto de febrero de 2001 fue la que se denomina como Zona de Falla de El Salvador (ZFES), una zona de falla que atraviesa el país de este a oeste que no había sido descrita con anterioridad. Con el fin de estudiar y caracterizar el comportamiento de este sistema de fallas para su introducción en la evaluación de la amenaza sísmica de la zona se plantean diferentes estudios sismotectónicos y paleosísmicos, y, entre ellos, esta tesis que surge de la necesidad de estudiar el comportamiento cinemático actual de la ZFES, mediante la aplicación de técnicas geodésicas (GNSS) y su integración con datos geológicos y sismológicos. Con el objetivo de reconocer la ZFES y estudiar la viabilidad de la aplicación de estas técnicas en la zona de estudio, realicé mi primer viaje a El Salvador en septiembre de 2006. A raíz de este viaje, en 2007, comienza el proyecto ZFESNet (Staller et al., 2008) estableciendo las primeras estaciones y realizando la primera campaña de observación en la ZFES. Han sido 6 años de mediciones e intenso trabajo de lo que hoy se obtienen los primeros resultados. El interés que despiertan los terremotos y sus efectos, así como la vulnerabilidad que tiene El Salvador a estos eventos, ha sido para la autora un aliciente añadido a su trabajo, animándola a perseverar en el desarrollo de su tesis, a pesar de la multitud de imprevistos y problemas que han surgido durante su transcurso. La aportación de esta tesis al conocimiento actual de la ZFES se espera que sea un germen para futuras investigaciones y en particular para mejorar la evaluación de la amenaza sísmica de la zona. No obstante, se hace hincapié en que tan importante como el conocimiento de las fuentes sísmicas es su uso en la planificación urbanística del terreno y en la elaboración de normas sismoresistentes y su aplicación por parte de los responsables, lo cual ayudaría a paliar los efectos de fenómenos naturales como el terremoto, el cual no podemos evitar. El proyecto ZFESNet ha sido financiado fundamentalmente por tres proyectos de las convocatorias anuales de Ayudas para la realización de actividades con Latinoamérica de la UPM, de los que la autora de esta tesis ha sido la responsable, estos son: “Establecimiento de una Red de Control GPS en la Zona de Falla de El Salvador”, “Determinación de deformaciones y desplazamientos en la Zona de Falla de El Salvador” y “Determinación de deformaciones y desplazamientos en la Zona de Falla de El Salvador II”, y parcialmente por el proyecto de la Agencia Española de Cooperación y Desarrollo (AECID); “Desarrollo de estudios geológicos y sismológicos en El Salvador dirigidos a la mitigación del riesgo sísmico”, y el Proyecto Nacional I+D+i SISMOCAES: “Estudios geológicos y sísmicos en Centroamérica y lecciones hacia la evaluación del riesgo sísmico en el sur de España”.

Caracterización de los parámetros de resistencia al corte y erosionabilidad del suelo para su aplicación en los problemas de estabilidad de taludes en obras lineales

La tesis se organiza en un volumen de Memoria integrada por once capítulos que constituyen el cuerpo de la tesis y otro volumen de Apéndices titulado “Caracterización geotécnica de Base de los suelos de España” que reúne en forma de cuadros las características de textura, permeabilidad, humedad-succión, erosionabilidad y resistencia al corte de los cuarenta y dos perfiles de suelos representativos de los tipos del Mapa de suelos De España. Estos cuadros han sido elaborados originalmente por la doctorando durante sus estudios para la obtención del DEA de la Suficiencia Investigadora, excepto los de resistencia al corte que lo han sido también por la doctorando de forma original, pero ya en la etapa de redacción de la tesis. En el Capítulo 1 “Introducción” se describe la motivación, antecedentes, alcance y contenido de la tesis, ordenado según el índice que en él se incluye. Los Capítulos 2 “Meteorización, 3 “Balance Hídrico” y 4 “Humedades características” constituyen el “estado del arte” en el momento actual de los temas de geotecnia ambiental relacionados con la degradación de la superficie terrestre y la estabilidad de taludes. El Capítulo 2, tras matizar algunas generalidades, aporta elementos para la cuantificación de la alteración de rocas como el “índice climático de Weinert” y de la erosión de suelos como la “ecuación universal de pérdida de suelo (U.S.L.E.)” El Capítulo 3, partiendo de los fenómenos de precipitación y evapotranspiración, plantea el balance hídrico en vertientes con instrumentos para evaluar la infiltración y la escorrentía, conceptos imprescindibles para adentrarse en los de resistencia y erosionabilidad del conjunto suelo-agua. En los Apéndices A1 y A2, se recogen valores de coeficientes de infiltración en condiciones saturadas y no saturadas de los perfiles de suelos del Mapa de España. El Capítulo 4 se dedica al estudio de este conjunto suelo-agua con la definición de conceptos que lo caracterizan, basados en la relación entre los contenidos de ambos elementos o “humedad”, sus valores máximos y mínimos y la forma en la que es retenida el agua por el suelo. Este capítulo acaba con el concepto de “Curva característica Suelo-Agua/Soil Water Characteristic curve (SWCC)”, que liga el contenido de agua de un suelo con la tensión a la que está retenida (uauw) “succión” o con su expresión más usual “pF”. En el Apéndice A 3 se adjuntan las SWCC de los perfiles de suelos del Mapa de suelos de España. En el Capítulo 5 “Resistencia al corte de los suelos”, se detalla la influencia que tienen sobre la resistencia de los suelos factores como el paso del tiempo, el contenido de humedad y la presencia y tipo de vegetación en la superficie del suelo estudiado. El Capítulo 6 “Evaluación de la erosión”, analiza el factor de erosionabilidad del suelo “factor K” de la U.S.L.E., su evaluación en función de la textura, estructura y permeabilidad del suelo, con la estimación hecha para los cuarenta y dos perfiles de suelos del Mapa de España, contenida en el Apéndice 4. En el Capítulo 7 “Metodología de diseño” se hacen en su primera parte unas consideraciones geoambientales de diseño aplicables al estudio de los problemas de inestabilidades en taludes. La segunda parte constituye el núcleo de la tesis con la propuesta de “estimación de los parámetros de resistencia al corte del suelo”, consecuente con las teorías y metodología de análisis expuesta en los capítulos anteriores. En el Apéndice A 5 se presentan los valores de los parámetros coulombianos de resistencia al corte, ”c y Ф” estimados según la caracterización climática a partir del índice de Thornthwaite, en condicionesde diseño para humedades naturales máxima y mínima de los cuarenta y dos perfiles de suelos del Mapa de suelos de España. El Capítulo 8 “Aplicación a casos reales” se considera de gran interés al constituir una auténtica continuación de la segunda parte del capítulo anterior, desarrollando la metodología expuesta en él