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The stability and survival of salt marshes is typically linked to the competing influences of sea-level rise, subsidence, and sediment accumulation and erosion. However, consideration must also be made for wind waves that regulate the erosion of salt marsh shorelines and resuspend sediments in bordering tidal flats thus providing material for marsh accretion. This thesis examines the mechanisms in which wind waves affect marsh morphology, the mechanisms of salt marsh boundary erosion, in addition to linking the processes responsible for sediment mobilization between tidal flats and adjacent salt marshes. Sediment concentration within an open-coast marsh creek along the Louisiana chenier plain is shown to be related to the local wave climate and channel velocity. Calculations of sediment fluxes during ebb and flood tides indicates that while large volumes of sediment are mobilized into the marsh when wind waves are present, only a small portion is stored during each tidal cycle. In the coastal lagoon setting of Hog Island Bay, Virginia, marsh shoreline erosion rates were estimated from direct surveys and through analysis of aerial photographs. Erosion rates averaged 1.3 m/yr, similar to the 50-year historical average determined from previous work at the same location. Based on a calibrated numerical model for wind waves, the average erosion rate was linked to the energy of the waves attacking the marsh boundary. Additionally, results suggest that the effect of large waves forming during storms on erosion rates is negligible. Variations in erosion rates were linked to shoreline sinuosity (a proxy used to describe the result of wave concentration through erosive gullies), sediment characteristics, faunal activity, and marsh elevation. The culmination of the work leads to the hypothesis that waves have two opposite effects on salt marshes. On one hand they erode marsh boundaries thus reducing marsh area; on the other hand they mobilize large volumes of sediments in nearby tidal flats which may facilitate marsh accretion thus contrasting sea-level rise. In conclusion, wind waves destabilize marshes along the horizontal direction despite their potential vertical stability.

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Cette thèse est une étude de l'applicabilité des profileurs acoustiques Doppler horizontaux (H-ADCP) pour le suivi des flux d'eau et de matières en suspension (MES) dans les rivières. Plus d'un an de données acquises avec des H-ADCP de 300, 600 et 1200 kHz sur quatre sites, sur le Rhône, l'Isère et la Saône, avec des géométries et des conditions de forçage contrastées sont analysées. Les résultats montrent qu'une profondeur de section limitée peut poser problème en raison de la diffusion d'une partie de l'énergie acoustique par la surface libre. De plus, quand l'intensité rétrodiffusée par les particules est trop faible, les mesures de vitesse sont sous-estimées ou plus dispersées par rapport aux mesures de référence. Des relations de vitesse indice sont toutefois établies en fonction de l'intensité et de la concentration afin de corriger les vitesses. La concentration en MES est déterminée à partir de l'atténuation acoustique qui est importante pour des suspensions concentrées de limons (> ~100 mg/L). Les constantes d'atténuation sont obtenues par calage sur des mesures de turbidité~; elles sont proches des valeurs théoriques calculées pour les distributions granulométriques des particules primaires. Les mesures acoustiques de concentration sont en bon accord avec les mesures de référence et reproduisent finement la dynamique temporelle. En outre, l'évolution de la granulométrie est étudiée à partir des mesures multi-fréquences d'atténuation sous l'hypothèse que les distributions granulométriques sont lognormales. Cette étude montre qu'une fois que les conditions limites pour des mesures fiables sont bien établies, le H-ADCP est un outil performant pour le suivi des flux d'eau et de MES dans les rivières, surtout pendant des périodes de fortes concentrations telles que des crues. / The work investigates the feasibility of using horizontal acoustic Doppler current profilers (H-ADCPs) to monitor fluxes of water and suspended sediment in rivers. Year-long data sets acquired with H-ADCPs operating at 300, 600 and 1200 kHz at four sites with varying geometries and flow forcing conditions on the Rhône, Saône and Isère rivers are analyzed. Findings show that limited depth can pose a problem due to scattering of a fraction of the acoustic energy from the air-water interface. A second problem arises when the backscattered intensity from the suspended sediment is too weak; this leads to underestimation or higher variability of the velocity estimates compared to reference values. Nevertheless, index-velocity relationships are established as a function of concentration and intensity in order to correct the velocity measurements. Concentrations of suspended sediment can be determined from the acoustic attenuation, which is substantial for silt-sized particles at concentrations > ~100 mg/L. Attenuation constants obtained by comparison with turbidity data are in good agreement with the theoretical values calculated for the measured grain size distributions of the primary particles. The acoustic measurements of concentration are in good agreement with reference methods in terms of both amplitude and temporal resolution. Grain size is determined from multi-frequency attenuation data, accounting for lognormal grain size distributions. Our findings show that once the limits of accurate velocity measurements are well established for a given site and instrument, the side-looking ADCP can be a valuable tool for monitoring concentration and changes in grain size throughout high concentration events such as floods.

