Cette thèse, à dominante expérimentale, tente de décrire, de comprendre et de quantifier le transport sédimentaire pour un système torrentiel caractérisé par une forte pente et des conditions hydrauliques faibles. Une plateforme expérimentale a été mise en place et instrumentée. Elle permet de contrôler quatre paramètres du système : la pente du canal, le débit hydraulique, le débit solide et la granulométrie. La durée des expériences est suffisamment longue pour couvrir l'ensemble des fluctuations gouvernant le transport. L'étude de l'évolution d'un même mélange granulaire soumis à un forçage hydraulique fort, (Shield = 1.37 Shield critique) ou à un forçage hydraulique faible (Shield = 0.94 Shield critique) a permis de mettre en évidence, au sein des structures sédimentaires observées, deux classes de comportement différentes. Pour l'expérience à Faible Transport, le lit est globalement pavé au cours de la durée de l'expérience qui est de 110 heures. Des structures de type step-pools sont présentes et très stables, et contrôlent la dynamique de transport du système à court terme et à long terme. A court terme, le transport solide n'est pas uniforme mais s'effectue à travers des processus transitoires d'érosion et de dépôt « de proche en proche », associés respectivement à la destruction et à la formation de step-pools dans le système. A long terme, les step-pools conduisent à un pavage uniforme sur l'ensemble du canal. Des destructions périodiques de ce pavage de surface sont également observées et sont associées à une capacité de transport pour le système pouvant atteindre jusqu'à 15 fois le débit solide moyen. Pour l'expérience à Fort Transport, d'une durée de 92 heures, la morphologie du lit fluctue entre deux états extrêmes. Un lit plat dont la surface est formée de particules fines, à forte capacité de transport et un lit pavé à forte pente et à faible capacité de transport. Les step-pools ne sont, ici, que des états éphémères associés à la phase de transition du système qui sont rapidement détruits par les nappes de charriage. Ces dernières sont le mode principal de transport pour le système et expliquent les évolutions cycliques mesurées à court et à long terme. Enfin, nous avons étudié les conséquences des phénomènes décrits ci-dessus en conditions hors équilibre à forte pente. Nous avons pour cela réalisé deux expériences : une première expérience où nous étudions le cas d'un système en phase d'aggradation et une seconde où nous prenons le cas d'un système contrôlé par deux seuils de correction torrentielle. La première a nécessité une longue période afin que le système atteigne une condition d'équilibre dynamique : plus que 210 heures. L'équilibre local du système est atteint progressivement de l'amont vers l'aval, les parties les plus proches de l'alimentation atteignant en premiers l'état d'équilibre. De plus, pendant l'aggradation les fluctuations du système autour de la moyenne sont inférieures à celles mesurées pour un système à l'équilibre. La seconde expérience a montré que l'aménagement d'un système torrentiel avec des seuils peut avoir un impact non négligeable sur la quantité maximum de matériau transporté au cours d'un seul événement. Néanmoins, l'intensité maximale instantanée du transport et le comportement global du système à long terme ne sont en rien affectés par la présence de seuils. / This experimental thesis aims to describe, understand and quantify the sediment dynamics of a torrential system, characterized by steep slope and low hydraulic conditions. An experimental platform has been developed and instrumented for monitoring the channel slope, the water discharge, the feed solid discharge and the bed grain size distribution. The duration of the experiments were sufficiently long to cover all the fluctuations governing the bedload transport phenomenon. Two flow conditions were considered, in order to observe the bed dynamic under different forcing. A strong hydraulic forcing capable to move the bed pavement (Shield parameter = 1.37 Critical Shield parameter) was compared to a low hydraulic forcing supposed to not disturb the bed pavement (Shield Parameter = 0.94 Critical Shield Parameter). We measured for each case the sediment dynamic and associated bedforms. For the “Low Transport” experiment the bed was generally paved over all the duration of the experiment (110 hours). Bedforms similar to step-pools developed and were present for all the duration of the run. These macroforms seems to control the transport dynamic of the system in the short and long term. In the short term, bedload transport was not uniform. Instead, transient processes of erosion / deposition associated with the formation / destruction of step-pools were observed. In the long term, step-pools lead to the formation of a uniform paved bed on the whole channel length. Periodic destruction of bed pavement was also observed and associated with a transport capacity that could reach 15 times the value of