a cuatro problemáticas de infraestructuras de obras lineales, relacionadas con problemas de erosión y deslizamientos en taludes. El Capítulo 9 “Ensayos de referencia” se incluye como punto de apoyo (referencia) a las teorías expuestas, valorando la idoneidad de los tipos de ensayos y tipos de suelos seleccionados (Laboratorio de Geotecnia del CEDEX y Laboratorio Hong-Kong University of Science and Technology), utilizados para la obtención, por correlaciones deducidas, de las curvas SWCC de los perfiles de suelos del Mapa de España, incluídas en el Apéndice A 3, como se ha citado antes. En el Capítulo 10 “Conclusiones y Futuras Líneas de Investigación”se apuntan en primer lugar unas conclusiones que, a juicio de la doctorando, se pueden extraer con interés de esta tesis y a continuación se esbozan unas posibles líneas de investigación, fundamentalmente de tipo experimental, que complementarían los avances derivados de esta tesis o podrían esclarecer y abrir nuevas interpretaciones de los fenómenos naturales de erosión y estabilidad de taludes en los que ésta se ha centrado. Finalmente, en el Capítulo 11 “Bibliografía” se han reunido 328 referencias que reflejan una visión amplia y bastante completa del tema tratado, obtenida complementando las de tesis anteriores sobre esta singular materia (“Efecto estabilizador de la vegetación en taludes”, L Fort 1975 y “Determinación de las características de fricción en el contacto suelo-geotextil a diferentes succiones, mediante equipos de laboratorio singulares”, E Asanza 2009), con propias de la doctorando (9) y las consideradas de mayor interés de los últimos Congresos sobre Suelos no saturados,”Unsat 95”, “Unsat 2002” y “Unsat 2011” entre otros. ABSTRACT The thesis is organized in a volume of Memory composed of eleven chapters that make up the body of the thesis and other Appendices volume entitled "Geotechnical characterization of basis of the soils of Spain" that combines the characteristics of texture, permeability, moisture-suction, erosionability, and shear strength of forty-two profiles of soils representative of the types of the soil of Spain map in the form of pictures. These pictures have been produced originally by the student during their studies to obtain the DEA of the research, except those of the shear strength, also been done by the PhD student in an original way, but already at the stage of drafting of the thesis. Chapter 1 "Introducción" describes the motivation, background, scope and content of the thesis, ordered according to the index that is included. The Chapters: 2 "Weathering, 3 “Water Balance” and 4 “moisture characteristics" are the "State of the art" at the present time of geotechnical environmental issues related to the degradation of the Earth's surface and the slope stability. Chapter 2 after clarify some general information, provides elements for the quantification of the alteration of rocks as "Weinert climate index" and soil erosion as the "universal equation of loss of soil (U.S.L.E.)" Chapter 3, on the basis of the phenomena of precipitation and evapotranspiration, raises the water balance in sheds with instruments to evaluate infiltration and runoff, essential concepts into the resistance and erosionability water-soil joint. Values of soils coefficients of infiltration in saturated and unsaturated conditions from the Spain map of profiles are collected in the Appendices A1 and A2. Chapter 4 is dedicated to the study of this joint “soil-water”, with the definition of concepts that characterize it, based on the relationship between the contents of both elements or “moisture”, their maximum and minimum values and the way in which water is retained by the soil. This chapter ends with the concept of “Soil Water Characteristic curve (SWCC)", which linked the water content of a soil with the stress that it is retained (ua-uw) "suction" or its expression more usual "pF". The SWCC of the profiles of soils of the Spain soils Map are attached in the Appendix 3. In Chapter 5 “Soils shear strength”,is detailed the influence that they have on the resistance of soils factors such as the passage of time, the content of moisture and the presence and type of vegetation on the surface of the studied soil. Chapter 6 "Assessment of erosion", analyses the soil erodibility factor "Kfactor" of the U.S.L.E., its evaluation based on texture, structure and permeability of the soil, with the estimate for forty-two profiles of soils on the Spain Soils Map, contained in Appendix 4. Chapter 7 "Design methodology" some considerations are made in the first part geo-environmental design applicable to the study of the problems of instabilities in slopes. The second part constitutes the core of the thesis with the proposal of “estimation of parameters of shear strength”, of the soils consistent with theories and analytical methodology outlined in the previous chapters. Appendix A 5 presents the values of the coulombians parameters of shear strength, "c and Ф" according to the characterization of climate from the index of Thornthwaite, in design for natural moisture conditions maximum and minimum of forty-two profils of Spain Soils Map Chapter 8 "Application to real cases" is considered of great interest to constitute a true continuation of the second part of the previous chapter, developing the methodology exposed it to four problems of civil-works infrastructure, related to problems of erosion and landslides in slopes. Chapter 9 "Tests of reference" is included as point of support (reference) to the theories exposed, assessing the suitability of the types of tests and types of selected soils (Geotechnical laboratory of CEDEX and laboratory Hongkong University of Science and Technology), used to obtain, by deduced correlations, of curves SWCC of soils profiles on the Spain Soils Map, included in Appendix A. 3, as it was mentioned before. Chapter 10 "Conclusions and future research lines" are running first conclusions which, in the opinion of the candidate, can be extracted with interest of this thesis, and then, it outlines some possible lines of research, mainly experimental, which would complement the advances arising from this thesis or could clarify and open new interpretations of natural phenomena of erosion and slope stability in which it has focused. Finally, in Chapter 11 "Bibliography" 328 references have been included which reflect a broad and fairly comprehensive view of the subject matter, obtained complementing those of the previous theses on this singular issue ("Vegetation stabilizing effect on slopes", L Fort 1975, and "Determination of the characteristics of friction in the contact soil-geotextile to different-suctions, through special laboratory equipment", E Asanza 2009) with some of them from of the candidate (9) and the others from of the considered as the most interesting of recent conferences on unsaturated soils, "Unsat 95", "Unsat2002" and "Unsat 2011" among others.

