La ressource en eau est une des préoccupations majeures de notre décennie. Bien que les problèmes attelant à la pollution directe des cours d'eau et des réservoirs soient bien connus, peu d'études s'intéressent aux problèmes liés aux flux sédimentaires et à ses conséquences sur les milieux aquatiques. Dans ce contexte, nous avons choisi de nous intéresser aux réservoirs de Cointzio et d'Umécuaro (Michoacán, Mexique). Situés en zone montagneuse, de morphologie très différentes mais fortement soumis au même forçage climatique saisonnier (saison des pluies de juin à novembre), ces deux réservoirs ne présentent pas les mêmes dynamiques sédimentaires. Une étude complète de ces fonctionnements fait appel à des compétences diverses telles que l'hydrologie, l'hydrodynamique ou encore la sédimentologie. Chacune des disciplines abordent ces problèmes d'interaction eau - sédiment et leurs interactions ne sont pas négligeables. C'est pourquoi le choix a été fait de suivre une démarche systémique pour comprendre la dynamique globale de ce système, du bassin versant au réservoir, et de l'échelle de la crue à l'étude pluri-décennale. L'analyse hydrologique confirme l'importance du forçage météorologique saisonnier qui régit le remplissage des réservoirs de Cointzio et d'Umécuaro. Ces deux réservoirs montrent des dynamiques hydrologiques contrastées (augmentation progressive du débit pour l'un, remplissage des nappes pour l'autre), traduisant des taux d'érosion modérés à faible sur l'ensemble du bassin versant considéré. L'analyse hydrodynamique a mis en évidence l'importance du forçage météorologique et hydrologique sur la dynamique de la colonne d'eau sur le réservoir de Cointzio. La saison sèche est marquée par une importante stratification, liée au forçage radiatif seul. Au fil de la saison des pluies, la stratification tend à se fragiliser sous l'effet des crues qui, de par leur charge solide, s'écoulent sur le fond. Ces écoulements hyperpycnaux ont pu être représentés par le biais de deux simulations numériques distinctes (modèle INFLO1 et modèle CA). L'analyse sédimentaire vient boucler l'ensemble des observations précédemment faites. L'observation détaillée de carottes prélevées dans les deux réservoirs confirme les régimes et les processus de remplissage identifiés. Les datations par radioéléments, tout comme le traitement d'image RX, nous informent sur les vitesses de remplissage et nous permettent de conclure sur la validité des modèles précédemment utilisés.<br />La synthèse de l'ensemble des données recueillies montrent que depuis les années 70, les conditions érosives sur le bassin versant de Cointzio sont relativement stables mais que certains efforts restent à faire pour limiter l'effet des transferts sédimentaires (plus particulièrement de la fraction colloïdale) sur les eaux du réservoir de Cointzio.

Les problèmes associés au transport sédimentaire sont l'une des préoccupations majeures de notre société, tant d'un point de vue environnemental qu'économique. Nous disposons de peu d'informations sur la dynamique locale des phénomènes d'érosion et plus particulièrement pour les sédiments cohésifs. Dans cette étude, nous nous focalisons sur les phénomènes locaux agissant à l'interface eau-sédiment. Tout d'abord, un sédiment modèle transparent est réalisé en nous basant sur les propriétés rhéologiques des sédiments naturels. Pour cela, différents mélanges, à base de Laponite et de carboxyméthylcellulose, sont testés en faisant varier la concentration et le mode de fabrication. Les protocoles de mesures sont alors établis et une loi d'évolution des propriétés en fonction de la concentration en sédiment est déterminée. Puis, la qualification de la veine hydraulique de l'étude, sans présence de sédiment, est réalisée par des mesures optiques PIV. L'obtention des champs de vitesse moyens et instantanés nous a permis de calculer l'énergie cinétique turbulente ainsi que les contraintes laminaires et turbulentes agissant sur le fond. Enfin, des mesures similaires sont effectuées dans le canal en présence de sédiment pour des cas où le sédiment est entraîné ou non par les forces hydrodynamiques. L'accès à l’énergie cinétique turbulente ainsi qu'aux contraintes laminaires et turbulentes hydrodynamiques permet de comprendre les phénomènes locaux étant à l’origine de l'érosion. Les contraintes à l'interface sont comparées à celles obtenues dans le sédiment via la loi rhéologique mettant en évidence la présence d'une contrainte de cisaillement critique liée aux propriétés du sédiment. / Associated problems with sediment transport are one of the major concerns of our society, as an environmental and economic perspective. Few information about local dynamics of erosion is available and especially for cohesive sediments. In this study, we focus on local phenomena acting at the water-sediment interface. First, a transparent sediment model is made based on rheological properties of natural sediments. For this purpose, different mixtures, containing Laponite and carboxymethylcellulose, are tested by varying the concentration and method of manufacture. Measurement protocols are then established and a law of variation of rheological properties as a function of the sediment concentration is determined. Then, definition of flow within the hydraulic channel of the study, without the presence of sediment, is obtained by PIV optical measurements. Average and instantaneous velocity fields allowed us to calculate the turbulent kinetic energy and the laminar and turbulent stresses acting on the bottom. Finally, similar measurements are carried out in the channel with presence of sediments in cases where the sediment is driven or not by hydrodynamic forces. Access to the turbulent kinetic energy as well as laminar and turbulent hydrodynamic stresses provides an understanding of local phenomena causing erosion. Stresses at the interface are compared with those obtained within the sediment via the rheological law highlighting the presence of a critical shear stress related to the sediment properties.

