Ostie et Portus sont deux villes portuaires emblématiques de la façade littorale de la Rome antique. Construites au contact du Tibre et de la mer Tyrrhénienne, elles se situent dans des milieux géomorphologiquement très instables (mobilité du fleuve et du trait de côte). Nous nous proposons dans cette étude de reconstituer les dynamiques hydrosédimentaires du Tibre deltaïque à l’époque romaine (principalement aux Ier s. av. – Ier s. ap. J.-C.) et d’en identifier les conséquences sur le système Ostie-Portus. Pour mener à bien ce travail, nous nous appuyons sur des données sédimentaires issues de carottages réalisés dans le paléoméandre d’Ostie et les canaux de Portus. Ces résultats sont ensuite confrontés aux données archéologiques et historiques. Le croisement des données sédimentaires, archéologiques et textuelles permet d’envisager une crise hydrosédimentaire d’origine anthropoclimatique dans le bassin versant du Tibre s’étalant de la seconde partie du Ier s. av. J.-C. au début du Ier s. ap. J.-C. A Ostie, cette crise s’exprime par : (1) une accumulation de sédiments à l’embouchure du Tibre qui conduit au comblement du port fluvial d’Ostie ; (2) plusieurs inondations importantes (parfois torrentielles – cf. Rome) ; et (3) peut-être une hausse des niveaux phréatiques. A cela s’ajoute, avant ou pendant cette crise, une forte variabilité latérale de l’embouchure et du paléoméandre d’Ostie, qui a pu affecter le développement d’Ostie. Contraint par une forte pression démographique à Rome et par le contexte socio-économique, Claude fonde Portus au milieu du Ier s. ap. J.-C. Cette ville portuaire maritime est conçue dans l’idée de pallier les insuffisances du port d’Ostie : (1) les capacités d’accueil du port sont considérablement accrues (bassin de 200 ha) ; (2) le site d’implantation est choisi 3 km au nord de l’embouchure du Tibre pour échapper aux contraintes hydrosédimentaires qui se posaient à Ostie. Pour des raisons logistiques (transport des marchandises vers Rome), la planification de Portus est accompagnée d’un système de canaux relié au Tibre. Les ingénieurs romains prennent cependant soin de dissocier le système des canaux de celui des bassins portuaires (gestion de la charge solide) et certains de ces canaux sont envisagés comme évacuateurs de crue (gestion des inondations). Les études sédimentaires menées permettent de décrire les modalités de fonctionnement et de comblement de certains de ces canaux (Canale Traverso, Canale Romano). Ce travail est complété par une réflexion méthodologique sur le diagramme de Passega et une modélisation de l’évolution holocène de la partie nord du delta du Tibre à partir de l’analyse de carottes. / Ostia and Portus are two important harbour cities located on theThyrrenian coast, near the ancient Rome. This location corresponds to a fastly changing landscape (river and coastline mobility). The aim of this study is to reconstruct the Tiber hydrosedimentary dynamics in its delta plain during Ancient times (mainly in the 1st c. BC - 1st c. AD) and to identify their impact on the system Ostia-Portus. To complete this work, we analyse sedimentary cores drilled in the palaeomeander of Ostia and the canals of Portus. These results are compared to the archaeological and historical data. Crossing sedimentary, archaeological and textual data allows to consider hydrosedimentary anthropoclimatic crisis in the Tiber River watershed, during the period between the second part of the Ist century BC and the beginning of the Ist century AD. This crisis is expressed in Ostia, by: (1) a sediment accumulation at the mouth of the Tiber River, leading to the filling of the river mouth harbour of Ostia; (2) several major floods (at Rome - sometimes torrential floods); and (3) perhaps an increase of the groundwater levels. During this hydrosedimentological crisis or before, a strong lateral mobility of the Tiber mouth and the palaeomeander of Ostia probably affect the development of the city. Obliged by a strong demographic pressure in Rome and by the socio-economical context, Claude built Portus in the middle of the 1st century AD. Portus is planned with the idea to overcome the shortcomings of Ostia’s harbour: (1) by an increased harbour basin area (200 ha), and (2) by its establishment, 3 km north of the Tiber mouth, to avoid the main hydrosedimentary constraints. For logistical reasons (goods transport to Rome), Portus includes a fluvial canal system, connected to the Tiber River. However, Roman engineers take care to separate the canal system and the harbour basins (sediment load) and some of these canals are considered floodways (flood management). Sedimentary analysis characterise the canal functioning and filling (Canale Traverso, Canale Romano). This work is complemented by a methodological reflection on the Passega diagram and by a modeling of the Holocene evolution of the Tiber delta’s northern part , based onthe analysis of core samples.

