Coupling sediment supply from hillslope hydrology and fluvial morphodynamics at tropical mountain basins

Abstract

Mountain basins are open dynamic systems which organize at multiple scales to transform hillslope sediment supply to fluvial sediment transport. In a given river reach, its form and sediment regime depend on basin processes and are contingent to geomorphic history. Lack of such information makes modelling the way to estimate this spatiotemporal context. However, there is a gap of combining spatiotemporal variability of hydrology and landslides sediment supply with its effect: the feedback between channel form and sediment transport. Hillslope and fluvial modules of a new model called Fluvial Hydro- Geomorphology Model (FHGM) are produced which, in hollows and river reaches that are deformable, encapsulates complexity via parameterization or random forcing. FHGM solves responses to every major rain event, and accumulate them in decadal timescale, to include occurrence of channel forming floods as well as landslides with varied sizes and source zones. FHGM landslides module reproduces power law spatial distribution of landslide volumes, as well as magnitud and frecuency of sediment supply. FHGM fluvial module, calibrated with a new gravel flume experiment, reproduces a broad range of morphologic conditions, from incised to clogged, and produces mean bankfull capacity consistent to mean maximum annual flood and with empirical dimensionless hydraulic geometry patterns for channel depth and width. This work shows how mountain basins organize to minimize the duration of formative events, by editing channels capacity and deforming sediment storages to recover stability and structure; a resilience akin to living beings.

Las cuencas monta˜ nosas son sistemas din´amicos abiertos que se organizan en m´ ultiples escalas para transformar el suministro de sedimentos de las laderas en transporte fluvial de sedimentos. En un tramo de r´ıo determinado, su forma y el r´egimen de sedimentos dependen de los procesos de la cuenca y de la historia geom´orfica. La falta de dicha informaci ´on hace que la modelaci´on sea la forma de estimar este contexto espaciotemporal. Sin embargo, existe una brecha en la combinaci´on de la variabilidad espaciotemporal de la hidrolog´ıa y el suministro de sedimentos por deslizamientos de tierra con su efecto: la retroalimentaci´on entre la forma del canal y el transporte de sedimentos. Se producen m´odulos de ladera y fluviales de un nuevo modelo denominado Fluvial HydroGeomorphology Model (FHGM) que, en vaguadas y tramos de r´ıo deformables, encapsula la complejidad mediante parametrizaci´on o forzamiento aleatorio. FHGM resuelve las respuestas a cada evento de lluvia importante y las acumula en una escala de tiempo devi cenal, para incluir la ocurrencia de inundaciones que forman canales, as´ı como deslizamientos de tierra con diversos tama˜nos y zonas de origen. El m´odulo de deslizamientos de FHGM reproduce la distribuci ´on espacial de la ley potencial de vol ´umenes de deslizamientos, as´ı como la magnitud y frecuencia del suministro de sedimentos. El m´odulo fluvial FHGM, calibrado con un nuevo experimento de canal de grava, reproduce una amplia gama de condiciones morfol´ogicas, desde incisamiento hasta colmataci´on, y produce una capacidad media de banca llena consistente con la inundaci´on anual m´axima media y con patrones de geometr´ıa hidr´aulica adimensionales emp´ıricos para la profundidad y el ancho del canal. Este trabajo muestra c´omo las cuencas de monta˜na se organizan para minimizar la duraci´on de los eventos formadores, modificando la capacidad de los canales y deformando los dep´ositos de sedimentos para recuperar la estabilidad y la estructura; una resiliencia similar a la de los seres vivos.