L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements. / The overarching objective in fluvial geomorphology is to explain river morphology and its temporal and spatial evolution. The multiplication of studies led to the realization that geomorphic systems are complex and difficult to understand. The observed river morphology is more than the sum of the individual processes which govern them because of the superimposition of process interactions and non-linear feedback loops at multiple scales. In this context, the goal of this thesis is to explore new avenues of research in order to comprehend more accurately the complexity of gravel-bed river dynamics by using methodological and analytical approaches focusing on the interactions between the flow, transport of sediments as bedload and the bed morphology. This orientation of the thesis is in line with the fact that current paradigms in fluvial geomorphology have not succeeded in explaining adequately the natural variability of the sediment transport and its consequences on the river bedforms. Five avenues are developed in the form of articles based on case studies: 1. The study of the scales of variation of the flow allows us to integrate the turbulent flow structures into flow pulsations at larger scales and to potentially improve our understanding comprehension of bedload sediment transport variability. 2. The quantification of the rates of change of the flow magnitude (acceleration /deceleration) during a flood explains as much the variability of bedload transport fluxes as the flow intensity itself. 3. The use of complementary measurement techniques of bedload processes can reveal new river bed dynamics in gravel-bed rivers: the dilation and contraction of the bed resulting from a flood. 4. The investigation of the generally accepted fact that bedload sediment transport is correlated with the intensity of the morphological changes reveals that the two processes do not relate directly due to their different characteristic scales. 5. The systemic approach of river dynamics based on the use of multivariate analytical techniques is better suited for the study of complex linear and non-linear interactions and feedbacks in the evolution of a river channel. This analysis has shown the importance of the recent history of the morphological changes in response to a flood. The conceptual orientation of this thesis results from a deep reflection on the traditional approaches previously used for several decades in fluvial geomorphology. It is based on a single very extensive data set collected during 21 flood events in a small gravel-bed river, Béard creek (Quebec). The experimental protocol aimed at the simultaneity of processes measurements in order to focus the analysis on the interactions between the flow, the channel morphology and the bedload sediment transport rather than on the individual processes, an approach seldom used in fluvial geomorphology. Each chapter reports on a new concept or a new approach making it possible to resolve some of the issues met in fluvial geomorphology. This work has important implications for the understanding of river bed dynamics and fluvial habitats and is a starting point for new developments.

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.

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements. / The overarching objective in fluvial geomorphology is to explain river morphology and its temporal and spatial evolution. The multiplication of studies led to the realization that geomorphic systems are complex and difficult to understand. The observed river morphology is more than the sum of the individual processes which govern them because of the superimposition of process interactions and non-linear feedback loops at multiple scales. In this context, the goal of this thesis is to explore new avenues of research in order to comprehend more accurately the complexity of gravel-bed river dynamics by using methodological and analytical approaches focusing on the interactions between the flow, transport of sediments as bedload and the bed morphology. This orientation of the thesis is in line with the fact that current paradigms in fluvial geomorphology have not succeeded in explaining adequately the natural variability of the sediment transport and its consequences on the river bedforms. Five avenues are developed in the form of articles based on case studies: 1. The study of the scales of variation of the flow allows us to integrate the turbulent flow structures into flow pulsations at larger scales and to potentially improve our understanding comprehension of bedload sediment transport variability. 2. The quantification of the rates of change of the flow magnitude (acceleration /deceleration) during a flood explains as much the variability of bedload transport fluxes as the flow intensity itself. 3. The use of complementary measurement techniques of bedload processes can reveal new river bed dynamics in gravel-bed rivers: the dilation and contraction of the bed resulting from a flood. 4. The investigation of the generally accepted fact that bedload sediment transport is correlated with the intensity of the morphological changes reveals that the two processes do not relate directly due to their different characteristic scales. 5. The systemic approach of river dynamics based on the use of multivariate analytical techniques is better suited for the study of complex linear and non-linear interactions and feedbacks in the evolution of a river channel. This analysis has shown the importance of the recent history of the morphological changes in response to a flood. The conceptual orientation of this thesis results from a deep reflection on the traditional approaches previously used for several decades in fluvial geomorphology. It is based on a single very extensive data set collected during 21 flood events in a small gravel-bed river, Béard creek (Quebec). The experimental protocol aimed at the simultaneity of processes measurements in order to focus the analysis on the interactions between the flow, the channel morphology and the bedload sediment transport rather than on the individual processes, an approach seldom used in fluvial geomorphology. Each chapter reports on a new concept or a new approach making it possible to resolve some of the issues met in fluvial geomorphology. This work has important implications for the understanding of river bed dynamics and fluvial habitats and is a starting point for new developments.