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 / The Upper Rhine River has undergone several anthropogenic modifications since the last two centuries for flood protection, navigation and hydropower generation. Channel rectification, groyne fields and lateral “Grand Canal of Alsace” construction heavily altered the hydro-sedimentary functioning of the 50 km-long "Old Rhine" by-passed between Kembs and Breisach: channel pattern simplification, bed incision, armouring and ecological habitats alterations. Two complementary projects have been initiated to restore the sediment transport and the reach alluvial dynamics. This thesis investigated space-time and experimental geomorphic approaches within the morpho-ecological restoration of a modified fluvial system. The archive and field data-based work aimed at understanding the Old Rhine historical trajectory. The geomorphological monitoring of a gravel input experiment also consisted in evaluating environmental benefits and potential risks for society and proposing physical assessment indicators. Results will help river stakeholders to define strategies to restore morphological processes and associated ecological functions in the Old Rhine.

La direction des vents nourriciers, obtenue à partir des gradients granulométriques et des morphologies dunaires, semble avoir changé au cours du temps. Celle-ci est orientée O-E au Pléniglaciaire moyen, puis NO-SE au Pléniglaciaire supérieur, tandis qu’au Dryas récent la direction est plutôt SSO-NNE. Dans ce travail, l’hypothèse d’un changement de la saison à laquelle les sables sont remobilisés est privilégiée. Ainsi, par comparaison avec la distribution azimutale actuelle des vents à l’échelle de l’année et en accord avec les reconstitutions pour le LGM, il est suggéré qu’au Pléniglaciaire supérieur la déflation éolienne était décalée vers la saison estivale, c’est-à-dire après la phase de dégel des sols et de fonte de la neige. Au contraire, les orientations établies pour le Pléniglaciaire moyen et le Dyras récent refléteraient une déflation active en période hivernale. / Le Pleniglacial, the north-west during the Upper Pleniglacial, and from south-southwest throughout the Younger Dryas. Here, we connect changing wind directions to seasonal variations in aeolian transport. Comparing annual azimuthal distribution of current wind regimes with wind regime models for LGM suggests that during the Upper Pleniglacial the dominant aeolian transport season shifted towards the summer, i.e. after seasonally frozen ground thawed and snow cover melted. Conversely, Middle Pleniglacial and Younger Dryas wind regimes reflect a general deflation during the winter.

Les objets d'étude abordés ont ce point commun qu'ils peuvent tous être identifiés dans le géosystème. Ces objets « naturels » se trouvent à différentes strates du système Terre et sont liés entre eux par des flux de matières et d'énergie. Il s'agit par exemple des aquifères souterrains, des cours d'eau ou encore de la végétation. Ces objets ont également des échelles spatiales très variées qui vont de l'espace interstitiel (le micromètre) au bassin versant (la centaine de kilomètres). Enfin, les échelles temporelles des processus mis en oeuvre à leur formation ou aux flux qui les relient sont aussi très étendues puisqu'elles vont de quelques minutes (un traçage dans une colonne de laboratoire) à quelques millions d'années (la formation de modelés par érosion).<br />L'organisation de ce travail est concentrique avec au coeur, un élément fédérateur : la modélisation. Dans un premier temps, les équations et/ou théories abordées dans ces travaux sont décrites afin de montrer les différents champs disciplinaires et de décrire les processus modélisés. Ces processus sont liés à des flux bio-physiques (écoulement, gènes) et/ou à des formes bio-physiques (relief, végétaux). Les couplages entre ces processus sont exposés sous forme d'applications diverses :<br />- des applications sur le stockage des déchets nucléaires et la corrosion des verres illustrent le couplage entre les équations de transport et la géochimie.<br />- des applications sur la modélisation géomorphologique des karsts et des lacs montrent un exemple du couplage entre les équations de la diffusivité et de la géochimie.<br />- une application sur le transfert biologique dans un réseau hydrographique permet d'aborder le couplage entre l'équation de transport et la géométrie fractale.<br />- une application sur la modélisation pluie-débit donne une idée du couplage possible entre la théorie de l'hydrogramme unitaire et la géométrie fractale.<br />- des applications variées sur l'analyse des formes.

