Ce travail s'intéresse aux altérations des systèmes fluviaux et à leur modélisation à une échelle de temps intermédiaire, de l'ordre de quelques décennies, et à l'échelle spatiale de bassins versants étendus et complexes. Une revue de la littérature montre que cette question reste principale chez les géomorphologues. Elle permet de dégager les constantes des différents modèles conceptuels qui ont été développés et en particulier i) la dépendance aux conditions hydrologiques et aux conditions d'alimentation solide, ii) la réaction du système pour s'adapter en cas d'altération de ces conditions, et iii) la propagation de ces perturbations avec une atténuation progressive vers l'aval du bassin versant. Nous avons choisi d'étudier plus particulièrement les perturbations introduites par les aménagements hydroélectriques à l'échelle du bassin versant en développant un modèle conceptuel, basée sur une description volontairement limitée des altérations hydrologiques et d'alimentation solide, et sur la connaissance experte pour la prédiction de l'évolution de la morphologie des rivières alluviales. L'objectif est la détermination des trajectoires d'évolution de variables représentatives de la morphologie de la rivière qui les font évoluer d'un état d'équilibre dynamique à un autre. Nous avons testé ce modèle sur une représentation du bassin versant de l'Isère à l'amont de Grenoble (5818 km2) en intégrant une description du schéma complexe d'aménagements hydroélectriques construits dans la deuxième moitié du XXème siècle. La modélisation donne des résultats cohérents avec les observations du système mais qui sont limitées par les hypothèses fortes d'un équilibre initial du système fluvial et de l'unicité de l'origine des perturbations. En dernière partie, nous ébauché le développement d'un modèle numérique simplifié destiné à prendre en compte la période de transition entre les états d'équilibre dynamique. Ce modèle permet d'évaluer la durée de la période transitoire d'un tronçon de rivière et de valider l'utilisation du concept de débit morphogène qui est fait dans le modèle conceptuel des équilibres dynamiques. Ce modèle permet de simuler la superposition d'altérations mais, dans l'état actuel, il ne permet pas de modéliser la cinétique de la propagation des altérations amont vers l'aval du bassin versant. Mots-clés : morphologie fluviale, bassin versant, régime hydrologique, apports sédimentaires, aménagements hydroélectriques, trajectoires de ajustements, cinétique de évolution du lit.

Ce travail s'intéresse aux altérations des systèmes fluviaux et à leur modélisation à une échelle de temps intermédiaire, de l'ordre de quelques décennies, et à l'échelle spatiale de bassins versants étendus et complexes. Une revue de la littérature montre que cette question reste principale chez les géomorphologues. Elle permet de dégager les constantes des différents modèles conceptuels qui ont été développés et en particulier i) la dépendance aux conditions hydrologiques et aux conditions d'alimentation solide, ii) la réaction du système pour s'adapter en cas d'altération de ces conditions, et iii) la propagation de ces perturbations avec une atténuation progressive vers l'aval du bassin versant. Nous avons choisi d'étudier plus particulièrement les perturbations introduites par les aménagements hydroélectriques à l'échelle du bassin versant en développant un modèle conceptuel, basée sur une description volontairement limitée des altérations hydrologiques et d'alimentation solide, et sur la connaissance experte pour la prédiction de l'évolution de la morphologie des rivières alluviales. L'objectif est la détermination des trajectoires d'évolution de variables représentatives de la morphologie de la rivière qui les font évoluer d'un état d'équilibre dynamique à un autre. Nous avons testé ce modèle sur une représentation du bassin versant de l'Isère à l'amont de Grenoble (5818 km2) en intégrant une description du schéma complexe d'aménagements hydroélectriques construits dans la deuxième moitié du XXème siècle. La modélisation donne des résultats cohérents avec les observations du système mais qui sont limitées par les hypothèses fortes d'un équilibre initial du système fluvial et de l'unicité de l'origine des perturbations. En dernière partie, nous ébauché le développement d'un modèle numérique simplifié destiné à prendre en compte la période de transition entre les états d'équilibre dynamique. Ce modèle permet d'évaluer la durée de la période transitoire d'un tronçon de rivière et de valider l'utilisation du concept de débit morphogène qui est fait dans le modèle conceptuel des équilibres dynamiques. Ce