Ce travail de recherche s’inscrit dans le contexte actuel d’accroissement de la vulnérabilité de l’Homme et des activités humaines face aux risques littoraux (aléas érosion et submersion marine), en lien avec les changements environnementaux globaux (élévation du niveau moyen relatif des océans et augmentation de la fréquence et de la virulence des tempêtes) et à la concentration de la population sur le littoral. Suite à la tempête Xynthia du mois de février 2010, l’Etat français s’est doté d’une Stratégie Nationale de Gestion Intégrée du Trait de Côte visant à mettre en place de nouvelles approches en matière de gestion du trait de côte, et notamment, favoriser le repli stratégique contre la défense côtière à tout prix. La mise en place de cette stratégie doit avant tout s’appuyer sur la mise en place d’un réseau d’observation et de suivi de l’évolution du trait de côte à l’échelle de la France. Ce travail s’inscrit dans cette problématique. Il a eu pour objectif d’étudier les dynamiques du trait de côte des plages sableuses et des cordons de galets (formes d’accumulation) de la Bretagne, à différentes échelles spatio-temporelles. Sur le long terme, l’analyse a consisté dans un premier temps à établir une typologie des côtes d’accumulation suivant différents critères morphosédimentaires ; la cinématique du trait de côte a ensuite été analysée à l’échelle des soixante dernières années (1950-2010) à partir d’une étude diachronique par photogrammétrie. Sur le moyen terme, l’analyse s’est faite dans le cadre des suivis topomorphologiques réalisés à l’échelle pluriannuelle à pluridécennale, de plusieurs sites ateliers de l’ODC (IUEM) et/ou du SNO Dynalitt. L’étude des changements morphosédimentaires s’est accompagnée d’une analyse de données de houle, de marée, de vent, et de pression atmosphérique, dans le but d’expliquer la part de ces forçages dans l’alternance de phases d’érosion et de périodes de régénération. Enfin sur le court terme, cette analyse s’est basée sur des levés topomorphologiques à haute fréquence réalisés au cours de l’hiver tempétueux 2013-2014. A cela, s’est ajoutée une étude expérimentale visant à quantifier le runup, dans le but d’analyser l’impact des niveaux d’eau extrêmes à la côte sur l’érosion du trait de côte. De manière globale, la quantification des variations du trait de côte sur le long terme a mis en évidence une tendance à l’érosion (27 % de linéaire étudié), une progradation du trait de côte non négligeable (20,5 % de linéaire) ainsi qu’une importante artificialisation du trait de côte (34,5 % de linéaire). La similitude des réponses morphosédimentaires des cordons littoraux étudiés aux conditions météomarines a permis d’identifier cinq phases distinctes. Trois phases morphogènes (de 1998 à 2003 ; de l’hiver 2006/07 au printemps 2008 ; de l’hiver 2012/13 à aujourd’hui), caractérisées par une érosion importante du trait de côte combinée à une haute fréquence des épisodes tempétueux ; et deux phases au cours desquelles les conditions météomarines ont été plus clémentes (de 2003 à l’hiver 2006/07 ; du printemps 2008 à l’hiver 2012/13), permettant la régénération des cordons littoraux. Au cours de l’hiver 2013-2014, trois tempêtes ont été particulièrement morphogènes en matière d’érosion du trait de côte car elles ont été combinées à de fortes marées de vive-eau : la tempête du 4 et 5 janvier, celle du 1 au 3 février, ainsi que celle du 2 au 3 mars. Durant cet hiver, le recul moyen pour tous les sites étudiés a atteint -6,3 m, avec un maximum d’environ -30,1 m et un minimum de -0,2 m. / This research is part of current context of increasing of human beings and human activities vulnerability face to coastal risks (erosion hazards and marine submersion), linked to global environmental changes (global relative sea level rise and growth of storms’ frequency and intensity) and the current concentration of the population on the coastline. Following the storm Xynthia (February 2010), France has adopted a national strategy dealing with coastal erosion and shoreline retreat, in order to define a new integrated national strategy of coastline management, promoting the relocation of stakes and properties. This strategy focuses on the monitoring of shoreline changes and the identification of coastal risks due to erosion.This work fall within this issue. The main objective was to study sedimentary coasts dynamics (sand dunes and gravel barriers) of Brittany, following different spatial and temporal scales. In the long term, the analysis consisted, first of all, in establishing a typology of sedimentary coasts according to several morpho-sedimentary criteria; then, coastline kinematic has been analyzed over the last sixty years (1950-2010) through a diachronic study using photogrammetry. In the medium term, analysis was carried out as part of topographic surveys performed at multi-annual to multi-decadal scale, on several Observatoire du Domaine Côtier (IUEM) and/or Service National d’Observation - Dynalitt survey sites. The morpho-sedimentary study was combined with a wave, tide, wind and atmospheric pressure analysis, in order to explain the role of these forcing in the erosion and recovery successive phases. Finally, in the short term, analysis was based on high frequency of topomorphological surveys carried out during the 2013-2014 stormy winter. Additionally, an experimental study to quantify runup process, in order to analyze extreme water levels impact on shoreline erosion.Overall, the quantification of coastline variations over the long term revealed an erosion tendency on 27% of the studied linear, a non-negligible progression of the shoreline on 20.5% of the studied linear, and a significant shoreline anthropogenic impact (34.5% of the studied linear). The similarity of the morpho-sedimentary responses of the littoral strands studied to the meteorological conditions allowed to identify five distinct phases. Three morphogenetic phases (1998 to 2003; winter 2006/07 to spring 2008; winter 2012/13 to the present), characterized by severe shoreline erosion combined with a high frequency of storm episodes, and two phases (2003 to winter 2006/07 ; spring 2008 to winter 2012/13) characterized by milder weather conditions, allowing shoreline recovery. During 2013-2014 winter, three storms were particularly morphogenetic for sedimentary coasts, because they were combined with high spring tides: January 4-5, February 1-3, and March 2-3. During this winter, the average retreat for all studied sites reached -6,3 m, with a maximum of -30,1 m and a minimum of -0,2 m.