Evaluation of cover crops based on characteristics of nitrogen use, and aerial and root growth

La caracterización de los cultivos cubierta (cover crops) puede permitir comparar la idoneidad de diferentes especies para proporcionar servicios ecológicos como el control de la erosión, el reciclado de nutrientes o la producción de forrajes. En este trabajo se estudiaron bajo condiciones de campo diferentes técnicas para caracterizar el dosel vegetal con objeto de establecer una metodología para medir y comparar las arquitecturas de los cultivos cubierta más comunes. Se estableció un ensayo de campo en Madrid (España central) para determinar la relación entre el índice de área foliar (LAI) y la cobertura del suelo (GC) para un cultivo de gramínea, uno de leguminosa y uno de crucífera. Para ello se sembraron doce parcelas con cebada (Hordeum vulgare L.), veza (Vicia sativa L.), y colza (Brassica napus L.). En 10 fechas de muestreo se midieron el LAI (con estimaciones directas y del LAI-2000), la fracción interceptada de la radiación fotosintéticamente activa (FIPAR) y la GC. Un experimento de campo de dos años (Octubre-Abril) se estableció en la misma localización para evaluar diferentes especies (Hordeum vulgare L., Secale cereale L., x Triticosecale Whim, Sinapis alba L., Vicia sativa L.) y cultivares (20) en relación con su idoneidad para ser usadas como cultivos cubierta. La GC se monitorizó mediante análisis de imágenes digitales con 21 y 22 muestreos, y la biomasa se midió 8 y 10 veces, respectivamente para cada año. Un modelo de Gompertz caracterizó la cobertura del suelo hasta el decaimiento observado tras las heladas, mientras que la biomasa se ajustó a ecuaciones de Gompertz, logísticas y lineales-exponenciales. Al final del experimento se determinaron el C, el N y el contenido en fibra (neutrodetergente, ácidodetergente y lignina), así como el N fijado por las leguminosas. Se aplicó el análisis de decisión multicriterio (MCDA) con objeto de obtener un ranking de especies y cultivares de acuerdo con su idoneidad para actuar como cultivos cubierta en cuatro modalidades diferentes: cultivo de cobertura, cultivo captura, abono verde y forraje. Las asociaciones de cultivos leguminosas con no leguminosas pueden afectar al crecimiento radicular y a la absorción de N de ambos componentes de la mezcla. El conocimiento de cómo los sistemas radiculares específicos afectan al crecimiento individual de las especies es útil para entender las interacciones en las asociaciones, así como para planificar estrategias de cultivos cubierta. En un tercer ensayo se combinaron estudios en rhizotrones con extracción de raíces e identificación de especies por microscopía, así como con estudios de crecimiento, absorción de N y 15N en capas profundas del suelo. Las interacciones entre raíces en su crecimiento y en el aprovisionamiento de N se estudiaron para dos de los cultivares mejor valorados en el estudio previo: uno de cebada (Hordeum vulgare L. cv. Hispanic) y otro de veza (Vicia sativa L. cv. Aitana). Se añadió N en dosis de 0 (N0), 50 (N1) y 150 (N2) kg N ha-1. Como resultados del primer estudio, se ajustaron correctamente modelos lineales y cuadráticos a la relación entre la GC y el LAI para todos los cultivos, pero en la gramínea alcanzaron una meseta para un LAI>4. Antes de alcanzar la cobertura total, la pendiente de la relación lineal entre ambas variables se situó en un rango entre 0.025 y 0.030. Las lecturas del LAI-2000 estuvieron correlacionadas linealmente con el LAI, aunque con tendencia a la sobreestimación. Las correcciones basadas en el efecto de aglutinación redujeron el error cuadrático medio del LAI estimado por el LAI-2000 desde 1.2 hasta 0.5 para la crucífera y la leguminosa, no siendo efectivas para la cebada. Esto determinó que para los siguientes estudios se midieran únicamente la GC y la biomasa. En el segundo experimento, las gramíneas alcanzaron la mayor cobertura del suelo (83-99%) y la mayor biomasa (1226-1928 g m-2) al final del mismo. Con la mayor relación C/N (27-39) y contenido en fibra digestible (53-60%) y la menor calidad de residuo (~68%). La mostaza presentó elevadas GC, biomasa y absorción de N en el año más templado en similitud con las gramíneas, aunque escasa calidad como forraje en ambos años. La veza presentó la menor absorción de N (2.4-0.7 g N m-2) debido a la fijación de N (9.8-1.6 g N m-2) y escasa acumulación de N. El tiempo térmico hasta alcanzar el 30% de GC constituyó un buen indicador de especies de rápida cubrición. La cuantificación de las variables permitió hallar variabilidad entre las especies y proporcionó información para posteriores decisiones sobre la selección y manejo de los cultivos cubierta. La agregación de dichas variables a través de funciones de utilidad permitió confeccionar rankings de especies y cultivares para cada uso. Las gramíneas fueron las más indicadas para los usos de cultivo de cobertura, cultivo captura y forraje, mientras que las vezas fueron las mejor como abono verde. La mostaza alcanzó altos valores como cultivo de cobertura y captura en el primer año, pero el segundo decayó debido a su pobre actuación en los inviernos fríos. Hispanic fue el mejor cultivar de cebada como cultivo de cobertura y captura, mientras que Albacete como forraje. El triticale Titania alcanzó la posición más alta como cultiva de cobertura, captura y forraje. Las vezas Aitana y BGE014897 mostraron buenas aptitudes como abono verde y cultivo captura. El MCDA permitió la comparación entre especies y cultivares proporcionando información relevante para la selección y manejo de cultivos cubierta. En el estudio en rhizotrones tanto la mezcla de especies como la cebada alcanzaron mayor intensidad de raíces (RI) y profundidad (RD) que la veza, con valores alrededor de 150 cruces m-1 y 1.4 m respectivamente, comparados con 50 cruces m-1 y 0.9 m para la veza. En las capas más profundas del suelo, la asociación de cultivos mostró valores de RI ligeramente mayores que la cebada en monocultivo. La cebada y la asociación obtuvieron mayores valores de densidad de raíces (RLD) (200-600 m m-3) que la veza (25-130) entre 0.8 y 1.2 m de profundidad. Los niveles de N no mostraron efectos claros en RI, RD ó RLD, sin embargo, el incremento de N favoreció la proliferación de raíces de veza en la asociación en capas profundas del suelo, con un ratio cebada/veza situado entre 25 a N0 y 5 a N2. La absorción de N de la cebada se incrementó en la asociación a expensas de la veza (de ~100 a 200 mg planta-1). Las raíces de cebada en la asociación absorbieron también más nitrógeno marcado de las capas profundas del suelo (0.6 mg 15N planta-1) que en el monocultivo (0.3 mg 15N planta-1). ABSTRACT Cover crop characterization may allow comparing the suitability of different species to provide ecological services such as erosion control, nutrient recycling or fodder production. Different techniques to characterize plant canopy were studied under field conditions in order to establish a methodology for measuring and comparing cover crops canopies. A field trial was established in Madrid (central Spain) to determine the relationship between leaf area index (LAI) and ground cover (GC) in a grass, a legume and a crucifer crop. Twelve plots were sown with either barley (Hordeum vulgare L.), vetch (Vicia sativa L.), or rape (Brassica napus L.). On 10 sampling dates the LAI (both direct and LAI-2000 estimations), fraction intercepted of photosynthetically active radiation (FIPAR) and GC were measured. A two-year field experiment (October-April) was established in the same location to evaluate different species (Hordeum vulgare L., Secale cereale L., x Triticosecale Whim, Sinapis alba L., Vicia sativa L.) and cultivars (20) according to their suitability to be used as cover crops. GC was monitored through digital image analysis with 21 and 22 samples, and biomass measured 8 and 10 times, respectively for each season. A Gompertz model characterized ground cover until the decay observed after frosts, while biomass was fitted to Gompertz, logistic and linear-exponential equations. At the end of the experiment