modèle permet de simuler la superposition d'altérations mais, dans l'état actuel, il ne permet pas de modéliser la cinétique de la propagation des altérations amont vers l'aval du bassin versant. Mots-clés : morphologie fluviale, bassin versant, régime hydrologique, apports sédimentaires, aménagements hydroélectriques, trajectoires de ajustements, cinétique de évolution du lit. / Abstract This work focuses on the geomorphological dynamics of a river system and the modelling of these changes over a medium time scale (the order of a few decades) and a large watersheds spatial scale (the order of 5000 km2). A literature review shows that this subject is one of the main issues in fluvial geomorphology today. It reveals the constants of different conceptual models that have been developed and in particular i) the dependence of geomorphological dynamics on hydrological flow regime and sediment supply conditions, ii) the ability of the system to adapt, in case of alteration in hydrological flow regime and sediment supply, and iii) the spread of these disturbances with the gradual attenuation of the effect of alteration downstream. In particular, we chose to study the effect of disturbances introduced by hydroelectric structures on the river morphology at the watershed scale by developing a conceptual river morphology model. The model outline was based on a, deliberately limited, description of hydrological regime and -sediment supply alterations, and on expert knowledge to predict the morphological evolution in alluvial rivers. The objective of this work was to determine the direction of evolution trajectories of the river morphology, trough representative variables that evolve from one dynamic equilibrium state to another. We tested the model on a representation of the Isère watershed, upstream of Grenoble, France (5818 km2), incorporating a description of the complex pattern of hydropower structures, built during the second half of the XXth century. The modelled changes in river morphology give results that are consistent with the observations. However, the model is limited by two strong assumptions: i) the initial equilibrium of the system and ii) the synchronisation of the disturbances. In the final section, we described the development of a simplified numerical model which aims to take into account the transient period between the dynamic equilibrium states. This model is used to evaluate the duration of the relaxation period for a river reach and validate the use of the channel-forming discharge concept that was used in the conceptual model. The model simulates the overlay of the disturbances, but in the current state it is not capable of modelling the kinetic propagation of the disturbances downstream into the watershed. fluvial morphology, watershed, hydrological flow regime, sediment supply, hydropower structures

Les contaminants, dissouts ou adsorbés sur les particules, sont principalement délivrés au milieu marin par les fleuves. La dynamique sédimentaire constitue alors un proxy de la dynamique de ces contaminants. Cette thèse s'inscrit dans le projet ANR AMORAD, et se focalise sur la dynamique du matériel particulaire délivré par le Rhône au Golfe du Lion (Méditerranée nord-occidentale), principal contributeur d'apports solides au Golfe (80 % des sédiments). Alors que des études antérieures ont permis de bien représenter les processus au niveau du fond, les processus régissant les comportements des matières en supension (MES), majoritairement rencontrées dans le panache turbide du Rhône, sont encore mal apréhendés. En vue de mieux décrire la dynamique de ces MES et d'améliorer les modèles hydrosédimentaires existants, l'objectif est de mieux caractériser ces particules. À cette fin, un vaste jeu de données issu de capteurs déployés in situ (données collectées pour 12 campagnes en mer, réalisées de 2011 à 2016) a été exploité, permettant d’obtenir une vision 2D verticale mais seulement ponctuelle (spatialement et temporellement). De façon complémentaire, une base de données d'images satellitaires (donnée couleur de l'eau du capteur MERIS-300m acquise entre 2002 et 2012), offrant une vue plus synoptique et long terme mais uniquement en surface, a été exploitée. Le jeu de données d'images satellitaire (plus de 800 images) a été traité de façon innovante par l'application d'un traitement semi-automatique permettant l'extraction de différentes métriques du panache turbide du Rhône (e.g. aire, limites d'extension, forme, centres géométriques, concentrations). La distribution spatiale et les caractéristiques physiques des MES telles que leur concentration dans l'eau, leur diamètre