La typologie et les caractéristiques hydromorphologiques des cours d'eau wallons

peer reviewe

Flash floods and muddy floods in Wallonia: recent temporal trends, spatial distribution and reconstruction of the hydrosedimentological fluxes using flood marks and sediment deposits

Flash floods and muddy floods may cause severe human and material damage despite their small spatial extent and low occurrence. In late May 2008, a major event has affected the area of Liège. This paper describes the methodology used to reconstruct the hydrosedimentological parameters of the flood from the geomorphological evidences observed in the field. Bed load and suspended load transport rates estimated during this extreme event were compared to the average values observed in other Walloon rivers and more specifically in the Ardennes Massif. The spatial distribution and the temporal evolution of the flash flood and muddy flood events are then analysed across Wallonia based on several works compiling press archives since the early twentieth century. The biases associated with this type of historical sources and the consequences of flash floods and muddy floods on the vulnerability and the risk of flooding in Wallonia are finally addressed.Les crues éclairs et les coulées boueuses, malgré leur extension spatiale réduite et leur occurrence peu fréquente, peuvent être à l’origine de dégâts importants tant sur le plan matériel que sur le plan humain. Fin mai 2008, un événement majeur a affecté la région liégeoise. Ce papier décrit la méthodologie employée pour reconstituer, en milieu forestier, ses paramètres hydrosédimentologiques à partir des éléments géomorphologiques observés sur le terrain. Les taux de transport de la charge de fond et de la charge en suspension au cours de cet événement extrême sont comparés aux valeurs moyennes observées dans d’autres rivières wallonnes et plus spécifiquement dans le massif ardennais. La répartition spatiale et l’évolution temporelle des crues éclairs sont ensuite analysées à l’échelle de la Wallonie sur base de plusieurs travaux académiques compilant l’ensemble des événements recensés dans la presse depuis le début du XXème siècle. Les biais liés à ce type de sources historiques sont abordés ainsi que les conséquences des crues éclairs sur la vulnérabilité et le risque d’inondation soudaine en Wallonie

Characterisation of sand transport in gravel-bed rivers using iron slag dated by historical studies

Considerable quantities of iron-smelting slag are present in the bed of the Ardennian rivers. These waste products come from hundreds of ironworks (mainly blast furnaces and finery forges) built close to different-sized rivers between the 14th and the 19th centuries. In general, slag was crushed by hammers, sorted and piled up in heaps around the furnaces, generally onto the floodplains. Furthermore, some archives mention that they were sometimes thrown out directly into the rivers. This means that for centuries, slag elements have been swept away by floods, mixed with the sediment and spread out along river courses. Due to their distinctive appearance, slag particles are easily recognizable among the natural elements. Thanks to many historical studies conducted on the early iron industry, we are able to date quite precisely the inception and the periods of activity of the different sites established in the catchments. These data are indispensable in order to use slag as a tracer to quantify the particles’ velocity in rivers. Downstream of ironworks, samples of sand have been collected in the surface layer of many gravel-bed rivers. Then, the slag concentration of each sample has been measured in the coarse sand fraction. The representation of the longitudinal evolution of slag concentration in these rivers permits the dispersion of slag to be analysed, the relative bed-material discharges at confluences to be quantified and the velocity of coarse sand to be determined. A survey of the bedload discharge in the Ardennian rivers established that more than 90 % of the bedload transport consists of coarse sand grains that are transported on the bottom of the bed. However, in the literature, this grain-size fraction is generally not considered in bedload discharge estimations because the sandy particles are very difficult to tag and to recover. Consequently, the huge amounts of slag injected in rivers several centuries ago can be considered as a very useful opportunity to characterise the sand transport in gravel-bed rivers

Unit stream power as a base for regional river typology

In order to assess the hydromorphological quality of surface waters, stakeholders need river typologies accurate and functional enough to be a really efficient management tool. From a typological study based a broad set of hydromorphological field data, we have shown that some variables, like the unit stream power (), are particularly appropriate to describe the dynamics of a river. Initial results of repeated measurement in more than 80 sites revealed a regional differentiation based on critical values of stream power at bankfull discharge. The aim of this study is to present a unit stream power mapping for the whole network based on general equation = g Q S / w, with the density of water, g the acceleration due to gravity, Q the discharge, S the slope and w the channel width). Slope is extracted from DEM. Bankfull discharge and width estimations are furnished by allometric equations using the watershed area. Different coefficients are used according to regional differentiations based on bedload size and watershed permeability. The statistical significance of all equations was tested by covariance analysis. A correction taking into account the used log-log scale, was also applied to the obtained allometric equations (Fergusson, 1988). Using a 30 x 30 meters DEM, GIS routines were developed. A first one automatically sectorizes the network and a second evaluates the unit streamspower in each location. We propose a 7-level classification in accordance with the associated morphological processes describe in the literature (from fixed meanders to step-pools system). The mapping unit starts at the Strahler second order. Our results not only support a regional typology, but moreover allow us to describe natural regions in function of river dynamics and to estimate the resistance of restoration works like vegetal techniques. It can also provide estimates of the excess stream power (the fraction of the actual stream power exceeding the power at which bedload particles start to move). (Fergusson, R.,I., 1988. River loads underestimated by rating curves, Water Resour. Res., 24(7), 1217–1219.