C, N, and fiber (neutral detergent, acid and lignin) contents, and the N fixed by the legumes were determined. Multicriteria decision analysis (MCDA) was applied in order to rank the species and cultivars according to their suitability to perform as cover crops in four different modalities: cover crop, catch crop, green manure and fodder. Intercropping legumes and non-legumes may affect the root growth and N uptake of both components in the mixture. The knowledge of how specific root systems affect the growth of the individual species is useful for understanding the interactions in intercrops as well as for planning cover cropping strategies. In a third trial rhizotron studies were combined with root extraction and species identification by microscopy and with studies of growth, N uptake and 15N uptake from deeper soil layers. The root interactions of root growth and N foraging were studied for two of the best ranked cultivars in the previous study: a barley (Hordeum vulgare L. cv. Hispanic) and a vetch (Vicia sativa L. cv. Aitana). N was added at 0 (N0), 50 (N1) and 150 (N2) kg N ha-1. As a result, linear and quadratic models fitted to the relationship between the GC and LAI for all of the crops, but they reached a plateau in the grass when the LAI > 4. Before reaching full cover, the slope of the linear relationship between both variables was within the range of 0.025 to 0.030. The LAI-2000 readings were linearly correlated with the LAI but they tended to overestimation. Corrections based on the clumping effect reduced the root mean square error of the estimated LAI from the LAI-2000 readings from 1.2 to less than 0.50 for the crucifer and the legume, but were not effective for barley. This determined that in the following studies only the GC and biomass were measured. In the second experiment, the grasses reached the highest ground cover (83- 99%) and biomass (1226-1928 g/m2) at the end of the experiment. The grasses had the highest C/N ratio (27-39) and dietary fiber (53-60%) and the lowest residue quality (~68%). The mustard presented high GC, biomass and N uptake in the warmer year with similarity to grasses, but low fodder capability in both years. The vetch presented the lowest N uptake (2.4-0.7 g N/m2) due to N fixation (9.8-1.6 g N/m2) and low biomass accumulation. The thermal time until reaching 30% ground cover was a good indicator of early coverage species. Variable quantification allowed finding variability among the species and provided information for further decisions involving cover crops selection and management. Aggregation of these variables through utility functions allowed ranking species and cultivars for each usage. Grasses were the most suitable for the cover crop, catch crop and fodder uses, while the vetches were the best as green manures. The mustard attained high ranks as cover and catch crop the first season, but the second decayed due to low performance in cold winters. Hispanic was the most suitable barley cultivar as cover and catch crop, and Albacete as fodder. The triticale Titania attained the highest rank as cover and catch crop and fodder. Vetches Aitana and BGE014897 showed good aptitudes as green manures and catch crops. MCDA allowed comparison among species and cultivars and might provide relevant information for cover crops selection and management. In the rhizotron study the intercrop and the barley attained slightly higher root intensity (RI) and root depth (RD) than the vetch, with values around 150 crosses m-1 and 1.4 m respectively, compared to 50 crosses m-1 and 0.9 m for the vetch. At deep soil layers, intercropping showed slightly larger RI values compared to the sole cropped barley. The barley and the intercropping had larger root length density (RLD) values (200-600 m m-3) than the vetch (25-130) at 0.8-1.2 m depth. The topsoil N supply did not show a clear effect on the RI, RD or RLD; however increasing topsoil N favored the proliferation of vetch roots in the intercropping at deep soil layers, with the barley/vetch root ratio ranging from 25 at N0 to 5 at N2. The N uptake of the barley was enhanced in the intercropping at the expense of the vetch (from ~100 mg plant-1 to 200). The intercropped barley roots took up more labeled nitrogen (0.6 mg 15N plant-1) than the sole-cropped barley roots (0.3 mg 15N plant-1) from deep layers.

Effect of conservation tillage on soil physical properties, in-situ rainwater harvesting, and erosion control in arid and semi-arid regions

La escasez del agua en las regiones áridas y semiáridas se debe a la escasez de precipitaciones y la distribución desigual en toda la temporada, lo que hace de la agricultura de secano una empresa precaria. Un enfoque para mejorar y estabilizar el agua disponible para la producción de cultivos en estas regiones es el uso de tecnologías de captación de agua de lluvia in situ y su conservación. La adopción de los sistemas de conservación de la humedad del suelo in situ, tales como la labranza de conservación, es una de las estrategias para mejorar la gestión de la agricultura en zonas áridas y semiáridas. El objetivo general de esta tesis ha sido desarrollar una metodología de aplicación de labranza de depósito e investigar los efectos a corto plazo sobre las propiedades físicas del suelo de las diferentes prácticas de cultivo que incluyen labranza de depósito: (reservoir tillage, RT), la laboreo mínimo: (minimum tillage, MT), la no laboreo: (zero tillage, ZT) y laboreo convencional: (conventional tillage, CT) Así como, la retención de agua del suelo y el control de la erosión del suelo en las zonas áridas y semiáridas. Como una primera aproximación, se ha realizado una revisión profunda del estado de la técnica, después de la cual, se encontró que la labranza de depósito es un sistema eficaz de cosecha del agua de lluvia y conservación del suelo, pero que no ha sido evaluada científicamente tanto como otros sistemas de labranza. Los trabajos experimentales cubrieron tres condiciones diferentes: experimentos en laboratorio, experimentos de campo en una región árida, y experimentos de campo en una región semiárida. Para investigar y cuantificar el almacenamiento de agua a temperatura ambiente y la forma en que podría adaptarse para mejorar la infiltración del agua de lluvia recolectada y reducir la erosión del suelo, se ha desarrollado un simulador de lluvia a escala de laboratorio. Las características de las lluvias, entre ellas la intensidad de las precipitaciones, la uniformidad espacial y tamaño de la gota de lluvia, confirmaron que las condiciones naturales de precipitación son simuladas con suficiente precisión. El simulador fue controlado automáticamente mediante una válvula de solenoide y tres boquillas de presión que se usaron para rociar agua correspondiente a diferentes intensidades de lluvia. Con el fin de evaluar el método de RT bajo diferentes pendientes de superficie, se utilizaron diferentes dispositivos de pala de suelo para sacar un volumen idéntico para hacer depresiones. Estas depresiones se compararon con una superficie de suelo control sin depresión, y los resultados mostraron que la RT fue capaz de reducir la erosión del suelo y la escorrentía superficial y aumentar significativamente la infiltración. Luego, basándonos en estos resultados, y después de identificar la forma adecuada de las depresiones, se ha diseñado una herramienta combinada (sistema integrado de labranza de depósito (RT)) compuesto por un arado de una sola línea de chisel, una sola línea de grada en diente de pico, sembradora modificada, y rodillo de púas. El equipo fue construido y se utiliza para comparación con MT y CT en un ambiente árido en Egipto. El estudio se realizó para evaluar el impacto de diferentes prácticas de labranza y sus parámetros de funcionamiento a diferentes profundidades de labranza y con distintas velocidades de avance sobre las propiedades físicas del suelo, así como, la pérdida de suelo, régimen de humedad, la eficiencia de recolección de agua, y la productividad de trigo de invierno. Los resultados indicaron que la RT aumentó drásticamente la infiltración, produciendo una