Faculté des sciences

Dendrogeomorphologische Prozessanalyse zum Schwemmholzaufkommen und Rekonstruktion von Ufererosion zweier voralpiner Wildbachsysteme

Hitz, Oliver Markus ; Monbaron, Michel (Dir.) ; Strunk, Horst (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2008 ; Nr. 1605.

En raison du changement climatique global, il faut s’attendre à l’avenir à une augmentation des événements de fortes précipitations régionales. La Suisse subit également chaque année des dégâts dus aux intempéries, conséquences directes d’événements pluviométriques exceptionnels. Les dégâts sont causés par exemple par l’érosion et l’accumulation de sédiments... Plus

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    Résumé
    En raison du changement climatique global, il faut s’attendre à l’avenir à une augmentation des événements de fortes précipitations régionales. La Suisse subit également chaque année des dégâts dus aux intempéries, conséquences directes d’événements pluviométriques exceptionnels. Les dégâts sont causés par exemple par l’érosion et l’accumulation de sédiments détritiques, ou par le bois flotté dans les cours d’eau. Dans les torrents, l’érosion des berges par des eaux de crue est déterminante pour la fourniture de bois flotté, en ce qu’elle influence la stabilité des berges et des versants adjacents. Dans les régions à forte énergie du relief, ces processus d’érosion interfèrent avec d’autres types de mouvements de masse, par exemple les glissements de terrain. Pour un tel système complexe de processus, on ne dispose actuellement que de peu de connaissances concernant l’ampleur des divers apports de bois. La reconstitution de chaque processus pour lui-même permet une analyse quantitative de l’apport de bois. Pour y parvenir, la méthode de datation par l’analyse des cernes de bois est déterminante, grâce à son échelle de résolution à l’année près. Les premiers travaux dendrogéomorphologiques d’estimation de la valeur de l’érosion, dans les années 1960, se sont basés sur l’étude des racines de conifères. Dans les années quatre-vingts et suivantes, des indices tels que l’excentricité ou l’apparition de bois de compression furent employés pour déterminer le moment précis de la mise à nu des racines. Les travaux récents mettent à profit des éléments d’anatomie du bois pour la datation. En raison des changements anatomiques du bois causés, chez les conifères, par la mise à nu des racines, on peut déterminer à l’année près l’occurrence d’un tel événement. La structure anatomique des arbres à feuilles caduques est plus complexe que celle des conifères ; il est donc nécessaire de décrypter une réaction spécifique de ces arbres. Jusqu’à présent, seul le comportement du hêtre (Fagus sylvatica L.) est connu. Le présent travail étudie pour la première fois la réaction de mise à nu des racines du frêne (Fraxinus excelsior L.) et la compare avec celles, mieux connues, des conifères. Cette étude propose donc un élargissement de l’arsenal méthodologique. Elle permet de reconstituer les processus d’érosion dans des torrents dont le peuplement des versants est principalement constitué d’espèces caduques. Outre les processus d’érosion, les mouvements de masses affectant les versants des torrents montagnards sont étudiés au moyen des méthodes Version abrégée 10 dendrogéomorphologiques. Les reconstitutions des processus d’apport sont comparées avec les datations de bois flottés récoltés dans les lits des torrents. Ce croisement de méthodes permet une approche du système processuel « torrent de montagne ». A cette fin, deux systèmes torrentiels préalpins suisses ont été étudiés (Brüggenwaldbach (BWB), Schwytz et Steinibach (SB), Lucerne). Le long d’un tronçon d’étude de 1 km de longueur pour chaque torrent, les processus d’érosion directe du torrent, de glissement de berge, de glissement de versant, de la dénudation ainsi que de l’érosion par les petits affluents latéraux ont été abordés. L’approche de ces cinq processus