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Ce travail de thèse porte sur la dynamique des matériaux en suspension (MES) dans des rivières aménagées de montagne, l'Arc en Maurienne et l'Isère. Un des modes de gestion de l'envasement des différents ouvrages hydro-électriques de l'Arc consiste à réaliser des chasses de barrage annuellement. Lors de ces chasses hydrauliques, les sédiments remobilisés du fond des retenues sont transportés à l'aval des ouvrages sur plusieurs dizaines de kilomètres. L'enjeu est alors de quantifier la propagation en aval de ces MES, afin de comprendre l'impact des chasses de barrage sur le lit de la rivière. Dans une première partie, des données de concentration en MES et de débit, mesurées pendant les chasses de barrage de l'Arc entre 2006 et 2012, sont analysées, critiquées et complétées. A partir de ce jeu de données, des cartes spatiales de flux de MES générés par les chasses de barrage sont dressées, et mettent en évidence des répartitions de zones de dépôt et d'érosion. L'incertitude liée au calcul de ces bilans de masse est quantifiée, et les dynamiques de reprise et de dépôt sont discutées. A titre de comparaison, cette méthode a été appliquée à d'autres événements de crues naturelles et de laves torrentielles, pré-échantillonnées à partir de chroniques de mesures en continu. Enfin, pour mieux caractériser les MES transportées pendant ces épisodes de chasse, des mesures complémentaires de granulométrie et de vitesse de chute ont été réalisées quasiment in situ pendant les chasses de 2011 et 2012. Les dynamiques spatiale et temporelle des ces grandeurs permettent d'établir une stratégie de paramétrisation de modèle numérique. La modélisation numérique hydrosédimentaire 1D fait l'objet de la seconde partie de ce travail de thèse. Le code de calcul d'hydraulique à surface libre MASCARET a été utilisé pour modéliser les écoulements générés par les chasses de barrage entre 2006 et 2012. Cette modélisation hydraulique met en évidence le rôle joué par la présence de bancs alternés de rugosités différentes dans le lit de la rivière. Le code de calcul COURLIS, couplé à MASCARET, a été modifié pour modéliser le transport sédimentaire en suspension. Pour prendre en compte la modélisation du transport de MES en lit composé, une méthode d'estimation d'une concentration moyenne par lit est proposée à partir de données issues de la littérature. Le nouveau modèle ainsi obtenu est comparé avec le modèle homogène dans la section sur des cas réels de crue (mai 2010) et de chasses de barrage (2010, 2011 et 2012). Les résultats de modélisation montrent la capacité du nouveau modèle à reproduire les flux mesurés dans les plages d'incertitude calculées, sans avoir recours à une calibration non physique des paramètres. / This phd thesis focuses on the dynamics of suspended sediments in hardness mountain rivers, specifically along the Arc and Isere River. Due to the silting in the Arc reservoirs, dam flushing are conducted annually. During these flushing events, the sediments eroded from the reservoirs are transported downstream over several tens of kilometers. The challenge is then to quantify the downstream propagation of the suspended sediments to understand the impact of dam flushing on the river bed. In the first part, data of suspended sediment concentration and flow discharges, measured during the dam flushing between 2006 and 2012, are analyzed, criticized and completed. From this dataset, spatial distributions of suspended sediment fluxes are presented, as well as specific locations of deposition or erosion areas. To better characterize the suspended sediments during these dam flushing, additional measurement of particle sizing and settling velocity have been made in situ. The spatial and temporal dynamics of these measured values forms the basis for a parameterization strategy of a numerical model. This is the topic of the second part of this phd thesis. A one dimensional hydraulic model, MASCARET, developed over 20 years by EDF R & D, has been used to model discharges during dam flushing between 2006 and 2012. COURLIS, a one dimensional numerical code for suspended sediment transport, also developed by EDF R & D , has been chosen to model the sediment transport dynamic, coupled with MASCARET . To take into account the sediment transport modeling in compound channel, a new method of estimating the average concentration in both main channel and floodplain is proposed, based on data from the literature. The new model thus obtained is compared with the previous one on real case of natural flood and three dam flushing events.

