Dans certains petits bassins versants de montagne, des évènements de pluie extrême peuvent engendrer de forts exports sédimentaires. Ce volume important de sédiment peut avoir un impact sur la gestion des ouvrages hydrauliques à l’aval de ces bassins. Aujourd’hui, pour représenter les processus d’érosion à l’échelle du bassin versant, des modèles conceptuels distribués sont majoritairement utilisés (CASC2D, SHETRAN, DWSM). Ces modèles sont basés sur des formules d’érosion globales et sont validés pour des maillages grossiers (> 30 m). D’un autre côté, il existe des modèles capables de représenter finement des processus d’érosion gravitaire, par des écoulements multiphasiques, principalement utilisés sur des cas à petite échelle. Ce travail de thèse propose le développement d’un modèle à base physique capable de représenter à la fois les transferts hydrauliques et l’hydrologie des bassins versants, les processus d’érosion gravitaire et de reprise/dépôt des sédiments dans le réseau hydraulique. Cela permettra de quantifier l’export sédimentaire à l’exutoire d’un bassin pour des tempêtes extrêmes, d’identifier des zones de fortes productions sédimentaires et des dynamiques de stockage des sédiments dans le réseau hydraulique afin d’aider à la gestion des bassins versants. Il s’agit dans un premier temps d’évaluer la résolution des équations de Saint-Venant pour du ruissellement avec des faibles hauteurs d’eau sur des fortes pentes. Pour diagnostiquer les différents schémas numériques que l’on peut trouver dans la littérature, un cas test, disposant d’une solution analytique des équations de Saint-Venant, représentant, un canal rectiligne sur lequel tombe une pluie constante est utilisé. Ce cas test comporte une zone sèche à l’amont et permet d’évaluer les propriétés clés qu’un schéma doit comporter pour représenter le ruissellement sur un bassin versant, à savoir la positivité des hauteurs d’eau, la transition entre zones sèches et mouillées, l’équilibre du lac au repos et la non limitation de la pente. Le schéma de Chen et Noelle (2017) est finalement choisi. Ensuite, avec l’ajout d’une loi d’infiltration de type Green-Ampt (1911), le modèle sera évalué dans sa capacité à représenter les hydrogrammes en sortie, mais surtout les vitesses locales d’écoulement sur des bassins versants réels. Pour cela, on évalue la part d’erreur provenant de la résolution numérique et de la modélisation physique du frottement de l’eau sur le fond au travers de quatre cas expérimentaux de l’échelle du laboratoire à un bassin de 1 km².Un modèle d’érosion gravitaire, basé sur les critères de détachement et de dépôt de Takahashi (2009), est couplé au modèle d’hydraulique global par une équation d’évolution du fond. L’évolution du stock de sédiment dans le réseau hydraulique est modélisée à l’aide d’une équation d’advection représentant les sédiments en suspension dans l’écoulement. Les lois classiques de dépôts de d’érosion de Krone et Parthéniades sont utilisées pour la reprise dépôt des sédiments dans le réseau.Le modèle d’érosion est ensuite validé sur le bassin versant du Laval (86 ha), instrumenté et surveillé par l’ORE Draix-Bléone, sur plusieurs évènements très érosifs. Le modèle est enfin appliqué à deux bassins non instrumentés mais à enjeu pour EDF, pour une étude de dimensionnement d’ovoïdes dans la vallée de la Durance / In some small mountain catchments, extreme rainfall events can lead to strong sediment exports. This large volume of sediment can have an impact on the management of hydraulic structures downstream these basins. Today, to represent erosion processes on a watershed scale, distributed conceptual models are mainly used (CASC2D, SHETRAN, DWSM). These models are based on global erosion formulas and are validated for coarse mesh sizes (> 30 m). On the other hand, there are models capable of finely representing gravity erosion processes, by multiphase flows, mainly used on small-scale cases. This thesis work proposes the development of a physics-based model capable of representing both hydraulic transfers and watershed hydrology, gravity-driven erosion processes and sediment erosion/deposition in the hydraulic network. This will quantify sediment export at the outlet of a basin for extreme events, identify areas of high sediment production and sediment storage dynamics in the hydraulic network to facilitate watershed management. The first step is to evaluate the resolution of the Saint-Venant equations for run off with low water depths on steep slopes. To diagnose the different numerical schemes that can be found in the literature, a test case, with an analytical solution of the Saint-Venant equations, representing a straight channel on which a constant rain falls is used. This test case includes a dry zone upstream and allows the evaluation of the key properties that a scheme must include to represent runoff over a watershed, such as positive water depths, the transition between dry and wet zones, the balance of the lake at rest and the non-limitation of the slope. The Chen and Noelle (2017) scheme is finally chosen.Then, with the addition of a Green-Ampt infiltration law (1911), the model will be evaluated in its ability to represent output hydrographs, but especially local flow velocities over real watersheds. For this, we evaluate the part of error coming from the numerical resolution and the physical modeling of the friction of the water on the bottom through four experimental cases from the laboratory scale to a basin of 1 km².A gravity erosion model, based on Takahashi's (2009) detachment and deposition criteria, is coupled to the global hydraulic model by a bottom evolution equation. The evolution of the sediment stock in the hydraulic network is modeled using an advection equation representing suspended sediments in the flow. The classic laws of Krone and Parthenades erosion and deposition are used for the recovery sediment deposition in the network.The erosion model is then validated on the Laval watershed (86 ha), instrumented and monitored by the ORE Draix-Bléone, on several very erosive events. Finally, the model is applied to two basins that are not instrumented but are of interest to EDF, for an ovoid dimensioning study in the Durance valley. Translated with www.DeepL.com/Translator

