Dans un contexte de développement des énergies renouvelables, les énergies marines suscitent un grand intérêt. Parmi elles, les courants de marée paraissent constituer une ressource intéressante du fait de la densité de l'eau de mer et de la possibilité de prévoir les oscillations de marée à un endroit donné. Pour une turbine à axe vertical et en accord avec le partenaire industriel, les contraintes à l'échelle de la section de pale incluent la bidirectionnalité de l'écoulement, l'état de surface ainsi que la turbulence amont. La première partie du travail présentée ici s'est donc attachée à étudier deux solutions permettant de répondre à la bidirectionnalité de l'écoulement à l'échelle d'une section de pale. Un profil bidirectionnel spécifique a ainsi été comparé à un NACA 0015 en écoulement directe et inversé. La seconde partie s'est attachée à caractériser l'effet de la rugosité de surface et de la turbulence amont sur les propriétés d'un profil unidirectionnel spécifiquement développé pour les turbines à axe horizontal. Les deux sujets ont été abordés sur des profils académiques 2D, au travers d'une approche expérimentale originale et d'étude numériques. Des calculs tout turbulents et avec prise en compte de la transition ont été comparés à des mesures d'effort par balance, couplés à des observations de l'écoulement par PIV. Le foil bidirectionnel ainsi que le foil NACA en écoulement direct et inversé ont montrés des comportements singuliers qui pénalisent leurs performances dans l'optique d'une utilisation en tant que section de pale. A partir d'une valeur seuil, la hauteur de la rugosité de surface a montré engendrer un changement profond de la nature de l'écoulement autour du foil unidirectionnel. Finalement, il a été observé que la turbulence amont modifiait modérément les propriétés de ce type de foils, mais de façon moins significative à l'échelle de la pale. / In a context of development of renewable energies, there is a growing interest in marine energies. Among them, tidal currents are promising due to the density of seawater and the predictability of tidal oscillations at a given location. For horizontal axis tidal turbines and according to the industrial partner, constraints at the blade section scale include bi-directionality of the flow, surface roughness and upstream turbulence. The first part of the present work studied two solutions to achieve bi-directionality of the flow at the blade section scale. A specific bi-directional hydrofoil was compared to a NACA 0015 in forward and reversed flow. The second part focussed on the effect of surface roughness and upstream turbulence on a unidirectional blade section designed for current turbines. Both studies were carried out on academic two-dimensional hydrofoils, using both numerical investigation and a specifically developed experimental approach. Computations using fully turbulent and transition models were compared to balance force measurements coupled with PIV flow observations. The bidirectional foil as well as the NACA foil in forward and reversed flow, showed specific behaviours that could considerably reduce their performances for a use as a tidal turbine rotor. Roughness height was also observed to deeply change the foil properties, beyond a critical height. Finally, upstream turbulence resulted in moderate performance changes, less significant at the machine scale.

Le travail effectué au cours de cette thèse s'inscrit au sein du projet ANR Mascaret, dont l'objectif est la compréhension du phénomène de mascaret, l'étude de ses conséquences sur l'environnement et sa sensibilité aux modifications de cet environnement. La contribution de cette thèse s'inscrit uniquement dans la partie numérique de ce projet. Seul l'aspect transport sédimentaire causé par le mascaret sera abordé. Le but est de construire un modèle numérique de transport sédimentaire général qui pourra notamment s'appliquer au cas du mascaret. Trois méthodes numériques sont explorées, une première permettant le suivi individuel des grains sédimentaires et deux autres permettant de suivre l'évolution de la concentration en grains au sein de l'écoulement. La première méthode considérera les plus petites échelles et sera appelée méthode tracker et consistera en un suivi individuel des grains sédimentaires. La seconde méthode, dite méthode particulaire, portera sur des échelles plus larges et le transport d'une concentration locale en grains sédimentaires. Enfin, la troisième méthode, que l'on appellera méthode des moments, s'intéressera aux échelles les plus larges en transportant un nuage de particules sédimentaires dans son ensemble grâce à une seule particule numérique caractérisée par les moments de sa distribution en concentration interne. Ceci permettra de caractériser le transport sédimentaire de manière locale qui se produit lors du passage d'un mascaret. Deux mascarets ondulés de nombre de Froude proches seront étudiés. Il sera notamment montré que le nombre de Froude n'est pas un critère permettant de caractériser le transport sédimentaire induit par les mascarets. / The work performed during this thesis is a part of the Mascaret ANR