Les plages du littoral varois se sont progressivement réduites depuis la seconde moitié du XXème siècle et ne survivent le plus souvent que grâce à de coûteux rechargements. Dans ce contexte, la réponse du milieu et l’intensité du risque dépendent d’abord du soutien sédimentaire apporté par les fleuves côtiers. Cette étude a ainsi pour but de quantifier les apports terrigènes du Gapeau à son embouchure et ses plages limitrophes dans la rade d’Hyères durant des crues et tempêtes. Nous avons mesuré le transport solide dans le cours d’eau, utilisé des formules de transport théorique et analysé l’évolution événementielle et séculaire de la bande active et de la bathymétrie littorale. Il ressort de cette étude un important phénomène de rétraction et d’érosion qui touche l’ensemble du secteur depuis 1896 et une faiblesse des apports sédimentaires actuels. Les pertes sédimentaires annuelles moyennes estimées sur le littoral sont supérieures aux apports sédimentaires fluviaux annuels moyens. / The Var beaches have been gradually reduced during the second half of the twentieth century and they survive mostly thanks to costly artificial recharge. In this context, the response of the environment and the risk intensity depend primarily on the sedimentary support provided by the coastal rivers. This study looks to quantify the role of sediments transported by the Gapeau with particular reference to its mouth and neighbouring beaches during flood and storm events. We study the solid load measured in the river, theoretical transport equations in the literature and the evolution of the channel and Hyeres’s coastal bathymetry during the last century and during events. These analyses reveal important retraction and erosion that has impacted upon the area since 1896 and the current low sediment supply. The estimated average annual sediment losses along the coast are higher than the average annual river sediment supply.

Le processus d'érosion éolienne peut entraîner plusieurs conséquences environnementales: la désertification, la dégradation des sols, la pollution de l'air, etc. Cette dernière est liée aux émissions de particules de matériaux granulaires couramment trouvés sur des sites industriels tels que le minerai et le charbon. La distribution granulométrique de ces matériaux consiste habituellement en un mélange d'une large gamme de diamètres, qui comprennent des particules plus grosses qui ne sont pas érodables même avec de fortes rafales de vent. Les particules non érodables jouent un rôle protecteur pour les particules érodables, en recouvrant la surface et en réduisant ses émissions. L'objectif principal de cette thèse est d'estimer plus précisément les émissions dues à l'érosion éolienne compte tenu de l'influence du pavage causée par des particules non érodables. Un modèle analytique a été proposé pour quantifier les émissions des lits de particules et des tas de stockage avec une large distribution granulométrique. Les effets du processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse de frottement moyenne sur la surface érodable puisque les particules non érodables s'accumulent. Des travaux antérieurs ont défini une relation mathématique entre l'évolution de la vitesse de frottement sur la surface érodable et la géométrie des éléments de rugosité. Néanmoins, l’equation n'est valable que pour des taux de couverture de particules non érodables limités. Des simulations numériques ont été effectuées dans ce travail pour étendre cette relation afin d'inclure d'autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec de plus grandes quantités de particules non érodables). Le modèle d'émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la vitesse de frottement (à laquelle les émissions cessent), en tirant parti des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui fournit à son tour la masse émise. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin de mieux comprendre le phénomène de pavage et estimer les émissions d'un lit de particules contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats expérimentaux ont également été utilisés pour valider la modélisation, y compris la masse émise globale et les caractéristiques finales de la surface du lit. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et modélisés pour les émissions globales et la profondeur de lit érodé. Le modèle d'érosion a été étendu pour l'application dans les tas de stockage. Dans ce cas, l'érodabilité des particules est plus complexe, puisque la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. L'idée du modèle était de subdiviser le tas en isosurfaces dans lesquelles les conditions de seuil et la vitesse de frottement sont constantes, et traiter chacune de ces zones comme une source différente où le modèle d'émission peut être appliqué. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin d'estimer les émissions d'un tas de sable contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats modélisés et expérimentaux ont été comparés pour la configuration d'un tas isolé et un bon accord a été trouvé entre la masse émise estimée et mesurée. L'impact de la présence d'un bâtiment et d'un tas de stockage parallèle successif sur l'émission globale de particules a également été évalué. Des expériences en soufflerie et des simulations numériques ont été effectuées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de: (i) l'orientation du vent, (ii) la vitesse du vent, (iii) la distance entre l'obstacles et (iv) la quantité de particules non érodables. Il a été constaté que les interférences de l'écoulement entre les obstacles augmentent les émissions. