L’érosion des berges est un processus clé de la dynamique fluviale. Elle influence considérablement la charge sédimentaire des rivières et contrôle l’évolution latérale des chenaux. Les méthodes de caractérisation des mécanismes et des variables affectant l’érosion des berges sont toutefois imprécises et difficiles à appliquer. Ce projet a pour objectif de caractériser la dynamique actuelle des berges de deux tributaires contrastés du Saint-Laurent : les rivières Saint-François et Batiscan. Le premier objectif vise à quantifier les caractéristiques géotechniques de deux tronçons des rivières à l’étude près de l’embouchure avec le Saint-Laurent en décrivant la stratigraphie à différents sites typiques et en recueillant des échantillons de sédiments afin de mesurer différentes variables géotechniques (granulométrie, limites d’Atterberg, résistance à l’érosion mécanique, résistance à l’érosion fluviale). Le second objectif vise à quantifier les principales caractéristiques hydrodynamiques (précipitations, débits, cisaillements, vitesses) des deux sections de rivière. Le troisième et dernier objectif cherche à mesurer les taux d’érosion à l’échelle saisonnière en utilisant des relevés GPS et des chaînes d’érosion et à identifier les mécanismes d’érosion qui opèrent sur les rivières. Les résultats montrent une érosion importante des berges sur chacun des tributaires, mais les mécanismes qui la cause diffèrent. La Batiscan possède des berges dont le matériel est cohésif et ses berges sont principalement marquées par des ruptures de masse. La Saint-François présente des berges peu cohésives ce qui favorise l’érosion fluviale. Le taux de recul sur la rivière Saint-François est de l’ordre de 1 à 3 m/an dans certaines sections de la rivière. Une nouvelle méthode de mesure du cisaillement critique d’érosion fluviale à l’aide d’un chenal expérimental a été élaborée. Les cisaillements critiques obtenus se situent entre 1,19 et 13,41 Pa. Les résultats montrent que les facteurs jouant sur l’érosion des berges ont une variabilité intrinsèque et systémique difficile à mesurer. Le protocole expérimental développé dans ce projet s’est toutefois avéré utile pour étudier les principales variables qui influencent l’érosion des berges, tout en quantifiant les taux d’érosion et les mécanismes d’érosion de berge de deux tributaires importants du fleuve Saint-Laurent. Ce protocole pourrait être utile dans d’autres contextes. / Bank erosion is a key process in fluvial dynamics. It affects sedimentary load in rivers and controls channel lateral evolution. Until now, the methodology used to characterize bank erosion mechanisms and other controlling factors is still imprecise and difficult to apply in many cases. The aim of this project is to characterize bank dynamics in two contrasted Saint-Lawrence tributaries: the Batiscan and Saint-François rivers. The first objective of this study is to quantify geotechnical properties of a section on each river. To achieve this objective, we have described stratigraphic sections at different sites and collected bank material samples in order to measure geotechnical variables in the laboratory (grain size analysis, Atterberg limits, mechanical strength, erosional strength). The second objective is to quantify the hydrodynamic characteristics (precipitations, discharge, shear stress, velocity) of the two river sections. The third and last objective is to measure bank erosion rates with GPS data and erosion pins at a seasonal scale and to identify bank erosion mechanisms occurring in the studied reaches. The results show a high erosional sensitivity of the banks on each tributary, but the observed mechanisms differ from on river to the other. Bank material on the Batiscan River is cohesive and is more susceptible to mass failure. Bank material on the Saint-François River is less cohesive and is mainly affected by fluvial erosion. Bank erosion rates measured on Saint-François River are between 1 to 3 m/year in some sections of the studied reach. A new method of measuring fluvial erosion critical shear stress has been developed with a flume. The critical shear stresses are estimated to be between 1,19 and 13,41 Pa. The results demonstrate the high variability of the response of banks to erosional processes and the difficulty of measuring the intrinsic and systemic factors acting on bank erosion. The experimental protocol developed in this project for the study of the main variables that determine erosion bank, erosion rates and bank mechanisms in two tributaries of the Saint-Lawrence could be applied successfully to other rivers.

