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The energies of tidal or river currents constitute an alternative to fossil fuels. So far, their development has accelerated even if the transition to industrial scale still seems complicated. The exploration of the interaction between tidal turbine (tools for capturing marine or river currents) and the sedimentary bottom requires intensive research. On the one hand, the presence of the turbine can modify the morphology of the sandy bottom, in particular sand, on the other hand can affect the blades of the turbine and contribute to the deterioration of the turbine. Numerical studies on the turbine-sediment interaction at the local scale are very rare. The objective of this thesis is to model the local impact of the horizontal axis turbine on the sedimentary bottom composing sand of the same size. A transport model combining blade element theory (BEMT), the Actuator Disk (AD) which models the forces generated by the turbine blades, and the Euler-Euler multiphase model for sediment transport, has been implemented, based on the OpenFoam software platform. After a phase of validation of the modifications made, the code is applied to study various configurations of interaction between a turbine and the sedimentary bottom. First, a study of the effect of confinement on erosion is carried out. She highlighted a phenomenon that is corroborated by an experiment (Khaled et al., Sediment Research, 2021). Secondly, we compared the effects of modeling the turbine by AD model with that of the AD-BEMT model in terms of impact on the sandy bottom. Finally, we apply the model to the study of the impact of the interaction between two turbines one behind the other on the sediment dynamics. This last study highlights an interaction between the dynamics of ripples generation and the wake effects of turbines., Les énergies des courants de marée ou de rivière constituent une alternative aux énergies fossiles. A ce jour, leur développement s’est accéléré même si le passage à l’échelle industrielle semble encore compliqué. L’exploration de l’interaction entre hydrolienne (outils de captation des courants marins ou fluviaux) et fond sédimentaire nécessite des recherches intensives. D’un coté, la présence de la turbine peut modifier la morphologie du fond sableux, et les sédiments, en particulier le sable peut d’un autre coté affecter les pales de la turbine et contribuer à la détérioration de la turbine.Les études numériques sur l’interaction turbine-sédiment à l’échelle locale sont très rares. L’objectif de cette thèse est de modéliser l’impact local de la turbine à axe horizontal sur le fond sédimentaire composé de sable homogène de même taille. Un modèle de transport a été mis en place combinant la théorie des éléments des pales (BEMT) et l’Actuator Disk (AD), qui modélisent les efforts engendrés par les pales de la turbine, avec le modèle multiphasique Euler-Euler pour le transport sédimentaire. Ce modèle est basé sur la plateforme du logiciel OpenFoam. Après une phase de validation des modifications apportées, le code est appliqué à l'étude de diverses configurations des interactions entre une turbine et le fond sédimentaire. Dans un premier temps, une étude de l’effet du confinement sur l’érosion est réalisée. Elle a mis en évidence un phénomène contre intuitif mais corroboré par une expérience (Khaled et al., Sediment Research, 2021). Dans un deuxième temps, nous avons comparé les effets de la modélisation avec le modèle AD simple avec celle du modèle AD-BEMT en termes d’impact sur le fond sableux. Enfin, nous appliquons le modèle à l’étude de l’impact de l’écartement entre deux turbines l’une derrière l’autre sur la dynamique sédimentaire. Cette dernière étude met en évidence une interaction entre la dynamique de génération de rides sous-marines et les effets de sillage des turbines.

This thesis contributions belong to the general framework of data-based and physically-based data-driven modelling. An efficient approach for Machine Learning (ML), as well as a speed-up technique for Data Assimilation (DA), have been developed. For this purpose, Dimensionality Reduction (DR) and stochastic spectral modelling were used. In particular, a coupling between Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Polynomial Chaos Expansion (PCE) is at the center of this thesis contributions. POD and PCE have widely proved their worth in their respective frameworks, and the idea was to combine them for optimal field measurement based forecasting, and ensemble-based acceleration technique for variational DA. For this purpose, (i) a physically interpretable POD-PCE ML for non-linear multidimensional fields was developed in the Neural Networks (NN) paradigm and (ii) a hybrid ensemble-variational DA approach for parametric calibration was proposed with adapted calculations of POD-PCE metamodelling error covariance matrix. The proposed techniques were assessed in the context of an industrial application, for the study of sedimentation in a coastal power plant's water intake. Water intakes ensure plant cooling via a pumping system. They can be subject to sediment accumulation, which represents a clogging risk and requires costly dredging operations. For monitoring and safety reasons, the power plant stakeholders asked for a predictive tool that could be run in operational conditions. Data collected during many years of monitoring in the study area were provided. The objective was then to achieve comprehensive analysis of the flow and sediment dynamics, as well as to develop an optimal model in terms of forecasting accuracy, physical meaning, and required computational time. Uncertainty reduction and computational efficiency were therefore starting points for all proposed contributions. In addition to the previously proposed methods, Uncertainty Quantificiation (UQ) studies were undertaken. Specifically, (i) uncertainties related to tidal hydrodynamic modelling, resulting from common modelling choices (domain size, empirical closures) were investigated. POD patterns resulting from measurements and numerical scenarios were compared; (ii) UQ study of the sediment transport modelling in the intake, in a highdimensional framework, was achieved. Investigations were based on appropriate DR. Infact, POD patterns of Boundary Conditions (BC) and Initial Conditions (IC), resulting from hydrodynamic simulations outputs and from bathymetry measurements respectively, were used. A perspective of this work would be to implement a hybrid POD-PCE model, using both measured and numerically emulated data, to better understand and predict complex physical processes. This approach would offer a complete, fast and efficient tool for operational predictions., Les contributions de cette thèse figurent dans le cadre général de la modélisation à base de données et des approches physiques guidées par des données. Une méthode d'apprentissage statistique, ainsi qu'une technique d'accélération pour l'Assimilation de Données (AD), ont été développées. Pour cela, la Réduction de Dimension et la modélisation stochastique spectrale sont utilisées. En particulier, un couplage entre Décomposition en modes Propres Orthogonaux (POD) et Expansion par Polynômes du Chaos (PCE), est au centre des différentes contributions. Les techniques POD et PCE sont toutes deux largement reconnues. L'idée ici estde les combiner pour mettre en place une prédiction optimale à base de données de mesures, et accélérer les techniques d'Assimilation de Données variationnelle sur la base d'une approche d'ensemble. Pour cela, (i) un modèle de Machine Learning POD-PCE, interprétable physiquement, et adapté aux champs multidimensionnels non-linéaires, a été développé dans un paradigme de Réseaux de Neurones et (ii) une approche ensembliste variationnelle hybride d'AD, pour la calibration paramétrique a été proposée, avec un calcul adapté de la matrice de covariance d'erreur du métamodèle POD-PCE. Les approches proposées ont été motivées par une problématique industrielle, avec une question physique complexe : la sédimentation dans un chenal d'amenée bord-de-merd'une centrale électrique. Les chenaux d'amenée assurent le refroidissement des centrales à travers un système de pompage. Ils peuvent être sujets à une accumulation de sédiments, ce qui représente un risque de colmatage et requiert des opérations de dragage coûteuses. Pour des raisons de gestion et de sécurité, l'industriel opérant la centrale d'intérêt demande un outil prédictif pour des conditions opérationnelles. Les données collectées durant plusieurs années de gestion ont été fournies. L'objectif est d'analyser la dynamique observée, ainsi que de développer un modèle optimal, à la fois prédictif, physiquement interprétable, et à coût de calcul limité. La réduction de l'incertitude et la diminution du temps de simulation ont donc été un point de départ pour toutes les contributions proposées. En supplément des méthodes citées précédemment, des études de Quantification d'Incertitudes (UQ) ont été menées. Plus précisément, (i) les incertitudes liées à la modélisation hydrodynamique de la marée, résultant de choix de modélisation communs (taille de domaine, lois empiriques), ont été investiguées. Les motifs POD des mesures et des scénarios numériques ont été comparés ; (ii) l'étude UQ de la modélisation du transport sédimentaire dans le chenal, dans un cadre à haute-dimension, a été réalisée. Les investigations se sont basées sur une Réduction de Dimension appropriée. En effet, les motifs POD des Conditions aux Limites, et ceux des Conditions Initiales, résultant de simulations hydrodynamiques et de mesures bathymétriques respectivement, ont été utilisées. Une perspective de ce travail serait d'implémenter un modèle POD-PCE hybride, utilisant à la fois des données de mesures et des données simulées numériquement, pourmieux comprendre et prédire des processus physiques complexes. Cette approche offrirait un outil complet, rapide et efficace pour des prédictions opérationnelles.

Le cycle biogéochimique des éléments au sein de la zone critique est régi par différents processus physiques, chimiques et biologiques (i.e. altération et érosion mécanique des phases porteuses, sorption, précipitation, fractionnement, …). Les relations entre tous ces processus sont difficiles à établir étant donné la diversité des mécanismes qui se produisent, conjointement, indépendamment ou successivement, et qui sont sous l’influence de la dynamique hydrologique qui contrôlent taux d’érosion, flux et cascade sédimentaire. Compte tenu de l’importance du transport sédimentaire dans le cycle géochimique des éléments, il est crucial d’étudier les facteurs hydrologiques de contrôle sur la géochimie de la phase particulaire selon une démarche source-puits. Cette étude s’intéresse au transfert d’éléments chimiques majeurs et traces (Ca, K, Ti, Fe, Mn, Rb et Sr) en lien avec l’altération et l’érosion des sols du bassin versant périurbain de l’Egoutier (Loiret, France – site atelier OBSCURE de la ZA Loire, SNO Observil). L’analyse des sols hydromorphes, des sédiments de fond et des matières en suspension dans le cours d’eau permet une description détaillée des processus. Les résultats démontrent une mobilité différente des éléments considérés à l’échelle des profils pédologiques. Certains éléments, comme K et Sr, ont une distribution homogène, tandis que Mn présente un enrichissement dans les horizons superficiels, et Ca, Fe et Rb, dans les horizons profonds. Cette distribution, principalement liée à la résistance des minéraux primaires à l’altération et aux interactions avec les phases minérales secondaires argileuses, confère ainsi des signatures géochimiques spécifiques aux différents horizons de sols. Dans le cours d’eau, ces signatures permettent d’identifier différents modes d’érosion mécanique (ruissellement, incision des berges), différents mécanismes intervenant dans l’érosion (sélectivité, fragmentation) et des capacités de transport différentes. Ainsi, le Mn est surtout enrichi en amont du bassin versant, où l’érosion des horizons de surface est plus importante, tandis que Fe et Rb sont enrichis en aval, où une plus forte érosion des berges a lieu. Les teneurs en K et Rb sont, elles, corrélées avec la pluviométrie et présentent une variabilité spatiale plus importante en période de hautes eaux. Des dilutions des apports en Mn par une plus faible contribution de ses phases porteuses sont alors observées en faveur de celles en K et Rb. Les apports en Ca, Sr et Fe sont corrélés avec l’intensité des évènements pluvieux et leurs enrichissements sont plus élevés dans les matières en suspension prélevées en aval du bassin versant. Cette distribution suggère le lien important entre la dynamique des évènements pluvieux, la sélectivité des particules érodées, les phénomènes d’incision affectant les sols du bassin versant et la capacité de transport du cours d’eau. Les teneurs en Ca peuvent toutefois être liées à des apports anthropiques.

This thesis presents a multi-scale investigation of the role of waves, sea level and human settlements to understand long-term coastal evolution of the 400-km long sandy Bight of Benin coast (Gulf of Guinea, West Africa). Coastal morphology and its ocean drivers are monitored using local shore-based video camera and regional satellite remote sensing. New video developpements show the potential of video camera in sensing daily beach profile, waves and sea level at the coast. The results reveal the dominant influence of waves on shoreline variability at the event (daily) and seasonal scales, whereas at the intraseasonal and interannual scales, the shoreline is dominantly modulated by sea level changes. Over longer periods (decades), anthropogenic influence, such as deep water harbours and the reduction of sediment river (such as Volta and Niger) discharge due to dams significantly alter sediment transport, creating several erosion zones. These observations over the long term are satisfactorily reproduced by the implemented shoreline model, specially in the vicinity of the harbors, and allows to estimate, for example, the amount of sediment nourishment necessary to limit erosion downstream of Lagos harbor. Beside their fundamental interest, these results put strong basis to improve regional coastal policies.; Cette thèse présente une étude multi-échelle du rôle des vagues, du niveau de la mer et des infrastructures humaines pour comprendre l'évolution à long terme des 400 km de côte sableuse dans la Baie du Bénin (Golfe de Guinée, Afrique de l'Ouest). La morphologie côtière et les forçages océaniques sont mesurés au niveau local par un système d'observation vidéo et au niveau régional par télédétection satellite. De nouvelles améliorations des techniques vidéo montrent le potentiel des systèmes vidéo dans l'estimation journalière du profil de la plage, des vagues et du niveau de la mer à la côte. Les résultats révèlent l'influence dominante des vagues sur la variabilité côtière aux échelles événementielle (journalière) et saisonnière, tandis qu'aux échelles intrasaisonnière et interannuelle, le trait de côte est modulé de manière dominante par les changements du niveau de la mer. Sur des périodes plus longues (décennies), les influences anthropiques, telles que les ports en eau profonde et la réduction des flux sédimentaires fluviaux (à l'exemple de la Volta et le Niger) due aux barrages, modifient considérablement le transport sédimentaire, conduisant à l'apparition de plusieurs zones d'érosion. Ces observations à long terme sont reproduites de manière satisfaisante par le modèle de trait de côte mis en œuvre, en particulier à proximité des ports, et permettent d'estimer, par exemple, la quantité de sédiments nécessaire pour limiter l'érosion en aval du port de Lagos. Outre leur intérêt fondamental, ces résultats constituent un cadre solide pour l'amélioration des politiques côtières dans la région.

This thesis presents a multi-scale investigation of the role of waves, sea level and human settlements to understand long-term coastal evolution of the 400-km long sandy Bight of Benin coast (Gulf of Guinea, West Africa). Coastal morphology and its ocean drivers are monitored using local shore-based video camera and regional satellite remote sensing. New video developpements show the potential of video camera in sensing daily beach profile, waves and sea level at the coast. The results reveal the dominant influence of waves on shoreline variability at the event (daily) and seasonal scales, whereas at the intraseasonal and interannual scales, the shoreline is dominantly modulated by sea level changes. Over longer periods (decades), anthropogenic influence, such as deep water harbours and the reduction of sediment river (such as Volta and Niger) discharge due to dams significantly alter sediment transport, creating several erosion zones. These observations over the long term are satisfactorily reproduced by the implemented shoreline model, specially in the vicinity of the harbors, and allows to estimate, for example, the amount of sediment nourishment necessary to limit erosion downstream of Lagos harbor. Beside their fundamental interest, these results put strong basis to improve regional coastal policies.; Cette thèse présente une étude multi-échelle du rôle des vagues, du niveau de la mer et des infrastructures humaines pour comprendre l'évolution à long terme des 400 km de côte sableuse dans la Baie du Bénin (Golfe de Guinée, Afrique de l'Ouest). La morphologie côtière et les forçages océaniques sont mesurés au niveau local par un système d'observation vidéo et au niveau régional par télédétection satellite. De nouvelles améliorations des techniques vidéo montrent le potentiel des systèmes vidéo dans l'estimation journalière du profil de la plage, des vagues et du niveau de la mer à la côte. Les résultats révèlent l'influence dominante des vagues sur la variabilité côtière aux échelles événementielle (journalière) et saisonnière, tandis qu'aux échelles intrasaisonnière et interannuelle, le trait de côte est modulé de manière dominante par les changements du niveau de la mer. Sur des périodes plus longues (décennies), les influences anthropiques, telles que les ports en eau profonde et la réduction des flux sédimentaires fluviaux (à l'exemple de la Volta et le Niger) due aux barrages, modifient considérablement le transport sédimentaire, conduisant à l'apparition de plusieurs zones d'érosion. Ces observations à long terme sont reproduites de manière satisfaisante par le modèle de trait de côte mis en œuvre, en particulier à proximité des ports, et permettent d'estimer, par exemple, la quantité de sédiments nécessaire pour limiter l'érosion en aval du port de Lagos. Outre leur intérêt fondamental, ces résultats constituent un cadre solide pour l'amélioration des politiques côtières dans la région.

