The rapid recession of glaciers due to climate warming is increasing the total surface of proglacial margins, landscapes relatively poor at first in terms of organic matter but shaped by high geomorphic activity, including hillslope processes and river morphodynamics. Under suitable conditions, proglacial forefields may develop and contain morphologically active braid plains. These are zones of accumulation, transport and erosion of glacially-outwashed sediment characterized by a network of shallow, unstable channels which continually shift their position in response to discharge and sediment load variation associated with glacial meltwater and sediment supply.
Field measurements, numerical simulations and scaled laboratory experiments have all been used to study the formation, maintenance and evolution of these fluvial systems. However, knowledge on how forefield morphodynamics interact with upstream boundary conditions (i.e. subglacial sediment export and meltwater runoff variation), and the effects of these interactions on downstream sediment transport, is still lacking. This gap arises from practical limitations related to the inability to collect continuous (subglacial) sediment transport rates, notably for bedload sized sediment, concurrent with spatially extensive, high resolution and high precision information on river morphodynamics.
Given the above, the core aim of the thesis is to undertake the first, coupled study of the relationship between continuous records of subglacial sediment export, proglacial forefield morphodynamics and downstream sediment fluxes for a retreating Alpine glacier. The focus is on the Glacier d’Otemma proglacial floodplain (south-western Swiss Alps), a region particularly suitable for this study as characterized by a high disconnectivity between the valley-sidewalls and the valley-bottom minimizing hillslope influences on the river. A set of methodological approaches for continuously quantifying sediment transport for both suspended sediment and bedload particles through the proglacial forefield were deployed. The comparison of sediment transport data collected at the glacier terminus with that at the forefield outlet using established signal post-processing techniques revealed that morphodynamic processes rapidly filter (i.e. dampen and delay) the subglacial sediment export signal related to bedload, while that of suspended sediment passes almost unimpeded through the proglacial margin.
To understand the operation of this filter, an intensive survey of fluvial morphodynamics and surface sedimentology was undertaken. Daily drone surveys of the floodplain were used to quantify spatial patterns of erosion and deposition. Central to the latter was the development of a heuristic model for predicting water depth distribution in highly-turbid braided rivers to generate elevation models for both dry and inundated areas. These were then combined with the subglacial sediment export rates to quantify the influence of proglacial morphodynamics for downstream sediment transport. Changes in the balance between glacial sediment supply and transport capacity resulted in rapid changes in river morphodynamics. During periods when subglacial bedload supply exceeded transport capacity there was aggradation in the forefield, accompanied by more intense bar construction, increased channel instability and rising braiding intensity and surficial coarsening of floodplain deposits. The forefield acted as a sink for both bedload and suspended load sediment. In contrast, when the subglacial bedload export rates were lower than transport capacity, the forefield continued to act as a sediment sink for fine sediment, but the system was net degradational for bedload sediment.
To generalize these findings to situations with different topographical, sedimentological and hydrological settings, it was used an hydromorphological calibrated with field-collected data. Results confirmed the central role of the supply to transport capacity ratio in determining both proglacial stream geomorphic response and downstream sediment delivery rates; with lower ratios leading to more hydraulically efficient scenarios and more ready transfer of the subglacial sediment export signal to downstream. However, this effect was also influenced by larger-scale forcing of valley topography including accommodation space, suggesting that the filtering effect varies between geomorphological settings.
The results of this thesis demonstrate that proglacial forefields play a significant role for the sediment connectivity between glacier termini and downstream regions. These findings have important implications for natural hazards mitigation, ecosystem development, hydropower plants management and glaciological studies in the actual context of rapid glacier recession.
--
La rapide récession des glaciers due au réchauffement climatique accroît la surface totale des marges proglaciaires, paysages relativement pauvres en matière organique mais façonnés par une activité géomorphologique intense, comprenant les processus de versant et la morphodynamique fluviale. Dans des conditions géomorphologiques appropriées, des marges proglaciaires peuvent se former et contenir des cours d’eau tressés morphologiquement actifs. Ces derniers sont des zones d'accumulation, de transport et d'érosion des sédiments glaciaires caractérisées par un réseau de chenaux peu profonds et instables qui changent continuellement leur position en réponse aux variations de débit et de charge sédimentaire associées à la fonte glaciaire et à l'approvisionnement en sédiments.
