Th.--Math.--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 35.

Ce travail porte sur la construction d'un modèle réduit en hydraulique fluviale avec une méthode de décomposition en polynôme du chaos. Ce modèle réduit remplace le modèle direct afin de réduire le coût de calcul lié aux méthodes ensemblistes en quantification d'incertitudes et assimilation de données. Le contexte de l'étude est la prévision des crues et la gestion de la ressource en eau. Ce manuscrit est composé de cinq parties, chacune divisée en chapitres. La première partie présente un état de l'art des travaux en quantification des incertitudes et en assimilation de données dans le domaine de l'hydraulique ainsi que les objectifs de la thèse. On présente le cadre de la prévision des crues, ses enjeux et les outils dont on dispose pour prévoir la dynamique des rivières. On présente notamment la future mission SWOT qui a pour but de mesurer les hauteurs d'eau dans les rivières avec un couverture globale à haute résolution. On précise notamment l'apport de ces mesures et leur complémentarité avec les mesures in-situ. La deuxième partie présente les équations de Saint-Venant, qui décrivent les écoulements dans les rivières, ainsi qu'une discrétisation numérique de ces équations, telle qu'implémentée dans le logiciel Mascaret-1D. Le dernier chapitre de cette partie propose des simplifications des équations de Saint-Venant. La troisième partie de ce manuscrit présente les méthodes de quantification et de réduction des incertitudes. On présente notamment le contexte probabiliste de la quantification d'incertitudes et d'analyse de sensibilité. On propose ensuite de réduire la dimension d'un problème stochastique quand on traite de champs aléatoires. Les méthodes de décomposition en polynômes du chaos sont ensuite présentées. Cette partie dédiée à la méthodologie s'achève par un chapitre consacré à l'assimilation de données ensemblistes et à l'utilisation des modèles réduits dans ce cadre. La quatrième partie de ce manuscrit est dédiée aux résultats. On commence par identifier les sources d'incertitudes en hydraulique que l'on s'attache à quantifier et réduire par la suite. Un article en cours de révision détaille la validation d'un modèle réduit pour les équations de Saint-Venant en régime stationnaire lorsque l'incertitude est majoritairement portée par les coefficients de frottement et le débit à l'amont. On montre que les moments statistiques, la densité de probabilité et la matrice de covariances spatiales pour la hauteur d'eau sont efficacement et précisément estimés à l'aide du modèle réduit dont la construction ne nécessite que quelques dizaines d'intégrations du modèle direct. On met à profit l'utilisation du modèle réduit pour réduire le coût de calcul du filtre de Kalman d'Ensemble dans le cadre d'un exercice d'assimilation de données synthétiques de type SWOT. On s'intéresse précisément à la représentation spatiale de la donnée telle que vue par SWOT: couverture globale du réseau, moyennage spatial entre les pixels observés. On montre notamment qu'à budget de calcul donné les résultats de l'analyse d'assimilation de données qui repose sur l'utilisation du modèle réduit sont meilleurs que ceux obtenus avec le filtre classique. On s'intéresse enfin à la construction du modèle réduit en régime instationnaire. On suppose ici que l'incertitude est liée aux coefficients de frottement. Il s'agit à présent de juger de la nécessité du recalcul des coefficients polynomiaux au fil du temps et des cycles d'assimilation de données. Pour ce travail seul des données in-situ ont été considérées. On suppose dans un deuxième temps que l'incertitude est portée par le débit en amont du réseau, qui est un vecteur temporel. On procède à une décomposition de type Karhunen-Loève pour réduire la taille de l'espace incertain aux trois premiers modes. Nous sommes ainsi en mesure de mener à bien un exercice d'assimilation de données. Pour finir, les conclusions et les perspectives de ce travail sont présentées en cinquième partie.

