Dynamique du transport en suspension dans deux petits bassins versants guadeloupéens : Bras-David et Capesterre

Dynamics of suspended transport in two small Guadeloupean catchments : Bras-David and Capesterre

• Auteur / Autrice : Amande Roque-Bernard
• Direction : Eric Lajeunesse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 21/04/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Ferrari, Alain Crave, Jean-Michel Martinez, Caroline Le Bouteiller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Crave, Jean-Michel Martinez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hystérésis

Sédimentation (géologie)

Érosion

Bassins hydrographiques

Sédiments en suspension

Mots clés libres

Transport en suspension

Bassin versant

Érosion

Sédimentation

Hystérésis

Suspended load

Catchment

Erosion

Sedimentation

Hysteresis

Résumé

Le transport des particules fines en suspension dans les rivières participe à l'érosion et donc à la dynamique des paysages. Il est donc essentiel de comprendre comment ce transport opère et quelles sont les charges sédimentaires qui en résultent. Le transport en suspension est principalement contrôlé par le débit de la rivière. Mais la relation entre concentration de matière en suspension et débit n'est pas univoque, et des boucles dans les sens horaires et anti-horaires, ou hystérésis, sont couramment observées dans de nombreuses rivières. Pour expliquer ce phénomène, nous proposons un modèle simple de transport en suspension qui tient compte de l'échange de fines particules entre le lit de la rivière et la colonne d'eau. Ce modèle phénomènologique fait intervenir trois paramètres : (1) un niveau d'eau seuil, qui caractérise le cisaillement nécessaire, au-dessus duquel le débit commence à éroder les particules du lit, (2) un taux d'érosion qui caractérise l'intensité de l'entraînement des sédiments, (3) une vitesse de sédimentation, liée à la taille des grains transportés, qui décrit le dépôt des sédiments. Une étude théorique nous a permis d'estimer l'influence des valeurs des paramètres sur la forme des chroniques de concentration calculées sur des crues synthétiques. Elle montre également que le modèle permet de recréer des hystérésis anti-horaires comme celles observées dans les chroniques de nombreuses rivières. Nous testons ensuite la validité du modèle sur des données collectées dans les bassins versants de Capesterre et de Bras-David, deux bassins versants de taille modeste (environ 15 km2), situés sur l'île de Basse-Terre, en Guadeloupe, et instrumentés par l'Observatoire de l'Eau et de l'éRosion aux Antilles (ObsERA). Bien que basé sur des hypothèses très simplificatrices (bassin versant homogène, sédiment de taille homogène provenant uniquement du lit de la rivière, pas d'effet d'onde de crue), le modèle reproduit de manière cohérente nos données de terrain et capture avec succès le comportement hystérétique anti-horaire de la relation concentration-débit de nombreuses crues. En utilisant des méthodes d'inversion, nous évaluons les paramètres du modèle sur des crues isolées, puis sur des chroniques plus longues (deux semaines). Nos inversions montrent que la taille caractéristique des grains en suspension peut être estimée à partir des mesures de turbidité de la rivière, et ce même en l'absence de relation concentration-turbidité. Le modèle démontre également son efficacité dans la reproduction quantitative du transport de particules fines dans un petit cours d'eau, à l'échelle de la crue, et sur des périodes plus longues (typiquement deux semaines). Le modèle échoue, cependant, à décrire certains évènements de crue, caractérisés par des relations concentration-débit de sens horaire. Nous suspectons que ces évènements sont dominés par l'injection dans la rivière de particules fines en provenance des versants, un processus qui n'est pas inclus dans le modèle.

The transport of fine particles in suspension in rivers plays a key role in the erosion of continents and in the dynamics of landscapes. It is therefore important to understand the dynamics of this transport. River discharge is the main driver of sediment transport. Yet the relation between the suspended load concentration and the discharge is not unequivocal, and both clockwise and counter-clockwise loops, or hysteresis, are commonly observed in many rivers. To explain this phenomenon, we propose a phenomenological model for the suspended transport that accounts for the exchange of fine particles between the riverbed and the water column. This model involves three parameters: (1) a threshold water level, which characterizes the shear stress, above which the flow begins to entrain fine particles from the bed, (2) an erosion rate that characterizes the intensity of sediment entrainment, and (3) a settling velocity accounting for sediment deposition, which is related to the size of the transported grains. A theoretical investigation, based on synthetic floods, allows us to estimate the sensitivity of the model output to the input parameters. We show that the model accounts for counter-clockwise hysteresis of the concentration-discharge relation like those observed in the time series of many rivers. We then test the validity of the model against data collected in the Capesterre and Bras-David catchments, two small catchments (about 15 km2), located in Guadeloupe, monitored by the Observatoire de l'Eau et de l'éRosion aux Antilles (ObsERA). Although the model is based on simplifying assumptions, it consistently reproduces our field data and successfully captures the hysteretic counter-clockwise behavior of the concentration-discharge relation. Using inversion methods, we evaluate the model parameters on a few isolated floods and then on longer time series, of duration about two weeks. We also show that the characteristic size of transported grains can be derived from turbidity measurements, even in the absence of a concentration-turbidity relation. The model also demonstrates its effectiveness in quantitatively reproducing fine particle transport in a small river, at the flood scale and over longer periods, typically two weeks. Yet the model fails to represent some flood events, characterized by a clock-wise hysteresic loop in the concentration-discharge relation. We suspect that transport during these events is dominated by the input of fine particles originating from hillslopes, a process that is not accounted for by our model.