tasa que era 47.51% más alta que MT y 64.56% mayor que la CT. Además, los resultados mostraron que los valores más bajos de la escorrentía y pérdidas de suelos 4.91 mm y 0.65 t ha-1, respectivamente, se registraron en la RT, mientras que los valores más altos, 11.36 mm y 1.66 t ha-1, respectivamente, se produjeron en el marco del CT. Además, otros dos experimentos de campo se llevaron a cabo en ambiente semiárido en Madrid con la cebada y el maíz como los principales cultivos. También ha sido estudiado el potencial de la tecnología inalámbrica de sensores para monitorizar el potencial de agua del suelo. Para el experimento en el que se cultivaba la cebada en secano, se realizaron dos prácticas de labranza (RT y MT). Los resultados mostraron que el potencial del agua del suelo aumentó de forma constante y fue consistentemente mayor en MT. Además, con independencia de todo el período de observación, RT redujo el potencial hídrico del suelo en un 43.6, 5.7 y 82.3% respectivamente en comparación con el MT a profundidades de suelo (10, 20 y 30 cm, respectivamente). También se observaron diferencias claras en los componentes del rendimiento de los cultivos y de rendimiento entre los dos sistemas de labranza, el rendimiento de grano (hasta 14%) y la producción de biomasa (hasta 8.8%) se incrementaron en RT. En el experimento donde se cultivó el maíz en regadío, se realizaron cuatro prácticas de labranza (RT, MT, ZT y CT). Los resultados revelaron que ZT y RT tenían el potencial de agua y temperatura del suelo más bajas. En comparación con el tratamiento con CT, ZT y RT disminuyó el potencial hídrico del suelo en un 72 y 23%, respectivamente, a la profundidad del suelo de 40 cm, y provocó la disminución de la temperatura del suelo en 1.1 y un 0.8 0C respectivamente, en la profundidad del suelo de 5 cm y, por otro lado, el ZT tenía la densidad aparente del suelo y resistencia a la penetración más altas, la cual retrasó el crecimiento del maíz y disminuyó el rendimiento de grano que fue del 15.4% menor que el tratamiento con CT. RT aumenta el rendimiento de grano de maíz cerca de 12.8% en comparación con la ZT. Por otra parte, no hubo diferencias significativas entre (RT, MT y CT) sobre el rendimiento del maíz. En resumen, según los resultados de estos experimentos, se puede decir que mediante el uso de la labranza de depósito, consistente en realizar depresiones después de la siembra, las superficies internas de estas depresiones se consolidan de tal manera que el agua se mantiene para filtrarse en el suelo y por lo tanto dan tiempo para aportar humedad a la zona de enraizamiento de las plantas durante un período prolongado de tiempo. La labranza del depósito podría ser utilizada como un método alternativo en regiones áridas y semiáridas dado que retiene la humedad in situ, a través de estructuras que reducen la escorrentía y por lo tanto puede resultar en la mejora de rendimiento de los cultivos. ABSTRACT Water shortage in arid and semi-arid regions stems from low rainfall and uneven distribution throughout the season, which makes rainfed agriculture a precarious enterprise. One approach to enhance and stabilize the water available for crop production in these regions is to use in-situ rainwater harvesting and conservation technologies. Adoption of in-situ soil moisture conservation systems, such as conservation tillage, is one of the strategies for upgrading agriculture management in arid and semi-arid environments. The general aim of this thesis is to develop a methodology to apply reservoir tillage to investigate the short-term effects of different tillage practices including reservoir tillage (RT), minimum tillage (MT), zero tillage (ZT), and conventional tillage (CT) on soil physical properties, as well as, soil water retention, and soil erosion control in arid and semi-arid areas. As a first approach, a review of the state of the art has been done. We found that reservoir tillage is an effective system of harvesting rainwater and conserving soil, but it has not been scientifically evaluated like other tillage systems. Experimental works covered three different conditions: laboratory experiments, field experiments in an arid region, and field experiments in a semi-arid region. To investigate and quantify water storage from RT and how it could be adapted to improve infiltration of harvested rainwater and reduce soil erosion, a laboratory-scale rainfall simulator was developed. Rainfall characteristics, including rainfall intensity, spatial uniformity and raindrop size, confirm that natural rainfall conditions are simulated with sufficient accuracy. The simulator was auto-controlled by a solenoid valve and three pressure nozzles were used to spray water corresponding to different rainfall intensities. In order to assess the RT method under different surface slopes, different soil scooping devices with identical volume were used to create depressions. The performance of the soil with these depressions was compared to a control soil surface (with no depression). Results show that RT was able to reduce soil erosion and surface runoff and significantly increase infiltration. Then, based on these results and after selecting the proper shape of depressions, a combination implement integrated reservoir tillage system (integrated RT) comprised of a single-row chisel plow, single-row spike tooth harrow, modified seeder, and spiked roller was developed and used to compared to MT and CT in an arid environment in Egypt. The field experiments were conducted to evaluate the impact of different tillage practices and their operating parameters at different tillage depths and different forward speeds on the soil physical properties, as well as on runoff, soil losses, moisture regime, water harvesting efficiency, and winter wheat productivity. Results indicated that the integrated RT drastically increased infiltration, producing a rate that was 47.51% higher than MT and 64.56% higher than CT. In addition, results showed that the lowest values of runoff and soil losses, 4.91 mm and 0.65 t ha-1 respectively, were recorded under the integrated RT, while the highest values, 11.36 mm and 1.66 t ha -1 respectively, occurred under the CT. In addition, two field experiments were carried out in semi-arid environment in Madrid with barley and maize as the main crops. For the rainfed barley experiment, two tillage practices (RT, and MT) were performed. Results showed that soil water potential increased quite steadily and were consistently greater in MT and, irrespective of the entire observation period, RT decreased soil water potential by 43.6, 5.7, and 82.3% compared to MT at soil depths (10, 20, and 30 cm, respectively). In addition, clear differences in crop yield and yield components were observed between the two tillage systems, grain yield (up to 14%) and biomass yield (up to 8.8%) were increased by RT. For the irrigated maize experiment, four tillage practices (RT, MT, ZT, and CT) were performed. Results showed that ZT and RT had the lowest soil water potential and soil temperature. Compared to CT treatment, ZT and RT decreased soil water potential by 72 and 23% respectively, at soil depth of 40 cm, and decreased soil temperature by 1.1 and 0.8 0C respectively, at soil depth of 5 cm. Also, ZT had the highest soil bulk density and penetration resistance, which delayed the maize growth and decreased the grain yield that was 15.4% lower than CT treatment. RT increased maize grain yield about 12.8% compared to ZT. On the other hand, no significant differences among (RT, MT, and CT) on maize yield were found. In summary, according to the results from these experiments using reservoir tillage to make depressions after seeding, these depression’s internal surfaces are consolidated in such a way that the water is held to percolate into the soil and thus allowing time to offer moisture to the plant rooting zone over an extended period of time. Reservoir tillage could be used as an alternative method in arid and semi-arid regions and it retains moisture in-situ, through structures that reduce runoff and thus can result in improved crop yields.