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact significatif et doivent être prises en compte dans l'estimation et la modélisation des émissions de poussières. / Wind erosion process can lead to several environmental consequences: desertification, land degradation, air pollution, etc. This last one is related to particulate matter emissions from granular materials commonly found on industrial sites, such as ore and coal. The particle size distribution of these granular materials usually consist of a mixture of a wide range of diameters, which include larger particles that are non-erodible even with strong gusts of wind. The non-erodible particles play a protective role for erodible particles, paving the surface and reducing emissions. The main objective of this thesis is to estimate more accurately emissions due to wind erosion considering the influence of the pavement caused by non-erodible particles. An analytical model was proposed to quantify emissions from particle beds and stockpiles with a wide size distribution. The effects of pavement process are incorporated in the model through the decrease of the mean friction velocity on the erodible surface as the non-erodible particles accumulate. Previous works have defined a mathematical relation between the evolution of the friction velocity over the erodible surface and the geometry of the roughness elements. Nonetheless, the formulation was only valid to limited cover rates of non-erodible particles. Numerical simulations were carried out in this work to extend the formulation in order to include other cases encountered in real situations (with larger amounts of non-erodible particles). The proposed emission model describes the relationship between the minimum value of friction velocity (at which emissions cease), taking advantage of the numerical findings, and the final eroded depth of the bed, which in turn, provides the emitted mass. Wind tunnel experiments were carried out in order to better understand the pavement phenomenon and estimate emissions from a bed of particles containing a bimodal size distribution. The experimental results were also used to validate the modeling, including the global emitted mass and the final characteristics of the bed surface. A good agreement was found between experimental and modeled results for the global emissions and the bed eroded depth. The erosion model was extended for application in stockpiles. In this case, the erodibility of the particles is more complex as the friction velocity and the threshold conditions are not spatially homogeneous. The idea of the model was to subdivide the pile in isosurfaces in which the threshold conditions and the friction velocity are constant and then treat each one of these areas as a different source where the emission model can be applied. Wind tunnel experiments were carried out in order to estimate emissions from a sand pile containing a bimodal size distribution. The modeled and the experimental results were compared for the configuration of an isolated stockpile and a good agreement was found between the estimated and the measured emitted mass. The impact of the presence of a building and a successive parallel stockpiles on the overall particles emission was also evaluated. Wind tunnel experiments and numerical simulations were carried out for several configurations evaluating the effects of: (i) main wind flow orientation, (ii) wind flow velocity, (iii) gap between the obstacle and (iv) amount of non-erodible particles. It was found that the flow interferences between the obstacles increase emissions. Therefore, all wind perturbations have a significant impact and have to be accounted in dust emission estimation and modeling. / O processo de erosão eólica pode levar a várias consequências ambientais: desertificação, degradação da terra, poluição do ar, etc. Esta última está relacionada com as emissões de partículas provenientes de materiais granulares comumente encontrados em indústrias, como minério e carvão. A distribuição granulométrica destes materiais normalmente consiste em uma mistura com uma ampla gama de tamanhos, incluindo partículas maiores que não são erodíveis mesmo com fortes rajadas de vento. As partículas não erodíveis desempenham um papel protetor para as partículas erodíveis, pavimentando a superfície e reduzindo as emissões. O objetivo principal desta tese é estimar com maior acurácia as emissões devidas à erosão eólica considerando a influência da pavimentação causada pelas partículas não-erodíveis. Um modelo analítico foi proposto para quantificar as emissões de leitos de partículas e pilhas com ampla distribuição granulométrica. Os efeitos do processo da pavimentação são incorporados no modelo por meio da diminuição da velocidade de fricção média na superfície erodível à medida que as partículas nãoerodíveis se acumulam. Trabalhos anteriores definiram uma relação matemática entre a evolução da velocidade de fricção na superfície erodível e a geometria dos elementos rugosos. No entanto, a formulação é válida apenas para limitadas taxas de cobertura de partículas não-erodíveis (< 12%). Simulações numéricas foram realizadas neste trabalho para estender a formulação de modo a incluir outros casos encontrados em situações reais (com maiores quantidades de partículas nãoerodíveis). O modelo de emissão proposto descreve a relação entre o valor mínimo da velocidade de fricção (para