The study of soil erosion by water and the transfer of suspended solids from watersheds to rivers is crucial given the environmental and socio-economic issues with regards to growing human influence and the expected intensification of these processes under climate change. The objective of this thesis is to understand how rainfall variability controls the activation of different sediment source zones and the dynamics of hydro-sedimentary flows in two mesoscale Mediterranean catchments, i.e. the Claduègne (42 km², subcatchment of the Ardèche) and the Galabre (20 km2 , subcatchment of the Durance) which are members of the OZCAR critical zone research infrastructure.In the first part, the contributions of the erosion zones to sediment fluxes at the outlet of the Claduègne catchment were quantified at high temporal resolution with a low-cost sediment fingerprinting approach. Two sets of tracers (Color and X-ray fluorescence tracers) and three mixing models were compared to assess the sensitivity of estimated source contributions to these methodological choices. Marly-calcareous badlands were identified as the main sediment source. A similar approach carried out on the Galabre catchment area showed that badlands on molasses were the main source. The comparison of tracer sets and mixing models, showed that the methodological choices generated important differences. Thus, we suggest a multi-tracer-multi-model ensemble approach to obtain more robust results. The application of this approach to a large number of sediment samples highlighted the important within and between event variability in the contributions of different sediment sources, raising questions about the hydro-sedimentary processes that cause this variability.We hypothesized that this variability resulted from variable suspended sediment transit time distributions governed by the interplay of (i) catchment characteristics such as the location of different sources and how they are linked to the outlet (referred to as structural sediment connectivity) and (ii) the spatio-temporal characteristics of rain events that activate and impact transfer velocities (i.e. functional connectivity).Thus, in the second part, a distributed numerical model based on the resolution of Saint Venant equations coupled to a multi-source erosion module was used to evaluate the respective roles of structural and functional connectivity. Sensitivity analysis of the discretization and parameterization choices (i.e. threshold of contributing drainage area to identify the river network, values of roughness coefficients on hillslopes and the river) showed that the location of the sediment sources in the watershed was more important than the modeling choices when the parameters were limited to realistic range. A general temporal pattern of source contributions was observed. This was consistent with the results of the fingerprinting approach and the distribution of distances from the sources to the river and the outlet. The same pattern persists for different rainfall durations or intensities but became much more variable when bimodal hyetographs or spatially variable precipitation was applied. In addition, the location of the rainfall with respect to the sources determined the average contributions of the sources and thus differences between rainfall events.The two approaches, sediment fingerprinting and numerical modeling, were found to complement each other and their combined application has a high potential for understanding how interactions between structural and functional connectivity control the dynamics of sediment fluxes in mesoscale catchments.; L’étude des mécanismes d’érosion hydrique des sols et de transfert de matières en suspension (MES) des bassins versants vers les rivières revêt des enjeux environnementaux et socio-économiques prégnants face à une pression anthropique grandissante et au changement climatique. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment la variabilité de la pluie contrôle l’activation de différentes zones sources de MES et la dynamique des flux hydro-sédimentaires dans deux bassins versants méditerranéens de méso-échelle, la Claduègne (42 km²) et le Galabre (20 km2) membres de l’infrastructure de recherche sur la zone critique OZCAR.Dans la première partie, les contributions des zones d'érosion aux MES à l’exutoire de la Claduègne ont été quantifiées à haute résolution temporelle avec une approche low-cost de traçage. Deux ensembles de traceurs (spectres colorimétriques et de fluorescence X) et trois modèles de mélange ont été comparés pour évaluer la sensibilité des contributions de sources à ces choix méthodologiques. Les principales sources de MES identifiées sont les zones de badlands marno-calcaires. Une approche similaire conduite sur le bassin versant du Galabre a mis en avant la dominance des badlands sur molasses dans les flux de MES. La comparaison des traceurs et des modèles de mélange, a montré que les choix méthodologiques génèrent des différences importantes, qui amènent à recommander une approche d’ensemble multi-traceurs-multi-modèle pour obtenir des résultats plus robustes. L’application de cette approche à un grand nombre d’échantillons de MES a souligné l’importante variabilité inter et intra évènements des contributions des différentes sources de MES, soulevant des questions sur les processus hydro-sédimentaires à l'origine de la variabilité des flux de MES.Le concept de connectivité hydrosédimentaire a été testé en posant l’hypothèse que cette variabilité résultait de distributions des temps de transfert des MES très variables contrôlées par i) les caractéristiques inhérentes aux bassins versants comme la localisation des différentes sources de MES et la façon dont elles sont liées à l’exutoire (i.e. connectivité structurelle) et ii) les caractéristiques spatio-temporelles des évènements pluvieux qui activent et impactent les vitesses de transfert (i.e. connectivité fonctionnelle). Ainsi, dans la deuxième partie, un modèle numérique distribué basé sur la résolution des équations de Saint Venant couplé à un module d’érosion multi-sources de MES, a été utilisé pour évaluer les rôles respectifs des connectivités structurelle et fonctionnelle. L’analyse de sensibilité aux choix de discrétisation et de paramétrisation (i.e. seuil d’aire drainée pour distinguer la rivière des versants, valeurs de coefficients de frottement sur les versants et la rivière) a montré que la localisation des sources de MES dans le bassin versant était plus importante que les choix de modélisation à condition que les paramètres soient dans une gamme réaliste et limitée. Un schéma général de réponse temporelle du bassin versant par type de sources a été observé, cohérent avec les résultats de l’approche de traçage et la distribution des distances des sources à la rivière et à l'exutoire. Ce même schéma persiste pour différentes durées ou intensités des précipitations mais devient beaucoup plus variable lorsque des hyétogrammes bimodaux ou des précipitations variables dans l'espace sont appliquées. En outre, la localisation de la pluie par rapport aux sources détermine les contributions moyennes des sources et donc les différences entre les événements de pluie.Les deux approches de traçage des MES et de modélisation numérique se sont avérées complémentaires et leur application combinée présente un fort potentiel pour comprendre comment les interactions entre connectivité structurelle et fonctionnelle contrôlent la dynamique des flux de MES aux exutoires de bassins versants de méso-échelle.

The study of soil erosion by water and the transfer of suspended solids from watersheds to rivers is crucial given the environmental and socio-economic issues with regards to growing human influence and the expected intensification of these processes under climate change. The objective of this thesis is to understand how rainfall variability controls the activation of different sediment source zones and the dynamics of hydro-sedimentary flows in two mesoscale Mediterranean catchments, i.e. the Claduègne (42 km², subcatchment of the Ardèche) and the Galabre (20 km2 , subcatchment of the Durance) which are members of the OZCAR critical zone research infrastructure.In the first part, the contributions of the erosion zones to sediment fluxes at the outlet of the Claduègne catchment were quantified at high temporal resolution with a low-cost sediment fingerprinting approach. Two sets of tracers (Color and X-ray fluorescence tracers) and three mixing models were compared to assess the sensitivity of estimated source contributions to these methodological choices. Marly-calcareous badlands were identified as the main sediment source. A similar approach carried out on the Galabre catchment area showed that badlands on molasses were the main source. The comparison of tracer sets and mixing models, showed that the methodological choices generated important differences. Thus, we suggest a multi-tracer-multi-model ensemble approach to obtain more robust results. The application of this approach to a large number of sediment samples highlighted the important within and between event variability in the contributions of different sediment sources, raising questions about the hydro-sedimentary processes that cause this variability.We hypothesized that this variability resulted from variable suspended sediment transit time distributions governed by the interplay of (i) catchment characteristics such as the location of different sources and how they are linked to the outlet (referred to as structural sediment connectivity) and (ii) the spatio-temporal characteristics of rain events that activate and impact transfer velocities (i.e. functional connectivity).Thus, in the second part, a distributed numerical model based on the resolution of Saint Venant equations coupled to a multi-source erosion module was used to evaluate the respective roles of structural and functional connectivity. Sensitivity analysis of the discretization and parameterization choices (i.e. threshold of contributing drainage area to identify the river network, values of roughness coefficients on hillslopes and the river) showed that the location of the sediment sources in the watershed was more important than the modeling choices when the parameters were limited to realistic range. A general temporal pattern of source contributions was observed. This was consistent with the results of the fingerprinting approach and the distribution of distances from the sources to the river and the outlet. The same pattern persists for different rainfall durations or intensities but became much more variable when bimodal hyetographs or spatially variable precipitation was applied. In addition, the location of the rainfall with respect to the sources determined the average contributions of the sources and thus differences between rainfall events.The two approaches, sediment fingerprinting and numerical modeling, were found to complement each other and their combined application has a high potential for understanding how interactions between structural and functional connectivity control the dynamics of sediment fluxes in mesoscale catchments.; L’étude des mécanismes d’érosion hydrique des sols et de transfert de matières en suspension (MES) des bassins versants vers les rivières revêt des enjeux environnementaux et socio-économiques prégnants face à une pression anthropique grandissante et au changement climatique. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment la variabilité de la pluie contrôle l’activation de différentes zones sources de MES et la dynamique des flux hydro-sédimentaires dans deux bassins versants méditerranéens de méso-échelle, la Claduègne (42 km²) et le Galabre (20 km2) membres de l’infrastructure de recherche sur la zone critique OZCAR.Dans la première partie, les contributions des zones d'érosion aux MES à l’exutoire de la Claduègne ont été quantifiées à haute résolution temporelle avec une approche low-cost de traçage. Deux ensembles de traceurs (spectres colorimétriques et de fluorescence X) et trois modèles de mélange ont été comparés pour évaluer la sensibilité des contributions de sources à ces choix méthodologiques. Les principales sources de MES identifiées sont les zones de badlands marno-calcaires. Une approche similaire conduite sur le bassin versant du Galabre a mis en avant la dominance des badlands sur molasses dans les flux de MES. La comparaison des traceurs et des modèles de mélange, a montré que les choix méthodologiques génèrent des différences importantes, qui amènent à recommander une approche d’ensemble multi-traceurs-multi-modèle pour obtenir des résultats plus robustes. L’application de cette approche à un grand nombre d’échantillons de MES a souligné l’importante variabilité inter et intra évènements des contributions des différentes sources de MES, soulevant des questions sur les processus hydro-sédimentaires à l'origine de la variabilité des flux de MES.Le concept de connectivité hydrosédimentaire a été testé en posant l’hypothèse que cette variabilité résultait de distributions des temps de transfert des MES très variables contrôlées par i) les caractéristiques inhérentes aux bassins versants comme la localisation des différentes sources de MES et la façon dont elles sont liées à l’exutoire (i.e. connectivité structurelle) et ii) les caractéristiques spatio-temporelles des évènements pluvieux qui activent et impactent les vitesses de transfert (i.e. connectivité fonctionnelle). Ainsi, dans la deuxième partie, un modèle numérique distribué basé sur la résolution des équations de Saint Venant couplé à un module d’érosion multi-sources de MES, a été utilisé pour évaluer les rôles respectifs des connectivités structurelle et fonctionnelle. L’analyse de sensibilité aux choix de discrétisation et de paramétrisation (i.e. seuil d’aire drainée pour distinguer la rivière des versants, valeurs de coefficients de frottement sur les versants et la rivière) a montré que la localisation des sources de MES dans le bassin versant était plus importante que les choix de modélisation à condition que les paramètres soient dans une gamme réaliste et limitée. Un schéma général de réponse temporelle du bassin versant par type de sources a été observé, cohérent avec les résultats de l’approche de traçage et la distribution des distances des sources à la rivière et à l'exutoire. Ce même schéma persiste pour différentes durées ou intensités des précipitations mais devient beaucoup plus variable lorsque des hyétogrammes bimodaux ou des précipitations variables dans l'espace sont appliquées. En outre, la localisation de la pluie par rapport aux sources détermine les contributions moyennes des sources et donc les différences entre les événements de pluie.Les deux approches de traçage des MES et de modélisation numérique se sont avérées complémentaires et leur application combinée présente un fort potentiel pour comprendre comment les interactions entre connectivité structurelle et fonctionnelle contrôlent la dynamique des flux de MES aux exutoires de bassins versants de méso-échelle.

Because increasing climatic variability and anthropic pressures have affected the sediment dynamics of large tropical rivers, long-term sediment concentration series have become crucial for understanding the related socio-economic and environmental impacts. The large size of this basin requires an integrated approach to dynamically monitor sediment flows, by coupling in-situ data, remote sensing (water colour and spatial altimetry), calibration/validation measurement campaigns, and hydrological modelling. This is why this problem has been approached by identifying two grain size modes that dominate the process of sediment transport in the major rivers of the Amazon basin. On the one hand, the silts and small aggregates, which can be monitored at the water surface by satellite, and on the other hand, the fine sands in graded suspension, invisible to satellites, but whose transport can be modelled by equations derived from hydraulics.In order to link the surface suspended sediment concentration, measured by satellite, and the average concentration in a river reach, a physical formulation is proposed (Santini et al., 2019) and validated from an exceptional hydro-sedimentary dataset collected in the Peruvian Amazon as part of the SO HyBAm activities. This model is also a powerful tool for optimizing water column sampling and in situ concentration monitoring in large rivers. The hydraulic parameters required for its application, but also for the laws of transport capacity used to simulate sand flows, are derived from the semi-distributed SWAT hydrological model. The latter was used to simulate the hydrological cycle in a 350,000 km² test basin, the Ucayali. This basin, which is the main branch of the Amazon River, discharges 12,000 m3 s-1 of water and exports 293 106 t year-1 of sediment to the Amazon River. Complex intra-annual hydro-sedimentary dynamics have thwarted the water and sediment routing approaches implemented in the SWAT model. In particular, the effectsof flooding on the river flood wave propagation, which seasonally control sedimentation and sediment recycling processes in the basin. New hydraulic and sedimentary routing modules have therefore been implemented into the model, taking into account the above-mentioned effects.The modified SWAT model allows an excellent simulation of daily flows at the Ucayali outlet (Nasch of 0.94), average velocity, and water levels. These hydraulic parameters are then used for the application of transport capacity laws to calculate a sand flow, and for the use of the physical model to link the satellite fine particle concentration to an average concentration. This approach thus makes it possible, based on the conventional in situ network and on “virtual” stations where flows are monitored by simulation and satellite, to propose a detailed and extended dynamic assessment for the Ucayali basin.; Dans un contexte d’intensification de la variabilité climatique et de la pression anthropique sur les bassins de l’avant pays du bassin Amazonien, la compréhension des dynamiques hydro-sédimentaires devient plus que jamais un enjeu crucial pour garantir un développement durable dans cette région. La taille considérable de ce bassin impose une approche intégrée pour effectuer un suivi dynamique des flux particulaires, couplant données in-situ, télédétection (couleur de l’eau et altimétrie spatiale), campagnes de mesures de calibration/validation, et la modélisation hydrologique. C’est pourquoi ce problème a été approché en identifiant deux modes granulométriques dominant le cortège d’alluvions transportées par les grandes rivières du bassin Amazonien. D’une part, les silts et les petits agrégats, qui peuvent être suivis en surface par satellite, et d’autre part les sables fins en suspension graduée, invisibles pour les satellites, mais dont le transport peut être modélisé par des équations issues de l’hydraulique. Afin de relier la concentration en matières en suspension en surface, mesurée par satellite, et la concentration moyenne dans une section de mesure, une formulation physique est proposé (Santini et al., 2019) et validée à partir d’un jeu de données hydro-sédimentaires exceptionnel, collecté en Amazonie péruvienne dans le cadre des activités du SO HyBAm. Ce modèle est également un outil puissant pour optimiser l’échantillonnage dans la colonne d’eau et le suivi in situ de concentration dans les grands fleuves. Les paramètres hydrauliques nécessaires à son application, mais également aux lois de capacité de transport utilisées pour simuler les flux de sables, sont obtenus à partir du modèle hydrologique semi-distribué SWAT. Ce dernier a été utilisé pour simuler le cycle hydrologique dans un bassin test de 350 000 km², l’Ucayali. Ce bassin, qui est la branche mère du fleuve l’Amazone, roule 12 000 m3 s-1 et exporte à l’Amazone 293 106 t an-1 de sédiments. Les dynamiques hydro-sédimentaires intra-annuelles complexes ont mis en échec les approches de routage de l’eau et des sédiments implantées dans le modèle SWAT. En particulier, les effets d’épanchement des crues dans le lit majeur et de remous, qui contrôlent à l’échelle saisonnière les processus de sédimentation et de recyclage sédimentaire dans le bassin. De nouveaux modules de routage hydraulique et sédimentaire ont donc été implantés, en prenant en compte les effets précités. Le modèle SWAT ainsi modifié permet une excellente simulation des débits journaliers à l’exutoire de l’Ucayali (Nasch de 0.94), des vitesses moyennes et des hauteurs d’eau. Ces paramètres hydrauliques sont ensuite utilisés pour l’application de lois de capacité de transport afin de calculer un flux sables, et pour l’utilisation du modèle physique permettant de relier la concentration satellite en particules fines à une concentration moyenne. Cette approche permet ainsi, en s’appuyant sur le réseau conventionnel in-situ et sur des stations « virtuelles » où les flux sont suivis par simulation et par satellite, de proposer un bilan dynamique détaillé et étendu pour le bassin de l’Ucayali.

The Cenozoic is marked by a global climatic cooling and glacial/interglacial periods which intensified in the mid-Pleistocene from return cycles of 40 ka to 100 ka. Observations show an increase in global erosion rates during the same period. Erosion impacts the dynamics of mountain ranges by focusing deformation. Thus, there is a debate for 30 years about the impact of climate on the evolution of mountain ranges, controlled at first order by tectonics. Although our understanding of glacial erosion and its impact on the relief has increased significantly since then, ambiguities remain as to its role in the recent increase in erosion rates. In this thesis work, I adopt a numerical modelling approach to constrain, firstly, the role of lithology on the spatial distribution of glacial erosion and, secondly, the impact of glacial transport on detrital thermochronology records characterising the spatial distribution of erosion. The results show that lithology controls the spatial distribution of erosion by determining the resistance of bedrock to erosion, thus impacting the morphology of glacial valleys. Glacial transport limits the lateral mixing of sediments and promotes their storage upstream in tributary glaciers showing low ice sliding velocities. This impacts the thermochronological detrital age distributions collected at the glacier fronts, by buffering the real contribution of hillslopes and promoting the contribution of low altitudes near the sampling site; this can lead to erroneous interpretations of the spatial distribution of glacial erosion. Thus, this work brings new knowledge to the current debate, as well as perspectives on the contribution of numerical modelling in the evaluation of diagnostic tools., Le Cénozoïque est marqué par un refroidissement global du climat et des périodes glaciaires/interglaciaires qui se sont intensifiées au milieu du Pléistocène passant de cycles de retour de 40 ka à 100 ka. Des observations montrent une augmentation des taux d’érosion globaux à la même période. L’érosion impacte la dynamique des chaines de montagnes en focalisant la déformation. Ainsi, un débat existe depuis 30 ans à savoir quel est l’impact du climat sur l’évolution des chaines de montagnes, contrôlée au premier ordre par la tectonique. Bien que notre compréhension de l’érosion glaciaire et de son impact sur le relief ait significativement augmentée depuis, des ambiguïtés demeurent quant à son rôle dans l’augmentation récente des taux d’érosion. Dans ces travaux de thèse, j’adopte une approche de modélisation numérique pour contraindre d’une part, le rôle de la lithologie sur la distribution spatiale de l’érosion glaciaire, et d’autre part, l’impact du transport glaciaire sur les enregistrements de thermochronologie détritique caractérisant la distribution spatiale de l’érosion. Les résultats montrent que la lithologie contrôle la distribution spatiale de l’érosion, en déterminant la résistance des substrats rocheux à l’érosion, impactant ainsi la morphologie des vallées glaciaires. Le transport glaciaire limite le mélange latéral des sédiments et favorise leur stockage en amont dans les glaciers tributaires montrant de faibles vitesses d’écoulement. Cela impacte les distributions d’âges détritiques thermochronologiques collectés au front des glaciers, en tamponnant la contribution réelle des versants et favorisant la contribution des basses altitudes proches du site d’échantillonnage ; pouvant ainsi mener à des interprétations erronées de la distribution spatiale de l’érosion glaciaire. Ainsi, ces travaux apportent de nouvelles connaissances au débat actuel, ainsi que des perspectives quant à l’apport de la modélisation numérique dans l’évaluation des outils de diagnostic.

The Adour estuary is an urbanized area with human, economic and environmental stakes. The tide meets the river flow of the Adour. The result of confronting these forcing is a re-suspension of the sediments present in the estuary, which can lead to the appearance of high concentration values. On the other hand, floods of Adour and Nive (one of its tributaries) have negative consequences on this area. This work is based on the development of an 1D numerical hydro-sedimentary model to improve the understanding and forecast of the phenomena.; L’estuaire de l’Adour est une zone urbanisée regroupant enjeux humains, économiques et environnementaux. La marée et ses courants y rencontrent le débit fluvial de l’Adour. Le produit de ces forçages a pour effet la remise en suspension des sédiments présents dans l’estuaire, ce qui peut entrainer l’apparition d’un bouchon vaseux. D’autre part, les crues de l’Adour et de la Nive (un de ses affluents) ont des conséquences néfastes sur cette zone. Ce travail repose sur le développement d’un modèle numérique hydro-sédimentaire 1D permettent de mieux comprendre et appréhender ces phénomènes.

