La recherche sur le transport de sédiments dans les réservoirs vise principalement à optimiser la conception du réservoir dans les réseaux d’assainissement. La structure de l'écoulement, qui fait l’objet de cette recherche, représente le facteur principal de contrôle du mouvement des particules et conditionne leur dépôt. Le travail réalisé s’est basé aussi bien sur les méthodes numériques que les essais expérimentaux. La simulation numérique est traitée en utilisant trois géométries différentes, où un volume de modèle de fluide est appliqué pour le suivi de la surface libre et un modèle de phase discrète est utilisé pour calculer la trajectoire des particules, et une fonction définie par l'utilisateur basée sur la courbe de Shields est implémentée comme condition limite pour augmenter les taux de déposition simulés. Des séries d'expériences sont réalisées dans un réservoir rectangulaire avec une cavité, pour mesurer le champ de vitesses dans différentes conditions d’écoulement, et déterminer les zones de dépôts des sédiments au fond du réservoir. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux montre une bonne concordance des résultats obtenus pour la prédiction des écoulements et des dépôts. L'amélioration du dépôt de particules nécessite une modification supplémentaire du modèle de suivi des particules. / The investigation on sediment transport in tanks is mainly for optimizing the design of tank in stormwater system and sewers. The flow pattern is the primary factor controlling the movement of particle. Therefore, the emphasis of this investigation is to determine the flow pattern and estimate the deposition of particle. Both computational fluid dynamics and experimental methods are applied to accomplish the research. Numerical simulation are processed by using three different geometries, where a volume of fluid model is applied for tracking the free-surface and a discrete phase model is used for calculation of particle trajectory, and an user defined function based on Shields curve is implemented to the boundary for improving the simulation on sedimentation. A series of experiments are carried out in a rectangular tank with a cavity, where velocity measurements are finished for experiments under different conditions and the sediment deposition is recorded. The comparison between numerical simulation and experimental results show better agreement in the prediction of flow, the improvement on particle deposition needs further modification in the particle tracking model.

En Tunisie, les problèmes des inondations et du transport sédimentaire se posent de façon critique, en particulier au niveau du bassin versant de la Medjerda. En effet, depuis la mise en service du barrage de Sidi Salem (1981) sur le bassin de la Medjerda, des modifications du régime d’écoulement en aval sont apparues sous la forme d’une diminution de la débitance. Cette diminution a eu pour conséquence d’abaisser la capacité de l’Oued à transporter les sédiments et de favoriser leur dépôt. Ceci a provoqué un engraissement du lit, et par conséquent, une occurrence accrue des inondations. Le recours à la modélisation numérique s’avère nécessaire pour mieux comprendre ce risque. Une première partie de ce travail se rapporte à une étude expérimentale menée au niveau d’une installation expérimentale de l’Institut National Agronomique de Tunisie (INAT). L’objectif est de visualiser l’évolution morphologique du fond d’un canal constitué de sable fin sous l’effet d’un écoulement permanent à faible pente. Des simulations numériques ont été effectuées avec différentes lois de transport solide par charriage sur des données expérimentales. L’objectif est de vérifier l’applicabilité de ces lois pour la prédiction de la capacité du transport solide par charriage. Des tests de l’effet du diamètre des matériaux sur la variation du taux de sédiments transportés ont été réalisés. Enfin, des simulations avec différentes formules disponibles sous SISYPHE couplé avec TELEMAC 2D ont été effectuées, pour prédire l’évolution de la couche de sable fin dans le canal. Dans une seconde partie, des simulations de la Medjerda avec des modèles hydrauliques 1D et 2D ont été réalisées. Ces simulations ont concerné les crues récentes pour lesquelles des données sont disponibles, en particulier la crue spectaculaire de janvier 2003, et la crue la plus récente survenue en février 2012. Dans un premier temps, des simulations numériques 1D ont été réalisées via les deux logiciels MIKE 11 et HEC RAS afin de contrôler le comportement de la ligne d’eau lors de ces crues. Dans un second temps, des modélisations hydrauliques bidimensionnelles 2D via le code TELEMAC 2D ont été effectuées ; le but était de déterminer l’étendue de la crue et d’identifier les zones sensibles à l’inondation. La dernière partie de ce travail porte sur l’étude du transport sédimentaire au niveau de la Medjerda. Dans un premier temps, une modélisation unidimensionnelle (1D) du transport solide total lors de la crue de 2003 le long de la moyenne vallée de la Medjerda. Une analyse de l’influence des quantités de matériaux transportés lors des crues sur l’évolution géomorphologique de la Medjerda a été faite. Dans