La question du changement de la couverture terrestre est devenue importante dans le monde entier au cours des dernières années, non seulement pour les chercheurs, mais aussi pour les planificateurs urbains et les écologistes qui préconisent l'utilisation durable des terres dans l'avenir. En Europe méditerranéenne, les caractéristiques de couverture du sol ont considérablement changé depuis la Seconde Guerre mondiale en raison des activités humaines intensives, de la croissance de la population, et de l'étalement urbain et touristique. La plupart des études antérieures sur les changements de l’occupation du sol dans la région méditerranéenne se sont centrées sur un problème particulier et / ou ont décrit un type spécifique de changement de la couverture terrestre. Peu de recherches ont pris en compte les transformations de plusieurs catégories d’occupation du sol en même temps. De même, rares sont les travaux qui considèrent plusieurs variables dans le changement de l’occupation du sol au cours du temps, au-delà des traditionnels effets de l’altitude et de la pente. Nous souhaitons ici intégrer la variété des catégories et des composantes d’évolution. En outre, si certaines études à propos de la modélisation des mutations de la couverture terrestre se concentrent sur les variables d’influence, peu se penchent sur l’influence de la période historique et des échelles de temps différentes sur la prédiction. Ainsi, dans cette thèse, les changements de l’occupation du sol ont été prédits en utilisant différentes échelles de temps pour évaluer les impacts de la période historique dans la prédiction de la carte de la couverture terrestre d'ici 2025. Enfin, si l’étendue spatiale varie dans les différentes recherches, il semble utile de s’interroger sur les effets de la taille du terrain d’étude et de la résolution des cellules prises en compte, dans la prédiction. Les transformations de l’occupation du sol ont un impact significatif sur la dégradation des terres, y compris l'érosion des sols. / The European Mediterranean coastal area has experienced widespread land cover change since 1950 because of rapid urban growth and expansion of tourism. Urban sprawl and other land cover changes occurred due to post-war economic conditions, population migration, and increased tourism. Land cover change has occurred through the interaction of environmental and socio-economic factors, including population growth, urban sprawl, industrial development, and environmental policies. In addition, rapid expansion of tourism during the last six decades has caused significant socioeconomic changes driving land cover change in Euro-Mediterranean areas. Mediterranean countries from Spain to Greece experienced strong urban growth from the 1970’s onwards, and a moderate growth rate is projected to continue into the future. Land cover change can result in environmental changes such as water pollution and soil degradation. Several previous studies have shown that Mediterranean vineyards are particularly vulnerable to soil erosion because of high rainfall intensity and the fact that vineyards are commonly located on steeper slopes and the soil is kept bare during most of the cultivation period (November to April) when precipitation is at its highest. The main objective of this thesis is to predict long-term soil erosion evolution in a Mediterranean context of rapid urban growth and land use change at the catchment scale. In order to achieve this, the following specific aims have been formulated: (i) to analyze the spatial dynamics of land cover change from 1950 to 2008; (ii) to compare the impact of historical time periods on land cover prediction using different time scales; (iii) to test the impacts of spatial extent and cell size on LUCC modeling; and (iv) to predict the impact of land cover change on soil erosion for 2025.