Les mesures sur le terrain, les simulations numériques et les expériences de laboratoire à l'échelle réduite sont des outlis qui ont été utilisés pour étudier la formation, la maintenance et l'évolution de ces systèmes fluviaux. Cependant, les connaissances dont la morphodynamique des avant-pays interagit avec les conditions limites en amont (c'est-à-dire l'exportation de sédiments sous-glaciaires et la variation du ruissellement de fonte), et les effets de ces interactions sur le transport sédimentaire en aval, font encore défaut. Cette lacune découle de limitations pratiques liées à l'incapacité à collecter en continu des taux de transport de sédiments (sous-)glaciaires, notamment pour les sédiments transportés en contact avec le lit du cours d’eau, simultanément avec des informations spatialement étendues, à haute résolution et précision sur la morphodynamique fluviale.
L'objectif principal de la thèse est d'entreprendre la première étude couplée de la relation entre les enregistrements continus de l'exportation de sédiments subglaciaires, la morphodynamique des marges proglaciaires actives et les flux sédimentaires aval pour un glacier alpin en retrait. L'accent est mis sur la plaine d'inondation proglaciaire du Glacier d'Otemma (Alpes suisses du sud-ouest), une région particulièrement propice à cette étude car caractérisée par une forte déconnexion sédimentaire entre les versants et le fond de la vallée. Un ensemble d'approches méthodologiques pour quantifier en continu le transport de sédiments en suspension et du charriage de fond à travers la marge proglaciaire ont été déployé. La comparaison des données de transport de sédiments collectées au terminus du glacier avec celles à la sortie du système proglaciaire à l'aide de techniques de post-traitement du signal ont révélé que les processus morphodynamiques filtrent rapidement (atténuent et retardent) le signal d'exportation de sédiments sous-glaciaires lié au charriage, tandis que celui des sédiments en suspension passe presque sans entrave à travers la marge proglaciaire.
Pour comprendre le fonctionnement de ce filtre, une enquête intensive sur la morphodynamique fluviale et la sédimentologie de surface a été menée. Des relevés quotidiens par drone de la plaine d'inondation ont été utilisés pour quantifier la distribution spatiale d'érosion et de dépôt. Au cœur de cette analyse, il y avait le développement d'un modèle heuristique pour prédire la distribution de la profondeur de l'eau dans les rivières tressées très turbides afin de générer des modèles numériques de terrain pour les zones sèches et inondées. Ces derniers ont ensuite été combinés avec les taux d'exportation de sédiments sous-glaciaires pour quantifier l'influence de la morphodynamique proglaciaire sur le transport sédimentaire aval. Les changements dans l'équilibre entre l'approvisionnement en sédiments glaciaires et la capacité de transport ont entraîné des changements rapides dans la morphodynamique fluviale. Pendant les périodes où l'exportation en charriage sous- glaciaires dépassait la capacité de transport, il y avait une aggradation de la plaine alluviale, accompagnée d'une construction de barres plus intense, d'une instabilité accrue des chenaux et d'un grossissement des dépôts superficiels. La marge proglaciaire a agi comme un puits pour les sédiments fins et grossiers. En revanche, lorsque les taux d'exportation de sédiments de charriage sous-glaciaires étaient inférieurs à la capacité de transport, la plaine alluviale a continué à agir comme un puits pour les particules fines, mais le système était en nette dégradation pour les sédiments grossiers.
Pour généraliser ces résultats à des situations avec des configurations topographiques, sédimentologiques et hydrologiques différentes, un modèle hydromorphologique a été calibré avec les données collectées directement sur le terrain. Les résultats ont confirmé le rôle central du rapport entre l'approvisionnement et la capacité de transport pour la détermination de la réponse géomorphologique des rivières proglaciaires et des débits sédimentaires vers l’aval; avec des ratios plus faibles conduisant à des scénarios plus hydrauliquement efficaces et un transfert plus facile du signal d'exportation de sédiments sous-glaciaires à travers la marge proglaciaire. Cependant, cet effet était également influencé par les forçages à plus grande échelle de la topographie de la vallée, notamment l'espace d'accommodation et la pente, suggérant que l'effet de filtrage varie beaucoup en fonction des configurations géomorphologiques.