médian ou encore leur vitesse de chute ont été étudiées et estimées en fonction des différents forçages hydrométéorologiques actifs sur la zone d'étude (e.g. débit du Rhône, vents dominants). Un nouveau modèle hydrosédimentaire reposant sur le couplage du modèle hydrodynamique MARS-3D et du module sédimentaire multiclasse MIXSED a été configuré et les données in situ et satellitaires ont pu être mobilisées afin de contraindre la vitesse de chute des sédiments, paramètre clef de la modélisation de la dynamique hydrosédimentaire. / Contaminants, which can be dissolved in water or adsorbed on particles, are mainly delivered to the coastal environment by rivers. Thus, sediment dynamics reperesent a relevant proxy of contaminants dynamics. ThisPhD thesis is part of the ANR AMORAD project, of which one workpackage focuses on the fate of sediments in the coastal environment. This work focuses on the dynamics of Rhône River sediments in the Gulf of Lions (north-western mediterranean), this river delivering 80 % of the sediments of the Gulf. While previous studies over the area allowed a better understanding of physical processes at the water-sediment interface, processes driving suspended particulate matter (SPM) dynamics are still poorly understood. To better describe this SPM dynamics and improve hydrosedimentary models, the aim is to better characterize these particles. To this end, a large dataset collected from in situ deployed sensors (data collected for 12 field campaigns, conducted from 2011 to 2016) was analyzed to get a 2D vertical but ponctual view (both spatially and temporally). Complementary, a satellite images dataset (MERIS-300m ocean colour archive from 2002 to 2012) was built in order to get a long term and more synoptic view (but limited to surface).This dataset (more than 800 images) was originaly studied, applying a semi-empirical process to extract various Rhône River turbid plume metrics (e.g. area of extension, south-east-westernmost points, shape, centroids, SPM concentrations). Plume metrics and physical properties of SPM such as their concentration in water, their median diameter or their settling velocity were investigated regarding the different hydrometeorological forcings (e.g. Rhône River discharge, prevailing winds). A new hydrosedimentary model, based on the coupling of the 3D hydrodynamical model MARS-3D and the sedimentary module MIXSED, was set and ocean color and in situ data were used to constrain the settling velocity of particles, key parameter of hydrosedimentary modelling.

La rade de Brest constitue un cadre idéal pour étudier et restituer les transferts sédimentaires terre-mer dans un contexte de bassin côtier semi-fermé macrotidal. Dans cette perspective, deux axes majeurs, d’échelle temporelle différente, ont été développés avec pour objectifs (a) de caractériser le modèle sédimentaire et sa dynamique par charriage à l’actuelle, (b) de déterminer la mise en place des dépôts sédimentaires au cours de la dernière transgression marine.(a) L’analyse combinant une approche sédimentaire et analogique a permis de montrer le contrôle majeur des courants de marée sur la dynamique sédimentaire actuelle. La morphologie du littoral et des fonds marins renforcent l’intensité des courants tidaux qui facilite les échanges en sables coquilliers entre la rade interne et la mer d’Iroise. Le système est néanmoins en érosion et enregistre un déséquilibre en apports sédimentaires. Les sédiments fins sont remobilisés par les courants de flot et les actions anthropiques colmatant les secteurs peu profonds.(b) L’étude litho- et chronostratigraphique de la séquence sédimentaire, a mis en évidence le recul successif des processus estuariens lors de la dernière remontée du niveau marin (holocène). La morphologie héritée du substratum, combinée à la transgression marine, a fortement influencé l’architecture des dépôts, leur préservation et leurs variations lithologiques latérales et longitudinales. Après la stabilisation du niveau marin (3 000 BP), les variations climatiques (optimum climatique médiéval, et petit âge glaciaire) et les activités anthropiques impactent d’avantage la dynamique des particules en suspension.La rade a donc eu un impact différent sur le transfert des sédiments au cours de la remontée du niveau marin. Actuellement, elle acte comme un « piège à sédiment fin » et enregistre dans le même temps un déficit de stock sédimentaire grossier potentiellement remobilisable. Cette configuration favorise une érosion des parties les plus profondes du système. / The bay of Brest is a tide-dominated, semi-enclosed coastal basin, which is connected with two