Malgré leurs mauvaises performances, les modèles de calcul de flux polluants (MCFP) dans les rejets urbains de temps de pluie (RUTP) continuent à susciter de l’intérêt du fait du fort potentiel qu’ils présentent pour prédire et contrôler ces RUTP. La contribution des sédiments à la pollution des RUTP est aujourd’hui largement reconnue comme prépondérante ; en conséquence, une modélisation idoine des processus en réseau apparait comme un élément clé pour améliorer la qualité de ces modèles. Dans ce contexte, plusieurs éléments ont été révélés par des études récentes menées sur les dépôts de réseaux d’assainissement unitaires, notamment sur « Le Marais » : (1) la présence d’une quantité importante de dépôts grossiers quasi-stationnaires qui modifient les caractéristiques du réseau ainsi que les conditions d'écoulement ; (2) l'identification d’un dépôt organique cohésif sur le Marais, la couche organique, capable d’expliquer la contribution du réseau à la pollution de RUTP et qui se constitue dans les parties amonts des collecteurs principaux. L’objectif de cette thèse est d’examiner l’effet de l’intégration de ces observations dans un MCFP de type semi-distribué, en prenant comme cas d’étude le site expérimental du Marais.Dans la première partie, on a travaillé à la prise en compte des dépôts grossiers dans le modèle hydrodynamique, puis on a évalué l’impact de cet ajout sur les processus de transport solide dans les réseaux. Pour y parvenir, un outil de modélisation capable de gérer l’écoulement sur une bathymétrie complexe était nécessaire. Ainsi, un schéma numérique conservatif de type Godounov a été développé et validé par rapport à certains cas de référence, avant de l’appliquer à l'échelle du réseau du Marais. Les résultats ont démontré un effet significatif de ces dépôts grossiers sur l’hydraulique du réseau, qui ensuite influence la production des particules et, dans une moindre mesure, le processus de transfert.Dans la deuxième partie, des données acquises récemment sur plusieurs sites avec des contributions de dépôts aux RUTP comparables et d’états d’encrassement différents (notamment pour la couche organique) ont été analysées dans le but d’identifier le vrai rôle de cette couche organique vis-à-vis de la production en réseau par temps de pluie. Les résultats ont montré que la couche organique ne représente qu’une source mineure vis-à-vis de la production en réseau. Afin d’identifier la source majeure, le modèle hydraulique développé dans la première partie a été couplé avec le modèle d’érosion de Skipworth et le modèle d’advection simple pour tester différents scenarii de localisation de dépôts. Les résultats de ce banc d’essai sont cohérents avec ce qui précède concernant la contribution de la couche organique ; il en ressort par ailleurs que les localisations les plus vraisemblables de la source prépondérante sont, dans l’ordre, le réseau amont et les collecteurs principaux / Despite their disappointing performance, urban stormwater quality models are still considered to be a potentially efficient decision making tool to control combined sewer overflows (CSOs) and thus are receiving ongoing investments to improve their quality. In this respect, in-sewer sediments are now widely recognized for their preponderant contribution to the pollution of CSOs assigning therefore a particular importance to mastering sewer processes module when refining these models. Recent studies conducted on in-sewer sediments in one of the extensively investigated urban catchments in Paris, Le Marais, highlighted new elements that could be helpful when addressing this module: (1) the existence of quasi-steady sewer grits deforming sewer characteristics and thus suspected to modify sewer flow conditions; (2) the identification of the potentially eroded sediment type during wet weather that is formed at the upstream parts of the Marais main trunks, the organic layer, that showed a cohesive like characteristic during in-situ flushing experiments. A site specific model for the Marais catchment is developed in this thesis adopting a semi-distributed configuration to examine the effect of integrating these field observations in its structure on the simulation of outfall discharges’ quality.In the first part, an evaluation of the impact of considering the sewer grits in the hydrodynamic module on the solid production and transfer processes in sewer system was carried out. To do so, a special modelling tool was necessary in order to handle sewer flow over a complex bathymetry. So, a well-balanced Godunov numerical scheme was developed and verified against some reference test cases before being extended to the Marais sewer scale. Results showed a significant impact of these coarse deposits on the hydraulic parameters. Solid production was demonstrated to be more sensible to this impact than the transfer processes.In the second place, previous findings obtained on combined sewer systems having no organic layer and high sewer contribution along with those obtained on the Marais were deeply investigated to identify the real role of this organic layer in sewer wet weather production. Results showed that this latter is only a minor source for wet weather erosion. To identify the major source, a quality module based on Skipworth erosion formulation and simple advection equation was used to test several scenarios of sewer sediment localization. The benchmark confirmed that the organic layer is not the major source of sewer production and that another source is preponderant and that can be located at the upstream branches as well as along the principal collectors with more probability of the former case

