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Ce travail porte sur la construction d'un modèle réduit en hydraulique fluviale avec une méthode de décomposition en polynôme du chaos. Ce modèle réduit remplace le modèle direct afin de réduire le coût de calcul lié aux méthodes ensemblistes en quantification d'incertitudes et assimilation de données. Le contexte de l'étude est la prévision des crues et la gestion de la ressource en eau. Ce manuscrit est composé de cinq parties, chacune divisée en chapitres. La première partie présente un état de l'art des travaux en quantification des incertitudes et en assimilation de données dans le domaine de l'hydraulique ainsi que les objectifs de la thèse. On présente le cadre de la prévision des crues, ses enjeux et les outils dont on dispose pour prévoir la dynamique des rivières. On présente notamment la future mission SWOT qui a pour but de mesurer les hauteurs d'eau dans les rivières avec un couverture globale à haute résolution. On précise notamment l'apport de ces mesures et leur complémentarité avec les mesures in-situ. La deuxième partie présente les équations de Saint-Venant, qui décrivent les écoulements dans les rivières, ainsi qu'une discrétisation numérique de ces équations, telle qu'implémentée dans le logiciel Mascaret-1D. Le dernier chapitre de cette partie propose des simplifications des équations de Saint-Venant. La troisième partie de ce manuscrit présente les méthodes de quantification et de réduction des incertitudes. On présente notamment le contexte probabiliste de la quantification d'incertitudes et d'analyse de sensibilité. On propose ensuite de réduire la dimension d'un problème stochastique quand on traite de champs aléatoires. Les méthodes de décomposition en polynômes du chaos sont ensuite présentées. Cette partie dédiée à la méthodologie s'achève par un chapitre consacré à l'assimilation de données ensemblistes et à l'utilisation des modèles réduits dans ce cadre. La quatrième partie de ce manuscrit est dédiée aux résultats. On commence par identifier les sources d'incertitudes en hydraulique que l'on s'attache à quantifier et réduire par la suite. Un article en cours de révision détaille la validation d'un modèle réduit pour les équations de Saint-Venant en régime stationnaire lorsque l'incertitude est majoritairement portée par les coefficients de frottement et le débit à l'amont. On montre que les moments statistiques, la densité de probabilité et la matrice de covariances spatiales pour la hauteur d'eau sont efficacement et précisément estimés à l'aide du modèle réduit dont la construction ne nécessite que quelques dizaines d'intégrations du modèle direct. On met à profit l'utilisation du modèle réduit pour réduire le coût de calcul du filtre de Kalman d'Ensemble dans le cadre d'un exercice d'assimilation de données synthétiques de type SWOT. On s'intéresse précisément à la représentation spatiale de la donnée telle que vue par SWOT: couverture globale du réseau, moyennage spatial entre les pixels observés. On montre notamment qu'à budget de calcul donné les résultats de l'analyse d'assimilation de données qui repose sur l'utilisation du modèle réduit sont meilleurs que ceux obtenus avec le filtre classique. On s'intéresse enfin à la construction du modèle réduit en régime instationnaire. On suppose ici que l'incertitude est liée aux coefficients de frottement. Il s'agit à présent de juger de la nécessité du recalcul des coefficients polynomiaux au fil du temps et des cycles d'assimilation de données. Pour ce travail seul des données in-situ ont été considérées. On suppose dans un deuxième temps que l'incertitude est portée par le débit en amont du réseau, qui est un vecteur temporel. On procède à une décomposition de type Karhunen-Loève pour réduire la taille de l'espace incertain aux trois premiers modes. Nous sommes ainsi en mesure de mener à bien un exercice d'assimilation de données. Pour finir, les conclusions et les perspectives de ce travail sont présentées en cinquième partie.

