Geomorphic study of sediment dynamics in active debris-flow catchments (French Alps)
(trad auto)Étude géomorphique de la dynamique sédimentaire dans les bassins versants de l'écoulement de débris actifs (Alpes françaises)
Résumé
Steep mountain catchments typically experience large sediment pulses from hillslopes which are stored in headwater channels and remobilized by debris-flows or bedload transport. The purpose of this research was to investigate the coarse sediment transport through steep catchments and how channel storage can influence debris-flows. This required intensive field-based geomorphic monitoring of flow events in the Manival and Réal torrent catchments which can experience debris-flows and bedload transport every year. In the Manival Torrent, the sediment transfers were characterized at a seasonal time scale by a complete sediment budget of the catchment derived from multi-date topographic measurements between important flow events (cross-section surveying and terrestrial laser scanning). Two debris-flows were observed, as well as several bedload transport flow events. Sediment budget reconstitution of the two debris-flows revealed that most of their volumes were supplied by channel scouring (more than 92%). Bedload transport during autumn contributed to the sediment recharge of high-order channels by the deposition of large gravel wedges. This process is recognized as being fundamental for debris-flow occurrence during the subsequent spring and summer. A time shift of scour-and-fill sequences was observed between low- and high-order channels, revealing the discontinuous sediment transfer in the catchment during common flow events. A conceptual model of sediment routing for different event magnitudes is proposed. In the Réal Torrent, post-event surveying and high-frequency monitoring stations were used to compare and compile measurements of flow events. Three debris-flow events and three periods of bedload transport with small headwater debris-flows were observed. Sediment transport volumes for debris-flows were very similar to the Manival with important volume growth in the channel. The largest observed debris-flow was examined in detail revealing a downstream decrease of maximum flow heights, shear stress, velocity, and flow resistance. We hypothesize with supporting evidence that the debris-flow front scours and destabilizes the channel, but it cannot transport the material because of its high sediment concentration. Therefore, the trailing hyperconcentrated surge picks up the remaining material, grows in volume, and coalesces with the decelerating debris-flow. Both the front and following surges play an integral role for net erosion during a debris-flow event. Multi-date cross-sections in both the Manival and Réal have clearly shown that debris-flows have significant scouring with large spatial variability. Bedload transport was observed to be at equilibrium with little variability. Field observations of channel deformations show that debris-flow scouring is strongly controlled by upstream slope and storage conditions. A logarithmic relationship is proposed as an empirical fit for the prediction of channel erosion. The most susceptible materials for erosion in the Manival are the unconsolidated gravel wedges developed from bedload transport. This material has a smooth surface within the rugged channel which can be automatically mapped with a 20 cm digital elevation model from either terrestrial or airborne laser scans by calculating roughness with a one meter window. This provides an automatic assessment of erodible areas in a channel at the time of the laser scan survey. This study has contributed to the need of quantitative field observations in the realm of debris-flow research. Complete and thorough databases were obtained by integrating multi-date cross-section surveys, multi-date laser scans, and high-frequency monitoring stations. Quantified evidence revealing sediment transfers, channel interactions/controls, debris-flow dynamics, and storage characterizations in two different catchments provides a strong basis in the development of conceptual and statistical models. These observations also highlighted the significant field parameters that have an influence on debris-flows and steep catchment systems.
Dans les bassins versants abrupts de montagne, de larges quantités de sédiments provenant des pentes escarpées viennent se déposer dans la partie supérieure des torrents et sont remobilisées par les laves torrentielles ou par charriage. Le but de ces travaux était d'étudier le transport des sédiments grossiers dans les petits bassins versants torrentiels et d’analyser l’influence du stockage de ces sédiments dans le chenal sur les laves torrentielles. Cela a requis sur le terrain une intense surveillance géomorphologique des événements d'écoulement dans les bassins versants des torrents du Manival et du Réal, susceptibles de produire des laves torrentielles et du transport solide par charriage chaque année. Dans le torrent du Manival, le transport de sédiment a été caractérisé par un suivi saisonnier du bilan sédimentaire du bassin versant, réalisé grâce à des mesures topographiques répétées entre les événements importants d’écoulements (sections transversales et relevés au scan laser terrestre). Deux évènements de laves torrentielles ont pu être observés, ainsi que plusieurs évènements de charriage. La reconstitution du budget sédimentaire de ces deux laves torrentielles a révélé que la majeure partie de leurs volumes a été apportée par l'érosion du chenal (à plus de 92%). Les évènements de charriage qui ont au lieu au cours de l’automne ont contribué à la recharge sédimentaire du chenal principal par le dépôt de grands bancs de gravier. Ce processus est fondamental au déclenchement de laves torrentielles lors des printemps et été suivants. Un décalage dans le temps des séquences érosion /dépôt a été observé entre les parties supérieure et inférieure du chenal, révélant un transfert discontinu de sédiments dans le bassin versant pendant les événements d’écoulement communs. Un modèle conceptuel de transfert des sédiments est proposé pour les différentes magnitudes d’écoulement. Dans le torrent du Réal, les inspections après évènement et les stations de mesure à haute fréquence ont permis de comparer et de compiler les mesures des écoulements. Trois laves torrentielles et trois périodes de charriage avec de petites laves torrentielles en amont ont été observées. Le volume de sédiment transporté lors des laves torrentielles du Réal est similaire à celui du Manival avec une augmentation importante du volume dans le chenal. La plus importante lave torrentielle observée a été examinée en détail et a révélé une diminution en aval des hauteurs d'écoulement maximales, des contraintes de cisaillement, de la vitesse et de la résistance à l'écoulement. Nos résultats suggèrent que le front de la lave torrentielle érode et déstabilise le chenal, mais qu’il ne peut pas transporter les matériaux en raison de sa concentration élevée en sédiments. Par conséquent, la vague hyperconcentrée qui suit se charge des matériaux restants, croît en volume, et fusionne avec la lave torrentielle en décélération. A la fois le front et les vagues suivantes jouent un rôle essentiel pour l'érosion lors d'un événement de lave torrentielle. Les multiples relevés dans les sections transversales du Manival et du Réal ont clairement montré que les laves torrentielles ont créé une érosion significative à la variabilité spatiale importante. En revanche, les déformations du lit induites par le charriage sont en équilibre. Les observations sur le terrain de la déformation du chenal montrent que l’érosion par les laves torrentielles est contrôlée étroitement par la pente en amont et les conditions de stockage des sédiments. Cette érosion du chenal peut être prédite par une relation logarithmique. Les matériaux les plus sensibles à l'érosion dans le Manival sont les bancs de gravier non consolidés formés par le charriage. Ce matériau constitue une surface lisse au sein du chenal rugueux et peut être automatiquement cartographiée avec 20 cm de précision à partir de données de laser scan terrestre ou aérien. La rugosité peut être calculée avec une fenêtre d'un mètre. Ceci fournit une évaluation automatique des zones sensibles à l'érosion dans un chenal au moment du relevé au scan laser. Cette étude a permis d’alimenter le domaine des laves torrentielles en observations quantitatives sur le terrain. Des bases de données complètes et détaillées ont été obtenues par l'intégration de multiples relevés des différentes sections transversales, des nombreux balayages laser, et des données des stations de mesure à haute fréquence. Les mesures de transfert de sédiments, des interactions/contrôles dans le chenal, de la dynamique des laves torrentielles, et la caractérisation des stockages dans deux bassins différents fournissent une base solide pour le développement de modèles conceptuels et statistiques. Ces observations ont également mis en évidence les paramètres importants à mesurer sur le terrain qui ont une influence sur les laves torrentielles.