L’objectif de cette thèse est de déterminer une reconstruction de l’altération continentale dans le bassin du Nil depuis 100.000 ans, afin de mieux comprendre l’impact des variations climatiques sur les sols, les apports à la Méditerranée et le cycle du carbone. Ce travail repose sur une étude géochimique fine des argiles extraites d’archives sédimentaires du delta du Nil sur une échelle de temps de 100.000 ans. Il repose sur une approche inédite du couplage d’un traceur de source (isotopes du néodyme) et de traceurs d’altérations (isotopes du lithium). Les résultats de cette étude mettent en évidence une réponse rapide de l’altération continentale aux variations hydro-climatique en Afrique du Nord. De plus, les changements climatiques en Atlantique Nord et du ralentissement de l’AMOC ont eu une influence importante sur la diminution de l’intensité d’altération continentale dans le bassin du Nil. A l’actuel, les taux d’altération, et la consommation de CO2 associée, des trapps d’Ethiopie sont relativement faibles par rapport aux autres régions basaltiques. Nos résultats montrent cependant que durant l’African Humid Period, la consommation de CO2 dans cette région était 2 à 3 fois plus importante qu’aujourd’hui. Cela indique que les trapps d’Ethiopie ont pu jouer un rôle non négligeable dans le cycle du CO2, et en particulier lors des périodes de fort runoff. Enfin, des développements analytiques ont été réalisés afin de pouvoir exploiter les compositions isotopiques en lithium des carbonates biogéniques marins, comme nouveaux traceurs des apports en eau douce du Nil. Les résultats obtenus suggèrent une influence des effets dits « vitaux » et des processus de diagénèse. / This thesis presents a reconstruction of the chemical weathering in the Nile basin since 100.000 years. His objective is to better understand the impact of climatic variations on chemical weathering, to better. This work is based on the geochemistry study on marine core recorded in the Nile delta, on a time scale of 100.000 years. It use a novel approach with the coupling of à source tracer (εNd) and chemical weathering tracers (δ7Li and elementary ratios) on the fine fraction (< 2µm). In addition, it was analyzed samples of each actual Nil sources and a core sample from Tana Lack (Ethiopie). The results of this studies have enabled to reconstruct the chemical weathering variations in the Nile basin since 100.000 years. It show a rapid respond of chemical weathering to climate variations. This was also observed by important impact of North Atlantic climate variations on the decrease of chemical weathering in the Nile basin. At present, the chemical weathering flux and the CO2 consumption of the Ethiopian traps are low comparted to the other basaltic regions, as the Deccan. However, our results show that during the most humid periods (African Humid Period) the CO2 consumption was 2 to 3 time higher than today. This indicates that the Ethiopian traps could be have played a non-negligible role in the global CO2 cycle during the Cenozoic, and principally during the most humid periods in North Africa. Finally, analytical developments have been realized to be able to exploit the lithium isotopes on biogenic carbonates as a new tracer of Nile water flood. The results suggest an influence of “vital” effect and diagenetic process.

Cette étude porte sur les impacts géomorphologiques de la crue extrême de la rivière Duval, qui s’est produite en juin 2008, dans la communauté de Pangnirtung au Nunavut. L’action combinée de l’érosion mécanique et thermique (thermo-érosion) du puissant torrent a rapidement causé l’érosion de 90 000 m3 de pergélisol près de l’embouchure de la rivière, endommageant de façon permanente les deux ponts situés au centre de la communauté. Un événement d’une telle envergure a soulevé de nombreuses inquiétudes dans la communauté notamment en ce qui a trait à la pérennité des infrastructures routières et résidentielles, à la sécurité des habitants ainsi qu’au risque de récurrence d’une telle crue. Cette étude a pour objet de quantifier les facteurs qui contribuent au processus à savoir, la température de l’eau, le débit fluvial, la température du pergélisol et sa teneur en glace et d’intégrer leur impact combiné dans une analyse numérique afin de mieux cerner les conditions dans lesquelles l’événement catastrophique s’est produit, d’évaluer les risques de récurrence d’une telle crue et de déterminer le degré de susceptibilité du cône alluvial de Pangnirtung face au processus d'érosion fluviale et de la thermo-érosion.

L'érosion régressive est l'un des mécanismes initiaux de l'érosion interne qui se produit dans les fondations des barrages en remblai et des digues. Une fois que la charge hydraulique de l'écoulement souterrain atteint des conditions critiques, des particules de la couche granulaire se détachent et sont transportées vers le pied aval avec l'écoulement sous le toit du matériau cohésif. Un conduit d'érosion étiré de l'amont vers l'aval se forme dans la fondation à travers ce processus, mettant en danger la stabilité du corps supérieur du barrage. Des études antérieures ont révélé que deux mécanismes différents sont responsables de la progression du conduit d'érosion, à savoir les érosions primaires et secondaires, c'est-à-dire l'érosion au niveau de la tête du conduit et du lit du conduit, respectivement. Plusieurs critères ont été développés sur la base de l'érosion secondaire, tels que la méthode de Sellmeijer pour déterminer le gradient global critique requis pour la progression du conduit d'érosion. Cependant, la plupart des investigations récentes se sont concentrées sur les conditions hydrauliques locales, car l'application de tels critères globaux sur le terrain pourrait être difficile en raison de l'hétérogénéité du terrain et de la stratification complexe du sol. Cette étude vise principalement à modéliser expérimentalement l'érosion régressive. Pour atteindre cet objectif, une cellule d'essai rectangulaire avec sortie de type trou est conçue pour contourner les inconvénients et les limitations des dispositifs existants. La configuration améliorée est composée de plusieurs rangées de capteurs de pression le long du chemin du conduit d'érosion, permettant de suivre librement les conditions hydrauliques le long des méandres du conduit. La compaction horizontale, l'application automatique de charge, le système d'acquisition de données de haute précision et fréquence et la procédure d'essai basée sur l'instrumentation sont d'autres améliorations ajoutées à la cellule. Les essais d'érosion avec la configuration améliorée sur différents sables fins uniformes montrent que le gradient global