Depuis la fin du XIXe siècle / le début du XXe siècle, les cours d'eau européens sont affectés par une incision et une contraction généralisées des chenaux, en réponse à l'intensification des activités humaines et à la transition climatique entre le Petit Âge Glaciaire (PAG) et le Réchauffement Global actuel (RG). Sur la Garonne, ce phénomène a été observé et décrit depuis les années 1960 dans la portion dite toulousaine (linéaire de 90 km entre les confluences de l'Ariège et du Tarn). Toutefois, peu d'études se sont intéressées à l'évolution de la dynamique fluviale à plus long terme. Cette thèse propose une reconstitution de la trajectoire d'évolution de la Garonne toulousaine sur une échelle de temps pluriséculaire. L'objectif est d'évaluer : 1) l'inscription de la tendance actuelle sur la période antérieure aux années 1950 ; 2) l'effet de la transition PAG/RG et des aménagements ponctuels de l'Epoque Moderne sur la dynamique fluviale ; 3) le mode de fonctionnement hydro-sédimentaire de la Garonne avant le XXe siècle et 4) l'existence de tendances/disparités spatiales au sein du linéaire. La démarche méthodologique mise en oeuvre repose sur la complémentarité chronologique et spatiale des données traitées, issues de l'analyse des documents cartographiques historiques et de travaux de terrain menés sur 11 paléochenaux de la Garonne. Les résultats révèlent : 1) une tendance au méandrage au cours de la phase terminale du PAG (seconde moitié du XIXe siècle), marquée par des discontinuités le long du linéaire ; 2) une réduction de la dynamique fluviale amorcée dès la fin du XIXe siècle / le début du XXe siècle dans la partie amont/médiane du linéaire, en réponse à des facteurs de contrôle multiples et 3) une réduction de la dynamique fluviale plus tardive dans la partie aval, sous l'effet d'une campagne de protection des berges. Par ailleurs, cette étude fournit des données sur la période correspondant à l'Optimum Climatique Médiéval (OM, 900-1300) et révèle une faiblesse documentaire concernant le PAG avant le XIXe siècle. / Since the end of the nineteenth century, significant morphological channel changes have been observed along European rivers. The major processes involved, channel incision and narrowing, appear as the result of increasing human activities and the transition from the Little Ice Age (LIA) to Global Warming (GW). On the Garonne River (southwestern France) this phenomenon has been observed and described since the 1960th between the Ariège and Tarn tributaries (The Toulouse Garonne, 90 km). However, very few studies have focused on a longer evolutionary period. In this study, we propose to analyze the evolutionary trajectory of the Toulouse Garonne on a plurisecular timescale. The aim of this study is to assess: 1) the evolutionary tendency before the 1950th; 2) the impact of the LIA to GW transition and former human disturbances on fluvial dynamics; 3) the hydro-sedimentary pattern of the Garonne River before the twentieth century; and 4) the presence of spatial discontinuities within the reach. The analysis is based on two types of data, which are complementary in terms of chronology and spatial cover: historical maps and field data collected on 11 palaeochannels. The results show: 1) a meandering channel in the late LIA (second half of the nineteenth century), with spatial discontinuities along the Toulouse Garonne; 2) a morphological adjustment since the late nineteenth / early twentieth centuries in the upstream and middle reaches, in response to several controls and; 3) a later adjustment in the downstream reach, in response to bank protection. Furthermore, this study provides new data on morphological channel features over the Medieval Climatic Optimum (MCO, 900-1300) and reveals that only a very few data allows to assess the channel behavior over the LIA.

La moyenne Garonne a vu sa morphologie et sa dynamique hydro-sédimentaire durant le XXe siècle se modifier de manière significative, avec la contraction de la bande active et l’incision de son chenal. Cette thèse se propose d’analyser les ajustements verticaux du cours d’eau depuis 1830 et la dynamique d’évolution des seuils rocheux mis à l’affleurement sous l’effet de l’incision. L’étude se fonde sur une approche géohistorique et une approche de terrain, à trois échelles spatiales : (1) le linéaire de la moyenne Garonne, (2) trois tronçons et (3) les seuils inscrits dans les tronçons. A l’échelle du linéaire, trois phases d’ajustements sont identifiées : une première phase (1830-1860s) d’exhaussement (1,9 cm.an-1) et d’élargissement, une seconde phase (1860s-1920) d’aggradation (3,2 cm.an-1) et de contraction et une troisième phase (1920-2000s) d’incision (2,6 cm.an-1) et de contraction avec une accélération des processus d’incision (3,6 cm.an-1) et de contraction à partir des années 1960s. A l’échelle des tronçons, le rôle majeur des extractions de granulats est mis en évidence dans la mise à l’affleurement des seuils rocheux par érosion régressive et progressive et cela, de manière rapide durant les années 1970s. A l’échelle des seuils, la dégradation de la molasse montre qu’une fois dégagée de la charge alluviale, l’incision de la molasse reste active et que le cours d’eau poursuit son incision sans rupture majeure en termes de vitesse dans l’enchaînement entre les