un second temps, une modélisation bidimensionnelle (2D) du transport solide a été réalisée en utilisant SISYPHE couplé avec TELEMAC 2D. Enfin, une nouvelle approche de calcul du transport sédimentaire par charriage, basée sur le modèle d’érosion-déposition de Charru, (2006) a été testée. À l’issue de ce travail, une étude comparative entre les différents résultats obtenus, pour vérifier la validité de ces approches pour le cas de la Medjerda, a été effectuée. / In Tunisia, the problem of floods and sediment transport is critically arising, especially in the Medjerda watershed. Since the construction of Sidi Salem dam, there is a remarkable morphological change, especially on the downstream side. We note a gradual enhancement of the river bed in the downstream direction and therefore, increased occurrence of floods. So, the use of numerical modeling is needed to better understand this risk. An experimental study carried out in a rectangular inclinable flume at the National Institute of Agronomy of Tunisia (INAT). The aim is to visualize the morphological evolution of the channel bottom consisting of fine sand under permanent flow. In the first part, a comparative analysis was conducted between bed load transport rates models with experimental data, in order to test and validate the new bed load model proposed by Lajeunesse et al. (2010), then to check the grain size effect on the sediment transport capacity. After that, we are interested in the study of the morphological evolution in rivers. It was performed through numerical modeling using SISYPHE coupled with TELEMAC 2D. The aim is to analyze the morphological changes in the channel bottom. In the second part, several simulations have been conducted between 1D and 2D hydraulic models. These simulations concerned the recent floods for which data are available, especially the flood in January 2003 and the latest floods occurred in February 2012. Initially, a 1D hydraulic model using the MIKE 11 and HEC RAS software was performed in order to control the behavior of the water line profile during these floods. Secondly, a twodimensional hydraulic model was conducted using the code TELEMAC 2D in order to determine flood extent and to identify flood sensitive areas. The last part of this work will focus on the study of sediment transport at the Medjerda. Initially, we conducted a one-dimensional modeling (1D) of the total sediment transport along the middle valley of the Medjerda river. An analysis of the influence of the amounts of the materials transported by the Medjerda during flood was performed to determine their effects on the river morphological evolution. Secondly, a two-dimensional modeling was performed (2D) of sediment transport using the code SISYPHE coupled with TELEMAC 2D was also performed. We became interested in the study of sediment transport by thrusting only, to see the effect of this transport mode to the morphological evolution. In addition, we opted for a new approach to calculation of bed load sediment transport model based on the erosion -deposition Charru (2006). At the end of this work, a comparative study between the different results to see the validity of this new approach to the case of Medjerda was considered.

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier. / Boat induced waves generate additional stress on banks and should be included in bank erosion predictive models. The objective of this study is to investigate the role of boat generated waves on near bank flow in a fluvial environment. We used a longitudinal array of four bi-directional eletromagnetic current meters (ECMs) perpendicular to the bank and two optical backcattering sensors (OBSs) set back to back, one facing the river bank (inner looking) and the other towards the river (outer looking) to measure mean and turbulent properties of the horizontal and vertical flow velocities and suspended sediment fluxes generated by the waves. The waves were generated using a 16 ft long boat equipped with a 40hp motor. The effect of three different distances between the bank and sailing line (5, 10, 15 m) and of three different speeds of the vessel (5, 15 and 25 km/h) was evaluated. Five replicates of each combination of distance and speed were realized for a total of 45 passages. Variability of flows conditions, wave characteristics and turbidity properties were characterized and spectral analyses were performed to separate oscillatory and turbulent flow induced by boat generated waves. An important variability in suspended sediment response to the passages of boat wave is observed between replications and the effect of speed and distance of sailing line is nonlinear. It was often unbalanced between the inner and outer looking OBS suggesting that the bank changed its morphology. Cross-correlation between hydraulic and turbidity variables show the significance of the relation between shear stress and suspended sediment transport variables. This study provides quantitative relations between wave dynamics and plumes of suspended sediment that could help to develop mitigation measures in fluvial environments where vessel traffic represents a major issue for bank erosion and retreat.

