The processes of transport and mixing in stratified open channel flows are investigated in this thesis. Detailed measurements of velocity and salinity were conducted, through the use of Laser-Induced Fluorescence (LIP) technique together with Laser Doppler anemometry, so that the effects of secondary current and stratification on the flow behaviour could be analysed. Two configurations were investigated: a rectangular open channel, and a compound open channel. For each configuration, four different stratification levels were analysed. The main flow characteristics, such as corner flow and velocity dip in a rectangular channel, and the twin vortices formed in compound channels, were found to be affected by stratification. In order to understand the mechanisms involved in secondary flow generation, the vorticity balance was carried out. Through the vorticity balance, the contribution of each term in the longitudinal vorticity equation could be evaluated. The mechanisms involved in the turbulence generation were also verified through the turbulent kinetic energy (TKE) budget. One of the contributions of this work refers to the understanding of the effects of stratification on turbulence and secondary flow generation. The exchange coefficients of momentum and solute were also investigated. These coefficients were found to depend not only on stratification level but also on other flow parameters, like for instance the aspect ratio. A new formulation is proposed for narrow channels, but more research is necessary in order to evaluate the effect of other parameters on the exchange coefficients.

No

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23017号 / 理博第4694号 / 新制||理||1673(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)准教授 成瀬 元, 准教授 堤 昭人, 教授 生形 貴男 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第19288号 / 工博第4085号 / 新制||工||1630(附属図書館) / 32290 / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 細田 尚, 教授 戸田 圭一, 教授 後藤 仁志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Yes / Simulation of the suspended sediment concentration (SSC) has great significance in predicting the sediment transport rate, vegetation growth and the river ecosystem in the vegetated open channel flows. The present study focuses on investigating the vertical SSC profile in the vegetated open channel flows. To this end, a model of the dispersive flux is proposed in which the dispersive coefficient is expressed as partitioned linear profile above or below the half height of vegetation. The double-averaging method, i.e. time-spatial average, is applied to improve the prediction accuracy of the vertical SSC profile in the vegetated open channel flows. The analytical solution of SSC in both the submerged and the emergent vegetated open channel flows is obtained by solving the vertical double-averaging sediment advection-diffusion equation. The morphological coefficient, a key factor of the dispersive coefficient, is obtained by fitting the existing experimental data. The analytically predicted SSC agrees well with the experimental measurements, indicating that the proposed model can be used to accurately predict the SSC in the vegetated open channel flows. Results show that the dispersive term can be ignored in the region without vegetation, while the dispersive term has significant effect on the vertical SSC profile within the region of vegetation. The present study demonstrates that the dispersive coefficient is closely related to the vegetation density, the vegetation structure and the stem Reynolds number, but has little relation to the flow depth. With a few exceptions, the absolute value of the dispersive coefficient decreases with the increase of the vegetation density and increases with the increase of the stem Reynolds number in the submerged vegetated open channel flows. / Natural Science Foundation of China (Nos. 11872285 and 11672213), The UK Royal Society – International Exchanges Program (IES\R2\181122) and the Open Funding of State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science (WRHES), Wuhan University (Project No: 2018HLG01).

Yes / Simulation of the suspended sediment concentration (SSC) has great significance in predicting the sediment transport rate, vegetation growth and the river ecosystem in the vegetated open channel flows. The present study focuses on investigating the vertical SSC profile in the vegetated open channel flows. To this end, a model of the dispersive flux is proposed in which the dispersive coefficient is expressed as partitioned linear profile above or below the half height of vegetation. The double-averaging method, i.e. time-spatial average, is applied to improve the prediction accuracy of the vertical SSC profile in the vegetated open channel flows. The analytical solution of SSC in both the submerged and the emergent vegetated open channel flows is obtained by solving the vertical double-averaging sediment advection-diffusion equation. The morphological coefficient, a key factor of the dispersive coefficient, is obtained by fitting the existing experimental data. The analytically predicted SSC agrees well with the experimental measurements, indicating that the proposed model can be used to accurately predict the SSC in the vegetated open channel flows. Results show that the dispersive term can be ignored in the region without vegetation, while the dispersive term has significant effect on the vertical SSC profile within the region of vegetation. The present study demonstrates that the dispersive coefficient is closely related to the vegetation density, the vegetation structure and the stem Reynolds number, but has little relation to the flow depth. With a few exceptions, the absolute value of the dispersive coefficient decreases with the increase of the vegetation density and increases with the increase of the stem Reynolds number in the submerged vegetated open channel flows. / the Natural Science Foundation of China (Nos. 11872285 and 11672213), The UK Royal Society – International Exchanges Program (IES\R2\181122) and the Open Funding of State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science (WRHES), Wuhan University (Project No: 2018HLG01)