Les rivières présentent généralement un lit ondulé dû à la présence de bancs, qui correspondent à des larges dépôts sédimentaires alternant avec des zones profondes (mouilles). Des travaux d'ingénierie importants et répétés modifiant la géométrie du cours d'eau, le régime hydraulique et l'apport sédimentaire peuvent à terme modifier la dynamique des bancs à l'échelle de la rivière. Une meilleure compréhension des processus liés aux bancs est importante pour les gestionnaires des rivières, car les bancs contrôlent activement la morphologie du lit et érodent les berges, impactant la navigation, les prises d'eaux, les ouvrages et la qualité des habitats. Même si les mécanismes régissant la formation et le développement des bancs sont bien compris, la compréhension de la morphodynamique des bancs en milieu fluvial reste limitée, en raison de la non-linéarité induite par la combinaison de facteurs naturels en atrophiques. La non-uniformité des sédiments est une caractéristique inhérente des rivières, mais son impact sur la propriété des bancs, même dans des cas simplifiés, reste obscure. Ce travail de thèse vise à étudier l'impact de l'hétérogénéité granulométrique sur des bancs dans des chenaux endigués, via l'utilisation d'un modèle morphodynamique bi-dimensionnel implémenté dans le système Telemac-Mascaret. Les développements numériques nécessaires sont apportés afin d'être en accord avec l'état de l'art sur la modélisation de bancs avec un sédiment-non-uniforme. Par la suite, ce modèle est utilisé pour l'étude de la morphodynamique des bancs dans un chenal rectiligne sur la base d'expériences réalisées en laboratoire. Finalement, l'analyse est transférée sur un tronçon de 1 km de la Loire, caractérisé par sa géométrie relativement complexe. Les résultats permettent de valider l'approche de modélisation et démontrent la portabilité pour d'autres études, apportent plus d'éléments sur la relation entre sédiment non-uniforme et les bancs, et pourront être utilisés pour préconiser les gestionnaires des rivières / Rivers often present a wavy bed topography due to the presence of bars, corresponding to large sediment deposits alternating with deeper areas (pools). Intense and continual river engineering works altering the river geometry, flow regime and sediment supply can impact bar morphodynamics at the reach scale. A deep knowledge of bar processes is important for river managers, because bars actively control the river bed topography and influence bank erosion, with consequences for navigation, water intakes, infrastructure and the quality of their habitats. Although the origin of bar formation and propagation is well understood, the understanding of bar morphodynamics in rivers remains limited due to the non-linearity of combined natural and anthropogenic effects. Sediment non-uniformity is an inherent characteristic of rivers, but its impact on bar properties, even considering simple configurations, is still unclear. This Ph.D. thesis aims at investigating the impact of sediment size heterogeneity on bars in rivers with non-erodible banks, using a two-dimensional morphodynamic model implemented in the Telemac-Mascaret system. The necessary model developments are brought to comply with the state of the art on the modelling of heterogeneous sediment with bars. Then, the model is used to study bar morphodynamics in a straight channel on the basis of laboratory experiments. Eventually, the analysis is transferred in a 1 km reach of the Loire river characterized by a relatively complex geometry. General outcomes validate the modelling approach and demonstrate the application portability for other study cases, shed more light on the relationship between non-uniform sediment and bars, and can be later used as recommendations for river managers.

