Sediment budget monitoring of debris-flow and bedload transport in the Manival Torrent, SE France

Steep mountain catchments typically experience large sediment pulses from hillslopes which are stored in headwater channels and remobilized by debris-flows or bedload transport. Event-based sediment budget monitoring in the active Manival debris-flow torrent in the French Alps during a two-year period gave insights into the catchment-scale sediment routing during moderate rainfall intensities which occur several times each year. The monitoring was based on intensive topographic resurveys of low- and high-order channels using different techniques (cross-section surveys with total station and high-resolution channel surveys with terrestrial and airborne laser scanning). Data on sediment output volumes from the main channel were obtained by a sediment trap. Two debris-flows were observed, as well as several bedload transport flow events. Sediment budget analysis of the two debris-flows revealed that most of the debris-flow 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 magnitude is proposed.

Bedload composition, transport and modification in rivers of Westland, New Zealand, with implications for the distribution of alluvial pounamu (jade)

River bedload surveyed at 50 sites in Westland is dominated by Alpine Schist or Torlesse Greywacke from the Alpine Fault hanging wall, with subordinate Pounamu Ultramafics or footwall-derived Western Province rocks. Tumbling experiments found ultramafics to have the lowest attrition rates, compared with greywacke sandstone and granite (which abrade to produce silt to medium-sand), or incompetent schist (which fragments). Arahura has greater total concentrations (103–105 t/km2) and proportions (5–40%) of ultramafic bedload compared with Hokitika and Taramakau catchments (101–104 t/km2, mostly <10%), matching relative areas of mapped Pounamu Ultramafic bedrock, but enriched relative to absolute areal proportions. Western Province rocks downthrown by the Alpine Fault are under-represented in the bedload. Enriched concentrations of ultramafic bedload decrease rapidly with distance downstream from source rock outcrops, changing near prominent ice-limit moraines. Bedload evolution with transport involves both downstream fining and dilution from tributaries, in a sediment supply regime more strongly influenced by tectonics and the imprint of past glaciation. Treasured New Zealand pounamu (jade) is associated with ultramafic rocks. Chances of discovery vary between catchments, are increased near glacial moraines, and are highest near source-rock outcrops in remote mountain headwaters.

Development and calibration of a pressure-difference bedload sampler /

Bibliography: p. 18.

Investigation of Meyer-Peter, Muller bedload formulas /

Mode of access: Internet.

Analyses of the temporal variation of coarse bedload transport and its grain size distribution : Squaw Creek, Montana, USA /

"December 1996."

Lignin phenols used to infer organic matter sources to Sepetiba Bay - RJ, Brasil

Lignin phenols were measured in the sediments of Sepitiba Bay, Rio de Janeiro, Brazil and in bedload sediments and suspended sediments of the four major fluvial inputs to the bay: Sao Francisco and Guandu Channels and the Guarda and Cacao Rivers. Fluvial suspended lignin yields (Sigma 8 3.5-14.6 mgC 10 g dw(-1)) vary little between the wet and dry seasons and are poorly correlated with fluvial chlorophyll concentrations (0.8-50.2 mu gC L(-1)). Despite current land use practices that favor grassland agriculture or industrial uses, fluvial lignin compositions are dominated by a degraded leaf-sourced material. The exception is the Guarda River, which has a slight influence from grasses. The Lignin Phenol Vegetation Index, coupled with acid/aldehyde and 3.5 Db/V ratios, indicate that degraded leaf-derived phenols are also the primary preserved lignin component in the bay. The presence of fringe Typha sp. and Spartina sp. grass beds surrounding portions of the Bay are not reflected in the lignin signature. Instead, lignin entering the bay appears to reflect the erosion of soils containing a degraded signature from the former Atlantic rain forest that once dominated the watershed, instead of containing a significant signature derived from current agricultural uses. A three-component mixing model using the LPVI, atomic N:C ratios, and stable carbon isotopes (which range between -26.8 and -21.8 parts per thousand) supports the hypothesis that fluvial inputs to the bay are dominated by planktonic matter (78% of the input), with lignin dominated by leaf (14% of the input) over grass (6%). Sediments are composed of a roughly 50-50 mixture of autochthonous material and terrigenous material, with lignin being primarily sourced from leaf. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Side scan sonar image and geologic interpretation of the Ria de Pontevedra seafloor (Galicia, NW Spain).