L’État haïtien, pour faire face à l’insécurité alimentaire que connaît sa population (à croissance rapide et à faible revenu), s’appuie particulièrement sur la Vallée du département de l’Artibonite qui constitue depuis toujours le véritable grenier agricole du pays, en fournissant, à elle seule, plus de 80% de la production rizicole nationale. Cette production agricole assure non seulement les besoins alimentaires de la population locale, mais également ceux particuliers des départements voisins (Ouest, Nord et Centre).L’irrigation de cette vaste plaine agricole (32400 ha de terres agricoles irrigables) est garantie, à plus de 75%, par le réseau d’irrigation établi en rive Gauche de l'ouvrage-partiteur de Canneau, alimenté par un Canal principal (CMRG) ayant un débit nominal de 40 m3/s.Néanmoins, ce Partiteur, source d’approvisionnement exclusive du CMRG, est lui-même régulé par le Barrage-réservoir de Péligre qui se trouve à 70 km plus en amont sur le fleuve de l’Artibonite. En termes hydrauliques, nos travaux ont d'abord examiné la situation du réservoir de Péligre. Alors qu'au moment de la construction il était initialement prévu d’y stocker 607 Mm3, il ne reste plus aujourd'hui qu'à peine 40% de cette capacité utile, en raison des dépôts sédimentaires qui se sont constitués année après année derrière le barrage.Cette sédimentation spectaculaire (due à l’érosion des bassins versants amont fort dégradés), combinée aux déficits pluviométriques, provoque en période d’étiage une rareté d’eau, des lâchers insuffisants et donc des déficits en eau utile envoyée en amont de ce Partiteur de Canneau. Cela impacte significativement le réseau d’irrigation aval, dont le CMRG. Nos travaux ont montré que la situation est d'autant plus critique que les débits eux-mêmes, en amont comme en aval du Partiteur, sont en fait très mal connus et devraient faire l'objet d'approches méthodologiques plus rigoureuses que celles déployées sur site actuellement.Aussi, face à ces constats, de nouvelles règles de distribution de l’eau s’imposent, pour continuer à irriguer et espérer obtenir un rendement agricole acceptable (souhaitable).Notre travail s'est ainsi donné pour objectif de contribuer à la mise en place des nouvelles règles de gestion de l’eau (répartition) au sein du réseau d’irrigation alimenté par le CMRG, pour continuer à fournir l’eau à l’irrigant en quantité acceptable (et connue). Cette amélioration de gestion a été envisagée à la fois en amont et en aval de ce réseau d’irrigation, particulièrement en ses différents nœuds-clés (Canal principal et Canal secondaire).La démarche méthodologique adoptée pour relever ce défi majeur s’appuie notamment sur un système d’information hydro-morpho-sédimentaire actualisé et de qualité. Il s’agit d’une base de données, riche en observations de hauteurs d’eau (lues aux stations limnimétriques), vitesses de surface au flotteur, champs de vitesse explorés au moyen d’un courantomètre et en données bathymétriques et granulométriques des tronçons des canaux étudiés, appréciées respectivement au moyen d’un GPS différentiel et du tamisage à sec.Les résultats fort encourageants obtenus permettent d'acquérir une meilleure compréhension du système et une amélioration particulière du réseau d’irrigation en rive gauche du Partiteur de Canneau. En s’appuyant sur les historiques de sédimentation du Lac-réservoir de Péligre (de 1960 à 2016), nous présentons un document de synthèse sur la sédimentation du Lac-réservoir de Péligre. Ce document met notamment en exergue le taux de sédimentation sévère de ce dernier (5.47 Mm3/an), qui continue d’augmenter encore aujourd’hui, ainsi que les conséquences de celui-ci sur les débits turbinés et la disponibilité de l’eau en amont du Partiteur de Canneau.Nous mettons également en évidence les formes irrégulières (Lit-non prismatique) des tronçons des canaux étudiés, via une vue axonométrique des profils en travers (issus de l’étude bathymétrique) des canaux d’irrigation en terre battue étudiés. Puis, nous présentons de manière détaillée le caractère très hétérogène des dépôts sédimentaires de ces derniers, à partir d’une analyse des représentations en Log-Probit des résultats du tamisage, construites au moyen du logiciel GrandPlots.En nous appuyant sur les mesures expérimentales des contraintes de Reynolds et des profils instantanés de vitesse (pris à intervalle de 64 ms), tirés de la base de données EPFL, nous avons montré qu’il faut absolument travailler dans les 18% inférieurs de la colonne d’eau (z/h<0.18) et en mode déficitaire, dans un écoulement turbulent comme celui-là, pour extraire de façon représentative et pertinente une pente expérimentale u*/, comme indicateur de u*.