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

International audience; Because of many anthropogenic and natural factors, a sedimentary deficit is observed in the Ain River that causes a reduction of the morphodynamics. Facing this problem, rivers managers supported scientific studies to better understand the sediment dynamics as well as some test operations for sediment injection. Most of these operations consisted in pouring sediments digged in old channels. The 1D hydraulic numerical software RubarBE showed that, if sufficiently large floods occur, poured sediments will be eroded and transported, thus reducing the local water level rise the injections are responsible for. The 2D hydraulic and sedimentary numerical software Rubar20-TS was calibrated using the Pit-tags data. It gives a description of the minimum conditions for sediment motion, and calculates the transport distances and trajectories. Effects of the sediment input on the river geometry and particle size distribution are discussed.; Sous l'influence de nombreux facteurs naturels ou anthropiques, l'Ain connaît un appauvrissement de sa morphodynamique. Face à ce constat, les gestionnaires du cours d'eau ont décidé d'une part de mener des études visant à mieux comprendre la dynamique sédimentaire du cours d'eau et d'autre part de réinjecter des matériaux issus de l'excavation de chenaux secondaires anciens ou créés dans le lit majeur. La modélisation hydraulique 1D nous a permis d'estimer que, à condition qu'il se produise des crues supérieures à 300m³/s, les injections envisagées devraient subir une érosion et ne pas se fixer, diminuant ainsi leur emprise dans le lit mineur et donc les élévations de niveaux qu'elles engendrent. La modélisation hydro-sédimentaire 2D, calée à partir des suivis de traceurs PIT-tags, permet quant à elle de définir plus finement les conditions de mise en mouvement des particules, les distances et les trajectoires de transport ainsi que les effets des recharges sur la géométrie et la distribution granulométrique.

The diffusive wave simplification of the unsteady, open-channel flow equations is a commonly used approach for flood routing applications. Among the many routing methods, except for those based on the De Saint-Venant equations, it may be considered to be the one that most closely complies with the physics of open-channel hydraulics. However, common implementations of the diffusive wave approach (linear diffusion, variable parameter diffusion) involve additional approximations that diminish its physical significance and accuracy. A new formulation for the nonlinear diffusive wave is presented that better respects conservation principles through close consistency with the fundamental flow equations. The accuracy and reliability of the proposed model are shown on test cases consisting both of a hypothetical, regular channel, and of an actual river reach. Simulated discharges are compared to those obtained by a full De Saint-Venant model and by ordinary diffusion methods, as well as to observed hydrographs in...

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]GEUSI; Le modèle " Forces motrices – Pressions – Etat – Impact – Réponse " ou DPSIR selon son acronyme anglais (Driving forces-Pressures-State-Impact-Response), développé par l’Organisation de Coopération et de Développement Economiques (OCDE) et l’Agence Européenne de l’Environnement (AEE) à partir du concept d’impact, est devenu incontournable dans le secteur de la planification des ressources en eau en Europe. Cet article propose de remettre en cause les méthodes prospectives fondées sur ce modèle qui n’aborde le changement qu’à travers ses effets sur les ressources naturelles. La société n’y est représentée que comme une force homogène, perturbatrice de l’environnement si elle n’est pas régulée par une gouvernance adéquate. En prenant la Garonne pour exemple, nous soulignons à quel point la construction des indicateurs hydrauliques dépend de contingences sociales. Ceci nous conduit à dévoiler les hypothèses néolibérales et le cadrage spatial du modèle DPSIR. Pour engager le dialogue avec ce modèle, nous proposons plusieurs DPSIR concurrents sur la Garonne. Cette pluralité de cadrages nous semble plus propice au débat que l’approche dominante consistant à réunir une pluralité d’acteurs autour d’un modèle unique. / This article challenges the current dominant approach to planning the use of natural resources in the European Union. This approach addresses changes through the lens of the resource itself. Society is broadly conceived as a homogeneous force affecting the environment unless regulated by adequate governance. From the initial concept of impact, the Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) and the European Environment Agency (EEA) have further developed the Driving forces-Pressures-State-Impact-Response (DPSIR) model which becomes hegemonic within European water planning. Using the example of a French watercourse, the Garonne River, we highlight the social contingency of the construction of water indicators. This example helps us to unpack neo-liberal premises and geographical biases of the DPSIR model. We propose to question this model by showing that several alternate DPSIR framings are possible on the Garonne. We discuss the added value of a plurality of framings to build contrasted futures, as opposed to the dominant approach which favours the participation of a plurality of actors.

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.