Le Paraná argentin, le cinquième plus grand fleuve du monde par la taille de son bassin versant et le dixième par son débit, est également un fleuve de paradoxes : axe essentiel pourtant délaissé ; immense mais inconnu en dehors des pays qu’il traverse ; richesse environnementale qui n’est cependant pas protégée ; au potentiel naturel gigantesque mais très peu utilisé. Avec les 3.2 millions de km² de son bassin versant et un débit moyen de 18 000 m3/s à son embouchure il peut être considéré comme un mégafleuve. La séparation des thématiques de recherche entre géographie physique et humaine implique que le thème des grands fleuves ne soit pas abordés de manière concertée. En 2008, E. Latrubesse propose la notion de « mégafleuve », faisant franchir un saut épistémologique à certains très grands fleuves. Le concept trouve son équivalent dans les réflexions propres à la géographie humaine. L’objectif de cette thèse est donc de proposer un élargissement du concept de mégafleuve à la géographie humaine. Les grands projets tels que l’Hidrovia Paraná-Paraguay ou encore les grands barrages hydroélectriques permettent de mettre en place des ponts entre les domaines de compétence et de croiser la vision des acteurs de différents secteurs. Le Paraná est un fleuve en mutation, porteur d’enjeux socio-économiques de plus en plus importants : c’est pourquoi il est un objet idéal pour promouvoir un aménagement intégré porteur de valeurs environnementales. L’enjeu se situe principalement dans la mise en place des relations entre les échelles locales et supranationales induisant des recompositions territoriales. Ces dernières se fondent sur la mise en réseau de tout ou partie des territoires nationaux permettant de construire de nouvelles architectures régionales grâce à la convergence d’intérêts entre les différents acteurs. L’objectif visé est celui d’aboutir à des coopérations ouvertes permettant de diminuer l’approche verticale-sectorielle qui prédomine de nos jours. / The argentinian Paraná is the fifth river of the world by the size of its watershed, its tenth and its flow. It also is a river of paradoxes: it is an essential axis but has been abandoned; it is immense but unknown outside the countries which it crosses; it represents an environmental wealth which isn’t protected; and finaly is gigantic but very poorely used. With the 3.2 million km ² of its watershed , and an average flow which reaches 18 000 m3/s at its mouth it can be considered as a megariver.The theme of big rivers is nowadays quite fashionable in the scientific literature, but the research is separated between physical and human geography. It then seems necessary to reconcile both approaches around new concepts. In 2008, E. Latrubesse proposed the concept of megariver. This concept finds its equivalent in the reflections found in the human geography. The objective of this thesis is to propose an extension of the concept of megariver to the human geography. Few transversal approaches are led on the Paraná river and links between sectors, services and actors are fragile. The big projects such as the fluvial higway called Hidrovia Paraná-Paraguay or the big hydroelectric dams, allow to link different fields of expertise and to cross the vision of diferent actors. As a fact, the river carries more and more socio-economic issues which can only be approached with an integrated vision, joining social, environmental and economical questions. The issue is aslo situated in the relations between local, national and supranational scales, which leads to territorial reorganizations. These networks of geographical scales allow to build new cooperations inbetween all the actors and lead to an integrated managment of the Parana river.

Ce travail porte sur la morphodynamique des bancs de galets alternés dans une rivière de montagne aménagée. Le site expérimental est un tronçon long de 8 km de la rivière Arc située dans les Alpes françaises. Une analyse des cartes historiques, des photos aériennes et des relevés topographiques montre que le lit de la rivière a évolué d’un style en tresse vers un lit rectiligne avec des bancs alternés contraints entre deux digues. Au milieu des années 1990, le lit de la rivière a été aplani pour former des profils trapézoïdaux. Cependant, les bancs alternés ont réapparu en moins de dixans. Une analyse des facteurs contrôlant leur formation est fournie. Les observations de terrain et l’analyse numérique 1D suggèrent que le motif de bancs alternés représente un état de quasi équilibre du tronçon. D’autre part, la topographie d’un sous-tronçon