A multitemporal and multiscale analysis of soil erosion and sediment transport. Application to the badlands in the Upper Llobregat River Basin

Abstract

(English) Badlands are among the most active geomorphic environments on Earth, exhibiting extreme erosion rates, sparse vegetation, and steep, deeply dissected slopes. In mountainous Mediterranean regions, seasonal climate variability - characterized by winter freeze-thaw cycles and intense summer convective storms - amplifies sediment production and transport. This study investigates the drivers and dynamics of erosion in the Upper Llobregat River Basin (ULRB), a representative Mediterranean badland system in the southeastern Pyrenees. Using a multi-scale and multi-method approach that integrates TLS monitoring, UAV-based photogrammetry, physically-based modelling, and machine learning, we assess sediment dynamics at slope, catchment, and regional scales. Erosion rates at the slope scale ranged from 16500 T km−2 year−1 to 30000 T km−2 year−1. Sediment export at the catchment scale ranged from 42 to 105 T·km⁻²·year⁻¹ over the study period (2020–2024), averaging only 10.7% of the long-term annual yield of 880 T·km⁻²·year-1. Landscape Evolution Model (LEM) reproduced seasonal sediment cycles and highlighted the importance of hydrological connectivity and temporary sediment storage. At the regional scale, Random Forest models predicted badland susceptibility with high accuracy, although model generalizability declined outside the training domain. Additionally, shallow landslides also played a minor episodic role in sediment delivery during some intense, widespread rainstorms, although not directly linked to badland dynamics. The findings underscore the importance of integrating diverse methods and spatial scales to capture the complexity of badland erosion processes. The work also provides essential insights for erosion monitoring, land management, and sediment risk mitigation in sensitive Mediterranean mountain landscapes.

(Català) Els badlands són un dels entorns geomorfològics més actius de la Terra, caracteritzats per taxes d'erosió extremes, vegetació escassa i pendents abruptes. A les regions mediterrànies de muntanya, la variabilitat climàtica estacional —amb cicles de gel-desgel a l’hivern i tempestes convectives intenses a l’estiu— amplifica la producció i el transport de sediments. Aquest estudi investiga els factors i la dinàmica de l’erosió a la Conca Alta del riu Llobregat, un sistema de badlands mediterrani representatiu situat al sud-est del Pirineu. Mitjançant un enfocament multiescalar i multimètode que integra Escaneig Làser Terrestre, fotogrametria amb drons, modelització basada en processos físics i aprenentatge automàtic, s’avalua la dinàmica dels sediments a escala de talús, conca i regional. Les taxes d’erosió a escala de talús han oscil·lat entre 16.500 i 30.000 T·km⁻²·any⁻¹. L’exportació de sediments a escala de conca han variat de 42 a 105 T·km⁻²·any⁻¹ durant el període d’estudi, la qual cosa representa només un 10,7% de la mitjana anual a llarg termini (880 T·km⁻²·any⁻¹). El Model d’Evolució del Paisatge ha reproduït els cicles estacionals de sediments i ha posat de manifest la importància de la connectivitat hidrològica i de l’emmagatzematge temporal de sediments. A escala regional, els models de Random Forest han predit amb alta precisió la susceptibilitat a la formació de badlands, tot i que la capacitat de generalització del model disminuïa fora del domini d'entrenament. A més, els despreniments superficials han tingut un paper episòdic menor en l’aportació de sediments durant algunes tempestes intenses i extenses a escala regional, tot i no estar directament relacionats amb la dinàmica pròpia de les badlands. Els resultats subratllen la importància d’integrar mètodes diversos i escales espacials diferents per capturar la complexitat dels processos d’erosió en badlands. Aquest treball també ofereix coneixements essencials per al monitoratge de l’erosió, la gestió del territori i la mitigació del risc per sediments en paisatges de muntanya mediterranis sensibles.

(Español) Los badlands son uno de los entornos geomorfológicos más activos de la Tierra, caracterizados por tasas de erosión extremas, vegetación escasa y pendientes abruptos. En las regiones mediterráneas de montaña, la variabilidad climática estacional -con ciclos de hielo-deshielo en invierno y tormentas convectivas intensas en verano- amplifica la producción y el transporte de sedimentos. Este estudio investiga los factores y la dinámica de la erosión en la Cuenca Alta del río Llobregat, un sistema de badlands mediterráneo representativo situado en el sureste del Pirineo. Mediante un enfoque multiescalar y multimétodo que integra Escaneo Láser Terrestre, fotogrametría con drones, modelización basada en procesos físicos y aprendizaje automático, se evalúa la dinámica de los sedimentos a escala de ladera, cuenca y regional. Las tasas de erosión a escala de ladera han oscilado entre 16.500 y 30.000 T·km⁻²·año⁻¹. La exportación de sedimentos a escala de cuenca ha variado de 42 a 105 T·km⁻²·año⁻¹ durante el período de estudio, lo que representa solo un 10,7% de la media anual a largo plazo (880 T·km⁻²·año⁻¹). El Modelo de Evolución del Paisaje ha reproducido los ciclos estacionales de sedimentos y ha puesto de manifiesto la importancia de la conectividad hidrológica y del almacenamiento temporal de sedimentos. A escala regional, el modelo de Random Forest ha predicho con alta precisión la susceptibilidad a la formación de badlands, aunque la capacidad de generalización del modelo disminuía fuera del área de entrenamiento. Además, los desprendimientos superficiales han tenido un papel episódico menor en la aportación de sedimentos durante algunas tormentas intensas y extensas a escala regional, a pesar de no estar directamente relacionados con la dinámica propia de los badlands. Los resultados subrayan la importancia de integrar métodos diversos y diferentes escalas espaciales para captar la complejidad de los procesos de erosión en badlands. Este trabajo también ofrece conocimientos esenciales para el monitoreo de la erosión, la gestión del territorio y la mitigación del riesgo por sedimentos en paisajes de montaña mediterráneos sensibles.