Suspended sediment production and transfer in mesoscale catchments : a new approach combining flux monitoring, fingerprinting and distributed numerical modeling

par Magdalena Uber

Thèse de doctorat en Océan, Atmosphère, Hydrologie

Sous la direction de Cédric Legout et de Guillaume Nord.

Le président du jury était Frédéric Liébault.

Le jury était composé de Agnès Ducharne, Anne Probst, Luis Cea.

Les rapporteurs étaient Núria Martinez-Carreras, Axel Bronstert.

  • Titre traduit

    Origine et redistribution spatio-temporelle des matières en suspension dans les bassins versants : approche combinant observations des flux, traçage et modélisation distribuée


  • Résumé

    L’étude des mécanismes d’érosion hydrique des sols et de transfert de matières en suspension (MES) des bassins versants vers les rivières revêt des enjeux environnementaux et socio-économiques prégnants face à une pression anthropique grandissante et au changement climatique. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment la variabilité de la pluie contrôle l’activation de différentes zones sources de MES et la dynamique des flux hydro-sédimentaires dans deux bassins versants méditerranéens de méso-échelle, la Claduègne (42 km²) et le Galabre (20 km2) membres de l’infrastructure de recherche sur la zone critique OZCAR.Dans la première partie, les contributions des zones d'érosion aux MES à l’exutoire de la Claduègne ont été quantifiées à haute résolution temporelle avec une approche low-cost de traçage. Deux ensembles de traceurs (spectres colorimétriques et de fluorescence X) et trois modèles de mélange ont été comparés pour évaluer la sensibilité des contributions de sources à ces choix méthodologiques. Les principales sources de MES identifiées sont les zones de badlands marno-calcaires. Une approche similaire conduite sur le bassin versant du Galabre a mis en avant la dominance des badlands sur molasses dans les flux de MES. La comparaison des traceurs et des modèles de mélange, a montré que les choix méthodologiques génèrent des différences importantes, qui amènent à recommander une approche d’ensemble multi-traceurs-multi-modèle pour obtenir des résultats plus robustes. L’application de cette approche à un grand nombre d’échantillons de MES a souligné l’importante variabilité inter et intra évènements des contributions des différentes sources de MES, soulevant des questions sur les processus hydro-sédimentaires à l'origine de la variabilité des flux de MES.Le concept de connectivité hydrosédimentaire a été testé en posant l’hypothèse que cette variabilité résultait de distributions des temps de transfert des MES très variables contrôlées par i) les caractéristiques inhérentes aux bassins versants comme la localisation des différentes sources de MES et la façon dont elles sont liées à l’exutoire (i.e. connectivité structurelle) et ii) les caractéristiques spatio-temporelles des évènements pluvieux qui activent et impactent les vitesses de transfert (i.e. connectivité fonctionnelle). Ainsi, dans la deuxième partie, un modèle numérique distribué basé sur la résolution des équations de Saint Venant couplé à un module d’érosion multi-sources de MES, a été utilisé pour évaluer les rôles respectifs des connectivités structurelle et fonctionnelle. L’analyse de sensibilité aux choix de discrétisation et de paramétrisation (i.e. seuil d’aire drainée pour distinguer la rivière des versants, valeurs de coefficients de frottement sur les versants et la rivière) a montré que la localisation des sources de MES dans le bassin versant était plus importante que les choix de modélisation à condition que les paramètres soient dans une gamme réaliste et limitée. Un schéma général de réponse temporelle du bassin versant par type de sources a été observé, cohérent avec les résultats de l’approche de traçage et la distribution des distances des sources à la rivière et à l'exutoire. Ce même schéma persiste pour différentes durées ou intensités des précipitations mais devient beaucoup plus variable lorsque des hyétogrammes bimodaux ou des précipitations variables dans l'espace sont appliquées. En outre, la localisation de la pluie par rapport aux sources détermine les contributions moyennes des sources et donc les différences entre les événements de pluie.Les deux approches de traçage des MES et de modélisation numérique se sont avérées complémentaires et leur application combinée présente un fort potentiel pour comprendre comment les interactions entre connectivité structurelle et fonctionnelle contrôlent la dynamique des flux de MES aux exutoires de bassins versants de méso-échelle.


  • Résumé

    The study of soil erosion by water and the transfer of suspended solids from watersheds to rivers is crucial given the environmental and socio-economic issues with regards to growing human influence and the expected intensification of these processes under climate change. The objective of this thesis is to understand how rainfall variability controls the activation of different sediment source zones and the dynamics of hydro-sedimentary flows in two mesoscale Mediterranean catchments, i.e. the Claduègne (42 km², subcatchment of the Ardèche) and the Galabre (20 km2 , subcatchment of the Durance) which are members of the OZCAR critical zone research infrastructure.In the first part, the contributions of the erosion zones to sediment fluxes at the outlet of the Claduègne catchment were quantified at high temporal resolution with a low-cost sediment fingerprinting approach. Two sets of tracers (Color and X-ray fluorescence tracers) and three mixing models were compared to assess the sensitivity of estimated source contributions to these methodological choices. Marly-calcareous badlands were identified as the main sediment source. A similar approach carried out on the Galabre catchment area showed that badlands on molasses were the main source. The comparison of tracer sets and mixing models, showed that the methodological choices generated important differences. Thus, we suggest a multi-tracer-multi-model ensemble approach to obtain more robust results. The application of this approach to a large number of sediment samples highlighted the important within and between event variability in the contributions of different sediment sources, raising questions about the hydro-sedimentary processes that cause this variability.We hypothesized that this variability resulted from variable suspended sediment transit time distributions governed by the interplay of (i) catchment characteristics such as the location of different sources and how they are linked to the outlet (referred to as structural sediment connectivity) and (ii) the spatio-temporal characteristics of rain events that activate and impact transfer velocities (i.e. functional connectivity).Thus, in the second part, a distributed numerical model based on the resolution of Saint Venant equations coupled to a multi-source erosion module was used to evaluate the respective roles of structural and functional connectivity. Sensitivity analysis of the discretization and parameterization choices (i.e. threshold of contributing drainage area to identify the river network, values of roughness coefficients on hillslopes and the river) showed that the location of the sediment sources in the watershed was more important than the modeling choices when the parameters were limited to realistic range. A general temporal pattern of source contributions was observed. This was consistent with the results of the fingerprinting approach and the distribution of distances from the sources to the river and the outlet. The same pattern persists for different rainfall durations or intensities but became much more variable when bimodal hyetographs or spatially variable precipitation was applied. In addition, the location of the rainfall with respect to the sources determined the average contributions of the sources and thus differences between rainfall events.The two approaches, sediment fingerprinting and numerical modeling, were found to complement each other and their combined application has a high potential for understanding how interactions between structural and functional connectivity control the dynamics of sediment fluxes in mesoscale catchments.


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