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Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude d'un modèle de transport de sédiments en nous plaçant sous deux angles d'approche différents. L'un concerne la modélisation numérique du problème et propose une méthode de résolution numérique basée sur un solveur de Riemann approché pour le système de Saint-Venant-Exner qui reste un des systèmes les plus répandus pour traiter le transport sédimentaire par charriage. Ce dernier repose sur un couplage du modèle hydraulique de Saint-Venant et du modèle morphodynamique d'Exner. Le point essentiel de la méthode proposée se situe au niveau du traitement du couplage de ce système. En effet, il existe deux stratégies; la première consiste à découpler la résolution de la partie fluide de la partie solide et les faire interagir à des instants donnés alors que la seconde considère une résolution couplée du système en mettant à jour conjointement les grandeurs hydrauliques et solides aux mêmes instants. Se posera alors la question du choix de la stratégie de résolution pour laquelle nous apporterons des éléments de réponses en comparant les deux approches. L'autre se concentre sur la mise en place d'une méthodologie pour l'étude des incertitudes liées au même modèle. Pour ce faire, nous proposons une formulation stochastique du système de Saint-Venant-Exner et nous cherchons à caractériser la variabilité des sorties par rapport aux paramètres d'entrée naturellement aléatoires. Cette première étude révélera la nécessité de revenir à un système de Saint-Venant avec un fond bruité pour étudier la sensibilité des grandeurs hydrauliques par rapport aux perturbations topographiques. / In this thesis, we are interested on the study of a sediment transport model through two different approaches. One of them concerns the numerical modelling of the problem and proposes a numerical problem-solving method based on an approximate Riemann solver for the Saint-Venant-Exner system which is one of the most common model to deal with sedimentary bed-load transport. This last one is based on a coupling between the hydraulic model of Saint-Venant and the morphodynamic model of Exner. The key point of the proposed method is the treatment of the coupling issue. Indeed, there exists two strategies; the first one consists on decoupling the resolution of the fluid part from the solid part and making them interact at fixed times whereas the second one considers a coupled approach to solve the system by jointly updating the hydraulic and solid quantities at same times. We then raise the issue of the choice of the strategy for which we suggest answers by comparing both approaches. The other one focuses on the development of a methodology to study the uncertainties related to the model previously mentioned. To this end, we propose a stochastic formulation of the Saint-Venant-Exner system and we look for characterizing the variabilities of the outputs in relation to the naturally random input parameters. This first study reveals the need for a return to the Saint-Venant system with a perturbed bed to understand the sensitivity of the hydraulic quantities on the topographical perturbations.

Dans le cadre de cette thèse, un ouvrage de type séparateur hydrodynamique est étudié pour répondre aux problématiques environnementales liées aux déversements de macro-déchets en mer. La première partie est destinée à l’analyse du fonctionnement hydraulique de l’ouvrage et son aptitude face au colmatage sur un pilote en laboratoire. Les données collectées vont ensuite permettre la validation d’une approche numérique capable de simuler l’écoulement. Cette technique est par la suite utilisée pour optimiser l’écoulement et la forme de la grille. Nous avons démontré, à partir de simulations numériques, l’intérêt d’une grille de type métal déployé pour obtenir des phénomènes d’agitations turbulentes et de gradient de pression important à l’amont de la grille. Ces phénomènes favoriseraient ainsi la dispersion des polluants et limiteraient les phénomènes de colmatage. La dernière partie de ce travail a été d’étudier le fonctionnement d’un ouvrage grandeur nature et d’observer son efficacité. / The installation of hydraulic structures to separate particles is a key element to improve the quality of water bodies. This PhD work focus on the study of a hydrodynamic separator used to capture large wastes before their discharge into the see. Tangential separation mechanism along a screen is used in this device. The first part of the work consists in studying the hydraulic behavior and the clogging effectiveness of the device with laboratory experiments. A CFD multiscale approach was developed in this work to optimize the shape of the screen in order to avoid clogging. This method, validated against experimental data, allows us to predict that expanded metal stripes are useful to develop turbulence and pressure gradients upstream the screen. This hydrodynamic phenomenon favor particles and pollutants ejection near the apertures. The last part of the work was to study the hydrodynamic behavior and the real efficiency with in situ experiments.

