Modelling step formation and collapse in steep streams

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Modelling step formation and
collapse in steep streams

 Doctoral Thesis

 Author(s):
 Saletti, Matteo

 Publication date:
 2016

 Permanent link:
 https://doi.org/10.3929/ethz-a-010781515

 Rights / license:
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DISS. ETH No 23778

MODELLING OF STEP FORMATION
AND COLLAPSE IN STEEP STREAMS

             A thesis submitted to attain the degree of

           DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH

                       (Dr. sc. ETH Zurich)

                           presented by

                     MATTEO SALETTI

 (M.D. Environmental and Land Engineering, University of Trento)

                        born on 27.05.1985
                          citizen of Italy

                accepted on the recommendation of

               Prof. Dr. Paolo Burlando, examiner
               Prof. Dr. Peter Molnar, co-examiner
              Prof. Dr. Marwan Hassan, co-examiner
                  Dr. Alain Recking, co-examiner

                               2016

Abstract

Steep catchments in mountain regions contain streams which dominate the cumulative
length of river networks but they have been historically much less studied than their
lowland fluvial counterparts. They present special characteristics that make them more
complex, such as (a) a wide grain-size distribution both for the bed material and the
transported sediment, ranging from sand to large boulders, (b) a geomorphic coupling
with adjacent hillslopes, from where they receive discontinuous but large sediment inputs,
(c) a rather stable channel morphology that is modified by large flood events, often with
negative consequences for civil engineering infrastructure. This dissertation focuses on
one of the most commonly encountered steep channel type: the step-pool morphology. In
these streams, large boulders and woody debris create high channel-spanning structures
(steps) followed downstream by pools due to the tumbling water flow. Step-pool sequences
are destroyed and reformed by floods with a return period of usually more than 50 years
but their formation and stability are topics still under debate. Many theories have been
proposed and tested against experimental and field data in the last decades, but a modeling
effort to simulate the conditions leading to step formation and survival is missing.
This dissertation fills this gap by building a model for step-pool systems. The dissertation
starts by exploring the processes of sediment transport in an experimental step-pool chan-
nel, where sediment transport rates are measured at high sampling frequency for different
grain sizes. Results reveal and quantify some of the complex feedbacks between changes in
channel morphology and pulses in sediment transport, showing the existence of the Hurst
phenomenon in bedload transport records. The difference in the temporal pattern of dis-
placement and transport for different grain sizes is shown and quantified, with important
implications for sediment transport dynamics and sampling in steep streams.
The main part of the dissertation is devoted to a new reduced-complexity particle-based
model to simulate the step-pool morphology: CAST (Cellular Automaton Sediment Trans-
port). The model contains phenomenological rules for sediment supply, particle entrain-
ment and deposition, and basic granular interactions for uniform sediment, that can be
treated in a deterministic or stochastic manner. CAST reproduces basic processes ob-
served in natural streams, such as the fluctuations in transport rates and the exponential

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distributions of particle travel distances. In unsteady simulations, by changing flow and
sediment supply conditions, and by considering the granular effect of particle blocking and
jamming, CAST shows the temporal dynamics of the formation and stability of steps, in
agreement with the jammed-state hypothesis of Church and Zimmermann [2007].
The main limitation of single grain transport was addressed in an advanced version of the
model, CAST2 , where 2 different grain-sizes are considered and the jammed state is pa-
rameterized in more realistic way, based on field observations. CAST2 produces a stepped
morphology that shares common features with observations made in the Erlenbach, a step-
pool stream located in the Swiss Alps, in terms of longitudinal profiles of bed elevation
and step density. Moreover, the effect of flood frequency and randomness of inter-arrival
times is explored in unsteady simulations with multiple floods. Numerical results indi-
cates a major effect of flood frequency on step density, in that a more pronounced step
morphology is obtained in the case of high flood frequency. Flood randomness plays a
subordinate role: high-flood-frequency simulations have a slightly larger step density in
the case of constantly-spaced floods compared to the case of randomly-spaced floods.
This dissertation presents the first modeling effort specifically designed to address the topic
of step formation and stability in steep streams. The results shown here highlight the im-
portance of granular phenomena that need to be considered together with hydraulics and
sediment supply conditions in order to properly assess steep stream dynamics, where the
grain-size distribution includes large, mostly immobile, boulders. Moreover, the reduced-
complexity framework explored here can be used to study interactions between sediment
transport and channel morphology in other fluvial systems where self-organization pro-
cesses generate a wide spectrum of bedforms and bed structures.