qual as emissões cessam), utilizando os resultados numéricos, e a profundidade final erodida do leito, que, por sua vez, fornece a massa emitida. Experimentos em túnel de vento foram realizados para melhor compreender o fenômeno da pavimentação e estimar as emissões de um leito de partículas contendo uma distribuição granulométrica bimodal. Os resultados experimentais foram também utilizados para validar a modelagem, incluindo a massa global emitida e as características finais da superfície do leito. Uma boa concordância foi encontrada entre os resultados experimentais e modelados para as emissões globais e a profundidade erodida do leito. O modelo de erosão foi estendido para aplicação em pilhas de estocagem. Neste caso, a erodibilidade das partículas é mais complexa, uma vez que a velocidade de fricção e as condições de limiar não são espacialmente homogêneas. A ideia do modelo é subdividir a pilha em isosuperfícies em que as condições de limiar e a velocidade de fricção são constantes e, em seguida, tratar cada uma dessas áreas como uma fonte diferente onde o modelo de emissão pode ser aplicado. Foram realizados ensaios experimentais em túnel de vento para estimar as emissões de uma pilha de areia contendo uma distribuição de tamanho bimodal. Os resultados experimentais e modelados foram comparados para a configuração de uma pilha isolada (orientada 60 e 90° em relação a direção do escoamento) e uma boa concordância foi encontrada entre a massa estimada e a emitida. O impacto na emissão da presença de um edifício e de uma pilha de estocagem sucessiva também foi avaliado. Experimentos em túnel de vento e simulações numéricas foram realizados para várias configurações avaliando os efeitos de: (i) orientação do vento, (ii) velocidade do vento, (iii) espaçamento entre os obstáculos e (iv) quantidade de partículas não erodíveis. Verificou-se que as interferências do escoamento entre os obstáculos aumentam as emissões. Portanto, todas as perturbações no escoamento têm um impacto significativo e devem ser contabilizadas na estimativa e modelagem de emissões de partículas.

Résumé : La dégradation des sols est un processus qui affecte les terres agricoles de la majorité des pays du monde. L'érosion hydrique est d'ailleurs le phénomène de dégradation des sols le plus apparent mais aussi le plus sous-estimé par les agriculteurs. L'objectif de cette recherche est donc d'intégrer à un système d'information géographique (S.I.G.) les facteurs de l'équation universelle des pertes de sol (U.S.L.E.) afin de modéliser les pertes de sol dues à l'érosion hydrique. Cette méthodologie a été appliquée sur un secteur agricole d'environ 500 km2 situé dans les Cantons de l'Est (sud du Québec). Une image satellite HRV de SPOT nous a permis de cartographier l'utilisation du sol. Du modèle numérique d'élévation (M.N.É.) nous avons dérivé la pente et de la longueur de pente nécessaires au calcul du facteur de topographie. Finalement, à la carte pédologique numérisée, nous associons les indices d'érodabilité de chacun des types de sol mesurés à l'aide d'un simulateur de pluie. L'utilisation d'outils modernes et flexibles tels la télédétection et les systèmes d'information géographique (S.I.G.) nous a permis d'améliorer la rapidité de calcul des pertes de sol afin de couvrir de plus vastes territoires. Nous pourrons ainsi contribuer à déterminer plus rapidement et adéquatement des moyens pour corriger la situation avant que les sols les plus sensibles ne deviennent infertiles. Pour l'ensemble du territoire à l'étude, nous avons obtenu des pertes totales de sol de 791 tonnes métriques/an. Elles sont réparties comme suit: 24 Van pour la forêt, 95 Van pour les cultures et 672 t/an pour les secteurs de sol nu. De plus, on observe que 84,96% des pertes de sols se retrouvent sur les sols nus qui ne représentent que 7,35% du territoire. Les forêts qui couvrent 66,09% du territoire n'obtiennent que 3,03 % des pertes totales de sol.||Abstract : Soil degradation is a process that affects croplands in all countries around the word. Water erosion is the most frequently observed process involved in soil degradation but also the less well known by farmers. The purpose of this study is to integrate into a geographical information system (G.I.S.) the universal soil loss equation (U.S.L.E.) factors to estimate soil losses due to water erosion. This methodology was applied in an agricultural region of 500 km2 in the Eastern Townships (southern Quebec). A HRV SPOT satellite image was used to determine land use. From the digital elevation model (D.E.M.) we derived the slope and slope length required to calculate the topographic factor (LS factor). Finally, we added to the G.I.S. the digitized soil map units with their soil erodibility based on rainfall simulator measurements. The use of modern and flexible tools like remote sensing and geographical information systems (G.I.S.) allowed us to increase calculation speed of soil loss to cover more territoriy. This method will also contribute to determine more quickly and adequately the solutions to correct the situation before the more sensitive soils become unfertile. For all our study area, we obtained a total soil loss of 791 metric tons/year. These are divided as follows: 24 t/an for forest, 95 t/an for crops and 672 t/an for bare soils. We also observe that 84,96% of soil losses were found on bare soils that represent only 7,35% of the territory. Forests that cover 66,09% of the territory represent only 3,03 % of the total soil losses.

