Respuesta bio-geomorfodinámica a las avenidas: avances en la evaluación de la peligrosidad por inundación (río Francolí, Cuenca del Mediterráneo occidental)

Abstract

[spa] La región mediterránea es reconocida a nivel mundial como una zona crítica para los desastres naturales, impulsada por factores geográficos, climáticos, demográficos y socioeconómicos. Los eventos meteorológicos extremos, como lluvias torrenciales, a menudo provocan inundaciones repentinas (flash floods) caracterizadas por su alta intensidad, rapidez e imprevisibilidad, lo que supone riesgos considerables para poblaciones humanas y las infraestructuras. Por otro lado, la rápida urbanización, particularmente en las áreas costeras mediterráneas y las zonas propensas a inundaciones, ha exacerbado la vulnerabilidad a los peligros naturales. Además, los efectos del cambio climático, que resultan en eventos extremos más frecuentes, han amplificado el impacto de las inundaciones repentinas, presentando importantes desafíos para la gestión del riesgo de desastres en la región.

La respuesta de los sistemas fluviales mediterráneos a las inundaciones repentinas es un proceso altamente complejo y dinámico, gobernado por interacciones no lineales entre factores biológicos, geomorfológicos e hidrológicos. La magnitud de los cambios morfológicos en los cauces de los ríos está determinada por una combinación de factores, como la intensidad, la duración y la variabilidad espacial de la inundación, y las condiciones previas del lecho del río y la llanura de inundación. La vegetación ribereña desempeña un doble papel, estabilizando los sedimentos en algunas áreas mientras promueve la erosión o altera los patrones de sedimentación en otras. Durante los eventos extremos, grandes cantidades de vegetación erosionada y arrancada pueden incorporarse al flujo, y el transporte y la acumulación de este material pueden obstruir infraestructuras como puentes, intensificando aún más los daños por inundación. Además, las observaciones directas y los datos cuantitativos sobre este fenómeno siguen siendo limitados en las regiones mediterráneas, lo que subraya la necesidad de más investigaciones, especialmente en el contexto de cambio climático y el aumento de las presiones antropogénicas sobre las cuencas fluviales.

En la noche del 22 octubre del 2019 una situación de inestabilidad atmosférica regida por una DANA (Depresión Aislada de Niveles Altos), provocó precipitaciones intensas en la provincia de Tarragona, Catalunya, que superaron los 100 mm en 24 horas. Las lluvias de carácter torrencial se concentraron en las montañas de Prades, lo que resultó en una crecida repentina del río Francolí. En el transcurso de una hora, el caudal del río aumentó más de 800 veces su caudal inicial, lo que ilustra la extrema intensidad y el rápido desarrollo del evento de inundación. Las consecuencias fueron muy graves, incluyendo varias muertes, daños generalizados en infraestructuras y cultivos, interrupciones en los servicios básicos y pérdidas económicas que ascendieron a millones de euros. Desde una perspectiva bio-geomorfológica, la inundación indujo cambios significativos. Se movilizaron grandes cantidades de sedimentos y madera de gran tamaño, lo que desencadenó una extensa morfogénesis fluvial y provocó

alteraciones drásticas en la morfología del cauce del río. El transporte y la deposición de grandes cantidades de madera jugaron un papel crucial al obstruir puentes, lo que, a su vez, amplificó el potencial destructivo de la inundación alterando la dinámica del flujo. Este evento proporcionó una oportunidad única para investigar la respuesta del río y mejorar la evaluación de la peligrosidad por inundación en ríos mediterráneos. Por lo tanto, el objetivo principal de esta tesis fue analizar la respuesta bio- geomorfológica y sus complejas interacciones a lo largo de un tramo de 31 kilómetros de la cuenca alta del río Francolí. La investigación empleó un enfoque multidisciplinario innovador, integrando diversas metodologías que representan un avance en el estudio de los procesos bio- geomorfológicos durante eventos extremos en ríos mediterráneos. El estudio examinó las variables geomorfológicas mediante cartografía detallada y análisis geoespaciales, permitiendo comprender la trayectoria del río y los efectos de la avenida. La vegetación ribereña se analizó combinando teledetección, cartografía, trabajo de campo y dendrocronología, proporcionando información sobre la sucesión bio-geomorfológica y la intensidad de eventos pasados. El transporte de material leñoso se investigó a través de cartografía y estadísticas geoespaciales, ofreciendo una visión detallada de su dinámica. Además, por primera vez en río mediterráneos, se implementó una modelización hidrodinámica que incluyó transporte de sedimentos y madera. Los resultados revelaron que los impactos bio-geomorfológicos más significativos, incluyendo el ensanchamiento generalizado del cauce, la destrucción total del bosque de ribera y la movilización y transporte de grandes troncos, que se acumularon principalmente en los puentes, estaban controlados por la energía del cauce, el grado de confinamiento y las características del bosque. Sin embargo, estas perturbaciones bio-geomorfológicas no pueden explicarse completamente, solo por las condiciones naturales, lo que resalta la influencia de factores antropogénicos, como la presencia de puentes e infraestructuras. Aun así, la energía de la inundación, en términos de potencia unitaria del cauce, surgió como un predictor clave del cambio geomorfológico, con su gradiente longitudinal sirviendo como un indicador efectivo de las áreas propensas a la pérdida de vegetación durante inundaciones repentinas.