Cross-shore bathymetric evolution in the nearshore zone often leads to threatening consequences such as beach erosion and shoreline retreat that concern the coastal community. A new, comprehensive cross-shore morphodynamic model was developed that can be used to describe and predict these phenomena. The study included both physical and numerical models that were designed to focus on the influence of sediment size characteristics on the cross-shore sediment transport process. For a profile equilibrium timescale, three types of beach profiles with different sediment mixtures were simulated in a small-scale, random-wave flume laboratory using erosive, storm, and accretive wave conditions. Dynamic relationships between the sediment grain sorting and beach profile changes were found to be evident as size-graded sediment fractions tended to relocate to different energetic zones along the cross-shore profiles. Existing phase-averaged wave and circulation models were utilized together with several new intra-wave modules for predicting important hydrodynamic parameters that were validated using the experimental data. A novel, multi-size sediment transport model was formulated to compute individual transport rates of size-graded sediment fractions while accounting for their interaction and non-linear size dependencies. The model was coupled with a new grain sorting model that resolves cross-shore grain sorting and vertical grain lamination. Compared to a traditional modeling approach, the new comprehensive model proved to offer superior modeling accuracy for both profile evolution and sediment grain size change. The use of the model is most advantageous for a condition with intensive grain sorting, a common scenario on a natural beach profile. Equilibrium beach profile is also better simulated by the model as size-graded fractions are predicted to relocate to different zones where they could withstand local hydrodynamics. Other new components that also help improve the modeling capability include the terms for wave-breaking and bed-slope effects, wave-crest sediment flux, and acceleration-induced bottom-shear stress. Besides superior profile modeling accuracy, sediment size characteristics and their spatial and temporal variations are also a useful set of information provided by the new model.

Shelby tube sediment samples collected from the foundations of ten (10) bridges located in the state of Georgia were tested in the laboratory to find their erosional behavior and the correlation of erosion parameters with sediment properties in order to improve the prediction of scour around bridge foundations. These sites were spatially distributed in order to fall into different major river basins and in different physiographic regions. A description of the Valley and Ridge, Blue Ridge, Piedmont, and Coastal Plain physiographic regions of Georgia is included, and the erosion parameters found from flume measurements are associated with their respective regions. Flume measurements were performed using a rectangular, tilting, recirculating flume located in the hydraulics lab in the School of Civil and Environmental Engineering at Georgia Tech. Velocities up to 1.7 m/s and bed shear stresses up to 21 Pa can be achieved in the flume. Regression analysis was performed on erosion rates as a function of applied shear stress to determine the parameters of the erosion function. The resulting parameters, the critical shear stress and the erosion rate constant, were correlated with soil properties and physiographic regions. Experimental methodology was chosen to approach this problem because the involvement of interparticle forces for fine-grained materials makes it difficult to deal with the erosion phenomenon through other means. Nevertheless, analytical description of the erosion phenomenon was included in order to provide a better understanding of it. Linear, exponential and power regression mathematical models for erosion rate were compared, and the two best-fit regression models of erosion rate as a function of shear stress are proposed to formulate a methodology intended to characterize the behavior of a soil exposed to erosive flow conditions. One of them is a linear model to calculate critical shear stresses and low erosion rates. The second model, which is exponential, has the advantage of describing the erosion rate response for a wider range of shear stress values. It is shown that one of the most relevant predictors for the critical shear stress and erosion rate constant in the regression models is the fine material content present in the sample, which is an indirect indicator of the contribution of interparticle forces to the erosion process. Applying the described methodology, a more case-specific calculation of the erosion at bridge foundations can be performed taking into account the actual material in situ.