La sédimentation holocène au sein d'un bassin versant est conditionnée par les variations climatiques, l'utilisation des sols et les héritages géomorphologiques. Les réponses morphogéniques à ces stimuli demeurent peu connues, particulièrement pour les milieux semi-arides. Au cours de ce travail, je me suis attaché à apporter des éléments de réponse à cette problématique par l'étude de l'alluvionnement holocène du Gialias, le principal fleuve de Chypre. Ce travail associant des études géomorphologiques, stratigraphiques, sédimentologiques, magnétiques, micromorphologiques et géochimiques, couplées à un large corpus de datation couvrant l'Holocène a permis de préciser les modalités du transfert solide amont/aval du bassin versant. Les résultats permettent de caractériser l'impact de l'aridité sur le fonctionnement de l'hydrosystème. Ils montrent une adéquation relativement bonne avec les connaissances régionales sur le paléoclimat. Les principales phases de dépôt correspondent aux phases climatiques humides, comme durant l'Holocène ancien. Les caractéristiques détritiques de l'aridité sont plus marquées à partir de 5000 cal B.P. cal. L'impact morphogénique d'événements climatiques de haute fréquence est aussi mis en évidence vers 8200 B.P. cal., entre 7800-7200 B.P. cal., entre 2800-2600 et durant le Petit Âge Glaciaire. Les conséquences des changements environnementaux sur les activités humaines sont mises en évidence ; elles se différencient selon leur position au sein du bassin versant. Le drainage et la mise en culture des plaines alluviales, la mobilité des ports dans la ria durant les périodes du Bronze et du Fer en sont les exemples les plus caractéristiques. L'impact des activités humaines, à partir de l'Âge du Fer, demeure difficilement mesurable.

Les ‘glissements de type écoulement' (flow-like landslides) constituent un risque naturel majeur dans la plupart des zones de montagne. Ce terme générique regroupe un ensemble de phénomènes variés (glissement-coulée, coulée de débris, lave torrentielle) qui peuvent s'enchaîner dans le temps ; leur trait commun caractéristique est le transport en masse d'un mélange très concentré d'eau et de particules solides. L'énergie considérable mise en jeu rend souvent peu efficace les solutions techniques de stabilisation ou de protection. Il est donc indispensable de mettre en place dans les zones exposées des stratégies de prévention-surveillance. Diverses études dans le domaine de la modélisation ont permis de progresser dans cette voie, sans toutefois conduire à des résultats véritablement satisfaisants. Des approches par la mécanique des sols ou la mécanique des fluides permettent d'obtenir des représentations généralement convenables des écoulements au laboratoire, mais la généralisation de ces modèles à l'échelle du terrain, sur des évènements réels, est souvent délicate. Des travaux scientifiques ont été engagés sur la base d'une meilleure connaissance du fonctionnement hydro-mécanique de ces objets. Pour cela, nous avons développé une approche fondée sur des mesures in-situ, le traitement statistique de séries temporelles, des essais de caractérisation hydrodynamique, géomécanique et rhéologique, et une modélisation numérique. Le site expérimental du glissement-coulée de Super-Sauze (Alpes du Sud), représentatif des aléas gravitaires à composante visqueuse (roches marneuses et schisteuses), est notre observatoire d'étude. Un modèle conceptuel hydro-mécanique de comportement des glissements-coulées est proposé. Des lois de comportement des matériaux sont définies pour différents gradients de cisaillement. Le modèle conceptuel est introduit dans plusieurs codes de calculs pour représenter les différents stades du mouvement (glissement lent, écoulement rapide, étalement). La complexité de ces phénomènes ne permet pas d'utiliser un seul code couplé. Les fluctuations de pressions interstitielles sont modélisées à l'aide du modèle hydrologique spatialisé à base physique STARWARS. Le modèle hydrologique est calé (teneurs en eau, pressions interstitielles) sur différents pas de temps et sites de mesures. Les données simulées sont utilisées en conditions initiales de plusieurs modèles géomécaniques (GefDyn). Les simulations indiquent qu'une loi de comportement élastoplastique avec effet visqueux doit être introduite pour représenter les vitesses de déplacement. Les modèles sont calés à l'échelle d'une année. Dans certaines conditions topographiques et géométriques, la génération de surpressions interstitielles conduit à de forts déplacements et à la liquéfaction du matériau. La propagation et l'étalement des écoulements rapides libérés sont représentés avec les modèles rhéologiques Bing et Cemagref-1D / 2-D. Les distances de parcours et hauteurs d'écoulement sont bien représentés avec une loi de comportement viscoplastique (Herschel-Bulkley). Des prédictions et des scénarios d'évènements sont proposés. Utilisés en chaîne, ces différents modèles permettent de représenter les stades successifs d'évolution des glissements-coulées. Ils fournissent ‘individuellement' de bonnes simulations et sont calés sur des observations réelles. Ce calage croisé permet de justifier leur performance, la validité de leur formalisation numérique et de dégager leurs avantages et inconvénients pour l'expert en charge de la gestion de l'aléa.

