Le contrôle de la sûreté des ouvrages hydrauliques est l’une des grandes priorité dans le domaine du génie civil et de l’ingénierie hydraulique. Durant sa vie, un ouvrage est soumis à des sollicitations variables hydromécaniques, physicochimiques et climatiques qui contribuent à son éventuelle détérioration. Parmi les phénomènes qui en résultent, l’érosion des sols sous toutes ses formes représente un enjeu majeur à comprendre, maîtriser et empêcher. L’objectif de ce travail est d’étudier l’érosion des sols par le Jet Erosion Test. La première partie est consacrée à la description des dispositifs expérimentaux, surtout le Jet Erosion Test (JET) développé à l’Ecole Centrale Paris permettant de mesurer directement quelques paramètres d’érosion. A partir des résultats du JET, à l’aide d’une loi d’érosion empirique, nous déduisons la contrainte de cisaillement critique, le coefficient d’érosion, la profondeur d’érosion d’équilibre. La deuxième partie du travail est consacrée à l’étude de l’influence des paramètres de compactage sur l’infiltration de l’eau et la résistance du sol, en utilisant le pénétromètre. Dans les troisième et quatrième parties, nous étudions l’influence des propriétés géotechniques du sol et celle des paramètres d’essai sur les paramètres d’érosion du sol. Les résultats obtenus montrent que les paramètres d’érosion sont influencés non seulement par les propriétés géotechniques du sol mais aussi par les paramètres d’essai. La dernière partie présente la synthèse entre les résultats des essais de pénétromètre et ceux des essai de JET, et tente de relier les paramètres d’érosion avec les propriétés géotechniques du sol. / Control of the safety of hydraulic structures is a major priority in the field of civil and hydraulic engineering. During its life, the hydraulic structure is submitted to variable hydromechanical, physicochemical and climatic loads that may contribute to its possible failure. Among the resulting phenomena, soil erosion under all its forms is a major challenge which it is important to understand, control and prevent. The objective of this work is to study soil erosion by the Jet Erosion Test. The first part is devoted to the description of the experimental devices, especially the Jet Erosion Test (JET) developed at the Ecole Centrale Paris to directly measure some erosion parameters. From the results of JET, using an empirical erosion law, we deduce the critical shear stress, the erosion coefficient, the equilibrium scour depth. The second part of this work is devoted to the study of the influence of compaction parameters on water infiltration and soil strength, using the penetrometer. In the third and fourth parts, we study the influence of the geotechnical properties of soil and of the test parameters on the erosion parameters of soil. The obtained results show that the erosion parameters are influenced not only by the geotechnical properties of soil but also by the test parameters. The final section presents a synthesis of the results of penetrometer tests and JET tests, and attempts to link the erosion parameters with the geotechnical properties of soil.

L'évolution historique des types et techniques de production agricole a causé celle de l'organisation paysagère, via les parcellaires notamment. Les bordures de parcelles créent des discontinuités dans les processus d'érosion-dépôt de sol. L'objectif est ici de comprendre l'effet du parcellaire et de son évolution sur la distribution actuelle des sols et la morphologie des versants. Un versant cultivé (16 ha) dans le SW du Bassin Parisien a été étudié. La distribution spatiale de figures morphologiques linéaires et de l'épaisseur des sols a été analysée. Les deux types de figures identifiés correspondent à des épaississements de sols (dépôts) induits par des bordures de parcelles, pérennes depuis plusieurs siècles pour les premières, et disparues en 1967 (remembrement) pour les secondes. Ces épaississements ont été cartographiés grâce à une analyse statistique (CART) de la morphologie du versant. L'étude de traceurs granulométriques et minéralogiques (SEDI) a permis d'identifier les processus d'érosion-dépôt impliqués. La solifluxion périglaciaire puis le ruissellement auraient affecté l'ensemble du versant avant la pérennisation d'un parcellaire. Puis, des processus hydriques et aratoires ont agi dans des unités (parcelles) fixées par des bordures : les plus pérennes (1000 ans) montrent les dépôts les plus marqués (banquettes). La distribution spatiale du 137Cs et sa conversion en taux d'érosion (modélisation numérique) ont permis d'évaluer l'implication relative des processus hydriques (15%) et aratoires (85%) depuis 1954. Le remembrement parcellaire de 1967 s'avère avoir favorisé l'érosion des sols, convertissant des zones de rétention en zones sources (ondulations).