La Durance est une large rivière méditerranéenne à charge grossière et à lit divagant. Le fonctionnement hydro-sédimentaire de son bassin versant a été profondément modifié par la mise en place d'aménagements hydro-électriques et par les extractions de graviers, qui ont entraîné une rétraction de sa bande active et une incision marquée de son lit. Ces évolutions morphologiques correspondent à des enjeux majeurs en termes de gestion du territoire en moyenne et basse Durance, du fait de la nécessité du maintien d'une capacité d'écoulement du lit en crue, et de la mobilité latérale du lit, souvent incompatible avec l'occupation de la vallée. Cette thèse, basée sur la collecte de données de terrain, vise à développer un schéma de fonctionnement du transport sédimentaire dans les rivières à charge grossière de grande largeur, en intégrant les différentes échelles spatiales (et donc temporelles). Elle a également pour objectif de donner des clefs de compréhension pour la gestion des flux sédimentaires en Durance. Les mécanismes de la mobilité des particules sédimentaires et des formes fluviales sont étudiés dans une démarche ascendante de reformulation scientifique de questionnements opérationnels. / The Durance River (South-Eastern France) is a large and steep wandering gravel-bed river, deeply impacted by gravel mining and flow diversion in its whole catchment area. The Durance River is characterized by a sediment deficit that led to a reduction of active channel width and river bed degradation. These lateral and vertical dynamics lead to important issues in terms of landscape management, because of (i) maintaining the bed hydraulic capacity to evacuate flood discharges and (ii) planform evolution of the river that conflicts with landscape use. This field-based thesis aims at developing a functioning scheme of bedload transport in large gravel bed rivers at various spatial (and consequently temporal) scales and gives keys to understanding for sediment fluxes management on the Durance River. Particle and bedform mobility mechanisms are studied with a scientific approach closely linked to management issues.

Dans le bassin versant de la rivière Cap-Rouge, situé sur la rive nord de l'estuaire de Saint-Laurent (Québec), la côte a été déglacée peu avant 13 130 étal. BP et submergée par les eaux de la mer de Champlain. Après l'émersion des terres, la rivière s'est encaissée, ce qui a mené à la formation de terrasses étagées, près de son embouchure. Une coupe stratigraphique levée dans une terrasse de 14 m a montré l'existence d'un bas niveau marin à l'Holocène moyen vers 6300-6200 étal. BP, période au cours de laquelle le tsuga et le pin blanc formaient des peuplements mixtes sur cette terrasse. Ce bas niveau marin fut suivi de la transgression Laurentienne qui a atteint la limite d'environ 14 m. D'autres processus comme les embâcles de glace et les crues glacielles semblent aussi avoir joué un rôle dans la dynamique fluviale de la rivière Cap-Rouge, comme ce fut le cas vers la fin du 19e siècle.