À l’issue d’un examen détaillé de la distribution verticale de la vitesse au canal secondaire FNE, nous validons un DMLWL (Dip-Modified-log-wake-law) à la fois en amont et en aval du réseau. Nous montrons que ceci permet de modéliser le Dip-phenomenon observé systématiquement au sein des profils explorés in situ. Nous proposons une relation entre le coefficient d’inégale répartition de la vitesse à la verticale αv (de Prony) et l’aspect ratio (W/h) pour tout le réseau d’irrigation étudié ;ceci afin d’obtenir une vitesse débitante (Ū), simplement à partir d’une prise de vitesse au flotteur, dans l’axe central d’écoulement.À partir des débits quantifiés à la section de référence du CMRG, via l’équation de continuité (Q=AŪ), nous fournissons un Abaque, diagramme à 3 entrées (débit (Qp), charge amont (H0) et ouverture de vanne (hv)), permettant aux vanniers de connaitre les débits au pont de fer correspondant aux différentes ouvertures de vanne et celui pour lequel le trop-plein (retour des eaux excédentaires vers le fleuve de l’Artibonite) commence à fonctionner.À l’égard des opérateurs locaux et gestionnaires du système, nous mettons enfin à disposition, des méthodes/outils simples et efficaces leur permettant de quantifier finement le débit au Canal principal en amont ainsi qu’au canal secondaire en aval, simplement à partir d’une mesure de hauteur d’eau (h) et de vitesse de surface au flotteur (Us). / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The presence of vegetation in open channel flow has a significant influence on flow resistance, turbulence structures and sediment transport. This study will evaluate flow resistance and scale velocity profile in depth limited flow conditions, specifically investigating the impact of vegetation on the flow resistance under submerged flow conditions. The resistance induced by vegetation in open channel flows has been interpreted differently in literature, largely due to different definitions of friction factors or drag coefficients and the different Reynolds numbers. The methods utilized in this study are based on analytical and numerical models to investigate the effects of vegetation presence on flow resistance in open channel flows. The performing strategy approach was applied by three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulations, using artificial cylinders for the velocity profile. This is to estimate the average flow velocity and resistance coefficients for flexible vegetation, which results in more accurate flow rate predictions, particularly for the case of low Reynolds number. This thesis shows different formulas from previous studies under certain conditions for a length scale metric, which normalises velocity profiles of depth limited open channel flows with submerged vegetation, using both calculated and simulated model work. It considers the submerged vegetation case in shallow flows, when the flow depth remains no greater than twice the vegetation height. The proposed scaling has been compared and developed upon work that have been influenced by logarithmic and power laws to present velocity profiles, in order to illustrate the variety of flow and vegetation configurations.

La dynamique sédimentaire des rivières, souvent modifiée par les aménagements, n'a pas été considérée comme un facteur significatif pour la qualité des environnements riverains et dans les stratégies de restauration. Les approches destinées à restaurer la charge sédimentaire d'une rivière afin qu'elle soit compatible avec les besoins environnementaux et humains, en termes de quantité de sédiments et de granulométrie, sont encore peu développées. De plus, les approches existantes telles que l'injection de sédiments sont souvent coûteuses et nécessitent une intervention humaine. Cette thèse porte sur l'érosion induite des berges, qui constitue une alternative plus durable pour l'environnement. Cette approche consiste à accroître le potentiel d'érosion en certains sites le long des berges d'une rivière chenalisée, en leur permettant d'être plus fortement érodés lors de crues. Deux approches, un modèle physique et des simulations numériques, ont été utilisées pour étudier un site localisé sur le Vieux-Rhin, en aval de Bâle (Suisse), où une modification des épis éxistents est prévue afin de favoriser l'érosion des berges. Dans un premier temps, différents scénarios de modification ont été testés sur une gamme de débits, au moyen d'un modèle physique à échelle de Froude non distordue avec un lit mobile. Dans ce modèle physique, un mélange de quatre classes granulométriques a été adopté afin de reproduire la courbe granulométrique mesurée en nature. Le modèle a été mis à l'échelle par une méthode spécifique qui représente avec précision le début du mouvement de chaque classe. Une stratégie efficace d'érosion des berges a été établie, qui libère des sédiments sans provoquer un retrait excessif des berges qui puisse compromettre la sécurité d'un chenal de navigation adjacent. Par la suite, l'aptitude du modèle numérique Telemac2D à modéliser l'érosion et les processus de rupture de berge a été évaluée. L'algorithme existant de rupture de berge a été modifié pour améliorer les résultats, et les développements implémentés ont été validés par des comparaisons sur des cas-tests de laboratoire. Enfin, les essais du modèle physique ont été simulés numériquement à la même échelle. Les simulations reproduisent les processus observés sur le modèle physique, et les volumes de sédiments érodés et déposés sont du même ordre de grandeur que ceux mesurés / Sediment transport dynamics, often heavily modified by river training, are not yet sufficiently considered as a significant factor in riparian environmental quality and river restoration strategies. Approaches