L'étude de la houle multi-directionnelle fait partie des objectifs prioritaires du Laboratoire de Mécanique des Fluides, récemment doté d'un bassin de houle de grandes dimensions. Pour exploiter au mieux ces nouvelles capacités, l'objectif de cette thèse est d'acquérir des compétences concernant autant la génération des vagues directionnelles et l'analyse des mesures que la compréhension fine des phénomènes non linéaires associés à la houle.<br />Pour aider à la compréhension et à la maîtrise des effets non linéaires, deux modèles numériques reproduisant dans le domaine temporel toutes les fonctionnalités du bassin sont développés et validés (générateur de type serpent, murs latéraux, plage absorbante, profondeur finie). Ces modèles sont basés sur une méthode spectrale de résolution des équations potentielles. Le premier modèle est développé au second ordre en série de perturbation ; le second en non linéaire complet (approximation HOS).<br />Les techniques de génération existantes s'appuyant sur la réflexion sur les murs latéraux pour agrandir la zone de mesure utile sont employées dans les bassins numériques et expérimental. Le développement d'une solution analytique fréquentielle de la génération au second ordre permet de corriger le mouvement batteur en supprimant les ondes libres parasites dues aux non-linéarités.<br />Le problème de la reproduction déterministe de séquences de houle est abordé à travers l'étude des paquets de vagues focalisés. En 2D, un modèle partiel au troisième ordre estime les vitesses de phase non linéaires nécessaires à la prédiction correcte du mouvement batteur. En 3D, un modèle linéaire est employé pour traiter de la directionnalité.

Les études et développement menés dans ce travail de thèse ont porté sur divers aspects du traitement de l'évolution réaliste des états de mer, notamment sur les spécificités d'une approche déterministe non-linéaire, sur la prise en compte d'un forçage par le vent et de la dissipation dans une approche à phase résolue, et sur un développement à but opérationnel des techniques de modélisations réalistes. En parvenant à une meilleure modélisation des états de mer, ils visent à permettre une meilleure interprétation des images radar rétrodiffusées par la surface de la mer. Les applications concernent entre autres la caractérisation et la prévision court terme en temps réel des conditions de mer, ainsi que la détection de cibles marines. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur une méthode High Order Spectral sert de support à l'étude des processus non-linéaires à l'œuvre en conditions océaniques. Une première partie de cette étude permet de mettre en lumière un ensemble de critères nécessaires à la bonne mise en œuvre de cette méthode. On met notamment plus particulièrement en évidence une problématique d'initialisation liée à un besoin de simulations de référence dès les premiers instants de modélisation. Une méthode d'initialisation non-linéaire est proposée et évaluée. La prise en compte d'un forçage par le vent et de dissipation par moutonnement est ensuite proposée. La paramétrisation du couplage rétroactif océan-atmosphère et de la dissipation, en pression, à l'œuvre dans les modèles stochastiques de prévision d'état de mer est adaptée à la formulation déterministe. Une formulation récente du couplage (Bidlot et al. (2005)) est testée et validée comparativement avec la modélisation stochastique usuelle issue du modèle WAVEWATCH3. L'approche déterministe est finalement capable de prendre efficacement en compte les termes de forçage et dissipation et permet des évolutions d'états de mer réalistes. Le problème de modélisation opérationnelle des états de mer, à moindre coût calcul mais avec une prise en compte suffisamment réaliste des spécificités océaniques est abordé. Une méthode numérique est proposée et testée comparativement à l'approche complètement non-linéaire de référence.