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements. / The overarching objective in fluvial geomorphology is to explain river morphology and its temporal and spatial evolution. The multiplication of studies led to the realization that geomorphic systems are complex and difficult to understand. The observed river morphology is more than the sum of the individual processes which govern them because of the superimposition of process interactions and non-linear feedback loops at multiple scales. In this context, the goal of this thesis is to explore new avenues of research in order to comprehend more accurately the complexity of gravel-bed river dynamics by using methodological and analytical approaches focusing on the interactions between the flow, transport of sediments as bedload and the bed morphology. This orientation of the thesis is in line with the fact that current paradigms in fluvial geomorphology have not succeeded in explaining adequately the natural variability of the sediment transport and its consequences on the river bedforms. Five avenues are developed in the form of articles based on case studies: 1. The study of the scales of variation of the flow allows us to integrate the turbulent flow structures into flow pulsations at larger scales and to potentially improve our understanding comprehension of bedload sediment transport variability. 2. The quantification of the rates of change of the flow magnitude (acceleration /deceleration) during a flood explains as much the variability of bedload transport fluxes as the flow intensity itself. 3. The use of complementary measurement techniques of bedload processes can reveal new river bed dynamics in gravel-bed rivers: the dilation and contraction of the bed resulting from a flood. 4. The investigation of the generally accepted fact that bedload sediment transport is correlated with the intensity of the morphological changes reveals that the two processes do not relate directly due to their different characteristic scales. 5. The systemic approach of river dynamics based on the use of multivariate analytical techniques is better suited for the study of complex linear and non-linear interactions and feedbacks in the evolution of a river channel. This analysis has shown the importance of the recent history of the morphological changes in response to a flood. The conceptual orientation of this thesis results from a deep reflection on the traditional approaches previously used for several decades in fluvial geomorphology. It is based on a single very extensive data set collected during 21 flood events in a small gravel-bed river, Béard creek (Quebec). The experimental protocol aimed at the simultaneity of processes measurements in order to focus the analysis on the interactions between the flow, the channel morphology and the bedload sediment transport rather than on the individual processes, an approach seldom used in fluvial geomorphology. Each chapter reports on a new concept or a new approach making it possible to resolve some of the issues met in fluvial geomorphology. This work has important implications for the understanding of river bed dynamics and fluvial habitats and is a starting point for new developments.

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier. / Boat induced waves generate additional stress on banks and should be included in bank erosion predictive models. The objective of this study is to investigate the role of boat generated waves on near bank flow in a fluvial environment. We used a longitudinal array of four bi-directional eletromagnetic current meters (ECMs) perpendicular to the bank and two optical backcattering sensors (OBSs) set back to back, one facing the river bank (inner looking) and the other towards the river (outer looking) to measure mean and turbulent properties of the horizontal and vertical flow velocities and suspended sediment fluxes generated by the waves. The waves were generated using a 16 ft long boat equipped with a 40hp motor. The effect of three different distances between the bank and sailing line (5, 10, 15 m) and of three different speeds of the vessel (5, 15 and 25 km/h) was evaluated. Five replicates of each combination of distance and speed were realized for a total of 45 passages. Variability of flows conditions, wave characteristics and turbidity properties were characterized and spectral analyses were performed to separate oscillatory and turbulent flow induced by boat generated waves. An important variability in suspended sediment response to the passages of boat wave is observed between replications and the effect of speed and distance of sailing line is nonlinear. It was often unbalanced between the inner and outer looking OBS suggesting that the bank changed its morphology. Cross-correlation between hydraulic and turbidity variables show the significance of the relation between shear stress and suspended sediment transport variables. This study provides quantitative relations between wave dynamics and plumes of suspended sediment that could help to develop mitigation measures in fluvial environments where vessel traffic represents a major issue for bank erosion and retreat.

