Desarrollo de un modelo ecohidrológico para el análisis de la dinámica de ecosistemas riparios

Abstract

[EN] The riparian areas can be understood as those areas adjacent or very close to the river channels that are environmentally influenced by this proximity and, in consequence, that are frequently subjected to periodic flooding. The riverbank is an ecosystem itself that has great ecological value. It acts as a transition zone between land and water areas and as a corridor across different regions. As riparian areas are located beside the river water, their soils are frequently very productive. The vegetation in these areas is very productive and favours a great density and diversity of wild life. It has an important role in the ecosystem's capacity for other different functions as the nutrients balance, the water temperature regulation by shadowing, the banks stabilization, etc. In consequence, the riparian vegetation is necessary for the correct balance in the fluvial ecosystem. As this vegetation conditions the hydrology of the river system, the hydrological regime of the river determines the development, the distribution and the diversity of this vegetation. In fact, the presence and wellbeing of the vegetation in semiarid riparian environments is mainly conditioned to the floods frequency and magnitude, to the water availability in the unsaturated upper soil and to the water table accessibility. The aim of the present thesis is to develop and to implement a new ecohydrological dynamic model that predicts the vegetation on the riparian zones of a river reach by including new processes or by reconsidering the definition of those already included in the models taken as reference. In addition, it is pursued to demonstrate the utility of the new model by analysing the dynamic response of the vegetation under different global change scenarios. A background review has been intensively addressed to obtain the required expert knowledge needed to face the proposal of a new methodology for the analysis of the spatial and temporal distribution of the vegetation in the riparian area. A selection of the most representative models among the currently available and their implementation on different Mediterranean semiarid case studies of the Jucar River Basin District have been performed. After evaluating the advantages and limitations of these reference models, a new improved mathematical model has been proposed. This new tool, the Riparian Vegetation Dynamic Model (RVDM), integrates the knowledge provided by previous tools and represents an upgrade in the way of understanding the relations between the riparian hydrodynamics and the vegetation dynamics. The model has proved to be capable to predict the distribution of the riparian vegetation communities observed in reaches with semiarid characteristics. It has been demonstrated that RVDM represents an upgrade respect to previous tools in the quality and the reliability of the results. Once the advantages of this new tool have been proven, different global change scenarios have been simulated to analyse the dynamic response of the vegetation in the riparian areas.

[ES] Las riberas pueden entenderse como aquellas áreas adyacentes o muy próximas a los cauces fluviales, con inundaciones periódicas, que se ven ambientalmente influidas de forma distintiva por esta proximidad. La ribera es un ecosistema en sí mismo que tiene un gran valor ecológico por constituir una zona de transición entre las zonas terrestre y acuática y un corredor a través de diferentes regiones. Su cercanía al agua, sus suelos tradicionalmente fértiles y su vegetación característica, hacen de estos ecosistemas entornos favorables para una gran densidad y diversidad de vida salvaje. La vegetación de ribera tiene un papel importante en la capacidad del ecosistema para diferentes funciones como son el balance de nutrientes, la regulación de la temperatura de las aguas por efecto del sombreo, la estabilización de las márgenes del río, etc., y por tanto es necesaria para un equilibrio adecuado del ecosistema fluvial. Pero no solo la vegetación de ribera tiene influencia sobre la hidrología del cauce; el desarrollo, la distribución o la diversidad de esta vegetación vienen determinados por el régimen hidrológico del mismo. De hecho, en entornos semiáridos, no solo la frecuencia e intensidad de las avenidas, sino también la cantidad de agua capilar disponible en la zona superficial del suelo, así como la accesibilidad al nivel freático, condicionan tanto la presencia como el bienestar de la vegetación. El objetivo fundamental de esta tesis doctoral es el desarrollo e implementación de un modelo ecohidrológico dinámico, de distribución espacio-temporal de la vegetación de ribera a escala de tramo que, incluyendo nuevos procesos o replanteando la definición de los ya incluidos en los modelos de referencia, mejore los resultados que pueden obtenerse con los modelos actualmente disponibles. Asimismo, se pretende demostrar la utilidad del nuevo modelo mediante el análisis de la respuesta dinámica de la vegetación de ribera a escala de tramo frente a diferentes escenarios de cambio global. Con el fin de adquirir la autonomía y el conocimiento experto necesario para abordar este objetivo, se propone una revisión del estado del arte actual, una selección de los modelos más representativos entre los actualmente disponibles y su aplicación en diferentes casos de estudio dentro del entorno semiárido mediterráneo de la Demarcación Hidrográfica del Júcar. Tras valorar los defectos y posibles mejoras de los modelos de referencia, se ha propuesto un nuevo modelo mejorado que combina el conocimiento existente de los procesos hidrológicos, biológicos y geomorfológicos que se producen en la zona de ribera. Este modelo matemático, Riparian Vegetation Dynamic Model (RVDM), se ha implementado en una herramienta capaz de reproducir la distribución de las comunidades vegetales riparias observadas en tramos con características similares a las de los casos de estudio seleccionados. Se ha comprobado que, efectivamente, RVDM supone una mejora en la calidad y la fiabilidad de los resultados respecto a las herramientas homólogas contemporáneas, es decir, respecto a los modelos de referencia. Demostradas las ventajas de su uso se ha determinado, mediante la aplicación del nuevo modelo RVDM, la respuesta dinámica de la vegetación de ribera a escala de tramo frente a diferentes regímenes de aportaciones, como respuesta a diferentes escenarios de cambio global.