average measured bedload transport. For the “High Transport” experiment (92 hours) the channel morphology fluctuates between two extremes. A flat bed characterised by highly mobile fine sediments and high transport capacity, and a steep paved bed corresponding to a low transport capacity. For this experiment step-pools were just a transitory state associated with the transition between the two extremes and they are quickly destroyed by the bedload sheets propagation. Bedload sheets were the main transport mode for the system. Their formation and propagation can explain the cyclical evolution of the system in the short and long term. We finally studied the consequences of the observed phenomena for non-equilibrium systems on steep slopes. We conducted two experiments: one in order to reproduce an aggradational system and the second to reproduce the dynamic of a system controlled by two check dams. A very long duration was necessary for reaching the dynamic equilibrium condition with the aggradational system (more than 210 hours). The local equilibrium was achieved gradually from upstream to downstream, with the flume sections closest to the feeding device attaining first the dynamic equilibrium. Experiments with check dams showed that this kind of slope correction can have a significant impact on the maximum amount of material transported during a single event. However, the maximum instantaneous transport and the long term sediment behaviour of the system are not affected by the presence of the check dams.

Les mécanismes complexes qui régissent la morphologie des rivières en tresses et l'interaction avec le tri granulométrique restent encore à approfondir. Cette thèse s'articule autour de trois thèmes : l'étude de la déstabilisation d'un système en tresses puis sa mise à l'équilibre, l'interaction de la morphologie avec le tri granulométrique et enfin la prédiction du transport solide. Pour cela, nous avons étudié 3 modélisations de différents systèmes alluviaux : des bancs alternés en granulométrie étendue (durée 100h), un système en tresses en granulométrie uniforme (durée 385h) et enfin un système en granulométrie étendue (durée 435h). Chaque modèle de tresses a subi plusieurs changements de conditions d'alimentation. Il ressort que seul un paramètre, la surface du lit situé au delà de la pente moyenne, pourrait être un bon candidat pour comparer l'état d'équilibre (érosion ou exhaussement) de différents systèmes. Pour une étude d'un site donnée, les paramètres classiques comme la pente ou le Bed Relief Index (BRI) sont tout aussi pertinents. Le tri granulométrique sur les systèmes divaguants se manifeste de plusieurs façons : il est à l'origine de la migration du chenal principal et participe activement à la formation de patchs sédimentaires, catalyseurs de l'émergence des bancs. Les lobes sédimentaires qui se retrouvent dans le modèle en granulométrie uniforme n'apparaissent que dans certains cas, laissant place à une mobilité des sédiments discontinue, généralement de proche en proche. La modélisation du transport solide dans ces systèmes à faciès complexes se heurte à la forte variabilité des conditions hyro-sédimentaires. L'abondance de confluences et des fronts de bancs modifie la relation de transport avec les conditions locales. L'influence de la morphologie est prépondérante dans la dynamique du transport solide. / Complex mechanisms involved in braided rivers morphology and the interaction with the grain sorting are slightly studied. Throughout this thesis, we study the morphological signature of a system at equilibrium, and the interaction between the bed morphology and grain sorting. From our small-scale experiments, we studied the prediction of sediment transport. We studied three different small-scale streams, a alternate bars model with heterogeneous sediment (duration 100h), a braided stream model using uniform sand (duration 385h) and a braided stream model using sand and coarse sand mixture (duration 435h). Upstream conditions have been changed several times for each braided stream. It appears that the only one relevant index to compare sediments stages of different streams is the surface above the average slope. To study a single site's evolution, the traditional parameters such as slope or Bed Relief Index (BRI) are relevant enough. We observed different effects of grain sorting. First, grain sorting is responsible of selective depositions and led to active channel migration. The selective deposition leads to bar emergence. Sedimentary lobes that we observed on uniform sand model were rarely noticed on the sand and coarse sand mixture experiment. This results suggests that sediments motion is tiny linked to grain size range. Modeling of sediment transport in such varied morphology faces different problems. Plenty of confluences and fronts bars changes sediment transport and local conditions connections. The influence of morphology is predominant in the dynamic of sediment transport.