project, which aims to understand the phenomenon of tidal bore, the study of its impact on the environment and its sensitivity to changes in that environment. The contribution of this thesis lies solely in the numerical part of this project. Only the sediment transport caused by the tidal bore is discussed. The goal is to build a generic numerical model of sediment transport which can therefore be applied to the specific case of tidal bores. Three methods are explored, a first for individual tracking of sediment grains and two to model the concentration of grains in the flow. The first method considers the smallest scales and will be called tracking method and consists of individual tracking of sediment grains. The second method, called particle method, focuses on larger scales and the transport of local concentration of sedimentary grains. The third method, which we call moments method, will focus on the largest scales, carrying a cloud of sediment grains as a whole using a single numerical particle characterized by the moments of its internal concentration distribution. This will characterize the local sediment transport process occurring during the passage of a tidal bore. Two undulating bores will be studied whose Froude numbers are close. It will be shown in particular that the Froude number is not a criterion to deduce the intensity of the induced tidal bores sediment transport.

Recent observations have identified a new species of leucothoid amphipod, Leucothoe “sp. F,” associated with the sponge Cliona varians. This project examined the relationship between this amphipod and its sponge host at three sites in the Florida Keys with differing hydrodynamic regimes. Ninety-eight sponge samples with a total of 2,030 amphipods were collected between December 2011 and September 2012. Leucothoe “sp. F” is currently a common species in the Florida Keys strongly associated with C. varians; its distribution strongly coincides with open tidal currents from the Gulf of Mexico. Seasonality, depth, and tidal regimes not only influence population dynamics and sexual characteristics of Leucothoe “sp. F,” but also the abundance and volume of its host.

Ce mémoire traite de la problématique d’hybridation éolienne-hydrolienne. Elle pose d’abord l’hypothèse d’une éolienne basée sur une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) et une hydrolienne utilisant une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). Puis, elle présente la modélisation des différents éléments qui composent chacune des chaines de conversion, de la turbine à la connexion au réseau en passant par la machine électrique et les convertisseurs statiques. Des stratégies de commande y sont aussi développées. Celles-ci permettent d’extraire le maximum d’énergie tout en tenant compte des limites des systèmes. La thèse étudie également deux possibilités de couplage d’une éolienne et hydrolienne qui toutes deux utilisent une MSAP. Les résultats de simulation obtenus des modèles que nous avons développés dans l’environnement Matlab/Simulink/ SimpowerSystem permettent de valider les stratégies de commande utilisées et de conclure qu’un bon choix serait d’opter pour le couplage au niveau du bus continu. / AThis thesis addresses the problem of wind-tidal turbines hybridization. It first raises the hypothesis of a wind turbine based on Synchronous Permanent Magnet Machine (PMSM) and a tidal using a Double-Fed Induction Generator (DFIG). So, it presents the modeling of different elements that make up each system studied, from the turbine to the network connection through the electric machine and static converters. Control strategies are also developed. These are used to extract the maximum energy while taking into account the limitations of the systems. The thesis also examines two possible coupling of wind and tidal turbines which both use a PMSM. The simulation results of the models that we have developed in Matlab / Simulink / SimpowerSystem allow to validate the control strategies and conclude that a good choice would be to opt for coupling to the DC bus.

Damming disrupts natural sediment flow to downstream resulting in legacy sediment accumulation. Legacy sediments have been well investigated in streams throughout the Piedmont region; however, there is no research of legacy sediments following dam removal in low-gradient Coastal Plain streams. Research objectives were to: characterize legacy sediments in a low-gradient stream restoration, quantify pre-impoundment accretion and carbon dynamics, and assess current sediment deposition rates via 14C analyses within sediment cores and sediment collection tiles. Carbon accumulation and accretion rates of modern tidal sediment have reached that of the tidal relic benchmark and current sediment deposition rates are similar between the natural reference and restored tidal wetlands. At this site, the pattern of legacy sediment accumulation and stream incision was reversed relative to previous studies in higher gradient systems. Results suggest in dam impacted Coastal Plain streams, legacy sediment may become a benefit rather than a liability for downstream tidal wetlands.

