Morphology and Morphodynamics of Braided Rivers: an Experimental Investigation
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Thèse n° 7504 Morphology and morphodynamics of braided rivers: an experimental investigation Présentée le 13 octobre 2020 à la Faculté de l’environnement naturel, architectural et construit Laboratoire d’hydraulique environnementale Programme doctoral en mécanique pour l’obtention du grade de Docteur ès Sciences par Daniel Vito PAPA Acceptée sur proposition du jury Prof. F. Gallaire, président du jury Prof. C. Ancey, directeur de thèse Prof. M. G. Kleinhans, rapporteur Dr P. Bohórquez Rodríguez de Medina, rapporteur Dr G. De Cesare, rapporteur 2020 Be realistic, demand the impossible! — Herbert Marcuse Alea jiacta est — Caius Iulius Caesar Remerciements Par où commencer la partie, probablement la plus dicile, d’une thèse ? Qui remercier en premier ? En dernier ? Ai-je oublié quelqu’un ? Va-t-il/elle se fâcher si je ne le/la mentionne pas ? Est-ce trop long ? Est-ce trop court ? Est-ce bien écrit ? Bon, pour ne pas rater ce dernier grand moment de science, je vais commencer par le début, à savoir par El Jefe. Merci Christophe de m’avoir donné l’opportunité de réaliser cette thèse. Je ne sais pas trop où tu avais la tête en m’engageant, mais au nal ça s’est plutôt bien terminé. On aura au moins pu discuter de pleins de sujets qui n’avaient pas grand-chose à voir avec ma thèse (et c’est tant mieux d’ailleurs), tu m’auras fait découvrir pleins de livres et d’auteurs que je n’aurais jamais connu sans toi. Et moi, ben on va dire que j’ai rafraîchi ton espagnol. Que dire ensuite du LHE ? Sacré laboratoire que ce LHE, bastion des graveleux. Une mention toute spéciale à Blaise, premier graveleux et fondateur d’une dynastie qui atteignit son apogée avec Gauthier avant de décliner inexorablement, comme toute dynastie, avec moi. J’espère que Bob gardera la amme du LHE bien au chaud et la fera revivre, comme il fait vivre tout le laboratoire. Désolé Christophe, mais le vrai chef c’est bien lui. Finalement, on n’a pas réussi à collaborer scientiquement, et peut être même qu’un jour on la fera notre fameuse publication des graveleux. Mais en attendant, on aura quand même bien rigolé entre l’île d’Oleron, l’AGU et autres joyeuseries du monde académique. Merci beaucoup les gars, sans vous je n’aurais rien réussi ! Je n’ai pas oublié le reste du labo, en particulier sa touche féminine. Une pensée à notre chère camarade du Parti Communiste Chinois, Zhenzhu, rentrée en Chine, et ses innombrables virées en montagne ainsi que ses anecdotes de voyages qui coloraient nos réunions du lundi après le fameux «lunch time guys ». Merci à Barbara, sans qui toutes les vacances, heu..., les conférences et autres déplacements seraient impossibles. Compañero latinoamericano Tomás TT, gracias por traer un poco de nuestro querido y maltratado continente acá en las Europasy al laboratorio. Ivan il terribile, grazie per essere stato conquistato dalla piu grande generale che la storia umana abbia visto, ho nombrato Giulia Cesare. Morituri te salutant! (anche se veramente, qua il morituri sei tu di fronte a lei). Le LMS... que dire de ce laboratoire, repère de roches et de créatures étranges allant de l’escogrie au professore, le tout en passant par Mykonos. Je parle évidemment d’Etienne, Alessandro et Dimitrios. Je n’oublie pas non plus Severin, collègue du laboratoire « frère »(LCH) avec qui on aura partagé la halle hydraulique et les innombrables apéros GC sur la terrasse. Ces apéros (et autres festivitées en tous genres) n’auraient pas été les mêmes sans la présence de Darko, Steen, Luca, Andrea, Arnaud, et j’en oublie sûrement bien d’autres. Toute une sacrée bande de thésards sans qui le chemin du doctorat serait moins long, mais autrement moins amusant. Petite mention quand même à Bertil, ex-civiliste devenu thésard à son tour, pour la quantité d’objets oubliés dans tout l’EPFL et v Acknowledgements pour m’avoir aidé à construire mon expérience. Bonne chance pour ce qu’il te reste de thèse à parcourir. Les copains non thésards, vous avez aussi contribué à me faire trainer des pieds et à me retarder dans mon oeuvre. Je pense à Bernard, qui partagea mon bureau sans même faire parti du labo et qui a réussi l’exploit de se faire passer pour un post-doc. Mes collocs, Bastian et Johann, qui devront me prendre au sérieux maintenant et m’appeler docteur, à leur grand regret. À Eve et Hugo, qui ont dû me supporter pendant le connement et faire semblant de s’intéresser aux bêtises que je racontais. À ceux qui n’apparaissaient qu’une fois par an, quand il s’agissait d’aller à un festival (Samuel, tu t’es reconnu). À Merve qui n’a toujours pas compris que la salsa c’est dépassé et que la vraie danse, et bien c’est le tango. À ce propos, une mention toute spéciale à ArchiTango, dont j’ai été voté contre mon gré président, qui m’a fait découvrir à moi, moitié argentin, le tango