Dans le cadre de cette thèse, un ouvrage de type séparateur hydrodynamique est étudié pour répondre aux problématiques environnementales liées aux déversements de macro-déchets en mer. La première partie est destinée à l’analyse du fonctionnement hydraulique de l’ouvrage et son aptitude face au colmatage sur un pilote en laboratoire. Les données collectées vont ensuite permettre la validation d’une approche numérique capable de simuler l’écoulement. Cette technique est par la suite utilisée pour optimiser l’écoulement et la forme de la grille. Nous avons démontré, à partir de simulations numériques, l’intérêt d’une grille de type métal déployé pour obtenir des phénomènes d’agitations turbulentes et de gradient de pression important à l’amont de la grille. Ces phénomènes favoriseraient ainsi la dispersion des polluants et limiteraient les phénomènes de colmatage. La dernière partie de ce travail a été d’étudier le fonctionnement d’un ouvrage grandeur nature et d’observer son efficacité. / The installation of hydraulic structures to separate particles is a key element to improve the quality of water bodies. This PhD work focus on the study of a hydrodynamic separator used to capture large wastes before their discharge into the see. Tangential separation mechanism along a screen is used in this device. The first part of the work consists in studying the hydraulic behavior and the clogging effectiveness of the device with laboratory experiments. A CFD multiscale approach was developed in this work to optimize the shape of the screen in order to avoid clogging. This method, validated against experimental data, allows us to predict that expanded metal stripes are useful to develop turbulence and pressure gradients upstream the screen. This hydrodynamic phenomenon favor particles and pollutants ejection near the apertures. The last part of the work was to study the hydrodynamic behavior and the real efficiency with in situ experiments.

Au fil des siècles, de nombreux cours d’eau ont été régulés par des barrages pour assurer différents besoins tels que la gestion des inondations, la production d’énergie hydro-électrique, l’irrigation, l’approvisionnement en eau potable, etc. Aujourd’hui, dans le tiers nord de la planète, 77% des cours d’eau sont concernés par la présence de ces ouvrages et de très nombreux ouvrages sont en cours de construction ou prévus dans les prochaines décennies. Les impacts des barrages, notamment ceux dont les réservoirs sont les plus volumineux, sont aujourd’hui bien connus. Leur influence, plus ou moins prononcée, peut notamment affecter les crues (débits, fréquence, pointe et durée), ce qui entraine de facto une modification de l’occurrence du « débit morphogène » naturel dans les tronçons situés en aval. Il en résulte une morphologie et une dynamique fluviales modifiées, avec des Incidences sur la biologie et les usages. Afin d’améliorer, voire de restaurer le bon fonctionnement des milieux aquatiques et rivulaires, il est de plus en plus souvent demandé aux gestionnaires de barrages de générer des débits élevés, dits « morphogènes », depuis leurs ouvrages. Ce travail de thèse s’est attaché dans un premier temps à clarifier les concepts de débits, lâchers et écoulements « morphogènes ». Il a été proposé une nouvelle terminologie s’intégrant dans le contexte plus large des débits environnementaux et des débits écologiques (environmental et ecological flows). Dans un second temps, les précédents travaux et les expérimentations menées sur la Durance, la Selves et l’Isère, ont fourni des éléments pour construire une méthodologie de mise en œuvre de lâchers morphogènes dans le cadre d’une gestion adaptative. Cette méthodologie opérationnelle repose sur une série d’étapes successives découlant d’un diagnostic préalable. Elle permet de déterminer les paramètres nécessaires au dimensionnement, d’identifier les contraintes et de définir les résultats attendus (compartiments visés, ordres de grandeurs des processus, etc.) pour évaluer l’efficience de l’opération. Enfin, grâce à la mise en œuvre d’indicateurs de déclenchement, elle fournit des éléments d’évaluation pour décider de renouveler, d’améliorer ou non le lâcher. / Over the centuries, many rivers have been regulated by dams to meet various needs such as flood management, hydropower production, irrigation, drinking water supply, etc. Today, in the northern third of the planet, 77% of watercourses are affected by dams and a very large number are under construction or planned in the coming decades. The impacts of dams, particularly those with the largest reservoirs, are now well-known. Their influence, more or less pronounced, can affect floods (flow, frequency, peak and duration), which results in a change of the occurrence of the natural "channel morphing discharge" in the downstream reaches. The result is a modified river morphology and dynamics, with impacts on biological communities and uses. In order to improve/restore aquatic and riparian environments, dam managers are increasingly being asked to generate high flows, known as "flushing flows” or “ecomorphogenic flows”, from their dams.This thesis focuses initially on clarifying the concepts of discharge, water release, and "ecomorphogenic flows”. A new terminology has been proposed that fits into the broader context of “environmental flows” and “ecological flows”. In a second step, previous works and experiments carried out on the Durance River, the Selves River and the Isère River provided elements to build a methodology for implementing ecomorphogenic flow releases as part of adaptive management. This operational methodology is based on a series of successive steps resulting from a preliminary diagnosis. It makes it possible to determine the parameters necessary for designing releases, identifying constraints and defining expected results (target compartments, orders of magnitude of process, etc.) to evaluate the efficiency of the operation. Finally, through the implementation of trigger indicators, it provides evaluation information to decide whether to renew, or improve releases or to replace them with other management actions.