Etude du transport de la charge de fond des rivières grâce aux résidus de la sidérurgie ancienne

En dynamique fluviale, différentes techniques de marquage sont couramment utilisées dans le but de cerner les critères de mise en mouvement de la charge de fond, de déterminer la compétence des cours d’eau et d’estimer les distances de charriage. Toutefois, ces résultats sont basés sur des mobilisations d’éléments isolés et sur des pas de temps relativement courts. Il est donc difficile d’extrapoler ces données au déplacement de l’ensemble de la charge de fond vu l’existence de sites de piégeage, au sein même du lit mineur, qui peuvent immobiliser les éléments pendant de très longues périodes. Une méthode originale a toutefois été développée au laboratoire d’Hydrographie et de Géomorphologie fluviatile (ULg), pour étudier le transport de la charge de fond sur un pas de temps nettement plus long. Cette méthode consiste à utiliser les scories, rejetées en grande quantité par les anciens fondeurs dans les rivières, comme traceur de la progression de la charge de fond. Pendant plusieurs siècles, les scories se sont intimement mélangées avec les éléments naturels de la charge de fond et ont progressé conjointement. La taille des scories présentes sur les seuils permet donc d’estimer la compétence effective des rivières. Par ailleurs, les périodes de fonctionnement des sites sidérurgiques sont généralement connues. Sur la base des distances parcourues par les scories, il est donc possible d’évaluer la vitesse de progression des éléments de la charge de fond

Bedload progression in gravel bed rivers using iron slag as a tracer

In fluvial dynamics studies, different methods are used to evaluate bedload transport and particle travel lengths. However, results are mostly based on a few transported elements and on a relatively short time scale. Consequently, it is difficult to extrapolate these results to whole bedload, because of the burying of particles into the subsurface layer or the trapping of elements in fluvial forms (point bars, riffles, …), which can immobilise elements during long periods. Bedload progression has been evaluated in Ardenne rivers using slag elements produced by the past factories established along rivers between the 14th and the 19th centuries. Important quantities of slag were dumped close to rivers or even directly into channels. For several centuries, slag elements were dispersed in the bedload and transported by floods of varying importance. Consequently, slag can be considered as a tracer to analyze bedload progression over several centuries. The size of slag elements has been studied in many Ardenne rivers. The longitudinal size trend of the largest slag particles allows us to determine the effective competence of rivers and to analyze the hydraulic sorting. Moreover, downstream of some metallurgic sites, we have constrained the presence of slag elements to the most downstream riffles. Because we know from historical studies the periods of activities of these sites, we may estimate the speed of bedload progression in several gravel bed rivers from the Ardenne Massif (2-3 km/century)

Techniques de marquage de la charge de fond des rivières

Durant près d’une décennie, nous avons analysé le transport de la charge de fond dans une gamme de rivières de taille différente et situées dans des contextes géomorphologiques variés, au sein du massif ardennais. Pour ce faire, des techniques de marquages traditionnels ont été mises en oeuvre (marquage de placette à la peinture, injection de galets peints) et des méthodes innovantes ont également été testées et développées (galets équipés d’émetteur radio, de pit-tag ou d’une charge métallique). Chacune de ces méthodes permet de déterminer certains aspects du transport de la charge de fond (paramètres de mobilisation, distance de charriage, compétence, échanges verticaux dans la couche active, tri hydraulique). Le type de marquage utilisé doit également être adapté aux caractéristiques intrinsèques de la rivière (pente, largeur, débit, espacement seuil mouille), de la charge de fond (granularité des sédiments, épaisseur de la couche active), de la disponibilité en matériaux et de l’héritage géomorphologique. Une étude systématique des taux de récupération des galets, des temps de mise en oeuvre, de la représentativité des résultats nous permet de présenter une première synthèse méthodologique détaillant les avantages et les inconvénients des différentes techniques en fonction du résultat escompté et du type de rivière

Study of the bedload transport in gravel bed rivers

Bedload transport has been studied in Ardenne rivers using different methods. Experiments with marked pebbles were carried out on gravel bed rivers in order to determine critical parameters of mobilisation. The tracking of more than 1000 elements marked with PIT-tags (Passive Integrated Transponder) has been performed on different sized rivers during three hydrological seasons. These surveys allowed us to determine the initial motion of bed material, to measure the distance of particle travel from flood to flood, to reconstruct the trajectories of pebbles, to analyze the burying of particles into the subsurface layer and to identify the trapping sites and their effects on the bedload progression. On the same rivers, the thickness of the active bed layer has been measured using scour chains. It appears that the mobilised layer thickness increases with specific stream power. Bedload discharge of several floods has also been estimated crossing the active layer thickness and the mean progression distance of marked pebbles. Pits have been dug across the bed of a gravel bed stream (catchment area of 12 km²) in order to trap all particles moving on the bed. Volume of sediments trapped has been measured after each flood event and the largest elements mobilised have been measured. These observations show that bedload trapped is clearly more important that bedload discharge estimated by the method of scour chains and marked pebbles. This difference is for the most part explained by the trapping of sandy matrix from the subsurface layer, which is also moving on the bed. In this headwater stream (forested floodplain), the specific bedload discharge is only 0.4 t.km-1.year-1. Such a value is relatively low in comparison with other Ardenne rivers (up to 2,5 t.km-1.year-1), but may be partly explained by numerous vegetation logjams, which slow down bedload progression and increase bed roughness

