Faculté des sciences

The role of flow regimes for sediment transport and flooding potential of river catchments

Basso, Stefano ; Schirmer, Mario (Dir.) ; Hunkeler, Daniel (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2016.

Le régime d'écoulement de la rivière est le principal moteur de plusieurs processus qui se produisent dans des environnements fluviaux. Ces processus sont importants pour la gestion durable des ressources en eau. Le régime d'écoulement détermine aussi la sensibilité de la distribution du flux lui-même à une variation climatique, et affecte les comportements des bassins versants dans le... Plus

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    Résumé
    Le régime d'écoulement de la rivière est le principal moteur de plusieurs processus qui se produisent dans des environnements fluviaux. Ces processus sont importants pour la gestion durable des ressources en eau. Le régime d'écoulement détermine aussi la sensibilité de la distribution du flux lui-même à une variation climatique, et affecte les comportements des bassins versants dans le cas de flux élevés. Pour cette raison, la compréhension des liens entre les processus hydrologiques et éco-morphologiques qui façonnent les environnements fluviaux est essentielle pour assurer la sécurité contre les risques d'inondation et la protection des services écosystémiques humains. Afin d'atteindre ces objectifs, il est proposé ici une étude quantitative sur les liens entre le régime d'écoulement et les métriques couramment utilisées en géomorphologie de la rivière et en ingénierie.
    La variété de la décharge efficace pour le transport des sédiments observés dans différents bassins de rivière est ici liée à l'hétérogénéité sous-jacente des régimes d'écoulement. Les principaux éléments climatiques et du paysage responsables de la décharge effective sont identifiés grâce à un cadre analytique, qui relie le rapport effectif (i.e. le rapport entre le flux efficace et flux moyen) à l’exposant empirique des courbes de notation des sédiments et à la variabilité des flux. L’analyse montre que différentes dynamiques intrinsèques aux flux erratiques et aux flux persistants (caractérisées par la variabilité élevée et faible du flux) provoquent l'émergence de différentes ratios effectifs, avec des valeurs plus élevées associées à des régimes de flux erratiques. Le modèle prédit bien les rapports entre le ratio effectif et la variabilité des flux d'un ensemble de bassins des Etats-Unis continentaux, et peut appuyer l'estimation de la décharge effective dans des rivières qui appartiennent à différentes zones climatiques.
    La capacité d’un modèle mécanique analytique des distributions des flux à capturer les propriétés des flux élevés est également étudiée. Le modèle se fonde sur une description stochastique de la dynamique de l'humidité du sol, et sur une réponse hydrologique simplifiée, décrite par des différentes relations de stockage-décharge. Les résultats montrent que des relations non-linéaires sont nécessaires pour la caractérisation correcte des fréquences des flux élevés et pour expliquer l'émergence de distributions a queue lourde du flux, ce qui est mécaniquement lié au degré de non-linéarité de la réponse hydrologique du bassin.
    Enfin, une nouvelle expression analytique pour expliquer les courbes inondations-fréquence saisonnière est proposée. L'expression est dérivé d'un modèle stochastique de la dynamique quotidienne de décharge, dont les paramètres représentent les attributs du climat et de paysage du bassin et peuvent être estimés à partir des données quotidiennes des précipitations et des flux. Un seul paramètre, qui est lié à l’antécédent état d'humidité dans le bassin, nécessite une calibration sur les maxima observés. Les modèles sont appliqués dans deux rivières présentées en comparant les régimes quotidiens d'écoulement (erratique et persistante) pour montrer l’efficacité de la méthode, qui est capable de capturer différentes formes de courbes de fréquence d’inondation émergentes dans différents contextes climatiques. Le modèle fournit des bonnes estimations des flux maximaux saisonniers associées à un ensemble d'intervalles de récurrence, et les performances du modèle ne diminuent pas de manière significative pour des temps de retour plus longs que la taille de l'échantillon disponible. Ce résultat est dû à la structure du modèle, qui permet une exploitation efficace de l'information contenue dans l'ensemble des flux quotidiens des rivières. Par conséquent, l'approche peut être particulièrement utile dans les régions du monde pour lesquelles les données sont limitées.
    Summary
    The river flow regime is the main driver of several processes occurring in riverine environments, which are relevant for the sustainable management of water resources. It also determines the sensitivity of the flow distribution itself to a changing climate, and possibly affects catchments' behaviors with respect to extreme flows. For this reason, understanding links among hydrologic and eco-morphological processes which shape riverine environments is pivotal to ensure safety against flood hazards and the protection of human-valued ecosystem services. In order to reach these goals, quantitative investigations on the links between the flow regime and commonly used metrics in river geomorphology and engineering were pursued in this study.
    The variety of the effective discharge for sediment transport observed in different river catchments is here related to the underlying heterogeneity of flow regimes. The main climatic and landscape drivers of the effective discharge are identified through an analytic framework, which links the effective ratio (i.e. the ratio between effective discharge and mean streamflow) to the empirical exponent of the sediment rating curve and to the streamflow variability. The analysis shows that different streamflow dynamics intrinsic to erratic and persistent flow regimes (respectively characterized by high and low flow variability) cause the emergence of diverse effective ratios, with larger values associated to erratic regimes. The provided formulation predicts patterns of effective ratios versus streamflow variability observed in a set of catchments of the continental United States, and may support the estimate of effective discharge in rivers belonging to diverse climatic areas. The capability of a mechanistic analytical model of streamflow distributions to capture statistical features of high flows is also investigated. The model builds on a stochastic description of soil moisture dynamics and a simplified hydrologic response, described through different catchment-scale storage-discharge relations. The results show that non-linear relations are needed for a proper characterization of high flows frequencies and to explain the emergence of heavy-tailed streamflow distributions, which is mechanistically linked to the degree of non-linearity of the catchment hydrologic response.
    Finally, a novel physically-based analytic expression of the seasonal flood-frequency curve is proposed. The expression is derived from a stochastic model of daily discharge dynamics, whose parameters embody climate and landscape attributes of the contributing catchment and can be estimated from daily rainfall and streamflow data. Only one parameter, which is related to the antecedent wetness condition in the watershed, requires calibration on the observed maxima. Applications in two rivers featured by contrasting daily flow regimes (erratic and persistent) are used to illustrate the potential of the method, which is able to capture diverse shapes of flood-frequency curves emerging in different climatic settings. The model provides reliable estimates of the seasonal maximum flows associated to a set of recurrence intervals, and its performances do not significantly decrease for return times longer than the available sample size. This result is due to the model structure, which allows for an efficient exploitation of the information contained in the entire range of daily flows experienced by rivers. Therefore, the proposed approach may be especially valuable in data scarce regions of the world.