Cette thèse, à dominante expérimentale, tente de décrire, de comprendre et de quantifier le transport sédimentaire pour un système torrentiel caractérisé par une forte pente et des conditions hydrauliques faibles. Une plateforme expérimentale a été mise en place et instrumentée. Elle permet de contrôler quatre paramètres du système : la pente du canal, le débit hydraulique, le débit solide et la granulométrie. La durée des expériences est suffisamment longue pour couvrir l'ensemble des fluctuations gouvernant le transport. L'étude de l'évolution d'un même mélange granulaire soumis à un forçage hydraulique fort, (Shield = 1.37 Shield critique) ou à un forçage hydraulique faible (Shield = 0.94 Shield critique) a permis de mettre en évidence, au sein des structures sédimentaires observées, deux classes de comportement différentes. Pour l'expérience à Faible Transport, le lit est globalement pavé au cours de la durée de l'expérience qui est de 110 heures. Des structures de type step-pools sont présentes et très stables, et contrôlent la dynamique de transport du système à court terme et à long terme. A court terme, le transport solide n'est pas uniforme mais s'effectue à travers des processus transitoires d'érosion et de dépôt " de proche en proche ", associés respectivement à la destruction et à la formation de step-pools dans le système. A long terme, les step-pools conduisent à un pavage uniforme sur l'ensemble du canal. Des destructions périodiques de ce pavage de surface sont également observées et sont associées à une capacité de transport pour le système pouvant atteindre jusqu'à 15 fois le débit solide moyen. Pour l'expérience à Fort Transport, d'une durée de 92 heures, la morphologie du lit fluctue entre deux états extrêmes. Un lit plat dont la surface est formée de particules fines, à forte capacité de transport et un lit pavé à forte pente et à faible capacité de transport. Les step-pools ne sont, ici, que des états éphémères associés à la phase de transition du système qui sont rapidement détruits par les nappes de charriage. Ces dernières sont le mode principal de transport pour le système et expliquent les évolutions cycliques mesurées à court et à long terme. Enfin, nous avons étudié les conséquences des phénomènes décrits ci-dessus en conditions hors équilibre à forte pente. Nous avons pour cela réalisé deux expériences : une première expérience où nous étudions le cas d'un système en phase d'aggradation et une seconde où nous prenons le cas d'un système contrôlé par deux seuils de correction torrentielle. La première a nécessité une longue période afin que le système atteigne une condition d'équilibre dynamique : plus que 210 heures. L'équilibre local du système est atteint progressivement de l'amont vers l'aval, les parties les plus proches de l'alimentation atteignant en premiers l'état d'équilibre. De plus, pendant l'aggradation les fluctuations du système autour de la moyenne sont inférieures à celles mesurées pour un système à l'équilibre. La seconde expérience a montré que l'aménagement d'un système torrentiel avec des seuils peut avoir un impact non négligeable sur la quantité maximum de matériau transporté au cours d'un seul événement. Néanmoins, l'intensité maximale instantanée du transport et le comportement global du système à long terme ne sont en rien affectés par la présence de seuils.