deux processus. Par ailleurs, l’étude des formes d’érosion dans la molasse a mis en évidence l’importance de la fusion de ces dernières dans l’érosion et l’évolution des seuils, ce qui tend à montrer que l’érosion verticale ne serait pas le facteur principal dans le développement des seuils rocheux. L’étude de la mobilité de la charge grossière montre que les seuils ne sont pas un obstacle à la mobilité des galets et sont transparents au transfert amont-aval. / The middle Garonne River has seen its morphology and hydro-sedimentary dynamics change significantly during the 20th century, resulting in channel narrowing and incision. This thesis proposes to analyze the vertical adjustments of the river since 1830 and the dynamics of the evolution of the knickpoints released from the alluvial cover under the effect of the incision. The study is based on a geohistorical and field approach, at three spatial scales: (1) the length of the middle Garonne, (2) three sections and (3) the knickpoints present at each section. At the linear scale, three phases of adjustments are identified: a first phase (1830-1860s) of aggradation (1.9 cm.an-1) and widening; a second phase (1860-1920) of aggradation (3.2 cm.an-1) and narrowing; then a third phase (1920-2000s) of incision (2.6 cm.an-1) and narrowing with an acceleration of the incision (3.6 cm.an-1) and narrowing from the 1960s. At the section scale, the major role of in-stream mining has been highlighted with regard to the outcropping of knickpoints by regressive and progressive erosion operating rapidly during the 1970s. At the scale of the knickpoints, the degradation of the molasse shows that once the alluvial cover is released, the incision remains active and the river continues its incision without major break in terms of speed between the two processes. Furthermore, the study of the erosion forms in the molasse highlights the importance of the fusion of the forms for the erosion and the evolution of the knickpoints, and tends to show that vertical erosion would not be the main factor for the development of the knickpoints. The mobility of the coarse load has also shown that the knickpoints are not an obstacle to the mobility of the pebbles during downstream transfer.

Südostbrasilien war während des Spätpleistozäns und des Holozäns beachtlichen Klimaschwankungen unterworfen, die vielfältige geoökologische Konsequenzen zur Folge hatten. Mit der europäischen Kolonialisierung setzte überdies ab dem frühen 16. Jahrhundert eine anthropogen verursachte Degradation ein, welche zu massiven Veränderungen des Landschaftssystems führte. Trotz einer längeren geowissenschaftlichen Forschungstradition in der Region ist der Kenntnisstand über die Auswirkungen der natürlichen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik bis heute vergleichsweise gering. Bereits existierende Vorstellungen zu dieser Thematik erscheinen darüber hinaus zumindest ergänzungswürdig und müssen entsprechend des aktuellen Forschungsstandes erweitert werden. Um einen Beitrag zur Schließung dieser Forschungslücken zu leisten, wurden im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit bodengeographische und fluvialmorphologische Untersuchungen im südostbrasilianischen Guapi-Macacu Flusseinzugsgebiet durchgeführt. Im konkreten soll der Frage nachgegangen werden, ob und wie sich klimatische und anthropogene Veränderungen auf die geomorphodynamische Stabilität der Region ausgewirkt haben. Neben dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn können daraus gesellschaftlich relevante Informationen über zukünftige Umweltveränderungen abgeleitet werden. Zur Beantwortung solcher Fragestellungen werden in den Geowissenschaften Paläoumweltarchive genutzt. Wegen seiner naturräumlichen Gegebenheiten kommen in der Region dabei lediglich Böden oder fluviale Sedimente als Geoarchive in Frage. Folglich widmet sich der erste Teil der vorliegenden Dissertation der Bodenverbreitung und -genese im Vorland der Serra dos Órgãos-Gebirgskette. Neben der feldmethodischen Aufnahme ausgewählter Bodenprofile wurde dafür auch auf klassische physikochemische Labormethoden zurückgegriffen. Die sich daraus ergebenden bodengeographischen Befunde lassen große Übereinstimmungen mit bekannten Arbeiten aus anderen tropischen Regionen der Welt erkennen. So ist der erdoberflächennahe Untergrund an erosionsgeschützten Standorten aus stark verwitterten, (gelb)braunen Böden oder Bodensedimenten aufgebaut, welche fossile rote Bodenhorizonte und/oder einen farblich heterogenen Kristallinzersatz überlagern. An vielen Unterhängen konnten darüber hinaus teils mehrgliedrige, junge Kolluvien beschrieben werden. Um geomorphodynamische Aktivitätsperioden ausweisen zu können war v.a. die zeitliche Stellung der Hangverlagerungsprozesse von Bedeutung. Feo/Fed- und Mno/Mnd-Verhältnisse sowie geomorphologische Feldbefunde erlauben zusammen die Unterscheidung zwischen älteren und jüngeren Hangsedimenten. Die jüngsten Unterhangkolluvien konnten aufgrund eingebetteter moderner Keramik und Holzkohlen sicher in die neuzeitliche Landnutzungsperiode gestellt werden. Insgesamt ist das Archivpotenzial der Böden und Bodensedimente im Untersuchungs-gebiet jedoch gering. Die formulierten Forschungsfragen zu den Folgen von klimatischen und anthropogenen Veränderungen auf die Geomorphodynamik können damit nur unzureichend beantwortet werden. Einen Fortschritt könnten zukünftig evtl. Lumineszenzdatierungen bringen. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, die an fluvialen Sedimentsequenzen in der Region durchgeführt wurden. Diese sind über weite Strecken aufgeschlossen und können daher vergleichsweise einfach studiert werden. Arbeiten zum Aufbau fluvialer Sedimente und Ableitungen über Paläoumweltbedingungen sind in Süd- und Südostbrasilien bisher äußerst selten und darüber hinaus ist die chronologische Auflösung meist nur unzureichend. In der vorliegenden Dissertation wurde zunächst aus 13 chronostratigraphisch bearbeiteten Einzelprofilen ein spätpleistozänes und holozänes, fluviales Standardprofil für das Guapi-Macacu Einzugsgebiet abgeleitet, welches sich aus vier deutlich zu unterscheidenden Fazieseinheiten aufbaut. 44 14C-Datierungen liefern hierfür ein solides Zeitgerüst, so dass gesicherte Aussagen über das Verhalten des Guapi-Macacu-Systems während der letzten etwa 13.000 Jahre möglich sind. Zwar stellt auch das fluviale Standardprofil kein hochauflösendes Paläoumweltarchiv dar, jedoch kann daraus ein wissenschaftlich wertvoller Erkenntnisfortschritt über die Geomorphodynamik im Untersuchungsgebiet abgeleitet werden. So weisen die Ergebnisse auf mehrfache Wechsel in der Fluvial- und Hangdynamik hin, die mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit durch großklimatische Veränderungen hervorgerufen wurden. Störungen der thermohalinen Nordatlantikzirkulation lösten an der Grenze zwischen Pleistozän und Holozän sowie am Übergang vom Mittel- zum Spätholozän eine Südwärtsverlagerung der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) aus, wodurch sich die Südatlantische Konvergenzzone (SACZ) während der Sommermonate mit dem Südamerikanischen Monsunsystem (SAMS) verbinden konnte. Im Untersuchungsgebiet wurden dadurch feuchtere Bedingungen und gehäuft Starkregen ausgelöst, welche zu geomorphodynamisch aktiven Phasen führten. Vor allem in steilen Hanglagen und unterhalb größerer abflusswirksamer Felsflächen fanden phasenweise erhebliche Bodenabträge statt und ältere Hillwashsedimente wurden an den Unterhängen akkumuliert. In den Talböden sind die natürlichen Instabilitätsphasen durch grobklastische Schotter (Fazieseinheit I, ca. 12.800 cal. BP) sowie mächtige sandig bis kiesige Sedimente (Fazieseinheit III, ab ca. 4.700 cal. BP) dokumentiert. Bei einer vergleichsweise nördlichen Position der ITCZ, während des Früh- und Mittelholozäns, herrschten im Untersuchungsgebiet hingegen trockenere Klimabedingungen, welche zu geomorphodynamischer Stabilität führten. Diese Stabilitätsphase ist durch einen Hiatus bzw. feinkörnige fluviale Ablagerungen (Fazieseinheit II,zwischen 6.600 und 4.300 cal. BP) in den Flusstälern belegt. An den Hängen wurden zeitgleich sehr wahrscheinlich Cambisole gebildet. Mit der europäischen Kolonisation setzte zu Beginn des 16. Jahrhundert in Südostbrasilien die sukzessive Zerstörung des Atlantischen Küstenregenwaldes ein. Zuckerrohr- und Kaffeeplantagen etablierten sich und es wurde großflächig Brandrodungsfeldbau praktiziert. Dadurch wurden die Böden zeitweise entblößt, was in Verbindung mit den ergiebigen Niederschlägen erneut verstärkte Abträge zur Folge hatte. Die korrelaten Sedimente der nutzungsinduzierten Bodenerosion sind in Form von holzkohlehaltigen Unterhangkolluvien und Auenlehmen (Fazieseinheit IV) erhalten geblieben. Die 14C-Datierungen aus den Flusssedimenten belegen einen verstärkten anthropogenen Einfluss in der Region seit maximal 250 Jahren. Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, dass Klima- und Nutzungsbedingungen das geomorphodynamische Prozessgeschehen in der Vergangenheit steuerten. Für die Zukunft sind eine Häufung von Starkniederschlägen und ein wachsender Nutzungsdruck in der Region prognostiziert. Die Ergebnisse aus der jüngeren Erdgeschichte lassen vermuten, dass es dadurch zur Landschaftsdestabilisierung verbunden mit großflächigen Hangrutschungen kommen wird. Diese werden v.a. in besiedelten Regionen sehr ernstzunehmende Naturgefahren für die Bevölkerung darstellen. / A growing number of publications from southeastern Brazil points to significant climatic and subsequently substantial geo-ecological changes during the latest Pleistocene and Holocene. Additionally, the European colonization led to anthropogenically triggered landscape degradation since the early 16th century. Even though there has been a long-term geoscientific research tradition in that region, the impacts of these changes on geomorphodynamic processes are not well understood so far. Existing concepts dealing with these topics need to be improved according to the current state of research. Hence, this doctoral thesis attempts to partly close this gap of knowledge. Therefore, pedological and sedimentological investigations were carried out at several outcrops within the Guapi-Macau river basin, SE-Brazil. Especially, this work aims to answer the research question if and how climate changes and increased human impact affected geomorphodynamic stability of this region. In addition to its scientific importance, this topic is of high relevance for the prediction of future environmental changes as well. Geoarchives are used in geosciences for the reconstruction of Quaternary