L’érosion des sols constitue une menace majeure pour la durabilité de la production agricole. Cette étude vise à développer une méthode originale de traçage des sédiments au sein de deux bassins versants agricoles aux caractéristiques contrastées. Différents marqueurs ont été utilisés pour tracer l’origine lithologique des particules (concentrations élémentaires, rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), déterminer de quel compartiment des sols (surface ou profondeur) elles proviennent (¹³⁷Cs) et étudier leur dynamique temporelle (⁷Be, ²¹⁰Pb_xs). Sur le bassin du Louroux (24 km², France), caractéristique des plaines agricoles du Nord-Ouest de l’Europe, les résultats ont montré un transfert accru de particules très fines (<2µm) via le réseau de drainage. Lors de l’étude de trois crues successives, les sédiments accumulés dans le chenal ont d’abord été transportés, avant l’exportation de particules directement érodées de la surface des sols. L’utilisation de modèles de mélange a montré que les particules érodées à la surface des sols contribuent majoritairement aux sédiments de l’étang situé à l’exutoire. D’autre part, les deux zones lithologiques discriminées par le rapport ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr contribuent équitablement aux particules qui se déposent dans l’étang. Les fortes variations observées depuis les années 1950 peuvent être interprétées comme le résultat de l’aménagement du bassin. Ces résultats ont montré le potentiel de l’isotopie du strontium (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) pour le traçage lithologique des sources de particules. La méthode a dès lors été transposée au site de Guaporé (2000 km², Brésil), un bassin agricole au climat plus érosif, à la topographie plus accentuée et aux lithologies plus contrastées. En combinant les rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr et les éléments les plus discriminants des cinq types de sols dans les modèles de mélange, les résultats montrent une contribution très majoritaire des types de sol localisés en aval du bassin. Celle-ci reflète une sensibilité croissante des sols à l’érosion selon un transect amont-aval, avec un système d’agriculture intensive appliquant des techniques de conservation des sols à l’amont et de plus petites exploitations familiales qui pratiquent un labour traditionnel en aval. Le couplage de ces traceurs améliore la compréhension de la dynamique des particules à l’échelle du bassin versant et fournit des données spatio-temporelles essentielles pour mettre en place des mesures de lutte contre l’érosion des sols. À terme, ces données pourraient être utilisées pour valider des modèles d’érosion et de transfert particulaire. / Soil erosion is recognized as one of the main processes of land degradation in agricultural environments. This study develops an original fingerprinting method to examine sediment source contributions in two contrasted agricultural catchments. Several properties were used to trace sediment lithological sources (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios, elemental concentrations), soil surface and subsurface sources (¹³⁷Cs) and to quantify their temporal dynamics (⁷Be, ²¹⁰Pb_xs).In the Louroux catchment (24 km², France), representative of drained areas of Northwestern Europe, results showed the dominant contribution of very fine particles (<2 µm) transiting through the tile drainage system to suspended sediment. Sediment accumulated in the river channel was mainly exported during the two first floods investigated in 2013 whereas the next event was characterized by the transport of sediment eroded from the cultivated soil surface. Mixing models were used, and results indicated that surface sources contributed the majority of sediment deposited in the pond, at the outlet of the catchment. The two lithological sources, discriminated using ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios, contributed in similar proportions to downstream pond sediment. In contrast, significant variations were observed since the 1950s. These changes may be related to the progressive implementation of land consolidation schemes within the catchment. Results obtained in the Louroux catchment revealed the potential of ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios to trace sediment lithological sources. The methodology was then applied to the larger and steeper Guaporé catchment (2000 km², Brazil), exposed to a more erosive climate and characterized by contrasted laterite soils. ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios and elements that discriminated the five soil types found in the catchment were incorporated in mixing models. Results showed that the major part of sediment was supplied by soils located in lower catchment parts. This result suggests the higher sensitivity of land cultivated with conventional farming practices (downstream contribution), compared to areas cultivated under conservation agriculture (upstream contribution). Coupling several tracers (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios, elemental concentrations and radionuclides) was shown to improve the understanding of sediment sources and dynamics at the catchment scale and to provide crucial information to guide the implementation of management measures to limit soil erosion. This fingerprinting approach produced an original dataset that may be used to calibrate and validate models simulating erosion and sediment transfers.

L’érosion hydrique est un processus majeur de dégradation des sols dans le monde avec des conséquences multiples : perte de terres agricoles, envasement des cours d’eau, coulées boueuses. En France, la région Hauts-de-France est la zone la plus touchée par ces pertes en terres qui peuvent dépasser les 10 t ha-1 an-1. Si les processus à l’origine de ces transferts sédimentaires ont été largement étudiés par la communauté scientifique ces dernières années, il reste néanmoins des verrous liés aux variabilités spatio-temporelles. De plus, l’efficacité des politiques récentes de lutte contre l’érosion n’est pas quantifiée. Cette étude propose une analyse de la variabilité spatio-temporelle des transferts sédimentaires selon plusieurs échelles (1-1000 km²), et une première évaluation de l’efficacité des politiques d’aménagement au sein d’un bassin du Nord de la France (la Canche ; 1274 km²). Une station de mesure haute-fréquence, a été implémentée à l’exutoire d’un sous-bassin versant de la Canche (la Pommeroye ; 0,54 km²) pour quantifier les transferts hydro-sédimentaires sur deux années hydrologiques contrastées. Selon nos résultats, les transferts varient de 29,4 à 70 t km-2 an-1. 