The sub-glacial erosion is estimated from the sediment load of streams flowing from glaciers. To do it, we instrumented the Bossons and of Crosette streams located downstream of the Bossons glacier. The solutions found to solve the problems induced by the complexity of the proglacial field conditions are exposed. They are based on the use of a material already tested in numerous sites and on a high-resolution acquisition performed on several different sites with a daily transmission of the data., L’érosion sous-glaciaire est estimée à partir du flux sédimentaire de torrents en provenance des glaciers. Pour ce faire, nous avons instrumenté les torrents des Bossons et de Crosette situés à l’aval du glacier des Bossons. Les solutions trouvées pour résoudre les problèmes liés à la complexité du terrain proglaciaire sont exposées. Elles reposent sur l’utilisation d’un matériel éprouvé dans de nombreux sites et sur une acquisition haute résolution effectuée sur plusieurs sites distincts avec une transmission journalière des données., Mugnier Jean-Louis, Guillon Hervé, Buoncristiani Jean-françois, Romeyer Olivier, Bascou Pascale. Mesure de la charge en suspension de torrents proglaciaires. L’exemple des torrents issus du glacier des Bossons. In: Collection EDYTEM. Cahiers de géographie, numéro 19, 2017. Monitoring en milieux naturels. Retours d’expériences en terrains difficiles. pp. 199-204.

Deltas and coastal regions deliver the largest inputs of freshwater and sediments to the shelf and open ocean, understanding water and sediment dynamics and variability in those regions is therefore crucial. The spatio-temporal variability of estuarine and ocean dynamics under the influence of natural forcings and their impact on sediment transport and fate was assessed along the Red River estuary - coastal ocean - Gulf of Tonkin continuum. First, in-situ estuarine observations evidenced the seasonal and tidal variabilities of flow and suspended matter, and showed in particular the role of tidal pumping in the estuary siltation. Second, a 3D realistic hydrodynamic model was set up and calibrated with various observations and satellite data. Beforehand, a high-resolution model configuration was implemented and optimized with sensitivity tests of the Gulf of Tonkin's tidal components to bathymetry and various bottom friction parameterizations. Third, the resulting optimized configuration was used to study the large scale Gulf of Tonkin circulation at daily, seasonal and interannual scales, and to identify the drivers of their variabilities. Ekman transport variability due to monsoon winds reversal drives the seasonal circulation, which can be reversed in summer by episodic typhoon events and intensified in winter. ENSO, strong typhoon activity and Arctic Oscillation have been identified as drivers of the interannual circulation variability. Lastly, preliminary tests with a sediment transport module coupled with the hydrodynamics model revealed the importance of the seabed composition and of the parameterization of the erosion coefficients.; Les deltas et les régions côtières constituent les sources les plus importantes d'eau douce et de matière en suspension vers le plateau continental puis le large, la compréhension de leur dynamique et de leur variabilité est donc cruciale. Cette thèse vise à mieux comprendre la variabilité spatio-temporelle de la dynamique estuarienne et océanique sous l'influence de forçages naturels et l'influence de cette variabilité sur le transport et devenir des sédiments le long du continuum estuaire - océan côtier du Fleuve Rouge au Golfe du Tonkin. Des observations in-situ collectées dans l'estuaire ont d'abord mis en évidence l'influence de la variabilité saisonnière et de la variabilité due à la marée sur le débit et sur le devenir des matières en suspension, en particulier le rôle du pompage tidal dans l'envasement de l'estuaire. Deuxièmement, un modèle hydrodynamique 3D réaliste, basé sur une configuration haute-résolution et un paramétrage optimisés et validés à partir de plusieurs jeux d'observations in-situ et de données satellitaires, a été utilisé pour l'étude de la circulation à l'échelle du Golfe du Tonkin. Cette configuration a préalablement été optimisée à l'aide de tests de sensibilité des solutions de marée à la bathymétrie et à la paramétrisation du frottement de fond. Les facteurs de la variabilité de cette circulation aux échelles journalière, saisonnière à interannuelle ont été identifiés. La variabilité du transport d'Ekman due à l'inversion saisonnière des vents de mousson a été identifiée comme le principal moteur de la circulation saisonnière, cette dernière pouvant être inversée (intensifiée) en été (hiver) par le passage de typhons. ENSO, l'Oscillation Arctique ou encore une forte activité cyclonique ont été identifiés comme les facteurs de la variabilité interannuelle. Des tests préliminaires avec un module de transport sédimentaire couplé au modèle hydrodynamique ont révélé l'importance, pour la représentation réaliste du transport de matière en suspension, de la composition du sédiment de fond et du paramétrage des coefficients d'érosion.

Deltas and coastal regions deliver the largest inputs of freshwater and sediments to the shelf and open ocean, understanding water and sediment dynamics and variability in those regions is therefore crucial. The spatio-temporal variability of estuarine and ocean dynamics under the influence of natural forcings and their impact on sediment transport and fate was assessed along the Red River estuary - coastal ocean - Gulf of Tonkin continuum. First, in-situ estuarine observations evidenced the seasonal and tidal variabilities of flow and suspended matter, and showed in particular the role of tidal pumping in the estuary siltation. Second, a 3D realistic hydrodynamic model was set up and calibrated with various observations and satellite data. Beforehand, a high-resolution model configuration was implemented and optimized with sensitivity tests of the Gulf of Tonkin's tidal components to bathymetry and various bottom friction parameterizations. Third, the resulting optimized configuration was used to study the large scale Gulf of Tonkin circulation at daily, seasonal and interannual scales, and to identify the drivers of their variabilities. Ekman transport variability due to monsoon winds reversal drives the seasonal circulation, which can be reversed in summer by episodic typhoon events and intensified in winter. ENSO, strong typhoon activity and Arctic Oscillation have been identified as drivers of the interannual circulation variability. Lastly, preliminary tests with a sediment transport module coupled with the hydrodynamics model revealed the importance of the seabed composition and of the parameterization of the erosion coefficients.; Les deltas et les régions côtières constituent les sources les plus importantes d'eau douce et de matière en suspension vers le plateau continental puis le large, la compréhension de leur dynamique et de leur variabilité est donc cruciale. Cette thèse vise à mieux comprendre la variabilité spatio-temporelle de la dynamique estuarienne et océanique sous l'influence de forçages naturels et l'influence de cette variabilité sur le transport et devenir des sédiments le long du continuum estuaire - océan côtier du Fleuve Rouge au Golfe du Tonkin. Des observations in-situ collectées dans l'estuaire ont d'abord mis en évidence l'influence de la variabilité saisonnière et de la variabilité due à la marée sur le débit et sur le devenir des matières en suspension, en particulier le rôle du pompage tidal dans l'envasement de l'estuaire. Deuxièmement, un modèle hydrodynamique 3D réaliste, basé sur une configuration haute-résolution et un paramétrage optimisés et validés à partir de plusieurs jeux d'observations in-situ et de données satellitaires, a été utilisé pour l'étude de la circulation à l'échelle du Golfe du Tonkin. Cette configuration a préalablement été optimisée à l'aide de tests de sensibilité des solutions de marée à la bathymétrie et à la paramétrisation du frottement de fond. Les facteurs de la variabilité de cette circulation aux échelles journalière, saisonnière à interannuelle ont été identifiés. La variabilité du transport d'Ekman due à l'inversion saisonnière des vents de mousson a été identifiée comme le principal moteur de la circulation saisonnière, cette dernière pouvant être inversée (intensifiée) en été (hiver) par le passage de typhons. ENSO, l'Oscillation Arctique ou encore une forte activité cyclonique ont été identifiés comme les facteurs de la variabilité interannuelle. Des tests préliminaires avec un module de transport sédimentaire couplé au modèle hydrodynamique ont révélé l'importance, pour la représentation réaliste du transport de matière en suspension, de la composition du sédiment de fond et du paramétrage des coefficients d'érosion.

The large quantities of sediments transported as suspension in Alpine rivers are associated with important socio-economic and environmental issues such as pollutant transfer, aquatic habitat degradation or dam siltation. To address these issues, it is required to better understand the role of Alpine river beds on the dynamics of this transport. In the first part of this thesis, we use large datasets from the literature and new field measurements to investigate at a regional scale i) the influence of sediment sources configuration on suspended load variability, ii) the quantity and availability of fine particles in Alpine river beds and iii) the relation between suspended load and river bed mobility. These analyses show that the catchment configuration upstream the observation point can significantly control the suspended load dynamics observed downstream. This first part also shows that large quantities of fine particles can be stored in alluvial Alpine rivers. For these rivers and for high flow rates, it was possible to predict a significant part of suspended load based on riverbed mobility modeling. The second part of the thesis tests these results at a local scale. To do so, an important field campaign was performed during the entire melting season of a typical Alpine river, the Séveraisse. A large panel of direct and indirect measurements was used to measure suspended load, bedload and topographic changes on a 3.5-km reach. These measurements confirm that suspended particles strongly interact with the river bed in that kind of morphodynamically active streams. The latter can be considered as an intermediate buffer controlled by the upstream hydro-sedimentary forcing and by the river bed mobility and morphology.; Les grandes quantités de sédiments transportés par suspension dans les rivières alpines sont associées à d’importantes problématiques socio-économiques et environnementales telles que le transport de polluants, la dégradation des milieux aquatiques ou l’envasement des retenues hydroélectriques. Pour faire face à ces enjeux, il est nécessaire de mieux comprendre le rôle joué par le lit des rivières alpines sur la dynamique de ce transport. A partir de larges bases de données issues de la littérature et de nouvelles mesures de terrain, la première partie de cette thèse propose une étude à une échelle régionale de i) l’influence de la configuration des sources sédimentaires sur la variabilité du transport solide par suspension, ii) l’estimation de la quantité et de la disponibilité des particules fines dans le lit des rivières alpines et iii) l’analyse de la relation entre transport solide par suspension et mobilité du lit de ces rivières. Ces analyses montrent que la configuration du bassin versant en amont du point d’observation contrôle significativement la dynamique du transport solide par suspension observée en aval. De grandes quantités de sédiments fins sont en effet stockées dans les rivières alpines alluviales et il est ainsi possible de prédire une partie significative de leurs flux en suspension pour les forts débits à partir d’une modélisation de la mobilité de leurs lits. La seconde partie de la thèse teste ces résultats à une échelle locale. Pour cela, une campagne de mesures a été réalisée durant une saison complète de fonte sur un cours d’eau alpin typique, la Séveraisse. Un large panel de mesures directes et indirectes a été mis en œuvre pour mesurer la suspension, le charriage et les évolutions topographiques sur un tronçon de 3.5 km. Ces mesures confirment que les particules fines transportées par suspension interagissent fortement avec le lit dans ce type de tronçon morphodynamiquement actif. Ce dernier peut être perçu comme une zone tampon intermédiaire contrôlée par le forçage amont sédiments-débit liquide ainsi que par la mobilité et la morphologie de son lit.

The amount of sand that can be mobilized on a sedimentary bed or sediment supply, has an important impact on the bed morphodynamics. There are many coastal areas subjected to the limitation of sediment that can play a significant role in the erosion-accretion processes of beaches or can impact human activities.The impact of sediment supply on the morphodynamics of a sedimentary bed subjected to a current is experimentally studied in a current flume. The flow velocity is such that the bottom shear stress is higher than the critical shear stress for sediment threshold. The temporal evolution of ripple wavelength shows a significant dependence with the sediment supply. It is the same with parameters such as the height or the wavelength of the bedforms at equilibrium. A re-analysis of field data from Ferret 2011 is performed and the obtained results for the bedform migration velocity are compared with the experimental results. The influence of the sediment bedload transport and the migration velocity with the sediment supply can be modeled by the addition of a factor depending on the fraction of the bottom covered with movable sediment. The impact of the sediment supply on the sediment threshold is also experimentally studied with different roughness for the immobile bottom. Two methods of detection of the sediment threshold are developed in order to automate the acquisition and process as much as possible. The impact of the bottom roughness and the sediment supply on the sediment threshold for homogeneous, weakly heterogeneous and shellfish sediment is experimentally studied; La quantité de sable mobilisable sur un fond sédimentaire, ou disponible sédimentaire, a un impact important sur la morphodynamique du fond sédimentaire. Il existe de nombreuses zones côtières soumises à cette limitation du disponible sableux et qui jouent un rôle dans les phénomènes d'érosion-engraissement des plages ou bien peuvent impacter les activités humaines. L'impact de la quantité de sable mobilisable sur la morphodynamique d'un fond sédimentaire soumis à un courant est étudié expérimentalement dans un canal à courant. La vitesse de l'écoulement est telle que la contrainte au fond soit supérieure à la contrainte critique de mise en mouvement des sédiments. L'évolution temporelle des longueurs d'onde des rides montre une dépendance avec le disponible sédimentaire. Il en est de même la hauteur ou la longueur d'onde des structures à l'équilibre. Une ré-analyse des données in-situ de Ferret 2011 est effectuée et les résultats obtenus sur les vitesses de migration sont comparés aux résultats expérimentaux. La dépendance du transport sédimentaire par charriage et de la vitesse de migration avec le disponible sédimentaire peut être modélisée par l'ajout d'un facteur dépendant de la fraction surfacique du fond couverte de sédiment mobilisable. L'impact du disponible sédimentaire sur le seuil de mise en mouvement des sédiments est également abordé de manière expérimentale avec différentes rugosités pour le fond immobile. Deux méthodes de détection du seuil de mise en mouvement sont développées de manière à automatiser au maximum la mesure. L'impact des rugosités testées et du disponible sédimentaire sur le seuil de mise en mouvement de sédiments homogènes, faiblement hétérogènes et coquilliers est étudié expérimentalement.

Tropical cyclones can generate huge precipitation rates leading to torrential floods. The consequences for civilian infrastructures and population can be significant as phenomenal amounts of sediment are transported to the ocean. Direct measurements of sediment transport are impossible to implement under these extreme hydrodynamic conditions. To overcome these experimental limitations, previous studies have shown that seismology can be an excellent tool for an indirect access to information on the dynamics of a flooded river: turbulent flow and solid transport. Reunion Island is an ideal place to make such observations because its relief, its latitude, and therefore the climatic aspects favour the generation of potentially devastating torrential floods. We have deployed a temporary seismological network of ten three-component, brodeband seismic stations (http://dx.doi.org/10.15778/RESIF.ZF2015) dedicated to studying signals associated with the activity of the rivers Rivière des Pluies and the Rivière du Mât. Data from these seismic stations during several cyclonic floods (Bejisa, Carlos and Dumazile) were analyzed. For a better understanding of the seismological signal of fluvial origin, one of the key points was to compare it with hydrometeorological data and punctually with granulometric and photogrammetric observations. We show that it is possible to use high-frequency seismic observations (> 1 Hz) to monitor the variation in water level during such episodes in Reunion Island and thus estimate a flood wave velocity. We distinguish the seismic signature of the flow and sediment transport and show that these two seismic sources are distributed throughout the entire river segment near the seismometers.; Les cyclones tropicaux peuvent générer d'énormes taux de précipitation conduisant à des crues torrentielles. Les conséquences pour les infrastructures civiles et les populations peuvent être importantes car des quantités phénoménales de sédiments sont transportées vers l'océan. Les mesures directes du transport sédimentaire sont impossibles à mettre en œuvre dans ces conditions hydrodynamiques extrêmes. Afin de pallier ces limitations expérimentales, des études antérieures ont montré que la sismologie peut être un excellent outil pour accéder de façon indirecte aux informations relatives à la dynamique d'un cours d'eau en crue : l'écoulement turbulent et le transport solide. L’île de La Réunion est un lieu idéal pour effectuer de telles observations car ses reliefs, sa latitude, et de ce fait les aspects climatiques favorisent la génération de crues torrentielles potentiellement dévastatrices. Nous avons déployé un réseau sismologique temporaire de dix stations sismiques à trois composantes et de type large bande (http://dx.doi.org/10.15778/RESIF.ZF2015) dédié à l'étude des signaux associés à l’activité de la Rivière des Pluies et de la Rivière du Mât. Les données de ces stations sismiques pendant plusieurs crues cycloniques (Bejisa, Carlos et Dumazile) ont été analysées. Pour une meilleure compréhension du signal sismologique d'origine fluviatile, un des points clés a été de le confronter aux données hydrométéorologiques et ponctuellement aux observations granulométriques et photogrammétriques. Nous montrons qu'il est possible d'utiliser les observations sismiques à hautes fréquences (> 1 Hz) pour suivre la variation du niveau de l'eau pendant de tels épisodes à La Réunion et ainsi estimer une vitesse d'onde de crue. Nous discriminons la signature sismique de l’écoulement et du transport sédimentaire et montrons que ces deux sources sismiques sont réparties dans l'ensemble du segment de rivière se trouvant à proximité des sismomètres.

