Etude expérimentale et modélisation d'écoulement à surface libre en présence de végétation, et transport sédimentaire associé

par Hela Romdhane

Thèse de doctorat en Surfaces Interfaces Continentales Hydrologie

Sous la direction de Denis Dartus et de Amel Soualmia.

Le président du jury était Sébastien Proust.

Le jury était composé de Denis Dartus, Amel Soualmia, Sébastien Proust, Abdellatif Ouahsine, Damien Calluaud, Ludovic Cassan, Aws Alouini.

Les rapporteurs étaient Abdellatif Ouahsine, Damien Calluaud.


  • Résumé

    Les rivières forment un système dynamique complexe soumis à des variations de grande ampleur, en effet les précipitations sont jugées comme la cause fondamentale de ces fluctuations. Au cours du temps, la morphologie des rivières évolue sous l’influence de plusieurs paramètres, en particulier les crues, les ouvrages hydrauliques, le transport sédimentaire. Le développement de la végétation dans le lit de la rivière et sur les berges peut affecter les conditions hydrodynamiques et le comportement des cours d'eau, ainsi l'impact de la végétation est une question cruciale pour la gestion des réseaux d'irrigation et des flux naturels. En réduisant la vitesse, la présence de végétation peut augmenter les dépôts de sédiments et modifier le risque d'inondation du fait des effets combinés de l'augmentation de la rugosité et de la diminution de la zone d'écoulement du chenal principal du fleuve. Ces aspects sont mis en avant par l’application de simulations numériques à des cas réels : cas de la Medjerda et du Canal Medjerda Cap Bon en Tunisie. La végétation est une caractéristique commune des eaux côtières et fluviales naturelles, interagissant à la fois avec le débit d'eau et le transport de sédiments. Cependant, les processus physiques qui régissent ces interactions sont encore mal compris, ce qui rend difficile la prévision du transport des sédiments et de la morpho dynamique. L’enjeu de cette thèse est d’améliorer la connaissance des processus physiques régissant les interactions entre végétation, écoulement et transport sédimentaire. Le but final est de pouvoir améliorer la gestion des hydro-systèmes artificiels ou naturels. Ce travail impliquera deux approches complémentaires d’expériences et de modélisation analytique et numérique. Dans un premier temps, on s’attachera à mieux caractériser les processus physiques d’interaction entre végétation et écoulement. Pour cela des expériences sur différents canaux fourniront l’hydrodynamique au-dessus de végétations modèles. On mettra l’accent sur le développement des méthodes expérimentales spécifiques à l’étude de couche limite au-dessus de macro-rugosités. Ces résultats seront dans un second temps analysés à partir de modèles analytiques qui permettent d’avoir les relations hauteur-débits nécessaires pour la gestion. Les caractéristiques et les performances de plusieurs modèles seront évaluées en regard des différents types de végétations. Dans un troisième temps, des expériences avec des sédiments préciseront l’influence de la végétation sur la modification du transport solide. La réduction des contraintes sur les lits engendre une adaptation nécessaire des lois de transport classique. Un modèle d’ajustement de ces lois sera proposé.

  • Titre traduit

    Experimental study and modeling of free surface flow in the presence of vegetation, and associated sediment transport


  • Résumé

    Rivers form a complex dynamic system subject to wide variations, in fact precipitation is considered as the fundamental cause of these fluctuations. Over time, the morphology of rivers evolves under the influence of several parameters, especially floods, hydraulic structures, sediment transport. The development of vegetation in the river bed and on the banks can affect the hydrodynamic conditions and the behavior of a watercourse, so the impact of vegetation on sediment transport is a crucial issue for the management of irrigation networks and natural flows. By reducing velocity, the presence of vegetation can increase sediment deposition and modify the risk of flooding due to the combined effects of increasing roughness and decreasing of flowing area of the river main channel. These aspects are highlighted by the application of numerical simulations to real cases: the case of the Medjerda River and the Channel of Medjerda Cap Bon in Tunisia. Vegetation is a common feature of natural coastal and riverine waters, interacting with both water flow and sediment transport. However, the physical processes governing these interactions are still poorly understood, making it difficult to predict sediment transport and morpho dynamics. The aim of this thesis is to improve the knowledge of the physical processes governing the interactions between vegetation, flow and sediment transport on the one hand, and to select the appropriate model that will be applied in the real case of rivers. The ultimate purpose is to improve the management of artificial or natural hydro-systems. This work will involve two complementary approaches to experiments and analytical and numerical modeling. At first, we will focus on better characterizing the physical processes of interaction between vegetation and flow. For this, experiments on different channels will provide hydrodynamics over model vegetation’s. Emphasis will be placed on the development of experimental methods specific to boundary layer studies over macro-roughness. These results will be analyzed in a second time from analytical models that allow the stage-discharge relationships required for management. The characteristics and performances of several models will be evaluated with regard to different types of vegetation. Thirdly, experiments with sediments will specify the influence of vegetation on the modification of solid transport. The reduction of the constraints on the beds generates a necessary adaptation of the classical transport laws. An adjustment model for these laws will be proposed.


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