incluant un banc de galets aété mesurée 18 fois entre 2006 et 2012. Une méthodologie de construction des MNT basée sur leslignes directrices et incluant une estimation de l’erreur a été proposée pour une application aux litsde rivières. La technique de différenciation des MNT a été utilisée pour détecter les changements morphologiques du banc. Ainsi, la morphodynamique du sous-tronçon a été étudiée en la reliant aux principaux processus qui la contrôlent tels que l’hydrologie, les formes des hydrogrammes, la répartition des contraintes de cisaillement, les apports amont en sédiments et l’énergie du coursd’eau. La forme des hydrogrammes de crue ainsi que les apports en sédiments semblent être lesprincipaux facteurs influençant le bilan sédimentaire sur le site étudié. En outre, des modélisationsnumériques 2D hydro-sédimentaires ont été utilisées pour appréhender la dynamique du banc. Lessimulations ont révélé l’importance de l’interaction entre les sédiments fins et les galets sur ladynamique globale du banc. / The current research investigates the morphodynamics of gravel alternate bars in an engineeredmountainous river. The experimental site corresponds to an 8 km long reach of the Arc River, in the French Alps. An analysis of historical maps and recent aerial photographs and topographic campaigns shows that the original braided river bed has evolved to a straight bed with alternate bar system constrained within two embankments following two centuries of man-made engineeringprojects. In the mid 1990s the river bed was flattened to fit a trapezoidal cross-sectional design. However, alternate bars re-appeared in less than ten years. An analysis of the controlling factors of bar formation and evolution is provided. Field observation and 1D numerical analysis suggest that the alternate-bar pattern represents a quasi-equilibrium state of the river bed. A singlegravel bar within the reach was monitored 18 times from 2006 to 2012. A methodology of DTM construction based on breaklines is proposed for river beds and an error estimation is presented. DTM differencing technique was used to detect morphologic changes of the gravel bar. Therefore, the gravel bar and main channel dynamics were analyzed relative to main controlling processes suchas extreme hydrologic events, sediment supply, hydrograph shape, bed shear stress distribution andriver energy. Sediment supply and hydrograph shape appeared to be the main factors influencing the study site sediment budget. Moreover, 2D numerical modelling of water flow and sediment transport was performed. Sensitivity analysis was conducted to yield results in agreement with observations. Simulations revealed the relevance of the interaction between fine sediments and gravels on the bar dynamics.

Cette thèse porte sur l’analyse morphodynamique et sédimentaire des méandres du Cher (affluent de rive gauche de la Loire moyenne). L’intérêt pour cette question est né d’un double constat. Le premier était celui d’un manque patent de connaissances sur le fonctionnement géomorphologique des affluents de la Loire en général et du Cher en particulier. Le second se rapportait à la coexistence en apparence contradictoire d’une faible mobilité en plan depuis le début du XIXe siècle et d’une érosion latérale active au cours des trois dernières décennies, au minimum. L’objectif était à la fois de combler une partie de ce déficit de connaissances, afin notamment d’améliorer les pratiques de gestion de la rivière, et de caractériser le plus finement possible le comportement a priori atypique de ces systèmes à méandres, afin d’en comprendre la dynamique. Cette étude aura permis de mettre en évidence que depuis 1950, mais aussi probablement depuis 1830, la faible mobilité du tracé de la rivière relève essentiellement des contraintes exercées par les aménagements présents dans le lit mineur. En outre, ces méandres disposent encore aujourd’hui d’une très forte capacité intrinsèque à balayer leur plaine alluviale. La fréquence de mobilisation de la charge de fond est également élevée. Enfin, la morphogénèse est principalement commandée par les évènements hydrologiques de faible magnitude. Ces résultats sont de première importance pour les gestionnaires puisqu’ils indiquent que les dysfonctionnements qui affectent actuellement cet hydrosystème ne sont pas totalement irréversibles. / This thesis is dedicated to the morphodynamics and sedimentary analysis of the Cher River meanders (left bank tributary of the Middle Loire River). Two main points explain the present study. First, there is a general lack of