Cette étude tente de modéliser les taux de transport de sédiments et l'évolution du lit dans un milieu estuarien complexe : l'estuaire de la Gironde, caractérisé par une grande hétérogénéité dans la composition des sédiments de lit, avec la présence de sédiments cohésifs et non-cohésifs ainsi que des mélanges sablo-vaseux. Notre objectif principal est d'étendre un modèle morphodynamique 2D développé par Huybrechts et al. (2012b) pour les sédiments non-cohésifs, afin de tenir compte de la présence de la vase et d'établir une étape préliminaire pour un modèle morphodynamique de sédiment mixte. Notre cadre est le système Telemac (version 6.1) où l'approche bi-dimensionnelle a été sélectionnée pour des simulations à grandes échelles spatiales (150 km) et moyen terme (5 ans).La première partie de ce travail est consacrée à la compréhension des processus de sédimentation-consolidation de la vase pure, en combinant expériences et modèles 1D verticaux. Les processus du sédiment cohésif sont ensuite intégrés dans le modèle morphodynamique de l'estuaire de la Gironde. Des expériences d'érosion et de dépôt ont été réalisées au laboratoire RWTH (Université d'Aachen, Allemagne) pour calibrer les paramètres des lois d'érosion et de dépôt. En outre, l'effet de la consolidation est pris en compte à travers la mise en œuvre d'un modèle 1DV de sédimentation et consolidation basé sur la théorie de Gibson (Thiébot et al., 2011) en utilisant des équations de fermeture analytique pour la perméabilité et la contrainte effective. Une attention particulière est accordée à l'initialisation de la structure verticale du lit sédimentaire. Les mesures et les résultats du modèle sont comparés pour les concentrations des sédiments en suspension et pour l'évolution de fond en moyen terme (5 ans).Dans la deuxième partie, un nouveau modèle 1DV pour la sédimentation entravée des mélanges sablo-vaseux a été développé sur la base des modèles de bi-disperse non-cohésifs. La solution numérique a été réalisée en prenant en considération un schéma de haute précision dans l'espace par la technique de reconstruction WENO et en temps par un Discontinue de Galerkin local (DG). Le modèle est ensuite validé par rapport à une large gamme de données expérimentales (mono-disperse sable, vase, non-cohésif bi-disperse et le mélange non-cohésif/cohesif)

Cette étude tente de modéliser les taux de transport de sédiments et l'évolution du lit dans un milieu estuarien complexe : l'estuaire de la Gironde, caractérisé par une grande hétérogénéité dans la composition des sédiments de lit, avec la présence de sédiments cohésifs et non-cohésifs ainsi que des mélanges sablo-vaseux. Notre objectif principal est d'étendre un modèle morphodynamique 2D développé par Huybrechts et al. (2012b) pour les sédiments non-cohésifs, afin de tenir compte de la présence de la vase et d'établir une étape préliminaire pour un modèle morphodynamique de sédiment mixte. Notre cadre est le système Telemac (version 6.1) où l'approche bi-dimensionnelle a été sélectionnée pour des simulations à grandes échelles spatiales (150 km) et moyen terme (5 ans).La première partie de ce travail est consacrée à la compréhension des processus de sédimentation-consolidation de la vase pure, en combinant expériences et modèles 1D verticaux. Les processus du sédiment cohésif sont ensuite intégrés dans le modèle morphodynamique de l'estuaire de la Gironde. Des expériences d'érosion et de dépôt ont été réalisées au laboratoire RWTH (Université d'Aachen, Allemagne) pour calibrer les paramètres des lois d'érosion et de dépôt. En outre, l'effet de la consolidation est pris en compte à travers la mise en œuvre d'un modèle 1DV de sédimentation et consolidation basé sur la théorie de Gibson (Thiébot et al., 2011) en utilisant des équations de fermeture analytique pour la perméabilité et la contrainte effective. Une attention particulière est accordée à l'initialisation de la structure verticale du lit sédimentaire. Les mesures et les résultats du modèle sont comparés pour les concentrations des sédiments en suspension et pour l'évolution de fond en moyen terme (5 ans).Dans la deuxième partie, un nouveau modèle 1DV pour la sédimentation entravée des mélanges sablo-vaseux a été développé sur la base des modèles de bi-disperse non-cohésifs. La solution numérique a été réalisée en prenant en considération un schéma de haute précision dans l'espace par la technique de reconstruction WENO et en temps par un Discontinue de Galerkin local (DG). Le modèle est ensuite validé par rapport à une large gamme de données expérimentales (mono-disperse sable, vase, non-cohésif bi-disperse et le mélange non-cohésif/cohesif) / This study attempts to model sediment transport rates and the resulting bed evolution in a complex estuarine environment: the Gironde estuary, characterized by a high hetereogeneity in the sediment bed