El volumen excepcional de grandes troncos movilizados durante el evento alteró significativamente el comportamiento hidráulico, particularmente en los puentes, donde se acumuló la madera, elevando los niveles de inundación e intensificando el impacto general. Esto demostró claramente que la modificación de los ríos y la construcción de infraestructuras pueden exacerbar los daños por inundación cuando no se considera el transporte de madera en el diseño y la gestión de los ríos.

El enfoque metodológico integrado en el estudio de la vegetación, reveló patrones espaciales complejos en la distribución y abundancia de la vegetación y su respuesta a eventos extremos, destacando la importancia de la variabilidad espacial y temporal. La comparación de eventos de inundación significativos (1994 y 2019) subraya la complejidad de estos ecosistemas ribereños y ofrece nuevas perspectivas para cuantificar procesos de sucesión bio-geomorfológica en ríos mediterráneos. Un paso crucial para la evaluación de la peligrosidad de inundación es la identificación de infraestructuras críticas propensas acumular madera. El modelo predictivo aplicado a los 23 puentes a lo largo del río Francolí, identificó de manera efectiva la mayoría de los puentes afectados por la obstrucción de madera durante la inundación y ayudó a revelar las principales características morfológicas y estructurales que influyeron en este proceso. Este modelo ofrece una herramienta valiosa para la gestión del riesgo de inundación en los sistemas fluviales mediterráneos. Finalmente, la reconstrucción de la inundación y el diseño de escenarios permitieron simular y reproducir algunos fenómenos complejos que antes sólo se suponían, arrojando luz sobre las dinámicas complejas del flujo, el sedimento y el transporte de madera durante las inundaciones repentinas. La comparación de escenarios simulados permitió un análisis detallado de cómo los patrones de flujo y la morfodinámica difieren entre las inundaciones que involucran agua clara y aquellas que implican transporte de sedimentos y material leñoso. El modelo numérico replicó con éxito el bloqueo y el desbloqueo de puentes a lo largo del tramo de río estudiado, mostrando cómo este proceso agravó los efectos de la inundación. En resumen, esta tesis representa una contribución científica y práctica significativa, ofreciendo un valioso registro histórico para futuros estudios sobre ríos mediterráneos. La integración de variables hidrológicas, hidráulicas, geomorfológicas y de vegetación de ribera, junto con el análisis del transporte de grandes troncos, ha proporcionado nuevas perspectivas sobre la respuesta bio- geomorfológica del río Francolí a eventos extremos de inundación. Estos hallazgos ofrecen importantes implicaciones para la evaluación y gestión del peligro de inundación en los sistemas fluviales mediterráneos, particularmente en el contexto del cambio climático y el aumento de las presiones antropogénicas.