Mon activité de recherche concerne la dynamique des sédiments cohésifs, appliquée aux écosystèmes côtiers et continentaux. Du fait de son impact sur le transit des polluants et la dégradation des sols, cette activité figure au coeur des missions de l'Institut de Recherche pour le Développement auquel j'appartiens. La dégradation de la quantité et de la qualité des sols constitue un enjeu de Société, notamment en terme de sécurité alimentaire. Les principaux résultats de recherche obtenus concernent : 1. les processus physiques de dépôt des sédiments cohésifs dans les systèmes aquatiques naturels (laboratoire et estuaire de la Gironde) 2. la vulnérabilité de l'écosystème côtier aux modifications géomorphologiques (Guyane) 3. la dégradation des écosystèmes continentaux semi-arides par érosion des sols (France et Mexique) 1. Le premier thème de recherche a essentiellement été abordé sous un angle expérimental et analytique en étroite collaboration avec M. Mory, H. Michallet (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels, Grenoble) et A.Manning (Marine Institute of the University of Plymouth, UK) dans le cadre du projet européen COSINUS. Les avancées principales attraient à la floculation des sédiments fins et la dynamique des fluides stratifiés particulaires en milieux naturels (rivière, lac, estuaire, côte). Le flux massique de dépôt des sédiments croît fortement avec la concentration en matière solide C dans la gamme [0-1] g.l-1. La diminution de la distance inter-floc (d/Df ~O(10)) entraîne une augmentation du nombre de chocs et favorise la floculation. Pour des concentrations plus élevées (1-5 g.l-1), nous avons pu montrer expérimentalement que l'augmentation drastique du nombre de collisions ne modifiait pas le caractère constructif (floculation) des collisions et cela, même dans des conditions de turbulence significatives (Gratiot and Manning, 2004 ; 2007a ; 2007b). Pour des concentrations dans la gamme C=[5-100] g.l-1, le comportement des sédiments cohésifs nécessite une approche multidisciplinaire alliant la physique des flocs, la mécanique des fluides et la rhéologie. Du fait des difficultés d'instrumentation inhérentes aux crèmes de vase (très forte concentration, mesures très près du fond), nos contributions les plus significatives sur le dépôt des sédiments cohésifs ont été obtenues en laboratoire (Gratiot et al., 2005) puis ont été appliquées sur l'estuaire de la Gironde dans le cadre d'une collaboration avec l'UMR Environnements et Paléoenvironnements OCéaniques (EPOC, Bordeaux) et le Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI, Grenoble) (Sottolichio et al., submitted). Nous avons pu montrer que l'évolution du flux de chute des sédiments ws C ) varie de plusieurs ordres selon la nature des sédiments (cohésifs ou non cohésifs), le régime de l'écoulement (laminaire ou turbulent) et la concentration. 2. A plus grande échelle, nous nous sommes intéressés à la dynamique de l'écosystème côtier du plateau des Guyanes (Amérique du Sud). Ce travail s'est fait en interaction avec différents acteurs de la recherche (acteurs du Programme National d'Environnement Côtier : chantier Guyane), de l'Observation de la Terre depuis l'espace (CNES-CSG) et de la protection de la Nature (WWF, association Kwata). Le développement de méthodes de suivi de l'écosystème et le couplage des approches de laboratoire et de terrain ont conduit à des avancées quant à la migration des bancs de vase (Baghdadi et al., 2004 ; Gardel and Gratiot, 2005, 2006 ; Gratiot et al., 2007 ; Anthony et al., 2008 ;Gratiot et al., 2008), la colonisation de la frange côtière par la mangrove (Fiot and Gratiot 2006 ; Proisy et al. 2009) ou encore la vulnérabilité de l'écosystème à la dynamique côtière (Lefebvre et al. 2004 ; Gratiot et al., 2006 ; Kelle et al., 2007, 2009). Le résultat le plus original précise le rôle du cycle nodal de marée (à 18.6 ans) sur la vulnérabilité côtière, avec des extrapolations possibles à l'échelle planétaire (Gratiot et al., 2008). 3. Depuis mon intégration au sein de l'équipe RIVER du Laboratoire des Transferts en Hydrologie et Environnement (jan. 2005), j'aborde la dynamique sédimentaire en milieu continental semi-aride. Deux sites pilotes (BV de la Bléone, France ; BV de Cointzio, Mexique) ont été retenus et sont soutenus au plan national (projet ANR STREAMS, 2007-2009) et international (projet Européen DESIRE, convention IRD-Univ. National. Auton. de Mexico, 2007-2011). Le suivi en continu du réservoir de Cointzio a révélé un fonctionnement hydro-sédimentaire particulièrement contraignant, tant pour l'écosystème que pour les gestionnaires. Situé dans un environnement de pluie tropicale de montagne, les caractéristiques morphométriques du réservoir (profond et de faible volume) amplifient les variabilités locales. L'écosystème lacustre s'adapte donc à des conditions environnementales très contrastées au cours de l'année (Susperregui et al., 2009 ; Némery et al., 2009). L'évolution pluri-décennale du cycle de l'eau sur le bassin versant de Cointzio a, quant à elle, révélé une augmentation significative de la contribution des eaux de ruissellement vis-à-vis des eaux de nappes (Gratiot et al., 2010). Cette évolution est une conséquence directe et préoccupante des changements anthropiques engagés depuis les années 1970. Les travaux en cours visent à caractériser les temps de résidence des sédiments, les flux sédimentaires et biogéochimiques associés, en couplant approches hydro-sédimentaire et de traçage (par éléments majeurs, par spectrométrie et par datation isotopique) (Duvert et al., 2009 ; Evrard et al., in prep.). Par la suite, l'inter comparaison des bassins versants de la Bléone (France) et de Cointzio (Mexique) devrait permettre des avancées significatives quant à l'optimisation des protocoles d'échantillonnage (Borga et al., 2008 ; Némery et al., 2010) et la définition des invariants qui gouvernent la dynamique sédimentaire des bassins versants de meso-échelle.

