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This PhD thesis investigates the effect of a longitudinal change in floodplain land use on an overflooding river flow. We consider a transition between a meadow and a woodland and vice versa. This change in land use is associated with a change in hydraulic roughness, between a bed roughness (highly submerged meadow) and emergent macro-roughnesses (trees), respectively modelled by a plastic artificial grass and an array of emergent cylinders. The flows are experimentally investigated in an 18 m x 3 m laboratory flume. In a first step, we investigate the flow through a cylinder array in a single channel, focusing on the effect of bed roughness on the cylinder wakes and on the seiche phenomenon (strong free surface oscillations). In a second step, we study the development towards flow uniformity of compound channel flows with a uniform hydraulic roughness on the floodplains. The asymmetrical growth of the compound channel mixing layer, the self-similarity property and the three-dimensional organisation of the turbulent coherent structures associated with the mixing layer are analysed. In a third step, we investigate the longitudinal change in roughness in compound channel configuration, which effects on mixing layer and on coherent structures are discussed. We also assess the contributions to lateral transfers of momentum between main channel and floodplain by turbulent diffusion, by mass exchange and by secondary currents; Ce travail de thèse s'intéresse à l'effet d'une variation longitudinale de l'occupation du sol de la plaine d'inondation sur l'écoulement d'une rivière en débordement. Nous traitons le cas d'une transition entre une zone de prairie et une zone de forêt, et vice versa. Cette variation d'occupation du sol est associée à une transition de rugosité hydraulique entre une rugosité de fond (prairie fortement immergée) et des macro-rugosités émergées (arbres), modélisées respectivement par une moquette plastifiée et par un champ de cylindres. Ces écoulements sont étudiés en laboratoire dans un canal de dimension 18 m x 3 m. Dans un premier temps, nous considérons l'écoulement à travers un champ de cylindres émergents en lit simple, en étudiant l'effet du fond sur le sillage des cylindres et le phénomène de seiche (fortes oscillations de la surface libre). Dans un deuxième temps, nous nous penchons sur le développement vers l'uniformité d'un écoulement en lit composé de rugosité uniforme. La croissance asymétrique de la couche de mélange du lit composé, la propriété d'autosimilarité ainsi que l'organisation tridimensionnelle des structures turbulentes cohérentes associées à la couche de mélange sont analysées. Le troisième temps fait l'objet de la transition longitudinale de rugosité en lit composé, dont l'effet sur la couche de mélange et sur les structures cohérentes est discuté. Nous évaluons également les différentes contributions au transfert latéral de quantité de mouvement entre lit mineur et plaine d'inondation par diffusion turbulente, par échange de masse et par les courants secondaires

Whether during floods or during low flow regimes, one of the main challenge of real-time river basin management is to prevent crises, generally defined by crossing flow thresholds at different strategic points, in order to limit economic, ecological, material and human damage. The thesis proposes a methodology for synthesis and identication of a model which simulates flows, incorporating hydraulic transfers (propagation in a river stretch), hydrologic transfers (transformation of rainfall into runoff), and withdrawals in the case of low flows. The model is built under operational constraints, such as robustness against uncertainties, real-time data assimilation or automatic control of reservoirs. It is described by a semi-distributed coupling between a hydraulic module based on simplified physics, and a global and conceptual hydrological module. The approach is validated through various theoretical examples and applications on real cases : transfer in a river stretch subject to tidal inuence, synthesis of an open-loop controller on an irrigation canal, simulation of flows at the outlet of various French watersheds, flood forecasting, synthesis of state observers for the reconstitution of withdrawals.; Pour la gestion en temps réel des étiages comme pour celle des crues, l'une des principales missions des gestionnaires de bassin consiste à prévenir les situations de crise, généralement définies par des franchissements de débits seuils en différents points stratégiques, afin d'en limiter les dégâts, tant économiques et écologiques que matériels et humains. La thèse propose une méthodologie de synthèse et d'identification d'un modèle de simulation des débits, intégrant les phénomènes de transferts hydrauliques (propagation en cours d'eau) et hydrologiques (transformation de la pluie en débit), ainsi que les transferts relatifs aux prélèvements dans le cas des étiages. Le modèle proposé, construit dans le souci constant des contraintes de l'opérationnel telles que la robustesse face aux aléas du terrain, l'assimilation des données en temps réel ou la commande automatique des vannes de barrage, présente un module hydraulique à base physique simplifiée couplé, selon une approche semi-distribuée, à un module hydrologique global conceptuel. Cette démarche permet la prise en compte de débits latéraux non jaugés dans le transfert en cours d'eau. L'approche est validée à travers des exemples théoriques et divers cas d'application réels : transfert en rivière soumis à l'influence de la marée, synthèse d'un contrôleur boucle ouverte sur un canal d'irrigation, simulation de débits à l'exutoire de divers bassins versants français, prévision des crues, synthèse d'observateurs d'états pour la reconstitution de prélèvements.