High-resolution side scan sonar has been used for mapping the seafloor of the Ría de Pontevedra. Four backscatter patterns have been mapped within the Ría: (1) Pattern with isolated reflections, correlated with granite and metamorphic outcrops and located close to the coastal prominence and Ons and Onza Islands. (2) Pattern of strong reflectivity usually located around the basement outcrops and near the coastline and produced by coarse-grained sediment. (3) Pattern of weak backscatter is correlated with fine sand to mud and comprising large areas in the central and deep part of the Ría, where the bottom currents are weak. It is generally featureless, except where pockmarks and anthropogenic features are present. (4) Patches of strong and weak backscatter are located in the boundary between coarse and fine-grained sediments and they are due to the effect of strong bottom currents. The presence of megaripples associated to both patterns of strong reflectivity and sedimentary patches indicate bedload transport of sediment during high energy conditions (storms). Side scan sonar records and supplementary bathymetry, bottom samples and hydrodynamic data reveal that the distribution of seafloor sediment is strongly related to oceanographic processes and the particular morphology and topography of the Ría.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

Sediment budget monitoring of a debris-flow torrent (French Prealps)

The Manival near Grenoble (French Prealps) is a very active debris-flow torrent equipped with a large sediment trap (25 000 m3) protecting an urbanized alluvial fan from debris-flows. We began monitoring the sediment budget of the catchment controlled by the trap in Spring 2009. Terrestrial laser scanner is used for monitoring topographic changes in a small gully, the main channel, and the sediment trap. In the main channel, 39 cross-sections are surveyed after every event. Three periods of intense geomorphic activity are documented here. The first was induced by a convective storm in August 2009 which triggered a debris-flow that deposited ~1,800 m3 of sediment in the trap. The debris-flow originated in the upper reach of the main channel and our observations showed that sediment outputs were entirely supplied by channel scouring. Hillslope debris-flows were initiated on talus slopes, as revealed by terrestrial LiDAR resurveys; however they were disconnected to the main channel. The second and third periods of geomorphic activity were induced by long duration and low intensity rainfall events in September and October 2009 which generate small flow events with intense bedload transport. These events contribute to recharge the debris-flow channel with sediments by depositing important gravel dunes propagating from headwaters. The total recharge in the torrent subsequent to bedload transport events was estimated at 34% of the sediment erosion induced by the August debris-flow.

Magnitud y frecuencia del transporte fluvial de sedimento en una cuenca mediterránea semihúmeda

Este trabajo examina la magnitud y la frecuencia del transporte de sedimento (material disuelto, sedimento en suspensión y carga de fondo) en la cuenca de la riera de Arbúcies (Cordilleras Costeras Catalanas), a partir de los caudales diarios del periodo 1967-1992 y de las muestras de agua y sedimento obtenidas durante los años 1991 y 1992. Los resultados indican que el transporte en disolución es más uniforme en el tiempo que el transporte de material sólido, tanto en suspensión como de fondo. Los cálculos muestran que la carga sólida total depende sobre todo de crecidas frecuentes y de magnitud moderada, correspondientes al nivel de cauce lleno (bankfull). Cabe señalar, en este sentido, que los caudales bankfull suceden el 2,2% del tiempo y transportan el 56% del sedimento en suspensión y el 31% de la carga de fondo total anual. El caudal efectivo para el transporte de sedimento en este río es, por tanto, un suceso relativamente frecuente y de idéntica magnitud al caudal geomorfológicamente dominante o bankfull.

Aspereza equivalente de ríos con contorno granular grueso

El concepto de aspereza equivalente (ks) permite relacionar la resistencia al flujo de cauces de contorno granular con el tamaño de las partículas que lo conforman, mediante la ley logarítmica de distribución vertical de velocidad de la corriente. En este artículo se revisa el estado del conocimiento acerca de los criterios para la predicción de dicha relación con el objetivo de brindar una guía para la selección de los mismos. Pese a que el análisis de las experiencias compiladas desvela la dispersión de resultados, a efectos prácticos se recomienda para ríos de grava y de montaña: ks 3•d90; ks 3,4•d84 y ks 7•d50. Dicha dispersión y el hecho de que ks sea varias veces superior al diámetro medio del sedimento puede atribuirse en diferente grado: a la heterogeneidad del sedimento en lechos naturales, a las formas de fondo, al transporte sólido de fondo,así como a las limitaciones del modelo logarítmico de distribución de velocidad bajo ciertas condiciones de flujo. La predicción de ks en función de variables estadísticas del campo de elevaciones del lecho se ha revelado como una alternativa con una elevada capacidad explicativa, por lo que en la medida que avancen las técnicas microtopográficas se consolidará esta vía como el método del futuro.