Les résultats de cette thèse démontrent que les cours d’eau proglaciaires tréssés jouent un rôle significatif pour la connectivité sédimentaire entre les terminus glaciaires et les régions aval. Ces résultats ont d'importantes implications pour l'atténuation des risques naturels, le développement des écosystèmes, la gestion des centrales hydroélectriques et les études glaciologiques dans le contexte actuel de rapide récession des glaciers.
--
Il riscaldamento climatico sta modificando profondamente il paesaggio alpino, causando una rapida recessione dei ghiacciai e aumentando la superficie totale dei loro margini, detti margini proglaciali. I margini proglaciali sono zone relativamente povere in materia organica ma modellate da un'attività geomorfologica intensa, compresi i processi di versante e la morfodinamica fluviale. In condizioni geomorgologiche adeguate, possono formarsi margini proglaciali ospitanti corsi d’acqua intrecciati e morfologicamente attivi. Questi corsi d’acqua sono zone di accumulo, trasporto ed erosione dei sedimenti glaciali e sono caratterizzati da una fitta rete di canali poco profondi e instabili che cambiano continuamente la loro posizione in risposta alle variazioni di portata e di carico sedimentario che, a loro volta, sono associati alla fusione glaciale e all'approvvigionamento in sedimenti.
Gli strumenti utilizzati in passato per studiare la formazione, il mantenimento e l'evoluzione di questi sistemi fluviali sono le misure sul campo, le simulazioni numeriche e gli esperimenti di laboratorio in scala ridotta. Tuttavia, si conosce ancora poco di come l'esportazione di sedimenti subglaciali e la variazione del deflusso di fusione a monte interagisca con la morfodinamica dei margini proglaciali attivi, e gli effetti di queste interazioni sul trasporto sedimentario a valle. Questa lacuna deriva da limiti pratici legati all'incapacità di raccogliere in modo continuo e simultaneo sia i tassi di trasporto di sedimenti (sotto-)glaciali (in particolare per i sedimenti trasportati in contatto con il letto fluviale), sia le informazioni sulla morfodinamica fluviale su ampie superfici, ad alta risoluzione e di alta precisione.
Considerando quanto sopra, l'obiettivo principale della tesi è di intraprendere il primo studio congiunto della relazione tra registrazioni continue dell'esportazione di sedimenti subglaciali, morfodinamica dei corsi d’acqua proglaciali intrecciati e flussi sedimentari a valle per un ghiacciaio alpino in ritirata. La zona di studi scelta per questa tesi è la pianura alluvionale proglaciale del Ghiacciaio di Otemma (Alpi svizzere sud-occidentali), una regione particolarmente adatta per questo progetto poiché caratterizzata da una forte disconnessione sedimentaria tra i versanti e il fondo valle attenuante l’apporto di sediment verso il fiume. Il margine proglaciale è stato analizzato usando molteplici approcci metodologici per quantificare in modo continuo e simultaneo sia il trasporto di sedimenti in sospensione, sia il trasporto di sedimenti di fondo. I dati di trasporto dei sedimenti raccolti al portale glaciale sono stati confrontati con quelli all'uscita del margine proglaciale utilizzando tecniche di post- elaborazione del segnale; tali dati hanno rivelato che i processi morfodinamici filtrano rapidamente, ovvero attenuano e ritardano, il segnale di esportazione di sedimenti subglaciali legato al trasporto di fondo, mentre quello dei sedimenti in sospensione passa quasi senza ostacoli attraverso il margine proglaciale.
