Ce travail porte sur l'évolution morphologique des profils transversaux des plages sableuses soumis à l'action de houles irrégulières. L'étude s'appuie sur de la modélisation physique menée dans le canal du LEGI (36 m). L'originalité consiste en l'utilisation d'un sédiment de faible densité permettant de respecter les lois d'échelle et d'obtenir des plages expérimentales en similitude avec des plages observées en nature. Le concept de plage à l'équilibre morphologique pour un climat de houle donné a pu être vérifié et la classification de Wright & Short (1984) est ici raffinée dans le domaine des nombres de Dean intermédiaires (1

La morphologie des rivières met en jeu deux composantes physiques aujourd'hui encore mal comprises: l'hydrodynamique au-dessus d'un fond érodable et la dynamique du transport sédimentaire. Nous avons mis à jour deux problèmes touchant aux rivières et éclairant chacun de ces aspects. Nous avons abordé le problème de la sélection de la largeur des rivières de manière expérimentale, en confrontant mesures de terrain et résultats de laboratoire. Nous avons montré que la loi de puissance reliant largeur et débit résulte d'une dynamique locale et non de l'auto-organisation des bassins versants. Nous avons analysé les champs de vitesse moyenne et montré que la diffusion transverse de quantité de mouvement, habituellement négligée, doit être prise en compte pour reproduire les mesures expérimentales. Pour étudier la formation de rides et de dunes sur le lit des rivières, nous avons effectué l'analyse de stabilité linéaire d'un lit sableux cisaillé par un écoulement turbulent. Pour ce faire, nous avons calculé l'écoulement turbulent au dessus d'un relief et caractérisé l'effet des différents mécanismes physiques (inertie, rugosité hydrodynamique, fluctuations turbulentes, surface libre). Nous avons montré que les rides se forment par instabilité linéaire et que la longueur d'onde à laquelle elles apparaissent est contrôlée par la longueur de relaxation du transport de sédiments. A l'inverse, les dunes se forment par coalescence progressive de structures, cette évolution non-linéaire étant limitée par l'effet stabilisant de la surface libre. Enfin, le formalisme général que nous avons adopté nous a permis de transposer cette étude théorique à la formation des dunes géantes dans les déserts.

L'altération chimique de la croûte terrestre fournit à l'ensemble des cycles bio-géochimiques de la surface les éléments essentiels à leur fonctionnement. L'érosion de grands orogènes, comme la chaîne Himalayenne s'accompagne de flux d'érosion et d'altération significatifs, susceptibles d'avoir un impact à l'échelle globale. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment les processus physiques et chimiques façonnent le signal sédimentaire afin de quantifier l'érosion et l'altération actuelle ainsi que leur variations passées. L'étude détaillée de la dynamique du transport sédimentaire et des caractéristiques physiques et géochimiques des sédiments dans le bassin du Gange montre qu'actuellement environ 10 % du flux sédimentaire érodé en Himalaya est séquestré dans la plaine alluviale du Gange. L'utilisation des isotopes cosmogéniques (10Be) dans les sédiments de rivières montrent des taux d'érosions stables entre 1.3 et 1.4 mm par an pour l'ensemble de la chaîne drainée par le Gange. De plus, le transfert de sédiments dans la plaine s'accompagne d'un appauvrissement en éléments mobiles marquant l'altération chimique de ceux-ci. Cette altération a été quantifié et suggère que la plaine du Gange joue un role dominant dans l'altération des sédiments Himalayens. Les échanges cationiques lors du passage des sédiments au domaine marin restent limités dans le cas du système Himalayen et ne permettent d'augmenter le bilan de stockage de carbone à long terme que de 20 % environ. Enfin, l'enregistrement de la Baie du Bengale, qui couvre les produits issus de l'érosion Himalayenne sur les derniers 20 000 ans, montre que les sédiments exportés au Dernier Maximum Glaciaire (DMG) étaient significativement moins altérés qu'à l'actuel. Le système Himalayen n'est donc pas tamponné vis-à-vis des forages climatiques à haute fréquence du Quaternaire et les taux d'altération actuels ne peuvent très extrapolés dans le passé. / Chemical weathering of the earth crust supplies the essential elements for numerous biogeochemical cycles. Physical erosion of large orogens, such as the Himalayan range, is accompanied by significant weathering fluxes possibly affecting the global environment. The objective of this PhD is to understand how surface processes affect river sediment properties in order to asses current erosion and weathering rates but also to decipher their past variations. To answer this question we studied the transport dynamics, the physical and the geochemical characteristics of the sediments in the Ganga basin. This study suggests that about 10 % of the flux eroded in the Himalayas is currently stored in the Ganga floodplain. Cosmogenic isotopes (10Be) measured in river sediments show stable erosion rates between 1.3 and 1.4 mm/yr for the entire Himalayan range drained by the Ganga. Furthermore, we show that River sediments are progressively depleted in the most mobile elements, as weathering proceeds during transfer in the floodplain. By comparing this flux to the weathering flux of the Himalayan range, we show that floodplain weathering is predominant in weathering Himalayan sediments. Cation exchange occurring when Ganga and Brahmaputra (G&B) sediments enter the marine environment are limited and enhances the long term carbon storage, linked to silicate weathering by only ca. 20 %. Finally, the Bay of Bengal sedimentary record, which documents the last 20 000 years of Himalayan erosion shows that the sediments exported during the last glacial maximum (LGM) were significantly less weathered compared to the sediments currently exported. The Himalayan system is thus not buffered towards the high frequency climate forcing changes of the Quaternary and modern weathering rates cannot easily be extrapolated over the past.