Alteración del comportamiento hidráulico natural de la vertiente noreste de la marisma de El Rocío por efectos antrópicos

El geo-dinamismo torrencial es resultado de la incidencia de precipitaciones torrenciales en la cuenca hidrográfica, y se manifiesta por una intensificación del ciclo del agua (con la presencia de mayores volúmenes de escorrentía y la consiguiente aparición de repentinos y elevados caudales de avenida) e intensificación del ciclo de los sedimentos (mayor erosión del suelo, incremento del transporte de sedimentos en los cauces de drenaje y la formación de grades depósitos de sedimentos en el área dominada de la cuenca). Estos procesos naturales se pueden agravar si se realizan en la cuenca actuaciones que alteren sustancialmente su morfología; es el caso del arroyo del Partido, tributario a la marisma de El Rocío en el Parque Nacional de Doñana, cuyo encauzamiento del tramo final sobre su antiguo cono de sedimentación fue el causante de la formación de un nuevo cono de sedimentación sobre la marisma. Pero las intervenciones antrópicas también pueden dirigir el sistema hacia la estabilidad sedimentaria y el tramo final del arroyo del Partido ha experimentado asimismo actuaciones de carácter restaurador. El antiguo cono de sedimentación del arroyo del Partido es un lugar complejo en el que drenan también otros tres cursos que intercambian sus flujos con dicho arroyo durante las avenidas. Esta Memoria analiza cuatro situaciones del paraje objeto de estudio: la primera responde al estado original del lugar en cuestión (situación A); la segunda a la creada tras el encauzamiento del arroyo del Partido en 1981 (situación B); la tercera a la formada pasado un tiempo desde el encauzamiento, cuando el geo-dinamismo del lugar hizo sus efectos sobre el paraje en cuestión (situación C); y la cuarta la generada tras la restauración en el verano de 2006 del régimen hidráulico-sedimentario del arroyo del Partido con la Actuación núm. 3 del Proyecto Doñana 2005. Se han investigado los efectos que la alteración de la morfología del sistema de drenaje del antiguo cono de sedimentación del arroyo del Partido causa en los parámetros hidráulicos que desencadenan el geo-dinamismo torrencial. Para ello se han reproducido las condiciones morfológicas de las cuatro situaciones más representativas ya comentadas que ha experimentado el paraje en los últimos 30 años y que han condicionado el comportamiento de las avenidas torrenciales ocurridas en dicho periodo. En este contexto se ha elaborado un modelo hidrológico con el programa HECHMS a partir de la información disponible y un modelo hidrodinámico en 2D con el programa IBER; con este último se han comparado ocho escenarios característicos derivados de la incidencia de dos avenidas representativas de los eventos torrenciales de la zona sobre las morfologías contempladas. También se ha estudiado la tensión de arrastre de las avenidas dada su incidencia en el terreno sobre el que transitan, analizando de manera separada los efectos en los cuatro cauces de drenaje del antiguo cono de sedimentación y del resto de la superficie del mismo. La investigación realizada ha permitido describir minuciosamente el comportamiento de los drenajes locales del antiguo y complejo cono de sedimentación que bordea el noroeste de la marisma del Parque Nacional de Doñana, desde la marisma de El Rocío hasta la marisma gallega, lo que redundará en beneficio de la gestión del Parque Nacional de Doñana y de su entorno, y especialmente en la seguridad del perímetro oriental de la aldea de El Rocío. ABSTRACT The torrential geo-dynamism results from the effect of torrential precipitations on the hydrological watershed, and it shows ups with the intensification of the water cycle (with presence of higher volumes of run-off and the consequent appearance of sudden and high food flows) and intensification of the sediment cycle (higher soil erosion, increase of sediment transport in the drainage courses and the formation of big sediment deposits in the area downstream the watershed). These natural processes can worsen if actions that change the morphology of the watershed are carried out. It is the case of the Partido stream, tributary of the marsh of El Rocío in the Doñana National Park, whose channelization of the final stretch over its old alluvial fan was the cause of the formation of a new alluvial fan over the marsh. But human actions can also go toward the sediment stabilization, and the final stretch of the Partido stream has experienced restoration actions as well. The old alluvial fan of the Partido stream is a complex terrain where also other three courses exchange their flows during floods. This document analyses four situations of the area studied: the first corresponds to the original state of the place (situation A); the second is the state created after the channel of the Partido stream was built in 1981 (situation B); the third is the state formed after some time passed and the geo-dynamism caused effect in the channelization (situation C); and the forth situation is the one created after the restoration in summer of 2006 of the hydraulic-sedimentary regime of the Partido stream with de Action number 3 of the Doñana 2005 Project. It has been researched the effects that the alteration of the morphology of the drainage system of the old alluvial fan of the Partido stream causes to the hydraulic parameters that trigger the torrential geo-dynamism. For that, the morphologic conditions of the four more representative situations were reproduced. Those situations experienced in the area in the last 30 years have conditioned the behaviour of torrential floods in that period. In this context, a hydrologic model with HEC-HMS and a 2D hydro-dynamic model with IBER have been set up. With IBER, eight scenes have been compared resulting from the impact of two representative floods from torrential events in the region against the morphologies considered. Also, the shear stress of the floods on the terrain has been studied, analysing separately the effect in the four drainage courses of the old alluvial fan and in the rest of its surfaces. The research carried out has allowed describing in minute detail the behavior of the local drainages of the old and complex alluvial fan that border the northwest part of the marsh of Doñana National Park, from the marsh of El Rocío to the gallega marsh. This will result in benefit for the management of Doñana National Park and its surroundings, and especially for the safety of the eastern limit of El Rocío village.