L'eau des fleuves, des rivières, des lacs et des réservoirs ne représente que 0,26 % des 2,5 % (35 millions de km3) d'eau douce disponibles à l’état liquide sur Terre, or sa qualité et quantité ont fortement diminué ces dernières années. Sa dégradation a des conséquences sur l'agriculture, la santé, l'environnement et l'économie des territoires et est aujourd'hui au centre des préoccupations sociétales. Les objectifs de la présente thèse sont pour trois fleuves localisés dans le Bouclier des Guyanes, au nord de l'Amérique du Sud (le Maroni, l'Oyapock, l'Orénoque): (i) d'utiliser et d'adapter des outils novateurs de télédétection pour suivre et quantifier, sur du long terme, leurs charges sédimentaires en suspension, (ii) d'évaluer l'existence de tendances spatio-temporelles, ainsi que de ruptures dans les chroniques de données, (iii) de quantifier la part organique et minérale de ces charges, (iv) d'apprécier le rôle des facteurs naturels (débits et précipitations) et anthropiques (surfaces urbaines, agricoles et minières) sur les tendances observées et enfin, (v) de discuter de seuils de charges pour le suivi de la qualité de l'eau. Les résultats ont montré qu'il est possible de suivre les concentrations de matières en suspension, pour les fleuves Orénoque et Maroni avec une erreur relative de 32 et 25% respectivement. Sur la période 2000-2016, des tendances spatio-temporelles régulières ont été observées pour l'Orénoque, alors qu'elles sont en augmentation pour le Maroni avec une rupture en 2009 et en diminution pour l'Oyapock depuis 2008 (données in situ). Un lien fort avec l'augmentation de la déforestation pour les surfaces minières et les précipitations est observé pour le Maroni alors que pour l'Oyapock les tendances sont liées aux débits.Pour les deux années d'études (2014-2016), les charges minérales ont représenté la plus forte fraction des particules transportées dans les eaux du Maroni au Saut Hermina (en moyenne 93 %) et de l'Oyapock au Saut Maripa (en moyenne 82 %) avec une grande variabilité selon les mois de la teneur en carbone dans les matières transportées et pour les deux fleuves. Enfin, les rapports C/N et C/Chl-a ont dévoilé des matières organiques d'origine principalement endogène avec une forte biomasse chlorophyllienne surtout durant les basses eaux. / The water of rivers, lakes and reservoirs represents only 0.26 % of the 2.5 % (35 million of km3) of fresh water available on the liquid state on Earth, but its quality and quantity strongly decreased these last years. Her degradation has consequences on the farming, the health, the environment and the economy of territories and is now in the center of the societal concerns. The objectives of the present thesis are for three rivers located in the Guiana Shield, in the North of South America (the Maroni, the Oyapock, the Orinoco): i) to use and to adapt innovative tools of remote detection to follow and quantify, on the long term, their sedimentary loads, ii) to estimate the existence of spatiotemporal trends, as well as breaks in the chronicles of data, iii) to quantify the organic and mineral part of these loads, iv) to appreciate the role of the natural (discharge and precipitation) and the anthropological factors (urban, agricultural and mining surfaces) on the observed trends and finally, v) to discuss thresholds of concentrations for the quality monitoring of the river water.The results showed that it is possible to follow the concentrations of suspension materials, for rivers Maroni and Orinoco with a relative error of 25 and 32 % respectively. Over the period 2000-2016, regular spatiotemporal trends were observed for the Orinoco, while they are increasing for Maroni with a break in 2009 and in decrease for the Oyapock since 2008 (in situ data). A strong link with the increase of the deforestation for the mining surfaces and the precipitation is observed for the Maroni catchment while for the Oyapock the trend is explained by the specific water discharge.For two years of studies (2014-2016), the mineral loads represented the strongest fraction of particles transported in the Maroni River at Saut Hermina (on average 93 %) and in the Oyapock River at Saut Maripa (on average 82 %) with a high variability according to the months of the content in carbon in the transported materials and for both rivers. Finally, report C/N and C/Chl-a revealed organic matters of mainly endogenous origin with a strong chlorophyll biomass and especially during the low water period.