L'eau des fleuves, des rivières, des lacs et des réservoirs ne représente que 0,26 % des 2,5 % (35 millions de km3) d'eau douce disponibles à l’état liquide sur Terre, or sa qualité et quantité ont fortement diminué ces dernières années. Sa dégradation a des conséquences sur l'agriculture, la santé, l'environnement et l'économie des territoires et est aujourd'hui au centre des préoccupations sociétales. Les objectifs de la présente thèse sont pour trois fleuves localisés dans le Bouclier des Guyanes, au nord de l'Amérique du Sud (le Maroni, l'Oyapock, l'Orénoque): (i) d'utiliser et d'adapter des outils novateurs de télédétection pour suivre et quantifier, sur du long terme, leurs charges sédimentaires en suspension, (ii) d'évaluer l'existence de tendances spatio-temporelles, ainsi que de ruptures dans les chroniques de données, (iii) de quantifier la part organique et minérale de ces charges, (iv) d'apprécier le rôle des facteurs naturels (débits et précipitations) et anthropiques (surfaces urbaines, agricoles et minières) sur les tendances observées et enfin, (v) de discuter de seuils de charges pour le suivi de la qualité de l'eau. Les résultats ont montré qu'il est possible de suivre les concentrations de matières en suspension, pour les fleuves Orénoque et Maroni avec une erreur relative de 32 et 25% respectivement. Sur la période 2000-2016, des tendances spatio-temporelles régulières ont été observées pour l'Orénoque, alors qu'elles sont en augmentation pour le Maroni avec une rupture en 2009 et en diminution pour l'Oyapock depuis 2008 (données in situ). Un lien fort avec l'augmentation de la déforestation pour les surfaces minières et les précipitations est observé pour le Maroni alors que pour l'Oyapock les tendances sont liées aux débits.Pour les deux années d'études (2014-2016), les charges minérales ont représenté la plus forte fraction des particules transportées dans les eaux du Maroni au Saut Hermina (en moyenne 93 %) et de l'Oyapock au Saut Maripa (en moyenne 82 %) avec une grande variabilité selon les mois de la teneur en carbone dans les matières transportées et pour les deux fleuves. Enfin, les rapports C/N et C/Chl-a ont dévoilé des matières organiques d'origine principalement endogène avec une forte biomasse chlorophyllienne surtout durant les basses eaux. / The water of rivers, lakes and reservoirs represents only 0.26 % of the 2.5 % (35 million of km3) of fresh water available on the liquid state on Earth, but its quality and quantity strongly decreased these last years. Her degradation has consequences on the farming, the health, the environment and the economy of territories and is now in the center of the societal concerns. The objectives of the present thesis are for three rivers located in the Guiana Shield, in the North of South America (the Maroni, the Oyapock, the Orinoco): i) to use and to adapt innovative tools of remote detection to follow and quantify, on the long term, their sedimentary loads, ii) to estimate the existence of spatiotemporal trends, as well as breaks in the chronicles of data, iii) to quantify the organic and mineral part of these loads, iv) to appreciate the role of the natural (discharge and precipitation) and the anthropological factors (urban, agricultural and mining surfaces) on the observed trends and finally, v) to discuss thresholds of concentrations for the quality monitoring of the river water.The results showed that it is possible to follow the concentrations of suspension materials, for rivers Maroni and Orinoco with a relative error of 25 and 32 % respectively. Over the period 2000-2016, regular spatiotemporal trends were observed for the Orinoco, while they are increasing for Maroni with a break in 2009 and in decrease for the Oyapock since 2008 (in situ data). A strong link with the increase of the deforestation for the mining surfaces and the precipitation is observed for the Maroni catchment while for the Oyapock the trend is explained by the specific water discharge.For two years of studies (2014-2016), the mineral loads represented the strongest fraction of particles transported in the Maroni River at Saut Hermina (on average 93 %) and in the Oyapock River at Saut Maripa (on average 82 %) with a high variability according to the months of the content in carbon in the transported materials and for both rivers. Finally, report C/N and C/Chl-a revealed organic matters of mainly endogenous origin with a strong chlorophyll biomass and especially during the low water period.