Cette thèse cherche à déterminer l’influence de l’environnement abiotique sur la structure des assemblages de poissons dans les estuaires européens tidaux à partir d’une approche macroécologique. L’environnement abiotique de 135 estuaires, du Portugal à l’Ecosse, est caractérisé par une quinzaine de descripteurs en utilisant une approche écohydrologique. Les assemblages de poissons d’une centaine d’estuaires sont caractérisés par les données de pêche acquises au cours de campagnes scientifiques conduites dans le cadre de la Directive-Cadre européenne sur l’Eau (DCE). Néanmoins, ces données sont souvent hétérogènes du fait des différences entre les protocoles d’échantillonnage utilisés. Afin de limiter cette hétérogénéité, une sélection rigoureuse et une procédure de standardisation des données ont été effectuées. Les assemblages de poissons sont décrits à l’aide d’indices globaux ou fonctionnels relatifs à la richesse spécifique et à l’abondance. A l’aide de modèles linéaires généralisés, des relations sont établies entre des attributs de l’ichtyofaune et des gradients abiotiques à large échelle et au sein de l’estuaire. La richesse spécifique totale, et en particulier celle des espèces marines et migratrices amphihalines, augmente avec la taille de l’estuaire. De plus, elle apparaît plus élevée dans les estuaires associés à un large plateau continental. Les plus fortes densités totales et, en particulier, celles des espèces résidentes et marines, sont associées aux estuaires présentant une grande proportion en zones intertidales. Les assemblages de poissons estuariens apparaissent fortement structurés par le gradient de salinité à la fois en termes de richesse spécifique et de densité. En parallèle, cette thèse apporte des éléments témoignant d’un décalage vers le Nord de plusieurs espèces de poissons estuariens dans le contexte du réchauffement climatique global. Les résultats de cette thèse contribueront à l’amélioration des indicateurs biotiques basés sur l’ichtyofaune qui sont actuellement développés dans le contexte de la DCE. / Based on a macroecological approach, this thesis aims at determining the influence of the abiotic environment on the structure of fish assemblages among European tidal estuaries. The abiotic environment of 135 North-Eastern Atlantic estuaries from Portugal to Scotland was characterised by fifteen descriptors using an ecohydrological approach. The fish assemblages of about a hundred estuaries were characterised by fish data collected during scientific surveys conducted in the context of the European Water Framework Directive (WFD). Nonetheless, differences among sampling protocols resulted in highly heterogeneous datasets. To limit this heterogeneity, a rigorous selections and standardisation processes were carried out. Fish assemblages were described by total or functional indices related to species richness or abundance. Relationships were identified between large-scale and intra-estuarine abiotic gradients and fish attributes by fitting generalised linear models. Results showed that the total number of species, and more especially of marine and diadromous species, increased with the estuary size. Moreover, the total species richness appeared higher in estuaries associated to a wide continental shelf. The greatest total densities, and more particularly total densities of resident and marine species, were associated to estuaries with a great proportion of intertidal areas. Fish assemblages appeared also strongly structured by the salinity gradient in terms of both species richness and density. Furthermore, this thesis brought some evidence of northward migration of estuarine fish species in the context of the global warming. The results of this thesis will contribute to improve the fish indicators that are currently developed in the context of the European WFD.