Hydraulic models are frequently used in river management and flood prevention studies. These models calculate water levels and discharges on a river reach based on its geometry and its boundary conditions: the upstream discharge, the lateral inflows from the intermediary area and the downstream water level. When he river reach is long, lateral inflows become important, but they are seldom measured since they originate from minor tributaries. Their estimation is an ssential phase of flood simulation because it can lead to substantial under- or over-estimation of the hydraulic variables. The main objective of this doctoral thesis is to identify a method of minimal complexity to estimate lateral inflows. Fifty river reaches in France and the United States were used as case studies on which lateral inflows were estimated with a semi-distributed hydrological model coupled with a simplified hydraulic model.First, an automated method was developed to break the intermediary area down into sub-basins and facilitate setting-up of the semi-distributed model on the 50 river reaches. Second, the sensivity of the model's results was analysed in terms of the number of sub-basins, the uniform or distributed nature of the rainfall inputs and of the hydrological model's parameters. A four-sub-basins configuration with a uniform rainfall input and a uniform set of parameters provided the most satisfactory results. Finally, an alternative method to calculate lateral inflows was proposed based on the transposition of the upstream flow measurements and the combination with the output of the hydrological model, Les modèles hydrauliques sont couramment utilisés pour l'aménagement des rivières et la prévention des dommages liés aux inondations. Ces modèles calculent les hauteurs d'eau et débits sur un tronçon de rivière à partir de sa géométrie et des conditions aux limites du système: débit à l'amont du tronçon, débits d'apports latéraux provenant du bassin intermédiaire et hauteurs d'eau à l'aval. Lorsque le tronçon est long, les apports latéraux deviennent conséquents tout en demeurant rarement mesurés car provenant d'affluents secondaires. L'évaluation de ces apports constitue alors une étape essentielle dans la simulation des crues sous peine de fortes sous ou surestimations des variables hydrauliques. Cette thèse a pour objectif principal d'identifier une méthode de complexité minimale permettant de reconstituer ces apports. Nos travaux s'appuient sur un échantillon de 50 tronçons de rivière situés en France et aux Etats-Unis sur lesquels les apports latéraux ont été estimés à l'aide d'un modèle hydrologique semi-distribué connecté avec un modèle hydraulique simplifié. Une méthode automatisée de découpage du bassin intermédiaire en sous-bassins a d'abord été élaborée afin de faciliter la construction du modèle hydrologique sur les 50 tronçons de rivière. Des tests de sensibilité ont été menés sur le nombre de sous-bassins, la nature uniforme ou distribuée des entrées de pluie et des paramètres du modèle hydrologique. Une configuration à 4 sous-bassins présentant des pluies et des paramètres uniformes s'est avérée la plus performante sur l'ensemble de l'échantillon.Enfin, une méthode alternative de calcul des apports latéraux a été proposée utilisant une transposition du débit mesuré à l'amont et une combinaison avec le modèle hydrologique.

This work concerns the variational assimilation of lagrangian data in river hydraulics, for the identification of parameters in a numerical model relying on the shallow water equations. We propose to take into account Lagrangian data such as trajectories of particles transported on the surface of the flow, in addition to classical eulerian observations which are sometimes not sufficient. The advantages of this approach to improve the identification of parameters are demonstrated through a series of numerical experiments using synthetic data as well as real data from an open channel flow where trajectories are extracted from a video., Ce travail porte sur l'assimilation variationnelle de données lagrangiennes en hydraulique fluviale, pour l'identification de paramètres dans un modèle numérique de rivière basé sur les équations de Saint-Venant, mise oeuvre dans le logiciel Dassflow. Nous proposons de prendre en compte des observations de nature Lagrangienne, comme des trajectoires de particules transportées à la surface de l'écoulement, en plus des observations classiquement disponibles, parfois insuffisantes. L'intérêt de cette approche pour améliorer l'identification de certains paramètres est mis en évidence à travers une série d'expériences numériques utilisant soit des données synthétiques, soit des données réelles issues d'un écoulement en canal, où des trajectoires sont extraites d'une séquence vidéo.