[cat] La regió mediterrània és reconeguda a nivell mundial com una zona crítica per als desastres naturals, impulsada per factors geogràfics, climàtics, demogràfics i socioeconòmics. Els esdeveniments meteorològics extrems, com les pluges torrencials, sovint provoquen inundacions sobtades (flash floods) caracteritzades per la seva alta intensitat, rapidesa i imprevisibilitat, lo que suposa riscos considerables per a les poblacions humanes i les infraestructures. D’altra banda, la ràpida urbanització, particularment a les àrees costaneres mediterrànies i les zones propenses a inundacions, ha exacerbat la vulnerabilitat als perills naturals. A més, els efectes del canvi climàtic, que donen lloc a esdeveniments extrems més freqüents, han amplificat l’impacte de les inundacions sobtades, presentat importants desafiaments per a la gestió del risc de desastres a la regió. La resposta dels sistemes fluvials mediterranis a les inundacions sobtades és un procés altament complex i dinàmic, governat per interaccions no lineals entre factors biològics, geomorfològics i hidrològics. La magnitud dels canvis morfològics a la llera del riu està determinada per una combinació de factors, como ara la intensitat, la durada i la variabilitat espacial de la inundació, i les condicions prèvies de la llera i la plana d’inundació. La vegetació de ribera desempenya un doble paper, estabilitzant els sediments en algunes àrees mentre promou l’erosió o altera els patrons de sedimentació en d’altres. Durant esdeveniments extrems, grans quantitats de vegetació erosionada i arrencada pot ser arrossegada pel flux, i el transport i l’acumulació d’aquest materials poden obstruir infraestructures com ara ponts, intensificant encara més els danys per inundació. A més a més, les observacions directes i les dades quantitatives sobre aquest fenomen segueixen sent limitades a les regions mediterrànies, cosa que subratlla la necessitat de més investigacions, especialment en el context del canvi climàtic i l’augment de les pressions antropogèniques sobre les conques fluvials.

La nit del 22 d'octubre de 2019, una situació d'inestabilitat atmosfèrica causada per una DANA (Depressió Aïllada en Nivells Alts), va provocar precipitacions intenses a la província de Tarragona, superant els 100 mm en 24 hores. Les pluges de caràcter torrencial es van concentrar a les muntanyes de Prades, provocant una crescuda sobtada al riu Francolí. En només una hora, el cabal del riu va augmentar més de 800 vegades el cabal inicial, il·lustrant la intensitat extrema i el ràpid desenvolupament de l'avinguda. Les conseqüències van ser greus, incloent diverses morts, danys generalitzats a infraestructures i conreus, interrupcions en els serveis bàsics i pèrdues econòmiques que van ascendir a milions d’euros. Des d'una perspectiva bio-geomorfològica, la inundació va induir canvis significatius. Es van mobilitzar grans quantitats de sediments i fusta de gran mida, la qual cosa va desencadenar una extensa morfogènesi fluvial i va provocar alteracions dràstiques en la geometria de la llera. El transport i la deposició de grans quantitats de fusta van jugar un paper crucial al obstruir ponts, la qual cosa, al seu torn, va amplificar el potencial destructiu de la inundació alterant la dinàmica del

flux. Aquest esdeveniment va proporcionar una oportunitat única per investigar la resposta del riu i millorar l'avaluació de la perillositat per inundació en rius mediterranis. Per tot això, l'objectiu principal d'aquesta tesi va ser analitzar la resposta bio- geomorfològica i les seves complexes interaccions al llarg d'un tram de 31 quilòmetres de la conca alta del riu Francolí. La investigació va utilitzar un enfocament multidisciplinari innovador, integrant diverses metodologies que representen un avanç en l'estudi dels processos bio-geomorfològics durant esdeveniments extrems en rius mediterranis. L'estudi va examinar les variables geomorfològiques mitjançant cartografia detallada i anàlisis geoespacials, permetent comprendre la trajectòria del riu i els efectes de la inundació. La vegetació de ribera es va analitzar combinant teledetecció, cartografia, treball de camp i dendrocronologia, proporcionant informació sobre la successió bio-geomorfològica i la intensitat d'esdeveniments passats. El transport de material llenyós es va investigar a través de cartografia i estadístiques geoespacials, oferint una visió detallada de la seva dinàmica. A més, per primera vegada en rius mediterranis, es va implementar una modelització hidrodinàmica que va incloure el transport de sediments i fusta. Els resultats van revelar que els impactes bio-geomorfològics més significatius, incloent l'amplada generalitzada de la llera, la destrucció total del bosc de ribera i la mobilització i transport de grans troncs, que es van acumular principalment als ponts, estaven controlats per l'energia de la llera, el grau de confinament i les característiques del bosc. No obstant això, la investigació va demostrar que aquestes pertorbacions bio-geomorfològiques no es poden explicar completament només per les condicions naturals, cosa que ressalta la influència de factors antropogènics, com la presència de ponts i infraestructures. Tot això, l'energia de la inundació, en termes de potència unitària del llit, va sorgir com un predictor clau del canvi geomorfològic, amb el seu gradient longitudinal servint com un indicador efectiu de les àrees propenses a la pèrdua de vegetació durant inundacions sobtades. El volum excepcional de grans troncs mobilitzats durant l'esdeveniment va alterar significativament el comportament hidràulic, particularment als ponts, on es va acumular la fusta, elevant els nivells de la inundació i intensificant l'impacte general. Això va demostrar clarament que la modificació dels rius i la construcció d'infraestructures poden exacerbar els danys per inundació quan no es considera el transport de fusta en el disseny i la gestió dels rius. L'enfocament metodològic integrat en l'estudi de la vegetació va revelar patrons espacials complexos en la distribució i abundància de la vegetació i la seva resposta a esdeveniments extrems, destacant la importància de la variabilitat espacial i temporal. La comparació d'esdeveniments d'inundació significatius (1994 i 2019) subratlla la complexitat d'aquests ecosistemes de ribera i ofereix noves