Les facteurs environnementaux (physiques, chimiques et biologiques) influencent la composition des communautés de phytoplancton marin. D'autre part, le transport dynamique peut lui aussi impacter l'abondance relative des organismes au sein de ces communautés. Par conséquent, les biomasses phytoplanctoniques, ainsi que la nature des organismes qui les composent, présentent une importante variabilité à la fois sur le plan spatial (biorégionalisation) et sur le plan temporel (successions). Les régions côtières sont des zones particulièrement contrastées dans lesquelles les gradients environnementaux sont généralement marqués. Ainsi, la mer d'Iroise se caractérise par la présence d'un front de marée saisonnier (front d'Ouessant), particulièrement productif, qui sépare deux régimes distincts. A l'Est du front, les eaux du plateau continental sont régulièrement rendues homogènes par la présence de forts courants de marée alors que la zone du large est soumise à un cycle saisonnier marqué par une stratification verticale estivale. Il s'agit donc d'une région propice à l'étude plus générale des mécanismes d'interaction entre les structures frontales et la diversité phytoplanctonique.L'objet plus spécifique de cette thèse est de caractériser, à l'aide de la modélisation 3D, la nature et la diversité du phytoplancton en mer d'Iroise, à la fois en termes de groupes fonctionnels puis de diversité phénotypique, au cours d'un cycle saisonnier en général et plus particulièrement lors de la période estivale au niveau de la zone frontale.Les premiers résultats obtenus ont montré que la composition en groupes fonctionnels du phytoplancton présente un cycle saisonnier marqué, principalement influencé par la profondeur de la couche de mélange. Durant l'hiver, le picoplancton domine partout dans la zone d'étude. La stratification, qui s'installe à partir du mois d'Avril entraîne par la suite un bloom phytoplanctonique dominé par le microphytoplancton (principalement des diatomées). La période estivale correspond ensuite à la mise en place d'une bio-régionalisation des conditions environnementales en mer d'Iroise avec (i) la zone côtière mélangée qui reste fortement productive et dominée par les diatomées et (ii) la zone offshore, dans laquelle la croissance autotrophe est limitée par les nutriments en surface, ce qui favorise la coexistence entre microphytoplancton et picophytoplancton.Une seconde étude a porté sur la composition de la communauté phytoplanctonique en termes de diversité phénotypique pendant le mois de septembre. Les résultats mettent en évidence une zone de forte diversité en surface, légèrement décalée vers l'Ouest par rapport à la zone frontale (dans laquelle la biomasse est maximale). Au niveau de ce maximum de diversité, l'importance des échanges verticaux (upwelling et mélange) du côté chaud (stratifié) du front a été mise en évidence. Ainsi, un mélange entre des phénotypes ubiquistes présents dans la zone mélangée à l'Est du front et du picoplancton, issu à la fois du maximum de chlorophylle de subsurface et de la surface oligotrophe à l'ouest, est observé dans le maximum de diversité.Finalement, une dernière étude portant sur l'effet du cycle de marée vives eaux/ mortes eauxa permis de comprendre, et ce pour la première fois, les processus qui expliquent l'impact de ce cycle sur la modification de la biomasse phytoplanctonique et sur la composition de la communautéen terme de diversité phénotypique dans le système côtier homogène. Les résultats montrent une augmentation de la biomasse totale ainsi que de la proportion de diatomées et une diminution de la diversité lors des périodes de stratification associées aux mortes eaux. / Phytoplankton diversity depends on physical, chemical and biological local conditions. Moreover, physical transport could also impact the distribution of autotrophic organisms/species within phytoplankton communities. Therefore, phytoplanktonic assemblages exhibit significant spatial (bioregionalization) and temporal (successions) variability in terms of species diversity as well as productivity. Coastal regions are particularly contrasted area with sharp environmental gradients underlying strong heterogeneity in phytoplankton communities' composition. In this context, the Iroise Sea presents a seasonal, highly productive, tidal front, which separates two distinctregimes. Eastside, continental shelf waters are regularly mixed by tidal currents while offshore waters remain stratified throughout the whole summer period.Thus, the Iroise Sea may be an opportune region to study the processes linking the frontal structure dynamic and its impact on phytoplanktonic diversity.This thesis aims, more specifically, at characterizing phytoplankton communities in the Iroise Sea interms of both functional and phenotypic diversity over a seasonal cycle in general and during the summer at the frontal interface in particular. This work is based on a 3D numerical modeling approach using a physical/biogeochemical coupled model. As a first