Original paper
Réflexions sur le profil d’équilibre des cours d’eau IV.
[Reflections on the equilibrium profile of water flows IV.]
Birot, P.
Zeitschrift für Geomorphologie Volume 5 Issue 3 (1961), p. 226 - 249
79 references
published: Oct 7, 1961
ArtNo. ESP022000503006, Price: 29.00 €
Résumé
La concavité longitudinale du profil d'équilibre des cours d'eau semble résulter de la combinaison de trois facteurs : 1. La concentration du ruissellement dans un lit donné induit une croissance plus rapide de la force de transport que dans une fonction linéaire de ce ruissellement. 2. La déformation des déchets rocheux au fond du lit réduit automatiquement la taille des particules. 3. La diminution de la pente moyenne, qui se produit généralement de la source vers l'embouchure des rivières, influence la taille des graviers transportés des pentes vers le fond de la vallée. Cependant, la question de l'interrelation entre ces facteurs, en moyenne et dans chaque cas particulier, reste posée. Les différentes formules proposées par les ingénieurs hydrauliciens pour exprimer la force de transport d'un cours d'eau ne donnent pas de résultats suffisamment précis. Le fondement de la grande majorité de ces formules semble assez discutable car elles éliminent en grande partie l'influence de la turbulence. En définitive, nous ne pouvons déduire avec certitude que ceci : la puissance de transport croît plus rapidement que de façon linéaire avec le débit. La principale lacune est l'absence d'une étude systématique de la section transversale d'équilibre, qui influence en chaque point le profil longitudinal d'équilibre. Les règles empiriques qui déterminent manifestement les variations du profil transversal d'équilibre, ainsi que les modifications de la section longitudinale en fonction du débit, pourraient être comprises par une étude statistique prenant en compte la forme des lits de rivière et la morphométrie des bassins versants. À première vue, l'influence de l' augmentation du débit lors du développement de la concavité semble prédominante. Une solution est proposée pour concilier ce fait avec les conclusions opposées tirées d'expériences en canaux d'écoulement. Dans la troisième partie, les modifications de la taille des particules rocheuses dues à la déformation du lit de la rivière sont prises en compte et ce, d'un point de vue théorique et expérimental. La diminution de la taille des graviers mise en évidence lors d'études statistiques menées dans les rivières résulte également des modifications du transport des déchets depuis les pentes. Celles-ci dépendent, par ailleurs, de la distance rivière/sommet et de l'angle de pente. On peut tenter de comprendre quantitativement la capacité de transport du ruissellement pluvial, la solifluxion, etc. Bien que l'importance relative de ces facteurs soit assez variable, l'expérimentation semble justifiée pour tenter une méthode d'évaluation plus synthétique en se référant à des considérations relatives au bilan énergétique. À l'heure actuelle, il semble que la diminution de la taille des grains soit le facteur prédominant dans le développement de la concavité de la courbe de pente. Cette réduction résulte de la contrainte exercée sur le matériau dans la rivière et de la diminution de l'angle de pente qui, pour sa part, exprime à grande échelle l'influence de l'aspect structurel original de l'ensemble du massif montagneux soumis à l'érosion.
Kurzfassung
Es scheint, daß das konkave Längsprofil der Gleichgewichtskurve der Wasserläufe aus dem Zusammenwirken von drei Faktoren hervorgeht: 1. Die Konzentration des Abflusses in einem einzigen Bett muß die Transportkraft schneller anwachsen lassen als in linearer Funktion dieses Abflusses. 2. Die Beanspruchung des Schuttes, die sich automatisch am Grunde des Flußbettes abspielt, vermindert die Größe der Partikel. 3. Die Abnahme der mittleren Gehängeneigung, die normalerweise vom Ursprung gegen die Mündung der Flüsse hin eintritt, wirkt sich aus auf die Größe der Schotter, die von dem Gehänge dem Talgrund zugeführt werden. Man muß sich jedoch fragen, welches das Verhältnis dieser drei Faktoren zueinander im Mittel und in jedem Einzelfall ist. Die verschiedenen Formeln, die von den Hydraulikern vorgeschlagen wurden, um die Transportkraft eines Wasserlaufes zum Ausdruck zu bringen, ergeben keine hinreichenden bestimmten Ergebnisse. Die Grundlage der überwiegenden Mehrzahl dieser Formeln scheint sehr angreifbar, weil sie den Einfluß der Turbulenz im großen Maßstab ausscheiden. Insgesamt kann man mit Sicherheit nur das ableiten, daß die Transportkraft schneller wächst als im linearen Verhältnis zum Abfluß. Die wichtigste Lücke liegt im Fehlen einer systematischen Untersuchung des Gleichgewichtsquerprofils, das an jedem Punkt das Gleichgewichtlängsprofil beeinflußt. Die empirischen Regeln, die offenbar die Variationen des Gleichgewichtsquerprofils bestimmen, und ebenso die Veränderungen des Längsprofils in Abhängigkeit vom Abfluß und von der