L’érosion des berges est un processus clé de la dynamique fluviale. Elle influence considérablement la charge sédimentaire des rivières et contrôle l’évolution latérale des chenaux. Les méthodes de caractérisation des mécanismes et des variables affectant l’érosion des berges sont toutefois imprécises et difficiles à appliquer. Ce projet a pour objectif de caractériser la dynamique actuelle des berges de deux tributaires contrastés du Saint-Laurent : les rivières Saint-François et Batiscan. Le premier objectif vise à quantifier les caractéristiques géotechniques de deux tronçons des rivières à l’étude près de l’embouchure avec le Saint-Laurent en décrivant la stratigraphie à différents sites typiques et en recueillant des échantillons de sédiments afin de mesurer différentes variables géotechniques (granulométrie, limites d’Atterberg, résistance à l’érosion mécanique, résistance à l’érosion fluviale). Le second objectif vise à quantifier les principales caractéristiques hydrodynamiques (précipitations, débits, cisaillements, vitesses) des deux sections de rivière. Le troisième et dernier objectif cherche à mesurer les taux d’érosion à l’échelle saisonnière en utilisant des relevés GPS et des chaînes d’érosion et à identifier les mécanismes d’érosion qui opèrent sur les rivières. Les résultats montrent une érosion importante des berges sur chacun des tributaires, mais les mécanismes qui la cause diffèrent. La Batiscan possède des berges dont le matériel est cohésif et ses berges sont principalement marquées par des ruptures de masse. La Saint-François présente des berges peu cohésives ce qui favorise l’érosion fluviale. Le taux de recul sur la rivière Saint-François est de l’ordre de 1 à 3 m/an dans certaines sections de la rivière. Une nouvelle méthode de mesure du cisaillement critique d’érosion fluviale à l’aide d’un chenal expérimental a été élaborée. Les cisaillements critiques obtenus se situent entre 1,19 et 13,41 Pa. Les résultats montrent que les facteurs jouant sur l’érosion des berges ont une variabilité intrinsèque et systémique difficile à mesurer. Le protocole expérimental développé dans ce projet s’est toutefois avéré utile pour étudier les principales variables qui influencent l’érosion des berges, tout en quantifiant les taux d’érosion et les mécanismes d’érosion de berge de deux tributaires importants du fleuve Saint-Laurent. Ce protocole pourrait être utile dans d’autres contextes. / Bank erosion is a key process in fluvial dynamics. It affects sedimentary load in rivers and controls channel lateral evolution. Until now, the methodology used to characterize bank erosion mechanisms and other controlling factors is still imprecise and difficult to apply in many cases. The aim of this project is to characterize bank dynamics in two contrasted Saint-Lawrence tributaries: the Batiscan and Saint-François rivers. The first objective of this study is to quantify geotechnical properties of a section on each river. To achieve this objective, we have described stratigraphic sections at different sites and collected bank material samples in order to measure geotechnical variables in the laboratory (grain size analysis, Atterberg limits, mechanical strength, erosional strength). The second objective is to quantify the hydrodynamic characteristics (precipitations, discharge, shear stress, velocity) of the two river sections. The third and last objective is to measure bank erosion rates with GPS data and erosion pins at a seasonal scale and to identify bank erosion mechanisms occurring in the studied reaches. The results show a high erosional sensitivity of the banks on each tributary, but the observed mechanisms differ from on river to the other. Bank material on the Batiscan River is cohesive and is more susceptible to mass failure. Bank material on the Saint-François River is less cohesive and is mainly affected by fluvial erosion. Bank erosion rates measured on Saint-François River are between 1 to 3 m/year in some sections of the studied reach. A new method of measuring fluvial erosion critical shear stress has been developed with a flume. The critical shear stresses are estimated to be between 1,19 and 13,41 Pa. The results demonstrate the high variability of the response of banks to erosional processes and the difficulty of measuring the intrinsic and systemic factors acting on bank erosion. The experimental protocol developed in this project for the study of the main variables that determine erosion bank, erosion rates and bank mechanisms in two tributaries of the Saint-Lawrence could be applied successfully to other rivers.