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements. / The overarching objective in fluvial geomorphology is to explain river morphology and its temporal and spatial evolution. The multiplication of studies led to the realization that geomorphic systems are complex and difficult to understand. The observed river morphology is more than the sum of the individual processes which govern them because of the superimposition of process interactions and non-linear feedback loops at multiple scales. In this context, the goal of this thesis is to explore new avenues of research in order to comprehend more accurately the complexity of gravel-bed river dynamics by using methodological and analytical approaches focusing on the interactions between the flow, transport of sediments as bedload and the bed morphology. This orientation of the thesis is in line with the fact that current paradigms in fluvial geomorphology have not succeeded in explaining adequately the natural variability of the sediment transport and its consequences on the river bedforms. Five avenues are developed in the form of articles based on case studies: 1. The study of the scales of variation of the flow allows us to integrate the turbulent flow structures into flow pulsations at larger scales and to potentially improve our understanding comprehension of bedload sediment transport variability. 2. The quantification of the rates of change of the flow magnitude (acceleration /deceleration) during a flood explains as much the variability of bedload transport fluxes as the flow intensity itself. 3. The use of complementary measurement techniques of bedload processes can reveal new river bed dynamics in gravel-bed rivers: the dilation and contraction of the bed resulting from a flood. 4. The investigation of the generally accepted fact that bedload sediment transport is correlated with the intensity of the morphological changes reveals that the two processes do not relate directly due to their different characteristic scales. 5. The systemic approach of river dynamics based on the use of multivariate analytical techniques is better suited for the study of complex linear and non-linear interactions and feedbacks in the evolution of a river channel. This analysis has shown the importance of the recent history of the morphological changes in response to a flood. The conceptual orientation of this thesis results from a deep reflection on the traditional approaches previously used for several decades in fluvial geomorphology. It is based on a single very extensive data set collected during 21 flood events in a small gravel-bed river, Béard creek (Quebec). The experimental protocol aimed at the simultaneity of processes measurements in order to focus the analysis on the interactions between the flow, the channel morphology and the bedload sediment transport rather than on the individual processes, an approach seldom used in fluvial geomorphology. Each chapter reports on a new concept or a new approach making it possible to resolve some of the issues met in fluvial geomorphology. This work has important implications for the understanding of river bed dynamics and fluvial habitats and is a starting point for new developments.

Les environnements arides végétalisés seront parmi les environnements les plus impactés par la désertification dans le cadre du changement climatique. Ces environnements légèrement végétalisés sont caractérisés par une balance précaire entre un état de résilience et de vulnérabilité qui est intrinsèquement menacé par la désertification pouvant potentiellement mener à une augmentation du transport des sédiments éolien et une dégradation des environnements. Le nombre d’interactions présentes entre la végétation, la pluie, le transport des sédiments et la présence d’herbivore en milieu aride, ainsi que leur nature non-linéaire rend difficile de représenter ces interactions à l’aide de modèle physique et mathématique. La modélisation complexe est mieux adaptée à la représentation des interactions complexes entre la végétation, la pluie, le transport des sédiments et la présence d’herbivores dans les systèmes arides. Un nombre considérable d’études ont utilisées les modèles complexes pour étudier l’effet de la végétation sur le transport des sédiments ou l’effet de la présence d’herbivore sur la végétation, mais peu d’études ont utilisées une approche intégrant ces trois composantes en un même modèle. Un nouveau modèle d’herbivorie basé sur l’agent (GrAM) est présenté sous forme d’extension du modèle ViSTA_M17 et permet une meilleure représentation de l’impact des régimes de pâturage en environnement aride végétalisé. Cet ajout ayant un modèle complexe de transport des sédiments et de végétation déjà établit vise présenter un modèle hybride pouvant représenter l’impact de l’herbivorie sur la composition végétale et le transport des sédiments en environnement aride à l’échelle du paysage. Le développement du nouveau module à l’intérieur de la structure du modèle ViSTA original a souligné certaines limites de ce dernier, notamment une sensitivité importante de la végétation et de la force de cisaillement du vent. Le modèle ViSTA_GrAM répond à certaines limites du modèle original par l’intégration d’un nouveau module d’herbivorie et présente une avancée vers une modélisation environnementale englobante permettant une meilleure compréhension des dynamiques spatiales et temporelles des environnements arides. L’approche englobante utilisée par le modèle ViSTA_GrAM est bénéfique à la prise de décision, puisqu’elle offre un outil permettant d’explorer les réponses des environnements arides à un changement de leur végétation, leur régime de pluie, leur régime de transport des sédiments ou