Les mécanismes élémentaires mis en jeu lors de l’érosion de surface d’un sol cohésif par un écoulement fluide demandent à être mieux connus dans le but d’améliorer la modélisation locale de l’érosion. En se basant sur une approche expérimentale, l’objectif de cette thèse vise à réaliser une étude paramétrique de l'érosion à l'aide de matériaux modèles, pour ensuite les soumettre à des sollicitations hydrodynamiques et mécaniques contrôlées. L'étude de matériaux granulaire sans cohésion a d'abord permis d'analyser la construction du nombre de Shields pour définir le seuil d'érosion. Ensuite, des essais de traction à différentes échelles ont permis de généraliser le nombre de Shields à des grains cohésifs par la relation entre seuil d'érosion et résistance mécanique. La mise au point de matériaux et d'essais d'érosion iso-indice a également permis de visualiser les mécanismes par lesquels l'écoulement conduit à l’arrachement de particules constitutives du matériau modèle lors d'essais de JET et de HET. Pour finir, d'autres types de matériaux cohésifs modèles ont été plus rapidement étudiés et révèlent de grandes perspectives d'études. / Elementary mechanisms involved during the surface erosion of a cohesive soil by a fluid flow ask to be better understood for improving the local modeling of erosion. It is the objective of this thesis which aims, by an experimental approach, at working out model materials to submit them to hydrodynamic stresses and controlled mechanic stresses. The study of cohesion-less granular material allowed, in a first approach, to analyse the Shields number formulation to define the erosion threshold. In a second time, the grains have been made cohesive with liquid or solid matrix, and mechanical tests at different scales allowed to generalise the Shields number to both cohesive and non-cohesive particles. The development of erosion tests adjusted in optical index also made possible to visualised the mechanisms by which the fluid flow erode the constitutive particles of the material during Jet Erosion Tests and Hole Erosion Tests. Finally, different kinds of cohesive model materials were tested and show excellent perspectives.

L'érosion hydrique constitue un phénomène complexe très répandu en contexte méditerranéen du fait d'une combinaison de facteurs souvent défavorables. Elle constitue une menace pour les potentialités en eau et en sol de ces régions. Si les facteurs déterminants de l'érosion hydrique sont aujourd'hui bien identifiés, la hiérarchie des processus en jeu en fonction des échelles d'espace et de temps est encore très mal connue. Les sols vertiques, qui occupent des surfaces importantes dans la région Méditerranéenne, apportent un degré supplémentaire de complexité du fait de la forte dynamique structurale de ces sols. Dans ce contexte, cette étude cherche à mieux appréhender la variabilité spatio-temporelle des processus et facteurs affectant les transferts latéraux d’eau et de sédiments dans un bassin versant agricole dominés par les vertisols. Pour cela, 7 années de mesures (2005-2012) des ruissellements et transferts de matières en suspension au sein du bassin versant de Kamech (ORE OMERE, 263 ha, Cap Bon, Tunis) ont été analysées au niveau de 4 stations hydrologiques: 1/ l'exutoire d'une parcelle (1,32 ha) ; 2/ l'exutoire d'une ravine (0,17 ha) alimentée par une parcelle de 1,20 ha ; 3/ l'exutoire du versant (15,2 ha) intégrant les deux stations précédentes, et 4/ la station de l’oued (175 ha) située dans le drain principal alimentant la retenue de Kamech. L’analyse des données a permis de mettre en évidence le rôle majeur des fentes de retrait sur la dynamique saisonnière des flux hydro-sédimentaires avec comme résultat un décalage entre le pic de flux de sédiments observé entre octobre et décembre et le pic de flux de ruissellement observé entre décembre et mars, et ce quel que soit l’échelle spatiale considérée. Les données expérimentales ont également permis de mettre en évidence une légère augmentation du ruissellement moyen annuel avec l’accroissement de l’échelle spatiale avec 95 mm/an pour la parcelle, 105 mm/an pour la ravine et 120 mm/an pour le versant. Cette augmentation peut s'expliquer par l'apparition de petites surfaces moins infiltrantes lorsque l'on passe de la parcelle aux autres stations. Les différences de taux d'érosion moyens annuels observées entre les échelles spatiales ont pu être été expliquées par un simple modèle linéaire combinant un taux unique d'érosion des surfaces cultivées (17 t ha-1 an-1) et un taux unique d'érosion ravinaire (80 t ha-1 an-1), pondérés par les surfaces respectives de ces deux éléments. La technique de traçage des sources de sédiments mise en place sur des sédiments prélevés au cours de quelques crues au niveau des différentes stations a