Les mécanismes de transport et d'érosion en domaine fluvial sont les facteurs dominants qui contrôlent la morphologie des continents et des flux sédimentaires. La quantification de ces processus à grande échelle est de ce fait nécessaire à la compréhension des interactions qui existent entre la tectonique et l'évolution des reliefs sur le long terme. La présente étude s'intéresse au développement des profils longitudinaux et des plaines de divagation de rivières situées dans les Alpes du Dauphiné, sur des échelles de temps variables (103-105 ans). Les taux d'incisions et les paléo-profils sont reconstitués grâce à la datation des terrasses fluviatiles par âge d'exposition (10-Be). Les glaciers quaternaires ont soumis ces rivières à des perturbations d'importance variable. L'évolution du profil longitudinal du Drac est contrôlée par des fluctuations de son niveau de base de l'ordre du kilomètre, provoquées par l'obturation de sa vallée par d'importants glaciers. L'évolution post-glaciaire de son profil en long est caractérisée par une érosion régressive extrêmement rapide. La durée totale de la réponse et de la relaxation du système fluvial est de 15-20 ka. Dans le bassin contigu du Buëch, l'influence glaciaire est plus limitée. Les taux d'incision à court terme (103-104 ans) reflètent les effets du forçage climatique. Les taux d'incision à long terme (104-105 ans) sont réguliers (0,8 mm a-1) et proches des taux de dénudation régionaux, suggérant un certain équilibre entre l'incision et la surrection. Une analyse de la morphologie directement produite par les rivières est réalisée à l'aide d'un système d'information géographique sur des rivières situées à proximité des sites de datation. Il apparaît qu'au-delà d'une certaine valeur du rapport entre la puissance érosive des rivières et la résistance du substrat rocheux, le profil longitudinal reste régulièrement concave, les forçages lithologiques et tectoniques se répercutant sur la largeur de la bande de divagation. La complexité de ce signal nécessite néanmoins des étalonnages supplémentaires pour que la surrection puisse être déduite de la seule analyses des formes du relief.

