Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

Résumé : L’utilisation de chicanes dans les ponceaux de type insertion en polyéthylène de haute densité (PEHD) est devenue une pratique de plus en plus courante afin d’améliorer les conditions hydrauliques pour le passage des poissons. Cependant, on sait peu sur la façon dont les chicanes affectent la capacité hydraulique des ponceaux. Tout d’abord, une étude comparative a été menée afin de déterminer la variation de la vitesse et de la profondeur entre un ponceau en acier ondulé et un ponceau de type insertion en PEHD pour un débit fixe. Il a été constaté que la vitesse augmentera entre 65% et 260% et la profondeur diminuera entre -58% et -27% selon les valeurs de rugosité réelles du ponceau en tôle ondulée et du ponceau en PEHD. Ces résultats justifient des mesures pour améliorer le passage des poissons, comme par exemple l’installation de chicanes. À cette fin, les coefficients de rugosité n de Manning et f de Darcy ont été déterminés expérimentalement pour les chicanes de type déversoir, les chicanes de type fente et les chicanes de type spoiler pour quatre espacements ( λ = 0.6D , 1.2D, 1.8D, 2.4D ) et trois hauteurs ( h = 0.15D, 0.10D, 0.05D), où D est le diamètre nominal du ponceau. La hauteur des chicanes est ressortie comme étant le paramètre géométrique déterminant affectant la rugosité hydraulique. L’espacement se trouve à jouer un rôle secondaire. Un modèle analytique a été développé et analysé afin de déterminer les effets de la réduction de la rugosité (α = n/nf ), la réduction radiale (β = D/Do), la longueur du ponceau (L) et les traitements d’entrée (ke) sur la capacité hydraulique des ponceaux en tôle ondulée après avoir été réhabilités par insertion d’un ponceau en PEHD. Les résultats montrent que de nombreux ponceaux en PEHD peuvent accueillir des configurations de chicanes ayant des valeurs de α se situant entre 0,5 à 0,9 et continuer de respecter la capacité hydraulique requise. Des recommandations de conception pour l’utilisation de chicanes dans des courts et longs ponceaux en PEHD sont discutées. // Abstract :

Au sein des communautés végétales, les traits fonctionnels dirigent et influencent les processus sol-plantes. Le ruissellement et l'érosion concentrés, causes principales de la dégradation des sols, peuvent être contrôlés par des végétations herbacées qui créent une rugosité hydraulique induisant la réduction de la vitesse des flux de ruissellement et la rétention des sédiments. L'approche des traits, plutôt que taxonomique, permet de comprendre et caractériser les effets directs de la végétation sur le ruissellement et la rétention des sédiments. Ce projet de recherche vise à approfondir les connaissances vis-à-vis des effets (i) des traits fonctionnels (Chapitre 1), (ii) de la complémentarité des traits (Chapitre 2), et (iii) de la diversité fonctionnelle (Chapitre 3) sur les écoulements concentrés et la rétention des sédiments afin d'évaluer l'efficacité et le design de haies herbacées pour réduire les impacts de l'érosion des sols dans les bassins versants limoneux d'Europe. Parmi les combinaisons de traits principaux identifiées comme augmentant la rugosité hydraulique (densité et diamètre des tiges, et densité et surface foliaire), certains traits sont négativement corrélés. Un meilleur effet pourrait donc être atteint au sein d'assemblage d'espèces par un effet complémentaire des traits. Cependant, des effets non-additifs des diversités en espèces et fonctionnelle ont été trouvés, chacun généré par un effet dominant des traits dans les communautés testées. Ces effets des traits et de la diversité fonctionnelle sur la rugosité hydraulique et la rétention des sédiments constituent une nouvelle avancée dans la compréhension des effets de l'assemblage des traits sur les processus d'écoulement et d'érosion des sols ainsi qu'une base pour le design et la modélisation des haies herbacées pour le contrôle du ruissellement et de l'érosion. / Plant-soil processes are driven and influenced by plant functional traits in vegetation communities. Concentrated runoff and erosion constitute the main cause of soil degradation and can be managed by herbaceous vegetation creating hydraulic roughness that induces flow velocity reduction and sediment retention. Using plant trait-based approach, unlike taxonomical approach, allows to understand and characterise the direct effects of the vegetation on runoff and sediment retention. This research project aims to deepen the knowledge regarding the effects of (i) plant functional traits (chapter 1), (ii) traits' complementarity (chapter 2) and (iii) functional diversity (chapter 3) on concentrated runoff and sediment retention processes, in order to evaluate the efficiency and design of herbaceous hedges to reduce the impacts of soil erosion in loamy European agricultural catchments. The identification of the main efficient traits and traits' combinations towards hydraulic roughness increase (stem density, diameter, leaf area and density) highlighted negatively correlated traits, suggesting that a trade-off could be reached within a plant species assemblage through a complementarity effect of the traits. However, non-additive effects of plant species diversity and functional diversity were found, both driven by dominant traits in the community. The effects of traits and functional diversity on the hydraulic roughness and sediment retention constitute a new advance in the understanding of plant trait assemblage on runoff and soil erosion processes and a baseline for the design and modelling of herbaceous hedges for runoff and erosion control.

