Cette thèse est une étude de l'applicabilité des profileurs acoustiques Doppler horizontaux (H-ADCP) pour le suivi des flux d'eau et de matières en suspension (MES) dans les rivières. Plus d'un an de données acquises avec des H-ADCP de 300, 600 et 1200 kHz sur quatre sites, sur le Rhône, l'Isère et la Saône, avec des géométries et des conditions de forçage contrastées sont analysées. Les résultats montrent qu'une profondeur de section limitée peut poser problème en raison de la diffusion d'une partie de l'énergie acoustique par la surface libre. De plus, quand l'intensité rétrodiffusée par les particules est trop faible, les mesures de vitesse sont sous-estimées ou plus dispersées par rapport aux mesures de référence. Des relations de vitesse indice sont toutefois établies en fonction de l'intensité et de la concentration afin de corriger les vitesses. La concentration en MES est déterminée à partir de l'atténuation acoustique qui est importante pour des suspensions concentrées de limons (> ~100 mg/L). Les constantes d'atténuation sont obtenues par calage sur des mesures de turbidité~; elles sont proches des valeurs théoriques calculées pour les distributions granulométriques des particules primaires. Les mesures acoustiques de concentration sont en bon accord avec les mesures de référence et reproduisent finement la dynamique temporelle. En outre, l'évolution de la granulométrie est étudiée à partir des mesures multi-fréquences d'atténuation sous l'hypothèse que les distributions granulométriques sont lognormales. Cette étude montre qu'une fois que les conditions limites pour des mesures fiables sont bien établies, le H-ADCP est un outil performant pour le suivi des flux d'eau et de MES dans les rivières, surtout pendant des périodes de fortes concentrations telles que des crues. / The work investigates the feasibility of using horizontal acoustic Doppler current profilers (H-ADCPs) to monitor fluxes of water and suspended sediment in rivers. Year-long data sets acquired with H-ADCPs operating at 300, 600 and 1200 kHz at four sites with varying geometries and flow forcing conditions on the Rhône, Saône and Isère rivers are analyzed. Findings show that limited depth can pose a problem due to scattering of a fraction of the acoustic energy from the air-water interface. A second problem arises when the backscattered intensity from the suspended sediment is too weak; this leads to underestimation or higher variability of the velocity estimates compared to reference values. Nevertheless, index-velocity relationships are established as a function of concentration and intensity in order to correct the velocity measurements. Concentrations of suspended sediment can be determined from the acoustic attenuation, which is substantial for silt-sized particles at concentrations > ~100 mg/L. Attenuation constants obtained by comparison with turbidity data are in good agreement with the theoretical values calculated for the measured grain size distributions of the primary particles. The acoustic measurements of concentration are in good agreement with reference methods in terms of both amplitude and temporal resolution. Grain size is determined from multi-frequency attenuation data, accounting for lognormal grain size distributions. Our findings show that once the limits of accurate velocity measurements are well established for a given site and instrument, the side-looking ADCP can be a valuable tool for monitoring concentration and changes in grain size throughout high concentration events such as floods.

Le golfe du Lion est une marge continentale à construction deltaïque soumise à l'impact des apports sédimentaires (1) du Rhône, un des plus gros fleuves méditerranéens, à caractère saisonnier ; (2) ainsi que d'une série de fleuves côtiers à caractère torrentiel. Des zones de dépôts temporaires du matériel fin se développent en face de ces fleuves vers 30 m de profondeur à la limite d'action des houles de tempête. La dynamique de ces zones soumise à l'impact des évènements extrêmes joue un rôle important dans (1) la dissémination des sédiments fins et des contaminants associés depuis les sources (bassins versants) jusque vers le large, et (2) la qualité des eaux dans la zone littorale. Une station de suivi automatique haute fréquence et à long terme a été installée sur le fleuve Têt, exemple de fleuve côtier méditerranéen à caractère torrentiel et sur son prodelta afin de suivre la variabilité, l'impact des évènements hydro-climatiques sur le devenir des sédiments fins dans la zone littorale. Les crues engendrées par les entrées maritimes sont les principales sources de sédiments fins à la zone littorale. Les tempêtes qui accompagnent ces crues créent une redistribution de ce matériel vers la vasière circa-littorale vers 50 m de profondeur et la limite du plateau où se situent les canyons sous-marins. La succession de ces évènements extrêmes au cours de l'année détermine la conservation du matériel fin dans la zone littorale ou son exportation vers le large. Une forte variabilité interannuelle existe également dans le golfe du Lion entre des années humides avec de fortes crues et tempêtes apportant et redistribuant de grandes quantités de matériel sédimentaire sur le plateau et des années sèches caractérisées par des courants intenses à l'origine de plongées d'eaux denses dévalant et érodant le plateau jusqu'au canyons sous-marins. Les évènements hydro-climatiques extrêmes (crues, tempêtes, plongées d'eaux denses) sont les acteurs principaux qui façonnent les fonds sédimentaires du golfe du Lion. L'impact des activités humaines et du changement climatique sur la fréquence de ces évènements extrêmes semble jouer un rôle important sur la variabilité de la qualité du milieu littoral et du devenir des sédiments fins et contaminants.