en Suisse ! Je ne compte plus les heures de labo (oups, Christophe tu ne devrais pas lire ça) que j’ai consacré à répondre aux mails kilométriques de Joël et organiser des milongas plutôt que de faire avancer la science. Mais ça en aura valu la peine car, la vida es una milonga y hay que saberla bailar! Enn, last but not least comme disent les anglais et surtout pour que mes parents anglophones comprennent quelque chose, je voudrais remercier tout particulièrement ma famille. Merci maman, merci papa, je ne sais pas si vous avez contribué en quoi que ce soit, à part peut-être m’avoir élevé, éduqué, nourri (ça c’était dur et coûteux), enn des broutilles quoi. Les trois autres par contre, qui à part s’allier contre moi à Super Smash Bros ne m’ont rien apporté, je ne sais pas quoi leur dire. Enn si, je sais quoi vous dire: que vous êtes nuls au foot, à Smash et au piano. Et que ce n’est pas pour rien que je suis votre Grand frère à tout jamais. Les dedico un pensamiento muy grande a mi queridísima Nona Fina y a mi querido padrino Gramática. Espero que allá desde el cielo puedan leer estas lineas. Lausanne, le 5 Octobre 2020 Daniel Vito Papa vi Abstract Braided rivers form some of the most fascinating uvial patterns found on Earth. They are identiable by their unique morphology of complex networks of intertwined channels that spread across wide oodplains. Detailed knowledge of their dynamics is needed to dene proper river management strategies that can address both human needs (e.g. protection against oods, bank migration, etc.) and natural needs (e.g. the preservation of fauna and ora, river restoration, etc.). Recently, the study of braided rivers has undergone signicant progress. Developments in the areas of laboratory experiments, monitoring techniques and eld surveys, in addition to new paradigms in the eld of geosciences and mathematical modelling have greatly improved our understanding of braided rivers. However, many ques- tions remain unanswered. Is it possible to predict the long-term evolution of a braided river under steady ow conditions? More fundamentally, where do the braided pattern emerge from? Does it grow out of an intrinsic ow instability? And, if this is the case, which one? The present work aims to ll two specic gaps in the current state of knowledge: the dynamics of braided river networks and the development of a morphodynamic model that uses a non-equilibrium bedload formula that can predict bedforms that ultimately produce braiding. This thesis studied the dynamics of the braided networks experimentally. Two laboratory-scale experiments were performed from which we extracted and investigated the braided network’s temporal evolution. A set of variables describing the network was determined –namely the number of nodes, the number of links and the network’s total link length. These variables were shown to relate to the ow conditions. Moreover, the evolution of the braided network was described by identifying similar network congurations as modes. The modes’ evolution was well captured by their probability. Using a Markov process, we were ultimately able to reproduce the probability of occurrence of those modes. A morphodynamic model based on the shallow-water equations and a stochastic-based bedload transport formula was developed. Applying linear stability theory, we were able to obtain marginal stability curves that predicted the development of bedforms. Two types of bedforms were identied: two-dimensional bedforms (antidunes and dunes) and three-dimensional bedforms (bars). The results agreed well with the literature. The present work was the rst morphodynamical model to predict the development of both dunes and bars within the same framework using shallow-water equations. Moreover, we were able to show, albeit qualitatively, the inuence of particle diusion–present in the bedload transport equation– in the development of bedforms. Keywords: braided rivers, laboratory modelling, morphodynamics, bedload transport, linear stability theory vii Contents Remerciements v Abstract vii List of gures xii List of tables xiv Nomenclature xvii 1 Introduction 1 1.1 Why braiding matters?.....................................1 1.2 What is braiding?........................................2 1.2.1 Experimental approach to braided dynamics......................3 1.2.2 Morphodynamical approach..............................4 1.3 Points requiring clarication..................................6 1.3.1 Open questions about the braided dynamics......................6 1.3.2 Open questions about bedload and morphodynamics.................7 1.4 Thesis’ goals and objectives...................................9 1.4.1 Thesis’ goals......................................9 1.4.2 Thesis’s objectives...................................9 1.5 Thesis’ organisation....................................... 11 2 Material & Methods 13 2.1 Experimental ume......................................