Le principal objectif de ce travail est de comprendre l'impact du changement de couverture des sols sur la production et le transport de sédiments dans le bassin du fleuve Niger moyen. Ceci a nécessité des approches comprenant l'étude de données hydrologiques (1929 – 2008), de couvertures des sols (1965 – 2000) et des données sédimentaires mesurées (2005 – 2008). L'étude est centrée sur deux sous-bassins sahéliens (le Gorouol et la Sirba) comparés avec un sous-bassin soudanien (la Mékrou). L'augmentation des surfaces de sol nu, mesurée par télédétection, accroît le transfert de sédiments au fleuve par ses affluents jaugés comme par ceux, éphémères et non-jaugés, connus sous le nom de «koris», dont le nombre et la taille s'est beaucoup accru depuis les années 70. Les caractéristiques des sédiments, surtout celles des matières en suspension (MES) ont été mesurées à dix stations sur le fleuve et certains de ses affluents afin de quantifier le flux de sédiment et d'identifier les sources principales de sédiment. L'analyse hydrologique démontre l'impact de la diminution des précipitations sur les débits, la récente période sèche ayant modifié le régime du fleuve à Niamey avec un impact sur la forme du chenal. L'analyse du flux sédimentaire le long le fleuve indique qu'il y a d'autres sources importantes de sédiments outre les affluents principaux. Une simulation de la capacité de transport fluvial par classe granulométrique a été effectuée en utilisant des paramètres hydrodynamiques obtenus à partir d'un modèle 1-D du fleuve. La comparaison de cette capacité avec les valeurs de MES mesurées permet de localiser les zones en équilibre et les zones de dépôt de sédiments.

Cette thèse se propose de définir les temps caractéristiques des processus d’altération à l'échelle de profil d'altération (bassin versant de Rio Icacos à Porto Rico) et de transfert sédimentaire subséquent dans les plaines alluviales (bassins du Gange et du Brahmapoutre). Cette problématique est abordée par l’analyse des nucléides des séries de désintégration radioactives de l’uranium-238. L’étude du système d’altération sphéroïdale développée sur le site de Porto Rico a permis de développer une méthode numérique de type quasi-Newton afin de résoudre le système d'équations qui rend compte du comportement des nucléides et du taux de formation de la saprolite et des couronnes d’altération.Pour les bassins du Gange et du Brahmapoutre, les sédiments ont été collectés sur différents affluents et à son exutoire. La variation des déséquilibres 238U-234U-230Th dans les sédiments, différente pour les sédiments en suspension et les sédiments à grains grossiers d’amont en aval, semble être une caractéristique générale des rivières himalayennes coulant dans la plaine Indo-gangétique. Par ce travail de thèse, nous avons montré l’utilité d’inclure l’analyse du 226Ra à l’analyse des autres nucléides de la chaîne de décroissance radioactive de l’238U (l’238U -234U-230Th 230Th) pour déterminer un taux d’altération dans un système bien défini. Néanmoins, l’étude du système du Brahmapoutre montre que la méthode proposée demande à être affinée car le transfert sédimentaire est un processus plus complexe dû à la variabilité minéralogique, granulométrique et à la dynamique sédimentaire (locale) des échantillons récoltés. / This thesis proposes to define the time-scales of weathering processes on a spheroidal weathering profile, (Rio Icacos watershed, Puerto Rico ) and the transfer time of sediments within alluvial plains (Ganges and Brahmaputra basins). This issue is addressed through the analysis of the nuclides of the 238U decay chain. The study of a spheroidal weathering system developed on the site of Puerto Rico permit to develop a limited memory quasi-Newton algorithm in order to solve the system of equations that reflects the behavior of nuclides and the rate of formation of the saprolite and the rindlet zone. For the Ganges and Brahmaputra basins, sediments were collected from different tributaries and their outlets. The variation of 238U - 234U - 230Th disequilibria in the sediments, with different variation trends for suspended and coarse-grained sediments, is probably a general feature of all Himalayan rivers flowing across the Indo-Gangetic plain. For this work, we have shown the usefulness of including the analysis of 226Ra analysis of other nuclides in the chain of radioactive decay of 238U (238U - 234U - 230Th) to determine the weathering rate in a well-defined system. Nevertheless, the study of the Brahmaputra system shows that proposed method needs to be refined as the sediment transfer is a complex process due to the mineralogical variability, size and (local) dynamics of sediments samples collected.