Windward Passage, which separates the islands of Cuba and Hispaniola, has been recognized as an important inflow channel to the Caribbean Sea for nearly a century. Despite this fact, few direct measurements of the volume transport through the passage exist. In an effort to gain a more comprehensive understanding of the variability, structure, and mean transport associated with flow through Windward Passage, the University of Miami?s Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science (RSMAS) and the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)?s Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory (AOML) conducted a targeted research study of the passage and surrounding region from October 2003 through February 2005. The project deployed a moored current meter array across the passage and conducted four regional hydrographic surveys. Velocity sections collected across Windward Passage during the four cruises from lowered and hull-mounted acoustic Doppler current profilers show a highly variable field dominated by small-scale eddy features and other areas of locally-intensified flow. However, when integrated horizontally across the passage, the resulting transport-per-unit-depth profiles reveal a remarkably robust vertical shear structure. A net inflow of surface and thermocline waters was observed over the four cruises. Beneath these layers, a persistent outflow of intermediate water was found, intensified along the east side of the passage. Deep inflow, just above the sill depth maximum (1680 m), was observed on cruise #1 and, based on data from the moored current meter record, was determined to be a regular flow feature. Together, project velocity sections and water mass analyses of Windward and surrounding passages suggest that Surface Water (SFC), Subtropical Underwater (SUW), and Central Water (CW) primarily arrive at Windward Passage from the east via the Hispaniola Basin. A majority of SFC and SUW enters the Cayman Basin through Windward Passage, while the arriving CW bifurcates, with slightly more than half bypassing the passage and continuing westward north of Cuba. An intermediate water outflow pathway from the Cayman to the Hispaniola Basin via Windward Passage was also observed. Much of this outflow possessed a salinity signature characteristic of upstream inflow regions immediately to the east and south of the Lesser Antilles. Total Windward Passage transport, calculated from the four ship surveys, was found to be an inflow of 3.0 ±2.8 Sverdrups (1 Sv ≡ 10^6 m^3 s^-1). Data from the 16-month moored current meter array yielded a larger mean inflow of 5.0 ±1.6 Sv. These numbers are lower than previous estimates based on regional passage transport differences, and suggest that more transport may be entering the Florida Current system through passages in the Bahamas (the Northwest Providence and Old Bahama Channels) than previously thought, with proportionately less flow entering the system through the Caribbean Sea.