knowledge concerning the geomorphological functioning of the Loire River tributaries, especially on the Cher River. Second, there is an apparent contradiction between the low mobility of the fluvial land forms since the early 19th century and active lateral erosion observed over the past three decades at least. In comparison with the Loire and its tributaries, the specificity of the Cher River lies in a meandering pattern that is both old and spatially extended. This research also directly concerns the current management issues of the Cher and the Loire River. These issues relate mainly to the maintenance or restoration of alluvial landscapes and to the refill of the bed with coarse sediments. The main objective of the thesis was both to fill a part of this knowledge gap and to characterize as fully as possible the atypical behavior of this meandering system in order to understand its dynamics. The various investigations conducted have focused on the middle valley of the Cher River, upstream of the channelized section, and more specifically on three distinct reaches. They were designed to validate two explanatory hypotheses that are not mutually exclusive of each other; the two hypotheses were initially set out to explain the stability of the meander planforms. The first hypothesis postulated that the migration of meanders was inhibited by the presence of bank protections. The second is related to a decrease in the frequency and / or intensity of hydrological morphogenic events since the 19th century. Our analysis is based on two complementary approaches. Firstly, we undertook the reconstruction of the evolutionary trajectory of these meanders at a historical timescale (period 1830-2005) and we investigated the causes of the observed changes. Secondly, we examined more specifically the relationships between morphogenesis and bedload transport at time scalesspanning from the hydrological event to a few decades (last 25-70 years). This study demonstrates that since 1950, but probably also since 1830, the low meander mobility, essentially results from engineering works in the bed. Further, the meanders still have a very high intrinsic ability to erode the alluvial plain. The frequency of bedload mobilization is also high. Finally, morphogenesis in the system is mainly controlled by low magnitude hydrological events. These results are of primary importance for river managers because they highlight the reversibility of the current hydrosystem degradation.

Ce travail de thèse a pour oblectif de simuler numériquemetn les impacts de recharges sédimentaires sur la morphodynamique du tronçon du Vieux-Rhin situé entre les barrages de Kembs et Breisach. Dans le cadre du projet InterReg de redynamisation du Vieux-Rhin, ces simulations sont primordiales pour évaluer l'efficacité des scénarios de recharge sédimentaire ainsi que lesrisques associés , tels que la fixation des dépôts ou encore la déstabilisation du lit pavé. a l'échelle du vieux-Rhin entioer (50 km) les simulations numériques 1D des années 1950, 1990 et 2009 ont permis d'appréhender la dynamique fluviale du lit en tenant compte de l'impact de la végétation. Les modélisations des processus granulométriques en jeu dans les recharges sédimentaires ont été préalablement testés et améliorés sur des expériences de laboratoires avec le modèles numériques 1D RubarBE. Dans ces modélisations, le tri granulométrique longitudinal, les évolutions morphologiques et le phénomène de capture des sédiments les plus fins ont été reproduits. Les modélisations bi-dimensionnelle à l'échelle des sites d'injections ont été réalisées avec le modèle numérique Rubar20TS. Les évolutions morphologiques des recharges ont été simulées et les zones favorisant les dépôts sédimentaires ont été identifiées. Les conclusions suivantes ont été tirées des simulations d'un banc sédimantaire et des scénarios de redynamisation : des flancs de banc pentus facilitent la mobilisation sédimentaire ; le choix du site et de la largeur du banc semblent très imporants afi de créer des conditions suffisament dynamiques en bordure de banc ; l'injection d'un banc de galets apparaît plus efficace qu'une érosion latérale de berge. Un scénario de recharge sédimentaire optimal pourrait consister en des injections de bancs latéraux étroits d'un volume d''environ 20 000 m3 répétées dans le temps et/ou dans l'espace. / Pas de résumé en anglais