s’est appuyée sur l’étude des racines mises à nu ainsi que celle de carottes prélevées dans les troncs d’arbres. Au total, ce sont 206 disques de racines et des carottes provenant de 63 troncs qui ont été analysés. En outre, dans chacun des bassins versants, deux chronologies de référence ont été réalisées (sur des sapins et des hêtres dans le Brüggenwaldbach, sur des épicéas et des sapins dans le Steinibach), ceci pour les comparer aux arbres affectés par les glissements de versants actifs, ainsi que pour dater les bois flottés. Pour l’analyse de la dynamique de ces derniers, il a été prélevé 52 disques sur des troncs de sapins (29 échantillons) et de hêtres (23 échant.) dans le BWB, ainsi que 47 disques d’épicéas (31 échant.) et de sapin (16 échant.) dans le SB, le tout sur des fragments de bois flottés reposant dans le lit de ces torrents. Pour la première fois a été mise en évidence la réaction spécifique du frêne. Ce travail démontre que la mise à nu de racines de frêne provoque une variation relative de la dimension des cellules fusiformes. En quatre endroits différents des lits torrentiels, des racines de frênes ont été dénudées juste à côté de racines de conifères, ce qui a permis de confirmer la datation de mise à nu déterminée sur les frênes. Huit des dix échantillons de frênes, étudiés au moyen de la mensuration de la dimension des cellules, montrent une nette réduction de la dimension moyenne de la lumière des cellules fusiformes. Onze autres échantillons de frênes montrent de très brutales réactions, qui peuvent être datées directement, sans avoir recours à des mensurations sur des coupes minces. Ce sont au total 124 racines d’arbres dont on a pu déterminer la date de mise à nu par l’érosion. Sur la base de ces valeurs, on peut calculer pour chaque site des coefficients d’érosion. Dans le BWB, ces coefficients moyens varient entre 1.03 ± 0.08 et 6.26 ± 4.75 cm/an, dans le SB entre 0.90 ± 0.62 et 4.44 ± 5.27 cm/an. L’érosion de berge directe est de 2.10 ± 1.92 cm/an dans le BWB et de 1.86 ± 2.05 cm/an dans le SB. Concernant les glissements de versants dans le BWB, on a pu y relever des cernes remontant à 1880. Des phases d’activité particulièrement marquées ont eu lieu aux alentours des années 1944 et 1987. Dans le même secteur, le peuplement d’autres zones de glissement est significativement plus jeune, si bien qu’on n’a pu y analyser les cernes qu’à partir de 1960. Dans le SB, le laps de temps analysé débute pour le premier glissement aux alentours de 1850, pour le second vers 1900. Le premier glissement ne montre qu’une très faible activité entre 1850 et 1950, mais par la suite deux phases d’activité marquée, l’une dès 1950, l’autre vers 1985. Le second glissement révèle également deux phases actives majeures, débutant vers 1929 et 1987. En datant les bois flottés échantillonnés, on peut calculer la durée moyenne de séjour du bois. Elle est de 18 ± 7.3 ans (n = 44 échant.) dans le BWB, alors qu’elle est plus courte (12 ± 8.3 Jahren, pour 39 échant.) dans le SB. Dans les deux torrents, les relations entre la dénudation des racines, le nombre de segments datés de bois flotté et l’activité des glissements (SB), respectivement les événements météorologiques, ont été étudiées. Les sommes des précipitations mensuelles, saisonnières et annuelles, ainsi que le nombre d’événements de précipitations extrêmes (sommes de précipitations journalières et sur trois jours) ont été confrontés aux résultats de cette étude. Il n’a pas été possible de démontrer de corrélations significatives. En résumé, ce travail étudie et décrit pour la première fois la réaction de dénudation des racines du frêne, puis l’applique à la reconstitution des processus d’érosion. Autre aspect de l’étude: l’approche des réactions de dénudation des conifères. Par le croisement de ces méthodes, on peut reconstituer avec précision des taux d’érosion de divers processus géomorphologiques qui surviennent sur les versants des torrents de montagne.