palaeoenvironments. Due to local geographic conditions, only soils and fluvial sediments can be used as palaeoenvironmental archives in the study area. Consequently, the first part of this thesis deals with soil distribution and soil development in the foreland of the Serra dos Órgãos Mountains. Standard field descriptions and physicochemical laboratory methods were applied to characterize the regional soils. The results show that these soils have great similarities with other tropical regions of the world. In the study area a standard soil profile contains of a strongly weathered, (yellowish)brown soil horizon or hillwash sediment, covering a fossil reddish soil horizon and/or a heterogeneous weathering mantel. Additionally, relatively young colluvial soils can be observed in many footslope positions. To identify phases of geomorphic activity, the temporal evolution of hillslope deposition is of great importance. A combination of Feo/Fed- and Mno/Mnd-ratios as well as the assessment of the geomorphic position of the sites allowed a relative distinction of older from younger hillslope deposits in the region. In detail, whereas youngest colluvial layers developed during the modern period of land use intensification, could be identified by embedded modern pottery as well as high amounts of charcoal, a further distinction of older hillslope deposits was not possible with the applied methods. Furthermore, often their preservation state is not sufficient so that their potential as archives for palaeoenvironmental research is very limited. However, future luminescence dating would be an option to establish a late Quaternary chronology of hillslope deposits. In the second part of this thesis, investigations of fluvial sediments of the region will be presented. They are exposed over longer distances of the river courses in the Guapi-Macau catchment so that they could easily be studied. Comparable works on the architecture of fluvial sediments are very rare in SE-Brazil, and furthermore their palaeoenvironmental interpretation often remains doubtful due to insufficient age control. Based on chronostratigraphical investigations of 13 fluvial exposures a latest Pleistocene and Holocene standard profile for the Guapi-Macau catchment were developed. The investigations revealed four different facies units that are clearly distinguishable from each other. 44 14C-datings provide a reliable time frame for the reconstruction of the Guapi-Macacu river system during the last approx. 13.000 cal. years BP. Although the fluvial sediments are discontinuous and thus do not offer high resolution proxy data, important findings concerning geomorphodynamic processes could be extracted from them. The results point on multiple changes of the overall geomorphodynamic conditions, very likely triggered by large-scale climate changes. Disturbances in the thermohaline circulation of the northern Atlantic caused a southwards shift of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) at the Pleistocene/Holocene boundary as well as at the transition from the Mid- to the Late Holocene. Consequently, the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) was connected with the South American Monsoon System (SAMS) during summer, producing periods of intense precipitation over large parts of southeastern South America where the study area is located. Especially at steep slopes and below larger areas of bare bedrock phases of geomorphic activity periodically appeared. Significant amount of soil were eroded, and older hillwash sediments were deposited on the footslopes. In the floodplains, coarse grained gravels (Unit I, approx. 12.800 cal. BP) and several meters of planar or cross-bedded sands to fine gravels (Unit III, after approx. 4.700 cal. BP) document periods of natural geomorphodynamic instability. Due to a more northerly position of the ITCZ, the study area was obviously drier and geomorphologically more stable during the Early and Mid-Holocene. This is documented by a hiatus or fine-grained deposits (Unit II, from approx. 6.600 to 4.300 cal. BP), respectively. On the slopes probably (yellowish)brown cambisols developed simultaneously. Since the European colonization starting from the early 16th century large areas of valuable Atlantic rainforest were destroyed. Instead, sugar cane and coffee plantations were established, and slash-and-burn agriculture became a common land use practice. Soils were exposed and prevailing strong rains led to high rates of soil erosion again. Correlate sediments of this man-made soil erosion are preserved as charcoal-containing hillslope colluvium and fine-grained floodplain sediments (Unit IV). Radiocarbon ages from the fluvial loams point on increased human impact for the last max. 250 years. The present doctoral thesis demonstrates that climatic changes and human impact strongly affected geomorphodynamic processes of SE-Brazil during the past. There are predictions of a larger frequency of intense rainfall events and increased land use pressure for the future. The presented results from the geological history suggest that landscape destabilization and large-scale landslides could be direct consequences of such changes. As seen already today, especially in highly populated regions this could be serious natural hazards which can affect human health.