Depuis ses débuts, la télédétection a considérablement contribué à la progression des recherches dans le domaine de l'hydrodynamique des crues. Les nouvelles générations de satellites sont à présent en mesure de fournir des observations qui, dans un contexte général de manque de données, peuvent être valorisées. En effet, la modélisation numérique en hydraulique fait intervenir un certain nombre de paramètres qu'il est difficile d'ajuster en pratique, ce qui entraîne de délicats problèmes de calage de ces paramètres et de validation du modèle. L'objectif de ce travail est de tester la possibilité de pallier le manque d'information auquel se heurte la modélisation hydraulique, notamment par l'intégration de données issues de la télédétection, en s'appropriant des techniques d'assimilation de données. L'originalité de l'étude est de traiter des vues de dessus de la rivière montrant l'extension des eaux afin de reconstituer les paramètres nécessaires à la simulation de l'écoulement tels que le débit, le coefficient de Strickler ou bien les caractéristiques géométriques du cours d'eau. Différentes techniques d'assimilation de données sont appliquées dans le cadre d'expériences jumelles, afin de déterminer les méthodes les plus adaptées à l'objectif visé. La méthode choisie est ensuite testée sur deux sites d'étude. Un travail de transfert de calibration est également entrepris dans le but de vérifier si les paramètres estimés à partir d'une crue permettent de simuler de façon satisfaisante un autre événement. Une analyse de sensibilité et un calcul d'incertitude sur l'étendue de la zone inondée, simulée à partir des paramètres estimés, viennent compléter l'étude.

[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.

Fluvial geomorphology is claimed by other disciplines, among which river engineering, but it cannot be annexed without loosing its complexity and richness. Fluvial geomorphology takes into account the multiple time scales familiar to Quaternary sciences and elucidates landforms and present processes in the light of the legacies of the past. It was also deeply renovated by conceiving watersheds as open systems through which water and sediment fluxes determine complex responses, including human impacts. Finally, fluvial geomorphology thinks about the spatial hierarchy of processes and change. Being fully concerned by time and space, this discipline is a full component of geography., Revendiquée par d'autres disciplines, au nombre desquelles l'ingénieurie des rivières, la géomorphologie fluviale ne peut être aisément annexée sauf à lui faire perdre sa complexité et sa richesse. La géomorphologie fluviale prend en compte les échelles de temps multiples qui sont celles des quaternistes et interprète les formes et les processus actuels à la lumière des héritages du passé. Elle s'est aussi profondément renouvelée en pensant le bassin versant comme un système ouvert à entrées et sorties d'eau et de matière dans lequel s'expriment des « réponses » complexes, influencées par les impacts anthropiques. La géomorphologie fluviale s'est enfin tournée vers la hiérarchisation spatiale des processus et du changement. Située dans une double sphère temporelle et spatiale, cette discipline est une composante à part entière de la géographie., Bravard Jean-Paul. Le temps et l'espace dans les systèmes fluviaux, deux dimensions spécifiques de l'approche géomorphologique . In: Annales de Géographie, t. 107, n°599, 1998. pp. 3-15.

Water has always been a very important problem in the area corresponding to the " Pyrenees Orientales " district. On the slopes and valley floors, man-made equipments and development have induced heavy modifications in water and sediment discharge. The spatial variety of mountain areas divided in mountain upslopes, downslopes and coastal plain, has influenced the development programs in the district. Today the frequency of floods has clearly decreased. However, the risk of a high flood remains, which could damage urban areas recently developed downslope., Dans l'espace géographique correspondant au département des Pyrénées-Orientales, de tout temps, le problème de l'eau est apparu crucial. Les interventions de l'homme se sont traduites par des modifications sur les écoulements liquides et sur les transports solides, dans le domaine des versants et des talwegs. La division de l'espace en montagne, piémont, plaine littorale a nettement influencé la nature des travaux d'aménagement. Aujourd'hui, la fréquence des inondations est fortement diminuée. Mais le risque demeure d'une forte inondation, qui pourrait sinistrer certaines zones récemment urbanisées., Mussot Roland, Benech Claude. L'influence des interventions humaines sur l'écoulement des eaux et sur les transports solides. L'exemple des Pyrénées-Orientales (France). In: Annales de Géographie, t. 104, n°581-582, 1995. pp. 105-118.