Per comprendere il funzionamento di questo filtro, è stata condotta un'indagine intensiva sulla morfodinamica fluviale e sulla sedimentologia superficiale. Sopralluoghi giornalieri con drone della pianura alluvionale sono stati utilizzati per quantificare la spazialità dell’erosione e della deposizione. Al centro di quest'ultimo vi era lo sviluppo di un modello euristico per predire la distribuzione della profondità dell'acqua nei fiumi intrecciati torbidi al fine di generare modelli numerici del terreno sia per le aree asciutte che per le aree inondate. Questi ultimi sono stati poi combinati con i tassi di esportazione di sedimenti subglaciali per quantificare l'influenza della morfodinamica proglaciale sul trasporto sedimentario a valle. I cambiamenti nell'equilibrio tra l'approvvigionamento di sedimenti sotto-glaciali e la capacità di trasporto hanno comportato cambiamenti rapidi nella morfodinamica fluviale. Durante i periodi in cui l'approvvigionamento sotto-glaciale di ghiaia superava la capacità di trasporto, c'era una aggradazione della pianura alluvionale, accompagnata da una costruzione di isole più intensa, una maggiore instabilità dei canali, un'intensificazione dell’’intreccio, e un ingrossamento dei depositi superficiali. Il margine proglaciale ha agito come un pozzo sia per i sedimenti grossieri che per quelli fini. Al contrario, quando i tassi di esportazione sotto-glaciale di ghiaia erano inferiori alla capacità di trasporto, la pianura alluvionale ha continuato ad agire come un pozzo per i sedimenti fini, ma il sistema era netto degradativo per i sedimenti grossieri.
Per generalizzare questi risultati a situazioni con diverse configurazioni topografiche, sedimentologiche e idrologiche, è stato utilizzato un modello idromorfologico calibrato e validato utilizzando dati raccolti direttamente sul campo. I risultati hanno confermato il ruolo centrale del rapporto tra approvvigionamento sedimentario e capacità di trasporto nella determinazione sia della risposta geomorfologica dei corsi d'acqua proglaciali sia dei tassi d’esportazione sedimentaria a valle; con rapporti più bassi che portano a scenari più idraulicamente efficienti e un trasferimento più facile del segnale di esportazione di sedimenti subglaciali attraverso il fiume proglaciale. Tuttavia, questo effetto è anche influenzato da fattori a più grande scala come la topografia della valle, in particolare lo spazio di alloggiamento laterale e la pendenza, suggerendo che l'effetto di filtraggio varia tra le configurazioni geomorfologiche.
I risultati di questa tesi dimostrano che i margini proglaciali attivi svolgono un ruolo significativo per la connettività sedimentaria tra i termini glaciali e le regioni a valle. Questi risultati hanno importanti implicazioni per la mitigazione dei rischi naturali, lo sviluppo degli ecosistemi, la gestione delle centrali idroelettriche e gli studi glaciologici nel contesto attuale di rapida recessione dei ghiacciai.
--
Die rasche Gletscherschmelze infolge der Klimaerwärmung vergrößert die Gesamtfläche der proglazialen Ränder, Landschaften, die anfangs relativ arm an organischem Material sind, aber durch hohe geomorphologische Aktivität, einschließlich Hangprozesse und Flussmorphodynamik, geformt werden. Unter geeigneten Bedingungen können sich proglaziale Vorfelder entwickeln und morphologisch aktive verzweigte Flussebenen enthalten. Diese Zonen der Akkumulation, des Transports und der Erosion von glazial abgelagerten Sedimenten sind durch ein Netzwerk von flachen, instabilen Kanälen gekennzeichnet, die ihre Position kontinuierlich in Reaktion auf Abfluss- und Sedimentlaständerungen ändern, die mit Gletscherschmelzwasser und Sedimentzufuhr verbunden sind.
Feldmessungen, numerische Simulationen und maßstabsgetreue Laborexperimente wurden verwendet, um die Entstehung, Aufrechterhaltung und Entwicklung dieser Flusssysteme zu untersuchen. Es mangelt jedoch noch an Wissen darüber, wie die Morphodynamik der Vorfelder mit den Bedingungen am Oberlauf (d. h. dem subglazialen Sedimentexport und der Variation des Schmelzwasserabflusses) interagiert und welche Auswirkungen diese Interaktionen auf den Sedimenttransport flussabwärts haben. Diese Lücke entsteht aus praktischen Einschränkungen, die es unmöglich machen, kontinuierliche (subglaziale) Sedimenttransportraten zu erfassen, insbesondere für Sediment in Geschiebekornfraktion, zusammen mit räumlich ausgedehnten, hochauflösenden und präzisen Informationen über die Flussmorphodynamik.