Etude du transport des sables dans les rivières à charge caillouteuse à partir des scories métallurgiques datées à l’aide de sources historiques

De grandes quantités de scories sidérurgiques sont présentes dans les sédiments des rivières ardennaises. Ces éléments proviennent de centaines d’établissements établis le long des cours d’eau entre le 14ème et le 19ème siècle. Lors de l’exploitation, ces déchets étaient rejetés à proximité des sites sidérurgiques, voire directement déversés dans les cours d’eau. Cela signifie que depuis plusieurs siècles, de grandes quantités de scories de taille variée, se sont mélangées aux alluvions naturelles. Leur couleur et leur éclat les différencient aisément des éléments naturels. Les lieux et périodes d’exploitations sont connus précisément grâce à de nombreuses sources historiques, ce qui rend les scories particulièrement utiles comme marqueurs du déplacement des sédiments dans les cours d’eau (Houbrechts et al., 2011). Dans plusieurs rivières du massif ardennais, des échantillons de sédiments sableux ont été prélevés en aval d’anciens sites métallurgiques. La concentration en scories a été mesurée dans la fraction des sables grossiers (1680 – 2360 µm). La dispersion longitudinale des scories permet d’estimer la vitesse d’avancée des alluvions sableuses. Les sables grossiers constituent une part importante des sédiments transportés dans le fond du lit des cours d’eau. En effet, le suivi d’un piège à sédiment dans un cours d’eau ardennais (la Chavanne) à montré qu’ils représentent plus de 90 % de la charge solide transportée sur le fond des rivières. La présence de scories dans le lit des cours d’eau permet également d’estimer l’épaisseur de la couche active de charriage durant les derniers siècles

CM diagrams of Ardennian rivers

Une méthode d’interprétation des données granulométriques a été proposée par Passega (1957 ; 1964) afin de différencier les dépôts issus de différents modes de transport en milieu fluviatile et marin (suspension uniforme, suspension gradée, roulage). Elle consiste à utiliser deux centiles caractéristiques (D99 et D50) d’une courbe granulométrique d’un sédiment, à les reporter sur un graphique à double échelle logarithmique et à comparer la position du point avec un modèle (Image CM) déterminé sur la base d’échantillons prélevés dans des dépôts pour lesquels les conditions de mise en place sont connues. Plusieurs études ont montré que cette méthode permettait également de différencier les faciès sédimentaires en fonction des caractéristiques granulométriques des sédiments qui s’y déposent et donc de déterminer a posteriori les conditions de sédimentation et de transport des alluvions anciennes. Toutefois, de nombreux paramètres spécifiques à chaque cours d’eau influencent les caractéristiques de l’Image CM et il n’existe pas d’Image universelle transposable à tous les environnements fluviatiles (Bravard et Peiry, 1999). Cet article présente une dizaine d’Images CM de rivières ardennaises, obtenues sur la base d’échantillons prélevés dans des dépôts mis en place dans des conditions hydrodynamiques connues et pour lesquels le mode de mise en place pouvait être reconstitué. Le but de cet article est donc de fournir un outil fiable pour proposer des interprétations solides sur les conditions de sédimentation des dépôts fluviatiles anciens des rivières ardennaises et, d’une manière plus générale, de rivières de basses montagnes (ω = 15 à 150 W/m²) à lit caillouteux (Eifel, Vosges, Morvan …).A method of grain-size distribution data interpretation was proposed by Passega (1957; 1964) to differentiate the deposits of various modes of fluvial and marine transport (uniform suspension, graded suspension, rolling). This method consists of using two characteristic percentiles (D99 and D50) of a grain-size distribution sediment curve, that are applied to a chart with a double logarithmic scale. The position of the point is compared with a model (CM diagram) determined on the basis of samples collected from deposits for which the conditions of establishment are known. Several studies have also shown that this method allows sedimentary bedforms to be differentiated based on the grain-size characteristics of the sediments that have been deposited, thus permitting the conditions of sedimentation and the transport of old alluvium to be retrospectively determined. However, a number of parameters specific to each water course influence the characteristics of the CM diagram and there is not one universal diagram that may be transposed to all fluvial environments (Bravard and Peiry, 1999). This article presents tens of CM diagrams of Ardennian rivers, obtained on the basis of samples taken from deposits that were laid down in known hydrodynamic conditions and for which the mode of implementation can be reconstituted. The purpose of this article is therefore to provide a reliable tool to provide solid interpretations of the conditions of sedimentation of ancient fluvial deposits of the Ardennian rivers and, more generally, of gravel bed rivers (Eifel, Vosges, Morvan, etc.) in low mountain areas (ω = 15 to 150 W/m²)