L'article pose la problématique de la construction du Modèle Numérique de Terrain (MNT) dans le contexte d'études hydrauliques à deux dimensions, ici reliées aux inondations. La difficulté est liée à l'hétérogénéité des ensembles de données qui diffèrent en précision, en couverture spatiale, en répartition et en densité, ainsi qu'en géoréférentiation, notamment. Dans le cadre d'un exercice de modélisation hydrodynamique, toute la région à l'étude doit être documentée et l'information portée sur un support homogène. L'article propose une stratégie efficace supportée par un outil informatique, le MODELEUR, qui permet de fusionner rapidement les divers ensembles disponibles pour chaque variable qu'elle soit scalaire comme la topographie ou vectorielle comme le vent, d'en préserver l'intégrité et d'y donner accès efficacement à toutes les étapes du processus d'analyse et de modélisation. Ainsi, quelle que soit l'utilisation environnementale du modèle numérique de terrain (planification d'aménagement, conservation d'habitats, inondations, sédimentologie), la méthode permet de travailler avec la projection des données sur un support homogène de type maillage d'éléments finis et de conserver intégralement l'original comme référence. Cette méthode est basée sur une partition du domaine d'analyse par type d'information : topographie, substrat, rugosité de surface, etc.. Une partition est composée de sous-domaines et chacun associe un jeu de données à une portion du domaine d'analyse par un procédé déclaratoire. Ce modèle conceptuel forme à notre sens le MNT proprement dit. Le processus de transfert des données des partitions à un maillage d'analyse est considéré comme un résultat du MNT et non le MNT lui-même. Il est réalisé à l'aide d'une technique d'interpolation comme la méthode des éléments finis. Suite aux crues du Saguenay en 1996, la méthode a pu être testée et validée pour en démontrer l'efficacité. Cet exemple nous sert d'illustration., This article exposes the problem of constructing a Numerical Terrain Model (NTM) in the particular context of two-dimensional (2D) hydraulic studies, herein related to floods. The main difficulty is related to the heterogeneity of the data sets that differ in precision, in spatial coverage, distribution and density, and in georeference, among others. Within the framework of hydrodynamic modelling, the entire region under study must be documented and the information carried on a homogeneous grid. One proposes here an efficient strategy entirely supported by a software tool called MODELEUR, which allows to import, gather and merge together very heterogeneous data sets, whatever type they are, scalar like topography or vectorial like wind, to preserve their integrity, and provide access to them in their original form at every step of the modelling exercise. Thus, whatever the environmental purpose of the modelling exercise (enhancement works, sedimentology, conservation of habitats, flood risks analysis), the method allows to work with the projection of the data sets on a homogeneous finite element grid and to conserves integrally the original sets as the ultimate reference. This method is based on a partition of the domain under study for each data type: topography, substrates, surface roughness, etc. Each partition is composed of sub-domains and each of them associates a data set to a portion of the domain in a declarative way. This conceptual model represents formally the NTM. The process of data transfer from the partitions to the final grid is considered as a result of the NTM and not the NTM itself. It is performed by interpolation with a technique like the finite element method. Following the huge Saguenay flood in 1996, the efficiency of this method has been tested and validated successfully and this example serves here as an illustration.The accurate characteristics description of both river main channel and flood plain is essential to any hydrodynamic simulation, especially if extreme discharges are considered and if the two-dimensional approach is used.The ground altitude and the different flow resistance factors are basic information that the modeler should pass on to the simulator. For too long, this task remained "the poor relative" of the modeling process because it does not a priori seem to raise any particular difficulty. In practice however, it represents a very significant workload for the mobilisation of the models, besides hiding many pitfalls susceptible to compromise the quality of the hydraulic results. As well as the velocity and water level fields are results of the hydrodynamic model, the variables describing the terrain and transferred on the simulation mesh constitute the results of the Numerical Terrain Model (NTM). Because this is strictly speaking a modeling exercise, a validation of the results that assess the quality of the model is necessary.In this paper, we propose a methodology to integrate the heterogeneous data sets for the construction of the NTM with the aim of simulating 2D hydrodynamics of natural streams with the finite element method. This methodology is completely supported by a software, MODELEUR, developed at INRS-Eau (Secretan and Leclerc, 1998; Secretan et al., 2000). This tool, which can be assimilated to a Geographical Information System (GIS) dedicated to the applications of 2D flow simulations, allows to carry out all the steps of integrating the raw data sets for the conception of a complete NTM. Furthermore, it facilitates the application and the piloting of hydrodynamic simulations with the simulator HYDROSIM (Heniche et al., 1999).Scenarios for flow analysis require frequent and important changes in the mesh carrying the data. A return to the basis data sets is then required, which obliges to preserve them in their entirety, to have easily access to them and to transfer them efficiently on the mesh. That is why the NTM should rather put emphasis on basic data rather than on their transformed and inevitably degraded aspect after their transfer to a mesh.The data integrity should be preserved as far as possible in the sense that it is imperative to keep distinct and to give access separately to different data sets. Two measuring campaigns will not be mixed; for example, the topography resulting from digitised maps will be maintained separated from that resulting from echo-sounding campaigns. This approach allows at any time to return to the measures, to control them, to validate them, to correct them and possibly, to substitute a data set a by another one.The homogeneity of the data support with respect to the location of the data points is essential to allow the algebraic interaction between the different information layers. The operational objective which bear up ultimately the creation of the NTM in the present context is to be able to transfer efficiently the spatial basic data (measurements, geometry of civil works, etc.) each carried by diverse discretisations towards a single carrying structure.With these objectives of integrity, accessibility, efficiency and homogeneity, the proposed method consists of the following steps:1. Import of the data sets into the database, which possibly implies to digitise maps and/or to reformat the raw files to a compatible file format; 2. Construction and assembly of the NTM properly which consists, for each variable (topography, roughness, etc.), to create a partition of the domain under study, that is to subdivide it into juxtaposed sub-domains and to associate to each sub-domain the data set which describes the variable on it. More exactly, this declaratory procedure uses irregular polygons allowing to specify in the corresponding sub-domains the data source to be used in the construction of the NTM. As it is also possible to transform regions of the domain with algebraic functions to represent for example civil works in river (dikes, levees, etc.), the NTM integrates all the validated data sets and the instructions to transform them locally. From this stage, the NTM exists as entity-model and it has a conceptual character;3. Construction of a finite element mesh;4. Transfer by interpolation and assembly of the data of the different components of the NTM on the finite element mesh according to the instructions contained in the various partitions. The result is an instance of the NTM and its quality depends on the density of the mesh and the variability of the data. So, it requires a validation with respect to the original data;5. Realisation of the analysis tasks and/or hydrodynamic simulations. If the mesh should be modified for a project variant or for an analysis scenario, only tasks 3 and 4 are to be redone and task 4 is completely automated in the MODELEUR.The heterogeneity of the data sources, which constitutes one of the main difficulties of the exercise, can be classified in three groups: according to the measuring technique used; according to the format or the representation model used; according to the geographic datum and projection system.For the topography, the measuring techniques include conventional or radar satellite, airborne techniques, photogrammetry or laser scanning, ground techniques, total station or GPS station, as well as embarked techniques as the echo-sounder. These data come in the form of paper maps that have to be digitised, in the form of regular or random data points, isolines of altitude, or even as transects. They can be expressed in different datums and projections and sometime are not even georeferenced and must be first positioned.As for the bed roughness that determines the resistance to the flow, also here the data sets differ one from the other in many aspects. Data can here also have been picked as regular or random points, as homogeneous zones or as transects. Data can represent the average grain size of the present materials, the dimension of the passing fraction (D85 or D50 or median), the represented % of the surface corresponding to every fraction of the grain assemblage, etc... In absence of this basic data, the NTM can only represent the value of the friction parameter, typically n of Manning, which should be obtained by calibration for the hydrodynamic model. For the vegetation present in the flood plain or for aquatic plants, source data can be as variable as for the bed roughness. Except for the cases where data exists, the model of vegetation often consists of the roughness parameter obtained during the calibration exercise. The method was successfully applied in numerous contexts as demonstrated by the application realised on the Chicoutimi River after the catastrophic flood in the Saguenay region in 1996. The huge heterogeneity of the available data in that case required the application of such a method as proposed. So, elevation data obtained by photogrammetry, by total station or by echo-sounder on transects could be coordinated and investigated simultaneously for the purposes of hydrodynamic simulation or of sedimentary balance in zones strongly affected by the flood.