part of this thesis, the implementation of a regional configuration for the Iroise Sea has been conducted, including the technical coupling between the hydrodynamical model (ROMS-AGRIF) and the phytoplankton diversity model (DARWIN). This work was the first necessary step to simulate and study the Iroise sea phytoplanktonic diversity.Our results show a pronounced seasonal cycle of the phytoplankton functional composition, driven by the surface mixed layer depth that influenced light and nutrients' availabilty. Indeed, during winter, the biomass is dominated by picoplankton in the Iroise Sea. Then, as water column becomes stratified offshore, in April, a characteristic phytoplankton bloom occurs with a larger contribution of microphytoplancton (mainly diatoms). During summer, the nutrient-replete coastal well-mixed area remains highly productive and dominated by diatoms while surface stratified offshore waters (where phytoplankton growth is nutrient-limited) show higher coexistence between phytoplankton functional types.We also examined the phytoplankton phenotypic diversity simulated within the frontal region in relation with the surrounding areas in September (summer conditions). The results highlight a diversity maximum located at the surface slightly westward from the biomass maximum of the front. This diversity maximum is suggested to be the result of the upward transport of typical phenotypes from the offshore Deep Chlorophyll Maximum (DCM) toward the Surface at the west warm side of the front. Indeed, picoplanktonic phenotypes growing in the DCM coexist, in this diversity maximum, with those from the surface oligotrophic waters and ubiquitous ones growing in the eastside mixed coastal waters.Finally, the effect of tidal spring/neap tide cycle has been investigated and shows, for the first time, how this cycle impacts the phytoplankton biomass and the phenotypic community composition within the coastal well-mixed, homogeneous system. Indeed, the neap-tide conditions of reduced vertical mixing and stabilization lead to an increase in total phytoplankton biomass associated with the rapid development of fast-growing, opportunistic, diatoms species and a decrease in phenotypic diversity.

Cette thèse présente les trois approches : analytique, expérimentale et numérique développées pour étudier le comportement d'une hydrolienne à membrane ondulante. Cette technologie, portée par l'entreprise EEL Energy, est basée sur les déformations périodiques d'une structure flexible pré-contrainte. Des convertisseurs d'énergie, positionnés de part et d'autre du système, sont actionnés par le mouvement d'ondulation.Analytiquement, la membrane est représentée par un modèle linéaire de poutre à une dimension et l'écoulement par un fluide potentiel 3D. L'action du fluide sur la membrane est évaluée par la théorie des corps élancés. L'énergie est dissipée de façon continue sur la longueur de la membrane. Expérimentalement, un prototype à l'échelle 1/20ième a été développé, des micro-vérins permettent de simuler l'énergie produite. Les essais avec le prototype1/20ième ont permis de valider le concept d'hydrolienne à membrane ondulante et le mode de récupération d'énergie. Un modèle numérique 2D éléments finis a été mis au point. Chaque élément constitutif de la membrane y est reproduit, la dissipation d'énergie est réalisée par des éléments dissipatifs mais la loi d'amortissement est limitée à un amortissement linéaire en vitesse.La comparaison des résultats issus de ces trois modèles a permis de valider leur bonne capacité à reproduire le comportement de la membrane sans conversion d'énergie. La dissipation d'énergie appliquée avec le modèle analytique se distingue clairement des deux autres modèles de part sa localisation mais aussi par la loi d'amortissement utilisée. Les autres modèles sont cohérents entre eux et si on ne parvient pas à corréler les résultats de puissance dissipée, le comportement du système et la répartition de la puissance dissipée le long de la membrane sont semblables. Ces trois approches ont permis de mettre en avant les paramètres clés dont dépend le comportement de la membrane et l'étude paramétrique démontre la complémentarité et l'intérêt du développement conjoint des modèles dans un souci industriel d'optimisation du système. Le développement d'un prototype à l'échelle supérieure (1/6ème), devant faire le lien entre les essais en bassin et les essais en mer, a permis de travailler sur les effets d'échelle. Des différences de comportements sont observées entre ces deux prototypes mais elles sont dues en partie à des différences de conditions aux limites et en partie à des effets de confinements très importants. Pour évaluer la tenue sur le long terme du prototype, ses composants (composite, élastomère) ont été caractérisés précisément et des essais de vieillissement accéléré par température ainsi que des essais de fatigue ont été mis en place sur des échantillons de matière. / This manuscript presents three approaches : analytical, experimental