Tropical cyclones can generate huge precipitation rates leading to torrential floods. The consequences for civilian infrastructures and population can be significant as phenomenal amounts of sediment are transported to the ocean. Direct measurements of sediment transport are impossible to implement under these extreme hydrodynamic conditions. To overcome these experimental limitations, previous studies have shown that seismology can be an excellent tool for an indirect access to information on the dynamics of a flooded river: turbulent flow and solid transport. Reunion Island is an ideal place to make such observations because its relief, its latitude, and therefore the climatic aspects favour the generation of potentially devastating torrential floods. We have deployed a temporary seismological network of ten three-component, brodeband seismic stations (http://dx.doi.org/10.15778/RESIF.ZF2015) dedicated to studying signals associated with the activity of the rivers Rivière des Pluies and the Rivière du Mât. Data from these seismic stations during several cyclonic floods (Bejisa, Carlos and Dumazile) were analyzed. For a better understanding of the seismological signal of fluvial origin, one of the key points was to compare it with hydrometeorological data and punctually with granulometric and photogrammetric observations. We show that it is possible to use high-frequency seismic observations (> 1 Hz) to monitor the variation in water level during such episodes in Reunion Island and thus estimate a flood wave velocity. We distinguish the seismic signature of the flow and sediment transport and show that these two seismic sources are distributed throughout the entire river segment near the seismometers.; Les cyclones tropicaux peuvent générer d'énormes taux de précipitation conduisant à des crues torrentielles. Les conséquences pour les infrastructures civiles et les populations peuvent être importantes car des quantités phénoménales de sédiments sont transportées vers l'océan. Les mesures directes du transport sédimentaire sont impossibles à mettre en œuvre dans ces conditions hydrodynamiques extrêmes. Afin de pallier ces limitations expérimentales, des études antérieures ont montré que la sismologie peut être un excellent outil pour accéder de façon indirecte aux informations relatives à la dynamique d'un cours d'eau en crue : l'écoulement turbulent et le transport solide. L’île de La Réunion est un lieu idéal pour effectuer de telles observations car ses reliefs, sa latitude, et de ce fait les aspects climatiques favorisent la génération de crues torrentielles potentiellement dévastatrices. Nous avons déployé un réseau sismologique temporaire de dix stations sismiques à trois composantes et de type large bande (http://dx.doi.org/10.15778/RESIF.ZF2015) dédié à l'étude des signaux associés à l’activité de la Rivière des Pluies et de la Rivière du Mât. Les données de ces stations sismiques pendant plusieurs crues cycloniques (Bejisa, Carlos et Dumazile) ont été analysées. Pour une meilleure compréhension du signal sismologique d'origine fluviatile, un des points clés a été de le confronter aux données hydrométéorologiques et ponctuellement aux observations granulométriques et photogrammétriques. Nous montrons qu'il est possible d'utiliser les observations sismiques à hautes fréquences (> 1 Hz) pour suivre la variation du niveau de l'eau pendant de tels épisodes à La Réunion et ainsi estimer une vitesse d'onde de crue. Nous discriminons la signature sismique de l’écoulement et du transport sédimentaire et montrons que ces deux sources sismiques sont réparties dans l'ensemble du segment de rivière se trouvant à proximité des sismomètres.

The present thesis deals with the modeling and numerical simulation of complex geophysical flows. Two processes are studied: sediment transport, and variable density flows. For both flows, the approach is the same. In each case, a reduced vertically-averaged model is derived from the 3D Navier-Stokes equations by making a specific asymptotic analysis. The models verify stability properties. Attention is paid to preserving these properties at the discrete level, in particular the entropy stability. The behavior of both models is illustrated numerically. Concerning the sediment transport model, the sediment layer is first studied alone. Then, a coupled sediment-water model is presented and simulated. The influence of a viscosity term in the model for the sediment layer is investigated. Due to this viscosity term, the sediment flux is non-local. A transport threshold is added to the model. The water layer is modeled by the Shallow Water equations. Adding some non-locality to the model allows to simulate dune growth and propagation. In the variable density flow model, the density is a function of one or several tracers such as temperature and salinity. The model derivation consists in removing the dependence of the density on the pressure. A layer-averaged formulation of the model is proposed, which is subsequently used to propose a numerical discretization. The numerical simulations emphasize the differences between this model and a model relying on the classical Boussinesq approximation.; Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation numérique d’écoulements géophysiques complexes. Deux types d’écoulements sont étudiés, le transport sédimentaire par charriage et les écoulements à densité variable. La démarche suivie est la même pour les deux phénomènes. Dans chaque cas, un modèle réduit, moyenné suivant la verticale est dérivé à partir des équations de Navier-Stokes 3D en suivant une certaine asymptotique. Les modèles possèdent des propriétés de stabilité. Ces propriétés sont ensuite préservées au niveau discret, en particulier l’inégalité d’entropie. En ce qui concerne le transport sédimentaire, la couche de sédiments est d’abord traitée seule, puis un modèle couplé pour les sédiments et l’eau est présenté et simulé. L’influence d’un terme de viscosité est étudiée. La présence du terme de viscosité rend le flux sédimentaire non-local. Un seuil pour le transport est introduit dans le modèle. L’eau est modélisée par les équations Shallow Water. L’ajout d’effets non-locaux permet de simuler la croissance et la propagation d’une dune. Dans le modèle pour les écoulements à densité variable, la densité varie en fonction d’un ou plusieurs traceurs tels que la température et la salinité. La dérivation consiste à enlever la dé- pendance en pression dans la loi d’état du fluide. Une formulation moyennée suivant la verticale est proposée; cette formulation est par la suite utilisée pour proposer une discrétisation. Les simulations font ressortir les différences entre le modèle étudié et un modèle classique reposant sur l’approximation de Boussinesq.

The present thesis deals with the modeling and numerical simulation of complex geophysical flows. Two processes are studied: sediment transport, and variable density flows. For both flows, the approach is the same. In each case, a reduced vertically-averaged model is derived from the 3D Navier-Stokes equations by making a specific asymptotic analysis. The models verify stability properties. Attention is paid to preserving these properties at the discrete level, in particular the entropy stability. The behavior of both models is illustrated numerically. Concerning the sediment transport model, the sediment layer is first studied alone. Then, a coupled sediment-water model is presented and simulated. The influence of a viscosity term in the model for the sediment layer is investigated. Due to this viscosity term, the sediment flux is non-local. A transport threshold is added to the model. The water layer is modeled by the Shallow Water equations. Adding some non-locality to the model allows to simulate dune growth and propagation. In the variable density flow model, the density is a function of one or several tracers such as temperature and salinity. The model derivation consists in removing the dependence of the density on the pressure. A layer-averaged formulation of the model is proposed, which is subsequently used to propose a numerical discretization. The numerical simulations emphasize the differences between this model and a model relying on the classical Boussinesq approximation.; Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation numérique d’écoulements géophysiques complexes. Deux types d’écoulements sont étudiés, le transport sédimentaire par charriage et les écoulements à densité variable. La démarche suivie est la même pour les deux phénomènes. Dans chaque cas, un modèle réduit, moyenné suivant la verticale est dérivé à partir des équations de Navier-Stokes 3D en suivant une certaine asymptotique. Les modèles possèdent des propriétés de stabilité. Ces propriétés sont ensuite préservées au niveau discret, en particulier l’inégalité d’entropie.En ce qui concerne le transport sédimentaire, la couche de sédiments est d’abord traitée seule, puis un modèle couplé pour les sédiments et l’eau est présenté et simulé. L’influence d’un terme de viscosité est étudiée. La présence du terme de viscosité rend le flux sédimentaire non-local. Un seuil pour le transport est introduit dans le modèle. L’eau est modélisée par les équations Shallow Water. L’ajout d’effets non-locaux permet de simuler la croissance et la propagation d’une dune.Dans le modèle pour les écoulements à densité variable, la densité varie en fonction d’un ou plusieurs traceurs tels que la température et la salinité. La dérivation consiste à enlever la dépendance en pression dans la loi d’état du fluide. Une formulation moyennée suivant la verticale est proposée; cette formulation est par la suite utilisée pour proposer une discrétisation. Les simulations font ressortir les différences entre le modèle étudié et un modèle classique reposant sur l’approximation de Boussinesq.

The present thesis deals with the modeling and numerical simulation of complex geophysical flows. Two processes are studied: sediment transport, and variable density flows. For both flows, the approach is the same. In each case, a reduced vertically-averaged model is derived from the 3D Navier-Stokes equations by making a specific asymptotic analysis. The models verify stability properties. Attention is paid to preserving these properties at the discrete level, in particular the entropy stability. The behavior of both models is illustrated numerically. Concerning the sediment transport model, the sediment layer is first studied alone. Then, a coupled sediment-water model is presented and simulated. The influence of a viscosity term in the model for the sediment layer is investigated. Due to this viscosity term, the sediment flux is non-local. A transport threshold is added to the model. The water layer is modeled by the Shallow Water equations. Adding some non-locality to the model allows to simulate dune growth and propagation. In the variable density flow model, the density is a function of one or several tracers such as temperature and salinity. The model derivation consists in removing the dependence of the density on the pressure. A layer-averaged formulation of the model is proposed, which is subsequently used to propose a numerical discretization. The numerical simulations emphasize the differences between this model and a model relying on the classical Boussinesq approximation.; Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation numérique d’écoulements géophysiques complexes. Deux types d’écoulements sont étudiés, le transport sédimentaire par charriage et les écoulements à densité variable. La démarche suivie est la même pour les deux phénomènes. Dans chaque cas, un modèle réduit, moyenné suivant la verticale est dérivé à partir des équations de Navier-Stokes 3D en suivant une certaine asymptotique. Les modèles possèdent des propriétés de stabilité. Ces propriétés sont ensuite préservées au niveau discret, en particulier l’inégalité d’entropie. En ce qui concerne le transport sédimentaire, la couche de sédiments est d’abord traitée seule, puis un modèle couplé pour les sédiments et l’eau est présenté et simulé. L’influence d’un terme de viscosité est étudiée. La présence du terme de viscosité rend le flux sédimentaire non-local. Un seuil pour le transport est introduit dans le modèle. L’eau est modélisée par les équations Shallow Water. L’ajout d’effets non-locaux permet de simuler la croissance et la propagation d’une dune. Dans le modèle pour les écoulements à densité variable, la densité varie en fonction d’un ou plusieurs traceurs tels que la température et la salinité. La dérivation consiste à enlever la dé- pendance en pression dans la loi d’état du fluide. Une formulation moyennée suivant la verticale est proposée; cette formulation est par la suite utilisée pour proposer une discrétisation. Les simulations font ressortir les différences entre le modèle étudié et un modèle classique reposant sur l’approximation de Boussinesq.

Les rivières forment un système dynamique complexe soumis à des variations de grande ampleur, en effet les précipitations sont jugées comme la cause fondamentale de ces fluctuations. Au cours du temps, la morphologie des rivières évolue sous l’influence de plusieurs paramètres, en particulier les crues, les ouvrages hydrauliques, le transport sédimentaire. Le développement de la végétation dans le lit de la rivière et sur les berges peut affecter les conditions hydrodynamiques et le comportement des cours d'eau, ainsi l'impact de la végétation est une question cruciale pour la gestion des réseaux d'irrigation et des flux naturels. En réduisant la vitesse, la présence de végétation peut augmenter les dépôts de sédiments et modifier le risque d'inondation du fait des effets combinés de l'augmentation de la rugosité et de la diminution de la zone d'écoulement du chenal principal du fleuve. Ces aspects sont mis en avant par l’application de simulations numériques à des cas réels : cas de la Medjerda et du Canal Medjerda Cap Bon en Tunisie. La végétation est une caractéristique commune des eaux côtières et fluviales naturelles, interagissant à la fois avec le débit d'eau et le transport de sédiments. Cependant, les processus physiques qui régissent ces interactions sont encore mal compris, ce qui rend difficile la prévision du transport des sédiments et de la morpho dynamique. L’enjeu de cette thèse est d’améliorer la connaissance des processus physiques régissant les interactions entre végétation, écoulement et transport sédimentaire. Le but final est de pouvoir améliorer la gestion des hydro-systèmes artificiels ou naturels. Ce travail impliquera deux approches complémentaires d’expériences et de modélisation analytique et numérique. Dans un premier temps, on s’attachera à mieux caractériser les processus physiques d’interaction entre végétation et écoulement. Pour cela des expériences sur différents canaux fourniront l’hydrodynamique au-dessus de végétations modèles. On mettra l’accent sur le développement des méthodes expérimentales spécifiques à l’étude de couche limite au-dessus de macro-rugosités. Ces résultats seront dans un second temps analysés à partir de modèles analytiques qui permettent d’avoir les relations hauteur-débits nécessaires pour la gestion. Les caractéristiques et les performances de plusieurs modèles seront évaluées en regard des différents types de végétations. Dans un troisième temps, des expériences avec des sédiments préciseront l’influence de la végétation sur la modification du transport solide. La réduction des contraintes sur les lits engendre une adaptation nécessaire des lois de transport classique. Un modèle d’ajustement de ces lois sera proposé.

The amount of sand that can be mobilized on a sedimentary bed or sediment supply, has an important impact on the bed morphodynamics. There are many coastal areas subjected to the limitation of sediment that can play a significant role in the erosion-accretion processes of beaches or can impact human activities.The impact of sediment supply on the morphodynamics of a sedimentary bed subjected to a current is experimentally studied in a current flume. The flow velocity is such that the bottom shear stress is higher than the critical shear stress for sediment threshold. The temporal evolution of ripple wavelength shows a significant dependence with the sediment supply. It is the same with parameters such as the height or the wavelength of the bedforms at equilibrium. A re-analysis of field data from Ferret 2011 is performed and the obtained results for the bedform migration velocity are compared with the experimental results. The influence of the sediment bedload transport and the migration velocity with the sediment supply can be modeled by the addition of a factor depending on the fraction of the bottom covered with movable sediment. The impact of the sediment supply on the sediment threshold is also experimentally studied with different roughness for the immobile bottom. Two methods of detection of the sediment threshold are developed in order to automate the acquisition and process as much as possible. The impact of the bottom roughness and the sediment supply on the sediment threshold for homogeneous, weakly heterogeneous and shellfish sediment is experimentally studied, La quantité de sable mobilisable sur un fond sédimentaire, ou disponible sédimentaire, a un impact important sur la morphodynamique du fond sédimentaire. Il existe de nombreuses zones côtières soumises à cette limitation du disponible sableux et qui jouent un rôle dans les phénomènes d'érosion-engraissement des plages ou bien peuvent impacter les activités humaines. L'impact de la quantité de sable mobilisable sur la morphodynamique d'un fond sédimentaire soumis à un courant est étudié expérimentalement dans un canal à courant. La vitesse de l'écoulement est telle que la contrainte au fond soit supérieure à la contrainte critique de mise en mouvement des sédiments. L'évolution temporelle des longueurs d'onde des rides montre une dépendance avec le disponible sédimentaire. Il en est de même la hauteur ou la longueur d'onde des structures à l'équilibre. Une ré-analyse des données in-situ de Ferret 2011 est effectuée et les résultats obtenus sur les vitesses de migration sont comparés aux résultats expérimentaux. La dépendance du transport sédimentaire par charriage et de la vitesse de migration avec le disponible sédimentaire peut être modélisée par l'ajout d'un facteur dépendant de la fraction surfacique du fond couverte de sédiment mobilisable. L'impact du disponible sédimentaire sur le seuil de mise en mouvement des sédiments est également abordé de manière expérimentale avec différentes rugosités pour le fond immobile. Deux méthodes de détection du seuil de mise en mouvement sont développées de manière à automatiser au maximum la mesure. L'impact des rugosités testées et du disponible sédimentaire sur le seuil de mise en mouvement de sédiments homogènes, faiblement hétérogènes et coquilliers est étudié expérimentalement.

The dynamic of sediment flows is a subject that covers many applications in geophysics, ranging from estuary silting issues to the comprehension of sedimentary basins. This PhD thesis deals with high resolution numerical modeling of sediment flows and implementation of the corresponding algorithms on hybrid calculators. Sedimentary flows involve multiple interacting phases, giving rise to several types of instabilities such as Rayleigh-Taylor instabilities and double diffusivity. The difficulties for the numerical simulation of these flows arise from the complex fluid/sediment interactions involving different physical scales. Indeed, these interactions are difficult to treat because of the great variability of the diffusion parameters in the two phases. When the ratio of the diffusivities, given by the Schmidt number, is too high, conventional methods show some limitations. This thesis extends the recent results obtained on the direct resolution of the transport of a passive scalar at high Schmidt number on hybrid CPU-GPU architectures and validates this approach on instabilities that occur in sediment flows. This work first reviews the numerical methods which are adapted to high Schmidt flows in order to apply effective accelerator implementation strategies and proposes an open source reference implementation named HySoP. The proposed implementation makes it possible, among other things, to simulate flows governed by the incompressible Navier-Stokes equations entirely on accelerator or coprocessor thanks to the OpenCL standard and tends towards optimal performances independently of the hardware. The numerical method and its implementation are first validated on several classical test cases and then applied to the dynamics of sediment flows which involve a two-way coupling between the transported scalars and the Navier-Stokes equations. We show that the joint use of adapted numerical methods and their implementation on accelerator makes it possible to describe accurately, at a very reasonable cost, sediment transport for Schmidt numbers difficult to reach with other methods., La dynamique des écoulements sédimentaires est un sujet qui concerne de nombreuses applications en géophysiques, qui vont des questions d'ensablement des estuaires à la compréhension des bassins sédimentaires. Le sujet de cette thèse porte sur la modélisation numérique à haute résolution de ces écoulements et l'implémentation des algorithmes associés sur accélérateurs. Les écoulements sédimentaires font intervenir plusieurs phases qui interagissent, donnant lieu à plusieurs types d'instabilités comme les instabilités de Rayleigh-Taylor et de double diffusivité. Les difficultés pour la simulation numérique de ces écoulements tiennent à la complexité des interactions fluides/sédiments qui font intervenir des échelles physiques différentes. En effet, ces interactions sont difficiles à traiter du fait de la grande variabilité des paramètres de diffusion dans les deux phases et les méthodes classiques présentent certaines limites pour traiter les cas où le rapport des diffusivités, donné par le nombre de Schmidt, est trop élevé. Cette thèse étend les récents résultats obtenus sur la résolution directe de la dynamique du transport d'un scalaire passif à haut Schmidt sur architecture hybride CPU-GPU et valide cette approche sur les instabilités qui interviennent dans des écoulements sédimentaires. Ce travail revisite tout d'abord les méthodes numériques adaptées aux écoulements à haut Schmidt afin de pouvoir appliquer des stratégies d'implémentations efficaces sur accélérateurs et propose une implémentation de référence open source nommée HySoP. L'implémentation proposée permet, entre autres, de simuler des écoulements régis par les équations de Navier-Stokes incompressibles entièrement sur accélérateur ou coprocesseur grâce au standard OpenCL et tend vers des performances optimales indépendamment du matériel utilisé. La méthode numérique et son implémentation sont tout d'abord validées sur plusieurs cas tests classiques avant d'être appliquées à la dynamique des écoulements sédimentaires qui font intervenir un couplage bidirectionnel entre les scalaires transportés et les équations de Navier-Stokes. Nous montrons que l'utilisation conjointe de méthodes numériques adaptées et de leur implémentation sur accélérateur permet de décrire précisément, à coût très raisonnable, le transport sédimentaire pour des nombres de Schmidt difficilement accessibles par d'autres méthodes.