permis de montrer que la contribution des processus responsables du transfert de sédiments était relativement stable au cours de l'année. L’application de la fonction de production de Morel-Seytoux a permis de reproduire les hydrogrammes mesurés à la parcelle pour la plupart des crues, indépendamment de la présence ou non des fentes de retrait. Par contre l’évolution des deux paramètres de ce modèle (conductivité hydraulique à saturation et facteur de stockage et de succion) en fonction de la présence des fentes de retrait, de l’état de surface du sol et du degré d’humidité reste à modéliser. Ce travail permet de conclure que le bassin versant de Kamech est caractérisé par une très forte connectivité hydro-sédimentaire, que les processus d’érosion diffuse y prédominent et que les actions de lutte anti-érosive doivent être ciblées avant tout au niveau des parcelles agricoles avec une attention particulière pour la période d’octobre à décembre. Ce travail a également permis de mettre en évidence le rôle déterminant des fentes de retrait sur la dynamique hydro-sédimentaire des bassins sur sol vertique et la nécessité de poursuivre l’étude de leur impact pour des fins de modélisation et d’aide à la gestion de ces milieux. / As one of the major types of land degradation, soil erosion by water induced large-scale environmental deterioration and declines in land productivity, especially in the Mediterranean area. If water erosion factors are now well known, the complex hierarchy of erosion processes over a wide range of spatial and temporal scales still needs to be studied. Shrink–swell soils that are widespread under Mediterranean climate, imply additional changes in terms of hydrological and erosive responses in relation to the changing soil water conditions. In this context, this study aims to better understand the processes and factors affecting the lateral transfers of water and sediments in an agricultural catchment dominated by vertisols under a range of spatial and temporal scales. A detailed monitoring investigation was conducted in the Kamech catchment (ORE OMERE, Tunisia) that includes continuous runoff and suspended sediment load measurement between 2005 and 2012 at the outlet of a four hydrological gauging stations: 1/ a plot (1.32 ha), 2/ a gully (0.17 ha) in which drains a 1.20 ha plot; 3/ a micro-catchment (15.2 ha) integrating the two previous stations and 4/ the oued station (175 ha) located in the main drain just upstream the Kamech reservoir. Data analysis showed that topsoil cracks appeared to seriously affect the seasonal dynamics of water and sediment delivery whatever the considered spatial scale. A similar time lag in the seasonality between water and sediments delivery was observed: although the runoff rates were globally low during the presence of topsoil cracks in autumn, most sediment transport occurred during this period because of very high sediment concentrations. Mean annual runoff proved to slightly increase with the scale area with 95 mm/year for the plot, 105 mm/ year for the gully and 120mm/year for the micro-catchment station. Increase of area with low infiltration capacity when moving from plot to micro-catchment has been identified as a major explanation of this increase. A simple linear model combining a single rate of topsoil erosion (17 t ha-1 yr-1) and a single rate of gully erosion (80 t ha-1 yr-1) -weighted by their respective surface area- has successfully reproduced the differences observed in the mean annual erosion rates between the spatial scales. The sediment fingerprinting method applied on sediments collected during four flood events at the different stations showed that the apportionment of the processes responsible for the transfer of sediments was relatively stable during the year. The application of the Morel-Seytoux infiltration model has allowed reproducing runoff measured at the parcel outlet for most of the events, whatever the presence of cracks or not. However, the evolution of the two parameters in this model (the saturated hydraulic conductivity and the storage-suction factor) as a function of the presence of the cracks, of the soil surface conditions and of the degree of humidity still need to be modelled. This work allows concluding that the Kamech catchment is characterized by a very high hydro-sedimentary connectivity and a predominance of topsoil erosion processes and that the implementation of erosion control measures should incentivize farming conservation practices focusing especially on the autumn period. This work also highlights the crucial role of the cracks on the catchment runoff and sediment dynamics in Mediterranean vertisol context and the need to better understand and model both the runoff and soil erosion processes associated with cracking soils environment.