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.

L'étude de la variabilité spatio-temporelle des flux sédimentaires sous l'influence des forçages naturels et des activités de chalutage a été entreprise à l'échelle du plateau continental du Golfe de Gascogne, en associant des données in situ et une modélisation numérique 3D déterministe. Deux campagnes en mer spécifiques ont été menées pour quantifier les impacts physiques induits par un chalut professionnel au niveau de la Grande-Vasière, en termes de remise en suspension (panache turbide), et de perturbation de la structure et de la nature du sédiment superficiel. Ces données ont permis d'estimer à 0.13 kg.m-2 le taux d'érosion moyen. Leur croisement avec des données d'effort de pêche a conduit à une cartographie mensuelle du flux d'érosion par chalutage. D'autre part, un modèle hydro-sédimentaire 3D réaliste a été mis en place et calibré à partir de mesures au point fixe. Une attention particulière a été accordée au paramétrage de l'érosion naturelle sous l'influence combinée des vagues et des courants. Une nouvelle formulation de la loi d'érosion adaptée aux mélanges de sable fin et de vase classiquement rencontrés sur les plateaux continentaux a été proposée et a permis d'optimiser significativement la réponse du modèle en termes de turbidité. Deux simulations de 5 ans ont été réalisées en incluant ou non l'influence du chalutage de fond, dans le but de quantifier et comparer les contributions relatives des forçages naturels et anthropique sur les flux verticaux (érosion) et horizontaux (transport solide) de sédiments. La variabilité temporelle des flux est décrite en une succession de régimes caractéristiques répondant à divers forçages (e.g. marée, vent, vagues, chalutage), et les flux résiduels saisonniers et annuels sont commentés : sans tenir compte des apports fluviaux, le flux de matériel vaseux a été estimé à 1.6 Mt/an sortant par le nord (au droit de La Pointe du Raz) et à 0.62 Mt/an vers le talus continental (au niveau de l'isobathe 180 m). / The spatio-temporal variability of sediment fluxes under the influence of natural forcings and trawling activities was assessed at the scale of the Bay of Biscay shelf, from in situ data and a 3D process-based numerical modelling. Two sea trials were carried out to quantify physical impacts induced by a professional trawling gear over an intensively trawled area of the shelf, the "Grande-Vasière", in terms of resuspension (turbid plume) and alteration of the surficial sediment nature and structure. These data enabled to estimate an average trawling-induced erosion rate of 0.13 kg.m-2. Their combination with fishing effort data led to monthly spatial distributions of trawling-induced erosion fluxes.Besides, a 3D realistic hydro-sedimentary model has been set up and calibrated from measurements acquired at a mooring station. The calibration task mainly consisted in assessing the natural erosion law setting under the influence of waves and currents. A new formulation of the erosion law has been proposed to describe the erosion of any mixture of mud and fine sand (sediment facies classically encountered on continental shelves) and led to a noteworthy improvement of the model response in terms of turbidity. Two 5-year simulations were performed accounting for natural forcings only or both natural and anthropogenic forcings in order to quantify and compare their respective contributions to sediment fluxes (vertical and horizontal sediment dynamics). The temporal variability of sediment fluxes is described in a succession of typical regimes occurring in response to various conditions of forcings (e.g. tide, wind, wave, trawling), and residual fluxes are assessed at seasonal and annual scales: without accounting for riverine sediment inputs, the mud flux is estimated to 1.6 Mt/yr outflowing northward (at the latitude of the Pointe du Raz) and to 0.62 Mt/yr toward the continental slope (through the 180 m isobath).