Les ondes de batillage générées par l’avancement des bateaux détruisent les rives des voies navigables et accélèrent les phénomènes d’érosion aussi bien au niveau des berges qu’au niveau du fond du canal. Leurs caractéristiques cinématiques dépendent de la vitesse, de l’enfoncement, du chargement du bateau et également de la profondeur de la voie navigable. En outre, les masses d’eau accélérées par l’immersion des bateaux et par leur système propulsif, induisent la remise en suspension d’une grande quantité de sédiments et provoquent l’érosion du fond de la voie navigable.Dans cette thèse, un modèle numérique 3D est présenté pour simuler la génération de ces ondes de batillage. Ce modèle, basé sur les équations de Navier-Stokes (RANS), a été couplé à un modèle d’advection-diffusion 3D pour caractériser la répartition et le mode de transport sédimentaire au passage du bateau. Ce couplage est mis en oeuvre avec prise en compte des effets des hélices du système propulsif du bateau. / Ship-generated waves in restricted waterways lead to the stream banks erosion and cause environmental damage which harms fish, plants, benthos, plankton, etc. They also alter the channel morphology because of the resuspension and transport of bed material by accelerated flows caused by moving-ships. The magnitude of these waves depends mainly on the geometrical and kinematical parameters of the convoy.The objective of this study is to predict the relationship between these geometrical and kinematical parameters and the amplitude of ship-generated waves as well as the water plane drawdown. Numerical simulations are conducted by solving the 3-dimensional Navier-Stokes equations along with the k-ε model for turbulent processes. The results are compared firstly with the empirical models and secondly with experimental measurements performed by the French Compagnie Nationale of Rhône (CNR). The exitance of the propeller increases the sediment in suspension. Therefore, the relationships between the re-suspended sediments and the advancing speeds of the convoy, the wakes generated by the moving convoy, as well as the number of barges are studied by adding 3D advection-diffusion equation and a propeller model.