perspectives per quantificar processos de successió bio-geomorfològica en rius mediterranis. Un pas crucial per l'avaluació de la perillositat d'inundació és la identificació d'infraestructures crítiques propenses a acumular fusta. El model predictiu aplicat als 23 ponts al llarg del riu Francolí va identificar de manera efectiva la majoria dels ponts afectats per l'obstrucció de fusta durant la inundació i va ajudar a revelar les principals característiques morfològiques i estructurals que van influir en aquest procés. Aquest model ofereix una eina valuosa per a la gestió del risc d'inundació en els sistemes fluvials mediterranis. Finalment, la reconstrucció de la inundació i el disseny d'escenaris van permetre simular i reproduir alguns fenòmens complexos que abans només se suposaven, llençant llum sobre les dinàmiques complexes del flux, el sediment i el transport de fusta durant les inundacions sobtades. La comparació d'escenaris simulats va permetre un anàlisi detallat de com els patrons de flux i la morfodinàmica difereixen entre les inundacions que impliquen aigua clara i aquelles que impliquen el transport de sediments i material llenyós. El model numèric va replicar amb èxit l'obstrucció i la ruptura de ponts al llarg del tram de riu estudiat, mostrant com aquest procés podria haver empitjorat els efectes de la inundació. En resum, aquesta tesi representa una contribució científica i pràctica significativa, oferint un valuós registre històric per a futurs estudis sobre rius mediterranis. La integració de variables hidrològiques, hidràuliques, geomorfològiques i de vegetació de ribera, juntament amb l'anàlisi del transport de grans troncs, ha proporcionat noves perspectives sobre la resposta bio- geomorfològica del riu Francolí a esdeveniments extrems d'inundació. Aquests resultats ofereixen importants implicacions per a l'avaluació i gestió del perill d'inundació en els sistemes fluvials mediterranis, particularment en el context del canvi climàtic i l'augment de les pressions antropogèniques.

[eng] The Mediterranean region is globally recognised as a critical area for natural hazards, driven by unique geographical, climatic, demographic, and socio-economic factors. Extreme weather events, such as torrential rainfall, often lead to flash floods characterised by their high intensity and unpredictability, posing substantial risks to human populations and infrastructure. On the other hand, the rapid urbanisation, particularly in Mediterranean coastal areas and flood-prone zones, has exacerbated the vulnerability to natural hazards. In addition, the effects of climate change, resulting in more frequent extreme events, have amplified the impact of flash floods, presenting significant challenges for disaster risk management in the region. The response of Mediterranean river systems to flash floods is a highly complex and dynamic process governed by non-linear interactions between biological, geomorphological, and hydrological variables. The magnitude of morphological changes in river channels is determined by a combination of factors, including flood intensity, duration, and antecedent conditions of the riverbed and floodplain. Riparian vegetation plays a dual role, stabilising sediments in some areas while promoting erosion or altering sedimentation patterns in others. During extreme events, large quantities of eroded and uprooted vegetation are often incorporated into the floodwaters, and the transport and accumulation of this material can obstruct infrastructure such as bridges, further intensifying flood damage. These complex interactions present a significant challenge for predicting and managing the bio-geomorphological response of river systems to flash floods. Moreover, direct observations and quantitative data on this phenomenon remain limited in Mediterranean regions, underscoring the need for further research, particularly in light of ongoing climate change and increasing anthropogenic pressures on river catchments.