Cette thèse est une étude de l'applicabilité des profileurs acoustiques Doppler horizontaux (H-ADCP) pour le suivi des flux d'eau et de matières en suspension (MES) dans les rivières. Plus d'un an de données acquises avec des H-ADCP de 300, 600 et 1200 kHz sur quatre sites, sur le Rhône, l'Isère et la Saône, avec des géométries et des conditions de forçage contrastées sont analysées. Les résultats montrent qu'une profondeur de section limitée peut poser problème en raison de la diffusion d'une partie de l'énergie acoustique par la surface libre. De plus, quand l'intensité rétrodiffusée par les particules est trop faible, les mesures de vitesse sont sous-estimées ou plus dispersées par rapport aux mesures de référence. Des relations de vitesse indice sont toutefois établies en fonction de l'intensité et de la concentration afin de corriger les vitesses. La concentration en MES est déterminée à partir de l'atténuation acoustique qui est importante pour des suspensions concentrées de limons (> ~100 mg/L). Les constantes d'atténuation sont obtenues par calage sur des mesures de turbidité~; elles sont proches des valeurs théoriques calculées pour les distributions granulométriques des particules primaires. Les mesures acoustiques de concentration sont en bon accord avec les mesures de référence et reproduisent finement la dynamique temporelle. En outre, l'évolution de la granulométrie est étudiée à partir des mesures multi-fréquences d'atténuation sous l'hypothèse que les distributions granulométriques sont lognormales. Cette étude montre qu'une fois que les conditions limites pour des mesures fiables sont bien établies, le H-ADCP est un outil performant pour le suivi des flux d'eau et de MES dans les rivières, surtout pendant des périodes de fortes concentrations telles que des crues.

The cross-sectional form of semi-alluvial bedrock channels was investigated. Channel geometry data were collected from a variety of streams in Ontario and Québec, Canada to develop empirical downstream scaling relationships. The relationships revealed that bedrock, mixed, and alluvial channels scale at similar rates with respect to discharge. The widest channels were formed in low-relief sedimentary bedrock with minimal alluvial cover. Channels influenced by resistant igneous/metamorphic bedrock produced a strong scaling relationship, whereas channels influenced by weak sedimentary bedrock produced a weak scaling relationship. Alluvial cover appeared to exhibit more control on channel width in low-relief settings in comparison to high-relief settings, with increased alluvial cover promoting channel narrowing. Channels influenced by igneous/metamorphic bedrock produced identifiable thalwegs, presumably due to well-defined bedload transport pathways. Channels influenced by sedimentary bedrock tended to have planar beds. Additionally, fish habitat was investigated at one semi-alluvial bedrock stream in Ontario, Canada. Fish sampling was conducted at proximate bedrock and alluvial sections followed by a survey of physical habitat parameters to evaluate habitat preferences. Adult logperch (Percina caprodes), juvenile white sucker (Catostomus commersonii), adult round goby (Neogobius melanostomus), and adult longnose dace (Rhinichthys cataractae) demonstrated preference toward alluvial substrate, whereas juvenile logperch and adult banded killifish (Fundulus diaphanus) demonstrated preference toward bedrock. Juvenile silver shiner (Notropis photogenis) and juvenile yellow perch (Perca flavescens) were indifferent to substrate type. Empirical depth and flow velocity habitat suitability indices (HSIs) were developed for each fish species. This study presents the first fish habitat suitability criteria developed from a small semi-alluvial bedrock stream and may provide valuable information for fisheries management endeavours in such environments.

The increasing interest in converting energy from renewable resources into electricity has led to an increase in research covering the field of marine current energy, mainly concerning tidal currents and in-stream tidal turbines. Tides have the advantage of being predictable decades ahead. However, the tidal resource is intermittent and experiences local variations that affect the power output from a conversion system. The variability is mainly due to four aspects: the tidal regime, the tidal cycle, bathymetry at the site and weather effects. Each potential site is unique, the velocity flow field at tidal sites is highly influenced by local bathymetry and turbulence. Hence, characterizing the resource requires careful investigations and providing high quality velocity data from measurement surveys is of great importance. In this thesis, measurements of flow velocities have been performed at three kinds of sites. A tidal site has been investigated for its resource potential in one of all of the numerous fjords in Norway. Measurements have been performed to map the spatial and temporal variability of the resource. Results show that currents in the order of 2 m/s are present in the center of the channel. Furthermore, the flow is highly bi-directional