Cette thèse a pour objet le développement d’un modèle de transport sédimentaire avec la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Si les modèles couramment proposés dans la littérature reposent sur un solveur hydrodynamique couplé à des lois semi-empiriques qui modélisent le transport sédimentaire, une approche différente est proposée ici. Dans le modèle proposé dans ce travail, la dynamique du sédiment est également résolue. Celui-ci est assimilé à un milieu continu dont la loi de comportement rend compte de la nature granulaire.Pour ce faire, le modèle élastique-viscoplastique d’Ulrich (2013) a été implémenté dans un code SPH préexistant programmé en langage Cuda, et amélioré du point de vue physico-numérique. Le comportement mécanique du sédiment dépend donc d’une contrainte de rupture déterminée conformément au critère de Drucker-Prager. Dans les zones du matériau où la rupture n’a pas eu lieu, les contraintes de cisaillement sont calculées selon la loi de Hooke généralisée. Dans les zones où la contrainte de rupture a été dépassée, le matériau est assimilé à un fluide rhéofluidifiant. Numériquement, la transition entre les deux états est opérée à l’aide d’une fonction de raccord qui dépend notamment du l’amplitude du taux de déformation et des propriétés granulaires du sédiment.L’eau et le sédiment sont modélisées comme deux phases immiscibles, dans le cadre d’une formulation SPH multi-phase. Pour ce faire, le modèle de Hu et Adams (2006) a été adapté aux modèles de conditions limites semi-analytiques (Ferrand, 2013). Enfin, un schéma d’intégration implicite des forces visqueuses a été développé dans ce contexte, afin d’améliorer les performances du solveur lors de modélisation d’écoulement à bas Reynolds.Plusieurs cas tests sont proposés pour valider le modèle multiphasique, le schéma implicite et le modèle élastique-viscoplastique. De manière générale, les résultats sont en bon accord avec les données expérimentales et analytiques. Le modèle permet de représenter des écoulements multi-fluide avec une bonne précision, même en présence de grand rapport de densité entre les phases. Il en va de même pour les écoulements de fluide non-newtonien et les écoulements à bas Reynolds, pour lesquels le schéma implicite conduit à des résultats très satisfaisants. Enfin, le modèle élastique-viscoplastique a été appliqué à divers cas d’écoulements granulaires, dans le cas d’un matériau sec et saturé, ainsi qu’à des cas d’érosion et d’affouillement. Là encore, les résultats sont globalement en bon accord avec l’expérience / This thesis presents the development and application of a Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model to bed-load transport. While state of the art simulation methods commonly rely on a fluid dynamics solver coupled to semi-empirical relationships to model the sediment transport, a completely different approach is investigated in this work. The sediment is treated as a continuum whose behaviour law takes account for its granular nature. citepos{ulrich2013smoothed} elastic-viscoplastic model is thus implemented in an in-house code based on the Cuda language, and improved on physical and numerical aspects. The sediment behaviour depends on a yield stress determined according to Drucker-Prager's criterion. In unyielded regions, the shear stresses are calculated in line with the linear elastic theory. In yielded regions, a shear thinning rheological law is used and the transitions between solid and liquid states are ensured by a blending function driven by the strain rate magnitude and sediment granular properties. Water and sediment are modelled as two immiscible phases in the frame of a multi-phase SPH model with semi-analytical wall boundary conditions cite{ferrand2013unified}. An implicit viscous forces integration scheme is also developed to improve the code performance as for low-Reynolds flows.The multi-phase model, as well as the implicit viscous forces integration scheme, were validated on analytical test cases and good agreement was obtained. The multi-phase formulation has also proven its capability to handle flows involving high density ratio, while the implicit viscous forces integration scheme was successfully applied to the simulation of a non-Newtonian flow. The elastic-viscoplastic model was tested on dry and submerged granular flow problems. The model was able to correctly capture the liquid and solid states of the granular material, as well as the failure and the regime transitions. It was also applied to bed-load transport problems for which a good agreement with the experiment was generally found