Oberflächengestalt des Einflußgebietes, können erfaßt werden in einer statistischen Untersuchung, die der Gestalt der Flußbetten und der Morphometrie der Einflußgebiete Rechnung trägt. Auf den ersten Blick erscheint der Einfluß der Zunahme des Abflusses bei Ausbildung der Konkavität überwiegend. Es wird eine Lösung vorgeschlagen, die diese Tatsache in Übereinstimmung bringt mit gegenteiligen Schlüssen, die aus Experimenten in Strömungskanälen gezogen wurden. Im dritten Teil werden die Veränderungen der Größe der Schuttpartikel infolge der Beanspruchung im Flußbett in Erwägung gezogen, und zwar sowohl unter theoretischen wie unter experimentellen Gesichtspunkten. Die Verminderung der Schottergröße, die sich bei statistischen Erhebungen in den Flüssen offenbart, ergibt sich auch aus den Veränderungen der Schuttzufuhr von den Gehängen. Diese wiederum hängen ab von der Entfernung Flußlauf/Gipfel und von dem Böschungswinkel. Man kann versuchen, die Transportkapazität der Abspülung der Solifluktion usw. quantitativ zu erfassen. Obgleich die relative Bedeutung dieser Agentien sehr stark variabel ist, scheint der Versuch gerechtfertigt, eine mehr synthetische Methode der Abschützung zu versuchen, indem man an Überlegungen an die Energiebilanz anknüpft. Beim gegenwärtigen Stand des Problems scheint es, als ob die Verminderung der Korngrößen der beherrschende Faktor bei der Ausbildung der konkaven Gefällekurve ist. Diese Verkleinerung ist das Ergebnis der Materialbeanspruchung im Flußbett und der Verminderung der Gehängeneigung, die ihrerseits wiederum in großem Maße den Einfluß des ursprünglich strukturellen Erscheinungsbildes des gesamten Gebirgskörpers, der der Abtragung unterliegt, zum Ausdruck bringt.
Abstract
The concave longitudinal section of the profile of equilibrium of water courses seems to originate from the co-operation of three factors: 1. The concentration of the run-off in an individual bed must induce the transporting power to grow quicklier than in the linear function of this run-off. 2. The strain which the rock waste suffers automatically at the bottom of the river bed reduces the size of the particles. 3. The decreasing of the average gradient of slope which normally occurs from the origin towards the mouths of the rivers influences the size of the gravels which are transported from the slopes to the valley bottom. But there is the question which interrelation exists between these factors on the average and in each individual case. The different formulas having been suggested by the engineers of hydraulics to express the transporting power of a water course do not yield sufficiently definite results. The basis of the vast majority of these formulas seems to be rather disputable because they eliminate on a large scale the influence of the turbulency. Altogether we can deduce with certainty only this that the transporting power grows quicklier than in the linear relation to the run-off. The most important deficiency is the absence of a systematic investigation of the equilibrium-cross section which influences at every point the equilibrium longitudinal profile. The empiric rules which obviously determine the variations of the equilibrium cross profile and also the alterations of the longitudinal section dependent on the run-off could be comprehended by a statistic investigation which makes allowances for the form of the river beds and the morphometry of the catchment areas. At first sight the influence of the increase of the run-off at the development of the concavity seems to be prevailing. A solution is suggested adjusting this fact to opposite conclusiones which have been drawn from experiments in flow channels. In the third part the alterations of the size of the rock waste particles due to the strain in the river bed are taken into consideration and what is more according to theoretical and experimental points of view. The decrease of the size of the gravels revealed at the course of statistic investigations in the rivers result also from the alterations of the waste transport from the slopes. These on the other hand are dependent on the distance river/summit and on the angle of slope. We may try to comprehend quantitatively the transporting capacity of the rain wash, the solifluction and so on. Although the relative importance of these agencies is rather variable the experiment seems too be justified to try a more synthetic method of evaluation by referring to considerations concerning the balance of energy. At the present state of the problem it seems as if the decrease of the grain size were the domineering factor for the development of the concave curve of gradient. This reduction is the result of the strain on the material in the river and the diminution of the angle of slope which for its part expresses on a large scale the influence of the original structural appearance of the whole mountain body being subjected to denudation.
Keywords
water runs • equilibrium • vertical profile