    Zusammenfassung
    Aufgrund des globalen Klimawandels wird davon ausgegangen, dass regional speziell Starkniederschlagsereignisse zunehmen werden. Auch die Schweiz ist jedes Jahr von Unwetterschäden betroffen, die als Folge von Niederschlagsereignissen auftreten. Schäden entstehen beispielsweise durch Erosion und Akkumulation von Geschiebe oder durch Schwemmholz in Fliessgewässern. In Wildbächen ist die Ufererosion durch Hochwasserabfluss entscheidend für die Bereitstellung von Schwemmholz, beispielsweise indem sie die Stabilität von Uferböschungen und Gerinneeinhängen beeinflusst. Insbesondere in Gebieten mit hoher Reliefenergie stehen Erosionsprozesse mit anderen Massenbewegungen wie zum Beispiel Rutschungen in Wechselwirkung. Innerhalb dieses komplexen Prozesssystems besteht derzeit wenig Kenntnis über die quantitative Bedeutung der einzelnen Holzeintragsprozesse. Die Rekonstruktion der einzelnen Prozesse erlaubt eine quantitative Analyse des Holzeintrags. Hierzu spielen jahrringanalytische Datierungsmethoden aufgrund ihrer jahrgenauen Auflösung eine zunehmend wichtige Rolle. Erste dendrogeomorphologische Arbeiten zur Erosionsrekonstruktion verwendeten in den 1960er-Jahren Nadelholzwurzeln zur Abschätzung der Erosionsmenge. In den 1980er-Jahren und später werden Merkmale wie die Exzentrizität oder das Auftreten von Druckholz zur Datierung des Freilegungszeitpunktes der Wurzeln herangezogen. Neuere Arbeiten untersuchen holzanatomische Merkmale zur Datierung. Aufgrund der freilegungsbedingten Veränderung der Holzanatomie kann der Freilegungszeitpunkt von Nadelholzwurzeln eindeutig und aufs Jahr genau bestimmt werden. Die anatomische Struktur der Laubhölzer ist komplexer und vielfältiger als diejenige der Nadelhölzer, eine Freilegungsreaktion muss daher artspezifisch beschrieben werden. Bei den Laubbaumarten ist eine vergleichbare Reaktion auf Freilegung bisher erst bei Buche (Fagus sylvatica L.) bekannt. Die vorliegende Arbeit untersucht zum ersten Mal die Freilegungsreaktion von Wurzeln der Baumarte Esche (Fraxinus excelsior L.) und vergleicht sie mit den bekannten Freilegungsreaktionen der Nadelhölzer. Die Arbeit trägt somit zur Erweiterung des Methodenspektrums bei, indem sie Erosionsprozesse in Wildbächen, deren Uferbestockung mehrheitlich aus Laubbäumen besteht, rekonstruiert. Neben den Erosionsprozessen werden Rutschungsprozesse in den Einhängen der Wildbäche mit dendrogeomorphologischen Methoden untersucht. Die Rekonstruktionen der Eintragsprozesse werden mit Datierungen von Schwemmholz aus dem Gerinnebereich verglichen. Dieser Methodenverbund ermöglicht im Rahmen der vorliegenden Arbeit einen Einblick in das Prozesssystem Wildbach. Zu diesem Zweck werden in der vorliegenden Arbeit zwei schweizerische, voralpine Wildbachsysteme (Brüggenwaldbach, Schwyz und Steinibach, Luzern) untersucht. Innerhalb eines Untersuchungsabschnittes von einem Kilometer Länge werden in beiden Wildbächen die Prozesse der direkten Ufererosion, der Uferrutschung, der Hangrutschung, der Denudation und der Erosion im Zubringer angesprochen. Die Untersuchung dieser fünf Prozesse erfolgt anhand von freigelegten Baumwurzeln und Bohrkernen von Baumstämmen. Insgesamt werden dazu 206 Wurzelscheiben und die Bohrkerne von 63 Stämmen analysiert, sowie je zwei gebietsspezifische Referenzchronologien (von Tanne und Buche im Brüggenwaldbach und von Fichte und Tanne im Steinibach) zum Vergleich mit den Bäumen aus den rutschungsaktiven Einhängen und zur Datierung der Schwemmholzproben erarbeitet. Zur Analyse der Schwemmholzdynamik werden im Brüggenwaldbach 52 Stammscheiben von Tannen (29 Proben) und Buchen (23 Proben) und im Steinibach 47 Stammscheiben von Fichten (31 Proben) und Tannen (16 Proben) aus abgestorbenen Schwemmholzstücken im Gerinnebereich entnommen. Erstmals kann eine Freilegungsreaktion bei der Esche nachgewiesen werden. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wird die Freilegungsreaktion bei der Baumart Esche über eine relative Veränderung der Faserzellgrössen definiert. An vier Stellen in den Gerinnen sind Eschenwurzeln direkt neben Nadelholzwurzeln freigelegt worden, dabei kann das bei den Eschenwurzeln eruierte Freilegungsjahr durch die Analyse der Nadelholzwurzeln bestätigt werden. Acht von zehn mittels Zellgrössenvermessung analysierten Eschenproben zeigen eine deutliche Reduktion der mittleren Lumengrösse der Faserzellen. Elf weitere Eschenproben zeigen ebenfalls sehr deutliche, abrupte Reaktionen, die ohne Zellvermessung makroskopisch oder aufgrund eines Dünnschnittpräparates eindeutig datiert werden können. Insgesamt kann bei 124 Baumwurzeln der Freilegungszeitpunkt datiert werden. Aus den Datierungen kann je nach Mikrostandort die Erosionsrate bestimmt werden. Im Brüggenwaldbach variieren die durchschnittlichen Erosionsraten