Vor diesem Hintergrund ist das Hauptziel der Dissertation, die erste gekoppelte Studie zur Beziehung zwischen kontinuierlichen Aufzeichnungen des subglazialen Sedimentexports, der Morphodynamik proglazialer Vorfelder und den Sedimentflüssen flussabwärts für einen sich zurückziehenden alpinen Gletscher durchzuführen. Der Fokus liegt auf der proglazialen Überflutungsebene des Glacier d’Otemma (südwestliche Schweizer Alpen), einer Region, die sich besonders gut für diese Studie eignet, da sie durch eine hohe Dissoziation zwischen den Talwänden und dem Talboden gekennzeichnet ist, was den Einfluss von Hangprozessen auf den Fluss minimiert. Eine Reihe methodischer Ansätze zur kontinuierlichen Quantifizierung des Sedimenttransports für sowohl Schwebstoffe als auch Geschiebesedimente durch das proglaziale Vorfeld wurden eingesetzt. Der Vergleich der am Gletschertor gesammelten Sedimenttransportdaten mit denen am Ausgang des Vorfelds unter Verwendung etablierter Signalverarbeitungstechniken zeigte, dass morphodynamische Prozesse das Signal des subglazialen Sedimentexports, das mit Geschiebe verbunden ist, schnell filtern (d. h. dämpfen und verzögern), während das der Schwebstoffe fast ungehindert durch das proglaziale Vorfeld gelangt.
Um das Funktionieren dieses Filters zu verstehen, wurde eine intensive Untersuchung der Flussmorphodynamik und der Oberflächensedimentologie durchgeführt. Tägliche Drohnenvermessungen der Überflutungsebene wurden verwendet, um räumliche Muster von Erosion und Ablagerung zu quantifizieren. Im Mittelpunkt dieser Analyse stand die Entwicklung eines heuristischen Modells zur Vorhersage der Wassertiefenverteilung in stark trüben, verzweigten Flüssen, um Höhenmodelle für sowohl trockene als auch überflutete Bereiche zu erstellen. Diese wurden dann mit den subglazialen Sedimentexport-Raten kombiniert, um den Einfluss der proglazialen Morphodynamik auf den Sedimenttransport flussabwärts zu quantifizieren. Veränderungen im Gleichgewicht zwischen der glazialen Sedimentzufuhr und der Transportkapazität führten zu schnellen Veränderungen in der Flussmorphodynamik. Während Perioden, in denen die subglaziale Geschiebezufuhr die Transportkapazität überstieg, kam es zu einer Aufhöhung im Vorfeld, begleitet von intensiverer Barrenbildung, erhöhter Kanalinstabilität, gesteigerter Verzweigungsintensität und Oberflächenvergröberung der Überflutungsebenenablagerungen. Das Vorfeld fungierte als Senke sowohl für Geschiebe als auch für Schwebstoffe. Im Gegensatz dazu, wenn die subglazialen Geschiebe-Export- Raten unter der Transportkapazität lagen, fungierte das Vorfeld weiterhin als Senke für feine Sedimente, aber das System war netto degradiert für Geschiebesedimente.
Um diese Erkenntnisse auf Situationen mit unterschiedlichen topographischen, sedimentologischen und hydrologischen Gegebenheiten zu verallgemeinern, wurde ein hydromorphologisches Modell verwendet, das mit Felddaten kalibriert wurde. Die Ergebnisse bestätigten die zentrale Rolle des Verhältnisses von Zuführung zu Transportkapazität bei der Bestimmung der geomorphologischen Reaktion proglazialer Flüsse und der Sedimentlieferungsraten flussabwärts. Niedrigere Verhältnisse führten zu hydraulisch effizienteren Szenarien und einem leichteren Transfer des subglazialen Sedimentexport- Signals nach flussabwärts. Dieser Effekt wurde jedoch auch durch großmaßstäbliche Einflüsse der Taltopographie wie den Akkommodationsraum beeinflusst, was darauf hindeutet, dass der Filtereffekt zwischen geomorphologischen Einstellungen variiert.
Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass proglaziale Vorfelder eine bedeutende Rolle für die Sedimentkonnektivität zwischen Gletschertoren und flussabwärts gelegenen Regionen spielen. Diese Erkenntnisse haben wichtige Implikationen für die Minderung von Naturgefahren, die Entwicklung von Ökosystemen, das Management von Wasserkraftwerken und glaziologische Studien im aktuellen Kontext der raschen Gletscherschmelze.