In the Anthropocene, river basins have been affected by human impact both indirectly, e.g. through changes in climate and land-use, and directly, e.g. through river engineering and flow management. The Swiss Rhône basin is a notable example, where its Alpine tributaries are heavily impacted upon by climate warming and hydro-electric power exploitation (hydropower). Upstream, the Rhône’s catchment is responding to the accelerated release of unconsolidated sediment associated with a history of glacial recession and ongoing climate change. In parallel, there is extensive abstraction of flow for hydropower, a common practice throughout the European Alps, which strongly reduces river sediment transport capacity whilst, contrary to classical reservoir dams, maintains sediment supply to streams. Combined, these impacts affect the morphodynamics and sediment storage of Alpine streams and hence the downstream transfer of sediment to the main rivers such as the Rhône.In this thesis, the morphodynamics and sediment transfer of a left bank tributary of the Rhône, the Borgne d’Arolla, are studied in response to the combined effects of climate change and flow abstraction. The river has a strongly regulated flow with c. 90% of water abstracted at intakes. The intakes have to be flushed of sediment and most flow then occurs as a result of this short duration (typically 30 minutes to 2 hours) flushing. Additional flow can occur if the upstream water transfer tunnels are full and the intake has to be opened for longer duration. The result is that the stream bed is dry for most of the time, but perturbed by flushing events. This makes the field site well adapted for the quantification of morphological change, through the remote sensing of the dry braided river bed at timescales from the daily to the decadal. It also allows provides high quality flow records at the intakes, which also record flushing, and so allow reconstruction of sediment supply rates from the 1970s. The river bed level evolution since the onset of flow abstraction in the early 1960s was analysed through the development of Structure from Motion (SfM) photogrammetric techniques for application to archival imagery. This partly automated methodology allows for the generation of detailed and accurate historical Digital Elevation Models (DEMs), although it requires the careful consideration of photogrammetric principles, particularly in low-relief environments such as braided rivers. Over shorter timescales (daily) the river morphodynamics were monitored using a long-range terrestrial laser scanner.
The reaches just below the main intake show considerable aggradation (up to 5 meters) since the onset of flow abstraction. Widespread aggradation however did not commence until the onset of glacier retreat in the late 1980s and the dry and notably warm years of the early 1990s which intake records suggest led to an increase in upstream sediment supply. Surprisingly, most of the supplied sediment (c. 75%) was transferred through the studied reaches despite flow abstraction reducing transport capacity by an order of magnitude. This was because the natural transport capacity was substantially greater than sediment supply rates such that the reduction in capacity due to abstraction still allowed significant sediment flux. However, abstraction rendered the system more sensitive to internal and external forcing, whether ‘natural’ or human-induced.
The spatial and temporal distribution of sediment transport and morphological change within the reaches varies strongly between events with similar levels of forcing (imposed flow and sediment supply). This stresses the importance of antecedent conditions, i.e. river bed topography and sediment stored, and internal morphological feedbacks on sediment transport rates and challenges simplistic notions regarding the equilibrium morphology in these systems. The system sensitivity also leads to the rapid response of the river to climate-driven hydrological variability and climate induced changes in sediment delivery rates and intake system functioning. The flow abstraction itself was designed under different climatic conditions such that the transfer tunnels are no longer sufficient to transport all glacial melt under extreme summer temperatures. This led to a strong increase in non- regulated flood events when the intake is opened for longer durations of time. The onset of these events has had a major impact on the downstream export of sediment from the reaches. In the wider river basin, the climate driven increases in sediment supply are conveyed downstream and reflected in: (1) temporal trends in sediment mining in the tributary basin; (2) the abundance of headwater sediments in the river bed sediment composition near the tributary outlet; and (3) increasing suspended load at the outlet of the Rhône in Lake Geneva.