40% du flux est exporté au cours de 3 épisodes érosifs majeurs (sur 48 enregistrés) et les paramètres forçants sont liés à la durée d’un épisode pluvieux et la quantité de précipitations. Sur ce même bassin, la prédiction spatiale à l’échelle centimétrique des transferts hydro-sédimentaires a pu être effectuée via le nouveau modèle d’érosion des sols WATERSED (BRGM) et l’efficacité d’un plan d’aménagement de lutte contre l’érosion a été quantifiée. Nos résultats permettent de valider l’opérabilité du modèle sur ce territoire. Les transferts sédimentaires à l’échelle du parcellaire agricole peuvent atteindre les 76 t km-2 pour un évènement donné et sont influencés par l’état de surface du parcellaire agricole. Une réduction significative (jusqu’à 84%) des transferts par les aménagements d’hydraulique douce est également observée. A l’échelle du bassin de la Canche, l’utilisation de traceurs chimiques et spectrocolorimétriques dans un modèle de mélange (Sed_Sat ; USGS) a permis d’évaluer d’une part les contributions des affluents de la Canche et d’autre part les contributions des sols et des berges (respectivement 30-70%). Des variations spatio-temporelles significatives ont pu être observées et les résultats tendent à montrer un potentiel impact positif des politiques récentes d’aménagement du territoire. Cette étude montre également que de nouveaux traceurs liés à la signature spécifique des particules magnétiques sont particulièrement prometteurs dans ce contexte pour tracer un signal d’érosion des sols. A terme, ces données pourraient être incluses dans des approches sediment fingerprinting. L’analyse selon plusieurs modalités spatio-temporelles et le couplage expérimentation/modélisation améliore donc notre compréhension de la dynamique des transferts sédimentaires sur le bassin versant de la Canche. Cela fournit des résultats essentiels pour orienter les futures politiques de lutte contre l’érosion des sols. / Water erosion is a serious concern in global land degradation leading to multiple consequences: loss of arable lands, siltation of streams, mudflows. In France, the Hauts-de-France region is the most affected area, and soil loss can exceed 10 t ha-1 yr-1. Although hydro-sedimentary processes have been widely studied by the scientific community, there is still a lack of knowledge in the understanding of the spatio-temporal variabilities. Additionally, the effectiveness of recent erosion control policies so far cannot be quantified. This study proposes an analysis of the spatio-temporal variability of sedimentary transfer at different scaling (1-1000 km²), and an initial assessment of the effectiveness of management policies within a northern France catchment (the Canche river, 1274 km²). A high-frequency monitoring station was implemented at the outlet of a Canche sub-catchment (the Pommeroye, 0.54 km²) to quantify the hydro-sedimentary transfer over two contrasted hydrologic years. According to our results, sediment yield varies from 29.4 to 70 t km-2 yr-1. 40% of the flux is exported during 3 major erosive events (out of 48 recorded) and the forcing parameters are related to the duration and the amount of rainfall. In this sub-catchment, the centimeter-scale spatial prediction of the hydro-sedimentary transfer was carried out using the new soil erosion model WATERSED (BRGM) and the effectiveness of an anti-erosion management plan was quantified. Our results validate the operability of the model in this context. For a given event, sediment transfer can reach 76 t km-2 yr-1 in agricultural plots and are strongly depending on the soil surface state. A significant reduction (up to 84%) of sedimentary transfer by the anti-erosion plan was also observed. At the scale of the Canche catchment, the use of chemical and spectrocolorimetric tracers in a mixing model (Sed_Sat tool; USGS) evaluated the contributions of the Canche tributaries and sediment sources contributions (i.e. channel banks and soils; 30-70% respectively). Significant spatio-temporal variations have been observed and the results show a potential positive impact of the recent management policies. This study also shows that new tracers related to the specific signature of magnetic particles are promising in the context to trace soil erosion. For further analyses, this data could be included in sediment fingerprinting approaches. Thus, this study based on several spatio-temporal modalities and the coupling of experimentation and modelling improves our understanding of the Canche hydro-sedimentary dynamics. It provides essential results to guide the future erosion control policies.

Les mécanismes d'érosion sont la principale cause de rupture des ouvrages hydrauliques en remblai, c'est pourquoi il est capital de pouvoir quantifier la résistance des sols à l'érosion. Divers appareillages permettent d'en obtenir une estimation, notamment le Jet Erosion Test (JET) dont le modèle d'interprétation est empirique. L'objectif de ce travail est de statuer sur la pertinence du modèle d'interprétation du JET. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique 2D de type Navier-Stokes turbulent avec déplacement d'interface et remaillage, permettant de modéliser l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent. En injectant dans notre modèle les paramètres d'érosion trouvés à la suite d'essais de JET, on retrouve numériquement l'évolution de la profondeur d'affouillement obtenue expérimentalement. Nous avons appliqué cette méthode à trois différents essais de JET, les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. En plus d'une importante étude paramétrique, ces résultats ont permis d'apporter d'importants éléments de validation au modèle d'interprétation du JET. Pour étendre le champ d'applicabilité du modèle, nous avons également appliqué cette méthode de modélisation à la configuration de l'érosion de conduit. Trois essais de Hole Erosion Test (HET) ont été modélisés et nous avons également obtenus des résultats en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une analyse de la loi d'érosion et des paramètres d'érosion obtenus à la suite d'essais de JET et de HET a ensuite été initiée. Les bases d'une étude portant sur l'influence de l'angle d'incidence de l'écoulement, sur l'efficacité de l'érosion, ont été posées.