composition, with the presence of both cohesive and non-cohesive sediments and sand/mud mixtures. Our main objective is to extend an existing 2D morphodynamic model developped by Huybrechts et al (2012b) for non-cohesive sediments, to account for the presence of mud and to draw some preliminary step for a fully mixte sediment morphodynamic model. Our framework is the finite element Telemac system (release 6.1), where the two-dimensional (depth averaged) approach has been selected for large scale and medium term simulations.The first part of this work is devoted to the understanding of sedimentation-consolidation processes for pure mud, combining laboratory experiments and 1D vertical models. Cohesive processes are then integrated in the 2D (depth-averaged) large scale morphodynamic model of the Gironde estuary developed by Huybrechts et al. (2012b). Erosion/deposition experiments were performed at the RWTH laboratory (University of Aachen, Germany) to calibrate the erosion and deposition law parameters. Moreover, the effect of consolidation is taken into account through the implementation of a 1DV Gibson-based sedimentation-consolidation model (Thiebot et al., 2011) using analytical closure equations for permeability and effective stress. Special attention is paid to the initialisation of the bed structure. Comparisons between measurements and model results are achieved on both suspended sediment concentration records and on medium term (5-year) bed evolutions.In the second part, a new 1DV model for the hindered settling of sand-mud mixtures has been developed based on the background of non-cohesive bi-disperse models. The numerical solution has been constructed by considering a high-order of accuracy in space via a Weighted Essentially Non Oscillatory (WENO) reconstruction technique and in time via a local space-time Discontinuous Galerkin (DG).The model is then validated against a large range of experimental data (mono-disperse sand, mud, non-cohesive bi-disperse and non-cohesive/cohesive mixture)

Ce travail numérique porte sur le comportement de la lutocline (interface entre l'eau et la vase fluide) en écoulement cisaillé et vise à une meilleure compréhension des mécanismes de remise en suspension de sédiments cohésifs. La crème de vase, ou vase partiellement solidifiée, est modélisée par un fluide homogène équivalent miscible dans l'eau, de rhéologie newtonienne ou viscoplastique. Une étude de l'hydrodynamique de cet écoulement stratifié en densité ainsi qu'en viscosité est ensuite proposée. Considérant une crème de vase initialement non-turbulente, l'étude se focalise sur le développement des instabilités au niveau de la lutocline et de la transition vers une couche de mélange turbulente. La particularité de cet écoulement réside dans la forte viscosité de vase et son seuil de mise en mouvement lorsqu'elle présente un caractère viscoplastique. Une étude de stabilité linéaire permet d'évaluer l'influence des différents paramètres de l'écoulement, notamment les stratifications en densité et en viscosité. La stratification en viscosité augmente sensiblement le taux de croissance de l'instabilité pour des nombres de Reynolds intermédiaires. L'évolution non-linéaire de l'écoulement est ensuite étudiée en utilisant des simulations numériques directes, la stratification en viscosité entrainant un épaississement de la couche de mélange finale. Enfin, des simulations numériques directes basées sur un modèle de fluide de Bingham régularisé permettent d'étudier l'influence de la contrainte seuil sur le développement de l'instabilité. / This numerical study focuses on the behavior of the lutocline in a shear flow and aims to better understand the mechanism of resuspension of cohesive sediment. Mud flow, or mud partially consolidated, is modeled by an equivalent homogenous fluid miscible in water, with newtonian or viscoplastic rheology. A study of the hydrodynamics of this shear flow, stratified both in density and viscosity, is presented. Considering an initially laminar mud flow, the focus of the study is on the development of instabilities on the lutocline and the transition to a turbulent mixing layer. The specificity of this flow lies on the large viscosity of the mud and its threshold to be put in motion, when it presents a viscoplastic feature. A linear stability study assesses the influence of the various parameters of the flow, especially of density and viscosity stratification. The viscosity stratification slightly increases the growth rate of the instability for intermediate Reynolds numbers. Then, the non linear evolution of the flow is studied by using direct numerical simulations, viscous stratification leading to a thicker mixing layer. At last, direct numerical simulations based on a Bingham regularized model, permits to study the influence of the critical strain on the development of the instability.