Les mécanismes d'envasement et la stabilité des talus vaseux sont fortement conditionnés par le comportement de sols argileux à forte teneur en eau. Situés à la frontière entre l'état liquide et l'état solide, ces matériaux sont évolutifs et possèdent des caractéristiques complexes. La modélisation de la formation et de la dégradation des massifs vaseux a été étudiée en se focalisant sur les processus de dépôt et de consolidation sous poids propre et sur l'apparition de glissements. Nous avons développé un modèle basé sur la théorie de Gibson qui gère l'évolution des dépôts vaseux soumis à la chute entravée et à la consolidation. Il a été intégré dans un système de modélisation hydrosédimentaire. Une application a été réalisée sur l'estuaire de la Rance. Les échanges entre la suspension et le fond sont simulés plus fidèlement avec le nouveau modèle de gestion des dépôts vaseux. La carte des dépôts et la distribution de matières en suspension simulées ont été fortement modifiées. Un modèle numérique de talus basé sur un calcul par éléments finis a été conçu pour étudier l'influence de différents chargements mécaniques sur l'apparition de glissements. Une application a été réalisée sur les berges de la Sèvre Niortaise. Parallèlement à l'étude de modélisation, des essais de laboratoire et des mesures in situ ont mis en évidence le rôle des phénomènes de retrait/gonflement dans la dégradation des berges.

Ce travail concerne la morphodynamique de la plage macrotidale Omaha beach en Normandie. L'objectif est d'étudier l'évolution morphologique des barres intertidales à partir de mesures topographiques et hydrodynamiques selon deux échelles temporelles complémentaires. A court-terme (échelle du cycle tidal à la semaine), la morphologie est conditionnée par l'intensité de l'agitation modulée par les cycles tidaux. En faible agitation, la migration des barres vers le haut de plage est générée par des transferts de sables du revers vers le talus dans la zone de swash et de déferlement. Une augmentation de l'agitation s'accompagne d'une intensification du courant de retour et peut entraîner l'érosion des barres de la partie supérieure de la plage. A moyen terme (échelle mensuelle à annuelle), les barres intertidales présentent un comportement morphodynamique séquentiel. Les phases d'accrétion correspondent à des périodes de faible agitation pendant lesquelles les barres se construisent et migrent vers le haut de plage à une vitesse inférieure à 1 m par jour. A l'inverse, les phases de destruction résultent des tempêtes dont l'action érosive est modulée par le niveau tidal et la morphologie pré-existante. L'alternance de ces phases est liée à l'exposition particulière de la plage d'Omaha beach vis à vis des vents dominants. Une dynamique longitudinale des barres et des chenaux de drainage associés est également mise en évidence. C'est un facteur de déstabilisation des barres qui fragilise leur résistance à l'action des tempêtes. De plus, la présence des barres et leur évolution morphologique est la traduction topographique de réorganisations d'un stock sableux intertidal stable. Les conditions d'apparition, de migration et de destruction des barres intertidales ainsi identifiées, l'évolution morphodynamique d'Omaha beach est alors schématisée sous la forme d'un modèle d'évolution et une hypothèse de formation des barres intertidales sur les estrans macrotidaux est proposée

Ce travail porte sur la morphodynamique d'un banc de galets en rivière de montagne aménagée, l'Arc (Maurienne, France). L'analyse s'appuie sur des observations de terrain détaillées menées lors de trois chasses de dégravage et d'une crue naturelle. Des méthodes de suivi innovantes ont été exploitées et améliorées (LS-PIV et analyse de photographies aériennes). A partir des observations expérimentales, une description du transfert des matières en suspension dans le cours d'eau est proposée pour les chasses. Les modifications morphologiques du banc de galets sont interprétées sur les quatre épisodes de débit important, mais aussi sur les périodes inter-événements. Au cours du temps, un renforcement du banc est observé, malgré les effets d'érosion/dépôt antagonistes des événements, crue ou chasse, et des érosions marquées de chenaux de jonction transversaux à la surface du banc. Les dépôts de sédiments fins à la surface du banc ont été évalués. D'autre part, des modélisations numériques bidimensionnelles avec le code Rubar20TS ont été<br />utilisées pour modéliser les écoulements hydro-sédimentaires pour une chasse et une crue naturelle. Les modifications morphologiques calculées pour une chasse sont qualitativement proches de celles observées.