critique (i[indice G_cr]) dans la configuration de sortie de type trou peut être expliqué par la conductivité hydraulique (k) et la taille de grain représentative (d₇₀). La comparaison des données d'essai de la présente étude avec les données de la littérature démontre en outre que i[indice G_cr] corrèle parfaitement avec le facteur d'échelle (Fₛ) qui intègre à la fois k et d₇₀. En conséquence, le critère modifié de Sellmeijer est examiné pour son inclusion d'un nombre excessif de paramètres dans la prédiction du gradient global critique. La révision de la procédure de développement de la méthode de Sellmeijer révèle que le modèle est surajusté et inclut des paramètres intercorrélés. L'analyse statistique des données expérimentales utilisées pour modifier le critère de Sellmeijer montre qu'un modèle alternatif avec un nombre moindre de paramètres existe qui peut prédire le gradient global critique encore plus précisément. Le modèle proposé, développé sur la base des données expérimentales avec une sortie de type pente, est ensuite validé avec les données d'essai obtenues à partir de la configuration améliorée de cette étude. Il est démontré que le modèle est capable de prédire avec précision les deux types de configurations de sortie. Une analyse supplémentaire sur la capacité de prédiction du critère modifié de Sellmeijer rejette l'hypothèse précédente concernant sa surestimation 2 fois supérieure dans la prédiction du gradient pour les sorties de type trou. De plus, l'historique des charges et le gradient local sont étudiés dans les tests d'érosion sur les sables fins. Il est constaté que l'historique de charge hydraulique, c'est-à-dire l'application de charge en une seule étape ou en plusieurs étapes, n'a aucune influence sur le processus d'érosion. L'analyse des gradients locaux mesurés en amont du conduit d'érosion à l'aide des capteurs de la cellule reflète la relation mutuelle entre la progression du conduit d'érosion et le gradient local à la tête du conduit. Les résultats des essais indiquent la relation linéaire entre le gradient global critique et le gradient local. Une méthode géostatistique (krigeage) est utilisée pour étudier davantage l'influence de la distance entre les capteurs sur l'ampleur du gradient local mesuré. Il est démontré que le krigeage pourrait ne pas être un outil approprié pour l'interpolation de la charge hydraulique à proximité de la tête du conduit d'érosion. Une approche différente est utilisée, démontrant que le gradient local augmente de manière exponentielle avec la diminution de la distance entre les capteurs. / Backward erosion piping is one the initiating mechanisms of internal erosion that occurs in the foundations of embankment dams and dikes. Once the hydraulic load of the underground seepage reaches the critical conditions, particles of the granular layer are detached and transported towards the downstream toe with the seepage under the roof of the cohesive material. A stretched pipe from upstream to downstream forms in the foundation through this process which endangers the stability of the upper dam body. Previous studies found out that two different mechanisms are responsible for the progression of the pipe, namely primary and secondary erosions, i.e., erosion at the pipe tip and the pipe bed, respectively. Several criteria have been developed based on the secondary erosion such as Sellmeijer's method to determine the critical global gradient required for the pipe progression. Most recent investigations, however, focused on the local hydraulic conditions since application of such global criteria in the field could be challenging due to the field heterogeneity and complex soil stratification. This study aims primarily to model backward erosion experimentally. To achieve this end, a rectangular test cell with hole-type exit is designed which improves the drawbacks and limitations of the existing setups. The improved setup is composed of several rows of pressure sensors along the pipe pathway enabling to track freely meandering pipe's hydraulic conditions. Horizontal compaction, automatic load application, high accuracy and frequency data acquisition system and instrumentation-based testing procedure are other improvements added to the cell. The erosion tests with the improved setup on different fine uniform sands show that the critical global gradient (i[subscript G_cr]) in hole-type exit configuration can be explained by the hydraulic conductivity (k) and the representative grain size (d₇₀). Comparing the present study's test data with the data from the literature further demonstrates that i[subscript G_cr] correlates perfectly with the scale factor (Fₛ) which incorporates both k and d₇₀. Consequently, Sellmeijer's modified criterion is scrutinized for its inclusion of an excessive number of parameters in predicting the critical global gradient. Revisiting the development procedure of Sellmeijer's method reveals that the model is overfitted and it includes intercorrelated parameters. Statistical analysis on the experimental data used to modify Sellmeijer's criterion shows that an alternative model with a smaller number of parameters exists that can predict critical global gradient even more accurate. The proposed model developed based on the experimental data with slope-type exit is further validated with the test data obtained from this study's improved setup. It is shown that the model is capable of accurate prediction for both types of exit configurations. Additional analysis on the prediction capability of the Sellmeijer's modified criterion dismisses the prior hypothesis concerning its 2-time overestimation in prediction of the gradient for the hole-type exits. Furthermore, the loading history and local gradient are investigated in the erosion tests on the fine sands. It is found out that hydraulic loading history, i.e., single stage or multistage load application does not have any influence on the erosion process. The analysis of the local gradients measured upstream of the pipe using the cell sensors reflects the mutual relationship between the pipe progression and the local gradient at the pipe tip. The test results indicate the linear relationship between the critical global gradient and the local gradient. A geostatistical method (kriging) is used to further study the influence of the sensors distance on the magnitude of the measured local gradient. It is demonstrated that kriging might not be an appropriate tool to use for interpolation of the pressure head in the vicinity of the pipe tip. A different approach is used which demonstrates that local gradient increases exponentially with decreasing distance between the sensors.