for restoring a river's sediment in quantity and in grain size distribution, so that it is compatible with both ecological and human needs, are still under development. Furthermore, existing approaches such as direct sediment injection are often expensive and require human intervention. This thesis explores induced bank erosion, a more environmentally sustainable alternative. This approach involves increasing the potential for erosion at certain sites along the bank of a trained river, and allowing them to be eroded during high flow periods. Two modelling approaches, physical scaled models and numerical simulation, were used to study a site located on the Old Rhine downstream of Basle (Switzerland) where existing bank protection groynes will be modified to induce bank erosion. Firstly, different modification options were tested over a range of flow rates with a Froude-scaled undistorted movable-bed physical model. The physical model used a mixture of four grain sizes to reproduce the bank grain size distribution found at the site, and was scaled according to a specific method which accurately represents initiation of motion for each grain size. An effective bank erosion strategy was found that releases sediment without compromising the safety of an adjacent navigation channel through excessive bank retreat. Subsequently, the capability of the Telemac2D two-dimensional depth-averaged numerical modelling system to model bank erosion and failure processes was assessed, and the existing bank failure algorithm was modified in order to improve results. Algorithm developments were tested with two laboratory test cases. Then, the physical model tests were simulated at their same scale. Simulations reproduced the processes present in the physical model tests, and volumes of eroded and deposited sediment were of the same order of magnitude

L'étude concerne les couches limites turbulentes dans le cas d'écoulements à surface libre sur fond rugueux homogène. Afin de réaliser cette étude, deux dispositifs de mesure PIV par stéréoscopie (PIV 2D-3C) ont été mis en place avec comme double objectif de fournir les lignes directrices au design d'un système stéréoscopique PIV in situ et d'étudier l'influence de la faible submersion des éléments rugueux sur la structure universelle de la couche limite sur fond rugueux, i.e. pour des submersions h/D comprises entre 0,33 et 0,66 (avec h la hauteur des rugosités et D la hauteur d'eau). Pour le premier objectif, le dispositif de mesure a permis un accès optique facilité par un point de vue incliné des caméras à la zone proche des rugosités dans des conditions naturelles d'écoulement (turbidité et éclairement naturels). Les mesures de vitesse ont été faites dans un canal hydraulique de petite dimension (12 m x 0,5 m x 0,25 m) rempli d'hémisphères positionnées en quinconce. Une étude paramétrique de l'influence de l'inclinaison des caméras ainsi que de la turbidité de l'eau sur la qualité des mesures de vitesse a été entreprise suivie par une nouvelle méthodologie basée sur l'analyse de l'intensité lumineuse dans le système. Il a été montré que l'écoulement est correctement résolu jusqu'à une turbidité d'environ 25 NTU avec un angle d'inclinaison par rapport au plan vertical de mesure de 25°. Pour le second objectif, les investigations expérimentales ont été réalisées dans une veine hydraulique de plus grande dimension (26 m x 1,10 m x 0,50 m), dont le fond rugueux est constitué par des cubes en PVC de 2 cm de côté comme dans l'étude de Florens et al. (2013). Les résultats mettent en évidence que l'étendue de la sous-couche rugueuse augmente avec la submersion pour finalement occuper toute la colonne d'eau dans le cas de la plus faible submersion (h/D=0,66). Malgré cela, une loi logarithmique est tout de même observée, et ce, quelle que soit la submersion étudiée. / This work deals with turbulent boundary layers in open-channel flows over rough homogeneous beds. The objectives of this work are, first, to provide some guidance for the design of an efficient in situ stereoscopic PIV measurements system (SPIV), and, second, to assess the effect of the relative submergence on the universal turbulent boundary layer structure for very high relative submergence ratios, i:e: 0.33 < h/D <0.66 (where h is the roughness height and D the water depth). For the first objective, a stereoscopic PIV configuration was set-up with steeply inclined camera viewpoints in order to improve the image quality and the optical access into the bed canopy under naturally occurring turbid conditions. Velocity measurements were undertaken in a 12 m x 0.5 m x 0.25 m open-channel flume filled with staggered hemispheres as surrogates for bed river peebles. A parametric study was then carried out to both analyze how the turbidity and camera angle impact the quality of PIV measurements. An innovative light intensity-based methodology was developed and applied to perform data analysis. The latter shows good PIV results up to 25 NTU with an optimal camera angle with respect to the vertical PIV measurements plane of 25. The SPIV measurements for the second objective were performed in a 26-m-long, 1.10-m-wide and 0.50-m-deep steep open channel filled with 2-cm cubes as in Florens et al. (2013). The results show that the extent of the roughness sublayer increases with the relative submergence to fill the entire water column for the highest relative submergence investigated. Despite this, the logarithmic law is still observed even for the highest relative submergence studied (h/D=0.66).