En ingénierie des risques torrentiels, les praticiens sont actuellement confrontés à un problème de gestion lié à la méconnaissance des volumes sédimentaires mobilisés par les crues. Généralement, les études cherchant à estimer ces volumes sédimentaires portent soit sur la production détritique des versants, soit sur la fourniture sédimentaire uniquement en sortie de bassin versant, mais rarement sur l'évaluation des stockages-déstockages le long du talweg ; elles ne fournissent donc pas de méthode (pluriel discutable) d'estimation des volumes sédimentaires satisfaisante. C'est pour répondre à ce questionnement des gestionnaires qu'est née cette recherche appliquée en géomorphologie torrentielle, basée sur la compréhension des processus de recharge et de transit sédimentaires au sein du chenal.<br />L'approche «globale» présentée ici peut être un complément aux travaux plus fréquents concernant la rhéologie et le comportement mécanique des matériaux, étudiés à une échelle plus fine, ainsi qu'aux études détaillées de certains processus géomorphologiques. Pour mener à bien ce travail, de nombreux outils ont été utilisés : photogrammétrie, observations de terrain et mesures topographiques, cartographie sur SIG et Modélisation Numérique de Terrain, géophysique, relevés pluviographiques et traitements statistiques, recueil d'archives. L'étude approfondie du bassin versant du Manival (Isère, Alpes-du-Nord) a permis de mieux comprendre le fonctionnement des processus sédimentaires et de mettre au point une méthode d'estimation des volumes en jeu. Cette méthode, qui permet de prédire le volume maximal d'une lave torrentielle majeure à venir (PREVENT), est basée sur une approche systémique et sur un concept du fonctionnement torrentiel privilégiant la dynamique sédimentaire du système.<br />La méthode de PREVENT a été par la suite appliquée à deux autres bassins versants isérois du même type, le Merdarêt et les Arches. L'étude diachronique des volumes sédimentaires de ces torrents montre que les résultats de la méthode proposée ont une cohérence satisfaisante. Cette thèse contribue à améliorer la connaissance scientifique des processus torrentiels, et par là même, apporte des outils théoriques et méthodologiques dans le domaine de l'ingénierie des risques naturels.

L’objectif de cette thèse est le développement et la validation d’un outil numérique permettant d’évaluer la performance d’un ouvrage de décantation. L’approche Euler-Lagrange est retenue pour la modélisation de l’écoulement et du transport solide. De nouvelles conditions d’interaction particule/paroi permettent de restreindre le dépôt aux zones présentant des caractéristiques géométriques et hydrodynamiques favorables. Le modèle numérique est confronté à quatre jeux de données expérimentales. L’ensemble de ces expérimentations permettent d’investiguer une large gamme des paramètres représentatifs de l’écoulement et du transport solide. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux permet de conclure sur la capacité du modèle à prévoir l’abattement des particules dans un ouvrage de décantation avec une précision de l’ordre de 5 pourcents lorsque les dépôts ont lieu sur l’ensemble du fond et de 10 pourcents dans le cas de dépôts localisés dans des zones préférentielles. / The objective of this thesis is the development and the validation of a numerical tool to estimate the trapping efficiency of settlers. The Euler-Lagrange approach is chosen to simulate the flow and the sediment transport. New particle/wall interaction conditions are developed to take into account the geometric and hydrodynamic characteristics to enable the deposit. The numerical model is compared to four sets of experimental data. All these experiments enable to study a wide range of parameters that describe the flow and the solid transport. The comparison between the numerical and experimental results shows that the model is able to estimate the trapping efficiency of particles in a settler with an accuracy of about 5 percent when the particles settle all over the bed of the basin and about 10 percent in case of located deposits.

Le transport solide par charriage dans les cours d'eau est un problème de longue date dans l'étude des écoulement biphasiques. Les processus physiques impliqués sont en effet mal compris et complexes. Nous présentons une étude expérimentale du mouvement de billes de verre sphériques grossières. Elles étaient entraînées dans un mouvement quasi-bidimensionnel par un écoulement d'eau turbulent peu profond dans un canal à forte pente sur un lit mobile. Nous avons étudié le cas de l'équilibre du transport solide, c'est-à-dire qu'il n'y avait ni érosion ni dépôt de particules sur des intervalles de temps suffisamment longs. Les écoulements ont été filmés par le côté avec une caméra rapide. L'utilisation d'un logiciel de traitement d'images a permis de déterminer les caractéristiques des écoulements comme les trajectoires des particules, leur état de mouvement (arrêt, roulement ou saltation) et la hauteur d'eau. Le premier résultat frappant de nos expériences est que, sur des périodes de temps courtes, le transport par charriage apparaît comme un processus très intermittent. Les grandes fluctuations du débit solide résultent essentiellement de l'arrangement dans le lit mobile de particules. Alors que, pour des pentes modérées, les particules sont principalement transportées en saltation, le régime de roulement est prédominant pour des pentes fortes.

