Assessment of sediment production, connectivity, and delivery in mountainous catchments under environmental changes. The role of shallow landslides in the Upper Llobregat Basin (Pre-Pyrenees, Catalonia)

Abstract

(English) Soil erosion in mountainous landscapes is strongly influenced by shallow landslides, particularly during extreme precipitation events. Despite their geomorphic significance, quantitative soil erosion studies often prioritize fine sediment dynamics and agricultural land-use calibrations, thereby underrepresenting the complexity of landslide processes driven by intrinsic slope parameters and external triggering forces. This study examines sediment production and connectivity from shallow landslides under climate change and land-cover transitions. The primary objective aims to quantify sediment mobilization from slope instabilities to fluvial networks, focusing on the Saldes River Basin (102 km²) for model calibration and applying the results to the Upper Llobregat River Basin (504 km²). The quantification approach used a distributed, event-based method with the FSLAM landslide stability model. Projected climate scenarios predict increased extreme precipitation events, resulting in heightened slope mass wasting. Future simulations indicate landslide mobilization rates increase by 10%, peaking at 16% during 20-year rainfall events. These findings underscore the significance of hillslope processes in sediment budget assessments and the role of extreme rainfall in sediment production. To address sediment connectivity, this study introduces the Random Connect (RC) model. The model uses a random-walk framework and applies the Index of Connectivity (IC) to estimate sediment volume fluxes from source areas to channel networks. The input data includes a digital elevation model, IC maps, and sediment source maps derived from shallow landslides. The model outputs consist of raster maps that describe sediment flux. The receive maps show accumulated sediment volumes along transfer paths, and the release maps indicate the source cells contributing sediment to the target river. The RC model application in the Saldes Basin highlighted how land cover affects sediment transport. Field surveys identified sediment hotspots and validated model outputs, incorporating forest cover as a factor in connectivity analyses. This enhanced IC methodology delineated transfer pathways, improving overland flow representation in RC simulations. Validation showed an average annual sediment budget of 1,545 t·km⁻²·year⁻¹, with the model estimating a sediment delivery ratio (SDR) of 0.34. Reservoir SDR values ranged from 0.12 to 0.24, illustrating the impact of connectivity thresholds on reservoir siltation. A detailed LULC analysis in the ULRB shows that steep, sparsely vegetated areas have increased by 43%, leading to more bare soil and sediment sources. Conversely, forested slopes and vegetated areas act as buffers, reducing sediment delivery. However, climate projections suggest intensified rainfall and prolonged droughts may reduce vegetation resilience, reactivating sediment pathways. Results show that sediment production increases by up to 22% during extreme rainfall in future scenarios, while forest expansion can reduce sediment yield by up to 14%. Combined climate and land cover scenarios indicate non-linear responses, with far-future events generating up to 18% more sediment than baseline conditions. The findings enhance understanding of sediment dynamics in reservoir-contributing basins, where traditional monitoring struggles to disentangle geomorphic processes. The study underscores the dual influence of forest recovery and extreme rainfall on sediment production and connectivity. The modelling framework provides a robust tool for sediment budget evaluation, aiding watershed management in erosion-prone mountainous areas. (Català) L’erosió del sòl en paisatges muntanyosos està fortament condicionada pels despreniments superficials, especialment durant episodis de precipitació extrema. Tot i la seva rellevància geomorfològica, els estudis quantitatius sovint se centren en la dinàmica dels sediments fins i en calibracions vinculades a l’ús agrícola del sòl, subestimant la complexitat dels processos de despreniment, els quals depenen de paràmetres intrínsecs d’estabilitat i de forces externes desencadenants. Aquest estudi analitza la producció i la conectivitat de sediments derivats de despreniments superficials sota escenaris de canvi climàtic i transicions en la cobertura del sòl. L’objectiu principal és quantificar la mobilització de sediments des d’inestabilitats de vessant cap a les xarxes fluvials, calibrant el model a la conca del riu Saldes (102 km²) i aplicant els resultats a la conca alta del riu Llobregat (504 km²). La metodologia de quantificació va emprar un enfocament distribuït i basat en esdeveniments mitjançant el model d’estabilitat de vessants FSLAM. Els escenaris de canvi climàtic apunten a un augment d’episodis de precipitació extrema, on les simulacions indiquen increments en la mobilització de