Cette thèse, à dominante expérimentale, tente de décrire, de comprendre et de quantifier le transport sédimentaire pour un système torrentiel caractérisé par une forte pente et des conditions hydrauliques faibles. Une plateforme expérimentale a été mise en place et instrumentée. Elle permet de contrôler quatre paramètres du système : la pente du canal, le débit hydraulique, le débit solide et la granulométrie. La durée des expériences est suffisamment longue pour couvrir l'ensemble des fluctuations gouvernant le transport. L'étude de l'évolution d'un même mélange granulaire soumis à un forçage hydraulique fort, (Shield = 1.37 Shield critique) ou à un forçage hydraulique faible (Shield = 0.94 Shield critique) a permis de mettre en évidence, au sein des structures sédimentaires observées, deux classes de comportement différentes. Pour l'expérience à Faible Transport, le lit est globalement pavé au cours de la durée de l'expérience qui est de 110 heures. Des structures de type step-pools sont présentes et très stables, et contrôlent la dynamique de transport du système à court terme et à long terme. A court terme, le transport solide n'est pas uniforme mais s'effectue à travers des processus transitoires d'érosion et de dépôt « de proche en proche », associés respectivement à la destruction et à la formation de step-pools dans le système. A long terme, les step-pools conduisent à un pavage uniforme sur l'ensemble du canal. Des destructions périodiques de ce pavage de surface sont également observées et sont associées à une capacité de transport pour le système pouvant atteindre jusqu'à 15 fois le débit solide moyen. Pour l'expérience à Fort Transport, d'une durée de 92 heures, la morphologie du lit fluctue entre deux états extrêmes. Un lit plat dont la surface est formée de particules fines, à forte capacité de transport et un lit pavé à forte pente et à faible capacité de transport. Les step-pools ne sont, ici, que des états éphémères associés à la phase de transition du système qui sont rapidement détruits par les nappes de charriage. Ces dernières sont le mode principal de transport pour le système et expliquent les évolutions cycliques mesurées à court et à long terme. Enfin, nous avons étudié les conséquences des phénomènes décrits ci-dessus en conditions hors équilibre à forte pente. Nous avons pour cela réalisé deux expériences : une première expérience où nous étudions le cas d'un système en phase d'aggradation et une seconde où nous prenons le cas d'un système contrôlé par deux seuils de correction torrentielle. La première a nécessité une longue période afin que le système atteigne une condition d'équilibre dynamique : plus que 210 heures. L'équilibre local du système est atteint progressivement de l'amont vers l'aval, les parties les plus proches de l'alimentation atteignant en premiers l'état d'équilibre. De plus, pendant l'aggradation les fluctuations du système autour de la moyenne sont inférieures à celles mesurées pour un système à l'équilibre. La seconde expérience a montré que l'aménagement d'un système torrentiel avec des seuils peut avoir un impact non négligeable sur la quantité maximum de matériau transporté au cours d'un seul événement. Néanmoins, l'intensité maximale instantanée du transport et le comportement global du système à long terme ne sont en rien affectés par la présence de seuils. / This experimental thesis aims to describe, understand and quantify the sediment dynamics of a torrential system, characterized by steep slope and low hydraulic conditions. An experimental platform has been developed and instrumented for monitoring the channel slope, the water discharge, the feed solid discharge and the bed grain size distribution. The duration of the experiments were sufficiently long to cover all the fluctuations governing the bedload transport phenomenon. Two flow conditions were considered, in order to observe the bed dynamic under different forcing. A strong hydraulic forcing capable to move the bed pavement (Shield parameter = 1.37 Critical Shield parameter) was compared to a low hydraulic forcing supposed to not disturb the bed pavement (Shield Parameter = 0.94 Critical Shield Parameter). We measured for each case the sediment dynamic and associated bedforms. For the “Low Transport” experiment the bed was generally paved over all the duration of the experiment (110 hours). Bedforms similar to step-pools developed and were present for all the duration of the run. These macroforms seems to control the transport dynamic of the system in the short and long term. In the short term, bedload transport was not uniform. Instead, transient processes of erosion / deposition associated with the formation / destruction of step-pools were observed. In the long term, step-pools lead to the formation of a uniform paved bed on the whole channel length. Periodic destruction of bed pavement was also observed and associated with a transport capacity that could reach 15 times the value of average measured bedload transport. For the “High Transport” experiment (92 hours) the channel morphology fluctuates between two extremes. A flat bed characterised by highly mobile fine sediments and high transport capacity, and a steep paved bed corresponding to a low transport capacity. For this experiment step-pools were just a transitory state associated with the transition between the two extremes and they are quickly destroyed by the bedload sheets propagation. Bedload sheets were the main transport mode for the system. Their formation and propagation can explain the cyclical evolution of the system in the short and long term. We finally studied the consequences of the observed phenomena for non-equilibrium systems on steep slopes. We conducted two experiments: one in order to reproduce an aggradational system and the second to reproduce the dynamic of a system controlled by two check dams. A very long duration was necessary for reaching the dynamic equilibrium condition with the aggradational system (more than 210 hours). The local equilibrium was achieved gradually from upstream to downstream, with the flume sections closest to the feeding device attaining first the dynamic equilibrium. Experiments with check dams showed that this kind of slope correction can have a significant impact on the maximum amount of material transported during a single event. However, the maximum instantaneous transport and the long term sediment behaviour of the system are not affected by the presence of the check dams.