Implications of agricultural production, policy and land use changes on water resource assessment

Una gestión más eficiente y equitativa del agua a escala de cuenca no se puede centrar exclusivamente en el recurso hídrico en sí, sino también en otras políticas y disciplinas científicas. Existe un consenso creciente de que, además de la consideración de las cambiantes condiciones climáticas, es necesaria una integración de ámbitos de investigación tales como la agronomía, planificación del territorio y ciencias políticas y económicas a fin de satisfacer de manera sostenible las demandas de agua por parte de la sociedad y del medio natural. La Política Agrícola Común (PAC) es el principal motor de cambio en las tendencias de paisajes rurales y sistemas agrícolas, pero el deterioro del medio ambiente es ahora una de las principales preocupaciones. Uno de los cambios más relevantes se ha producido con la expansión e intensificación del olivar en España, principalmente con nuevas zonas de regadío o la conversión de olivares de secano a sistemas en regadío. Por otra parte, el cambio de las condiciones climáticas podría ejercer un papel importante en las tendencias negativas de las aportaciones a los ríos, pero no queda claro el papel que podrían estar jugando los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas de caudal observadas. Esta tesis tiene como objetivo mejorar el conocimiento de los efectos de la producción agrícola, política agraria y cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las condiciones de calidad del agua, respuesta hidrológica y apropiación del agua por parte de la sociedad. En primer lugar, el estudio determina las tendencias existentes de nitratos y sólidos en suspensión en las aguas superficiales de la cuenca del río Guadalquivir durante el periodo de 1998 a 2009. Desde una perspectiva de política agraria, la investigación trata de evaluar mediante un análisis de datos de panel las principales variables, incluyendo la reforma de la PAC de 2003, que están teniendo una influencia en ambos indicadores de calidad. En segundo lugar, la apropiación del agua y el nivel de contaminación por nitratos debido a la producción del aceite de oliva en España se determinan con una evaluación de la huella hídrica (HH), teniendo en cuenta una variabilidad espacial y temporal a largo de las provincias españolas y entre 1997 y 2008. Por último, la tesis analiza los efectos de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas observadas en la zona alta del Turia, cabecera de la cuenca del río Júcar, durante el periodo 1973-2008 mediante una modelización ecohidrológica. En la cuenca del Guadalquivir cerca del 20% de las estaciones de monitoreo muestran tendencias significativas, lineales o cuadráticas, para cada indicador de calidad de agua. La mayoría de las tendencias significativas en nitratos están aumentando, y la mayoría de tendencias cuadráticas muestran un patrón en forma de U. Los modelos de regresión de datos de panel muestran que las variables más importantes que empeoran ambos indicadores de calidad del agua son la intensificación de biomasa y las exportaciones de ambos indicadores de calidad procedentes de aguas arriba. En regiones en las que el abandono agrícola y/o desintensificación han tenido lugar han mejorado las condiciones de calidad del agua. Para los nitratos, el desacoplamiento de las subvenciones a la agricultura y la reducción de la cuantía de las subvenciones a tierras de regadío subyacen en la reducción observada de la concentración de nitratos. Las medidas de modernización de regadíos y el establecimiento de zonas vulnerables a nitratos reducen la concentración en subcuencas que muestran una tendencia creciente de nitratos. Sin embargo, el efecto de las exportaciones de nitratos procedente de aguas arriba, la intensificación de la biomasa y los precios de los cultivos presentan un mayor peso, explicando la tendencia creciente observada de nitratos. Para los sólidos en suspensión, no queda de forma evidente si el proceso de desacoplamiento ha influido negativa o positivamente. Sin embargo, los mayores valores de las ayudas agrarias aún ligadas a la producción, en particular en zonas de regadío, conllevan un aumento de las tasas de erosión. Aunque la cuenca del Guadalquivir ha aumentado la producción agrícola y la eficiencia del uso del agua, el problema de las altas tasas de erosión aún no ha sido mitigado adecuadamente. El estudio de la huella hídrica (HH) revela que en 1 L de aceite de oliva español más del 99,5% de la HH está relacionado con la producción de la aceituna, mientras que menos del 0,5% se debe a otros componentes, es decir, a la botella, tapón y etiqueta. Durante el período estudiado, la HH verde en secano y en regadío representa alrededor del 72% y 12%, respectivamente, del total de la HH. Las HHs azul y gris representan 6% y 10%, respectivamente. La producción de aceitunas se concentra en regiones con una HH menor por unidad de producto. La producción de aceite de oliva ha aumentado su productividad del agua durante 1997-2008, incentivado por los crecientes precios del aceite, como también lo ha hecho la cantidad de exportaciones de agua virtual. De hecho, las mayores zonas productoras presentan una eficiencia alta del uso y de productividad del agua, así como un menor potencial de contaminación por nitratos. Pero en estas zonas se ve a la vez reflejado un aumento de presión sobre los recursos hídricos locales. El aumento de extracciones de agua subterránea relacionadas con las exportaciones de aceite de oliva podría añadir una mayor presión a la ya estresada cuenca del Guadalquivir, mostrando la necesidad de equilibrar las fuerzas del mercado con los recursos locales disponibles. Los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal juegan un papel importante en el balance del agua de la cuenca alta del Turia, pero no son el principal motor que sustenta la reducción observada de caudal. El aumento de la temperatura es el principal factor que explica las mayores tasas de evapotranspiración y la reducción de caudales. Sin embargo, los cambios de uso de suelo y el cambio climático han tenido un efecto compensatorio en la respuesta hidrológica. Por un lado, el caudal se ha visto afectado negativamente por el aumento de la temperatura, mientras que los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal han compensado positivamente con una reducción de las tasas de evapotranspiración, gracias a los procesos de disminución de la densidad de matorral y de degradación forestal. El estudio proporciona una visión que fortalece la interdisciplinariedad entre la planificación hidrológica y territorial, destacando la necesidad de incluir las implicaciones de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en futuros planes hidrológicos. Estos hallazgos son valiosos para la gestión de la cuenca del río Turia, y el enfoque empleado es útil para la determinación del peso de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en la respuesta hidrológica en otras regiones. ABSTRACT Achieving a more efficient and equitable water management at catchment scale does not only rely on the water resource itself, but also on other policies and scientific knowledge. There is a growing consensus that, in addition to consideration of changing climate conditions, integration with research areas such as agronomy, land use planning and economics and political science is required to meet sustainably the societal and environmental water demands. The Common Agricultural Policy (CAP) is a main driver for trends in rural landscapes and agricultural systems, but environmental deterioration is now a principal concern. One of the most relevant changes has occurred with the expansion and intensification of olive orchards in Spain, taking place mainly with new irrigated areas or with the conversion from rainfed to irrigated systems. Moreover, changing climate conditions might exert a major role on water yield trends, but it remains unclear the role that ongoing land use and land cover changes (LULCC) might have on observed river flow trends. This thesis aims to improve the understanding of the effects of agricultural production, policies and LULCC on water quality conditions, hydrological response and human water appropriation. Firstly, the study determines the existing trends for nitrates and suspended solids in the Guadalquivir river basin’s surface waters (south Spain) during the period from 1998 to 2009. From a policy perspective, the