Cette thèse présente une simulation, en canal à houle, des processus naturels hydrodynamiques etde transport sédimentaire de la zone de déferlement bathymétrique. L’analyse spatio-temporelle dela structure moyenne et instantanée de l’écoulement repose sur un jeu de mesures hauterésolutions.On effectue une étude des processus de couche limite et de l’impact des processus desurface libre sur le fond sédimentaire.Un profil de plage en forme de terrasse est engendré par le déferlement de séries de vagues irrégulières(JONSWAP) sur un fond mobile constitué de sédiments de faible densité (_ _ 1.19). Dans cesconditions, la mesure acoustique (ADVP) de profils de vitesse, de concentration et de flux de sédimentsest synchronisée à des séquences d’images vidéo et à des mesures de hauteurs de vagues.Une analyse de l’évolution des quantités moyennes hydrodynamiques et de transport solide est réaliséedans la zone de déferlement. Une analyse à l’échelle intra-vague aborde la structure del’écoulement sous le déferlement de vagues irrégulières. Enfin, on s’attache à une comparaison de lacontrainte au fond sous une vague déferlée calculée par des modèles physiques, à celle obtenue parmesures directes. / This thesis presents a wave channel simulation of the hydrodynamic and sediment transportprocesses in the wave breaking region. The spatio-temporal analysis of the mean and instantaneousflow structure relies on a full set of high resolution data. The study focuses on processes related tothe wave boundary layer and to the impact of surface breaking on the mobile bed.A terraced beach profile is generated by the breaking of irregular wave sequences (JONSWAP) on amobile bed constituted of low density sediments (_ _ 1.19). In these conditions, the acoustic measurementof velocity profiles, concentration profiles and sediment flux profiles are synchronised withsequences of video images and wave heights. An analysis of the evolution of mean hydrodynamicand sediment transport quantities is undertaken across the entire wave breaking zone. An intra-waveanalysis on the flow structure below irregular breaking waves is carried out. Finally, bed shear stressbelow a breaking wave predicted by different physical models and direct measurements, are comparedand discussed.