Les travaux de cette thèse ont pour but de développer un prototype d’éco-pilote, nommé EcoNav, permettant d’optimiser la vitesse d’un bateau afin de réduire sa consommation de carburant. EcoNav est composé de plusieurs modules dont : un modèle hydraulique 2D simulant l’écoulement hydrodynamique (vitesse du courant et hauteur d’eau) le long du trajet du bateau; - un modèle de résistance à l’avancement servant à alimenter un modèle de prédiction de la consommation de carburant; - un algorithme d’optimisation permettant de trouver le profil optimal de vitesse. Afin de pouvoir estimer la consommation de carburant, un modèle numérique de la résistance à l’avancement en milieu confiné a été développé durant la première partie de cette thèse. Ce modèle numérique 3D simule l’écoulement du fluide autour du bateau et permet de calculer les forces agissant sur sa coque. La résolution des équations RANS est couplée avec un algorithme de quasi-Newton afin de trouver la position d’équilibre du bateau et calculer son enfoncement. Cette méthode est validée en comparant les résultats numériques avec des résultats expérimentaux issus d’essais en bassin de traction. L’influence de l’enfoncement sur la résistance à l’avancement et la précision de la méthode est étudiée en comparant les résultats numériques obtenus avec et sans enfoncement. La précision des modèles empiriques de prédiction de la résistance à l’avancement est également comparée à celle du modèle numérique. Enfin, le modèle numérique est utilisé afin de déterminer si le confinement en largeur ou en profondeur ont une influence identique sur l’augmentation de résistance à l’avancement. Les résultats de cette étude permettent d’établir si le confinement de la voie d’eau peut être caractérisé à l’aide d’un paramètre unique (coefficient de blocage par exemple) ou bien deux paramètres permettant de distinguer le confinement latéral et vertical. Dans la seconde partie de cette thèse, les méthodes numériques utilisées pour le modèle d’éco-pilote sont décrites et comparées afin de sélectionner celles qui sont le plus adaptées à chaque module. EcoNav est ensuite utilisé afin de modéliser un cas réel : celui du bateau automoteur Oural navigant sur la Seine entre Chatou et Poses (153 km). La consommation optimisée est comparée à la consommation non optimisée, calculée à partir des vitesses AIS observées sur le tronçon étudié. L’influence de la trajectoire du bateau et de son temps de parcours sur sa consommation sont également étudiés. Les résultats de ces investigations ont montré qu’optimiser la vitesse du bateau permet d’obtenir une réduction de la consommation de carburant de l’ordre de 8 % et qu’optimiser la trajectoire du bateau ainsi que prendre en compte des informations en temps réel (disponibilité des écluses, trafic sur le fleuve) peuvent permettre de réaliser des économies de carburant supplémentaires. / An eco-driving prototype, named EcoNav, is developed with the aim of optimizing a vessel speed in order to reduce fuel consumption for a given itinerary. EcoNav is organized in several modules : - a 2D hydraulic model simulating the flow conditions (current speed and water depth) along the itinerary; - a ship resistance model calculating the thrust necessary to counteract the hydrodynamic forces ; - a fuel consumption model calculating the fuel consumption corresponding to the thrust input; - a non linear optimization algorithm calculating the optimal speed profile. In order to evaluate the fuel consumption of an inland vessel, a ship resistance numerical model is developed in the first part of this PhD. This 3D numerical model simulates the flow around an inland self-propelled vessel and evaluates the hydrodynamic forces acting on the hull. A RANS solver is coupled with a quasi-Newton approach to find the equilibrium position and calculate ship sinkage. This method is validated by comparing the results of numerical simulations to towing tank tests. The numerical results with and without sinkage are also compared to study the influence of sinkage on ship resistance and on the accuracy of the method. Additionally, some empirical models are investigated and compared with the accuracy of the numerical method. Finally, the numerical model is used to determine if channel with and water depth restriction contribute to the same amount of ship resistance increase for the same level of restriction. The results of that investigation give insight to whether channel restriction can be characterized by a unique parameter (for instance the blockage ratio) or two parameters to distinguish water depth and channel with effects. In the second part of this PhD, the numerical methods used in the speed optimization model are described and validated. The speed optimization model is then used to simulate a real case: the itinerary of the self-propelled ship Oural on river Seine, between Chatou and Poses (153 km). The optimized fuel consumption is compared with the non-optimized fuel consumption, based on AIS speed profile retrieved on this itinerary. The effects of the ship trajectory and travel duration on fuel consumption are also investigated. The results of those investigations showed that optimizing the ship speed lead to an average fuel saving of 8 % and that using an optimal track and including real time information such as lock availability and river traffic can lead to additional fuel savings.

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.

