Morphological Evolution of Creek Networks in Restored Coastal Wetland Schemes
Evolution morphologique des systèmes de chenaux dans les marais littoraux restaurés
Résumé
The restoration of coastal wetlands in the UK and worldwide often involves the excavation of artificial creek networks to encourage hydrological and ecological processes; however the evolution of these artificial creeks post-implementation is insufficiently monitored, and their design still lacks scientific guidance. This thesis analyses the morphological evolution of creeks in restored coastal wetlands in the UK to help inform future design strategies.
A new semi-automated creek parametrisation method was developed for lidar datasets, which is faster and less subjective than manual mapping. Morphological equilibrium was defined for natural saltmarshes; power-law relationships for creek dimensions and distribution at equilibrium
were derived from the analysis of 13 mature natural saltmarshes to provide a range of potential end targets for MR creek design. A relationship was found between the overmarsh path length (mean distance to a creek anywhere in the marsh) and the mean site elevation within the tidal frame. This analysis also found that creek morphological equilibrium should be described as a range of potential states rather than as one quantifiable target.
The evolution of 10 MR creeks in their first 2-20 years post-breach was then studied. MR creeks evolved near-linearly towards a larger, more sinuous and better distributed system. These evolution rates towards the proposed equilibrium targets were then related to the initial conditions of the sites: low-lying sites with high accretion rates and large openings had fasterevolving creeks, while high, constrained sites displayed limited creek growth and required more extensive initial creek excavation. The 10 MR schemes and two accidentally realigned sites considered behave as though they should stabilise within 100 years into an alternative equilibrium state to that of natural systems, with a lower density distribution of creeks, mainly concentrated around the breach areas, while the further reaches of the site have fewer channels. Furthermore, the channels have a lower sinuosity due to inherited drainage ditches that remain visible even after 100 years, and a flatter substrate. MR creek expansion may be hindered by the overcompacted soil and lack of small-scale
topography inherited from the previous agricultural land use, which prevents creek incision and preferential deposition around topographic flow paths. Based on these findings, future studies should link the soil geotechnical properties, creek development and biodiversity of MR schemes
to better understand creek-forming processes and improve the monitoring, management and design of MR sites.
La restauration des marais littoraux au Royaume-Uni et dans le monde implique souvent l'excavation de réseaux de chenaux artificiels pour encourager les processus hydrologiques et écologiques. L'évolution de ces chenaux artificiels après leur excavation est insuffisamment suivie, et leur conception manque encore de fondations scientifiques. Cette thèse analyse l'évolution morphologique des chenaux dans les marais littoraux restaurés au Royaume-Uni afin d’informer les futures stratégies de restauration.
Une nouvelle méthode semi-automatique de paramétrisation des chenaux a été développée utilisant des données lidar, plus rapide et moins subjective que l’extraction manuelle. L'équilibre morphologique a été défini pour les marais littoraux naturels ; des relations de type loi de puissance ont été dérivées pour les dimensions et la distribution des chenaux à l'équilibre à partir de l'analyse de 13 marais littoraux matures afin de fournir une gamme de cibles finales potentielles pour les chenaux des sites restaurés. Une relation a été trouvée entre la longueur non-chenalisée (distance moyenne jusqu'à un chenal n'importe où dans le marais littoral) et l'élévation moyenne du site par rapport à l’amplitude de marée. Cette analyse a également montré que l'équilibre morphologique d’un réseau de chenaux devrait être décrit comme une gamme d'états potentiels plutôt que comme un état unique.
L'évolution de 10 réseaux de chenaux de marais littoraux restaurés a ensuite été étudiée pour les 2 à 20 premières années suivant l’implémentation. Les chenaux ont évolué de façon quasi-linéaire vers un système plus large, plus sinueux et mieux réparti. Ces taux d'évolution vers les objectifs d'équilibre proposés ont ensuite été confrontés avec les conditions initiales : les sites de faible élévation avec des taux d'accrétion élevés et de grandes ouvertures dans le polders voyaient leurs chenaux évoluer plus rapidement, tandis que les sites élevés et ayant une faible connection à l’estuaire présentaient une croissance limitée des chenaux, et nécessitaient une excavation initiale plus importante. Les sites d’étude (10 marais littoraux restaurés et les deux sites reconnectés accidentellement à l’estuaire) se comportent comme s'ils devaient se stabiliser dans les 100 ans dans un état d'équilibre différent de celui des systèmes naturels, avec une distribution moins dense des chenaux, principalement concentrée autour des zones de brèches, tandis que les parties plus éloignées du site ont une plus faible densité de chenaux. En outre, les chenaux ont une sinuosité plus faible en raison des anciens fossés de drainage qui demeurent visibles même après 100 ans, et un substrat plus plat.
Le développement des réseaux de chenaux dans les marais littoraux restaurés peut être entravé par une surcompaction du sol et un manque de topographie, conditions héritées de l'ancien usage agricole qui empêchent l'incision de nouveaux chenaux et le dépôt préférentiel le long des voies d'écoulement topographiques. Sur la base de ces résultats, de futures études devraient établir un lien entre les propriétés géotechniques du sol, le développement des chenaux et la biodiversité des marais littoraux restaurés pour mieux comprendre les processus de formation des chenaux et améliorer le suivi, la gestion et la conception de ces projets.
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