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).