Ce travail porte sur l'analyse de la fiabilité de structures marines de type Jacket, de comportement élastique-parfaitement plastique, vis-à-vis de chargement de houle linéaire stochastique. Les fonctions d'état de sécurité ou de ruine du système mécanique, calculées à l'aide d'une méthode d'analyse de contraintes pas-à-pas, prennent en compte les efforts combinés de flexion et de traction-compression par le flambement (écoulement bi-dimensionnel), dans les éléments de la structure. Les incertitudes des résistances des éléments de la structure sont prises en compte par des lois normales ou log-normales, définies à partir de données statistiques, rapportées par le comité LRFD (sur des facteurs de résistance et de chargement), de la Société Américaine de Génie civil. L'incertitude du chargement de houle est prise en compte par un modèle de houle linéaire stochastique, gaussien stationnaire ergodique. L'approche de la probabilité de ruine globale du système mécanique se fait par deux méthodes: la méthode dite de Premier Ordre, basée sur l'approximation des hyperplans équivalents des intersections ou des unions des régions de ruine du système, et la méthode dite hybride, basée sur la simulation Monte-Carlo. Enfin, deux exemples d'application d'un portique et d'une structure marine installée en eau moyennement profonde, mettent en évidence les avantages de l'utilisation du modèle d'efforts combinés de flexion et de traction-compression, y compris le flambement, proposé dans ce travail. Les modèles proposés dans ce travail, d'application aux structures marines, mais de portée beaucoup plus grande, permettent d'étudier la variation de la probabilité de ruine globale d'un système mécanique, en fonction des critères adoptés dans sa conception. Ils permettent également d'établir des critères pour définir les niveaux de sécurité désirables.

Ce travail porte sur l'étude expérimentale du comportement dynamique d'une éolienne flottante sous l'action conjuguée de la houle et du vent. Pour cela, un nouveau moyen d'essai permettant la génération de vent a été développé sur le bassin de houle de l'École Centrale de Nantes. La qualification aérodynamique de ce dispositif a mis en évidence un faible taux de turbulence et une bonne homogénéité spatiale. Ce dispositif permet également la génération de fluctuations de vitesse basses fréquences par contrôle de la vitesse de rotation des ventilateurs. Dans un second temps, un modèle réduit d'éolienne flottante a été dimensionné à l'échelle du 1/50e suivant une méthodologie adaptée à ce type d'essai. Cette maquette a ensuite été étudiée en bassin afin de caractériser son comportement sous l'action de la houle et du vent. L'influence de la direction principale de la houle par rapport au vent ainsi que d'un vent fluctuant possédant les caractéristiques d'un spectre de vent marin est aussi évoquée dans ce document. Les résultats de ces essais ont finalement fait l'objet d'une première comparaison avec un modèle numérique développé au LHEEA. Parallèlement, les résultats des essais ont également été comparés avec une approche simplifiée remplaçant le rotor par un disque équivalent en termes de traînée aérodynamique afin de valider ou non ce type de simplification.