Depuis une quinzaine d'années, les profileurs de vitesse acoustiques à effet Doppler (aDcp) sont de plus en plus employés par les équipes hydrométriques pour le jaugeage des cours d'eau. Ces appareils offrent la possibilité d'investiguer la bathymétrie et les vitesses d'écoulement tridimensionnelles rapidement, de manière peu intrusive, sur de vastes domaines et pour une large gamme de conditions de terrain. Le principe de fonctionnement, les stratégies de déploiement et de traitement des données mises en oeuvre sont exposés en s'appuyant sur un cas d'étude expérimental : la station hydrométrique "Saint-Georges" sur la Saône à Lyon. / For about fifteen years, the acoustic Doppler current profilers (aDcp) have been increasingly used by hydrometric teams to measure river discharges. Such devices offer opportunities for investigating bed topography and 3-dimensional water velocities: the fast, slightly intrusive measurement procedure can be achieved in large areas, for a wide range of field conditions. This paper reports the principle of operation and the deployment and data post-processing strategies carried out to study an experimental case: the Saint-Georges gauging station (Saône river in Lyon, France).

[Departement_IRSTEA]RE [TR1_IRSTEA]RIE / TRANSFEAU; Numerical modelling is now used routinely to make predictions about the behaviour of environmental systems. Model calibration remains a critical step in the modelling process and different approaches have been taken to develop guidelines to support engineers and scientists in this task. This article reviews currently available guidelines for a river hydraulics modeller by dividing them into three types: on the calibration process, on hydraulic parameters, and on the use of hydraulic simulation codes. The article then presents an integration of selected guidelines within a knowledge-based calibration support system. A prototype called CaRMA-1 (Calibration of River Model Assistant) has been developed for supporting the calibration of models based on a specific 1D code. Two case studies illustrate the ability of the prototype to face operational situations in river hydraulics engineering, for which both data quality and quantity are not sufficient for an optimal calibration. Using CaRMA-1 allows the modeller to achieve the calibration task in accordance with good calibration practice implemented in the knowledge base. Relevant reasoning rules can easily be added to the knowledge base to extend the prototype range of applications. This study thus provides a framework for building operational support tools from various types of existing engineering guidelines.

Model calibration aims at simulating reference events thanks to an adjustment of physically-based parameters. This thesis proposes a knowledge-based systems approach to this task. After a definition of key concepts, a state of the art and an analysis of the different objects, procedures and reasonings applied to achieve this task are presented. These elements are formalized and integrated within a computer-aided calibration support system. The knowledge is structured into three levels : generic knowledge, knowledge specific to 1D river hydraulics, and knowledge about the advanced use of the simulation code employed. Two real-life case studies are then handled on the basis of available data and intended model application. This thesis allowed the capitalization of know-how which led to build an operational hydraulic model calibration support prototype and to develop artificial intelligence tools both dedicated to calibration and independent from the selected scientific domain., Le calage d'un modèle numérique vise à reproduire des événements de référence par l'ajustement de paramètres à base physique. Cette thèse propose une approche à l'aide de Systèmes à Base de Connaissances. Après une définition des concepts clés, sont présentés un état de l'art et une analyse des différents objets, procédures et raisonnements mis en oeuvre pour mener à bien cette tâche. Ces éléments sont formalisés puis intégrés au sein d'un système d'assistance au calage, selon trois niveaux de connaissances : génériques, propres à l'hydraulique fluviale 1-D, et spécifiques au code de calcul utilisé. Deux cas réels d'application sont traités, en fonction des données disponibles et de l'objectif projeté du modèle. La thèse a permis la capitalisation d'un savoir-faire qui a conduit à un prototype opérationnel d'assistance au calage de modèles hydrauliques et au développement d'outils d'intelligence artificielle dédiés au calage et indépendants de la discipline considérée.

[Departement_IRSTEA]RE [TR1_IRSTEA]RIE / TRANSFEAU; Cet article présente une expérience d'ingénierie des connaissances réalisée sur une utilisation avancée des codes de calcul : le calage de modèles numériques. Les connaissances associées à cette tâche ont été modélisées grâce à un langage de représentation de connaissances développé pour une tâche voisine : le pilotage de programmes. Après une présentation de la démarche adoptée, les résultats de notre modélisation sont organisés selon trois niveaux de généricité diférente. La tâche générique de calage a été spécialisée dans le domaine de l'hydraulique fluviale, puis une application avec un code de calcul spécifique a été implémentée de manière opérationnelle. Enfin, l'accent est mis sur les leçons tirées de cette expérience.