L'écoulement d'un fluide au-dessus d'un lit granulaire peut provoquer son érosion lorsque la contrainte exercée dépasse une valeur seuil. La présence d'un obstacle immergé dans l'écoulement induit une perturbation, entraînant une survitesse locale du fluide et une plus grande contrainte. L'érosion est alors localement renforcée, phénomène également appelé affouillement. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cette situation d'érosion complexe à l'échelle du laboratoire. Nous nous intéressons en particulier à la question du seuil d'affouillement, c'est-à-dire la vitesse d'approche du fluide minimale nécessaire à l'apparition de l'érosion au voisinage de l'obstacle. Ce faisant, nous observons que deux motifs d'érosion différents peuvent se développer au voisinage d'un obstacle : si le classique affouillement en fer à cheval au pied de l’obstacle domine aux vitesses d'écoulement élevées, on observe pour des vitesses plus faibles un nouveau motif en aval, que nous appelons affouillement en oreilles de lapin. Les seuils d'apparition de ces deux motifs d'érosion sont mesurés visuellement pour différents grains et obstacles. En complément de ces observations, nous utilisons une technique de relevé topographique par profilométrie laser. Le suivi temporel de la topographie du lit au cours du processus d'affouillement nous permet de caractériser la morphologie des deux types de motifs, et de comprendre la compétition entre leurs dynamiques d'apparition par la mesure des temps caractéristiques de formation. L'affouillement en oreilles de lapin est dans la plupart des cas perturbé dans son développement par la formation plus rapide de l'affouillement en fer à cheval. L'étude de l'écoulement, s'appuyant notamment sur des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV), nous renseigne sur les contraintes exercées par le fluide sur les grains, avec ou sans obstacle. Nous pouvons ainsi expliquer les valeurs de seuil d'apparition mesurées pour les deux motifs d'affouillement, qui sont associés à différentes structures de l'écoulement. / Erosion occurs when a fluid flowing over a granular bed exerts a large enough shear stress. When the fluid encounters an obstacle, the modification of the flow leads to a local over speed, and thus on an increase of the shear stress in the vicinity of the obstacle. As a result, the erosion is locally enhanced and is called scouring. In this work, we investigate this complicated situation experimentally at the laboratory scale. In particular, we address the question of the scouring threshold, i.e., the minimum critical approach velocity of the fluid leading to erosion in the vicinity of the obstacle. We report the existence of two different scouring patterns: the traditional horseshoe scour at the base of the obstacle, which dominates at large flow velocities, and we also highlight another scouring pattern downstream, which is called rabbit ear scour, at moderate speeds. We determine the onset of both erosion patterns visually using different grains and obstacles. Besides, we measure the bed topography over time using a laser profilometer. By monitoring the bed topography during the scouring process, we characterize the morphology of both scouring patterns and rationalize their competitive dynamics by measuring their formation timescale. In most cases, the rabbit ear scour development is inhibited by the faster horseshoe scour growth. The characterization of the flow using Particles Image Velocimetry (PIV), provides information on the shear stress exerted by the fluid flow on the grains, with and without obstacle. We can thus rationalize the threshold values for both scouring patterns, associated with different flow structures.