Les systèmes actuels de base de données géodécisionnels (GeoBI) ne tiennent généralement pas compte de l'incertitude liée à l'imprécision et le flou des objets; ils supposent que les objets ont une sémantique, une géométrie et une temporalité bien définies et précises. Un exemple de cela est la représentation des zones à risque par des polygones avec des limites bien définies. Ces polygones sont créés en utilisant des agrégations d'un ensemble d'unités spatiales définies sur soit des intérêts des organismes responsables ou les divisions de recensement national. Malgré la variation spatio-temporelle des multiples critères impliqués dans l’analyse du risque, chaque polygone a une valeur unique de risque attribué de façon homogène sur l'étendue du territoire. En réalité, la valeur du risque change progressivement d'un polygone à l'autre. Le passage d'une zone à l'autre n'est donc pas bien représenté avec les modèles d’objets bien définis (crisp). Cette thèse propose des concepts fondamentaux pour le développement d'une approche combinant le paradigme GeoBI et le concept flou de considérer la présence de l’incertitude spatiale dans la représentation des zones à risque. En fin de compte, nous supposons cela devrait améliorer l’analyse du risque. Pour ce faire, un cadre conceptuel est développé pour créer un model conceptuel d’une base de donnée multidimensionnelle avec une application pour l’analyse du risque d’érosion côtier. Ensuite, une approche de la représentation des risques fondée sur la logique floue est développée pour traiter l'incertitude spatiale inhérente liée à l'imprécision et le flou des objets. Pour cela, les fonctions d'appartenance floues sont définies en basant sur l’indice de vulnérabilité qui est un composant important du risque. Au lieu de déterminer les limites bien définies entre les zones à risque, l'approche proposée permet une transition en douceur d'une zone à une autre. Les valeurs d'appartenance de plusieurs indicateurs sont ensuite agrégées basées sur la formule des risques et les règles SI-ALORS de la logique floue pour représenter les zones à risque. Ensuite, les éléments clés d'un cube de données spatiales floues sont formalisés en combinant la théorie des ensembles flous et le paradigme de GeoBI. En plus, certains opérateurs d'agrégation spatiale floue sont présentés. En résumé, la principale contribution de cette thèse se réfère de la combinaison de la théorie des ensembles flous et le paradigme de GeoBI. Cela permet l’extraction de connaissances plus compréhensibles et appropriées avec le raisonnement humain à partir de données spatiales et non-spatiales. Pour ce faire, un cadre conceptuel a été proposé sur la base de paradigme GéoBI afin de développer un cube de données spatiale floue dans le system de Spatial Online Analytical Processing (SOLAP) pour évaluer le risque de l'érosion côtière. Cela nécessite d'abord d'élaborer un cadre pour concevoir le modèle conceptuel basé sur les paramètres de risque, d'autre part, de mettre en œuvre l’objet spatial flou dans une base de données spatiales multidimensionnelle, puis l'agrégation des objets spatiaux flous pour envisager à la représentation multi-échelle des zones à risque. Pour valider l'approche proposée, elle est appliquée à la région Perce (Est du Québec, Canada) comme une étude de cas. / Current Geospatial Business Intelligence (GeoBI) systems typically do not take into account the uncertainty related to vagueness and fuzziness of objects; they assume that the objects have well-defined and exact semantics, geometry, and temporality. Representation of fuzzy zones by polygons with well-defined boundaries is an example of such approximation. This thesis uses an application in Coastal Erosion Risk Analysis (CERA) to illustrate the problems. CERA polygons are created using aggregations of a set of spatial units defined by either the stakeholders’ interests or national census divisions. Despite spatiotemporal variation of the multiple criteria involved in estimating the extent of coastal erosion risk, each polygon typically has a unique value of risk attributed homogeneously across its spatial extent. In reality, risk value changes gradually within polygons and when going from one polygon to another. Therefore, the transition from one zone to another is not properly represented with crisp object models. The main objective of the present thesis is to develop a new approach combining GeoBI paradigm and fuzzy concept to consider the presence of the spatial uncertainty in the representation of risk zones. Ultimately, we assume this should improve coastal erosion risk assessment. To do so, a comprehensive GeoBI-based conceptual framework is developed with an application for Coastal Erosion Risk Assessment (CERA). Then, a fuzzy-based risk representation approach is developed to handle the inherent spatial uncertainty related to vagueness and fuzziness of objects. Fuzzy membership functions are defined by an expert-based vulnerability index. Instead of determining well-defined boundaries between risk zones, the proposed approach permits a smooth transition from one zone to another. The membership values of multiple indicators (e.g. slop and elevation of region under study, infrastructures, houses, hydrology network and so on) are then aggregated based on risk formula and Fuzzy IF-THEN rules to represent risk zones. Also, the key elements of a fuzzy spatial datacube are formally defined by combining fuzzy set theory and GeoBI paradigm. In this regard, some operators of fuzzy spatial aggregation are also formally defined. The main contribution of this study is combining fuzzy set theory and GeoBI. This makes spatial knowledge discovery more understandable with human reasoning and perception. Hence, an analytical conceptual framework was proposed based on GeoBI paradigm to develop a fuzzy spatial datacube within Spatial Online Analytical Processing (SOLAP) to assess coastal erosion risk. This necessitates developing a framework to design a conceptual model based on risk parameters, implementing fuzzy spatial objects in a spatial multi-dimensional database, and aggregating fuzzy spatial objects to deal with multi-scale representation of risk zones. To validate the proposed approach, it is applied to Perce region (Eastern Quebec, Canada) as a case study.

