Soil Piping in a Temperate Humid Climate the Flemish Ardennes (Belgium)
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
SOIL PIPING IN A TEMPERATE HUMID CLIMATE THE FLEMISH ARDENNES (BELGIUM) Els VERACHTERT Promoter: Prof. J. Poesen Co-promoters: Prof. Dr. J. Deckers Dr. M. Van Den Eeckhaut Dissertation presented in partial fulfilment of the Members of the Examination requirements for the Committee: degree of Doctor of Prof. Dr. G. Govers Science Prof. Dr. G. Verstraeten Prof. Dr. J. Diels Prof. Dr. C. Bielders Prof. Dr. J. Nyssen November 2011 © 2011 Katholieke Universiteit Leuven, Groep Wetenschap & Technologie, Arenberg Doctoraatsschool, W. de Croylaan 6, 3001 Heverlee, België Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk, fotokopie, microfilm, elektronisch of op welke andere wijze ook zonder voorafgaandelijke schriftelijke toestemming van de uitgever. All rights reserved. No part of the publication may be reproduced in any form by print, photoprint, microfilm, electronic or any other means without written permission from the publisher. ISBN 978-90-8649-457-6 D/2011/10.705/75 Acknowledgements Four years of diligent work on the field, in the lab, in the office with colleagues or solitary behind my computer screen, … This book in front of you is not only the result of my research, but can also be read as a chapter of my life. Luckily, I didn’t have to walk this road alone, but I enjoyed the support of many whom I’d like to acknowledge here. My PhD gave me the chance to develop my scientific skills, but a lot of other competences (management, communication skills, …) as well. Therefore, I’m grateful to my supervisor prof. Jean Poesen for giving me this opportunity. Thank you, Jean, for being always available for feedback, for proofreading my texts and giving helpful comments. The same holds for my co-supervisors prof. Seppe Deckers and dr. Miet Van Den Eeckhaut. Seppe, your enthusiasm guided me into the world of soil science. I’d like to thank you for motivating me and for engaging me in ardent discussions. Miet’s experience in the study area immediately set me on the right track for my own research. Miet, your help in the field and with data analysis, as well as your general advice, is highly appreciated! Prof. Gert Verstraeten and Prof. Gerard Govers completed my supervisory committee. I am grateful for your good advice and inspiring discussions, which brought my research to a higher level. All jury members are thanked for your constructive comments which helped in improving the manuscript. For the geophysical detection methods, I relied on the expertise of the Forschungszentrum Jülich (Germany). Sander Huisman is especially thanked for his work and help with writing the chapter about these measurements. In de Vlaamse Ardennen werd ik opgevangen en ondersteund door enthousiaste mensen van het Steunpunt Erosie, het Agentschap voor Natuur en Bos (bedankt Johan Cordier in het bijzonder) en het Regionaal Landschap Vlaamse Ardennen. Ook een dankjewel aan de milieudiensten van de betrokken gemeentes en aan de boeren, buren en eigenaars van de velden om mij de nodige achtergrondinformatie te bezorgen en me toelating te geven om er te boren, graven, meten… Speciaal bedankt Michel Liagre, het waren vele maar aangename uren die ik op je weide in Kluisbergen heb doorbracht. My thanks goes also to everybody who helped me with the fieldwork: Kristof , Wim, Koen, Willem, Bastiaan, Karolien P, Karolien V, Annemarie, Steven, Nils, Sarah, i Vikram, Estela, Juan, Manuel, Fons, Pieter, Karen, mama, papa, … Ook was het fijn om te kunnen rekenen op een hele groep technisch personeel voor hulp en aangenaam gezelschap op het veld en in het labo: Valentijn, Jos, Mustafa, Lore, Sabrina, Bjorn, Steven. Tijdens de voorbije jaren werkten bovendien verschillende thesisstudenten (geografen en bio-ingenieurs) mee aan dit onderzoek: bedankt Nele K., Ruben, Wouter, Alexander, Steven en Nele W.! Niet alleen was het leuk om samen veldwerk te doen, jullie hebben mij (ook letterlijk) geholpen om dit onderzoek tot op de bodem uit te spitten. Geen doctoraat zonder… computerproblemen, helaas. Gelukkig stonden Johan en Hilde dan voor me klaar. De administratieve rompslomp namen Marie-Rose, Annemie, Sofie en de anderen van het balie-team voor hun rekening. Bedankt om zo mijn werk te verlichten. Even when the research didn’t proceed easily, I always enjoyed coming to the Geo- institute thanks to the lovely atmosphere created by a bunch of great colleagues (I will not attempt naming everybody and risk forgetting someone). Thanks to all of you for the pleasant breaks, interesting discussions, nice dinners, parties, … Even as a outsider, I immediately felt part of the ‘Geography family’. My office mates (Karolien V, Koen, Sarah, Karolien P., Ihab and Manuel) deserve