leur régime d’herbivorie. Les modèles complexes et l’exploration de scénarios futurs des environnements arides peuvent permettre d’améliorer la gestion de ces mêmes environnements. / Vegetated arid environments will be among one of the most affected by desertification as a result of climate change. These sparsely vegetated regions exhibit a delicate balance of resilience and vulnerability that are profoundly challenged by desertification, potentially producing an important positive feedback leading to increased aeolian activity and therefore land degradation. The high level of interaction between rainfall, vegetation, sediment transport and grazing in these arid environments and the non-linear nature of these interactions make them difficult to predict by traditional mathematical modeling mean. Complex modeling, on the other hand, offer better representation of the intricate relation between vegetation, rainfall, sediment transport and grazing in an arid environment system. A sizable amount of studies has been conducted with complex models to explore the effect of vegetation on sediment transport or grazing effect on vegetation, but few have used a truly integrative approach where all tree components were represented in a complex model. This research present a novel agent-based model (GrAM) integrated as an extension to already complete sediment transport-vegetation complex model (ViSTA) allowing a more refined representation of grazer’s impact in vegetated arid environments. This addition to the ViSTA model is aimed to combine a land management and systematic approach in a coupled model, to represent, at a landscape level, the impact of grazing on the composition of vegetation and sediment movement in arid environments. The development of this new module within the original ViSTA model, has highlighted some limitations of this model, most notably concerning its sensitivity to vegetation and wind shear. The ViSTA_GrAM model addresses these limitations through integrating a new module of grazing as the next step toward an integrated modelling effort that permits models to effectively increase our spatial and temporal understanding of arid environments vegetation, sediment transport and grazing dynamics. Integrative approach, like the one provided by the ViSTA_GrAM model, is beneficial to decision making by providing tools to investigate the response of an arid environment to different state of their vegetation, rainfall regime, wind stress and grazing regime. By developing complex modeling in arid environment and exploring various future scenarios for arid environment, we hope to lead to better management plan of those same environment.

Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau. / This thesis investigates the impacts of climate-induced changes in discharge and base level on the morphology of Saint-Lawrence River tributaries for the period 2010–2099. The selected tributaries (Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François and Yamachiche rivers) were chosen because of their differences in size, flow regime and morphological setting. Not only will these tributaries experience an altered hydrological regime as a consequence of climate change, but their base level (Saint-Lawrence River water level) will also change. A one-dimensional (1D) morphodynamic model (SEDROUT), originally developed for aggrading gravel-bed rivers, was adapted for the specific context of the Saint-Lawrence lowland tributaries in order to simulate sand-bed rivers with variable daily discharge and downstream water level fluctuations. A module to deal with sediment routing in channels with islands was also added to the model. The enhanced model (SEDROUT4-M), which was tested with small-scale simulations and present-day conditions in four tributaries of the Saint-Lawrence River, can now simulate a very wide range of river morphodynamic problems. Changes in bed elevation and bed-material delivery to the Saint-Lawrence River over the 2010–2099 period were simulated with SEDROUT4-M for the Batiscan, Richelieu and Saint-François rivers for all combinations of seven tributary hydrological regimes (present-day and those predicted using three global climate models (GCM) and two greenhouse gas emission scenarios) and three scenarios of how the base level provided by the Saint-Lawrence River will alter (no change, gradual decrease, step decrease). The effects on mean annual sediment delivery and bed elevation differ between GCM and seem to be related to whether the river is currently aggrading, degrading or in equilibrium, which highlights the importance of investigating several rivers using several climate models in order to determine trends in climate change impacts. Despite the fact that mean daily discharge and mean annual maximum discharge remain close to their current values in the three GCM scenarios for daily discharge, marked changes occur in the mean annual sediment transport rates in each simulated tributary. This is due to the important effect of more frequent large individual flood events under future climate as well as a shift of peak annual discharge from the spring towards the winter, which results in increased variability of bed-material transport rates. Some complications with the 1D modelling approach to capture the complex geometry of the Saint-Maurice and Saint-François rivers suggest that the use of a two-dimensional (2D) approach should be seriously considered to accurately simulate the discharge distribution at bifurcations around islands. The Saint-François River is used as a test case for the 2D model H2D2, which performs well from a hydraulics point of view but which needs to be adapted to fully simulate morphological adjustments in the channel.