Ce mémoire présente deux éléments de vulnérabilité de la prise d’eau des îlets de la rivière Montmorency, (Arrondissement Beauport, ville de Québec, 46° 55' 20" N 71° 11' 13" O). Cette nouvelle prise d’eau, installée en 2010-2011, est constituée d’un premier dispositif qui capte l’eau de surface et d’un second qui capte l’eau par des drains installés dans le lit de la rivière. Le dispositif sous fluvial est installé afin d’assurer un accès à l’eau de la rivière en cas de défaillance du dispositif superficiel, éventuellement provoqué par les glaces. Le premier aléa examiné qui soulève la question de la vulnérabilité est la présence de glace de fond qui, le cas échéant, pourrait nuire au rendement du dispositif sous fluvial en formant une barrière plus ou moins étanche entre l’eau de la rivière et les drains. Les observations menées à l’hiver 2009-2010 ont permis de noter la présence de glace de fond à une occasion sur une aire de 5 m² au seuil en amont du site d’implantation de la prise d’eau sous-fluviale. Les visites durant l’hiver 2010-2011 ont permis d’identifier trois (3) périodes de présence de glace de fond au seuil directement en aval du site d’installation de la prise d’eau sous-fluviale. La glace de fond couvrait entièrement le seuil et partiellement la zone d’implantation prévue. Les observations de glace de fond faites aux hivers 2009-2010 et 2010-2011 ainsi que la mesure d’épisodes de surfusion dans l’eau en mars 2010 suggèrent qu’il est fort probable qu’après la mise en place du dispositif de captage sous-fluvial, d’autres épisodes de glace de fond pourraient se produire. Toutefois, les observations faites de la glace de fond en place à l’hiver 2010-2011 démontrent qu’elle est très poreuse et non-consolidée, ce qui porte à croire que son influence sur le rendement du dispositif sous fluvial serait marginale d’autant plus que de tels événements se produisent seulement avant et après la mise en place du couvert de glace et quand la température est suffisamment basse, ce qui ne se produit pas très souvent. Le deuxième aléa qui soulève la question de la vulnérabilité de la prise d’eau est que ce bief anastomosé de la rivière pourrait subir des changements morphologiques suffisamment importants pour assécher à long terme le lit de la prise d’eau lors d’épisodes d’étiage sévère. Cette possibilité découle du fait que la rivière partage son débit avec des chenaux secondaires transitant dans la plaine d’inondation à travers la forêt, et qui court-circuitent le cours principal vis-à-vis de l’ouvrage des îlets ces bras pourraient s’élargir significativement dans les années à venir, possiblement en lien avec la présence du pont multifonctionnel. Celui-ci semble provoquer une augmentation de la fréquence des embâcles de glace immédiatement à l’amont, et la déposition consécutive d’alluvions grossières transportées par la débâcle, notamment quand l’embâcle qui l’accompagne font en place. Lors des embâcles, voire même lors des crues à l’eau libre, le niveau de l’eau monterait de plus en plus haut à débit donné, ouvrant ainsi la voie à une débitance croissante par les chenaux secondaires. Les relevés réalisés durant ce projet de maîtrise démontrent que la topographie du tronçon de 1,3 km directement en amont du pont multifonctionnel (Lat.= 46° 55' 38" N, Long. = 71° 11' 37" O) a subi des modifications notables depuis 1995. Les 500 m complètement en amont du tronçon ont subi un surcreusement moyen de 15 cm tandis que les 800 m en aval ont subi un rehaussement de 15 cm en moyenne. Des différences aux seuils des entrées vers les bras secondaires ont aussi été mise en évidence (jusqu’à -1,5 m) cependant, lors du relevé de 1995 des débris (branches, troncs, etc.) ainsi que des sédiments obstruaient l’entrée en formant des seuils (généralement < 1 m) ce qui explique les différences importantes notées aux seuils entre 1995 et 2000 (Doyon, B, Communication personnelle, 2010). La répartition des débits entre les bras secondaires de la rivière est sujette à des variations relatives importantes en proportions causées par des effets locaux. La pente des bras secondaires de la rivière Montmorency est faible et couplée à un débit tout aussi faible et des chenaux étroits, les débits dans les bras secondaires sont plus facilement influencés par les débris, sédiments et toute nouvelle restriction ou ouverture. Les débits mesurés ont permis de déterminer qu’en absence d’un couvert de glace, le pourcentage du débit qui court-circuite le site de la prise d’eau est de 5%, 6%, 8% et 9% pour des débits totaux au secteur des îlets de 29 m³/s, 46 m³/s, 55 m³/s et 90 m³/s. Depuis la construction du pont, la fréquence caractéristique des embâcles dans le secteur du pont est passée de un aux trente ans à un aux cinq ans. Le modèle HEC-RAS a été utilisé pour déterminer les niveaux d’eau du secteur des bras secondaires en présence d’un couvert de glace et en présence d’embâcles de glace. Les résultats démontrent que les niveaux atteints en crue 2 ans à surface libre (439 m³/s) et en crue hivernale (100 m³/s) en présence d’un couvert de glace ou d’un embâcle de glace initient l’écoulement vers les bras secondaires et causent de cette façon de l’érosion qui augmentera avec le temps la chenalisation vers les bras secondaires en période de crues. Ce travail se situe dans un projet du Ministère des Affaires municipales, des Régions et de l’Occupation du territoire en collaboration avec la Ville de Québec.