L'érosion de contact est un processus d'érosion interne pouvant être retrouvé dans les barrages en remblai et les digues qui peut mener à la rupture de l'ouvrage. Elle se définit comme le détachement et l'entraînement au travers d'un sol grossier de particules d'un sol fin, sous l'effet d'une sollicitation hydraulique parallèle à l'interface entre les deux matériaux. Cette étude vise à comprendre et à identifier les processus contrôlant l'érosion de contact avec un sol fin étalé (till de Romaine 3) lorsque combiné à différents matériaux grossiers. Pour étudier le processus d'érosion, un dispositif expérimental original a été développé. De plus, dans le but de bien comprendre les processus en jeu avec le sol fin étalé, des essais ont également été effectués avec des sols uniformes afin de servir de comparatif. Il s'avère que l'étalement granulométrique du sol fin a un impact important sur l'initiation et la progression de l'érosion de contact alors que différents mécanismes comme le pavage et le colmatage peuvent se développer et limiter l'érosion, ou même l'arrêter. En se basant les résultats expérimentaux de la présente étude ainsi que ceux recensés dans la littérature, un modèle d'évaluation du seuil de l'érosion est proposé. De plus, une approche expérimentale est proposée afin de faciliter l'étude de l'érosion de contact des sols fins pulvérulents à granulométrie étalée. Finalement, une conceptualisation de l'évolution de l'érosion de contact en fonction de la dimension des particules du sol fin et du sol grossier ainsi que de la sollicitation hydraulique est proposée. Avec cette dernière, la susceptibilité du till de Romaine 3 à l'érosion de contact est définie. / Contact erosion is an internal erosion process that can be found in embankment dams and dikes which can lead to failure. It is defined as the pullout and dragging of fines from a base material through an adjacent coarser material under seepage parallel to the interface. This study intends to understand and to identify the mechanisms that control contact erosion with a well-graded base soil (Romaine 3 till) combined with different filter materials. To study the erosion process, a new experimental setup has been developed. Also, in order to properly assess the mechanisms involved with a well-graded base soil, comparative tests have also been performed with poorly-graded base soils. It was found that the grading of the base material as an important impact on the initiation and progression of contact erosion as different mechanisms such as paving and clogging can develop to limit or even stop the erosion. With the experimental results of this study as well as those found in the literature, a model for contact erosion threshold evaluation is proposed. Additionally, an experimental approach is proposed in order to simplify the study of contact erosion for well-graded base soils. Finally, a conceptualization of the erosion process (initiation and evolution) depending on the grain size of both filter and base soils and on the hydraulic solicitation is proposed. The Romaine 3 till susceptibility to contact erosion is assessed with latter conceptualization.

