Stream power and geomorphic effects of flash floods

As one of the most devastating natural hazards, flash floods are responsible for major and abrupt geomorphic effects in the fluvial system as well as significant loss of life and socio-economic damages. Flash floods are characterized by strong spatio-temporal rainfall variability and therefore show variations in discharge and energy expenditure: associated geomorphic effects depend on geological controls on channel geometry and sediment characteristics, as well as on variations in flood intensity. Geomorphic effects usually take the form of erosional and depositional modification of the pre-flood channel. The central question of this thesis is to evaluate why flash floods of similar magnitudes and intensities sometimes produce dissimilar geomorphic results. The use of peak instantaneous hydraulic flow parameters such as discharge, velocity, shear stress, and stream power to quantify geomorphic changes has commonly been non-deterministic. This thesis aims at investigating how factors such as channel geometry, substrate, and flood magnitude and duration can interact and influence geomorphic effectiveness of high magnitude floods. A combined analysis of data from post-flood surveys and hydrological modelling permitted a comprehensive hydro-geomorphic investigation of seven major flash flood that occurred between 2007 and 2014 in different hydro-climatic regions in central and southern Europe. High peak discharge coupled with long flow duration ensured significant geomorphic impacts in Mediterranean basins. Values of stream power are generally consistent with observed geomorphic changes in the studied cross sections. However, bedrock channels show the highest values of energy expenditure but no visible erosion, whereas major erosion has been observed in alluvial channels. The trends in semi-alluvial channels urge the recognition of local or event-specific conditions that increase the resistance of channel bed and banks to erosion. Short flow duration caused major sedimentological effects but limited channel widening in most semi-alluvial channels. Eight rivers that were highly affected by three of the studied flash floods were selected for detailed analysis and modelling of the contiguous downstream variability in stream power. Power functions adequately interpreted the systematic downstream increase in peak discharge, whereas contrary to the usual exponential function, a quadratic function better interpreted the high downstream variability in channel gradient. The performance of the resulting empirical models for cross-sectional stream power and unit stream power were essentially influenced by channel gradient. The availability of high-resolution pre- and post-flood satellite images allowed assessment of channel changes along seven of these channels. Statistical analysis indicated that hydraulic forces alone are not adequate to interpret the rate of channel widening, which is primarily influenced by the degree of channel confinement. Together with lateral confinement, unit stream power better predicted channel widening in steep channels, whereas cumulative energy expenditure was relatively better for moderate channel reaches. The use of different erosion-resistance thresholds to quantify the geomorphological changes of riverbeds supports the conclusion that the determination of these changes is much more difficult than to determine the hydraulic variables involved.

Le piene improvvise (flash flood) sono fra i processi naturali più devastanti e sono responsabili di rilevanti e subitanei effetti morfologici, nonché della perdita di vite umane e di gravi danni economici. Le piene improvvise sono caratterizzate dalla forte variabilità spazio-temporale delle precipitazioni innescanti, cui consegue una forte variabilità delle portate e della potenza della corrente. Gli effetti geomorfologici delle piene improvvise dipendono sia dal controllo che l’assetto geologico esercita sulla geometria del canale e sulle caratteristiche del sedimento, sia dall’intensità della piena. Gli effetti geomorfologici delle piene improvvise si manifestano attraverso processi sia erosivi che deposizionali che determinano variazioni nell’assetto del canale rispetto alle condizioni antecedenti l’evento. La questione centrale di questa tesi è valutare perché piene improvvise di simile intensità producano talvolta effetti morfologici nettamente differenti. L’uso dei valori istantanei massimi di variabili di tipo idraulico, quali la portata, la velocità, lo sforzo tangenziale e la potenza della corrente, si è spesso rivelato non conclusivo nel quantificare i cambiamenti morfologici. Questa tesi mira a studiare come fattori quali la geometria del canale, il substrato, l’intensità e la durata dell’evento possano interagire e influenzare l’azione morfologia delle piene improvvise. Un’analisi combinata, basata rilievi post-evento e sulla modellazione idrologica, ha consentito di caratterizzare sette importanti eventi di piena improvvisa verificatisi fra il 2007 e il 2014 in diverse regioni dell’Europa centrale e meridionale. Nei bacini mediterranei gli elevati valori delle portate di picco, uniti alla durata relativamente lunga degli eventi, hanno determinato le condizioni favorevoli a significativi impatti geomorfologici. I valori della potenza della corrente sono generalmente coerenti con i cambiamenti morfologici osservati. Inoltre, i canali in roccia mostrano i valori di dispendio energetico più elevati ma senza erosioni apprezzabili, mente ingenti fenomeni di erosione sono stati osservati in canali alluvionali. Gli andamenti dei processi geomorfologici nei canali semi alluvionali richiedono il riconoscimento di situazioni locali che aumentano la resistenza del letto del canale e delle sponde all’erosione, o di condizioni specifiche di un particolare evento. Piene di breve durata causano talvolta abbondante trasporto solido, peraltro non associato a significativi allargamenti del canale nella maggior parte degli alvei semi-alluvionali. Otto corsi d’acqua, individuati fra quelli maggiormente interessati da tre delle piene studiate sono stati scelti per ulteriori analisi e per la modellazione della variazione longitudinale dei valori della potenza della corrente. Funzioni di potenza interpretano adeguatamente l’aumento verso valle delle portate di picco, mentre funzioni quadratiche si sono dimostrate più soddisfacenti delle relazioni esponenziali comunemente utilizzate per rappresentare la variazione longitudinale della pendenza dell’alveo. Le prestazioni dei modelli empirici per la variazione longitudinale della potenza della corrente per unità di larghezza dell’alveo (unit stream power) evidenziano il fondamentale controllo esercitato dalla pendenza dell’alveo. La disponibilità di immagini satellitari ad elevata risoluzione riprese prima e dopo gli eventi oggetto di studio ha permesso di valutare le modifiche del canale lungo sette di questi canali. Analisi statistiche hanno indicato che le sole variabili idrauliche non sono sufficienti per interpretare il tasso di allargamento del canale, che è principalmente influenzato dal grado di confinamento del canale stesso. Insieme al confinamento laterale, la potenza della corrente per unità di larghezza dell’alveo appare un valido predittore dell’allargamento in alvei ad elevata pendenza, mentre l’energia complessiva della corrente calcolata per l’intero evento fornisce prestazioni migliori nell’interpretare la variabilità dell’allargamento dell’alveo in canali a pendenza moderata. L'uso di differenti soglie di resistenza all’erosione per quantificare i cambiamenti geomorfologici degli alvei supporta la conclusione che la determinazione di tali cambiamenti è molto più difficile della determinazione delle variabili idrauliche coinvolte.