[CA] Les riberes poden entendre's com aquelles àrees adjacents o molt pròximes als llits fluvials, amb inundacions periòdiques, que es veuen ambientalment influïdes de forma distintiva per esta proximitat. La ribera és un ecosistema en si mateix que té un gran valor ecològic per constituir una zona de transició entre les zones terrestre i aquàtica i un corredor a través de diferents regions. La seua proximitat a l'aigua, els seus sòls tradicionalment fèrtils i la seua vegetació característica, fan d'estos ecosistemes entorns favorables per a una gran densitat i diversitat de vida salvatge. La vegetació de ribera té un paper important en la capacitat de l'ecosistema per a diferents funcions com són el balanç de nutrients, la regulació de la temperatura de les aigües per efecte de l'ombrege, l'estabilització dels marges del riu, etc., i per tant és necessària per a un equilibri adequat de l'ecosistema fluvial. Però no sols la vegetació de ribera té influència sobre la hidrologia del llit; el desenvolupament, la distribució o la diversitat d'esta vegetació vénen determinats pel règim hidrològic del mateix. De fet, en entorns semiárids, no sols la freqüència i intensitat de les avingudes, sinó també la quantitat d'aigua capil·lar disponible en la zona superficial del sòl, així com l'accessibilitat al nivell freàtic, condicionen tant la presència com el benestar de la vegetació. L'objectiu fonamental d'esta tesi doctoral és el desenvolupament i implementació d'un model ecohidrológic dinàmic, de distribució espai-temporal de la vegetació de ribera a escala de tram que, incloent nous processos o replantejant la definició dels ja inclosos en els models de referència, millore els resultats que poden obtindre's amb els models actualment disponibles. Així mateix, es pretén demostrar la utilitat del nou model per mitjà de l'anàlisi de la resposta dinàmica de la vegetació de ribera a escala de tram enfront de diferents escenaris de canvi global. A fi d'adquirir l'autonomia i el coneixement expert necessari per a abordar este objectiu, es proposa una revisió de l'estat de l'art actual, una selecció dels models més representatius entre els actualment disponibles i la seua aplicació en diferents casos d'estudi dins de l'entorn semiárid mediterrani de la Demarcació Hidrogràfica del Xúquer. Després de valorar els defectes i possibles millores dels models de referència, s'ha proposat un nou model millorat que combina el coneixement existent dels processos hidrològics, biològics i geomorfològics que es produïxen en la zona de ribera. Este model matemàtic, Riparian Vegetation Dynamic Model (RVDM) , s'ha implementat en una ferramenta capaç de reproduir la distribució de les comunitats vegetals riparies observades en trams amb característiques semblants a les dels casos d'estudi seleccionats. S'ha comprovat que, efectivament, RVDM suposa una millora en la qualitat i la fiabilitat dels resultats respecte a les ferramentes homòlogues contemporànies, és a dir, respecte als models de referència. Demostrats els avantatges del seu ús s'ha determinat, per mitjà de l'aplicació del nou model RVDM, la resposta dinàmica de la vegetació de ribera a escala de tram enfront de diferents règims d'aportacions, com a resposta a diferents escenaris de canvi global.