Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire d'hydrologie et aménagements HYDRAM)

Streambank erosion hazard mapping : concepts, methodology and application on the Venoge River (Switzerland)

Beck, John Raymond ; Mermoud, André (Dir.) ; Musy, André (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3523.

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    Summary
    Streambank erosion hazard mapping has received much less attention than flood inundation mapping in the past due to the complexity of the task as well as bank protection works that have reduced bank erosion and unfortunately, the ecological functions of our watercourses at the same time. Damages due to streambank erosion in some flooding contexts are greater than the flood water damages (Loat and Petrasheck, 1997). For these reasons, streambank erosion hazard mapping should be an integral part of flood hazard mapping and methods must be developed to accomplish it. This research proposes a methodology for mapping streambank erosion hazards based on the directives of the Swiss Federal Office for Water and Geology (now within the Swiss Federal Office for the Environment). It permits the calculation of bank failure widths and their probability as opposed to future channel migration paths. This research also investigates the input data necessary for streambank erosion hazard modeling. Geomorphological mapping must be the first step to streambank erosion hazard mapping as it permits the identification of the sediment movements in the catchment. After this step, modeling of streambank erosion can be undertaken. Geofluvial models that combine hydraulic sediment transport and geotechnical modeling are well suited for streambank erosion modeling. The model CCHE1D is such a model and was adapted for the calculation of the streambank erosion hazard on an 8 kilometer reach of the Lower Venoge River, Switzerland. CCHE1D performs one dimensional hydraulic calculations. A shear stress correction function based on channel curvature distributes mean boundary shear stress appropriately to outer and inner bank toes and the phase lag of maximum toe shear stress compared to the apex of the bend curvature is ensured by a convolution of upstream shear stresses. Tension cracking was added to the slab failure algorithm due to its significant effect on bank failure widths. After a bank failure, the cross section shape does not change which allows the flow conditions to remain the same and in turn allows the probability of failure for the modeled bank profile to be evaluated. To gain a better understanding of streambank erosion on the Lower Venoge River, detailed erosion and flow depth monitoring were done on two 1 kilometer river reaches from November 2003 through September 2005. These measurements showed the mass failures to be mainly soil falls and cantilever failures. Measured bank erosion was linearly related to the product of maximum discharge and flood volume. Bank and bed sediment data were also collected for the study reach. Eighty-two cross sections were surveyed in 2004 in the 8 kilometer study reach. A new cross section tool was developed to properly reproduce scour holes in bends. It calculates transverse position and distance, graphs the cross section to allow identification of bank definition points, linearly interpolates, calibrates bed topography parameters based on surveyed cross sections, and interpolates with respect to channel curvature. Hydrological modeling allowed for the generation of input hydrographs for the period January 1979 - February 2005. This information was combined with historically based low probability floods to construct three 300 year discharge series. Flow and erosion measurements allowed for the calibration of roughness and critical shear stress parameters, respectively, in the CCHE1D model. Where detailed erosion measurements were not available, past channel migration served as a guide for estimating the critical shear stress. Calibrated critical shear stress was poorly correlated with measured bank properties indicating the necessity of measuring critical shear stress. A regression equation involving the percentage of fine sand – large silt and the fraction of non-vegetated bank explained 75% of the variation. The three 300 year discharge series were simulated with CCHE1D. Bank failures series were output for each of the banks of the 1149 computational nodes in the study reach. Empirical frequency was used to determine the bank failure width of a given probability. These bank failure widths and their probabilities were used to calculate a streambank erosion danger. To further qualify this danger, it was mapped with a bar proportional to the mean annual simulated erosion rate. The extreme failure width for the entire reach was determined by multiplying the maximum simulated failure width by a safety factor. The erosion hazard in straight reaches is too high showing that the shear stress reduction due to the highly vegetated banks needs to be taken into account better in the shear stress correction function. This research has demonstrated the feasibility of streambank erosion hazard mapping, although the quantity of input data necessary is prohibitive. Data acquisition methods must be researched and improved to reduce costs, and research must be continued to improve understanding of bank failure processes to be included in geofluvial models.
    Résumé