A partir d`un echantillon de 62 rivieres anglaises selectionnees par CHARLTON et al. (1978), completees par HEY et THORNE (1986) puis classees par groupe de vegetation, nous montrons que la vegetation rivulaire reduit le rapport de forme L/H a la fois grâce a son pouvoir a developper des racines et a sa capacite a retenir les fines. La valeur moyenne de L/H est ainsi associee a l`inclinaison des berges, supposee caracteristique de l`effet des racines sur la stabilite des terres du talus de rive. La variabilite de L/H autour de cette valeur moyenne est bien expliquee par le rapport des rugosites fond / berge, rapportee au pourcentage de fines contenues dans le talus. Une analyse plus detaillee des donnees nous incite a distinguer deux types de cours d`eau et ceci pour chaque groupe de vegetation. Ces deux types, associes aux processus dominants des erosions de berge (par glissement en masse ou par effet des forces tractrices) sont identifies par un critere base sur le rapport entre l`energie du cours d`eau et la teneur en fines de ses berges. / From a sample of 62 English rivers selected by CHARLTON et al. (1978), supplemented by HEY and THORNE (1986) and subdivided into bank vegetation classes, we can demonstrate the influence of bank vegetation on the shape ratio L/H. We have taken into account the capacity of trees and bushes to develop roots and to retain fines. The average value of L/H is explained by the side slope of the banks, which is treated as a characteristic of the effect of the roots on the stability of the banks. The variability of L/H around this average value is explained by the roughness ratio bottom / banks, which is related to the percentage of fines contained in the bank. A more detailed analysis of the data allows us to distinguish two types of rivers and this for each class of vegetation. These two types are identified on the basis of the active bank stability (mass failure or fluvial entrainment) by a criterion related to the ratio between the stream power of the river and the soil texture of the banks.

This work dealed with the study of the interactions between tectonics and river morphology. We got interested into the river response to a lateral offset of its channel in order to bring some constraints to the tectonicians that uses terraces offsets to estimate lateral slip rate. This problem was addressed with the use of a laboratory river model of metric size (microscale river). It is shown essentially that (1) experimental microscale channels can be used to study river dynamics, (2) the microscale river, while evolving with a straight channel, denotes a decoupling between the time evolution of its morphology and its sediment transport and (3) the channel response to a lateral offset is characterised by a propagation of an erosion front on the bank exposed to flow that can be described by a kinematic wave, allowing for the channel to return to a stable straight configuration.; Ce travail porte sur l'étude de l'interaction entre la tectonique et la morphologie d'une rivière. Nous nous sommes intéressés à la réponse d'une rivière à un décalage horizontal de son chenal afin d'essayer d'apporter des contraintes aux tectoniciens qui utilisent les décalages des terrasses de rivières pour dater et estimer d'anciens rejets de failles. L'approche de ce problème est faite au moyen d'un modèle réduit de rivière d'échelle métrique (micro-rivière). Nous montrons essentiellement (1) que les micro-rivières sont un bon moyen pour étudier la dynamique des rivières, (2) que la rivière, dans son évolution à chenal droit, montre un découplage entre l'évolution en temps de sa morphologie et de son transport de sédiments et (3) que la réponse du chenal au décalage se caractérise par la propagation d'un front d'érosion sur le bord exposé à l'écoulement de type onde cinématique, permettant ainsi au chenal de retrouver une morphologie d'équilibre.

This work dealed with the study of the interactions between tectonics and river morphology. We got interested into the river response to a lateral offset of its channel in order to bring some constraints to the tectonicians that uses terraces offsets to estimate lateral slip rate. This problem was addressed with the use of a laboratory river model of metric size (microscale river). It is shown essentially that (1) experimental microscale channels can be used to study river dynamics, (2) the microscale river, while evolving with a straight channel, denotes a decoupling between the time evolution of its morphology and its sediment transport and (3) the channel response to a lateral offset is characterised by a propagation of an erosion front on the bank exposed to flow that can be described by a kinematic wave, allowing for the channel to return to a stable straight configuration.; Ce travail porte sur l'étude de l'interaction entre la tectonique et la morphologie d'une rivière. Nous nous sommes intéressés à la réponse d'une rivière à un décalage horizontal de son chenal afin d'essayer d'apporter des contraintes aux tectoniciens qui utilisent les décalages des terrasses de rivières pour dater et estimer d'anciens rejets de failles. L'approche de ce problème est faite au moyen d'un modèle réduit de rivière d'échelle métrique (micro-rivière). Nous montrons essentiellement (1) que les micro-rivières sont un bon moyen pour étudier la dynamique des rivières, (2) que la rivière, dans son évolution à chenal droit, montre un découplage entre l'évolution en temps de sa morphologie et de son transport de sédiments et (3) que la réponse du chenal au décalage se caractérise par la propagation d'un front d'érosion sur le bord exposé à l'écoulement de type onde cinématique, permettant ainsi au chenal de retrouver une morphologie d'équilibre.