The study of turbulent flows has always been a challenge for scientists. Turbulent flows are common in nature and have an important role in several geophysical processes related to a variety of phenomena such as river morphology, landscape modeling, atmospheric dynamics and ocean currents. At present, new measurement and observation techniques suitable for fieldwork can be combined with laboratory and theoretical work in order to advance in the understanding of river processes. In this Ph.D. dissertation, an Acoustic Doppler Velocity Profiler (ADVP) suspended from a deployable structure allowed the investigation of turbulent gravel-bed river flows. The ADVP, which was developed by the Laboratoire d'Hydraulique Environnementale (LHE), permits to obtain over the entire water depth, three-dimensional quasi-instantaneous information on the fluctuating velocity flow field in the production and inertial subranges of the spectral space. Improvements on the ADVP data quality were made with the implementation of a correction methodology for errors due to data aliasing. This reduced the range-velocity ambiguity in Doppler-based instruments. The results presented in this dissertation contribute to the understanding of transport and mixing processes in river flows. They are based on three sets of field measurements made in gravel-bed rivers with blockage ratios of h/D84≈3.0 and aspect ratios B/h between 23 and 32. The measurements were made during low-water periods. The fieldwork provided results on the mean and instantaneous velocity field. The flow was divided into three inviscid vertical layers with different mean field and Reynolds stress characteristics: the roughness layer, the blending or intermediate layer and the surface layer. In the lower layers of the flow three types of mean velocity profile were found: mono-logarithmic, s-shaped due to bed perturbations and double-logarithmic downstream bed perturbations. The determination of the shear stress distribution for each of these profile types is studied. In double-log profiles, the friction velocity and roughness length determined for the outer logarithmic layer are required for the velocity profile parameterization. The s-shaped profiles are described by a tangent-hyperbolic function in the lower layers compatible with an external log layer. Limitations of 2D open-channel theories to parameterize the velocity distribution and to characterize the bottom drag are discussed. Bottom drag occurs in the predominant momentum direction. The direction changes as a function of the local bed forms. To estimate bottom drag one has to consider the actual momentum transport direction which varies with the flow depth. The wall effect of the riverbank is visible until y/h≈5. Bottom topography produces important secondary mean motion in the flow. A permanent structure of the flow was described in the upper layers, near the surface (z/h