La télédétection est une technique de plus en plus utilisée dans le domaine fluvial, et si des images acquises à haute, voire très haute altitude via des vecteurs aéroportés et satellites sont traditionnellement utilisées, l’imagerie in situ (ou « imagerie de terrain ») constitue un outil complémentaire qui présente de nombreux avantages (facilité de mise en place, coûts réduits, point de vue oblique, etc.). Les possibilités de programmer les prises de vue fixes à des fréquences relativement élevées (de quelques dixièmes de secondes dans le cas de vidéos, à quelques heures par exemple) mais aussi de pouvoir observer les évènements au moment où ils surviennent, est sans commune mesure avec les contraintes associées à l’acquisition de l’imagerie « classique » (dont les plus hautes fréquences s’élèvent à quelques jours). Cela permet de produire des jeux de données conséquents, dont l’analyse automatisée est nécessaire et constitue l’un des enjeux de cette thèse. Le traitement et l’analyse de jeux de données produits sur cinq sites test français et québécois ont permis de mieux évaluer les potentialités et les limites liées à l’utilisation de l’imagerie in situ dans le cadre de l’étude des milieux fluviaux. La définition des conditions optimales d’installation des capteurs en vue de l’acquisition des données constitue la première étape d’une démarche globale, présentée sous forme de modules optionnels, à prendre en compte selon les objectifs de l’étude. L’extraction de l’information radiométrique, puis le traitement statistique du signal ont été évalués dans plusieurs situations tests. La classification orientée-objet avec apprentissage supervisé des images a notamment été expérimentée via des random forests. L’exploitation des jeux de données repose principalement sur l’analyse de séries temporelles à haute fréquence. Cette thèse expose les forces et les faiblesses de cette approche et illustre des usages potentiels pour la compréhension des dynamiques fluviales. Ainsi, l’imagerie in situ est un très bon outil pour l’étude et l’analyse des cours d’eau, car elle permet la mesure de différents types de temporalités régissant les processus biophysiques observés. Cependant, il est nécessaire d’optimiser la qualité des images produites et notamment de limiter au maximum l’angle de vue du capteur, ou la variabilité des conditions de luminosité entre clichés, afin de produire des séries temporelles pleinement exploitables. / Remote sensing is more and more used in river sciences, mainly using satellite and airborne imagery. Ground imagery constitutes a complementary tool which presents numerous advantages for the study of rivers. For example, it is easy to set up; costs are limited; it allows an oblique angle; etc. It also presents the possibility to set up the triggering with very high frequency, ranging, for instance, from a few seconds to a few hours. The possibility to monitor events at the instant they occur makes ground imagery extremely advantageous compared to aerial or spatial imagery (whose highest acquisition frequency corresponds to a few days). Such frequencies produce huge datasets, which require automated analyses. This is one of the challenges addressed in this thesis. Processing and analysis of data acquired at five study sites located in France and Québec, Canada, facilitated the evaluation of ground imagery potentials, as well as its limitations with respect to the study of fluvial systems. The identification of optimal conditions to set up the cameras and to acquire images is the first step of a global approach, presented as a chain of optional modules. Each one is to be taken into account according to the objectives of the study. The extraction of radiometric information and the subsequent statistical analysis of the signal were tested in several situations. In particular, random forests were applied, as a supervised object-oriented classification method. The datasets were principally exploited using high frequency time series analyses, which allowed demonstrating strengths and weaknesses of this approach, as well as some potential applications. Ground imagery is a powerful tool to monitor fluvial systems, as it facilitates the definition of various kinds of time characteristics linked with fluvial biophysical processes. However, it is necessary to optimize the quality of the data produced. In particular, it is necessary to minimize the acquisition angle and to limit the variability of luminosity conditions between shots in order to acquire fully exploitable datasets.

L'évaluation des effets des barrages sur les cours d'eau est rendue difficile par l'absence d'observations adéquates et par la variabilité naturelle des chenaux. Si ces effets sont largement connus et décrits qualitativement, la collecte de données quantitatives et la réalisation de modèles prédictifs d'évolution restent des points délicats à traiter en raison de la complexité des processus (chapitre 1). De plus, nous savons aujourd'hui limiter les effets directement liés aux régulations des débits liquides mais des actions limitant ou palliant le déficit de charge solide restent encore à définir. De nombreuses opérations de restauration de la charge de fond ont déjà été entreprises en Californie, ou sur le Rhin, mais la plupart consistent en la réintroduction de sédiments exogènes dont le transport sur le site déficitaire est extrêmement coûteux. La basse vallée de l'Ain représente un site d'étude idéal pour aborder cette thématique de recherche. Cette rivière comporte, en effet, un corridor relativement naturel et n'a pas été le centre d'importantes activités (extractions de granulats en lit mineur) ou d'aménagements importants (endiguement généralisé, calibration pour la navigation), hormis la construction de nombreux ouvrages hydroélectriques.