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Au cours de l’Anthropocène, les bassins versants alpins ont été affectés par les activités humaines de manière indirecte, via les changements climatiques et l’évolution des usages du sol, et directement à travers l’ingénierie des cours d’eau et la régulation des débits. Le bassin du Rhône suisse est un exemple notoire, ses tributaires alpins étant significativement impacté par le réchauffement
climatique et l’exploitation hydroélectrique. Les environnements alpins s’adaptent en réponse à l’accélération du taux de livraison de sédiments non-consolidés depuis l’amont en lien avec la récession glaciaire récente et les changements climatiques en cours. Parallèlement, beaucoup de
bassins versants alpins sont affectés par des prélèvements d’eau pour l’exploitation hydroélectrique. Cette pratique, commune à travers la chaine alpine, réduit drastiquement la capacité de transport des cours d’eau tout en laissant dans le lit l’entier de la masse sédimentaire, contrairement aux lacs de barrage qui tendent à stocker les matériaux et produire des déficits sédimentaires à l’aval.
Combinés, les impacts des changements climatiques et des prélèvements d’eau affectent ainsi la dynamique morphologique, la capacité de stockage et la capacité de transfert des tributaires alpins vers les émissaires principaux, le Rhône dans ce cas précis.
Dans ce travail de thèse, ce sont la dynamique morphologique et les transferts sédimentaires de la Borgne d’Arolla, tributaire du Rhône, qui ont été étudiés en réponse aux effets combinés des changements climatiques et des prélèvements d’eau pour la production hydroélectrique. Le caractère intermittent et hautement régulé des écoulements permet la quantification précise des changements morphologiques à travers la télédétection du lit pendant les périodes sèches où le débit est nul, et la reconstruction du taux de livraison sédimentaire depuis les années 1970 est rendue possible par les données de purge des captages. L’évolution du lit de la Borgne depuis le début de l’exploitation hydroélectrique au début des années 1960 a été étudié à travers l’application de méthodes photogrammétriques ‘Structure from Motion’ à des images aériennes historiques.
Cette méthode semi-automatique permet la production de modèles numériques de terrain historiques à haute résolution (MNTs), où la faible amplitude altitudinale des plaines alluviales alpines requière un contrôle consciencieux des résultats photogrammétriques.
Les résultats de l’étude montrent que le tronçon situé directement en aval du captage principal a subi une aggradation considérable (jusqu’à 5 mètres) depuis le début des prélèvements d’eau.L’aggradation du lit à plus large échelle n’a toutefois pas débuté jusqu’à l’initiation du retrait glaciaire à la fin des années 1980 et au cours des années particulièrement chaudes du début des années 1990 qui ont conduit à une augmentation dans le taux de livraison sédimentaire depuis l’amont. Malgré cela, les données montrent que la majeure partie des sédiments (environ 75%) ont pu être transférés à travers le tronçon d’étude. En effet, si les prélèvements d’eau ont significativement réduit la capacité de transport de la Borgne, il apparait que la capacité de transport résiduelle reste proche du taux de livraison depuis l’amont. Cet équilibre rend le système hautement sensible aux forçages
internes et externes, qu’ils soient ‘naturels’ ou anthropiques. La distribution spatiale et temporelle du transport sédimentaire et les changements morphologiques au sein des tronçons étudiés varient significativement entre des séquences intermittentes d’écoulement qui correspondent à des ‘purges sédimentaires’ des captages d’eau. Ceci souligne l’importance des conditions antérieures à la purge à l’aval du captage, notamment la morphologie des chenaux de la plaine alluviale et le stockage des sédiments en leur sein, ainsi que leurs rétroactions sur les taux de transport, pour la compréhension de l’équilibre morphologique de ces systèmes. La sensibilité du système conduit également à des réponses rapides face aux forçages externes liés aux changements climatiques et hydrologiques dans le bassin versant, notamment l’évolution des taux de livraison sédimentaire et la fréquence des purges des captages d’eau qui avait été dimensionnés par le passé sur la base de conditions climatiques plus froides. Ceci conduit à une forte augmentation de la fréquence des crues non régulées en raison de la surcharge du système de captage et de transfert des eaux, ce qui impacte significativement l’export de sédiment vers l’aval. Dans le bassin versant à plus large échelle,
l’augmentation du taux de livraison sédimentaire dû aux changements climatiques et sa propagation peuvent être perçus: (1) dans la variabilité temporelle des prélèvements de matériaux dans les carrières du bassin versant; (2) dans le volume des cônes de déjection à la confluence des tributaires avec les émissaires principaux; et (3) dans l’augmentation de la charge en suspension dans le delta du Rhône sur le lac Léman.