La connaissance de la climatologie des états de mer est primordiale pour le dimensionnement de structures marines, la gestion des zones côtières ou encore la récupération de l’énergie des vagues. L'estimation de la climatologie nécessite de disposer de données d'observation sur une longue durée, ce qui n'est pas le cas de l'Afrique de l'Ouest. Pour dépasser les limites en durée imposées par les observations, nous proposons dans ces travaux une approche stochastique pour estimer une climatologie de vagues en Afrique de l’Ouest, en s’appuyant sur une représentation “par événements” des données d’états de mer. Un “événement” désigne un système de vagues (houle ou mer du vent) en évolution au cours du temps, observable pendant une durée significative et que l’on peut relier à un unique phénomène météorologique source (e.g. dépressions, tempêtes, etc.). La représentation par événements permet de reproduire la cohérence temporelle des systèmes de vagues et de structurer les données d'états de mer avec une base physique. La démarche adoptée peut se décomposer suivant trois étapes. Nous avons d'abord extrait les événements à partir d’une série temporelle de spectres directionnels d’états de mer. Nous avons ensuite développé un modèle pour représenter chacun des événements par un nombre réduit de paramètres. Enfin, nous avons construit un générateur stochastique permettant la simulation d’événements individuels et la reconstitution de climatologies sur des durées de longueurs arbitraires. Les résultats ont montré un bon accord entre la climatologie reconstituée et celle de référence, permettant de conclure que le générateur peut valablement servir à la simulation de données d’états de mer en Afrique de l’Ouest pour les applications en génie océanique. / Accurate estimation of long-term sea conditions is a major issue in design of coastal and offshore structures, coastal zone management or wave energy harvesting. An estimation of long-term sea conditions requires long duration observational data while in West Africa, only a few (3 years) years of observational data are available. To overcome the limits in duration that observations impose, a stochastic approach, event-based representation of sea state data, is proposed to model the wave climate in West Africa. An “event” refers to a wave system (swell or wind sea) evolving over time, that can be observed for a finite, yet significant duration and that can be linked to a single meteorological source phenomenon (e.g. low pressure systems, storms, etc.). Event-based approach provides structures with physical meaning and temporal consistence for the representation of sea states data. The procedure we have used is decomposed into three following steps. First, we have extracted events from a time series of directional spectra. We have then developed a model to represent each event by a reduced number of parameters. In the last step, we have constructed the stochastic events generator which allows for simulation of individual events and for reconstruction of wave climate over durations of arbitrary lengths. Results showed good agreement between reconstructed climate and that of reference and allow to conclude that the stochastic events generator can reliably be used to simulate sea state data in West Africa for a ocean engineering applications.

Les données sismologiques enregistrées sur les îles océaniques offrent l'opportunité d'analyser la houle via sa signature dans le "bruit" microsismique. Nous avons d'abord analysé les sources de bruit « secondaires », qui sont générées par l'interaction entre des vagues de même période dans une tempête, un cyclone ou par le phénomène de réflexion des vagues sur la côte. L'analyse des « microséismes secondaires », à l'échelle du bassin océanique, permet d'assurer un suivi spatio-temporel de la source qui les génère, même si elle est distante de plusieurs milliers de km des stations sismiques d'enregistrement. À plus long terme, leur étude permet d'assurer un suivi climatique global de l'activité des vagues dans une région donnée. Nous avons également étudié les sources de bruit « primaires », qui sont générées par l'interaction directe de la houle avec la côte. L'analyse des « microséismes primaires » permet de caractériser la houle localement par son amplitude, sa période et sa direction de propagation. Il est alors possible d'utiliser un capteur sismique comme substitut d'un houlographe. Dans le contexte des îles Éparses et de La Réunion, nous avons étudié plusieurs épisodes de houles extrêmes qui les touchent fréquemment et qui peuvent avoir d'importantes répercutions sociales ou environnementales. Enfin, en utilisant un réseau temporaire de stations sismologiques à La Réunion, nous avons analysé les variations du niveau de bruit microsismique pour caractériser l'impact des houles extrêmes sur les différentes façades de l'île. Cette étude permet d'identifier les sites les plus exposés aux vagues qui présentent un intérêt pour la récupération de cette énergie renouvelable encore trop sous-exploitée. / Seismic data recorded on oceanic islands can be used to analyze the swell through its signature in the microseismic noise. We first analysed the "secondary" noise sources, which are generated by the interaction of ocean waves with similar period within a storm, a cyclone or by the reflection phenomena off the coast. By analyzing secondary microseisms at the scale of the oceanic basin, we first performed a spatio-temporal tracking of the source, even localized thousands km off the recording seismic stations. Secondly, in the long-term, they can be used to follow the global climate change related to the ocean waves activity in a specific region. We also studied the "primary" seismic noise sources, which are created by the direct interaction of ocean waves with the coast. By analyzing these primary microseisms, we succeeded to characterize ocean waves locally in terms of amplitude, period, and, sometimes, direction of propagation. This showed that it is possible to use a seismic station as an ocean waves gauge to get precious swell data, particularly in remote and poorly instrumented areas. In the context of the Iles Éparses and of La Réunion Island, we studied a few extreme swells, which occur there frequently and can have strong social and environmental consequences. Finally, by using a temporary network of seismic stations installed in La Reunion, we studied the spatial variations of the seismic noise level across the island to characterize the swell impact on the different coasts. This study enables us to identify the most exposed spots to the swell, which may be attractive for generating renewable energy with this powerful resource yet underexploited.