Les mécanismes complexes qui régissent la morphologie des rivières en tresses et l'interaction avec le tri granulométrique restent encore à approfondir. Cette thèse s'articule autour de trois thèmes : l'étude de la déstabilisation d'un système en tresses puis sa mise à l'équilibre, l'interaction de la morphologie avec le tri granulométrique et enfin la prédiction du transport solide. Pour cela, nous avons étudié 3 modélisations de différents systèmes alluviaux : des bancs alternés en granulométrie étendue (durée 100h), un système en tresses en granulométrie uniforme (durée 385h) et enfin un système en granulométrie étendue (durée 435h). Chaque modèle de tresses a subi plusieurs changements de conditions d'alimentation. Il ressort que seul un paramètre, la surface du lit situé au delà de la pente moyenne, pourrait être un bon candidat pour comparer l'état d'équilibre (érosion ou exhaussement) de différents systèmes. Pour une étude d'un site donnée, les paramètres classiques comme la pente ou le Bed Relief Index (BRI) sont tout aussi pertinents. Le tri granulométrique sur les systèmes divaguants se manifeste de plusieurs façons : il est à l'origine de la migration du chenal principal et participe activement à la formation de patchs sédimentaires, catalyseurs de l'émergence des bancs. Les lobes sédimentaires qui se retrouvent dans le modèle en granulométrie uniforme n'apparaissent que dans certains cas, laissant place à une mobilité des sédiments discontinue, généralement de proche en proche. La modélisation du transport solide dans ces systèmes à faciès complexes se heurte à la forte variabilité des conditions hyro-sédimentaires. L'abondance de confluences et des fronts de bancs modifie la relation de transport avec les conditions locales. L'influence de la morphologie est prépondérante dans la dynamique du transport solide. / Complex mechanisms involved in braided rivers morphology and the interaction with the grain sorting are slightly studied. Throughout this thesis, we study the morphological signature of a system at equilibrium, and the interaction between the bed morphology and grain sorting. From our small-scale experiments, we studied the prediction of sediment transport. We studied three different small-scale streams, a alternate bars model with heterogeneous sediment (duration 100h), a braided stream model using uniform sand (duration 385h) and a braided stream model using sand and coarse sand mixture (duration 435h). Upstream conditions have been changed several times for each braided stream. It appears that the only one relevant index to compare sediments stages of different streams is the surface above the average slope. To study a single site's evolution, the traditional parameters such as slope or Bed Relief Index (BRI) are relevant enough. We observed different effects of grain sorting. First, grain sorting is responsible of selective depositions and led to active channel migration. The selective deposition leads to bar emergence. Sedimentary lobes that we observed on uniform sand model were rarely noticed on the sand and coarse sand mixture experiment. This results suggests that sediments motion is tiny linked to grain size range. Modeling of sediment transport in such varied morphology faces different problems. Plenty of confluences and fronts bars changes sediment transport and local conditions connections. The influence of morphology is predominant in the dynamic of sediment transport.

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

This master thesis is divided into two parts: theoretical and practical one. In the theoretical part there is described hydraulic roughness, velocity distribution in the case of hydraulically rough surface and the process of grain sorting in surface layer. The practical part of the thesis resolves the influence of surface layer on hydraulic roughness of bed, expressed by Nikuradse sand grain size ks. The results are formulas explaining dependence of ks on characteristic grain size dx from grain-size distribution curve and comparison with coefficient ks according to different authors.