and numerical, to study the behavior of a flexible membrane tidal energy convertor. This technology, developed by the EEL Energy company, is based on periodic deformations of a pre-stressed flexible structure. Energy convertors, located on each side of the device, are set into motion by the wave-like motion.In the analytical model, the membrane is represented by a linear beam model at one dimension and the flow by a 3 dimensions potential fluid. The fluid forces are evaluated by the elongated body theory. Energy is dissipated all over the length of the membrane. A 20th scale experimental prototype has been designed with micro-dampers to simulate the power take-off. Trials have allowed to validate the undulating membrane energy convertor concept. A numerical model has been developed. Each element of the device is represented and the energy dissipation is done by dampers element with a damping law linear to damper velocity.Comparison of the three approaches validates their ability to represent the membrane behavior without damping. The energy dissipation applied with the analytical model is clearly different from the two other models because of the location (where the energy is dissipated) and damping law. The two others show a similar behavior and the same order of power take off repartition but value of power take off are underestimated by the numerical model. These three approaches have allowed to put forward key-parameters on which depend the behavior of the membrane and the parametric study highlights the complementarity and the advantage of developing three approaches in parallel to answer industrial optimization problems.To make the link between trials in flume tank and sea trials, a 1/6th prototype has been built. To do so, the change of scale was studied. The behavior of both prototypes is compared and differences could be explained by differences of boundary conditions and confinement effects. To evaluated membrane long-term behavior at sea, a method of aging accelerated by temperature and fatigue tests have been carried out on prototype materials samples immerged in sea water.

Long term sustainability in salt marsh and mangroves is dependent on dominant species, such as Spartina alterniflora, to capture organic and inorganic sediment. The research analyzes that sustainability. This work demonstrates the prediction of hydrodynamics and biomass density of salt marsh to provide useful information for the planning and mitigation of sea-level rise impacts on marsh sustainability in the Guana Tolomato Matanzas National Estuarine Research Reserve (GTMNERR), Florida. An advanced circulation code was applied to simulate hydrodynamics (i.e., shallow water equations) in the GTMNERR. The model used a set of parameters and conditions based on the GTMNERR domain to predict tides for present-day conditions, which was validated using tidal data from eight monitoring stations within the GTMNERR. The hydrodynamic model results (i.e., MLW and MHW) were then coupled with a marsh equilibrium model to assess year-to-year biomass density for saltmarsh cordgrass (Spartina alterniflora). Vegetative data were obtained from the staff of the GTMNERR and organized for future work towards validation of biomass density predictions. Simulations were then performed with sea-level rise scenarios of 0.13 m, 0.22 m and 0.51 m, which are standardized cases of mild, moderate, and extreme rise for the northeast coast of Florida. The simulation results show nonlinear increase of tidal datums for given sea-level rise, thus leading to nonlinear change in biomass productivity. The modeling tool has engineering implications in the way of assisting the planning of dredging spoils to be laid over the marsh to sustain existing marsh against rising sea levels. The modeling tool further provides information about marsh migration due to sea-level rise, whereby coastal planners can use this information to designate and preserve existing uplands/wetlands that will house salt marsh in the future, as the marshes will migrate into such upland/wetlands areas.

The tidal influence on the Big Pine Key saltwater/freshwater interface was analyzed using time-lapse electrical resistivity imaging and shallow well measurements. The transition zone at the saltwater/freshwater interface was measured over part of a tidal cycle along three profiles. The resistivity was converted to salinity by deriving a formation factor for the Miami Oolite. A SEAWAT model was created to attempt to recreate the field measurements and test previously established hydrogeologic parameters. The results imply that the tide only affects the groundwater within 20 to 30 m of the coast. The effect is small and caused by flooding from the high tide. The low relief of the island means this effect is very sensitive to small changes in the magnitude. The SEAWAT model proved to be insufficient in modeling this effect. The study suggests that the extent of flooding is the largest influence on the salinity of the groundwater.