This research work presents an experimental study on the influence of a vortex flow over a sediment bed. The experiments are conducted in a free-surface water channel in the Pprime Institute. Two specific apparatuses, generating isolated vortices of vertical or horizontal axis, were designed during this project. This study focuses on the vertical device. A parametric study is performed with optical measurements (PIV, stereoscopic PIV), in particular with two conditions for the wall roughness. Some behaviour laws are thus established. The characterization of those swirling flows depicts a strong three-dimensional effect, as well as the presence of specific turbulent structures related to sediment transport phenomenon. The secondary section of this work focuses on the sediment suspension caused by a vertical vortex. Turbulent structures related to transport are studied, like the sediment plume behaviour. Reconstruction of the bed over a long period of time, using a stereo-correlation method, highlights scour and accretion regions, induced by the isolated vortex. Finally, a numerical study based on OpenFOAM is proposed. The suggested methodology reproduces the observed fluid and sediment behaviours. Validation of this numerical tool could bring some new study parameters, providing an in-depth comprehension on the quantity of mobilized sediments.; Ce travail de recherche présente une étude expérimentale de l’influence d’un écoulement tourbillonnaire sur un lit sédimentaire. Les expériences se déroulent dans un canal hydro-sédimentaire à surface libre, à l’Institut P’. Deux dispositifs permettant de générer des tourbillons isolés, d’axe vertical ou horizontal, ont été conçus lors de cette thèse. Ce travail se concentre sur le premier de ces montages : une étude paramétrique par mesures optiques (PIV, PIV stéréoscopique) est menée, notamment avec deux conditions de rugosité de paroi. Des lois de comportements sont ainsi établies. La caractérisation des écoulements tourbillonnaires révèle une forte tridimensionnalité, de même que la présence de structures turbulentes particulières, liées aux phénomènes de transport sédimentaire. Un second axe d’étude s’attache à la description de la mise en suspension de sédiments par un tourbillon d’axe vertical. Les structures turbulentes liées au transport sont étudiées, ainsi que le comportement du panache de sédiments. La reconstruction du lit sédimentaire sur un temps long, par l’utilisation d’une méthode de stéréo-corrélation, met en avant les régions d’affouillement et d’accrétion induites par le passage d’un seul tourbillon isolé. Enfin, une étude numérique basée sur OpenFOAM est proposée. La méthodologie exposée reproduit bien les comportements du fluide et des sédiments : la validation de cet outil permettrait d’aborder de nouveaux paramètres d’étude par la connaissance précise des quantités de sédiments mobilisés.

Rivers often present a wavy bed topography due to the presence of bars, corresponding to large sediment deposits alternating with deeper areas (pools). Intense and continual river engineering works altering the river geometry, flow regime and sediment supply can impact bar morphodynamics at the reach scale. A deep knowledge of bar processes is important for river managers, because bars actively control the river bed topography and influence bank erosion, with consequences for navigation, water intakes, infrastructure and the quality of their habitats. Although the origin of bar formation and propagation is well understood, the understanding of bar morphodynamics in rivers remains limited due to the non-linearity of combined natural and anthropogenic effects. Sediment non-uniformity is an inherent characteristic of rivers, but its impact on bar properties, even considering simple configurations, is still unclear. This Ph.D. thesis aims at investigating the impact of sediment size heterogeneity on bars in rivers with non-erodible banks, using a two-dimensional morphodynamic model implemented in the Telemac-Mascaret system. The necessary model developments are brought to comply with the state of the art on the modelling of heterogeneous sediment with bars. Then, the model is used to study bar morphodynamics in a straight channel on the basis of laboratory experiments. Eventually, the analysis is transferred in a 1 km reach of the Loire river characterized by a relatively complex geometry. General outcomes validate the modelling approach and demonstrate the application portability for other study cases, shed more light on the relationship between non-uniform sediment and bars, and can be later used as recommendations for river managers., Les rivières présentent généralement un lit ondulé dû à la présence de bancs, qui correspondent à des larges dépôts sédimentaires alternant avec des zones profondes (mouilles). Des travaux d'ingénierie importants et répétés modifiant la géométrie du cours d'eau, le régime hydraulique et l'apport sédimentaire peuvent à terme modifier la dynamique des bancs à l'échelle de la rivière. Une meilleure compréhension des processus liés aux bancs est importante pour les gestionnaires des rivières, car les bancs contrôlent activement la morphologie du lit et érodent les berges, impactant la navigation, les prises d'eaux, les ouvrages et la qualité des habitats. Même si les mécanismes régissant la formation et le développement des bancs sont bien compris, la compréhension de la morphodynamique des bancs en milieu fluvial reste limitée, en raison de la non-linéarité induite par la combinaison de facteurs naturels en atrophiques. La non-uniformité des sédiments est une caractéristique inhérente des rivières, mais son impact sur la propriété des bancs, même dans des cas simplifiés, reste obscure. Ce travail de thèse vise à étudier l'impact de l'hétérogénéité granulométrique sur des bancs dans des chenaux endigués, via l'utilisation d'un modèle morphodynamique bi-dimensionnel implémenté dans le système Telemac-Mascaret. Les développements numériques nécessaires sont apportés afin d'être en accord avec l'état de l'art sur la modélisation de bancs avec un sédiment-non-uniforme. Par la suite, ce modèle est utilisé pour l'étude de la morphodynamique des bancs dans un chenal rectiligne sur la base d'expériences réalisées en laboratoire. Finalement, l'analyse est transférée sur un tronçon de 1 km de la Loire, caractérisé par sa géométrie relativement complexe. Les résultats permettent de valider l'approche de modélisation et démontrent la portabilité pour d'autres études, apportent plus d'éléments sur la relation entre sédiment non-uniforme et les bancs, et pourront être utilisés pour préconiser les gestionnaires des rivières

A study of the impact of tidal bores on sediment transport by using the numerical simulation has been done in this work. Using OpenFOAM CFD software, we have generated 17 numerical simulations of tidal bores with various values of Froude number Fr, ranging from 0.99 to 1.66. Two types of tidal bores, undular and breaking, have been covered in these 17 numerical simulations. We have studied the behavior of two types of sediment particles, non-cohesive and cohesive sediment particles. For the non-cohesive sediment particles, we have resolved the Maxey and Riley equations to study the influence of undular tidal bores on the trajectory of non cohesive sediment particles. Using the fourth order Runge-Kutta scheme, the method tracker can solve the Maxey and Riley equations that requires the information of velocity fields at time t. For the cohesive sediment particles, we have calculated the distribution of cohesive sediment particles using a floc model that allows to estimate the sediment solid volume concentrationand the diameter of flocs D, presented by Winterwerp (2001). The transport equations of and D are solved using the moment method presented by Beaudoin et al. (2002 and 2004). The moment method has been used because it allows to reduce the CPU time, making feasible a parametric study. From this work, we have found a classification of tidal bores as a function of Froude number Fr. This classification is also based on the study conducted by Furgerot (2014). We have obtained that for a Froude number 1.04 < Fr < 1.43, the tidal bore is undular. For 1.43 < Fr < 1.57, the tidal bore is partially breaking that is similar with the tidal bore transtition defined by Furgerot (2014). For Fr > 1.57, the tidal bore is totally breaking. An analysis of pressure distributions has been performed by Baddour and Song (1990). We found that the total and hydrostatic pressures of undular tidal bores have great values under the crest and the trough wave. In the case of undular tidal bores, the total pressures are not equal to the hydrostatic pressures. In the case of breaking tidal bores, the total pressures become equal to the hydrostatic pressures when the tidal bores are totally breaking. The turbulence reduces the dynamic pressures. The impact of tidal bores on the transport of non-cohesive and cohesive sediment particles have been studied in this work. For the non-cohesive sediment particles, we have observed that the trajectory using the flow generated by OpenFOAM is similar with the type e trajectory proposed by Chen et al. (2010). The modifications of Chen’s model have been done by including the effects of gravity, elevation and attenuation to reproduce non-cohesive particle trajectories under an undular tidal bore. We have obtained that the relationship between the Chen’s parameters (β1 , β2 and β3) and the Froude number Fr are linear. This is because the level of turbulence for undular tidal bores is low. The flow induced by an undular tidal bore is not complex. This physical phenomenon is quasi linear. The parameter β1 , related to the front celerity of tidal bores, decreases when the Froude number Fr increases. The parameters, β2 and β3, related to the elevation and attenuation of tidal bores respectively, increase when the Froude number Fr increases. Finally, for the cohesive sediment particles, we have calculated the distribution of floc size D under two types of tidal bore, undular and breaking. We have used the initial diameter of cohesive sediment particles d = 4 μm. The initial floc size D is equal to 10 μm with the consentration of floc c = 0.5 kg/m3. And we have limited the maximum floc size equal to 2000 μm. We have obtained that the maximum value of floc size Dmax increases exponentially with the Froude number Fr.; Une étude de l'impact des mascarets sur le transport des sédiments à l'aide de la simulation numérique a été réalisée dans ce travail. En utilisant le logiciel OpenFOAM CFD, nous avons généré 17 simulations numériques de mascaret avec divers nombres de Froude Fr, allant de 0,99 à 1,66. Deux types de mascarets, ondulant et déferlant, ont été couverts dans ces 17 simulations numériques. Pour les particules sédimentaires non cohésives, nous avons utilisé les équations de Maxey et Riley pour déterminer la trajectoire des particules sédimentaires non cohésives sous l’influence d’un mascaret ondulant. En utilisant le schéma Runge-Kutta du quatrième ordre, une méthode tracker résout les équations de Maxey et Riley qui nécessitent l’information des champs de vitesse au temps t. Pour les particules sédimentaires cohésives, nous avons calculé la distribution des particules sédimentaires cohésives en utilisant un modèle de transport de flocs, présenté par Winterwerp (2001). Dans ce modèle, la concentration volumique solide des sédiments et le diamètre des flocs D sont estimés. Les équations de transport de et D sont résolues en utilisant la méthode des moments présentée par Beaudoin et al. (2002 et 2004). La méthode des moments permet de réduire le temps CPU rendant possible une étude paramétrique. De ce travail, nous avons trouvé une classification du mascaret en fonction du nombre de Froude Fr. Cette classification est également basée sur l’étude menée par Furgerot (2014). Pour un nombre de Froude 1,04 < Fr < 1,43, le mascaret est ondulant. Pour un nombre de Froude 1,43 < Fr < 1,57, le mascaret est partiellement déferlant, similaire à la transition de mascaret définie par Furgerot (2014). Pour un nombre de Froude Fr > 1,57, le mascaret est totalement déferlant. Une analyse de la distribution de la pression a été effectuée par Baddour et Song (1990). Nous avons trouvé que les pressions totales et hydrostatiques d’un mascaret ondulant ont de grandes valeurs sous la crête et le creux. Dans le cas d’un mascaret ondulant, les pressions totales ne sont pas égales à les pressions hydrostatiques. Cela provoque la présence de pressions dynamiques. Dans le cas de mascaret déferlant, les pressions totales deviennent égales aux pressions hydrostatiques. La turbulence réduit les pressions dynamiques. L'impact des mascarets sur le transport de particules sédimentaires non cohésives et cohésives a été étudié dans ce travail. Pour les particules sédimentaires non cohésives, nous avons observé que la trajectoire utilisant l’écoulement généré par OpenFOAM est similaire à la trajectoire de type e proposée par Chen et al. (2010). Des modifications du modèle de Chen ont été faites en incluant les effets de la gravité, l’élévation et l’atténuation pour reproduire des trajectoires de particules non cohésives sous un mascaret ondulant. Nous avons obtenu des relations linéaires entre les paramètres du modèle de Chen modifié (β1 , β2 et β3) et le nombre de Froude Fr. C’est parce que le niveau de la turbulence du mascaret ondulant est faible. L’écoulement induit par mascaret ondulant n’est pas complexe. Ce phénomène physique est quasi linéaire. Le paramètre β1, lié à la célérité avant du mascaret ondulant, diminue lorsque le nombre de Froude Fr augmente. Les paramètres β2 et β3, liés respectivement à l’élévation et à l’atténuation du mascaret déferlant, augmentent lorsque le nombre de Froude Fr augmente. Enfin, pour les particules sédimentaires cohésives, nous avons calculé la distribution de la taille des flocs D sous deux types de mascaret, ondulant et déferlant. Nous avons utilisé le diamètre initial de la particule sédimentaire cohésive d = 4 μm. La taille du floc initial D est égale à 10 μm avec la concentration du floc c = 0,5 kg/m3 . Et nous avons limité la taille maximale du floc à 2000 μm. Nous avons observé que la valeur maximal de la taille des flocs Dmax augmente de façon exponentielle par rapport au nombre de Froude Fr.

International audience; Comprendre et prévoir les évolutions du trait de côte est crucial pour informer et guider les gestionnaires du littoral. Jusqu'à très récemment la plupart des modèles de trait de côte ne permettaient pas de répondre à ces objectifs le long des littoraux sableux dominés par l'action des vagues du fait de limitations numériques et/ou physiques. Cette étude présente un nouveau modèle numérique à complexité réduite, nommé LX-Shore, permettant de simuler les évolutions du trait de côte le long de ces littoraux, sur des échelles de temps allant de l'heure à quelques décennies, et avec des temps de calcul très réduits. Ce modèle est applicable à la plupart des géométries de côtes sableuses (ex. : flèches sableuses, îles) et prend en compte l'existence de zones non-érodables (ex. : ouvrages de défense, caps rocheux). LX-Shore s'appuie sur une approche one-line originale, où les évolutions du trait de côte résultent non seulement des gradients de transport sédimentaire longshore, mais aussi du transport sédimentaire cross-shore dû à la variabilité temporelle de l'énergie des vagues incidentes. LX-Shore est couplé avec le modèle spectral de vagues SWAN pour simuler la transformation des vagues au-dessus de bathymétries complexes et assurer une rétroaction de l'évolution du trait de côte sur la propagation des vagues. Les cas d'application présentés montrent par exemple que LX-Shore est capable de simuler la formation d'instabilités du trait de côte (ex. : flèches sableuses) ou résultant de l'implémentation de structures en dur (ex. : épis et caps rocheux) sur une large gamme d'échelles temporelles. Cet outil ouvre la voie vers : (1) une meilleure évaluation des processus physiques contrôlant les évolutions du trait de côte et de leurs contributions respectives, (2) et la réalisation de projections.

International audience; Des expériences sont conçues pour reproduire la morphodynamique cross-shore de barres d'avant-côte dans un modèle réduit de plage constituée de sédiment léger. Des paquets d'ondes bichromatiques avec leurs ondes longues (infragravitaires) liées, et des ondes longues libres dans certains cas, se propagent et forment le profil de plage. Les hauteurs de vague des ondes courtes sont identiques pour toutes les conditions, tandis que les ondes longues diffèrent en amplitude et en phase. La non-linéarité des vagues (quantifiée par les asymétries horizontale et verticale) est similaire avant et sur la barre de déferlement. Un transport sédimentaire vers le large et une migration de la barre sont observés pour les conditions présentant une forte composante infragravitaire. Des mesures vidéo montrent qu'une suspension dense en sédiment, produit par le déferlement des plus grandes vagues, est ensuite advectée vers le large par l'écoulement associé aux ondes longues.

National audience; Les barrières littorales dominées par les vagues sont des systèmes dynamiques qui répondent aux fluctuations du niveau marin à différentes échelles de temps, causées par les tempêtes, les marées (échelle journalière à décennale) et les variations climatiques (échelle centennale à millénaire). Elles sont composées de sable silicoclastique, de débris bioclastiques ou d’un mélange des deux. Dans certains environnements de productivité biologique intense, tels que la Manche, les débris coquilliers, essentiellement dérivés de mollusques, peuvent largement dominer la composition globale des sédiments côtiers. Avec le temps, l’évolution des facteurs naturels et anthropiques peut entraîner une variation de la proportion entre les grains silicoclastiques et coquilliers. L’objectif général de cette étude est de comprendre comment une modification de la composition sédimentaire peut affecter les processus impliqués dans la construction des barrières côtières et potentiellement leur stabilité. Suite à une première étude expérimentale en érodimètre qui montre des différences significatives de comportement hydrodynamique entre des débris bioclastiques provenant d’espèces variées de mollusques (Rieux et al., 2018), un ensemble d’expérimentations a été réalisé en canal dans le but de reproduire des morphologies de barrières à partir de mélanges de matériel bioclastique (B) et silicoclastique (S) en proportion variable. Le matériel coquillier provient de la baie du Mont-Saint-Michel tandis que le matériel silicoclastique consiste en un mélange de sables marins (sable de Fontainebleau et sable de Bayeux). Au total, trois mélanges sédimentaires ont été recomposés : 90% B – 10% S ; 50% B – 50% S ; 25% B –75% S. La morphologie des barrières a été reconstituée par photogrammétrie et par mesures au télémètre laser ; l’architecture interne a été étudiée à partir de photographies et de laquer-peels. Les résultats montrent une grande variabilité dans l’évolution des barrières en fonction de la nature du matériel sédimentaire, notamment au niveau des vitesses de migration, de la morphologie et de l’architecture interne des barrières modélisées. Ces différences s’expliquent principalement par une modification de la porosité des dépôts et par les processus de tri qui s’effectuent au niveau des zones de déferlement et de swash dans lesquelles la vitesse de chute des particules joue un rôle prépondérant. Les barrières riches en débris coquilliers amortissent l’énergie des vagues et le transport des sédiments se réalise sur de plus courtes distances. Ces phénomènes engendrent une aggradation des particules bioclastiques en haut de plage, une pente plus forte et des submersions de crête peu fréquentes. Au contraire, un banc riche en sable, et donc moins poreux, entraîne de nombreuses submersions de crête, un déplacement des particules sur de plus grande distance et des pentes globalement plus faibles.