sediments d’aproximadament un 10%, amb pics del 16% en esdeveniments de període de retorn de 20 anys. Per abordar la conectivitat de sediments, s’introdueix el model Random Connect (RC), que utilitza un càlcul de trajectòria aleatòria i aplica l’Índex de Conectivitat (IC) per estimar volums de fluxos de sediments des de les àrees font cap a les xarxes de drenatge. Les dades d’entrada inclouen models digitals d’elevació, mapes d’IC i mapes de fonts de sediments. Els resultats consisteixen en mapes de recepció que mostren volums acumulats al llarg de les trajectòries de transferència, mentre que els mapes de liberació indiquen les cel·les font que aporten sediments al riu objectiu. L’estudi de conectivitat a la conca del Saldes va identificar punts crítics de sedimentació i va validar les zones de transferència, incorporant la cobertura forestal en la metodologia de l’IC. Això va permetre delimitar rutes de transferència, millorant la representació del flux superficial en les simulacions RC. La validació va mostrar un pressupost anual mitjà de sediments de 1545 t·km⁻²·any⁻¹, amb una relació d’aportació de sediments (SDR) estimada en 0,34. Els valors de SDR en la colmatació d’embassaments van oscil·lar entre 0,12 i 0,24, il·lustrant l’impacte dels llindars de conectivitat. Un anàlisi de la cobertura vegetal a la conca alta del Llobregat mostra que les àrees escassament vegetades han augmentat un 43%, mentre que l’increment en zones boscoses actua com a amortidor, reduint l’aportació de sediments. Tanmateix, les projeccions climàtiques suggereixen que pluges intensificades i sequeres prolongades poden disminuir la resiliència de la vegetació, reactivant les rutes de sedimentació. Els resultats mostren que la producció de sediments augmenta fins a un 22% durant pluges extremes, mentre que l’expansió forestal redueix l’aportació en un 14%. Els escenaris combinats de clima i cobertura del sòl indiquen respostes no lineals, amb esdeveniments que generen fins a un 18% més de sediments que les condicions de referència. Les troballes milloren la comprensió de la dinàmica de sediments en conques on el monitoratge tradicional té dificultats per separar processos geomorfològics. L’estudi destaca la doble influència de la recuperació forestal i de la pluja extrema en la producció i conectivitat de sediments. El marc de modelització ofereix una eina robusta per a l’avaluació de pressupostos de sediments, donant suport a la gestió de conques en àrees muntanyoses propenses a l’erosió. (Español) La erosión del suelo en paisajes montañosos está fuertemente condicionada por deslizamientos superficiales, especialmente durante eventos de precipitación extrema. A pesar de su relevancia geomorfológica, los estudios cuantitativos suelen centrarse en la dinámica de sedimentos finos y en calibraciones vinculadas al uso agrícola del suelo, subestimando la complejidad de los procesos de deslizamiento, los cuales dependen de parámetros intrínsecos de estabilidad y de fuerzas desencadenantes externas. Este estudio analiza la producción y conectividad de sedimentos derivados de deslizamientos superficiales bajo escenarios de cambio climático y transiciones en la cobertura del suelo. El objetivo principal es cuantificar la movilización de sedimentos desde inestabilidades de ladera hacia las redes fluviales, calibrando el modelo en la cuenca del río Saldes (102 km²) y aplicando los resultados a la cuenca alta del río Llobregat (504 km²). La metodología de cuantificación empleó un enfoque distribuido y basado en eventos mediante el modelo de estabilidad de laderas FSLAM. Los escenarios de cambio climático llevan a eventos de precipitación extrema donde las simulaciones indican incrementos en la movilización de sedimentos entre un 10%, con picos del 16% en eventos de retorno de 20 años. Para abordar la conectividad de sedimentos, se introduce el modelo Random Connect (RC), el cual utiliza un cálculo de trayecto aleatorio y aplica el Índice de Conectividad (IC) para estimar volúmenes de flujos de sedimento desde áreas fuente hacia redes de drenaje. Los datos de entrada incluyen modelos digitales de elevación, mapas de IC y mapas de fuentes de sedimento. Los resultados consisten en los mapas de recepción que muestran volúmenes acumulados a lo largo de las trayectorias de transferencia, mientras que los de liberación indican las celdas fuente que aportan sedimentos al río objetivo. El estudio de conectividad en la cuenca del Saldes identificó puntos críticos de sedimentación y validó las zonas de transferencia, incorporando la cobertura forestal en la metodología del IC y permitió delinear rutas de transferencia, mejorando la representación del flujo superficial en las simulaciones RC. La validación mostró un presupuesto anual promedio de sedimentos de 1545 t·km⁻²·año⁻¹, con una relación de aportación de sedimentos (SDR) estimada en 0,34. Los valores SDR en la colmatación de embalses oscilaron entre 0,12 y 0,24, ilustrando el impacto de los umbrales de conectividad. Un análisis de la cobertura vegetal en la cuenca alta del Llobregat muestra que las ár