La Loire est un des principaux hydrosystèmes fluviaux français. Les îles font partie intégrante du paysage fluvial et tout particulièrement du corridor anastomosé de la Loire moyenne, d'où l'appellation de la Loire des îles. La thèse s'intéresse au fonctionnement méconnu de ce système fluvial. Les îles de la Loire sont à la fois des traceurs morphologiques du réajustement fluvial et des témoins des usages et pratiques par les sociétés du fleuve. L'approche morphologique se consacre ainsi à l'évolution du fleuve depuis le 19ème siècle à travers différentes échelles d'analyse spatiale et temporelle. Sous un Système d'Information Géographique (SIG), il a été possible de suivre l'évolution du lit fluvial depuis 1850 et d'analyser en détail les mécanismes et les rythmes de formation des îles. Les îles ne sont pas des formes entièrement stabilisées et peuvent être considérées comme des formes fluviales de réajustement aux perturbations environnementales (facteur déclenchant : arrêt de la navigation ; facteurs aggravants : absence de grande crue, incision du lit, déclin de l'agriculture, extractions de granulat). Le paysage de la Loire des îles est encore en transition et annonce la tendance à une chenalisation unique dominée par la forêt alluviale. Cette approche à échelle moyenne est complétée par une approche plus fine focalisée sur l'évolution saisonnière et inter-annuelle des îles et des bras secondaires. Des Modèles Numériques de Terrain (MNT) et des profils en travers comparatifs intégrés au SIG permettent alors de quantifier précisément les processus d'érosion et de sédimentation en fonction de l'année hydrologique. Les îles sont les sites privilégiés du piégeage sédimentaire et accentuent le déficit sédimentaire enregistré depuis le milieu du 20ème siècle. Les bras secondaires présentent de grands contrastes entre eux et permettent encore le transit sédimentaire. Cependant, la végétalisation de certains bras s'accélère et compromet leur pérennité. Les budgets sédimentaires des unités fluviales ont donc été établis à différents pas de temps. Cette thèse apporte au final des éléments indispensables à une gestion du fleuve.

La crue de décembre 2003, sur le Rhône en aval de Beaucaire (11 500 m3 s1) a eu une ligne d'eau plus élevée de 30 à 60 cm que la crue de référence du mois de Mai 1856 (11 640 m3 s1). Cette élévation a provoqué des inondations par surverse sur la berge gauche du Rhône entre Beaucaire et Arles et l'apparition de brèches en rive droite du Petit Rhône, entraînant des dégâts matériels considérables. Elle peut être interprétée en termes de perte de débitance, due à l'évolution géomorphologique du chenal depuis la fin du XIXe siècle.<br />Pour valider cette hypothèse, cette thèse est construite en trois parties. Dans la première, sont analysés les facteurs de la morphogenèse, à l'échelle du bassin-versant et locales (évolution des apports solides, aménagements...), sur la base d'une synthèse des données d'archives et des travaux déjà publiés. Dans la deuxième partie une analyse 2D de l'évolution de l'occupation du sol, puis 3D de la topographie de la plaine et du chenal depuis 150 ans localise et permet de quantifier les zones d'érosion et de stockage sédimentaire. Ces résultats sont discutés et mis en relation avec les forçages généraux et les contraintes locales. L'analyse des brèches du Petit Rhône pose les bases d'une méthode de détermination des zones les plus sensibles à la rupture. Enfin la troisième partie est axée sur l'évolution des flux solides en transit depuis 150 ans : modélisation et calcul de la charge de fond potentielle mise en mouvement en 1876 et en 2006, estimation des flux de MES en transit et de l'impact des aménagements sur leur piégeage ou leur remobilisation à partir de la calibration des données aDcp (dont la validation est présentée).

Ce travail est divisé en 5 chapitres. Le premier évoque l'histoire géologique de la plaine à l'époque tertiaire, avant le Pliocène. Après avoir présenté les difficultés pour établir une stratigraphie précise des dépôts en raison de la rareté des données paléontologiques et de la variété des faciès, l'auteur s'interroge sur les modalités de la tectonique au cours et à l'issue de la sédimentation. Le second chapitre porte sur le contexte actuel de la morphogenèse et sur son principal agent : la dynamique des cours d'eau, de la Loire principalement. Les chapitres trois et quatre s'intéressent aux conditions du dépôt du système de terrasses alluviales au cours des périodes glaciaires du Quaternaire (chapitre 4) après avoir analysé les processus de colluvionnement et de pédogenèse qui ont contribué à en altérer les formes (chapitre 3). Enfin le dernier chapitre examine le façonnement du relief par le ruissellement diffus.