Rivers often present a wavy bed topography due to the presence of bars, corresponding to large sediment deposits alternating with deeper areas (pools). Intense and continual river engineering works altering the river geometry, flow regime and sediment supply can impact bar morphodynamics at the reach scale. A deep knowledge of bar processes is important for river managers, because bars actively control the river bed topography and influence bank erosion, with consequences for navigation, water intakes, infrastructure and the quality of their habitats. Although the origin of bar formation and propagation is well understood, the understanding of bar morphodynamics in rivers remains limited due to the non-linearity of combined natural and anthropogenic effects. Sediment non-uniformity is an inherent characteristic of rivers, but its impact on bar properties, even considering simple configurations, is still unclear. This Ph.D. thesis aims at investigating the impact of sediment size heterogeneity on bars in rivers with non-erodible banks, using a two-dimensional morphodynamic model implemented in the Telemac-Mascaret system. The necessary model developments are brought to comply with the state of the art on the modelling of heterogeneous sediment with bars. Then, the model is used to study bar morphodynamics in a straight channel on the basis of laboratory experiments. Eventually, the analysis is transferred in a 1 km reach of the Loire river characterized by a relatively complex geometry. General outcomes validate the modelling approach and demonstrate the application portability for other study cases, shed more light on the relationship between non-uniform sediment and bars, and can be later used as recommendations for river managers., Les rivières présentent généralement un lit ondulé dû à la présence de bancs, qui correspondent à des larges dépôts sédimentaires alternant avec des zones profondes (mouilles). Des travaux d'ingénierie importants et répétés modifiant la géométrie du cours d'eau, le régime hydraulique et l'apport sédimentaire peuvent à terme modifier la dynamique des bancs à l'échelle de la rivière. Une meilleure compréhension des processus liés aux bancs est importante pour les gestionnaires des rivières, car les bancs contrôlent activement la morphologie du lit et érodent les berges, impactant la navigation, les prises d'eaux, les ouvrages et la qualité des habitats. Même si les mécanismes régissant la formation et le développement des bancs sont bien compris, la compréhension de la morphodynamique des bancs en milieu fluvial reste limitée, en raison de la non-linéarité induite par la combinaison de facteurs naturels en atrophiques. La non-uniformité des sédiments est une caractéristique inhérente des rivières, mais son impact sur la propriété des bancs, même dans des cas simplifiés, reste obscure. Ce travail de thèse vise à étudier l'impact de l'hétérogénéité granulométrique sur des bancs dans des chenaux endigués, via l'utilisation d'un modèle morphodynamique bi-dimensionnel implémenté dans le système Telemac-Mascaret. Les développements numériques nécessaires sont apportés afin d'être en accord avec l'état de l'art sur la modélisation de bancs avec un sédiment-non-uniforme. Par la suite, ce modèle est utilisé pour l'étude de la morphodynamique des bancs dans un chenal rectiligne sur la base d'expériences réalisées en laboratoire. Finalement, l'analyse est transférée sur un tronçon de 1 km de la Loire, caractérisé par sa géométrie relativement complexe. Les résultats permettent de valider l'approche de modélisation et démontrent la portabilité pour d'autres études, apportent plus d'éléments sur la relation entre sédiment non-uniforme et les bancs, et pourront être utilisés pour préconiser les gestionnaires des rivières

This thesis presents the development and application of a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model to bed-load transport. While state of the art simulation methods commonly rely on a fluid dynamics solver coupled to semi-empirical relationships to model the sediment transport, a completely different approach is investigated in this work. The sediment is treated as a continuum whose behaviour law takes account for its granular nature. citepos{ulrich2013smoothed} elastic-viscoplastic model is thus implemented in an in-house code based on the Cuda language, and improved on physical and numerical aspects. The sediment behaviour depends on a yield stress determined according to Drucker-Prager's criterion. In unyielded regions, the shear stresses are calculated in line with the linear elastic theory. In yielded regions, a shear thinning rheological law is used and the transitions between solid and liquid states are ensured by a blending function driven by the strain rate magnitude and sediment granular properties. Water and sediment are modelled as two immiscible phases in the frame of a multi-phase SPH model with semi-analytical wall boundary conditions cite{ferrand2013unified}. An implicit viscous forces integration scheme is also developed to improve the code performance as for low-Reynolds flows.The multi-phase model, as well as the implicit viscous forces integration scheme, were validated on analytical test cases and good agreement was obtained. The multi-phase formulation has also proven its capability to handle flows involving high density ratio, while the implicit viscous forces integration scheme was successfully applied to the simulation of a non-Newtonian flow. The elastic-viscoplastic model was tested on dry and submerged granular flow problems. The model was able to correctly capture the liquid and solid states of the granular material, as well as the failure and the regime transitions. It was also applied to bed-load transport problems for which a good agreement with the experiment was generally found; Cette thèse a pour objet le développement d’un modèle de transport sédimentaire avec la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Si les modèles couramment proposés dans la littérature reposent sur un solveur hydrodynamique couplé à des lois semi-empiriques qui modélisent le transport sédimentaire, une approche différente est proposée ici. Dans le modèle proposé dans ce travail, la dynamique du sédiment est également résolue. Celui-ci est assimilé à un milieu continu dont la loi de comportement rend compte de la nature granulaire.Pour ce faire, le modèle élastique-viscoplastique d’Ulrich (2013) a été implémenté dans un code SPH préexistant programmé en langage Cuda, et amélioré du point de vue physico-numérique. Le comportement mécanique du sédiment dépend donc d’une contrainte de rupture déterminée conformément au critère de Drucker-Prager. Dans les zones du matériau où la rupture n’a pas eu lieu, les contraintes de cisaillement sont calculées selon la loi de Hooke généralisée. Dans les zones où la contrainte de rupture a été dépassée, le matériau est assimilé à un fluide rhéofluidifiant. Numériquement, la transition entre les deux états est opérée à l’aide d’une fonction de raccord qui dépend notamment du l’amplitude du taux de déformation et des propriétés granulaires du sédiment.L’eau et le sédiment sont modélisées comme deux phases immiscibles, dans le cadre d’une formulation SPH multi-phase. Pour ce faire, le modèle de Hu et Adams (2006) a été adapté aux modèles de conditions limites semi-analytiques (Ferrand, 2013). Enfin, un schéma d’intégration implicite des forces visqueuses a été développé dans ce contexte, afin d’améliorer les performances du solveur lors de modélisation d’écoulement à bas Reynolds.Plusieurs cas tests sont proposés pour valider le modèle multiphasique, le schéma implicite et le modèle élastique-viscoplastique. De manière générale, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales et analytiques. Le modèle permet de représenter des écoulements multi-fluide avec une bonne précision, même en présence de grand rapport de densité entre les phases. Il en va de même pour les écoulements de fluide non-newtonien et les écoulements à bas Reynolds, pour lesquels le schéma implicite conduit à des résultats très satisfaisants. Enfin, le modèle élastique-viscoplastique a été appliqué à divers cas d’écoulements granulaires, dans le cas d’un matériau sec et saturé, ainsi qu’à des cas d’érosion et d’affouillement. Là encore, les résultats sont globalement en bon accord avec l’expérience

This PhD thesis aims to understand gravel dynamics in Alpine rivers at low bed shear stress using laboratory experiments. Alpine river beds are often poorly sorted and composed of sediments ranging from clay to pebble. To understand interactions between these classes is an issue for predicting bedload rate. Laboratory experiments were performed in a 18m long and 1m wide flume, under unsteady flows. Two types of bed were investigated: unimodal and bimodal beds. A particular attention was paid to the bed construction, which was conducted in order to obtain a nature-like bed 12with different bed arrangements and degrees of clogging. Unimodal beds were made of moderately sorted gravels with different bed surface arrangements. Bimodal beds were made of moderately sorted gravels in which fine sediments (sand or silt) were infiltrated. Gravel rate was found to be impacted by the bed arrangement degree, the fine sediment concentration within the bedload layer and the changes in bed properties due to fine sediment presence (bed cohesion, bed permeability). The more packed the bed is; the more difficult it is to move gravels. The more concentrated in fine sediment the bedload layer is; the easier the transport of gravels is. The shape of fine sediments can also be an important factor for modifying the gravel rate. The presence of cohesive fine sediments within the bed matrix reduces significantly the gravel rate. A conceptual model was developed to recap the different processes controlling gravel transport. It provides a phenomenological description of the overall bed responses to a hydrograph. This tool is designed to help understanding, estimating or interpreting gravel transport in Alpine rivers. The conceptual model was discussed and applied to a field case made on the Arc River. Using the model, we also suggest a new dimensionless analysis for the construction of a bedload predicting model involving parameters describing bed arrangement, bed properties and fine sediment presence, Le but de cette thèse est de comprendre la dynamique des graviers au sein des rivières alpines à faible contrainte en utilisant des expériences en laboratoire. Ces rivières sont souvent composées d’une large gamme de sédiments, allant des argiles aux galets. Ces différentes classes sédimentaires peuvent interagir entre elles, ce qui peut rendre difficile l’estimation du transport solide. Des expériences en laboratoire ont été conduites en écoulements instationnaires dans un canal de 18m de long et 1m de large. Deux types de lits ont été étudiés : lits unimodaux et bimodaux. Une attention particulière a été portée sur la réalisation des lits de graviers dans notre canal. Ils ont été créés dans le but d’approcher au mieux la configuration des lits de rivières alpines, c’est-à-dire avec différents arrangements et degrés de colmatage du lit par des sédiments fins. Les lits unimodaux sont composés de graviers peu triés avec divers arrangements de surface. Les lits bimodaux sont composés d’une matrice de graviers peu triés dans laquelle des sédiments fins se sont infiltrés (sables ou limons). Les processus régissant le transport de graviers ont été mis en avant. Le transport de graviers est impacté par l’arrangement du lit, la concentration de sédiments fins dans la couche de charriage, et par le changement de propriétés du lit due à la présence de sédiments fins (cohésion, perméabilité du lit). Plus le lit est arrangé, plus le transport est difficile. Plus la couche de charriage est concentrée en sédiments fins, plus le transport est facile. La forme des sédiments fins est aussi un facteur important pouvant modifier le transport des graviers. La présence de sédiments fins cohésifs dans la matrice peut considérablement réduire le taux de graviers transportés. Un modèle conceptuel a été développé pour résumer les différents processus contrôlant le transport de graviers. Il décrit le comportement des graviers dans les différentes configurations étudiées. L’outil proposé peut aider à comprendre, estimer et interpréter le transport de graviers. Il a été appliqué et discuté sur un cas de terrain sur la rivière de l’Arc. Basé sur ce modèle, nous avons proposé une nouvelle analyse dimensionnelle pour la construction d’un modèle de prédiction de transport solide prenant en compte des paramètres décrivant l’arrangement du lit, les propriétés géotechniques du lit et la présence de sédiments fins

PUB00056290; This PhD thesis aims to understand gravel dynamics in Alpine rivers at low bed shear stress using laboratory experiments. Alpine river beds are often poorly sorted and composed of sediments ranging from clay to pebble. To understand interactions between these classes is an issue for predicting bedload rate. Laboratory experiments were performed in a 18m long and 1m wide flume, under unsteady flows. Two types of bed were investigated: unimodal and bimodal beds. A particular attention was paid to the bed construction, which was conducted in order to obtain a nature-like bed 12with different bed arrangements and degrees of clogging. Unimodal beds were made of moderately sorted gravels with different bed surface arrangements. Bimodal beds were made of moderately sorted gravels in which fine sediments (sand or silt) were infiltrated. Gravel rate was found to be impacted by the bed arrangement degree, the fine sediment concentration within the bedload layer and the changes in bed properties due to fine sediment presence (bed cohesion, bed permeability). The more packed the bed is; the more difficult it is to move gravels. The more concentrated in fine sediment the bedload layer is; the easier the transport of gravels is. The shape of fine sediments can also be an important factor for modifying the gravel rate. The presence of cohesive fine sediments within the bed matrix reduces significantly the gravel rate. A conceptual model was developed to recap the different processes controlling gravel transport. It provides a phenomenological description of the overall bed responses to a hydrograph. This tool is designed to help understanding, estimating or interpreting gravel transport in Alpine rivers. The conceptual model was discussed and applied to a field case made on the Arc River. Using the model, we also suggest a new dimensionless analysis for the construction of a bedload predicting model involving parameters describing bed arrangement, bed properties and fine sediment presence; Le but de cette thèse est de comprendre la dynamique des graviers au sein des rivières alpines à faible contrainte en utilisant des expériences en laboratoire. Ces rivières sont souvent composées d’une large gamme de sédiments, allant des argiles aux galets. Ces différentes classes sédimentaires peuvent interagir entre elles, ce qui peut rendre difficile l’estimation du transport solide. Des expériences en laboratoire ont été conduites en écoulements instationnaires dans un canal de 18m de long et 1m de large. Deux types de lits ont été étudiés : lits unimodaux et bimodaux. Une attention particulière a été portée sur la réalisation des lits de graviers dans notre canal. Ils ont été créés dans le but d’approcher au mieux la configuration des lits de rivières alpines, c’est-à-dire avec différents arrangements et degrés de colmatage du lit par des sédiments fins. Les lits unimodaux sont composés de graviers peu triés avec divers arrangements de surface. Les lits bimodaux sont composés d’une matrice de graviers peu triés dans laquelle des sédiments fins se sont infiltrés (sables ou limons). Les processus régissant le transport de graviers ont été mis en avant. Le transport de graviers est impacté par l’arrangement du lit, la concentration de sédiments fins dans la couche de charriage, et par le changement de propriétés du lit due à la présence de sédiments fins (cohésion, perméabilité du lit). Plus le lit est arrangé, plus le transport est difficile. Plus la couche de charriage est concentrée en sédiments fins, plus le transport est facile. La forme des sédiments fins est aussi un facteur important pouvant modifier le transport des graviers. La présence de sédiments fins cohésifs dans la matrice peut considérablement réduire le taux de graviers transportés. Un modèle conceptuel a été développé pour résumer les différents processus contrôlant le transport de graviers. Il décrit le comportement des graviers dans les différentes configurations étudiées. L’outil proposé peut aider à comprendre, estimer et interpréter le transport de graviers. Il a été appliqué et discuté sur un cas de terrain sur la rivière de l’Arc. Basé sur ce modèle, nous avons proposé une nouvelle analyse dimensionnelle pour la construction d’un modèle de prédiction de transport solide prenant en compte des paramètres décrivant l’arrangement du lit, les propriétés géotechniques du lit et la présence de sédiments fins

The coastline of the Rhône delta (Mediterranean Sea, south of France) is in degradation since several decades, includingthe vicinity of the Grand Rhône river mouth, which is surprising in a deltaic area. A better knowledge of the processes ofsediment transfer from the river to the sea is therefore necessary to understand the factors influencing beaches erosionfor this micro-tidal sea. For this purpose, a numerical high-resolution hydro-sedimentary transport modelling (Delft3D) wasapplied for the first time to this area. The model was calibrated taking into account the hydrodynamic and morphologicalobservations, and a particular attention was paid to storm and flood events that are the main morphological forcings. Theanalysis of historical data (1979 to 2010) shows that storms constitute 96% of the events occurring at the mouth of theGrand Rhône river, and 70% of them correspond to south-eastern storms. Twenty percent of the storms are followed by aflood, and the temporal succession of these two events is of great relevance in the organization of sediment transport,because it regulates their respective importance. Consequently, sediment transport scenarios with different wave and riverflow conditions have been tested. The results show that sediment transport to the river outlet is only controlled by the river,while on the mouth-bar it varies according to the paroxysm of each event, inducing a morphosedimentary equilibriumwhich controls the dynamic of this mouth-bar. Sediment inputs from a flood can be exported seaward only if the flood isenergetic enough compared to the intensity of the storm. This limitation is partly due to the processes of wave blockingand hydraulic groyne effect, as well as to the distance of the mouth-bar compared to the outlet. Sediment transfer to thebeaches is controlled by waves but fed by the riverine sediment. Longshore transport begins from the mouth-bar andproceeds to the beaches on either side of the deltaic lobe for SE and SSW sector waves. For waves of WSW, it existsonly along the western side of the lobe (Piemanson beach) and in the direction of the East. This transfer between the lobeand the adjacent coastlines is discontinuous in time, with zone of temporary deposition (zone relais) located on the flanksof the underwater levees. These zones allow the deposition and remobilization of sediments during different events, andprobably also during the rest of the time. Finally, the role of the morphology on currents was studied by simulating eventseffectively observed on a reconstructed bathymetric grid of 1955. These scenarios, compared to those obtained with thepresent bathymetry, emphasize the essential role of morphology. They highlight that, in 1955, the shorter distance frommouth-bar to the coast, its depth and the absence of sandy mouth spit at the outlet favoured the transfer of riverinesediments to the open sea. At the same time, stronger currents in the channel permitted higher sedimentary inputs andimproved the feeding of the beaches compared to nowadays.This work demonstrates the importance of the organization of coupled hazard (storm and flood) on sediment transport ona deltaic area. When one of this forcing is able to take over, this could modify the sedimentary balance of the two eventsand potentially the morphology of the mouth. This equilibrium between river and marine dynamics regulates the one of themouth-bar, and more indirectly those of the neighboring beaches.; Le delta du Rhône (Méditerranée) connaît une dégradation de son littoral depuis plusieurs décennies y compris àproximité de l’embouchure ce qui peut sembler paradoxal en zone deltaïque. Une meilleure connaissance des processusde transfert sédimentaires depuis le fleuve à la mer est donc nécessaire pour mieux comprendre l’érosion des plagesdans cette mer microtidale. Dans cet objectif, un modèle numérique de transport hydro-sédimentaire à haute résolution(Delft3D) a été appliqué à cette zone pour la première fois. Le modèle a été calibré en tenant compte des observationshydrodynamiques et morphologiques, et une attention particulière a été accordée aux événements de tempête et de crue,principaux moteurs morphologiques. L'analyse des données historiques (1979 à 2010) montre que les tempêtes sontimpliquées dans 96 % des événements que connaît l’embouchure du Grand Rhône, et qu’elles sont représentés à 70 %par des tempêtes du sud-est. Ces analyses indiquent aussi que 20% de ces tempêtes sont suivies d'une crue. Lasuccession temporelle de ces deux événements a une grande importance dans l’organisation du transport sédimentairecar elle régule leur importance respective. Par conséquent, des scénarios de transport sédimentaire avec différentesconditions de houle et de débit du fleuve ont été testés. Les résultats montrent que le transport sédimentaire à l’exutoiren’est contrôlé que par le fleuve, tandis que sur la barre d’embouchure il varie en fonction du paroxysme de chaqueévénement et induit un équilibre morphosédimentaire qui contrôle la dynamique de cette barre d’embouchure. Les apportsfluviaux d’une crue ne peuvent être exportés vers le large que si cette crue est suffisamment énergique par rapport àl'intensité de la tempête. Cette limitation est en partie due à des processus de wave blocking et d’hydraulic groyne effectainsi que la distance de la barre d’embouchure. La redistribution des sédiments vers les plages est contrôlée par lesvagues mais est essentiellement alimentée par le fleuve. Le transport longitudinal démarre de la barre d’embouchure etse dirige vers les plages de chaque côté du lobe deltaïque pour des vagues de secteur SE et SSW. Pour des vagues deWSW, il n’existe que le long de la plage de Piémanson en direction de l’Est. Ce transfert entre le lobe et les plages seréalise de manière discontinue, par l’intermédiaire de zones de relais situées sur les flancs des levées subaquatiques.Ces zones relais permettent le dépôt et la remobilisation des sédiments au cours des différents événements, maisprobablement aussi sur le reste du temps. Enfin, le rôle de la morphologie sur les courants a été abordé en simulant desévénements réellement observés sur une morphologie de 1955. Ces sorties, comparées à celles obtenues avec labathymétrie actuelle, soulignent le rôle essentiel de la morphologie, faisant ressortir qu’en 1955, la proximité de la barred’embouchure à la côte, sa profondeur et l’absence de flèche sableuse à l’exutoire du fleuve favorisaient la libération desédiments en mer. En même temps, les courants plus importants dans le chenal permettaient des apports sédimentairesplus importants et une meilleure alimentation des plages qu’aujourd’hui.Ce travail de thèse fait ressortir l’importance de l’organisation de l’aléa couplé (tempête et crue) sur le transportsédimentaire, l’un des forçages pouvant prendre le dessus et modifier le bilan sédimentaire de l’événement, etpotentiellement la morphologie de l’embouchure. Ce rapport de force entre les dynamiques fluviales et marines régulecelle de la barre d’embouchure et plus indirectement celles des plages rhodaniennes.

