Effects of gully control measures on sediment yield and connectivity in wooded rangelands

Abstract

Gully rehabilitation is often applied as part of catchment management strategies aimed at reducing downstream sediment yields. However, the influences of gully control measures on the runoff and sediment transport processes in agroforestry systems have been seldom studied. In this paper, a thorough analysis of these processes was carried out in a valley-bottom gully located in a dehesa from SW Spain. The gully was monitored before and after implementation of different runoff and sediment control measures that included: gabion check-dams, brushwood check-dams and livestock exclusion through fencing. The aims of this work are: (1) to analyze the effect of the gully control measures on the hydrological dynamics and sediment load, and (2) to evaluate their effect on sediment connectivity at the catchment and channel scales. Changes in topography and connectivity were estimated using sequential Digital Elevation Models (DEMs) with a resolution of 0.02 m generated by Structure – from – Motion photogrammetry from aerial images acquired by an Unmanned Aerial Vehicle. Discharge and suspended sediment were monitored at the outlet. Results indicate that flood discharge was not influenced by the control measures, but suspended sediment concentration was reduced by 65%. The integration of the difference of connectivity index with topographic change maps highlighted the impact of the gully control measures on changes in sediment connectivity. A strong relationship between geomorphic dynamics and the spatial pattern of hydrological and sediment pathways were observed in the gully. The connectivity index (IC) increased in eroded areas, while deposition sites showed a decrease in the IC. Connectivity also decreased in the bank headcuts located within an area isolated from livestock. The implementation of runoff and sediment control measures in the channel was successful in stabilizing the expansion of the channel network and had beneficial effects in the short-term but further monitoring would be necessary to understand long-term effects.

La rehabilitación de cárcavas a menudo se aplica como parte de las estrategias de gestión de cuencas destinadas a reducir la producción de sedimentos río abajo. Sin embargo, rara vez se han estudiado las influencias de las medidas de control de cárcavas en los procesos de transporte de escorrentía y sedimentos en los sistemas agroforestales. En este trabajo se lleva a cabo un análisis exhaustivo de estos procesos en una cárcava de fondo de valle situada en una dehesa del suroeste de España. El barranco fue monitoreado antes y después de la implementación de diferentes medidas de control de escorrentía y sedimentos que incluyeron: represas de control de gaviones, represas de control de maleza y exclusión de ganado a través de cercas. Los objetivos de este trabajo son: (1) analizar el efecto de las medidas de control de cárcavas sobre la dinámica hidrológica y la carga de sedimentos, y (2) evaluar su efecto sobre la conectividad de sedimentos a escala de cuenca y cauce. Los cambios en la topografía y la conectividad se estimaron utilizando Modelos Digitales de Elevación (DEM) secuenciales con una resolución de 0,02 m generados por fotogrametría Estructura a partir de Movimiento a partir de imágenes aéreas adquiridas por un Vehículo Aéreo No Tripulado. La descarga y los sedimentos suspendidos fueron monitoreados en la salida. Los resultados indican que la descarga de la inundación no fue influenciada por las medidas de control, pero la concentración de sedimentos en suspensión se redujo en un 65%. La integración de la diferencia del índice de conectividad con los mapas de cambios topográficos destacó el impacto de las medidas de control de cárcavas en los cambios en la conectividad de los sedimentos. En la cárcava se observó una fuerte relación entre la dinámica geomórfica y el patrón espacial de las vías hidrológicas y sedimentarias. El índice de conectividad (IC) aumentó en las áreas erosionadas, mientras que los sitios de deposición mostraron una disminución en el IC. La conectividad también disminuyó en las cabeceras bancarias ubicadas dentro de una zona aislada de la ganadería. La implementación de medidas de control de escorrentía y sedimentos en el canal logró estabilizar la expansión de la red de canales y tuvo efectos beneficiosos a corto plazo, pero sería necesario un mayor monitoreo para comprender los efectos a largo plazo.