between ebb and flood flows. The site thus have potential for in-stream energy conversion. A model is proposed that predicts peak current speed from information on tidal range at the site. A corresponding model can be set up and implemented at other similar sites affected by tides, i.e. fjord inlets connecting the ocean to a fjord or a basin. A river site serves as an experimental site for a marine current energy converter that has been designed at Uppsala University and deployed in Dalälven, Söderfors. The flow rate at the site is regulated by an upstream hydrokinetic power plant nearby, making the site suitable for experiments on the performance of the vertical axis turbine in its natural environment. The turbine has been run in uniform flow and measurements have been performed to characterize the extent of the wake. An ocean current site was a target of investigation for its potential for providing utilizable renewable energy. A measurement campaign was conducted, mapping the flow both spatially and temporally. However, the site was shown to not be suitable for energy conversion using present technique. / Det ökande intresset för att producera elektricitet från förnybara energikällor har lett till en satsning på forskning inom området marin strömkraft, främst när det gäller tidvattenströmmar och tidvattenturbiner för fritt strömmande vatten. Tidvatten har fördelen att vara förutsägbar årtionden i förväg. Dock så är tidvattenresursen periodisk och varierar lokalt vilket påverkar effektuttaget från ett kraftverk. Variationerna beror till största delen på fyra aspekter: antal hög- och lågvatten per dag, tidvattencykeln, djupförhållanden på platsen (batymetri) och vädereffekter. Varje potentiell plats är unik, vattnets hastighetsfält påverkas i hög grad av lokal batymetri och turbulens. Därför krävs noggranna undersökningar för att karakterisera resursen. Att tillhandahålla hastighetsdata av hög kvalitet från mätningar är därför av stor betydelse. I denna avhandling har mätningar av flödeshastigheter utförts på tre typer av platser. En plats med tidvattenströmmar, belägen i en av alla fjordar längs Norges kust, har undersökts för sin resurspotential. Mätningar har utförts för att kartlägga resursens variation i både tid och rum. Resultaten visar att strömmar i storleksordningen 2 m/s återfinns i mitten av kanalen. Dessutom uppvisar flödet liten variation från huvudriktningen för både inkommande (flod) och utgående (ebb) flöden. Platsen har således potential för energiomvandling av fritt strömmande vatten. En modell föreslås som förutsäger strömmarnas maxhastighet från information om höjdskillnaden mellan ebb och flod och vice versa. En motsvarande modell kan ställas upp och användas på andra platser med liknande förhållanden som berörs av tidvatten, dvs. fjordinlopp som förbinder havet med en fjord eller en bassäng. En älv fungerar som en plats för experiment för ett marint strömkraftverk som har utvecklats vid Uppsala universitet och sjösatts i Dalälven, Söderfors. Flödeshastigheten på platsen regleras uppströms av ett närliggande vattenkraftverk, vilket gör platsen bra för att utföra experiment på prestandan av den vertikalaxlade turbinen i dess naturliga miljö. Turbinen har körts i jämnt flöde och mätningar har utförts för att karaktärisera vakens utbredning. En plats med havsströmmar var mål för en utredning av dess potential för att ge användbar förnybar energi. En mätningskampanj genomfördes för att kartlägga flödets variation både rumsligt och tidsmässigt. Emellertid visade sig platsen inte vara lämplig för energiomvandling utifrån användning av nuvarande teknik.

Bedrock islands add variation to the estuarine system that results in deviations from typical unconfined estuarine sediment transport patterns. Limited literature exists regarding the dynamics of seabed morphology, delta formation, sediment divergence patterns, and sedimentary facies classifications of non-fjordic bedrock confined systems. Such knowledge is critical to address coastal management concerns adequately. This research presents insights from the Skeena Estuary, a macrotidal estuary in northwestern Canada with a high fluvial sediment input (21.2-25.5 Mtyr-1). Descriptions on sub-environments, stratification, and sediment accumulation within the Skeena Estuary utilize HydroTrend model outputs of riverine sediment and discharge, Natural Resources Canada radiocarbon-dated sediment cores and grain size samples, and acoustic Doppler current profiler and conductivity-temperature-depth measurements from three field campaigns. Research findings delineate a fragmented delta structure with elongated mudflats and select areas of slope instability. Variations from well-mixed water circulation to lateral stratification, govern the slack tide flow transition and sediment transport pathways within seaward and landward passages of the estuary. Fostering a comprehensive understanding of bedrock confined estuary and delta systems has implications for the assessment of coastal management strategies, the productivity of ecological habitats, and the impacts of climate change within coastal areas. / Graduate