zwischen 1.03 ± 0.08 und 6.26 ± 4.75 cm/Jahr, im Steinibach zwischen 0.90 ± 0.62 und 4.44 ± 5.27 cm/Jahr. Die direkte Ufererosion beträgt im Brüggenwaldbach 2.10 ± 1.92 cm/Jahr und im Steinibach 1.86 ± 2.05 cm/Jahr. Die grosse Streuung im Verhältnis zur mittleren Erosionsrate beispielsweise bei der direkten Kurzfassung 3 Ufererosion ist darauf zurückzuführen, dass es sich um verschiedene Punktinformationen in hoch aktiven Systemen handelt. Für die Analyse der Hangrutschungen können im Brüggenwaldbach Jahrringe ab 1880 ausgewertet werden. Es zeigen sich dabei Aktivitätsphasen um die Jahre 1944 und 1987. Die Bestockung weiterer Rutschflächen im Brüggenwaldbach ist wesentlich jünger, so dass Jahrringe erst ab 1960 analysiert werden können. Der Analysezeitraum im Steinibach beginnt bei der ersten Rutschung um 1850, bei der zweiten um 1900. Die erste Rutschung zeigt zwischen 1850 und 1950 nur sehr schwache Aktivität, danach zwei starke Aktivitätsphasen beginnend um 1950 und um 1985. Die zweite Rutschung zeigt ebenfalls zwei deutliche Aktivitätsphasen jeweils beginnend um 1929 und um 1987. Aus den Datierungen der beprobten Schwemmholzstücke lässt sich die mittlere Verweildauer berechnen. Sie beträgt im Brüggenwaldbach 18 ± 7.3 Jahre (n = 44 Proben), während sie mit 12 ± 8.3 Jahren (n = 39 Proben) im Steinibach etwas kürzer ist. Buchenholz (Brüggenwaldbach) und Fichtenholz (Steinibach) weisen in beiden Bächen eine kürzere Verweildauer auf als Tannenholz. In den Wildbächen wird der Zusammenhang von Wurzelfreilegungen, Anzahl datierter Schwemmholzstücke und Rutschungsaktivität (Steinibach) und meteorologischen Ereignissen untersucht. Sowohl monatliche, saisonale und jährliche Niederschlagssummen als auch die Anzahl jährlicher Niederschlagsextreme (Tages- und Dreitagesniederschlagssummen) werden mit den Ergebnissen aus der Studie verglichen. Es können keine signifikanten Korrelationen festgestellt werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass im Rahmen dieser Arbeit erstmals die Freilegungsreaktion von Wurzeln der Baumart Esche untersucht, beschrieben und zur Rekonstruktion von Erosionsprozessen benutzt wird. Daneben gelangt die Freilegungsreaktion der Nadelhölzer zur Anwendung. Mit dieser Methodik können Erosionsraten unterschiedlicher geomorphologischer Prozesse, die sich an den Ufern und in den Einhängen von Wildbächen abspielen, exakt rekonstruiert werden.
    Summary
    Due to the global climate change an increase of heavy precipitation events on a regional scale is expected. Especially in Switzerland, damages from natural hazards resulting from heavy precipitation events occur every year. Damages arise from erosion and accumulation of bed load material or driftwood in mountain torrents and rivers. In mountain torrents, erosion of the embankments during high water level discharges is an essential requirement for the formation of driftwood because it destabilises the embankments and the adjacent slopes. Particularly in areas with steep slopes, erosion processes interact with other mass movements such as landslides. Within this complex process system little knowledge exists about the quantitative importance of each single process responsible for the formation of driftwood. The reconstruction of the single processes allows a quantitative description of the driftwood entry. In this context, dating methods used in dendrochronology play an increasingly important role because of their annual resolution. In the 1960s, early dendrogeomorphological research on the reconstruction of erosion used conifer roots to estimate the amount of erosion. From the 1980s onwards, features such as eccentricity or the presence of compression wood were added as tools to date the exposure time of roots. Current research also examines wood anatomical features and uses them as dating tools. The root exposure results in changes of the wood anatomy and hence it is possible to exactly date the exposure of conifer roots in annual resolution. The wood anatomical structure of broadleaved trees is more complex and multifaceted than the structure of conifers, therefore, it is necessary to determine the reaction due to exposure for each species. Among the broadleaved trees such a wood anatomical reaction due to exposure is to date known only for beech (Fagus sylvatica L.). The current study for the first time examined the anatomical reactions of Ash tree roots (Fraxinus excelsior L.) due to exposure and compared them with the known reactions found in conifers, and thus, the study aimed to broaden the spectrum of existing methodologies. The present study then used this method to reconstruct erosion processes in mountain torrents which are bordered mainly by broadleaved trees. In addition to the erosion processes landslide dynamics on the adjacent slopes were