Lors d’une opération de forage, un certain nombre d’événements imprévus par rapport à l’écoulement du fluide de forage dans le puits, peuvent se produire assez rapidement. Des exemples de tels événements sont les afflux de pétrole ("kick") ainsi que les pertes de boue dans la formation. Un "kick" qui augmente en intensité peut entraîner, par ce que l’on nomme, un "blowout" (par exemple l’incident Deepwater Horizon en 2010). Les pertes et les gains sont habituellement détectés en contrôlant l’équilibre de la boue de forage dans le puits, en particulier en contrôlant le débit sortant du puits et en le comparant au débit entrant induit par les pompes. La plupart des méthodes de surveillance, de l’écoulement du puits en cours de forage, est d’utiliser un simple "paddle" (capteur qui mesure la hauteur du fluide de forage avec l’inclinaison d’une pagaie) dans la ligne d’écoulement de retour, ou d’utiliser un débitmètre de Coriolis (débitmètre connu pour sa précision, mais coûteux et nécessite une installation complexe en ajoutant un "by-pass"). Il y a un besoin évident d’un nouveau débitmètre précis, mais facile à installer et peu coûteux. Le canal Venturi a été utilisé comme débitmètre pendant des années dans l’industrie des eaux. Il apparaît comme une solution peu chère mais précise pour mesurer des débits importants. Beaucoup de personnes ont travaillé sur cette solution pour améliorer sa précision et élargir son champ d’application. Ils ont développé des modèles, sur la base d’un processus d’étalonnage, permettant de relier la hauteur en amont au débit. Cela signifie que les modèles actuels, comme ISO NORM 4359 [1], peuvent être uniquement utilisés pour l’écoulement d’eau et pour une géométrie bien spécifique. Comme nous le savons, les boues ont des comportement non- Newtonien, et donc ces modèles établis ne peuvent pas être utilisés avec ce type de fluides. Pour notre application, la forme trapézoïdale apparaît comme un bon compromis entre la précision et la portée des mesures de débit. Ainsi, nous avons développé un modèle capable de calculer le débit en prenant en compte les propriétés du fluide ainsi que les paramètres géométriques du canal. Ce modèle a été simplifié sous forme 1D en utilisant la théorie des eaux peux profondes, et a été complété par un modèle de friction tenant en compte de la variation des propriétés des fluides et de la géométrie du canal. Ce modèle a été validé par une série d’expériences avec les deux types de fluides: Newtonien et non-Newtonien, où nous avons mesuré le débit et la hauteur de l’écoulement à différents endroits le long du canal Venturi. Nous avons également réalisé des simulations 3D, en simulant des écoulements Newtoniens et non- Newtonien le long du canal. Pour généraliser cette étude, cette démarche a été étendue à une autre forme de Venturi plus adapté à un certain design de plate-forme pétrolière. Les corrélations et les modèles développés et validés expérimentalement au cours de cette étude peuvent être utilisés pour étendre l’utilisation des canaux Venturi à tous les fluides Newtonien mais aussi non-Newtonien. Il est maintenant l’occasion pour les industries de proposer une solution, peu chère mais précise pour mesurer les débits dans des canaux ouverts et pour tous types de fluides. / During a drilling operation, a certain number of unexpected events, related to the flow of drilling fluid in the well, may happen rather quickly. Examples of such events are formation fluid influx (kick) and mud loss to the formation. An uncontrolled kick that increases in intensity may result in what is known as a blowout (e.g. the Deepwater Horizon incident in 2010). Influxes and kicks are traditionally detected by monitoring the drilling mud balance in the well, in particular, by monitoring the flow out the well and comparing it to the incoming flow induced by the pumps. Most methods of monitoring the flow out of the well while drilling consists in using a simple paddle (sensor that measures the height of drilling fluid with the inclination of a paddle) in the return flow line, or in using a Coriolis flow meter (flow meter known for its accuracy but expensive and requires a complex installation by adding a bypass). There is a clear need of a new accurate flow meter, but easy to install and inexpensive. The Venturi flume has been used as flow meter for years in water industry. It appears as a cheap but accurate solution to measure large flow rates. Many people have worked on this solution to improve its accuracy and to expand its scope. They have developed models, based on a calibration process, to relate the upstream height to the flow rate. This means that current models, as ISO NORM 4359 [1], can be used only for water flow and specific geometry. As known, muds have non-Newtonian behavior and water models cannot be used with this kind of fluids. For our application, trapezoidal shape appears as a good compromise between accuracy and range of flow rate measurements. Thus, we built a model able to compute the flow rate with taking into account fluid properties and geometrical parameters. This model is simplified in 1D form by using the Shallow Water theory, and completed by a friction model taking into account the variation of fluid properties and geometry along the open channel. It have been validated by series of experiments with both Newtonian and non-Newtonian fluids, where we measured the flow rate and heights of the flow at different locations along the trapezoidal Venturi flume. It have been also completed by 3D CFD which has been simulated both Newtonian and non-Newtonian flows along the flume. To generalized this study, the work was extended to another shape of Venturi more suited to some rig design. The correlations and models developed and experimentally validated during this research can be used to extend the use of Venturi flume flow meters for any fluids : Newtonian and non- Newtonian. It is an opportunity for industries to propose a cheap but accurate solution to measure flow rates in open channels with any kind of fluids.

This diploma thesis deals with the measurement of flow rate in flumes type PARS P2, P3 and P4. First, there is a search for a convenient profile in confusor for research and consequently to construct graphical dependences from which to read the value of the correction coefficient for many water depths in flumes. Then, there are constructed graphical dependences from which to read the value of measurement uncertainty for many flow rates in flumes.

The goal of this diploma thesis is to design and develop a system for collecting, processing and storing data from large IoT networks. The developed system introduces a complex solution able to process data from various IoT networks using Apache Hadoop ecosystem. The data are real-time processed and stored in a NoSQL database, but the data are also stored  in the file system for a potential later processing. The system is optimized and tested using data from IQRF network. The data stored in the NoSQL database are visualized and the system periodically generates derived predictions. Users are connected to this system via an information system, which is able to automatically generate notifications when monitored values are out of range.

Master’s thesis presents the machine - technological design of the hydraulic circuit of laboratory, which is part of project documentation. The main part’s of thesis are hydraulic circle and hydraulic measuring flume and control algorithm of pumping stations and visualization of control of hydraulic circuit to display.

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