Ce mémoire de recherche s'intéresse à concevoir l'architecture en milieu nordique, en abordant la question de savoir comment habiter dans un environnement climatique froid et extrême. En effet, les flux naturels tels que le vent, la neige et la glace créent des conditions de confort indésirables pendant la saison froide. Cette recherche prend donc l'hypothèse d'intégrer le climat nordique hivernal dans tout son potentiel de recherche et de création de formes en explorant sa valeur poétique où le climat serait utilisé comme déclencheur d'inspiration formel. Ainsi, par l'expérimentation des flux climatiques de l’hiver, ce mémoire de recherche développe un processus de conception dans le but de créer de nouvelles formes architecturales. La méthode développée intitulée le « processus d'habitabilité de la forme par le climat » a pour objectif de valider l'habitabilité de ces nouvelles typologies climatiques, réalisées au travers d'étapes expérimentales successives au moyen d'une approche à la fois tactile et numérique, qui pourraient offrir diverses ambiances une fois transposées à l'échelle de l'architecture. En combinant différents éclairages, matériaux et échelles, des maquettes sont produites afin de visualiser la possible habitabilité des nouvelles formes générées. Celles-ci sont étudiées au travers d'explorations photographiques, où les images sont ensuite davantage contextualisées au moyen de collages numériques par l'insertion de personnages et d'un environnement extérieur. Ces résultats formels, spatiaux et ambiants ont ainsi inspiré le développement d'un projet d'architecture qui, appuyé d'images éloquentes, a pour but de servir à inspirer les architectes concepteurs à concevoir et à expérimenter leur projet en milieu nordique. Pour finir, le processus développé sert à encourager la création de nouvelles formes et ambiances architecturales adaptées au défi critique imposé par le climat et propose une nouvelle représentation de notre rapport à l'hiver et à l'architecture. / This research focuses on designing architecture in the undesirable conditions of northern climates by addressing the question of how to inhabit the Nordicity by conceptualizing with a cold climatic environment. Indeed, natural flows such as wind, snow and ice create undesirable comfort conditions during the cold season. This research therefore takes the hypothesis of integrating the northern climate into all its potential for research and creation of forms by exploring its poetic value, where the climate would be used as a trigger for inspiration. Thus, by experimenting with winter cold climate fluxes, this research thesis develops a design process with the aim of creating new architectural forms. The method that has been developed entitled the « process of habitability of form by climate » aims to validate the habitability of these new climatic typologies, carried out through successive experimental stages using both a tactile and a digital approach, which could offer various atmospheres once transposed to the scale of architecture. By combining different lighting, materials and scales, models are produced to visualize the possible habitability of the new shapes generated. These are studied through photographic explorations, where images are thereafter contextualized by means of digital collages through the insertion of characters and an external environment. These formal, spatial and ambient results have thus guided the development of an architectural project. Supported by eloquent rendering images, this project has the purpose of inspiring architects and to convince them to design and experiment their project with the cold climatic environment. Finally, the process developed serves to encourage the creation of new architectural forms and atmospheres adapted to the critical challenge imposed by the climate and proposes a new representation of our relationship to winter and architecture.

L’érosion des berges est un processus clé de la dynamique fluviale. Elle influence considérablement la charge sédimentaire des rivières et contrôle l’évolution latérale des chenaux. Les méthodes de caractérisation des mécanismes et des variables affectant l’érosion des berges sont toutefois imprécises et difficiles à appliquer. Ce projet a pour objectif de caractériser la dynamique actuelle des berges de deux tributaires contrastés du Saint-Laurent : les rivières Saint-François et Batiscan. Le premier objectif vise à quantifier les caractéristiques géotechniques de deux tronçons des rivières à l’étude près de l’embouchure avec le Saint-Laurent en décrivant la stratigraphie à différents sites typiques et en recueillant des échantillons de sédiments afin de mesurer différentes variables géotechniques (granulométrie, limites d’Atterberg, résistance à l’érosion mécanique, résistance à l’érosion fluviale). Le second objectif vise à quantifier les principales caractéristiques hydrodynamiques (précipitations, débits, cisaillements, vitesses) des deux sections de rivière. Le troisième et dernier objectif cherche à mesurer les taux d’érosion à l’échelle saisonnière en utilisant des relevés GPS et des chaînes d’érosion et à identifier les mécanismes d’érosion qui opèrent sur les rivières. Les résultats montrent une érosion importante des berges sur chacun des tributaires, mais les mécanismes qui la cause diffèrent. La Batiscan possède des berges dont le matériel est cohésif et ses berges sont principalement marquées par des ruptures de masse. La Saint-François présente des berges peu cohésives ce qui favorise l’érosion fluviale. Le taux de recul sur la rivière Saint-François est de l’ordre de 1 à 3 m/an dans certaines sections de la rivière. Une nouvelle méthode de mesure du cisaillement critique d’érosion fluviale à l’aide d’un chenal expérimental a été élaborée. Les cisaillements critiques obtenus se situent entre 1,19 et 13,41 Pa. Les résultats montrent que les facteurs jouant sur l’érosion des berges ont une variabilité intrinsèque et systémique difficile à mesurer. Le protocole expérimental développé dans ce projet s’est toutefois avéré utile pour étudier les principales variables qui influencent l’érosion des berges, tout en quantifiant les taux d’érosion et les mécanismes d’érosion de berge de deux tributaires importants du fleuve Saint-Laurent. Ce protocole pourrait être utile dans d’autres contextes. / Bank erosion is a key process in fluvial dynamics. It affects sedimentary load in rivers and controls channel lateral evolution. Until now, the methodology used to characterize bank erosion mechanisms and other controlling factors is still imprecise and difficult to apply in many cases. The aim of this project is to characterize bank dynamics in two contrasted Saint-Lawrence tributaries: the Batiscan and Saint-François rivers. The first objective of this study is to quantify geotechnical properties of a section on each river. To achieve this objective, we have described stratigraphic sections at different sites and collected bank material samples in order to measure geotechnical variables in the laboratory (grain size analysis, Atterberg limits, mechanical strength, erosional strength). The second objective is to quantify the hydrodynamic characteristics (precipitations, discharge, shear stress, velocity) of the two river sections. The third and last objective is to measure bank erosion rates with GPS data and erosion pins at a seasonal scale and to identify bank erosion mechanisms occurring in the studied reaches. The results show a high erosional sensitivity of the banks on each tributary, but the observed mechanisms differ from on river to the other. Bank material on the Batiscan River is cohesive and is more susceptible to mass failure. Bank material on the Saint-François River is less cohesive and is mainly affected by fluvial erosion. Bank erosion rates measured on Saint-François River are between 1 to 3 m/year in some sections of the studied reach. A new method of measuring fluvial erosion critical shear stress has been developed with a flume. The critical shear stresses are estimated to be between 1,19 and 13,41 Pa. The results demonstrate the high variability of the response of banks to erosional processes and the difficulty of measuring the intrinsic and systemic factors acting on bank erosion. The experimental protocol developed in this project for the study of the main variables that determine erosion bank, erosion rates and bank mechanisms in two tributaries of the Saint-Lawrence could be applied successfully to other rivers.

