Summary-Resumen

Summary:

Slope Mass-wasting under climate change. Physical mechanisms, predictive modelling and possible mitigation strategies. 

SMuCPhy is a multidisciplinary project along the Challenge line “Action on climate change and efficiency in the use of resources and raw materials” with special attention on the investigation of geological-geotechnical hazards under Climate Change and related adaptation strategies. It focuses on slope mass wasting (SMW) due to shallow failures in hilly and mountainous areas, one of the main erosional processes with important direct and indirect consequences to society (fatalities, damage to infrastructures, loss of agricultural and forested soils, reduction of reservoir volumes, etc.). Together with geological settings, material properties and climatic actions, an important controlling factor for SMW is the vegetation and this point receives a particular attention in the project. The project addresses the problem of SMW under climate change by a novel approach, based on the integration of information and approaches at three different scales: slope, catchment and region. Scale integration is supported by a deterministic model. It is based on an existing Finite Element (FE) code for coupled thermo-hydro-mechanical processes in geological media, enhanced within the project with a module for soil/plant/atmosphere interactions. Model formulation and validation are supported at slope scale by data obtained during a pioneering and sophisticated full-scale experiment, built and instrumented in detail within the project. At catchment scale, FE model is used to back-analyse and predict the response of three instrumented sites in Central-Eastern Pyrenees, using meteorological time series projected according to a Climate Change scenarios,. At regional scale, a GIS based approach is used to correlate regional variables with mass wasting spatial-temporal characteristics and define typical slope cases for numerical simulations. Results at catchment and regional scales are cross-checked with historic data (magnitude-frequency relationships, rainfall intensity – duration thresholds) by means of simulation runs over past test/validation periods.

Predictions are also cross-checked by comparing historic data with those derived from numerical simulations. Possible strategies for mass wasting remediation include slope stabilization at slope and catchment scales by use of vegetation and risk management at regional scale by production of susceptibility maps. Consortium is formed by international multidisciplinary teams. It is composed by national and international researchers from the geological, geotechnical, geomatic and natural risks fields private companies and administrations in charge of land use planning. Main socioeconomic impacts are related to the better understanding of SMW mechanisms, a correct land-use planning and the promotion of vegetation in sustainable engineering designs. Project outcomes are directly transferred to administrations, companies and endusers by organization of meetings and seminars with end-users and an international workshop at the end of the project. Technical outcomes linked with SMW mitigation will be
incorporated into the products of the collaborating companies and scientific publications in high-rating indexed journals published.

Resumen:

Pérdida de suelo en laderas bajo cambio climático. Procesos físicos, modelación predictiva y posibles estrategias de mitigación

SMuCPhy es un proyecto multidisciplinar que se propone a la línea de Retos “Acciones sobre el Cambio Climático y eficiencia en el uso de recursos y materias primas” con los propósitos de investigar peligros geológico-geotécnicos ligados al Cambio Climático y de proponer estrategias de adaptación. El proyecto está centrado en la erosión de suelos (ES) debida a deslizamientos superficiales. Este proceso tiene consecuencias importantes para la sociedad, tanto directas (pérdida de suelos agrícolas y forestales) como indirectas (muertes y daños a infraestructuras y disminución de la capacidad de embalses), estas últimas debidas a flujos con alta concentración de sedimentos (flujos torrenciales). Las propiedades hidro-mecánicas de los suelos, junto con las condiciones geológicas y climáticas, son factores esenciales a investigar en la erosión. Un valor añadido del proyecto es el análisis del papel de la vegetación, que recibe una atención particular.
El proyecto aborda el problema de la ES ligada al Cambio Climático utilizando un método novedoso, que está basado en la investigación a tres escalas diferentes (ladera, cuenca de primer orden y región) y en el acoplamiento de sus resultados. La integración de escalas se realizará de una forma también muy innovadora, empleando un modelo físico de elementos finitos (EF, Code_Brigth) para el acoplamiento de los procesos termo-hidro-mecánicos, que será mejorado en el proyecto con la implementación de un módulo de interacciones suelovegetación-atmósfera. La calibración del modelo físico y su validación a escala de ladera se llevará a cabo a partir de los datos obtenidos en un experimento a escala real en un talud, que será construido e instrumentado intensamente durante el proyecto. Este tipo de experimentos son muy raros en todo el mundo y ninguno de los existentes incluye el rango completo de interacciones con la atmósfera y la vegetación. A escala de cuenca, el modelo de EF se usará para analizar el efecto climático en el pasado y para predecir la respuesta futura en tres sitios ya instrumentados del Pirineo, empleando series temporales meteorológicas proyectadas según varios escenarios de cambio climático. A escala regional, se llevará a cabo una correlación de factores condicionantes de la inestabilidad con la ocurrencia espacio-temporal de deslizamientos superficiales utilizando técnicas GIS, y se definirán casos tipo de laderas. Los resultados a escala de cuenca y regional serán contrastados con datos históricos en períodos seleccionados (relaciones de magnitudfrecuencia, umbrales de intensidad-duración de lluvia).
Se plantearán estrategias, por un lado, para la mitigación de la erosión de suelos causada por deslizamientos superficiales basadas en la estabilización con vegetación a escala de ladera y de cuenca y, por otro lado, para la planificación del territorio a escala regional basada en la producción de mapas de susceptibilidad al deslizamiento.
Los principales impactos socio-económicos que se esperan del proyecto son la reducción del riesgo de erosión de suelos y el fomento del uso de la vegetación para diseñar soluciones ingenieriles sostenibles. Los resultados del proyecto serán transferidos directamente a las administraciones, empresas y otros usuarios finales a través de
reuniones anuales y de un workshop internacional al final del proyecto. Los resultados técnicos serán transferidos a las empresas colaboradoras y se preveen publicaciones scientíficas de alto impacto.