research tries to assess with panel data analysis the main drivers, including the 2003 CAP reform, which are having an influence on both water quality indicators. Secondly, water appropriation and nitrate pollution level originating from the production of olive oil in Spain is determined with a water footprint (WF) assessment, considering a spatial temporal variability across the Spanish provinces and from 1997 to 2008 years. Finally, the thesis analyzes the effects of the LULCC on the observed negative trends over the period 1973-2008 in the Upper Turia basin, headwaters of the Júcar river demarcation (east Spain), with ecohydrological modeling. In the Guadalquivir river basin about 20% of monitoring stations show significant trends, linear or quadratic, for each water quality indicator. Most significant trends of nitrates are augmenting than decreasing, and most significant quadratic terms of both indicators exhibit U-shaped patterns. The panel data models show that the most important drivers that are worsening nitrates and suspended solids in the basin are biomass intensification and exports of both water quality indicators from upland regions. In regions that agricultural abandonment and/or de-intensification have taken place the water quality conditions have improved. For nitrates, the decoupling of agricultural subsidies and the reduction of the amount of subsidies to irrigated land underlie the observed reduction of nitrates concentration. Measures of irrigation modernization and establishment of vulnerable zones to nitrates ameliorate the concentration of nitrates in subbasins showing an increasing trend. However, the effect of nitrates load from upland areas, intensification of biomass and crop prices present a greater weight leading to the final increasing trend in this subbasins group, where annual crops dominate. For suspended solids, there is no clear evidence that decoupling process have influenced negatively or positively. Nevertheless, greater values of subsidies still linked to production, particularly in irrigated regions, lead to increasing erosion rates. Although agricultural production has augmented in the basin and water efficiency in the agricultural sector has improved, the issue of high erosion rates has not yet been properly faced. The water footprint (WF) assessment reveals that for 1 L Spanish olive oil more than 99.5% of the WF is related to the olive fruit production, whereas less than 0.5% is due to other components i.e. bottle, cap and label. Over the studied period, the green WF in rainfed and irrigated systems represents about 72% and 12%, respectively, of the total WF. Blue and grey WFs represent 6% and 10%, respectively. The olive production is concentrated in regions with the smallest WF per unit of product. The olive oil production has increased its apparent water productivity from 1997 to 2008 incentivized by growing trade prices, but also did the amount of virtual water exports. In fact, the largest producing areas present high water use efficiency per product and apparent water productivity as well as less nitrates pollution potential, but this enhances the pressure on the available water resources. Increasing groundwater abstractions related to olive oil exports may add further pressure to the already stressed Guadalquivir basin. This shows the need to balance the market forces with the available local resources. Concerning the effects of LULCC on the Upper Turia basin’s streamflow, LULCC play a significant role on the water balance, but it is not the main driver underpinning the observed reduction on Turia's streamflow. Increasing mean temperature is the main factor supporting larger evapotranspiration rates and streamflow reduction. In fact, LULCC and climate change have had an offsetting effect on the streamflow generation during the study period. While streamflow has been negatively affected by increasing temperature, ongoing LULCC have positively compensated with reduced evapotranspiration rates, thanks to mainly shrubland clearing and forest degradation processes. The research provides insight for strengthening the interdisciplinarity between hydrological and spatial planning, highlighting the need to include the implications of LULCC in future hydrological plans. These findings are valuable for the management of the Turia river basin, as well as a useful approach for the determination of the weight of LULCC on the hydrological response in other regions.

Modelización de la rotura y fluidificación en geomateriales y geoestructuras

La rotura de las geoestructuras puede ser causada por cambios en las tensiones efectivas debidos bien por cargas externas (terremotos, por ejemplo), bien por variación de las presiones intersticiales (lluvia), o cambios en la geometría (erosión), así como por una disminución de las propiedades resistentes de los materiales (meteorización, ataque químico, etc). El caso particular de los deslizamientos es interesante, existiendo diversas clasificaciones que tienen en cuenta su forma, velocidad de propagación, etc. Dos de estos casos son los deslizamientos propiamente dichos y los flujos. En el primer caso, la deformación se concentra en zonas de pequeño espesor, que se idealiza como una superficie (superficie de rotura). La cinemática de esta rotura se puede considerar como el movimiento relativo de dos masas cuyas deformaciones no son grandes. Este mecanismo está usualmente asociado a materiales sobreconsolidados que presentan reblandecimiento. Los flujos se producen generalmente en materiales de baja densidad y estructura metaestable, con tendencia a compactar, de forma que se generan presiones intersticiales que aumentan el ángulo de rozamiento movilizado, pudiéndose llegar en algunos casos a la licuefacción. Este mecanismo de rotura se conoce como rotura difusa, y no ha sido tan estudiado como el de localización a pesar de se trata frecuentemente de roturas de tipo catastrófico. De hecho, el suelo pasa de un estado sólido a un estado fluidificado, con una gran movilidad. Es importante para el ingeniero predecir tanto el comportamiento de las geoestructuras bajo las cargas de cálculo como las condiciones en las que se producirá la rotura. De esta manera, en algunos casos, se podrán reforzar las zonas más débiles aumentando así su seguridad. En otros casos, no se podrá realizar este refuerzo (grandes deslizamientos como avalanchas, lahares, etc), pero sí se podrán conocer las consecuencias de la rotura: velocidad de propagación, alcance, espesores, etc. La modelización de estos problemas es compleja, ya que aparecen dificultades en los modelos matemáticos, constitutivos o reológicos y numéricos. Dado que en los geomateriales aparece una interacción fuerte entre el esqueleto sólido y los fluidos intersticiales, esto debe ser tenido en cuenta en los modelos matemáticos. En este trabajo se describirán, pues, el desarrollo y aplicación de técnicas avanzadas de modelización; matemática, constitutiva/reológica y numérica. Se dedicará especial atención a los problemas de transición entre suelos y suelos fluidificados, que hoy en día se estudian en una gran mayoría de los casos con modelos diferentes. Así por ejemplo, se emplean modelos constitutivos para el comportamiento previo a la rotura, y reológicos para los materiales fluidificados. En lo que respecta a los modelos matemáticos, existen formulaciones nuevas en velocidades (o desplazamientos), tensiones, y presiones de aire y agua intersticial, de los que se pueden obtener modelos simplificados integrados en profundidad para deslizamientos rápidos. Respecto de los modelos constitutivos, es interesante la teoría de la Plasticidad Generalizada (modelo básico de Pastor-Zienkiewicz y extensiones a suelos no saturados). Se estudiará la extensión de estos modelos elastoplásticos a la viscoplasticidad (Perzyna y consistente), explorando la posibilidad de emplearlos tanto antes como después de la rotura. Finalmente, en lo que a modelos numéricos se refiere, se describirá la implementación de los modelos matemáticos y constitutivos desarrollados en (i) modelos clásicos de elementos finitos, como el GeHoMadrid desarrollado en los grupo investigador M2i al que pertenece el autor de este trabajo, (ii) Métodos de tipo Taylor Galerkin, y (iii) métodos sin malla como el SPH y el Material Point Model. Estos modelos se aplicarán, principalmente a (i) Licuefacción de estructuras cimentadas en el fondo marino (ii) presas de residuos mineros (iii) deslizamientos rápidos de laderas.