Reconsidérer les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge de fond et la morphologie en rivière à lit de graviers : approches, échelles et analyses

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements.

Caractéristiques des structures turbulentes de l'écoulement et du transport en charge de fond en rivière à lit de graviers lors de la montée d'une crue

En rivière à lit de graviers, le transport des sédiments en charge de fond est un processus intermittent qui dépend de plusieurs variables du système fluvial dont la prédiction est encore aujourd’hui inexacte. Les modèles disponibles pour prédire le transport par charriage utilisent des variables d’écoulement moyen et la turbulence n’est généralement pas considérée malgré que les tourbillons contenus dans les écoulements possèdent une quantité d’énergie importante. L’utilisation de nouvelles approches pour étudier la problématique du transport par charriage pourrait nous permettre d’améliorer notre connaissance de ce processus déterminant en rivière alluviale. Dans ce mémoire, nous documentons ces composantes de la dynamique fluviale dans un cours d’eau graveleux en période de crue. Les objectifs du projet de recherche sont : 1) d’examiner l’effet du débit sur les variables turbulentes et les caractéristiques des structures turbulentes cohérentes, 2) d’investiguer l’effet du débit sur les caractéristiques des événements de transport de sédiments individuels détectés à l’aide d’un nouvel algorithme développé et testé et 3) de relier les caractéristiques de l’écoulement turbulent aux événements de transport de sédiments individuels. Les données de turbulence montrent qu’à haut niveau d’eau, l’écoulement décéléré est peu cohérent et a une turbulence plus isotrope où les structures turbulentes cohérentes sont de courte durée. Ces observations se distinguent de celles faites à faible niveau d’eau, en écoulement accéléré, où la plus grande cohérence de l’écoulement correspond à ce qui est généralement observé dans les écoulements uniformes en rivières graveleuses. Les distributions de fréquence des variables associées aux événements de transport individuel (intensité de transport moyenne, durée d’événement et intervalle entre événements successifs) ont des formes différentes pour chaque intensité de crue. À haut niveau d’eau, le transport est moins intermittent qu’à faible débit où les événements rares caractérisent davantage les distributions. L’accélération de l’écoulement à petite échelle de temps joue un rôle positif sur le transport, mais surtout lorsque la magnitude de la crue mobilisatrice est en dessous du niveau plein bord. Les résultats de l’étude montrent que les caractéristiques de la turbulence ainsi que les liens complexes entre l’écoulement et le transport par charriage sont fonction du débit.

Geochemistry and Minerology of Chaliyar River Sediments with Special Reference to the Occurrence of Placer Gold

The present work deals with the texture, mineralogy and geochemistry of bedload sediments of the main stream of the Chaliyar basin, a typical small drainage system of the tropics enjoying heavy rain fall and moderate climate, located essentially in the Northern Kerala and flowing over the crystalline rocks (and their laterized duricrust) of the South Indian granulite terrain. As the Chaliyar is the major river draining the Wynad Gold Fields and is known for its placer gold occurrences, the thesis gives special emphasize on understanding the nature and distribution of detrital gold in sediments of the basin, while attempting to infer the provenance characteristics and factors involved in the evolution of sediments in general. Minerologically the chaliyar basin sands are quartzose. The quartz and feldspar contents in the coarse sand fraction of the basin range from 64 to 86% and 2 to 16% respectively. The Q/F ration ranges from 4 to 38 with a slight decrease in the lower reaches. Other minerals present include, hornblende, pyroxene and heavy minerals like opaques, garnet, rutile, biotite, spene, silliminite, zircon, apatite and monazite some of which are seen as inclusions in quartz. The major element composition of Chaliyar bedload sediments in the main channel and the headwater tributaries is related to the mineralogical and textual characteristics of sediments.