[Departement_IRSTEA]RE [TR1_IRSTEA]RIE / TRANSFEAU; Le calage de modèle reste une étape critique de la modélisation numérique. Après de nombreuses tentatives d`automatisation de cette tâche dans différentes domaines liés à l`eau, des questions se posent encore sur la nécessité de caler des modèles à base physique. Cet article propose aux utilisateurs de codes de calcul en hydraulique un cadre pour réaliser cette tâche selon un « code de bonnes pratiques ». Ce cadre comporte une formalisation des objets manipulés en hydraulique fluviale 1-D ainsi qu`une description conceptuelle générique du processus de calage. Ces deux éléments ont été implémentés dans un système à base de connaissances, intégrant un code de calcul ainsi que des connaissances d`experts sur le calage de modèle. Un prototype de système d`assistance au calage a ensuite été construit à l`aide d`un code de calcul résolvant les équations de Saint-Venant dans des rivières à lit fixe. Le cadre fourni pour le calage de modèle est composé de trois niveaux indépendants reliés respectivement à la tâche générique, au domaine d`application, et au code de calcul lui-même. Les deux premiers niveaux de connaissances peuvent ainsi aisément être réutilisés pour construire des systèmes d`assistance au calage pour d`autres domaines d`application, comme l`hydraulique 2-D ou encore la modélisation hydrologique à base physique. / Model calibration remains a critical step in numerical modelling. After many attempts to automate this task in water-related domains, questions about the actual need for calibrating physics-based models are still open. This article proposes a framework for good model calibration practice for end-users of 1-D hydraulic simulation codes. This framework includes a formalisation of objects used in 1-D river hydraulics along with a generic conceptual description of the model calibration process. It was implemented within a knowledge-based system integrating a simulation code and expert knowledge about model calibration. A prototype calibration support system was then built up with a specific simulation code solving subcritical unsteady flow equations for fixed-bed rivers. The framework for model calibration is composed of three independent levels related respectively to the generic task, to the application domain, and to the simulation code itself. The first two knowledge levels can thus easily be reused to build calibration support systems for other application domains, like 2-D hydrodynamics or physics-based rainfall-runoff modelling.