rivers (Aulne and Elorn). Its jagged shoreline and seabed morphology constitute an ideal setting to understand sedimentary transfer at the land-sea interface. In this aim, this study is divided in two different time scale. The first (a) focuses on the present-day sedimentary bedload dynamic and the second (b) on the reconstruction of the Holocene infilling, during the last marine transgression. (a) A analyse combining a sedimentology approach and numerical has highlighted the major control of the tidal currents. Swells and rivers have a minor impact, because the inherited morphology accentuates and promotes tidal currents. There are responsible of a shelly sandy exchange between the oceanic domain (Iroise Sea) and confined (bay of Brest). At present, the bay of Brest suffers from an imbalance of shelly sand. Fine sediments are eroded and redistributed in the shallow parts of the bay. In ideal conditions (strong tidal current) they can be exported.(b) From the stratigraphic and chronostratigraphic analyses, the successive landward retreat of estuarine processes, during the last marine transgression, has been observed. The sea level acts as the major factor control of the sedimentary geometry deposits. However, the morphological particularity of the bay of Brest influenced their preservation and it is possible to determinate the longitudinal and transversal asymmetry. After the sea level stabilisation (3 000 BP), the Holocene climatic variations and anthropic activities have disturbed the suspension dynamic.The bay of Brest had a different impact on the sedimentary transfer during the last marine transgression. At present, it acts as a « sediment trap » for the fine particles and has not enough sandy sediment. This configuration tends to an erosion of the system.

Ce travail présente une analyse de la dynamique sédimentaire du système turbiditique actuel de l’Ogooué (Golfe de Guinée), secteur encore très peu exploré à l’heure actuelle. Il se base sur l’interprétation de données géo-acoustiques (sondeur multifaisceaux et sismique chirp), sédimentologiques (carottes küllenberg et interface) et courantométriques issues de campagnes océanographiques réalisées par le SHOM. L’analyse morpho-bathymétrique détaillée a révélé la diversité des structures morphologiques le long de la marge. Ces observations, associées aux données sédimentaires et courantométriques ont permis de préciser les différents processus de dépôt. La configuration du plateau continental, dont la largeur se réduit fortement vers le Nord va entraîner une variabilité des transferts sédimentaires en profondeur le long du système turbiditique de l’Ogooué. La très faible extension du plateau continental à l’extrémité de l’île Mandji et l’action de la dérive littorale favorisent une sédimentation gravitaire active sous la forme d’écoulements turbiditiques dans le canyon du Cap Lopez ou de glissements sous-marins. Grâce à la comparaison de données bathymétriques à différentes échelles de temps, il a été possible de documenter à très haute résolution les mécanismes d’initiation et de développement d’instabilités ainsi que les processus sédimentaires à l’origine du développement des méandres. En plus des apports détritiques, les écoulements gravitaires initiés dans ce secteur vont également transporter de grandes quantités de matière organique. / This work presents an analysis of the sedimentary dynamic in the Ogooué turbidite system (Gulf of Guinea), previously poorly studied. It is based upon the interpretation of geo-acoustic (multibeam bathymetry and imagery, seismic chirp), sedimentological (Küllenberg and interface cores) and current-meter data recovered during oceanographic cruises conducted by the SHOM. The detailed morpho-bathymetric analysis reveals the diversity of morphological structures along the margin. These observations, combined with current meter and sedimentological data allowed us to determine various depositional processes. The decreasing width of the continental shelf toward the North involves a variability of sediment transfer along the Ogooué turbidite system. The very small extension of the continental shelf at the extremity of the Mandji Island and the action of longshore drift promote active gravitary sedimentation dominated by turbiditic flows in the Cap Lopez canyon or submarine slides.By comparing bathymetric data at different time scales, we document the mechanisms responsible for the initiation and development of instabilities and the sedimentary processes related to meander growth. In addition to detrital fraction, the gravity flows initiated in this area also carry large amounts of organic matter.