L’objectif de cette étude est de reconstruire le régime de l’érosion des chaînes himalayennes, et de relier ces paramètres aux variations climatiques globales et à l’intensité de la mousson. Dans ce travail, Les sédiments de 3 carottes prélevées dans la baie du Bengale pendant la mission MONOPOL ont fait l’objet d’analyses minéralogiques (XRD et granulométrie) et géochimiques (majeurs, traces, la composition isotopique du Nd et du Sr). La mise en âge des carottes, est basée sur les enregistrements de δ¹⁸O de foraminifères planctoniques (G. ruber), et des datations au ¹⁴C (AMS). Ces 3 enregistrements sédimentaires couvrent les derniers 180 ka. L'approche multi-traceur menée sur ces carottes, nous donne des informations essentielles sur les sources, afin de reconstruire les changements au cours du temps des sédiments transportés vers la partie proximale du cône sous-marin du Bengale, et de mieux comprendre ses liens potentiels avec les changements climatiques (mousson indienne et/ou des changements au niveau de la mer). Les résultats de cette étude, donnent également des clefs sur les processus d'altération chimique et de la dynamique du transport des sédiments au cours du temps. En outre, une étude à haute résolution, sur un site localisé sur la levée du chenal actif du cône sous-marin fournit des informations sur les changements dans le degré d'altération et la dynamique de transport des sédiments du système himalayen au cours de l'Holocène. Ainsi, il est possible de quantifier l'impact de la mousson d’été sur la sédimentation au niveau de la levée durant cette période climatique. Les résultats de cette étude ont été utilisés pour estimer les changements dans les sources sédimentaires (plaine Indo-Gangétique vs haute-chaine) et retracer l'altération chimique du matériel détritique au sein du bassin versant du système fluviatile du Ganges-Brahmapoutre. / The aim of this study is to reconstruct the erosional history of the Himalayan ranges, in order to connect these parameters to global climatic events and variations in the intensity of the monsoon. In this work, sediments from 3 marine cores collected in the Bay of Bengal, during the MONOPOL cruise were analyzed using mineralogical (XRD and grain-size) and geochemical (major, trace, Nd and Sr isotopic composition) methods. Chronological framework of studied cores were based on δ¹⁸O from planktonic foraminifera (G. ruber), and ¹⁴C ages dating (AMS). These cores cover the last 180 kyr. The multi-proxy approach conducted on these cores, gives us critical information about the source, to reconstruct the temporal variability of sediment export to the proximal northeastern Bengal Fan and its potential links to climatic changes (Indian monsoon and/or sea-level changes). Results also give insights on the chemical weathering processes and the dynamic of transport of the sediments through time as well. Moreover, a high-resolution study, on a site located on the active middle fan channel levee of the fan provides information on changes in the weathering pattern and the dynamic of transport of sediments from the Himalayan system during the Holocene. Thus, it is possible to quantify the impact effect of summer monsoon rainfall during that time interval. These results have been used to assess changes in the sedimentary sources (Indo-Gangetic plain vs highlands) and document the chemical weathering states of the detrital material within the Ganges-Brahmaputra river basin catchment.

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