<br /><br />Dans un premier temps, nous avons identifié les effets de la chaîne de barrages sur la morphologie de l'Ain dont les variables de contrôle ont été profondément modifiées depuis la fin du 19e siècle (chapitre 2). Pour cela, nous avons tout d'abord analysé finement la trajectoire contemporaine du cours d'eau en nous focalisant sur deux paramètres d'ajustement (la largeur et le profil en long). Ceci nous a permis, ensuite, de distinguer, au sein de cette trajectoire, les effets des barrages sur les variables de contrôle (charge de fond depuis 1931 et débit depuis 1968) et sur les ajustements morphologiques qui ont pu en découler. L'amplitude des modifications des variables de contrôle imputables aux barrages, ainsi que l'extension spatiale actuelle des ajustements fluviaux en lien avec ces modifications, ont été ensuite déterminées à partir des jeux de données disponibles (photographies aériennes) et de mesures collectées sur le terrain (granulométrie).<br />Dans un second temps, nous avons cherché à approfondir nos connaissances relatives à la dynamique sédimentaire de l'Ain (détermination des entrées sédimentaires, des dépôts, des capacités du cours d'eau à évacuer la charge disponible, quantification des excédents énergétiques du cours d'eau) pour définir l'amplitude actuelle du déficit sédimentaire du cours d'eau, mais également pour déterminer les évolutions à venir et les préconisations de gestion à envisager (chapitre 3). Trois approches ont été utilisées et adaptées pour aborder cet aspect : la construction d'un budget sédimentaire par tronçons homogènes, des mesures directes de transport solide, et la détermination de la capacité de transport à l'aide de formules hydrauliques. Ces trois techniques ont permis d'effectuer une validation croisée des résultats obtenus, qui montrent la nécessité de mettre en place rapidement des mesures de gestion pour augmenter les introductions de charge sédimentaire en amont du système. Il semble ainsi que le chenal ne soit plus en mesure d'assurer seul sa recharge en sédiment et qu'aucune entrée sédimentaire conséquente ne soit susceptible d'enrayer la progression du déficit évalué à 10-15 000 m3.an -1.<br />Ces résultats ont ainsi servi de base pour la définition d'un plan de gestion durable de la dynamique sédimentaire de l'Ain (chapitre 4) qui présente un double objectif, à la fois préventif (préservation des secteur à méandres mobiles) et curatif (réhabilitation de la dynamique latérale des secteurs déjà déficitaires). Après avoir présenté l'ensemble des actions potentiellement envisageables sur des tronçons à l'aval de barrages, nous avons sélectionné les mesures les plus adaptées techniquement et économiquement à notre contexte. Nous présentons enfin les premières opérations de recharge artificielle qui ont été réalisées à la suite de ces préconisations.

L'effet combiné des gradients physiques, des interactions biotiques et des impacts anthropiques, le tout dans un cadre temporel évolutif, donne aux forêts alluviales l'aspect d'une mosaïque complexe où se juxtaposent, dans l'espace et dans le temps, des milieux variés et diversifiés. Si, depuis plus de trente ans, les études ont décrit, qualitativement, les liens qui unissent la végétation des plaines alluviales et la dynamique hydro-morphologique du chenal, certains aspects ont été peu abordés (Chapitre 1). C'est pourquoi, nous avons analysé, quantitativement, l'impact de l'évolution hydro-morphologique du chenal sur les flux d'eau et de sédiments et donc sur les boisements riverains dans les hydrosystèmes rhodaniens. Dans ce contexte, les contrôles anthropiques ont été explicitement intégrés dans l'analyse de l'évolution des structures et des flux. De fait, deux questions scientifiques ont été abordées.<br /><br />Dans un premier temps (Chapitre 2), une approche temporelle de la dynamique de la végétation riveraine à l'échelle de la seconde moitié du 20e s a été développée. Au niveau du paysage (Chapitre 2-A), le contrôle anthropique apparaît très important, aussi bien pour l'évolution des surfaces boisées, que pour la structuration spatiale du corridor naturel. Ainsi, nous avons montré que l'abandon des pratiques sylvicoles et pastorales peut être le moteur de la végétalisation des lits majeurs (Ain). A l'inverse, l'implantation de structures anthropiques dans le paysage réduit la superficie des milieux forestiers et provoque une fragmentation de l'ensemble du corridor (Arve). Lorsque la dynamique latérale du chenal peut s'exprimer, elle est à l'origine d'une plus grande diversité des unités paysagères. Cependant, nous avons mis en lumière un fort découplage géographique entre la dynamique de la zone interne du corridor et celle de la zone externe. Enfin, le caractère transitoire de la structure et de la diversité de la mosaïque paysagère a également été montré. A l'échelle des individus (Chapitre 2-B), l'analyse de la croissance ligneuse du frêne montre également que les contrôles hydro-morphologiques et anthropiques sont prépondérants pour la dynamique de la végétation riveraine à moyen terme. De fait, la position altitudinale d'une placette contrôle en grande partie son degré de connexion hydrologique ; sur l'Ain, un effet de seuil a pu être identifié pour la croissance du frêne entre des débits de connexion de 750 m3.s-1 et de 1000 m3.s-1. De plus, la structuration spatiale du substrat est également, pour le frêne, un facteur important contrôlant sa croissance radiale. L'analyse de la prospection racinaire de cette essence met en évidence un double contrôle au niveau du substrat : un contrôle édaphique (présence d'horizons impénétrables, ex. : le toit de galets) et un contrôle hydrologique (présence d'une nappe permanente ou semi-permanente). Evidemment, structure et fonctionnement sont intimement liées et nos résultats indiquent que la mobilité du chenal, en modifiant de façon significative le patron hydrologique et sédimentaire, affecte les conditions écologiques au sein de la plaine. De même, dans les corridors