Despite a critical importance for current and future Alpine watershed management, bedload transport remains a difficult process to measure and to predict accurately. It is extremely complex to describe physically, and the lack of reliable and cost-effective field monitoring systems has limited progress in this field. Recent methodological advances in acoustic and seismic techniques have permitted major developments in the continuous monitoring of bedload transport in steep Alpine streams. The aim of this PhD thesis is to develop further and to apply those emerging techniques to gain a new understanding of coarse material mobilization, transfer and storage throughout Alpine watersheds.
The first objective of this thesis was to improve the calibration of the widely-used Swiss Plate Geophone (SPG) acoustic bedload monitoring system, because variability in calibration coefficients were observed within and between different SPG sites, which limits their universal transferability. An impact experiment was performed at four SPG stations and positively showed that individual plates within and across sites present in general comparable signal response, but signal propagation due to poor insulation was identified as an important reason for calibration coefficient variability. This aspect needs to be accounted so as to obtain transferable calibration coefficients for the SPG system, which will save substantial sensor-specific field calibration effort.
The second objective was to use five-years of SPG-acquired bedload transport time-series to understand how hydrological variability drove bedload transport in a nival-dominated Alpine watershed (Vallon de Nant), and to assess implications for how climate change might impact bedload transport in the future in such environments through its effect on Alpine hydrology. Results of the analysis emphasized the importance of combined rain and snow-melt events for yearly transported bedload volumes (77% on average), the non-negligible contribution of snowmelt-only events (14% on average), and the non-negligible but smaller contribution of late-summer and autumn rainfall events (9% on average). In terms of climate change, this implies that lower snowfall amounts and seasonal shift in both precipitation and melt periods may lead to enhanced bedload transport in winter and spring, and reduced bedload transport in summer and autumn, although the timing and magnitude of extreme rainfall events is likely to be key. Results of the study allow development of climate-sensitive Alpine watershed management strategies.
The third objective was to improve understanding of the spatial structure of bedload sediment supply and transport that lead to the kinds of temporal variations we observe at the watershed outlets. The difficulty of measuring distributed bedload transport reliably means that there are no data and very little understanding of this spatial structure. Environmental seismology has great potential in this context; sensors are cheap, easily deployable, and previous research has shown that reliable bedload transport time-series could be extracted from the seismic signal emitted by a stream. A network of 24 seismic sensors was deployed across the Vallon de Nant Alpine watershed during a high-magnitude bedload transport event, providing with a unique distributed dataset. Comparison of the seismic inversion procedure with the calibrated SPG time-series was encouraging. Results of the analysis emphasized the relative inefficiency of steep Alpine watersheds in conveying coarse material even during a high-magnitude event. Bedload moved slowly, and over short distances. Multiple periods of competent flow would be required to evacuate coarse material mobilized in the watershed during individual-sourcing events. This understanding has major implications for constraining the present and future of coarse material fluxes throughout steep Alpine watersheds. Seismic networks have the potential to capture the time-space variability in bedload transport; a necessary condition towards obtaining more accurate predictions of the process.
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Malgré son importance pour la gestion actuelle et future des bassins versants alpins, le charriage reste un processus difficile à mesurer et à prédire. La physique du processus est complexe, et le manque de techniques de mesure de terrain fiables et abordables a également limité les progrès dans la discipline. Les développements récents, notamment dans les techniques acoustiques et sismiques, ont permis des avancées majeures dans la mesure continue du charriage dans les rivières alpines. Le but de cette thèse de doctorat est d’affiner les connaissances sur ces nouvelles technologies, et d’en tirer profit afin d’étendre notre compréhension sur les flux sédimentaires dans les bassins versants de montagne.
Le premier objectif de cette thèse était d’améliorer la calibration du système acoustique de mesure du charriage Swiss Plate Geophone (SPG), car une variabilité conséquente des coefficients de calibration a été observée au sein et entre différentes stations SPG, ce qui limite leur transférabilité universelle. Un test d’impact a été effectué à quatre stations SPG, et a démontré avec succès que les capteurs individuels au sein et entre les différentes stations présentaient des réponses similaires, mais la propagation du signal à cause de problèmes d’isolation a été identifiée comme un facteur de contrôle important de la variabilité des coefficients de calibration. Cet aspect doit être pris en compte afin d’obtenir une calibration universelle du système SPG, ce qui va économiser un effort de terrain substantiel.
Le deuxième objectif était d’utiliser une série temporelle de charriage de cinq ans mesurée avec le système SPG afin de comprendre comment la variabilité hydrologique contrôle le charriage dans un bassin versant alpin dominé par la fonte de neige (le Vallon de Nant), et d’évaluer comment les changements climatiques pourraient affecter le charriage dans cet environnement via leurs effets sur l’hydrologie alpine. Les résultats de l’analyse montrent l’importance des événements mixtes (pluie et fonte de neige combinées) dans les masses annuelles de charriage mesurées (77% en moyenne), la contribution non-négligeable des événements de fonte (14% en moyenne), et la contribution non-négligeable mais plus faible des événements pluvieux à la fin de l’été et en automne (9% en moyenne). En termes de changements climatiques, cela signifie que la diminution des volumes de neige, et le décalage saisonnier des précipitations et de la fonte, pourraient résulter en des volumes charriés plus importants en hiver et au printemps, et plus faibles en été et en automne, bien que la temporalité et la magnitude des événements de pluie extrêmes vont être déterminantes. Les résultats de l’étude aident à développer des stratégies de gestion des bassins versants adaptées aux changements climatiques.
Le troisième objectif était d’améliorer la compréhension des flux sédimentaires au sein des bassins versants alpins qui conduisent à la variabilité que l’on observe aux exutoires. La difficulté à mesurer le charriage en des points multiples de manière fiable fait que peu de données existent et les connaissances sont très limitées. La sismique environnementale a un grand potentiel dans ce contexte : les capteurs sont bon marché, facilement déployable, et il a été démontré que des données de charriage fiables peuvent être extraites à partir du signal sismique émis par une rivière. Un réseau de 24 capteurs sismiques a été déployé au Vallon de Nant durant une forte crue, mettant à disposition un jeu de données unique. Après validation du modèle d’inversion sismique, les résultats de l’analyse montrent l’inefficacité relative des bassins versants alpins pour le transport par charriage, même pendant une crue importante, et soulignent le besoin de multiples périodes de hautes eaux pour évacuer le matériel grossier mobilisé durant des événements individuels. Ces résultats ont des implications importantes pour mieux cerner les flux sédimentaires actuels et futurs dans les bassins versants alpins, et les réseaux sismiques présentent un grand potentiel pour couvrir la variabilité spatiale et temporelle du charriage : une condition nécessaire pour améliorer la prédiction du processus.