special mention for raising my spirits whenever I needed it with nice conversations, ‘healing’ music and comfort food! ;-) Also, thank you Wim and Lien for being just one skype-message or a few offices away when I needed a chat. Estela, gracias por el apoyo y la amistad, no hubiera sido posible sin ti! Aan mijn familie en vrienden: jullie steun en interesse, de lieve mails en telefoontjes, … waren een stimulans om te blijven volhouden. Bio-ir ‘lotgenoten’, Nele, Eline en Bart bedank ik voor de gezellige lunches en (overzeese) peptalk. Mama, papa, en Karen, het doet deugd te weten dat ik steeds op jullie kan rekenen! Bedankt, Karen, ‘your word is as good as your bond’. Tot slot verdient ook Pieter, mijn grootste supporter, een bijzondere vermelding. Dankjewel om mij steeds aan te moedigen om door te zetten, maar om ook te zorgen voor de nodige ontspanning en zo mijn mentale gezondheid in de gaten te houden! ;-) Els ii Abstract Collapsible loess-derived soils are prone to soil piping erosion, where enlargement of macropores may lead to a subsurface pipe network and eventually to soil collapse and gully development. This study aims at understanding the factors controlling spatial patterns of piping in loess-derived soils in a temperate humid climate. In order to map the spatial distribution of collapsed pipes (CP) and to identify the environmental controls on their distribution, a regional survey was carried out in a 236 km² study area in the Flemish Ardennes (Belgium). In total, 137 parcels with 560 CP were mapped. The subsurface erosion in these parcels causes significant soil losses (0.6 – 1.2 t ha -1 yr -1) in a land use –pasture– that is typically considered to be non-susceptible to surface erosion. Standard geophysical detection methods turned out not to be successful yet in detecting subsurface pipes in silty soils that are not (yet) collapsed. To obtain information on the local soil characteristics controlling pipe development, 12 soil profiles covering parcels with and without CP were analysed in detail. Logistic regression and topographical thresholds were used to gather insight in the spatial distribution of the CP and to create susceptibility maps. Which conditions need to be met to induce piping in the Flemish Ardennes? A certain slope gradient in combination with a sufficiently large contributing area is needed, although the hydraulic gradient is more important than the surface slope gradient. Furthermore, the combination of loess-derived soils underlain by less-permeable clayey substrates favours the occurrence of high/perched water tables and gives rise to numerous springs. Other factors creating a concentrated water flow such as landsliding, road drainage or blocked/broken field drains, may add to a favourable hydrological situation for piping as well. In addition, many of the fields that match a steep topography and poor drainage are under pasture. This land use is the most favourable for biological activity by earthworms and small mammals. Anecic earthworm species enhance rapid vertical infiltration and mole burrows contribute to lateral flow in the soil profile. Preferential flow paths are generated and, with the necessary water supply and subsurface flow, can develop into pipes. Monitoring of pipe discharge, groundwater and precipitation revealed, although the fast responses of pipe discharge on rainfall events, the chemical composition of the pipeflow was most similar to the groundwater samples. Rain water mixes with soil water and groundwater and pushes pre-event water from the soil into the pipes by piston flow. iii Samenvatting Ondergrondse erosie door water of tunnelerosie (Eng.: piping, tunnelling) is niet onmiddellijk zichtbaar, waardoor dit erosieproces vaak aan de aandacht ontsnapt. Bij tunnelerosie worden ondergrondse lineaire holtes gevormd door stromend water wat kan leiden tot grondverzakkingen en discontinue ravijnvorming. Het onderzoek heeft tot doel meer inzicht te verschaffen in de ruimtelijke patronen van tunnelerosie in een 236 km² groot studiegebied in de Vlaamse Ardennen. Tijdens een intensieve terreinkartering werden in 137 percelen 560 instortingen door tunnelerosie (CP) in kaart gebracht. Daarbij leidt de ondergrondse erosie tot niet verwaarloosbare sedimentverliezen (0.6 – 1.2 ton ha -1 j -1) in de weides met CP, en dit voor een landgebruik dat beschouwd wordt als ongevoelig voor erosie. Om de gevoeligheid van een locatie voor tunnelerosie te voorspellen, werd gebruikt gemaakt van logistische regressie. Een tweede gevoeligheidskaart voor tunnelerosie in het studiegebied kon opgesteld worden aan de hand van topografische drempelcondities van helling en toestroomgebied. Tunnelerosie komt vooral voor op plaatsen met de vereiste topografische index (voldoende steile helling in combinatie met groot