Original paper

Gully erosion monitoring in semi-arid landscapes

Marzolff, Irene; Ries, Johannes B.

Abstract

The objective of this paper is to present an overview and first results of a research project on gully monitoring which employs large-scale aerial photography taken from remote-controlled platforms. The resulting high-resolution images (pixel sizes > 10 cm) are employed for photogrammetric and GIS analysis in order to quantify gully development with linear, areal and volumetric measurements at various sites in semi-arid landscapes of Spain and Africa.Linear headcut retreat rates for 12 gullies were analysed in order to investigate their relation to patterns of runoff and infiltration behaviour in the gully headcut surroundings. Retreat rates for South Moroccan sites (0-0.31 m a−1) were found to be lower than those obtained for Spanish gullies (0.07-0.51 m a−1); however, by far the highest maximum retreat was observed in the West-African Sahel (3.16-9.85 m a−1). Infiltration measurements, runoff coefficients and erosion rates show differing ranges but always high variability for the study regions. Ranges of minimum and maximum values for the soil erosion parameters result in the same ranking of study regions as ranges for maximum linear headcut retreat, indicating a clear association between runoff behaviour and gully headcut retreat with respect to their spatio-temporal variability. 2D change quantification with detailed maps derived from the large-scale aerial photography provides additional information on the differences in headcut retreat behaviour which cannot be described by linear measures, illustrating the benefits of high-resolution aerial photography for monitoring and understanding gully erosion processes.

Kurzfassung

Ziel dieses Artikels ist es, einen Überblick und erste Ergebnisse eines Forschungsprojekts zu präsentieren, welches die Entwicklung von Erosions-Gullies mittels großmaßstäbigem Luftbildmonitoring durch ferngesteuerte Plattformen untersucht. Die hochauflösenden Bilder (Pixelgrößen < 10 cm) werden mit photogrammetrischen und gis-techniken ausgewertet, um die lineare, flächenhafte und volumetrische entwicklung von gullies an verschiedenen untersuchungsstandorten in semi-ariden landschaften spaniens und afrikas zu quantifizieren.Lineare Raten der rückschreitenden headcut-Erosion für 12 Gullies wurden in ihrem Zusammenhang mit dem Oberflächenabfluss- und Infiltrationsverhalten in der unmittelbaren Umgebung des Gully-headcuts analysiert. Die headcut-Erosionsraten für die südmarokkanischen Untersuchungsstandorte erwiesen sich mit 0-0.31 m a−1 als niedriger als diejenigen für die spanischen Standorte (0.07-0.51 m a−1); die bei weitem höchsten headcut-Erosionsraten wurden jedoch im west-afrikanischen Sahel beobachtet (3.16-9.85 m a−1).Infiltrationsmessungen, Oberflächenabflusskoeffizienten und Erosionsraten im Umfeld zeigen unterschiedliche Wertespannen, aber jeweils hohe Variabilität innerhalb der Untersuchungsregionen. Die Spannen der Minimum- und Maximum-Werte der Bodenerosionsparameter ergeben dieselbe Rangfolge der Untersuchungsregionen wie diejenigen der rückschreitenden headcut-Erosionsraten. Dies legt einen klaren Zusammenhang zwischen der raum-zeitlichen Variabilität des Oberflächenabflussverhaltens und der headcut-Erosion nahe. 2D-Entwicklungsquantifizierungen mittels detaillierter Kartierungen aus den hochauflösenden Luftbildern geben weitere Hinweise zu den Unterschieden in der headcut Entwicklung, welche nicht alleine durch lineare Messungen erklärt werden können, und belegen den Nutzen von hochauflösenden Luftbilddaten für das Monitoring und Verständnis von Gully-Erosionsprozessen.