On the night of October 22, 2022, a significant atmospheric instability, driven by a DANA (Depresión Aislada en Niveles Altos), led to intense rain across the province of Tarragona, Spain, with precipitation exceeding 100 mm within 24 hours. The torrential rainfall was concentrated in the Prades Mountains, resulting in a flash flood along the Francolí River. Within a single hour, the river’s discharge increased by more than 800-fold, illustrating the extreme intensity and rapid development of the flood event. The consequences were severe, including multiple fatalities, widespread infrastructure and agricultural damage, disruption of essential services, and economic losses running into millions of euros. From a bio-geomorphological perspective, the flood induced significant changes. Large quantities of sediment and large wood were mobilised, triggering extensive fluvial morphogenesis and causing drastic alterations to the river channel’s geometry. The transport and deposition of large wood played a critical role in obstructing bridges, which, in turn, amplified the flood’s destructive potential by altering flow dynamics. This event provided a unique opportunity to investigate the river response and enhance the flood hazard assessment in Mediterranean rivers.

Therefore, the primary objective of this dissertation was to analyse the bio- geomorphological response and its complex interactions along a 31-kilometre reach of the upper Francolí River basin. The research adopted an innovative multidisciplinary approach, integrating a range of methodologies that represent a significant advancement in the study of bio-geomorphological processes during extreme floods. Geomorphological variables were assessed through detailed mapping and geospatial analysis, providing a clear understanding of the river’s trajectory and the flood’s impact. Riparian vegetation was analysed using a combination of remote sensing, mapping, fieldwork, and dendrochronology, offering key insights into bio-geomorphological succession and the intensity of previous events. The dynamics of large wood transport were examined using geospatial statistics and mapping, offering a detailed perspective on its behavior. Moreover, hydrodynamics modeling, incorporating both sediment and large wood transport, was implemented for the first time in Mediterranean rivers to reconstruct flash flood.

The results revealed that the most significant bio-geomorphological impacts, including widespread channel widening, the destruction of riparian forests, and the mobilisation and transport of large wood, primarily accumulating at bridges, were controlled by channel energy, degree of confinement, and forest characteristics. However, the research demonstrated that these bio-geomorphological disturbances could not be fully explained by natural conditions alone, highlighting the influence of anthropogenic factors, like the presence of bridges and infrastructures. Still, the flood energy, in terms of the unit stream power, emerged as a critical predictor of geomorphological change, with its longitudinal gradient serving as an effective indicator of areas prone to vegetation loss during flash floods. The exceptional volume of large wood mobilised during the event significantly altered hydraulic behaviour, particularly where wood accumulated at bridges, raising flood levels and intensifying the overall impact. This nicely showed that modifying rivers and constructing infrastructures can also exacerbate flood damages when wood transport is not considered in the design and river management. The integrated methodological approach employed in this study of vegetation unveiled complex spatial patterns in riparian vegetation distribution and abundance, as well as its dynamic response to extreme events. By incorporating dendrochronological results and temporal analysis between extreme flood events, the research highlights the complexity of these riparian ecosystems. It provides novel perspectives for quantifying bio-geomorphological succession processes in Mediterranean rivers. One vital step to enhance flood hazard assessment is the identification of critical infrastructures prone to accumulating wood. The predictive model applied to the 23 bridges along the Francolí effectively identified most of the bridges affected by wood clogging during the flood and helped reveal key morphological and

structural characteristics that influenced this process. This model offers a valuable tool for flood risk management in Mediterranean river systems. Finally, the reconstruction of the flood and the design of flood scenarios allowed us to simulate and reproduce some complex phenomena that were only guessed before, shedding light on the complex dynamics of flow-sediment and wood transport during flash floods. The comparison of simulated scenarios enabled a detailed analysis of how flow patterns and morphodynamics differed between floods involving clear water and those involving sediment and large wood transport. The numerical model successfully replicated the obstruction and failure of bridges along the studied river reach and showed how this process could have worsened the effects of the flood. In summary, this dissertation represents a significant scientific and practical contribution, offering a valuable historical record for future studies on Mediterranean rivers. The integration of hydrological, hydraulic, geomorphological, and riparian vegetation variables, alongside the analysis of large wood transport, has provided new insights into the bio-geomorphological response of the Francolí River to extreme flood events. These findings offer important implications for assessing and managing flood hazards in Mediterranean river systems, particularly in the context of climate change and increasing anthropogenic pressures.