The morphology of the tropical volcanic island of la Réunion (Indian Ocean) is characterized by deeply incised canyons and plurikilometric structures with a circular shape called cirques. These morphologies are present both on the slope of the extinct volcano, the Piton des Neiges, and the active volcano, the Piton de la Fournaise, and are the consequence of intense sedimentary erosion and transport processes. The intensity of these processes is linked to the pronounced surface relief and to extreme meteorological events, such as cyclones, during which heavy rainfall causes significant runoff on hillslopes and subsequent river floods. During extreme floods, flows can reach several thousands of cubic meters per second, and is the primary mechanism responsible for the transport of sediment to the seashore.The intensity of extreme floods makes precise measurements of the sedimentary volumes transported by rivers during cyclones difficult because typical in-situ measuring devices are not able to withstand such energetic events. In this work, novel solutions to measure eroded and transported sedimentary material using multi-source remote-sensing data are evaluated. Methods were developed to acquire and process topographic data using terrestrial LiDAR and optical imagery, with photographs acquired from a microlight. These techniques were implemented on the island in May 2014 and May 2015. Furthermore, in order to extend the temporal observation period, archived aerial images acquired since 1949 over the island were used. Diachronic DEMs were processed and a methodology for SPOT-5 image correlation in a densely vegetated tropical context was developed.This work opens new possibilities to explore the potential of remote-sensing techniques in order to better understand the erosion and transport of sediment volumes in this tropical volcanic context., La morphologie de l’île tropicale volcanique de la Réunion (Océan Indien) est caractérisée par des vallées fortement incisées et des structures pluri-kilométriques particulières de forme circulaire appelées « cirques ». Ces morphologies sont présentes à la fois sur les flancs du volcan éteint, le Piton des Neiges, et sur les flancs du volcan en activité, le Piton de la Fournaise. Elles témoignent des processus d’érosion et de transport sédimentaire intenses qui s’y produisent. L’intensité de ces processus est liée à la fois au relief prononcé et aux évènements météorologiques extrêmes, les cyclones, durant lesquels de fortes pluies provoquent un ruissèlement important sur les versants et les crues des rivières. Ces crues, d’un débit qui peut atteindre plusieurs milliers de mètres cubes d’eau par seconde, sont responsables d’un transport important des sédiments vers la côte. Dans ce travail, nous avons testé des solutions permettant de mesurer des volumes sédimentaires érodés et transportés par l’utilisation de données de télédétection multi-sources. En effet l’intensité des crues ne permet pas une mesure précise des volumes sédimentaires transportés par les rivières durant les cyclones, les appareils de mesures classiques ne résistant pas à ces évènements très énergétiques. Nous avons donc développé des méthodologies d’acquisition et de traitement de la topographie par LiDAR terrestre et par imagerie optique acquises depuis un ULM. Ces deux techniques ont été mises en oeuvre sur le terrain en mai 2014 et en mai 2015. De plus, afin d’étendre la période temporelle des observations nous avons valorisé les données d’archives d’imagerie aérienne qui existent depuis 1949 sur l’île. Nous avons calculé des MNT diachroniques, et nous avons développé une méthodologie de corrélation d’images SPOT-5 en contexte tropical fortement végétalisé.Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer le potentiel de la télédétection afin d’affiner les connaissances sur les volumes de sédiments érodés et transportés en contexte volcanique tropical.

In mountainous areas, intermediate to large earthquakes (Mw > 6) systematically trigger a large number of landslides supplying the fluvial network with massive volumes of sediment. The progressive evacuation of the sediment out of the epicentral area alters river dynamics and may cause hydro-sedimentary hazards in alluvial plains (river avulsion, inundations, bank erosion, ...). The quantification of sediment transfers is critical to better understand landscape evolution on short timescales (i.e. hours to centuries) and improve hazard management in deposition areas. However, the factors controlling the coarse sediment transfers are still poorly known due to a lack of field measurements and adequate numerical models. The aim of this work is thus to study, via numerical modeling, the parameters influencing landslides evacuation, the transport capacity variations at the gorge/alluvial plain transition and the short-term dynamics and hazards of alluvial fans. This work is set up in the context of the West Coast of New Zealand (NZ) which presents a 50% probability to experience a magnitude 8 earthquake in the next 50 years. This problematic has been addressed analytically and via a numerical approach. Using the analytical approach, we demonstrate that the conservation of long-term transport capacity at the bedrock gorge and alluvial plain transition usually implies the channel narrowing in the alluvial part that is generally realized by a transition to a braided system. We identify discharge variability as the dominant factor of alluvial river long term transport capacity compared to riparian vegetation. To explore the role of channel self-organization on coarse sediment transport, we use Eros, a 2D morphodynamic model able to simulate landscape evolution improved by a new 2D hydrodynamic model. Combined with a sediment transport/deposition model and lateral fluxes modeling (bank erosion and transverse deposition), Eros allows for the emergence of diverse alluvial river regimes and geometries (e.g. straight/sinuous and braided channels) as a function of the external forcing experienced by the river (water and sediment fluxes). The application of Eros on natural cases has required the validation and calibration of its principal parameters using analytical solutions and the morphodynamic reproduction of natural systems such as the evolution of the Poerua river in New Zealand following the Mount Adams landslide. In the downstream part of the catchment, the ensemble numerical simulations demonstrate Eros abilities to 1) efficiently predict the morphodynamic evolution of alluvial fans submitted to different scenarios of large sediment supplies and 2) generate probabilistic risk maps. In the upstream part, the results highlight the dominant role of dynamic river narrowing reducing export times of landslide-derived sediments. We define a new law characterizing export times as a function of landslide volume and pre-landslide transport capacity that predicts mean residence times for a M8 earthquake in a mountain range of 5-30 yr, much lower than previous estimations of ~ 100 yr. The numerical approach developed in this work suggests that the study of mountain ranges response to severe landslide disruption can only be addressed with a 2D model able to account for the non-linearities between river flow, channel geometry and sediment transport. The results allow for a better characterization of landscape dynamics at the scale of a seismic cycle and hydro-sedimentary hazards in the short term., Dans les chaînes de montagnes, les séismes de magnitudes intermédiaires à fortes (Mw>6) déclenchent systématiquement un grand nombre de glissements de terrain responsables de l'introduction de volumes massifs de sédiments dans le réseau fluviatile. L'évacuation progressive de ces sédiments hors de la zone épicentrale affecte la dynamique des rivières et provoque des aléas hydro-sédimentaires dans les plaines alluviales (avulsion des rivières, crues...). La quantification des transferts sédimentaires est essentielle pour mieux comprendre l'évolution des paysages à court et moyen terme (de l'heure au siècle) et permettre une gestion efficace des risques dans les zones d'accumulation. Cependant, les flux de sédiments grossiers étant difficiles à mesurer, les facteurs contrôlant l'évacuation des glissements de terrain restent à ce jour mal compris. Cette thèse a donc porté sur l'étude, via la modélisation, des paramètres influençant la mobilisation des glissements de terrain, la préservation de la capacité de transport la transition entre gorge et plaine alluviale et la dynamique court terme des cônes alluviaux soumis à de forts apports sédimentaires. Les approches développées sont appliquées au contexte de la côte Ouest de la Nouvelle Zélande où la probabilité d'occurrence d'un séisme de magnitude 8 est de 50% dans les 50 ans à venir. Cette problématique à été abordée analytiquement et via une approche numérique avec le modèle 2D d'évolution des paysages et des rivières, Eros. Avec l'approche analytique, nous démontrons que la conservation de la capacité de transport long terme à la transition entre gorges et plaines alluviales est généralement réalisée par le passage à un système en tresse. Nous identifions aussi la variabilité des débits comme facteur dominant de la capacité de transport long terme comparé à l'effet de la végétation riparienne. Avec l'approche numérique, nous utilisons Eros qui est composé 1. d'un modèle hydrodynamique 2D, 2. d'un modèle de transport/dépôt de sédiments et 3. de modèles gérant les flux latéraux d'érosion et de dépôt. La combinaison de ces éléments permet l'émergence de diverses géométries de rivières alluviales (droites/sinueuses ou en tresses) en fonction des forçages externes qu'elles subissent (débit d'eau, flux sédimentaires). L'application d'Eros à des cas naturels a nécessité la validation et la calibration de ses paramètres principaux à l'aide: 1. de solutions analytiques et 2. de la reproduction morphodynamique de systèmes naturels, tel que l'évolution de la rivière Poerua en Nouvelle Zélande suite au glissement de terrain du Mont Adams. Dans la partie aval du bassin, les simulations numériques démontrent les capacités du modèle 1) à prédire efficacement l'évolution de plaines alluviales soumises à plusieurs scénario d'apports sédimentaires massifs et 2) à générer des cartes de risques probabilistes. Dans la partie amont du bassin, les résultats mettent en évidence le rôle clef de la réduction dynamique de largeur des rivières par rapport à la largeur de la gorge fluviatile, sur l'accélération de l'évacuation des sédiments issus des glissements de terrain. Une loi unique caractérisant les temps d'export d'une distribution de glissements de terrain peut être définie en fonction du rapport entre volume de sédiment et capacité de transport initiale de la rivière, permettant ainsi d'estimer leur temps de résidence moyen à 5-30 ans pour un scénario de séisme de Mw=8 beaucoup plus faibles que ceux estimés précédemment (~100 ans). L'approche numérique développée dans ce travail suggère que l'étude de la réponse des chaînes de montagnes à un forçage sismique fort ne peut être effectuée efficacement qu'avec un modèle 2D capable de prendre en compte les non-linéarités entre écoulements des rivières, leurs géométries et le transport sédimentaire. Les résultats obtenus permettent une meilleure caractérisation de la dynamique des paysages à l'échelle du cycle sismique et des aléas à court terme.

This work considers the pluri-decadal morphodynamic modeling of sandy coastal environments subjected to tides and waves. A process-based numerical model is used, together with a collection of field data from the LIENSs laboratory (i.e. bathymetric, hydrodynamic, and seismic data). To simulate the morphodynamic of these environments, two main numerical developments have been added to the model : (1) the sediment heterogeneity, and (2) the bed evolution computation following a WENO-based scheme adapted to unstructured grids. The first model application concerns the 40-year hindcast (period 1960 to 2000) of a wide estuary mouth sandbank located in the Marennes-Oléron bay : the Longe de Boyard sandbank. Numerical results suggest that this sandbank long-term evolution is strongly controlled by waves, in spite of its global tide-dominated morphology. Rhythmic nature of sediment accretion, which is observed and modeled in the south part of the bank, was then analyzed from a stratigraphic point of view thanks to the integration of sediment heterogeneity into the model. Grain size rhythmic variations in this area appeared to be related to local wave climate seasonality. The second model application considers the Arçay sandspit evolution (Vendée coast). Morphodynamic results suggest that this sandspit evolution, mainly controlled by waves, is characterized by a combination of both autogenic and external-influenced behaviors.; Cette thèse traite de la morphodynamique pluri-décennale des environnements sableux soumis à l’action combinée des courants de marée et des vagues. Dans ces travaux, une approche de modélisation numérique basée sur les processus hydro-sédimentaires est utilisée, celle-ci étant combinée à des données collectées au sein du laboratoire LIENSs au cours de ces dernières années sur différents sites ateliers (i.e. données bathymétriques, hydrodynamiques, et sismiques). Afin de réaliser des simulations morphodynamiques de ce type d’environnement côtier, deux principaux développements ont été apportés au modèle : (1) la prise en compte de l’hétérogénéité granulométrique du sédiment, et (2) le calcul de l’évolution du fond suivant un schéma numérique basé sur le formalisme WENO et adapté à un maillage de type non-structuré. La première application du système de modélisation a concerné l'évolution rétrospective du banc de sable estuarien de la Longe de Boyard, situé en baie de Marennes-Oléron, sur la période 1960 à 2000. Les résultats de ce travail ont tout d'abord montré qu'en dépit de la morphologie globale du banc indiquant une dominance de la marée, la contribution des vagues était essentielle pour expliquer son évolution pluri-décennale. La rythmicité de l’accrétion sédimentaire observée et simulée dans la partie sud du banc a ensuite pu être analysée d'un point de vue stratigraphique, grâce à la prise en compte de l'hétérogénéité granulométrique du sédiment dans le modèle. Le lien entre la rythmicité des variations granulométriques du sédiment dans cette zone et la saisonnalité du climat de vagues a ainsi été mis en évidence. La seconde application du système de modélisation a concerné l’évolution de la flèche sableuse d'Arçay, située sur le littoral vendéen. Les résultats de simulation morphodynamique suggèrent que l’évolution de cette flèche, principalement contrôlée par les vagues, présente un comportement combinant allo-cyclicité et auto-cyclicité.

Bedload sediment transport is one of the main processes that contribute to bedrock incision in a river and is therefore one of the key control parameters in the evolution of mountainous lanscapes. In recent years, many studies have addressed this issue through experimental setups, direct measurements in the field or various analytical models. In this article, we present a new direct numerical approach: using the classical methods of discrete element simulations applied to granular materials, we compute explicitely the trajectories of a number of pebbles entrained by a turbulent water stream over a rough solid surface. This method allows us to extract quantitatively the amount of energy that successive impacts of pebbles deliver to the bedrock, as a function of both the amount of sediment available and the Shields number. We show that we reproduce qualitatively the behaviour observed experimentally by Sklar and Dietrich (2001) and observe both a "tool-effect" and a "cover- effect". Converting the energy delivered to the bedrock into an average long-term incision rate of the river leads to predictions consistent with observations in the field. Finally, we reformulate the dependency of this incision rate with Shields number and sediment flux, and predict that the cover term should decay linearly at low sediment supply and exponentially at high sediment supply.

À partir des données de terrain récemment acquises (août 2010) et des données antérieures (juillet-août 1999) rassemblées dans une base de données, l’article étudie les caractéristiques (2010) et l’évolution récente (1999-2010) du gradient granulométrique longitudinal sur 106 sites répartis dans les deux bras du Rhône deltaïque. Dérivés des analyses granulométriques (laser ou tamisage), le grain médian (D50), l’indice de tri (σ) et l’indice d’asymétrie (Sk) ont servi à définir la texture du matériau de fond de chenal. Les images CM de R. Passega (1957) ainsi que les courbes à ordonnée de probabilité de G.S. Visher (1969) ont permis de déterminer et quantifier les modes de transport sédimentaire. Les résultats 2010 montrent que le matériau de fond du Petit Rhône est plus fin et plus homogène que celui du Grand Rhône. L’étude confirme également l’existence d’un gradient granulométrique longitudinal des dépôts de fond du Rhône deltaïque, même à proximité du niveau de base. La variabilité temporelle de ce gradient est grande et la comparaison 1999-2010 montre un affinement granulométrique dans les deux bras fluviaux. Des facteurs communs aux deux bras (aménagements hydrauliques en amont, fluctuations du coin salé en aval) peuvent expliquer ce phénomène tout autant que les facteurs intrinsèques (ajustement hydrogéomorphologique distinct lors des crues ; rôle des deltas de rupture de berge et de digue ; importance de l’incision ; hydraulicité et style fluvial différents). From recently acquired field data (August 2010) and previous measures (July-August 1999), compiled in a database, the characterisation (2010) and the recent evolution (1999-2010) of the downstream grain-size distribution in the two channels of the deltaic Rhône River were undertaken on 106 sites. Through grain-size analysis (laser granulometry and dry-sieving), the median bed-materiel grain size (D50), the standard deviation (σ) and Skewness (Sk) were calculated in order to define the texture of the bed-material load. The CM diagram of R. Passega (1957) and the log-probability grain-size curves of G.S. Visher (1969) were built in order to determine and quantify each mode of sediment transport. The characterisation of bed-material load in 2010 highlights that the grain size of the sediments in the Petit Rhône River is finer and more homogeneous than the grain size of the sediments of the Grand Rhône River. The study confirms that a downstream grain size fining occurs in the bed-material of the deltaic Rhône River, even close to the base level. The comparison 1999-2010 shows the downstream fining is characterised by a high temporal variability in the two fluvial branches. Some factors common to both fluvial branches (hydraulic equipment in the upper part of the channel, variability of the salt wedge downstream) and specific factors (hydromorphological adjustment during floods; role of crevasse splays; hydraulicity and fluvial style) can explain this phenomenon.

In order to define and quantify the rhythm and amplitude of the processes of erosion and sedimentation on broad tidal flats, in situ measurements of sediment elevation have been performed in the western part of the Mont-Saint-Michel bay. The amplitude of reworking is generally low (< ± 5 cm), and variable from west to east. The wind influence on tidal currents and surficial reworking emphasizes erosion phases rapidly followed by accretion of similar amplitude on the whole tidal flat. A numerical model for hydrodynamics and sediment transport is applied to Mont Saint Michel Bay, where ecological concerns are related to sediment transfers., Les rythmes et l'ampleur des processus « érosion-sédimentation » ont été suivis, à trois échelles de temps, sur le vaste estran sablo-vaseux de la partie occidentale de la baie du Mont-Saint-Michel. Les mesures in situ du niveau de l'interface eau-sédiment montrent que l'amplitude générale des remaniements est généralement inférieure à 5 cm et variable d'ouest en est. L'influence du vent sur les remaniements superficiels souligne des phases d'érosion rapidement suivies par des phases de sédimentation de même amplitude sur l'ensemble de l'estran. Un modèle numérique hydro-sédimentaire, validé par des mesures sur l'estran, permet de simuler les courants et les transferts de sédiments en zone intertidale.