Un piémont constitue la zone de transition entre une chaîne de montagnes et son bassin d'avant-pays. Tectonique et climat se partagent le contrôle de son évolution géomorphologique à toutes les échelles de temps. L'étude de l'exemple du piémont Nord du Tian Shan oriental (Nord-Ouest de la Chine) permet une description précise de ces influences, ainsi qu'une quantification des phénomènes majeurs observés. Le signal tectonique intervient sur le long terme, par le soulèvement actif de la chaîne qui induit un flux de matière vers le piémont, ainsi que par la migration de la déformation vers le bassin dzungar sous forme de plis d'avant-pays. Au contraire, le signal climatique se manifeste à court et moyen terme, suivant les grands cycles climatiques globaux plus ou moins nuancés à l'échelle régionale. En période glaciaire, le matériel érodé dans les bassins versants montagneux est difficilement exporté de la chaîne. Le transport est facilité à la transition vers l'interglaciaire, par l'augmentation brutale des flux d'eau qui provoque la mise en place dans le piémont de grands cônes alluviaux, abandonnés vers 12 \pm 2 ka BP. A partir de ce moment, les rivières s'encaissent profondément dans les cônes, à des taux d'incision moyens de 1 à 2.5~cm/an sur l'Holocène. Les terrasses d'abrasion abandonnées au cours de cette phase sont d'abord de largeurs plurikilométriques, puis les vallées se font de plus en plus étroites sans que les rivières ne cessent d'inciser. Nous modélisons l'évolution du profil d'une de ces rivières au cours de l'Holocène à partir de la théorie du transport de Bagnold, en cherchant à retrouver la décroissance des paléo-pentes du lit de la rivière observée à l'aide de la topographie actuelle des terrasses. Cette reconstruction nous mène à considérer que la largeur du lit varie peu, alors que sa sinuosité diminue pendant la progression de l'encaissement. Elle suggère en outre que le débit de la rivière a chuté d'un facteur 3 entre la mi-Holocène et l'actuel. Cette étude est complétée par l'exploitation de données de paléo-niveaux holocènes du lac exutoire du piémont. Des lignes de rivage repérées à plus de 50~m montrent en effet que le lac s'est étendu sur une surface triple de sa surface actuelle au début de l'Holocène. Le calcul de bilans hydrologiques pour les conditions actuelles et mi-holocènes atteste que les apports des rivières vers 6000~ans~BP étaient supérieurs d'un facteur 2.6 aux apports actuels. La synthèse de ces deux approches révéle que la région a connu pendant la première moitié de l'Holocène un climat beaucoup plus humide que l'actuel, dans une mesure jusqu'alors ignorée des reconstitutions paléoclimatiques.

Dans les séries terrigènes, les cycles stratigraphiques sont présents sur une large gamme de périodes (0.01-100 Ma), et sont dus aux variations du rapport entre l'espace disponible à l'accummulation des sédiments et le flux sédimentaire. Quelle est la responsabilité de chacun de ces paramètres dans l'origine et l'expression des cycles stratigraphiques, en particulier à haute-fréquence (10-100 ka) où tous interviennent ? Si les variations d'espace disponible d'échelle régionale ou globale (tectonique et climat) existent à ces fréquences et sont une origine fréquement admise, on connaît mal (1) l'influence de la croissance des structures tectoniques intra-bassin (plis et failles) sur leur expression, et (2) les contrôles du flux sédimentaire à haute-fréquence. Ce travail examine ces deux aspects à travers l'étude sédimentologique d'un anticlinal de croissance, et la modélisation numérique de l'effet de la zone de transfert (rivières) des sédiments sur la variabilité du flux sédimentaire.

L'objectif de ce travail de recherche est de (1) définir l'évolution du rivage et de la bathymétrie sur le long terme (siècle) sur différents types de plages de Méditerranée française (plages de poche de Provence, plages ouvertes du Golfe du Lion), (2) définir l'impact de l'élévation du niveau marin moyen, (3) déterminer l'impact des tempêtes. Ce travail se base sur un suivi topographique et bathymétrique important et sur une analyse par emboîtement d'échelles spatiales et temporelles qui s'inscrit dans une démarche de géomorphologie littorale quantitative. L'approche croisée de terrain et de modélisation (simulation des transports sédimentaires selon différents types de conditions d'agitation) permet d'adopter également une approche prospective nécessaire à la gestion de ce type de milieu. Les résultats indiquent que les plages de poche de Provence conservent un volume constant alors qu'elles ont perdu en moyenne ½ de leur surface en un siècle essentiellement du fait de la montée de la mer. Si la montée de la mer se poursuit, les plages de poche semblent menacées de disparition d'ici 2100. En Camargue, l'élévation du niveau marin joue un rôle minime dans les mouvements sédimentaires observés, car ils sont liés principalement liés à la houle. Enfin, l'analyse des tempêtes dans le Languedoc-Roussillon montre qu'elles peuvent être érosives ou constructives car leur impact morphologique dépend principalement du budget sédimentaire de l'avant côte plutôt que des caractéristiques hydrodynamiques des houles. A partir de ces constats, il s'agit de s'interroger sur la pertinence de concepts d'évolution de l'avant côte utilisés dans les études des dynamiques sédimentaires littorales.