Les ondes de batillage générées par l'avancement des bateaux détruisent les rives des voies navigables et accélèrent les phénomènes d'érosion aussi bien au niveau des berges qu'au niveau du fond du canal. Leurs caractéristiques cinématiques dépendent de la vitesse, de l'enfoncement, du chargement du bateau et également de la profondeur de la voie navigable. En outre, les masses d'eau accélérées par l'immersion des bateaux et par leur système propulsif, induisent la remise en suspension d'une grande quantité de sédiments et provoquent l'érosion du fond de la voie navigable.Dans cette thèse, un modèle numérique 3D est présenté pour simuler la génération de ces ondes de batillage. Ce modèle, basé sur les équations de Navier-Stokes (RANS), a été couplé à un modèle d'advection-diffusion 3D pour caractériser la répartition et le mode de transport sédimentaire au passage du bateau. Ce couplage est mis en oeuvre avec prise en compte des effets des hélices du système propulsif du bateau.

La morphologie de l’île tropicale volcanique de la Réunion (Océan Indien) est caractérisée par des vallées fortement incisées et des structures pluri-kilométriques particulières de forme circulaire appelées « cirques ». Ces morphologies sont présentes à la fois sur les flancs du volcan éteint, le Piton des Neiges, et sur les flancs du volcan en activité, le Piton de la Fournaise. Elles témoignent des processus d’érosion et de transport sédimentaire intenses qui s’y produisent. L’intensité de ces processus est liée à la fois au relief prononcé et aux évènements météorologiques extrêmes, les cyclones, durant lesquels de fortes pluies provoquent un ruissèlement important sur les versants et les crues des rivières. Ces crues, d’un débit qui peut atteindre plusieurs milliers de mètres cubes d’eau par seconde, sont responsables d’un transport important des sédiments vers la côte. Dans ce travail, nous avons testé des solutions permettant de mesurer des volumes sédimentaires érodés et transportés par l’utilisation de données de télédétection multi-sources. En effet l’intensité des crues ne permet pas une mesure précise des volumes sédimentaires transportés par les rivières durant les cyclones, les appareils de mesures classiques ne résistant pas à ces évènements très énergétiques. Nous avons donc développé des méthodologies d’acquisition et de traitement de la topographie par LiDAR terrestre et par imagerie optique acquises depuis un ULM. Ces deux techniques ont été mises en oeuvre sur le terrain en mai 2014 et en mai 2015. De plus, afin d’étendre la période temporelle des observations nous avons valorisé les données d’archives d’imagerie aérienne qui existent depuis 1949 sur l’île. Nous avons calculé des MNT diachroniques, et nous avons développé une méthodologie de corrélation d’images SPOT-5 en contexte tropical fortement végétalisé.Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour explorer le potentiel de la télédétection afin d’affiner les connaissances sur les volumes de sédiments érodés et transportés en contexte volcanique tropical. / The morphology of the tropical volcanic island of la Réunion (Indian Ocean) is characterized by deeply incised canyons and plurikilometric structures with a circular shape called cirques. These morphologies are present both on the slope of the extinct volcano, the Piton des Neiges, and the active volcano, the Piton de la Fournaise, and are the consequence of intense sedimentary erosion and transport processes. The intensity of these processes is linked to the pronounced surface relief and to extreme meteorological events, such as cyclones, during which heavy rainfall causes significant runoff on hillslopes and subsequent river floods. During extreme floods, flows can reach several thousands of cubic meters per second, and is the primary mechanism responsible for the transport of sediment to the seashore.The intensity of extreme floods makes precise measurements of the sedimentary volumes transported by rivers during cyclones difficult because typical in-situ measuring devices are not able to withstand such energetic events. In this work, novel solutions to measure eroded and transported sedimentary material using multi-source remote-sensing data are evaluated. Methods were developed to acquire and process topographic data using terrestrial LiDAR and optical imagery, with photographs acquired from a microlight. These techniques were implemented on the island in May 2014 and May 2015. Furthermore, in order to extend the temporal observation period, archived aerial images acquired since 1949 over the island were used. Diachronic DEMs were processed and a methodology for SPOT-5 image correlation in a densely vegetated tropical context was developed.This work opens new possibilities to explore the potential of remote-sensing techniques in order to better understand the erosion and transport of sediment volumes in this tropical volcanic context.