Intéraction morphologie-transport dans les rivières: de l’échelle du grain à celle de la rivière.

Devant le jury composé de: Eric LAJEUNESSE (Maître de conférences, IPGP) ................. Directeur de thèse Christopher PAOLA (Professeur, University of Minnesota) ....... Rapporteur Philippe FREY (Chercheur, CEMAGREF de Grenoble) ............... Rapporteur Philippe DAVY (DR-CNRS, Université de Rennes 1) ............... Membre François CHARRU (Professeur, Université de Toulouse III) ...... Membre Edouard KAMINSKI (Professeur, IPGP) ........................... Membre Résumé : La dynamique des rivières dépend d'un rétro-contrôle complexe entre morphologie, écoulement et transport. L'objectif général de ce travail de thèse est de comprendre le fonctionnement de ce rétro-contrôle dans le cas des rivières graveleuses dont la morphologie est contrôlée, au premier ordre, par le transport par charriage. Nous avons dans un premier temps étudié l'influence de la nature de l'écoulement sur ce couplage, ce qui nous a permis de mettre en évidence le fait que la morphodynamique des rivières est déterminée avant tout par l'interaction morphologie-transport, la nature de l'écoulement ne jouant qu'un rôle secondaire. Ce constat se vérifie à différentes échelles d'observation, de l'échelle de l'évolution du profil longitudinal de la rivière à celle du grain. La seconde partie de ce travail, consacrée à l'étude de la formation des chevrons, a permis de préciser la dynamique du couplage entre morphologie du lit et transport de sédiment. Nos résultats soulignent en particulier l’importance de l’effet de relaxation lié au fait que le flux de sédiment ne s'adapte pas instantanément à un changement de topographie. Cet effet de relaxation est un ingrédient physique indispensable pour décrire l'interaction morphologie-transport en rivière puisqu’il contrôle la sélection de la longueur d'onde des morphologies qui se développent sur le lit d’une rivière. Malgré son importance, cet effet de relaxation est ignoré par la majorité des lois de transport par charriage proposées dans la littérature. L’essentiel des lois disponibles supposent en effet que le flux de sédiments est une fonction locale de la contrainte exercée par la rivière sur son lit. Ce constat nous a naturellement conduit à nous pencher, dans la troisième partie de ce manuscrit, sur l’origine physique de cet effet de relaxation et sur la façon de l’introduire dans les modèles de transport par charriage. Pour ce faire, nous avons étudié le transport par charriage à l'échelle du grain, dans le cadre d’une approche expérimentale et en nous appuyant sur un modèle d’érosion-déposition en écoulement laminaire proposé par Charru (2004). Les résultats expérimentaux nous ont permis d’étendre ce modèle au cas du transport par charriage en écoulement turbulent. Abstract: River dynamics involves complex feedbacks between channel morphology, water flow and sediment transport. The aim of this work is to understand these feedbacks for gravel bed rivers, in which morphology channel is entirely controlled by bedlaod transport. In the first part, we investigated the influence of flow regime on the river morphodynamics and showed that the latters are primarily driven by the interaction between morphology and bedlaod transport, and that flow regime is only secondary. We confirmed this for different scales from the evolution of the longitudinal profile to the grain scale. The second part of this work was devoted to investigation of bedforms in order to understand the coupling between morphology and sediment transport. In particular, our results show the importance of a relaxation effect, i.e. sediment flux does not immediately adapt to varying topography. This relaxation effect is an important physical parameter to describe the morphology-transport interactions in a river and it is now being recognized as an important effect controlling the developpment of bedforms. However, despite its importance, the majority of bedload transport laws proposed in the literature ignore this relaxation effect. Theses laws implicitly consider particle flux to be in equilibrium with the shear stress. In order to overcome this limitation, in the third part of this work, we focused on the physical origin of this relaxation effect and how to develop a model of bedload transport which accounts of this effect. To do this, we studied the bedload transport at the grain scale through an experimental investigation and analysed the experimental results within the frame of the erosion-deposition model proposed by Charru (2006).