    La cartographie des dangers liés à l'érosion des berges d'un cours d'eau a reçu moins d'attention dans le passé que celle des dangers liés aux inondations. Cette différence est due à la difficulté de la tâche, et à la présence d'ouvrages de protection, réduisant l'érosion, mais malheureusement aussi les fonctions écologiques de nos cours d'eau. Dans certains contextes, les dommages dus à l'érosion des berges sont cependant plus importants que ceux causés par l'eau (Loat et Petrasheck, 1997). De ce fait, la cartographie des dangers liés à l'érosion des berges devrait faire partie intégrante de la cartographie des dangers liés aux crues, et des méthodes devraient être développées pour ce faire. Le présent travail de recherche propose une méthodologie pour la cartographie des dangers liés à l'érosion des berges basée sur les directives de l'Office Fédérale Suisse de l'Eau et de la Géologie (maintenant intégré à l'Office Fédérale de l'Environnement). Cette méthodologie permet le calcul des largeurs et probabilités d'effondrement des berges, et non la position future du cours d'eau. Le présent travail de recherche fait par ailleurs une revue des données nécessaires pour la modélisation de l'érosion des berges. La cartographie géomorphologique doit être la première étape dans la cartographie des dangers liés à l'érosion des berges car elle permet l'identification des mouvements de sédiment dans le bassin versant. La modélisation de l'érosion des berges peut être entreprise ensuite. Les modèles géo-fluviaux qui combinent des modèles hydrauliques de transport de sédiments et des modèles géotechniques sont particulièrement adaptés pour ce faire. Le modèle CCHE1D est un modèle de ce type. Il a été adapté dans le cadre de cette étude pour le calcul des dangers liés à l'érosion des berges, sur un tronçon de rivière de 8 kilomètres de la Venoge, Suisse. CCHE1D est un modèle hydraulique unidimensionnel. Basée sur la courbure du cours d'eau, une fonction de correction des contraintes de cisaillement distribue celles-ci entre les pieds des berges intérieures et extérieures. Le décalage de la contrainte maximale de cisaillement au pied par rapport à la courbure maximale est assuré par une convolution des contraintes de cisaillement à l'amont. La fissure de tension est intégrée à l'algorithme d'effondrement en plan du fait de son effet significatif sur la largeur d'effondrement. Dans l'approche proposée, la géométrie du profil en travers n'est pas modifiée après un effondrement de berge. Ceci permet que les conditions d'écoulement restent inchangées et ceci permet aussi l'évaluation de la probabilité d'effondrement du profil modélisé. Pour une meilleure compréhension du phénomène d'érosion des berges de la Venoge, des mesures de hauteurs d'eau et d'érosion ont été effectuées sur deux tronçons de 1 kilomètre, de novembre 2003 à septembre 2005. Ces mesures ont démontré que les effondrements des berges correspondent principalement à des chutes de sol et des effondrements en levier. L'érosion mesurée est corrélée linéairement au produit du débit maximum et du volume de crue. Des données sur les sédiments du lit et des berges ont également été collectées pour le tronçon d'étude. Quatre-vingt-deux profils en travers ont été levés en 2004 dans le tronçon d'étude de 8 kilomètres. Un nouvel outil de traitement des profils en travers a été développé pour reproduire les affouillements du fond dans les méandres. Cet outil calcule position et distance transversale, dessine le profil en travers pour l'identification des points de définition des berges, interpole linéairement, cale les paramètres de la topographie du lit, et interpole en respectant la courbure du cours d'eau. Une modélisation hydrologique a permis la génération des hydrogrammes d'entrées pour la période de janvier 1979 à février 2005. Cette information a été combinée avec des crues rares, construites à partir des crues observées, pour préparer trois séries temporelles de débit d'une durée de 300 ans chacune. Des mesures de hauteur d'eau et d'érosion ont permis le calage de la rugosité et des contraintes de cisaillement critiques pour le modèle CCHE1D. Dans les zones n'ayant pas bénéficié de mesures d'érosion, les divagations historiques du cours d'eau ont guidé l'estimation de la contrainte de cisaillement critique. Les valeurs calées des contraintes de cisaillement critiques ne sont pas bien corrélées avec les propriétés des berges mesurées, ce qui indique la nécessité de mesurer la contrainte de cisaillement. Une régression utilisant le pourcentage de sable fin et de limon grossier et la fraction de berge non couverte de végétation a pu expliquer 75% de la variation, et peut être utilisée pour le tronçon étudié. Les trois séries temporelles de débit ont été simulées avec CCHE1D. Les séries d'effondrements pour chaque berge des 1149 noeuds de calcul ont été produites par le modèle. Pour une probabilité donnée, la fréquence empirique a été utilisée pour déterminer la largeur d'effondrement. Ces probabilités et leur largeur d'effondrement ont été utilisées pour calculer le danger lié à l'érosion des berges. Pour qualifier le niveau de danger, ce dernier a été cartographié avec des lignes proportionnelles à l'érosion annuelle moyenne simulée. La largeur d'effondrement relative à un événement extrême pour le tronçon a été déterminée en multipliant l'effondrement maximal simulé par un facteur de sécurité. Le danger d'érosion est trop élevé dans les tronçons droits, ce qui montre que la réduction des contraintes de cisaillement due à la végétation des berges doit être mieux prise en compte dans la fonction corrigeant les contraintes de cisaillement. Le présent travail de recherche a montré la possibilité de réalisation de cartes des dangers liés à l'érosion des berges, bien que la quantité des données nécessaires y soit restrictive. Les méthodes d'acquisition des données doivent être améliorées pour réduire les coûts, et des recherches supplémentaires doivent être mise en oeuvre pour mieux comprendre les processus d'effondrement des berges afin de les inclure ensuite dans les modèles géo-fluviaux.