Ce travail de thèse s'intéresse à l'effet d'une variation longitudinale de l'occupation du sol de la plaine d'inondation sur l'écoulement d'une rivière en débordement. Nous traitons le cas d'une transition entre une zone de prairie et une zone de forêt, et vice versa. Cette variation d'occupation du sol est associée à une transition de rugosité hydraulique entre une rugosité de fond (prairie fortement immergée) et des macro-rugosités émergées (arbres), modélisées respectivement par une moquette plastifiée et par un champ de cylindres. Ces écoulements sont étudiés en laboratoire dans un canal de dimension 18 m x 3 m. Dans un premier temps, nous considérons l'écoulement à travers un champ de cylindres émergents en lit simple, en étudiant l'effet du fond sur le sillage des cylindres et le phénomène de seiche (fortes oscillations de la surface libre). Dans un deuxième temps, nous nous penchons sur le développement vers l'uniformité d'un écoulement en lit composé de rugosité uniforme. La croissance asymétrique de la couche de mélange du lit composé, la propriété d'autosimilarité ainsi que l'organisation tridimensionnelle des structures turbulentes cohérentes associées à la couche de mélange sont analysées. Le troisième temps fait l'objet de la transition longitudinale de rugosité en lit composé, dont l'effet sur la couche de mélange et sur les structures cohérentes est discuté. Nous évaluons également les différentes contributions au transfert latéral de quantité de mouvement entre lit mineur et plaine d'inondation par diffusion turbulente, par échange de masse et par les courants secondaires / This PhD thesis investigates the effect of a longitudinal change in floodplain land use on an overflooding river flow. We consider a transition between a meadow and a woodland and vice versa. This change in land use is associated with a change in hydraulic roughness, between a bed roughness (highly submerged meadow) and emergent macro-roughnesses (trees), respectively modelled by a plastic artificial grass and an array of emergent cylinders. The flows are experimentally investigated in an 18 m x 3 m laboratory flume. In a first step, we investigate the flow through a cylinder array in a single channel, focusing on the effect of bed roughness on the cylinder wakes and on the seiche phenomenon (strong free surface oscillations). In a second step, we study the development towards flow uniformity of compound channel flows with a uniform hydraulic roughness on the floodplains. The asymmetrical growth of the compound channel mixing layer, the self-similarity property and the three-dimensional organisation of the turbulent coherent structures associated with the mixing layer are analysed. In a third step, we investigate the longitudinal change in roughness in compound channel configuration, which effects on mixing layer and on coherent structures are discussed. We also assess the contributions to lateral transfers of momentum between main channel and floodplain by turbulent diffusion, by mass exchange and by secondary currents