L'étude de la variabilité spatio-temporelle des flux sédimentaires sous l'influence des forçages naturels et des activités de chalutage a été entreprise à l'échelle du plateau continental du Golfe de Gascogne, en associant des données in situ et une modélisation numérique 3D déterministe. Deux campagnes en mer spécifiques ont été menées pour quantifier les impacts physiques induits par un chalut professionnel au niveau de la Grande-Vasière, en termes de remise en suspension (panache turbide), et de perturbation de la structure et de la nature du sédiment superficiel. Ces données ont permis d'estimer à 0.13 kg.m-2 le taux d'érosion moyen. Leur croisement avec des données d'effort de pêche a conduit à une cartographie mensuelle du flux d'érosion par chalutage. D'autre part, un modèle hydro-sédimentaire 3D réaliste a été mis en place et calibré à partir de mesures au point fixe. Une attention particulière a été accordée au paramétrage de l'érosion naturelle sous l'influence combinée des vagues et des courants. Une nouvelle formulation de la loi d'érosion adaptée aux mélanges de sable fin et de vase classiquement rencontrés sur les plateaux continentaux a été proposée et a permis d'optimiser significativement la réponse du modèle en termes de turbidité. Deux simulations de 5 ans ont été réalisées en incluant ou non l'influence du chalutage de fond, dans le but de quantifier et comparer les contributions relatives des forçages naturels et anthropique sur les flux verticaux (érosion) et horizontaux (transport solide) de sédiments. La variabilité temporelle des flux est décrite en une succession de régimes caractéristiques répondant à divers forçages (e.g. marée, vent, vagues, chalutage), et les flux résiduels saisonniers et annuels sont commentés : sans tenir compte des apports fluviaux, le flux de matériel vaseux a été estimé à 1.6 Mt/an sortant par le nord (au droit de La Pointe du Raz) et à 0.62 Mt/an vers le talus continental (au niveau de l'isobathe 180 m). / The spatio-temporal variability of sediment fluxes under the influence of natural forcings and trawling activities was assessed at the scale of the Bay of Biscay shelf, from in situ data and a 3D process-based numerical modelling. Two sea trials were carried out to quantify physical impacts induced by a professional trawling gear over an intensively trawled area of the shelf, the "Grande-Vasière", in terms of resuspension (turbid plume) and alteration of the surficial sediment nature and structure. These data enabled to estimate an average trawling-induced erosion rate of 0.13 kg.m-2. Their combination with fishing effort data led to monthly spatial distributions of trawling-induced erosion fluxes.Besides, a 3D realistic hydro-sedimentary model has been set up and calibrated from measurements acquired at a mooring station. The calibration task mainly consisted in assessing the natural erosion law setting under the influence of waves and currents. A new formulation of the erosion law has been proposed to describe the erosion of any mixture of mud and fine sand (sediment facies classically encountered on continental shelves) and led to a noteworthy improvement of the model response in terms of turbidity. Two 5-year simulations were performed accounting for natural forcings only or both natural and anthropogenic forcings in order to quantify and compare their respective contributions to sediment fluxes (vertical and horizontal sediment dynamics). The temporal variability of sediment fluxes is described in a succession of typical regimes occurring in response to various conditions of forcings (e.g. tide, wind, wave, trawling), and residual fluxes are assessed at seasonal and annual scales: without accounting for riverine sediment inputs, the mud flux is estimated to 1.6 Mt/yr outflowing northward (at the latitude of the Pointe du Raz) and to 0.62 Mt/yr toward the continental slope (through the 180 m isobath).