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Sommario

I bacini montani a forte pendenza (i.e. torrenti) costituiscono la grande maggioranza del
reticolo fluviale terrestre ma nonostante ciò sono stati storicamente assai meno studiati
della loro controparte di pianura a minor pendenza. I torrenti presentano alcune caratter-
istiche peculiari, che li rendono assai complessi, come ad esempio (a) una granulometria
del materiale trasportato e al fondo molto ampia, che va da sabbia fine a massi grossi,
(b) un legame diretto coi processi di versante, da cui ricevono in maniera discontinua ma
spesso intensa materiale solido e (c) una morfologia piuttosto stabile, modificata da eventi
alluvionali intensi che possono arrecare danni ad infrastrutture civili. Questa tesi si con-
centra su una delle tipologie morfologiche più comuni dei torrenti: i cosiddetti step-pool.
Grossi massi e tronchi di legno creano strutture elevate che occupano solitamente l’intera
larghezza dell’alveo (i cosiddetti step), seguite a valle da piccole aree a pendenza negativa
o nulla scavate dal flusso dell’acqua proveniente dai gradini. Le sequenze di step-pool
vengono distrutte e riformate durante piene di tempi di ritorno di più di 50 anni ma è
tuttora oggetto di dibattito quali siano precisamente le condizioni per la loro formazione
e stabilità. Negli ultimi decenni sono state proposte diverse teorie, basate su osservazioni
di campo e studi sperimentali, ma manca uno sforzo in termini modellistici per simulare
le condizioni minime per la formazione e la stabilita’ degli step.
Questa tesi inizia esplorando i processi di trasporto solido in canali a step-pool riprodotti
in canaletta di laboratorio, dove il trasporto solido e’ stato misurato ad alta frequenza
di campionamento e per diverse granulometrie. I risultati rivelano e quantificano alcuni
dei feedback presenti tra mutamenti morfologici e picchi di trasporto solido, mostrando
l’esistenza del fenomeno di Hurst nelle serie temporali del trasporto di fondo. Viene
mostrata e quantificata la differenza nell’evoluzione temporale di erosione e trasporto di
materiale di diverse dimensioni, con importanti implicazioni per le dinamiche di trasporto
e campionamento di materiale solido nei torrenti.
La parte principale della tesi è dedicata un nuovo modello particellare a complessità ri-
dotta: CAST (Cellular Automaton Sediment Transport). Questo modello contiene regole
fenomenologiche per la parametrizzazione della portata solida, dell’erosione e del deposito
di particelle e di interazioni granulari elementari per granulometria uniforme, che possono

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essere trattate in maniera deterministica o stocastica. CAST riproduce alcuni processi
osservati nei sistemi naturali, quali le fluttuazioni nel trasporto solido e la distribuzione
esponenziale delle distanze percorse dalle singole particelle. In simulazioni numeriche non
stazionarie, cambiando le condizioni idrauliche e la portata solida e considerando le inter-
azioni granulari che portano al blocco e all’incastro (i.e. jamming) delle particelle, CAST
riproduce le dinamiche temporali di formazione e stabilita’ degli step-pool, in accordo con
l’ipotesi di ’jammed-state’ proposta da Church e Zimmermann, [2007].
La maggiore limitazione di CAST (i.e. la granulometria uniforme) è stata affrontata in una
versione più avanzata del modello, CAST2 , in cui vengono considerate due diverse gran-
ulometrie e il blocco e incastro di particelle (i.e. jammed state) viene parametrizzato in
maniera più realistica, sulla base di osservazioni di campo. CAST2 riproduce una morfolo-
gia a gradoni con caratteristiche simili a quelle osservate nell’Erlenbach, un torrente delle
Alpi svizzere con morfologia a step-pool, in termini di profili longitudinali di elevazione
del fondo e densità di gradoni. Inoltre, l’effetto della frequenza e della casualità di eventi
di piena e’ stato studiato attraverso simulazioni numeriche non stazionarie, adottando
ripetuti eventi di piena. I risultati indicano un effetto rilevante della frequenza delle piene,
al cui aumentare cresce la densità di gradoni nelle simulazioni. La casualità dei tempi di
ritorno gioca invece un ruolo secondario: solo nel caso di alta frequenza delle piene si nota
un leggero incremento nella densità dei gradoni in simulazioni con piene equidistanti tra
loro, rispetto al caso di piene distanziate casualmente.
Questa tesi rappresenta il primo tentativo di modellare numericamente la formazione e la
stabilita’ di strutture a gradoni nei torrenti. I risultati mostrati sottolineano l’importanza
del considerare fenomeni granulari, insieme alle condizioni idrauliche e sedimentologiche
al fine di una più corretta stima delle dinamiche dei torrenti, in cui la granulometria com-
prende grandi massi spesso immobili. Inoltre, il modello a complessità ridotta sviluppato
in questa tesi può essere usato per studiare le diverse interazioni tra trasporto solido e
morfologia d’alveo in diversi sistemi fluviali, dove processi autogenici possono generare un
ampio spettro di forme e strutture di fondo.

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