Expériences de terrain et de laboratoire montrent que les rivières à gravier avec étendue granulométrique élevée et faible contrainte latérale, comme dans le cas des rivières à chenaux multiples, notamment les rivières en tresses, et des rivières à chenal unique avec une pleine mobilité latérale, comme les rivières à méandres, peuvent présenter simultanément variations du chenal actif à la fois dans le plan et dans la direction verticale, ainsi qu’un tri granulométrique planimétrique et vertical. En fait, les ajustements du chenal présentent une interaction complexe avec les processus de tri granulométrique: processus de transport et dépôt des mélanges de sédiments hétérogènes engendrent la formations de plusieurs motifs de tri, parmi lesquels patches qui migrent dans le chenal, notamment les sorting waves également connues sous le nom de bedload sheets. Ces sorting waves sont observées comme l’alternance des bandes de sédiments grossiers et fins dans la direction d’écoulement. Cette thèse de doctorat étudie les processus de tri granulométrique d’une distribution granulométrique bimodale à la fois dans la direction latérale et verticale avec un accent particulier sur l’étude des bedload sheets. Ce projet vise également à étudier les effets du confinement latéral sur la morphodynamique du lit de la rivière et en particulier sur les processus de tri granulométrique; et en plus, vu que le tri granulométrique joue un rôle crucial en influant sur le profil en long de la rivière, ainsi que les motifs sédimentaires et le formes du lit, étant donné le lien étroit entre la topographie du lit et la composition sédimentaire, pente, largeur du chenal actif et taux de transport des sédiments. L’analyse de ces paramètres permet de définir des feedbacks entre les variables morphologiques. Les résultats de cette étude éclairent le rôle de la contrainte latérale sur les processus de tri granulométrique et la morphodynamique du lit nu des rivières. / Field and laboratory investigations indicate that gravel bed rivers with poorly-sorted grain size distribution and low lateral confinement, such as in the case of multi-thread, braided and transitional rivers but also wandering single-thread rivers, can simultaneously present active channel variations, both in the planimetric and altimetric directions, together with planimetric and vertical sorting.Actually channel adjustments present a complex interaction with sorting processes. transport and depositional processes of heterogeneous sediment mixtures induce the formation of various sorting patterns, among which free migrating patches such as sorting waves also known as bedload sheets. Such sorting waves are mainly observed by the alternation of bands of finer and coarser material in the streamwise direction.This PhD research investigates the sorting processes of a bimodal grain size distribution both in the lateral and in the vertical direction, with particular focus on the study of bedload sheets.The main aim of this work is to investigate the effects of lateral confinement on river bed morphodynamics and in particular on grain sorting processes; and besides, given that grain sorting plays a crucial role in affecting longitudinal river profile, as well as sediment patterns and bed forms, being indeed the connection between bed topography and bed sediment composition close, we would like to provide simple theoretical analyses and tools able to predict morphodynamic bed river variations driven by sortingDifferent methodologies are applied to successfully achieve this purpose.Firstly, a deep investigation of the state of knowledge of mixed-size sediment morphodynamics, sorting processes, sorted sediment patterns and bedload sheets is carried out.Then, a 1D linear stability analysis of a uniform flow above an erodible bed composed by a bimodal mixture of sediments is performed and investigation of the associated eigenvectors, amplitude of perturbations and migrations rate is discussed. Results are presented in terms of arising instabilities dominated by sorting. Although the monodimensional shallow-water framework, the simple flow model adopted allows for the formulation of an algebraic eigenvalue problem that can be solved analytically, allowing for a deep insight into the mechanisms that drive instabilities.Then, small scale flume experiments are carried out by reproducing three different flow confinement configurations and involving a bimodal mixture of natural sediments. All the configurations show large fluctuations of parameters characterising bed system in terms of bed sediment composition, slope, active channel width and sediment transport rate. The analysis of such parameters allows defining feedbacks among morphological variables. Results of such investigations shed light on the role of lateral confinement on sorting processes and morphodynamics of barebed rivers.