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

Expériences de terrain et de laboratoire montrent que les rivières à gravier avec étendue granulométrique élevée et faible contrainte latérale, comme dans le cas des rivières à chenaux multiples, notamment les rivières en tresses, et des rivières à chenal unique avec une pleine mobilité latérale, comme les rivières à méandres, peuvent présenter simultanément variations du chenal actif à la fois dans le plan et dans la direction verticale, ainsi qu’un tri granulométrique planimétrique et vertical. En fait, les ajustements du chenal présentent une interaction complexe avec les processus de tri granulométrique: processus de transport et dépôt des mélanges de sédiments hétérogènes engendrent la formations de plusieurs motifs de tri, parmi lesquels patches qui migrent dans le chenal, notamment les sorting waves également connues sous le nom de bedload sheets. Ces sorting waves sont observées comme l’alternance des bandes de sédiments grossiers et fins dans la direction d’écoulement. Cette thèse de doctorat étudie les processus de tri granulométrique d’une distribution granulométrique bimodale à la fois dans la direction latérale et verticale avec un accent particulier sur l’étude des bedload sheets. Ce projet vise également à étudier les effets du confinement latéral sur la morphodynamique du lit de la rivière et en particulier sur les processus de tri granulométrique; et en plus, vu que le tri granulométrique joue un rôle crucial en influant sur le profil en long de la rivière, ainsi que les motifs sédimentaires et le formes du lit, étant donné le lien étroit entre la topographie du lit et la composition sédimentaire, pente, largeur du chenal actif et taux de transport des sédiments. L’analyse de ces paramètres permet de définir des feedbacks entre les variables morphologiques. Les résultats de cette étude éclairent le rôle de la contrainte latérale sur les processus de tri granulométrique et la morphodynamique du lit nu des rivières. / Field and laboratory investigations indicate that gravel bed rivers with poorly-sorted grain size distribution and low lateral confinement, such as in the case of multi-thread, braided and transitional rivers but also wandering single-thread rivers, can simultaneously present active channel variations, both in the planimetric and altimetric directions, together with planimetric and vertical sorting.Actually channel adjustments present a complex interaction with sorting processes. transport and depositional processes of heterogeneous sediment mixtures induce the formation of various sorting patterns, among which free migrating patches such as sorting waves also known as bedload sheets. Such sorting waves are mainly observed by the alternation of bands of finer and coarser material in the streamwise direction.This PhD research investigates the sorting processes of a bimodal grain size distribution both in the lateral and in the vertical direction, with particular focus on the study of bedload sheets.The main aim of this work is to investigate the effects of lateral confinement on river bed morphodynamics and in particular on grain sorting processes; and besides, given that grain sorting plays a crucial role in affecting longitudinal river profile, as well as sediment patterns and bed forms, being indeed the connection between bed topography and bed sediment composition close, we would like to provide simple theoretical analyses and tools able to predict morphodynamic bed river variations driven by sortingDifferent methodologies are applied to successfully achieve this purpose.Firstly, a deep investigation of the state of knowledge of mixed-size sediment morphodynamics, sorting processes, sorted sediment patterns and bedload sheets is carried out.Then, a 1D linear stability analysis of a uniform flow above an erodible bed composed by a bimodal mixture of sediments is performed and investigation of the associated eigenvectors, amplitude of perturbations and migrations rate is discussed. Results are presented in terms of arising instabilities dominated by sorting. Although the monodimensional shallow-water framework, the simple flow model adopted allows for the formulation of an algebraic eigenvalue problem that can be solved analytically, allowing for a deep insight into the mechanisms that drive instabilities.Then, small scale flume experiments are carried out by reproducing three different flow confinement configurations and involving a bimodal mixture of natural sediments. All the configurations show large fluctuations of parameters characterising bed system in terms of bed sediment composition, slope, active channel width and sediment transport rate. The analysis of such parameters allows defining feedbacks among morphological variables. Results of such investigations shed light on the role of lateral confinement on sorting processes and morphodynamics of barebed rivers.

Ce travail porte sur la morphodynamique des bancs de galets alternés dans une rivière de montagne aménagée. Le site expérimental est un tronçon long de 8 km de la rivière Arc située dans les Alpes françaises. Une analyse des cartes historiques, des photos aériennes et des relevés topographiques montre que le lit de la rivière a évolué d’un style en tresse vers un lit rectiligne avec des bancs alternés contraints entre deux digues. Au milieu des années 1990, le lit de la rivière a été aplani pour former des profils trapézoïdaux. Cependant, les bancs alternés ont réapparu en moins de dixans. Une analyse des facteurs contrôlant leur formation est fournie. Les observations de terrain et l’analyse numérique 1D suggèrent que le motif de bancs alternés représente un état de quasi équilibre du tronçon. D’autre part, la topographie d’un sous-tronçon incluant un banc de galets aété mesurée 18 fois entre 2006 et 2012. Une méthodologie de construction des MNT basée sur leslignes directrices et incluant une estimation de l’erreur a été proposée pour une application aux litsde rivières. La technique de différenciation des MNT a été utilisée pour détecter les changements morphologiques du banc. Ainsi, la morphodynamique du sous-tronçon a été étudiée en la reliant aux principaux processus qui la contrôlent tels que l’hydrologie, les formes des hydrogrammes, la répartition des contraintes de cisaillement, les apports amont en sédiments et l’énergie du coursd’eau. La forme des hydrogrammes de crue ainsi que les apports en sédiments semblent être lesprincipaux facteurs influençant le bilan sédimentaire sur le site étudié. En outre, des modélisationsnumériques 2D hydro-sédimentaires ont été utilisées pour appréhender la dynamique du banc. Lessimulations ont révélé l’importance de l’interaction entre les sédiments fins et les galets sur ladynamique globale du banc. / The current research investigates the morphodynamics of gravel alternate bars in an engineeredmountainous river. The experimental site corresponds to an 8 km long reach of the Arc River, in the French Alps. An analysis of historical maps and recent aerial photographs and topographic campaigns shows that the original braided river bed has evolved to a straight bed with alternate bar system constrained within two embankments following two centuries of man-made engineeringprojects. In the mid 1990s the river bed was flattened to fit a trapezoidal cross-sectional design. However, alternate bars re-appeared in less than ten years. An analysis of the controlling factors of bar formation and evolution is provided. Field observation and 1D numerical analysis suggest that the alternate-bar pattern represents a quasi-equilibrium state of the river bed. A singlegravel bar within the reach was monitored 18 times from 2006 to 2012. A methodology of DTM construction based on breaklines is proposed for river beds and an error estimation is presented. DTM differencing technique was used to detect morphologic changes of the gravel bar. Therefore, the gravel bar and main channel dynamics were analyzed relative to main controlling processes suchas extreme hydrologic events, sediment supply, hydrograph shape, bed shear stress distribution andriver energy. Sediment supply and hydrograph shape appeared to be the main factors influencing the study site sediment budget. Moreover, 2D numerical modelling of water flow and sediment transport was performed. Sensitivity analysis was conducted to yield results in agreement with observations. Simulations revealed the relevance of the interaction between fine sediments and gravels on the bar dynamics.