En Bretagne, les « marées vertes » sont récurrentes depuis le début des années 70 et occupent une place importante dans le débat public en terme sanitaire, politique et économique. Lors de cette thèse, une large revue bibliographique a été réalisée sur l’export d’azote et une méthodologie innovante a été mise en place afin d’étudier la variabilité spatio-temporelle de l’export de nutriments dans 2 bassins versants à algues vertes à une échelle intra-annuelle et pendant des évènements extrêmes (évènements pluvieux, période touristique de basses eaux,…). Les bassins versants sélectionnés pour les expérimentations de terrain sont l’Ic et le Frémur (Côtes d’Armor). 3 types d’expérimentations ont été réalisées sur ces bassins versants : 1) Des campagnes de prélèvements ponctuels par temps sec et par temps de pluie (32 stations, 27 campagnes) ; 2) des prélèvements automatiques en crue (3 stations, 8 crues) ; et 3) la mesure haute fréquence (2 stations, en continu). Les paramètres hydrologiques et physico-chimiques classiques, les matières en suspension, les spectres UV et toutes les formes de macronutriments (carbone, azote, phosphore) ont été analysés lors de ces expérimentations. Les résultats obtenus confirment pour une part un certain nombre de résultats de la littérature. D’autre part, il met en lumière la relation carbone/nitrates, jusqu’à présent peu étudiée à différentes échelles spatio-temporelles et pendant des évènements pluvieux, qui semble pourtant primordiale dans la compréhension des phénomènes d’export de nitrates à l’échelle de l’année. Enfin, l’analyse de toutes les formes de nutriments révèle l’importance des formes particulaires issues de l’érosion des sols. Ces résultats soulèvent de nombreuses questions de recherche qui mériteraient un approfondissement afin d’améliorer la connaissance des transferts de nutriments dans les bassins versants et prioriser les actions de remédiations. Les perspectives de ce travail sont à la fois scientifiques et pratiques. Au niveau scientifique, les efforts de recherche sur la relation carbone/nitrate et l’identification de la fraction de carbone organique assimilable par les organismes dénitrifiants doivent être poursuivis. De même, l’amélioration des connaissances sur l’export de nutriments en crue passe par l’identification précise des sources de nutriments particulaires pendant les crues printanières. Au niveau pratique, il doit contribuer à l’amélioration des pratiques agricoles, à la reconnaissance de l’intérêt des zones humides naturelles et à l’amélioration des types de traitement utilisés par les stations d’épuration. Les résultats obtenus lors de cette étude devraient notamment être mis en relation avec la dynamique des nutriments observée dans l’estran pendant la période de développement des algues vertes. Enfin, un effort d’amélioration de l’accès à certains type de données sur les bassins versants est nécessaire afin d’améliorer la compréhension des transferts de nutriments. / In Brittany (Western France), "green tides" are recurrent since the early 70s and have an important place in public debate in health, political and economic terms. In this thesis, a wide bibliographic review was performed on the export of nitrogen, and an innovative methodology has been set up to study the spatial and temporal variability of nutrient export in two coastal watersheds on an intra-annual basis and during extreme events (rainfall events, tourist periods of low water, ...). Watersheds selected for the field experiments are Ic and Frémur (Côtes d'Armor). 3 types of experiments were performed on these watersheds: 1) Campaigns of grab samples by dry and wet weather (32 stations, 27 campaigns); 2) automatic sampling during floods (3 stations, 8 floods); and 3) high frequency measurement (2 stations, continuous). Conventional hydrological and physicochemical parameters, suspended solids, UV spectra and all forms of macronutrients (carbon, nitrogen, phosphorus) were analyzed during these experiments. The results confirm in part a number of results of the literature. Furthermore, it highlights the relationship carbon / nitrates far little studied at different spatial and temporal scales and during rainfall events, which however seems to be crucial in understanding of nitrate export. Finally, the analysis of all forms of nutrients reveals the importance of particulate forms from soil erosion. These results raise many research questions that merit further development in order to improve knowledge on nutrient transfers in watersheds and prioritize remediation actions. The prospects of this work are both scientific and practical. At the scientific level, research efforts on the relationship carbon / nitrate and identification of the assimilable fraction of organic carbon by denitrifying organisms must be continued. Similarly, the knowledge on nutrient export must be improved through the precise identification of particulate nutrient sources during the spring floods. On a practical level, it should contribute to the improvement of agricultural practices, the recognition of the interest of natural wetlands and improvement of the types of treatment used by treatment plants. The results obtained in this study should in particular be linked to the dynamics of nutrients in the foreshore observed during the development of green algae. Finally, an effort to improve access to certain types of data on watersheds is needed to improve understanding of nutrient transfers.