Cette étude présente les architectures et la dynamique sédimentaire de la pente carbonatée au nord de Little Bahama Bank (Bahamas) à partir des données de sondeur multifaisceaux, de sondeur de sédiments (Chirp) et de sismique multitraces Haute Résolution (HR) issues de la mission Carambar 1(2010). Une analyse morpho-sédimentaire de surface permet de définir les grands domaines physiographiques et les éléments architecturaux de la pente et précise la répartition spatiale des sédiments dans le contexte actuel de haut niveau marin relatif. Elle révèle une pente dominée par de la boue de périplate-forme avec différents niveaux d’induration et entaillée par des glissements et des canyons sous marins.La variabilité spatiale du transfert de boue depuis la plate-forme vers la pente, couplée à l’évolution latérale de l’intensité du courant des Antilles est à l’origine de grandes différences morphologiques d’est en ouest. Dans la partie occidentale, la pente est environ deux fois plus étendue que dans la partie orientale,elle s’apparente à un système progradant. La pente orientale, quant à elle, est marquée par des processus de bypass. En effet, cette partie est caractérisée par de nombreux canyons sous-marins se poursuivant par des sillons distributaires alimentant des zones de dépôts distales confinées. Une étude intégrée permet la caractérisation à haute résolution des glissements et des canyons et la proposition d’un modèle déformation. Ces éléments architecturaux sont initiés par des déstabilisations intra-pente et leur évolution est contrôlée par des épisodes d’érosion régressive, la sédimentation pélagique et les écoulements gravitaires boueux. Enfin, une analyse sismo-stratigraphique permet de reconstituer l’évolution tectono-sédimentaire de la pente de l’Albien à l’Actuel en lien avec le contexte géodynamique des Caraïbes, l’eustatisme et la production carbonatée sur la plate-forme. / This study focuses on the architectures and the sedimentary dynamic of a carbonate slope located on the northern part of Little Bahama Bank (Bahamas) using a dataset composed of multibeam echo sounder,subbottom profiler (Chirp) and High-Resolution (HR) multichannel seismic collected during the Carambar 1cruise (2010). A morpho-sedimentary surface analysis defines the physiographic domains and the architectural elements of the slope and investigates the spatial distribution of sediments in the context of the current sea-level highstand. It reveals a slope dominated by periplatform ooze with several levels of induration and incised by numerous slides and submarine canyons. The spatial variability of off-bank transport, combined with the lateral variability of the Antilles Current intensity, are at the origin of a morphological evolution from west to east in the study area. In the western part, the slope is around twice as large as the eastern part and can be considered as a prograding system. The eastern slope is marked by bypass processes. Indeed, numerous submarine canyons are visible on the seafloor and are connected to several shallow distributary furrows feeding confined depositional areas. An integrated study allows a high resolution characterisation of slides and submarines canyons and enables us to propose a model of formation. These architectural elements are initiated by intra-slope destabilisations and their evolution is controlled by phases of retrogressive erosion,pelagic sedimentation and muddy gravity flows. Finally, a seismo-stratigraphic analysis allow to reconstitutethe tectonic and sedimentary evolution of the slope since the Albian to the present-day by establishing a link with the geodynamic context of Caraïbes, relative sea-level changes and the carbonate production on the platform.