Les polygones à coin de glace sont très répandus dans la zone du pergélisol continu. Lorsque le ruissellement d’eau de fonte nivale s’infiltre de façon concentrée dans une cavité, il peut initier le processus de thermo-érosion du pergélisol (notamment des coins de glace) pouvant mener à la formation de ravins. Dans la vallée de Qalikturvik sur l’Ile Bylot (NU, Canada), le développement de ravins de thermo-érosion dans un milieu de polygones à coins de glace entraîne comme impact : i. la réorganisation des réseaux de drainage impliquant un assèchement des milieux humides en marge des chenaux d’érosion, ii. des variations dans le régime thermique et de l’humidité de proche-surface et iii. la prise en charge et le déplacement des sédiments vers l’extérieur du bassin-versant. L’objectif de cette thèse vise à approfondir les connaissances géomorphologiques propres au ravinement par thermo-érosion, d’examiner, caractériser et quantifier les impacts du ravinement (tel que sus-mentionné en i. ii. iii.) et le rôle de celui-ci dans une optique d’évolution du paysage périglaciaire à l’échelle temporelle de l’année à la décennie. Les ravins sont dynamiques : un ravin en particulier déclenché en 1999 et étudié depuis s’érodait à une vitesse de 38 à 50 m/a durant sa première décennie d’existence, pour atteindre une longueur totale de ~750 m et une surface érodée de ~25 000 m² en 2009. Des puits sont localisés près des zones de ravinement actives ; des levées alluviale, mares et polygones effondrés dans les zones stabilisées post-perturbation. Sur la terrasse de polygones recouvrant le plancher de la vallée au site à l’étude, 35 ravins furent identifiés et 1401 polygones furent perturbés avec 200 000 m³ de sols transportés. Une amélioration du drainage, une dégradation de la capacité de rétention de l’humidité, une transition d’un écoulement de ruissellement vers un écoulement canalisé caractérise les aires ravinées et leurs environs. Les polygones intacts sont homogènes d’un à l’autre et dans leurs centres ; les polygones perturbés ont une réponse hétérogène (flore, humidité et régime thermique). Les milieux érodés hétérogènes succèdent aux milieux homogènes et deviennent le nouvel état d’équilibre pour plusieurs décennies. / Ice wedges polygons are very common features characterizing continuous permafrost environments. When concentrated snowmelt runoff recurrently flows into opened frost cracks in ice wedges (or nearby depressions), thermo-erosion of permafrost leading to gullies can occur. In the valley of Qalikturvik on Bylot Island (NU, Canada), rapid development of gullies due to thermo-erosion processes in wet polygons exert the following: i. forced rerouting of drainage networks, changing moisture input in wetlands adjacent to a gullied channel; ii. variation in near-surface thermal regime and moisture; iii. erosion and displacement of thawed soils outside the watershed. The objectives of this thesis are to quantify and widen the understanding of the thermo-erosion gullying geomorphology, the related impacts (as aforementioned in i. ii. iii.) and the role of such erosion in the context of the periglacial landscape evolution on a short to medium timescale. In this study, gullies are active and dynamic: one gully triggered in 1999 (and monitored since then) elongated at a rate varying between 38 and 50 m/y during the first decade following its initiation. Its total length at the end of that decade (1999-2009) was ~750 m for an eroded surface of ~25 000 m². Sinkholes were exclusive to the active zone of a gully where alluvial levees and collapsed polygons were common in the stable zone. Thirty-five gullies were identified over the polygon terrace featuring the valley floor. 1401 polygons were consequently breached due to thermo-erosion resulting in 200 000 m³ of displaced soils and thawed permafrost. Gullied areas were characterized by improved drainage conditions, a reduced capacity to retain moisture and a transition from dominantly surface runoff toward channelized flow. Intact wet polygons were homogeneous between each other and in their center; disturbed polygons were heterogeneous (for moisture, thermal regime and vegetation) following a breach of at least one side. Wetland polygons, when disturbed due to gullying, evolve toward an heterogeneous landscape which will become the new equilibrium for that terrain for decades to come.