investigated with dendrogeomorphological methods. The reconstructions of the processes leading to driftwood entry into the torrents were compared with actual driftwood found in the torrents and dated with dendrochronological methods. Within the frame of the current research, the combination of methods aspired to give new insights into the process system of mountain torrents. For this purpose the present study examined two Swiss prealpine torrents (Brüggenwaldbach, Schwyz and Steinibach, Luzern). Within a research area of one kilometre length, processes of riparian erosion, landslides of the embankments, landslides of slopes, denudation and erosion in the tributaries were examined in both torrents. The investigation of these five processes was based on the analysis of exposed tree roots and increment cores of tree stems. A total of 206 root discs and cores from 63 trees were analysed and two local reference chronologies (of fir and beech in the Brüggenwaldbach and of spruce and fir in the Steinbach) were compiled for comparison with the trees from the active slopes and to also date the driftwood samples. In Brüggenwaldbach and Steinibach, 52 discs of fir (29 samples) and beech (23 samples) and 47 discs of spruce (31 samples) and fir (16 samples), respectively, were taken from dead wood in the vicinity of the torrents for the analysis of the driftwood dynamics. For the first time, a reaction due to exposure was shown in Ash roots. Based on the new results of the present research the reaction of Ash roots due to exposure was defined as a relative change of the lumen area of the fibre cells. At four sites within the torrents roots of Ash trees and conifer trees growing next to the Ash trees were exposed. The dating of the root exposure in the Ash trees was confirmed by the analysis results of the conifer roots. Eight out of ten samples of Ash roots analysed for the lumen area of the fibre cells showed a distinct reduction of the mean lumen area. Eleven more samples of Ash roots also contained a distinct and abrupt reaction, which was clearly dated macroscopically or on the basis of thin micro-sections but without measuring the lumen areas. The reaction due to root exposure was dated in a total of 124 tree roots. From these dated roots an erosion rate according to the site conditions was determined. In the Brüggenwaldbach the mean rates of erosion varied between 1.03 ± 0.08 and 6.26 ± 4.75 cm/year and in the Steinibach between 0.90 ± 0.62 and 4.44 ± 5.27 cm/year. The riparian erosion amounted to 2.10 ± 1.92 cm/year in the Brüggenwaldbach and to 1.86 ± 2.05 cm/year in the Steinibach. The large variation, for example of the riparian erosion in relation to the mean rate of riparian erosion, was due to the fact that the rate of erosion was always analysed at only certain points of an extremely active system. For the analysis of the landslides on the slopes of the Brüggenwaldbach tree rings going back to 1880 were utilised. The results indicated phases of landslide activity during 1944 and 1987, approximately. The forest stands on other active slopes in the Brüggenwaldbach area are considerably younger, therefore, tree rings could not be analysed before 1960. The analysed period in the Steinibach starts with the first landslide at approximately 1850 and the second at about 1900. The first landslide showed low activity between 1850 and 1950 and afterwards two phases of high activity beginning at approximately 1950 and 1985. The second landslide also had two distinct phases of activity at about 1929 and 1987. From the dated driftwood discs a mean residence time was calculated for the Brüggenwaldbach of 18 ± 7.3 years (n = 44 samples) and a shorter mean residence time for the Steinibach of 12 ± 8.3 years (n = 39 samples). In both torrents, wood of beech (Brüggenwaldbach) and spruce (Steinibach) possessed a shorter residence time then wood of fir. In both torrents the relationship between root exposure, amount of dated driftwood discs and the landslides activity (Steinibach) were compared with meteorological data. Monthly, seasonal and annual totals of precipitation as well as the amount of annual extremes of precipitation (daily totals and totals of three days) were calculated and compared with the study results, however, no significant correlations were found. Overall, this study has for the first time analysed and specified the reaction found in Ash roots due to exposure. It has demonstrated that Ash roots can be used to reconstruct erosion processes. Moreover, the reaction of coniferous roots due to exposure has been implemented as well. It has been shown that this methodology facilitates the reconstruction of erosion rates of different geomorphological processes which take place on the embankments and the adjacent slopes of mountain torrents.