Cette thèse constitue une analyse de la dynamique du bois mort en rivière par une approche de bilan ligneux multi-scalaire dans une rivière semi-alluviale de région froide: la rivière Saint-Jean, Gaspé. L’étude de la variabilité spatiale et temporelle de la dynamique du bois mort a été réalisée grâce à une approche méthodologique combinant quatre années de terrain et par l’analyse de documents historiques. Les rivières de la péninsule gaspésienne produisent et transportent annuellement de grandes quantités de bois mort. Cette production provient à la fois de la puissance spécifique élevée des cours d’eau et de berges composées de sédiments peu cohésifs et comportant une ripisylve arborescente généralement dense. Jusqu’en 2015, le delta de la rivière Saint-Jean comportait plusieurs embâcles de bois de très grandes tailles. Ces embâcles se mettent en place depuis les années 1960, ils représentent une opportunité unique de quantifier et d’appliquer un budget ligneux pour cerner les variables clefs liées à la dynamique du bois mort à multiples échelles spatiales et temporelles.Nos résultats montrent que la quasi-totalité des bois morts en rivière est produite par la migration latérale et par l’influence de la morphologie. Au niveau des accumulations dans le corridor fluvial, deux zones accumulent la majorité des bois et ces premiers résultats montrent une mobilité importante qui peut varier fortement d'une année à l'autre. Au niveau de la mobilité, l’analyse d’imagerie vidéo de trois évènements différents ont montré que l’intensité (nombre de bois par minute) du transport de bois pouvait être jusqu’à dix fois supérieures durant un évènement avec débâcle mécanique glacielle, comparativement à un évènement hydroclimatique en eau libre.Finalement, nous avons réalisé une analyse par bilans ligneux et une analyse de la trajectoire éco-hydrophormologique sur une période de plus de 50 ans. Nous avons quantifié chaque composante (intrant, accumulée et sortie) d'un budget ligneux à multiples échelles spatio-temporelles. Autant à l’échelle interannuelle, qu’à l’échelle décennale, la dynamique du bois mort comporte des périodes où l’entrée de bois, le stockage et la mobilité diffèrent selon les contextes éco-hydromorphologiques. La trajectoire éco-hydromorphologiques suggère une augmentation de la dynamique fluviale en raison d'un changement significatif dans l'hydrologie conduisant à une plus grande production et mobilité des bois morts et par l'augmentation des volumes accumulés dans le corridor de la RSJ depuis 2004. / This thesis is an analysis of the dynamics of large wood in river by a multi-scale large wood budget approach in a semi-alluvial river of cold regions: the Saint-Jean River, Gaspé. The study of the spatial and temporal variability of the dynamics of large wood was carried out through a methodological approach combining four years of field and by analyzing historical documents. The rivers of the Gaspé Peninsula produce annually and carry large amounts of large wood. This production comes from the high specific power of rivers and by banks composed of noncohesive sediment and having a generally dense riparian forest tree. Until 2015, the Delta of the Saint-Jean River had several very large jams. These jams are put in place since the 1960s, they represent a unique opportunity to quantify and apply a wood budget and to identify key variables related to the dynamics of large wood at multiple spatial and temporal scales.Our results show that almost all large wood in river is produced by lateral migration and by the influence of the morphology. For the accumulations in the river corridor, two areas accumulate the majority of wood and these first results show a significant mobility, which can fluctuate substantially from year to year. In terms of mobility, video analysis of three different events showed that the intensity of the transport (number of large wood per minute) can be higher to ten times during an event with mechanical ice-breakup, compared to an open water.hydroclimatic event.Finally, we conducted an analysis by large wood budget and analysis of eco-hydromorphological trajectory over more than 50 years. We quantified each component (input, output and accumulated) of a large wood budget at multiple spatial and temporal scales. At the interannual scale or decadal, scale, the dynamics of large wood have periods when the input, storage and mobility of large wood differ according to eco-hydromorphological contexts. The eco-hydromorphological trajectory suggests an increase in river dynamics due to a significant change in the hydrology, resulting in higher production and mobility of large wood and increased in volumes accumulated in the corridor of the Saint-Jean River since the last decade.