riverains soumis à une pression anthropique importante, le développement d'activités consommatrices d'eau entraîne une modification de la répartition spatiale et temporelle des flux au sein de l'hydrosystème. <br /><br />Dans un deuxième temps (Chapitre 3), nous avons travaillé à une échelle de temps plus courte et à l'échelle spatiale de la communauté végétale. Dans la strate basse des boisements post-pionniers (frênaie) du corridor de l'Ain (Chapitre 3-A) aussi bien que dans les unités pionnières (saulaies) de la Drôme (Chapitre 3-B), nous avons montré que les conditions écologiques d'une unité varient non seulement en fonction de sa position dans l'hydrosystème à un instant donné, mais aussi au gré de l'évolution de la géométrie du chenal. Cette évolution résulte de l'ajustement aux conditions de débits, solide et liquide, au sein du chenal ; elle est donc liée à la dynamique de l'ensemble du tronçon fluvial : mobilité du chenal (incision sur l'Ain), effet des aménagements anthropiques (endiguement sur la Drôme). Concernant les communautés végétales, la position spatiale et la dynamique du tronçon se traduisent par des niveaux contrastés de connexion hydro-sédimentaire et donc de régime de perturbation. L'expression des processus hydrologiques et sédimentaires se répercute ainsi sur la communauté, en termes de composition, de structure, de régénération ou de diversité. Le rôle important joué par la dynamique des sédiments fins dans les forêts alluviales est alors souligné par nos résultats. En effet, l'érosion et le dépôt de sédiments constituent les processus primordiaux du caractère perturbant d'une crue. De plus, la granulométrie et l'épaisseur du substrat constituent un filtre à l'origine d'une sélection des espèces arbustives dans les milieux pionniers. Notons que cette dynamique des sédiments fins est sous le contrôle de la dynamique hydro-morphologique de l'ensemble du tronçon. <br /><br />Les exemples développés dans notre travail font apparaître une véritable géographie des facteurs de contrôle liée à l'expression différenciée des conditions hydro-morphologiques mais aussi une empreinte anthropique toujours présente. Par exemple, l'influence de la mobilité du chenal sur la croissance et la régénération ligneuse ainsi que le contrôle exercé par la dynamique sédimentaire sur le paysage et les communautés riveraines constituent des arguments importants pour développer une gestion cohérente des lits fluviaux et de leurs marges boisées. Pour cela, après avoir rappelé la spécificité des boisements alluviaux, nous proposons des éléments stratégiques de gestion, concernant notamment : la cohérence géographique des boisements à gérer, le diagnostic fonctionnel de ces forêts, le choix des objectifs de gestion, la prise en compte du contexte hydro-morphologique et de son évolution, la réhabilitation des sites et la cohérence des outils législatifs et financiers permettant d'agir dans ce domaine (Chapitre 4).<br /><br />Enfin, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse permettent de discuter les notions de connexion physique (hydrologique et sédimentaire), de contraintes anthropiques et de trajectoire écologique (Conclusion).

Le calage d'un modèle numérique vise à reproduire des événements de référence par l'ajustement de paramètres à base physique. Cette thèse propose une approche à l'aide de Systèmes à Base de Connaissances. Après une définition des concepts clés, sont présentés un état de l'art et une analyse des différents objets, procédures et raisonnements mis en oeuvre pour mener à bien cette tâche. Ces éléments sont formalisés puis intégrés au sein d'un système d'assistance au calage, selon trois niveaux de connaissances : génériques, propres à l'hydraulique fluviale 1-D, et spécifiques au code de calcul utilisé. Deux cas réels d'application sont traités, en fonction des données disponibles et de l'objectif projeté du modèle. La thèse a permis la capitalisation d'un savoir-faire qui a conduit à un prototype opérationnel d'assistance au calage de modèles hydrauliques et au développement d'outils d'intelligence artificielle dédiés au calage et indépendants de la discipline considérée.

Le Rhin dans son parcours franco-allemand a été aménagé depuis deux siècles pour la protection contre les inondations, la navigation et la production hydro-électrique. La rectification (19ème siècle), la régularisation (1930) et la construction du Grand Canal d'Alsace (1928-1959) ont profondément altéré le fonctionnement hydro-sédimentaire du " Vieux Rhin ", tronçon de 50 km court-circuité entre les barrages de Kembs et de Breisach, conduisant à une réduction de la complexité du tracé en plan, une incision, un pavage du fond du lit et une simplification des habitats aquatiques et riverains. La possibilité de restaurer le transport sédimentaire et la dynamique alluviale du Vieux Rhin est évaluée au sein de projets portés par la Région Alsace et EDF. Dans ce cadre, la présente thèse repose sur deux types d'approches de la géomorphologie fluviale, historique et expérimentale, afin de répondre à la problématique de restauration morpho-écologique du tronçon fluvial. Ce travail, basé sur la collecte de données anciennes et de terrain, ainsi que sur la quantification des évolutions morphologiques à différents niveaux scalaires, a conduit à une meilleure compréhension de la trajectoire temporelle d'ajustement de l'hydrosystème et à une estimation de sa sensibilité aux changements. Le suivi géomorphologique d'un test de recharge sédimentaire conduit sur un site-pilote a servi également à évaluer la pertinence de ce type d'intervention, à travers l'analyse des bénéfices et des risques environnementaux potentiels. L'ensemble des résultats obtenus a permis d'apporter aux gestionnaires des éléments d'aide à la réflexion pour orienter les stratégies de restauration ainsi que des indicateurs physiques d'évaluation des futures actions.