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2017-02-26; Chemical weathering and physical erosion of the continental crust mobilise huge amounts of both solid and dissolved material. As the first sediment generator on the Earth, the Himalayan range releases around 1 Gt/y of sediment into the ocean. The relative influence of the different factors that control the eroded fluxes and the importance of the erosion processes (such as landslides, glaciers, soils) are as yet poorly understood. The same is true of the climatic factors, especially regarding their impact during climatic transition periods. In order to address those questions, this work focuses on comparing the geochemical composition of erosion products to the composition of present river sediment and of sedimentary records in the Ganga Plain. A first budget of the erosion processes was done on a small scale in the Khudi catchment of Higher Himalaya. The total present-day erosion is considerable, at around 3 mm/y and takes place during the monsoon. It is mainly linked to the soils erosion and more importantly to the intense activity of a landsliding area. The development of a new method for the destruction of organic matter enabled the use of silicates hydration as a tracer for soils. Based on this method, a mathematical inversion of the sediment compositions was performed. It highlights that the landslide is responsible for ~80% of the overall physical erosion. The soil erosion is minor and is comparable to the erosion rates measured in the neighbouring catchments. The chemical erosion leads to a dissolved flux of 7.9 kt/y (corresponding to an erosion rate of 0.02mm/y) and seems to come from the bedrock deep weathering. Nevertheless, the dissolved fluxes also appear to be linked with the particles fluxes during the monsoon. This suggests an additional weathering of the sediment during the fluvial transport. A similar approach was used on a larger scale in the Narayani catchment that drains the whole of Central Nepal. Through ADCP-based current measurements combined with deep sediment sampling, a model for sedimentary transport was used to integrate the deep sediment fluxes. The average catchment-scale erosion rate was then corrected to a value of ~1.7 mm/y, close to the long-term erosion rates. A geochemical system that combines the measurement of the [delta]D of silicates and the concentrations of carbonates was found to be a diagnosis tracer for glacial erosion in the northern part of the catchment. The organic matter ratio was used as a tracer for soils. The temporal analysis of sediment fluxes, as well as the sediment composition and granulometry showed that only a small fraction (< 20%) of the sediment comes from glacial and soils erosion. Over the whole Central Nepal, the physical erosion seems also to be dominated by the landslides that are triggered during the monsoon. The large Narayani-Gandak alluvial fan is located at the river mouth and can be used as a record of the recent history of Central Nepal erosion. Three drillings were done in this fan to enable the study of the evolution of Himalayan weathering and erosion during the Late Pleistocene. The sedimentary deposits display a surprising stability in their geochemistry, their sources and their weathering stage for the last ~45 ky. The erosion intensity derived from cosmogenic nuclides is the only feature that seems to have risen during Holocene. However, the very recent evolution of the erosion distribution in the range is characterised by an increase (x3) of the proportion of products coming from the lower, more densely populated areas. This shows that the anthropogenic activities have had a larger impact on the erosion than the last Pleistocene-Holocene transition, especially through the rapid growth of the road network during the last decade.; L’altération chimique et l’érosion physique de la croûte continentale mobilisent de grandes quantités de matière sous formes solide et dissoute. Première productrice de sédiments sur le globe, la chaîne Himalayenne délivre ~1 Gt/a de sédiments aux océans. L'importance des différents facteurs qui contrôlent les flux érodés et celle des processus d’érosion (glaciers, glissements de terrain, sols) sont pourtant encore mal définies. Il en va ainsi des facteurs climatiques, en particulier de leur impact au cours des transitions climatiques. Afin de répondre à ces questions, ce travail s’attache à comparer la composition géochimique des produits de l’érosion à celles des sédiments actuels de rivière et des archives sédimentaires de la plaine du Gange. Un premier bilan des processus d’érosion a été établi petite échelle dans le bassin Haut-Himalayan de la Khudi. L’érosion actuelle conséquente de ce bassin de ~3mm/a se produit lors de la mousson, correspond pour l'essentiel à l’érosion des sols et surtout à l'intense activité d'une zone de glissement de terrain. Grâce au développement d'une nouvelle méthode de destruction de la matière organique, la mesure de l’hydratation des silicates a pu être utilisée comme traceur inédit des sols. Sur cette base, l’inversion des compositions des sédiments de la rivière démontre que l’érosion physique est dominée à ~80% par le glissement de terrain, l’érosion de sols étant mineure et comparable aux taux d’érosion des autres bassins alentours. L’érosion chimique qui conduit à un flux d'éléments dissous de 7.9 kt/a (soit une érosion équivalente de 0.02 mm/a) semble dériver de l’altération profonde du substrat rocheux. Néanmoins les flux d'éléments dissous dessinent également une relation marquée avec les flux particulaires durant la mousson, suggérant une altération additionnelle des sédiments au cours du transport fluvial. Une approche similaire a ensuite été menée à l’échelle plus vaste du bassin de la Narayani drainant l’ensemble du Népal central. Grâce à des mesures de courant par ADCP combinées à l’échantillonnage de sédiments en profondeur, un modèle de transport sédimentaire a été utilisé pour intégrer les flux sédimentaires en profondeur et ainsi réviser le taux d’érosion moyen sur le bassin versant à une valeur de ~1.7 mm/a, proche des taux d'érosion long-terme. Un système géochimique associant la mesure du [delta]D des silicates associée aux concentrations en carbonate s’est révélé un traceur diagnostique de l’érosion glaciaire dans le Nord du bassin, tandis que la teneur en matière organique du sédiment a pu être utilisée comme traceur des sols. L’analyse temporelle des flux de sédiments, de leur composition et du signal granulométrique, a ainsi permis d’établir que seule une faible fraction des sédiments (

International audience; Cette étude s’intéresse au bassin versant de la Medjerda, le plus grand bassin versant de Tunisie avecune superficie de l’ordre de 23600 km². Au niveau du cours principal de la Medjerda, plusieurs barrages ont été créés : Sidi Salem (le plus proche de l’embouchure et le plus grand du pays), El Aroussia, et d’autres au niveau des affluents de la Medjerda : Mellegue, Bouhertma, Beni Mtir, Lakhemess et Kasseb, et un sur l’oued Siliana, affluent qui rejoint la Medjerda après le dernier barrage de Sidi Salem. Depuis la construction des barrages, la plaine de la basse vallée de la Medjerda, en aval du barrage de Sidi Salem, a connu d’importants changements de morphologie. Le suivi de l’écoulement à des stations hydrologiques à l’aval du barrage Sidi Salem permet de mesurer l’impact de la construction des grands aménagements sur les régimes hydrologiques. Il apparaît que les apports sédimentaires de la Medjerda à la zone côtière ont été très peu mesurés, et qu’il n’existeaucune chronique d’observations. Or, la vulnérabilité des zones côtières à la variabilité des apports continentaux, tant en qualité qu’en quantité, est très importante, mais mal appréciée dans un contextede changement climatique. Le déficit d’apports en sédiments vers la mer, du aux barrages, pourrait être très utile pour une meilleure compréhension de la dynamique des zones littorales dans un contexte de changement climatique global. Notre objectif consiste à reconstruire l’histoire des apports sédimentaires de l’oued Medjerda jusqu’àla mer. Il y a deux volets : une étude de carottes de sédiments prélevées dans les méandres de la basse vallée, après le dernier barrage mais avant l’estuaire, et près d’une station hydrologique de contrôle(Jdeida), afin de récolter des informations sur les dépôts réels sur des durées de plusieurs décennies(1 siècle si possible), et un volet plus théorique qui consiste à la reconstruction d’une série interannuelle de transports théoriques de matières en suspension (MES) jusqu’à la station de Jdeida. Cet article présente la méthodologie et les premiers résultats de ce deuxième volet. Dans un premier temps les barrages ont été identifiés sur les deux pays Algérie et Tunisie qui partagent le bassin versant de la Medjerda. Ensuite les contours des bassins correspondants à chaque barrage ont été tracés, ainsi que ceux de toutes les stations hydrologiques de contrôle des débits. Les pluies mensuelles ont été calculées sur chaque bassin pour la période 1940-1999 à partir de la grille au demi-degré carré SIEREM d’HSM. Les séries de débits aux stations connues permettent d’établir des débits spécifiques qui sont affectés aux surfaces des bassins des barrages, permettant d’évaluer les écoulements théoriques. A la construction de chaque barrage correspond un stockage de MES que l’on peut dans un premier temps estimer par un pourcentage Y d’une quantité de MES X. En appliquant le même raisonnement pour tous les barrages, on peut ainsi reconstituer finalement à la station de Jdeida quel est l’atténuation théorique du transport de MES, avec des dates seuil correspondant à la mise en eau des barrages, et qui vont constituer autant d’évènements ponctuels pouvant marquer les séries sédimentaires, et ainsi aider à l’interprétation des carottes. Les valeurs X et Y pourront ensuite recevoir des valeurs à partir d’études pré-existantes sur l’envasement de barrages, ou de mesures ponctuelles de MES, ou bien simplement faire l’objet d’hypothèses comme modèle de fonctionnement et de prévision.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Des simulations numériques locales d'écoulements laminaires cisaillés érodant un lit de particules ont été réalisées. La méthode numérique employée est un modèle de type Euler-Lagrange, reposant pour la phase fluide sur les équations de Navier-Stokes moyennées par un terme de porosité et pour la phase solide sur les équations de Newton résolues pour chaque particule. Un terme d'interaction fluide-particule permet de coupler les deux phases. Les simulations, effectuées à Reynolds particulaire et rapport de densité constants et balayant une gamme de nombre de Shields allant de 0.1 à 0.5, ont permis de trouver un Shields critique, caractérisant le seuil de mise en mouvement du lit, entre 0.1 et 0.12. Une étude du débit stationnaire du milieu granulaire permet de valider la méthode numérique utilisée.

Les travaux de recherche que j’ai menés au cours des dix dernières années visent à améliorer la compréhension de la dynamique hydro-sédimentaire des zones littorales, en combinant analyses de mesures in situ et simulations numériques couplées vagues, courants, transport sédimentaire et évolution du fond. Le développement de modèles régionaux de vagues, de marées et de surcotes a amélioré la compréhension de la variabilité des climats de vague dans l’Atlantique Nord et des processus physiques contrôlant les surcotes et les submersions marines. Une méthode originale combinant traçages fluorescents et simulations numériques a permis d’améliorer l’estimation de la dérive littorale et de montrer sa forte variabilité en rapport avec celle des climats de vague. L’analyse des processus physiques contrôlant les embouchures tidales a montré que leur développement en période de beau temps résultait d’une forte dominance du jusant liée à l’asymétrie de la marée et que leur comblement en période hivernale résultait de la superposition de plusieurs mécanismes induits pas les vagues. Mes travaux en cours et leurs perspectives concernent : (1) la modélisation morphodynamique à long terme avec une approche 2DH et (1) l’analyse des processus physiques à court terme (interactions vagues-courants, ondes infra-gravitaires, etc.) à l’aide d’une approche 3D.

Chemical weathering and physical erosion of the continental crust mobilise huge amounts of both solid and dissolved material. As the first sediment generator on the Earth, the Himalayan range releases around 1 Gt/y of sediment into the ocean. The relative influence of the different factors that control the eroded fluxes and the importance of the erosion processes (such as landslides, glaciers, soils) are as yet poorly understood. The same is true of the climatic factors, especially regarding their impact during climatic transition periods. In order to address those questions, this work focuses on comparing the geochemical composition of erosion products to the composition of present river sediment and of sedimentary records in the Ganga Plain. A first budget of the erosion processes was done on a small scale in the Khudi catchment of Higher Himalaya. The total present-day erosion is considerable, at around 3 mm/y and takes place during the monsoon. It is mainly linked to the soils erosion and more importantly to the intense activity of a landsliding area. The development of a new method for the destruction of organic matter enabled the use of silicates hydration as a tracer for soils. Based on this method, a mathematical inversion of the sediment compositions was performed. It highlights that the landslide is responsible for ~80% of the overall physical erosion. The soil erosion is minor and is comparable to the erosion rates measured in the neighbouring catchments. The chemical erosion leads to a dissolved flux of 7.9 kt/y (corresponding to an erosion rate of 0.02mm/y) and seems to come from the bedrock deep weathering. Nevertheless, the dissolved fluxes also appear to be linked with the particles fluxes during the monsoon. This suggests an additional weathering of the sediment during the fluvial transport. A similar approach was used on a larger scale in the Narayani catchment that drains the whole of Central Nepal. Through ADCP-based current measurements combined with deep sediment sampling, a model for sedimentary transport was used to integrate the deep sediment fluxes. The average catchment-scale erosion rate was then corrected to a value of ~1.7 mm/y, close to the long-term erosion rates. A geochemical system that combines the measurement of the [delta]D of silicates and the concentrations of carbonates was found to be a diagnosis tracer for glacial erosion in the northern part of the catchment. The organic matter ratio was used as a tracer for soils. The temporal analysis of sediment fluxes, as well as the sediment composition and granulometry showed that only a small fraction (< 20%) of the sediment comes from glacial and soils erosion. Over the whole Central Nepal, the physical erosion seems also to be dominated by the landslides that are triggered during the monsoon. The large Narayani-Gandak alluvial fan is located at the river mouth and can be used as a record of the recent history of Central Nepal erosion. Three drillings were done in this fan to enable the study of the evolution of Himalayan weathering and erosion during the Late Pleistocene. The sedimentary deposits display a surprising stability in their geochemistry, their sources and their weathering stage for the last ~45 ky. The erosion intensity derived from cosmogenic nuclides is the only feature that seems to have risen during Holocene. However, the very recent evolution of the erosion distribution in the range is characterised by an increase (x3) of the proportion of products coming from the lower, more densely populated areas. This shows that the anthropogenic activities have had a larger impact on the erosion than the last Pleistocene-Holocene transition, especially through the rapid growth of the road network during the last decade., L’altération chimique et l’érosion physique de la croûte continentale mobilisent de grandes quantités de matière sous formes solide et dissoute. Première productrice de sédiments sur le globe, la chaîne Himalayenne délivre ~1 Gt/a de sédiments aux océans. L'importance des différents facteurs qui contrôlent les flux érodés et celle des processus d’érosion (glaciers, glissements de terrain, sols) sont pourtant encore mal définies. Il en va ainsi des facteurs climatiques, en particulier de leur impact au cours des transitions climatiques. Afin de répondre à ces questions, ce travail s’attache à comparer la composition géochimique des produits de l’érosion à celles des sédiments actuels de rivière et des archives sédimentaires de la plaine du Gange. Un premier bilan des processus d’érosion a été établi petite échelle dans le bassin Haut-Himalayan de la Khudi. L’érosion actuelle conséquente de ce bassin de ~3mm/a se produit lors de la mousson, correspond pour l'essentiel à l’érosion des sols et surtout à l'intense activité d'une zone de glissement de terrain. Grâce au développement d'une nouvelle méthode de destruction de la matière organique, la mesure de l’hydratation des silicates a pu être utilisée comme traceur inédit des sols. Sur cette base, l’inversion des compositions des sédiments de la rivière démontre que l’érosion physique est dominée à ~80% par le glissement de terrain, l’érosion de sols étant mineure et comparable aux taux d’érosion des autres bassins alentours. L’érosion chimique qui conduit à un flux d'éléments dissous de 7.9 kt/a (soit une érosion équivalente de 0.02 mm/a) semble dériver de l’altération profonde du substrat rocheux. Néanmoins les flux d'éléments dissous dessinent également une relation marquée avec les flux particulaires durant la mousson, suggérant une altération additionnelle des sédiments au cours du transport fluvial. Une approche similaire a ensuite été menée à l’échelle plus vaste du bassin de la Narayani drainant l’ensemble du Népal central. Grâce à des mesures de courant par ADCP combinées à l’échantillonnage de sédiments en profondeur, un modèle de transport sédimentaire a été utilisé pour intégrer les flux sédimentaires en profondeur et ainsi réviser le taux d’érosion moyen sur le bassin versant à une valeur de ~1.7 mm/a, proche des taux d'érosion long-terme. Un système géochimique associant la mesure du [delta]D des silicates associée aux concentrations en carbonate s’est révélé un traceur diagnostique de l’érosion glaciaire dans le Nord du bassin, tandis que la teneur en matière organique du sédiment a pu être utilisée comme traceur des sols. L’analyse temporelle des flux de sédiments, de leur composition et du signal granulométrique, a ainsi permis d’établir que seule une faible fraction des sédiments (

Sandbars are ubiquitous patterns along wave-dominated sandy coastlines and are key elementsin the global evolution of beaches. Cross-shore sandbar migrations are the result of the permanentimbalance between sediment flux driven by wave non-linearity and mean return current. In this thesis,we developed a new process-based beach profile model integrating the recent scientific advancesin term of hydrodynamics and sediment transport developed for beach morphodynamics. The lowcomputing time allows for long-term morphodynamic simulations (O months/years) of natural beachprofiles of diverse characteristics (beach slope, sediment grain size or type of wave breaking). Modelvalidations on several data sets, encompassing natural and experimental beach profile evolutions,highlight the respective contribution of the main hydrodynamic and sediment transport processesinvolved in specific cross-shore sandbar evolution relative to various wave conditions. Finally, all thecross-shore physical processes were integrated in a 2DH morphodynamic model, resulting for the firsttime in the simulation of a quasi-complete down state sequence showing alongshore bar generationwith subsequent spontaneous formation of transverse bar and rip morphology. These very encouragingresults pave the way for using this model to simulate 3-Dimensional evolutions of natural beachesforced by irregular wave conditions; Les barres sableuses pré-littorales ont un rôle fondamental en morphodynamique des plages soumises à l’action des vagues. Le déséquilibre permanent entre les flux sédimentaires induits vers laplage par les non linéarités des vagues et ceux induits vers le large par le courant de retour gouverne lamigration transversale des barres. Dans cette thèse, un nouveau modèle morphodynamique de profilde plage intégrant l’état de l’art des processus hydro-sédimentaires a été développé. Le faible coûten temps de calcul de ce modèle permet de réaliser des simulations à long terme, O(mois/années),de la morphologie de plages réelles ayant des caractéristiques variées (pente, type de déferlement,granularité). La simulation sur plusieurs jeux de données, de plages réelles et expérimentales, a permisd’identifier la contribution respective des principaux processus hydro-sedimentaires dans la dynamiquede la plage suivant les conditions de houle (e.g. Tempête, temps calme). Ces avancées scientifiques ontété intégrées à un modèle 2DH, ce qui a notamment permis de simuler pour la première fois sur des casacadémiques la formation d’une barre sableuse rectiligne à partir d’une plage parfaitement plane, suiviedu développement de corps sableux tridimensionnels. Ces résultats ouvrent la voie vers l’applicationde ce type de modèle aux plages naturelles soumises à une large variabilité de régimes de houle.