Les processus hydrodynamiques et sédimentaires subtidaux sont étudiés en Manche au niveau du détroit du Pas-de-Calais et de son littoral méridional, et de la Mer d'Iroise et de la Baie de Douarnenez, à travers diverses modalités d'influence de l'hétérogénéité spatiale des sédiments de fond, de la houle via son interaction avec le courant en couche limite de fond et du vent. Une procédure nouvelle d'interpolation spatiale des distributions granulométriques permet de respecter l'hétérogénéité du substrat. L'approche méthodologique combine et confronte mesures de terrain et modélisation numérique. La modélisation, couplant des codes de circulation 3D (COHERENS) et de propagation de houle (SWAN), incorpore des modules de transport sédimentaire non-cohésif multiclasse, un module spécifique d'interaction houle-courant et diverses paramétrisations liées aux rides sableuses de fond (géométrie, coefficient de frottement), ainsi qu'un calcul optimisé du dépôt à l'interface eau-sédiment. La comparaison des prédictions numériques aux mesures recueillies le long du littoral méridional du détroit du Pas-de-Calais montre les interactions entre la bande littorale de sables fins envasés et la variabilité spatio-temporelle de l'hydrodynamique en conditions de courant de marée seul et superposé à une houle de Nord. La modélisation est ensuite appliquée à l'ensemble de la Manche orientale et centrale. En Baie de Douarnenez, l'analyse locale débouche sur une modélisation des influences respectives des courants de marée seuls, d'une houle de tempête superposée aux courants de marée et du vent. Enfin, une étude théorique des effets d'un cap sur la formation des bancs en drapeau est présentée.

Ce mémoire présente l’étude du comportement d’un flotteur bord à quai. Ce flotteur est constituéd’une bouée de section rectangulaire située à proximité d’une digue verticale. Un modèle analytique linéaire basé sur la théorie de l’écoulement potentiel est réalisé en profondeur d’eau intermédiaire. Un modèle numérique résolvant les équations de Navier-Stockes est développé. Des essais expérimentaux sont également mis au point pour des flotteurs de différentes dimensions et servent de références aux deux autres modèles. La comparaison de ces trois modèles permet de déduire le domaine de validité du modèle analytique, ainsi que la présence d’effets non-linéaires agissant sur le comportement du flotteur.Dans un premier temps, l’impact des dimensions du système sur le comportement du flotteur est quantifié. Les effets non-linéaires sont quantifiés en fonction des grandeurs du système puis une correction du modèle analytique est proposée. Par la suite, la correction du modèle est appliquée au comportement du système incluant un récupérateur d’énergie.Dans un second temps, l’effet du flotteur sur les franchissements de digue est étudié. Les franchissements de digue sont exprimés grâce à la hauteur de houle entre la digue et le flotteur (exprimée par le modèle analytique) et à la formule de Van Der Meer (2002). Ces franchissements sont également estimés de manière expérimentale. Il est montré que lorsque la longueur d’onde de la houle est importante et que le dégagement entre la digue et le flotteur est faible, les franchissements de digue sont réduits par la présence du flotteur. / The study of a quayside wave energy converter is proposed. A simplified model composed ofa rectangular buoy oscillating in heave motion and installed close to a vertical dike is developedusing three different models. An analytical model based on potential flow theory is developed inintermediate water depth. A numerical model resolving the Navier-Stokes equation is developed.Experimental tests are performed for different floater dimensions and are used as references for the two other models. The comparison between the three models presents the validity domain of the analytical model. The existence of non-linear effects acting on the floater behaviour is shown.At first, the impact of the system dimensions on the floater behaviour are highlighted and quantified. According to these results a correction of the analytical model is proposed. Moreover, the corrected analytical model is applied to the wave energy converter behaviour. Secondly, the overtoppings are expressed using the wave height between the dike and the floater (provided by analytical model) and the Van Der Meer formula (2002). These overtoppings are also estimated using experimental tests. The comparison of these two models shows the presence of strong load losses when the floater is close to the dike. In those cases the analytical model needs a correction taking into account these load losses. It is also shown that when at the same time the wave length is high and the toe clearance between the dike and the floater is small, the dike overtopping are reduced by the presence of the floater.

Le modèle numérique de circulation quasi-tridimensionnel SHORECIRC, initialement prévu pour fonctionner sur des bathymétries simples, a été modifié afin de pouvoir prendre en compte les caractéristiques complexes des bathymétries réalistes de la zone littorale : trait de côte irrégulier et présence d'objets émergés. Les modifications apportées ont ´été validées par comparaison avec des résultats d'autres modèles numériques et avec des données mesurées sur plusieurs configurations. Enfin, le modèle modifié a été appliqué à l'étude de la dynamique de la circulation sur une plage sableuse à barres en festons (Plage de Leucate, Languedoc-Roussillon, FR).