Depuis plusieurs années, la renouée du Japon (Reynoutria japonica s.l.) est suspectée, sans preuve convaincante, d’accélérer l’érosion des berges des rivières. Les tiges de cette plante exotique envahissante meurent suite aux premiers gels automnaux, ce qui laisserait le sol sans protection lors des crues printanières. Au Québec, l’érosion des berges peut aussi être accentuée par les débâcles de glace. On a évalué l’influence de la renouée sur l’érosion des berges de la rivière Etchemin (Chaudière-Appalaches, Québec) en contexte de crues avec glaces. L’élévation le long de 120 profils transversaux de berges envahies ou non par la renouée a été mesurée avant et après la crue printanière de 2019. Il y avait en moyenne 3 cm de plus d’érosion (perte d’épaisseur du sol) dans les berges occupées par la renouée que dans celles sans renouée. L’érosion mesurée a probablement été particulièrement prononcée en 2019 en raison de la crue printanière qui fut exceptionnellement élevée cette année-là. L’érosion des berges et la crue des eaux favorisent la dissémination de la plante le long de la rivière Etchemin : les fragments de rhizomes arrachés par milliers lors de la crue sont transportés par l’eau et la glace, puis déposés un peu plus loin vers l’aval, sur les rives et la plaine inondable. Certains s’enracinent et forment de nouveaux clones, ce qui contribue à l’invasion des berges qui se poursuit localement sans interruption depuis 2003 (+ 813 % en superficie de rive occupée entre 2003 et 2018). Au fil des ans, les clones deviennent plus nombreux et étendus, ce qui engendre des pertes de sol plus importantes lors des crues, mais aussi un nombre de fragments plus élevé.

La construction d'infrastructures de transport dans les régions arctiques et subarctiques est confrontée à des problèmes uniques que l'on ne rencontre pas lors des pratiques d'ingénierie en régions tempérées (Muller, 2008). Un remblai agit comme un long barrage où l'écoulement naturel de l'eau doit être redirigé vers des fossés et des ponceaux, mais cette pratique couramment utilisée dans le sud peut entraîner d'importantes instabilités du sol dans le nord. Selon McGregor et al. (2010), la modification de l'écoulement des eaux de surface est susceptible de modifier le régime thermique du sol, de déclencher la dégradation du pergélisol et même la détérioration des remblais routiers. Les impacts à court et à long terme sur le régime thermique du pergélisol des systèmes de drainage actuellement utilisés avaient été peu documentés jusqu'à présent et il y avait donc un grand besoin de développer une nouvelle approche pour le contrôle de l'advection et de l'érosion thermique. Ce projet de doctorat avait pour objectif principal le développement de nouvelles stratégies, méthodes et outils de conception en ingénierie du drainage afin d'atténuer les problèmes de dégradation du pergélisol résultant de l'écoulement de l'eau le long et sous les infrastructures de transport. Grâce à de nombreuses observations et analyses de données de terrain, ce projet de recherche a réussi à améliorer les connaissances sur le rôle clé de l'écoulement de l'eau dans le transfert de chaleur vers les sols gelés, sur l'érosion thermique et sur la performance des systèmes de drainage routier construits dans le pergélisol. Cette recherche est également innovante puisque la contrainte de cisaillement critique d'un silt gelé et partiellement gelé a été évaluée pour la première fois avec un dispositif d'érosion. Dans le cadre de la recherche, des abaques de conception d'ingénierie ont été développées : 1) pour obtenir le débit admissible limitant l'érosion thermique dans les fossés de drainage en fonction de la contrainte de cisaillement critique du sol et 2) pour limiter l'advection de chaleur par l'écoulement souterrain le long et sous les infrastructures de transport en utilisant le nombre de Peclet adapté aux sols. Les outils de conception de drainage ont été validés à l'aide de données d'études antérieures menées sur le site d'essai de Beaver Creek au Yukon et ont été appliqués aux conditions de trois sites d'essai supplémentaires (Ilulissat, Yukon et Salluit). Ce projet de doctorat est le premier à fournir des outils de conception pour les systèmes de drainage en régions de pergélisol, ce qui constitue une grande avancée dans l'ingénierie des régions froides. / Engineering construction in arctic and subarctic regions faces unique problems not encountered in engineering practices in temperate regions (Muller, 2008). A road embankment acts as a dam spanning a long distance where the natural flow of water must be redirected to ditches and culverts along the way, but this commonly used practice in the south can lead to important soil instabilities in the north. According to McGregor et al. (2010), altering the surface water pattern is likely to alter the ground thermal regime, trigger permafrost degradation and even deterioration of road embankments. The short and longterm impacts on permafrost caused by drainage systems currently used in northern regions had been little documented until now and there was a need to develop a common approach to advection and thermal erosion control. This PhD project aimed to develop new strategies, methods, and engineering drainage design tools to mitigate permafrost degradation issues resulting from water flow along and underneath transportation infrastructure. Through numerous field observations and data analyses, this research project successfully improved knowledge on the key role of water flow in heat transfer to frozen soils, on thermal erosion and on road drainage systems performance build in permafrost. This research is also innovative since the important parameter controlling erosion, the critical shear stress, was assessed for a frozen and partially frozen silt for the first time with an erosion device. As part of this research, design charts were developed: 1) to obtain the allowable flow limiting thermal erosion in drainage ditches based on the soil critical shear stress and 2) to limit heat advection by subsurface flows along and underneath transportation infrastructure using the Peclet number adapted for soils. The drainage design tools developed were validated using observations and data from previous studies conducted at the Beaver Creek road test site in the Yukon and were applied to the conditions of three additional test sites located in Ilulissat (Greenland), near the Alaska-Yukon Border and in Salluit (Nunavik) where the ground is known to be sensible to permafrost degradation and thermal erosion. This PhD project is the first to provide design tools for drainage systems build in permafrost regions which is a great advancement in cold regions engineering.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but de mieux définir et quantifier lesprocessus d'érosion actuels en domaine glaciaire et proglaciaire. Le Glacier des Bossons,situé dans le massif du Mont-Blanc (Haute-Savoie, France), est un bon exemple de systèmenaturel non anthropisé permettant d'étudier cette thématique. Il repose sur deux lithologiesprincipales (le granite du Mont-Blanc et le socle métamorphique) et cette singularitépermettra de déterminer l'origine des sédiments glaciaires. Afin de comprendre lesmécanismes d'érosion mécanique et de transport particulaires en domaine glaciaire, lessédiments ont été prélevés à la surface du glacier, sous le glacier et dans les torrents sousglaciaires.L'étude des distributions granulométriques et des provenances des sédiments a étéeffectuée par une analyse lithologique à macro-échelle (à l'oeil nu) et géochimique à microéchelle(datation U-Pb sur zircons). Elles ont permis de préciser les caractéristiques del'érosion et du transport glaciaire. (1) la charge supra-glaciaire issue de l'érosion des versantsrocheux est essentiellement composée de sédiments grossiers et ne se mélange pas ou peu à lacharge sous-glaciaire, excepté au niveau de la langue terminale ; (2) les vitesses d'érosionsous-glaciaire ne sont pas homogènes, l'érosion sous la glace tempérée (0,4-0,8mm.an-1) estau moins seize fois supérieure à celle sous la glace froide (0,025-0,05mm.an-1) ; (3) lessédiments sous-glaciaires contiennent une fraction silteuse et sableuse résultant des processusd'abrasion et de crushing qui est évacuée par les torrents sous-glaciaires. L'acquisition hauterésolutiontemporelle de données hydro-sédimentaires durant la saison de fonte entre le 5 Maiet le 17 Septembre 2010 a permis de définir le comportement saisonnier des fluxhydrologiques et sédimentaires. La majeure partie des flux détritiques est concentrée sur lasaison de fonte, et une quantification de la quantité de sédiments exportés par le torrent desBossons complétée par une mesure régulière de l'évolution de la topographie du systèmefluvio-glaciaire permet d'effectuer un bilan global de l'érosion des domaines glaciaires etproglaciaires. Au cours de l'année 2010, près de 3000 tonnes de sédiments ont été érodés dont430 tonnes se sont déposeés sur le plan des eaux. Grâce à une analyse de l'évolution desconcentrations de matières en suspension en entrée et en sortie de la plaine alluviale fluvioglaciairedu torrent des Bossons, les composantes glaciaires et non-glaciaires de l'érosion ontpu être découplées. L'érosion des moraines dénudées encadrant le plan des eaux au cours desévénements orageux est responsable au minimum de 59% du flux de sédiments transporté parle torrent des Bossons, l'érosion glaciaire (41% du flux) est donc relativement moins efficace.L'évolution à long terme des systèmes glaciaires en période de réchauffement climatiquemontrerait donc une érosion soutenue des environnements proglaciaires (versants et moraines)récemment libéré des glaces et de ce fait une intensification des flux détritiques. Le glacierdes Bossons protège le sommet du Mont-Blanc, l'érosion différentielle entre les zones sous laglace et non-glaciaires pourrait mener à un accroissement de la différence d'altitude entre lesvallées et les sommets.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.