Morphodynamique d'un lit fluviatile sablo-graveleux : méthodes acoustiques de quantification de la charge de fond et analyse des interactions des formes du lit dans les chenaux ligériens

Morphonynamics of sandy gravel-bed rivers : acoustic methods for bedload quantification and analysis of bedform interactions in the loire river (france)

• Auteur / Autrice : Jules Le guern
• Direction : Stéphane Rodrigues, Pablo Tassi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Environnement
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de la Société : Territoires, Economie, Droit - SSTED
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Cités Territoires Environnement et Sociétés (Tours ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Camenen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Claudin, Michal Tal, Alessandra Crosato
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Camenen, Alain Crave

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles acoustiques

Charge de fond

Sols sablonneux

Sédiments (géologie) -- Transport

Val de Loire (France)

Sédiments fluviaux

Mots clés libres

Morphodynamique

Transport solide

Barre sédimentaire

Formes du lit

Dune

Morphodynamics

Sediment transport

Bar

Bedforms

Dune

Résumé

L'incision des systèmes fluviatiles constatée de manière généralisée en Europe, est le résultat de politiques d'aménagement des cours d'eau et d'exploitation de leurs ressources. Ces processus engendrent des dysfonctionnements qui ont un impact non négligeable sur la morphodynamique des systèmes fluviaux. Cette dernière est largement influencée par la dynamique des formes du lit. Dans les grands systèmes sablo-graveleux, ces objets sont principalement représentés par les barres sédimentaires et les dunes ; ces deux échelles de formes pouvant coexister. Leur présence illustre et influence les processus hydro-sédimentaires en conditionnant la distribution transversale et longitudinale du transit de la charge de fond. Les formes du lit doivent donc être prises en compte pour atteindre une estimation consolidée des flux solides malgré les difficultés techniques associées au déploiement des méthodes classiques (e. g. échantillonneurs isocinétiques). L'apport des outils acoustiques passifs et actifs (hydrophone et aDcp) dans ce domaine s'est avéré prometteur en permettant d'optimiser la méthode de quantification de la charge de fond et en apportant une meilleure discrétisation des flux grâce notamment à la réalisation de cartographies acoustiques à l'échelle des barres sédimentaires. La calibration de ces outils à partir des échantillonneurs isocinétiques a permis d'étendre le domaine d'application de l'hydrophone, auparavant cantonné à l'étude des rivières à charge grossière et à forte pente, aux grandes rivières sablo-graveleuse de plaine telles que la Loire. Ces outils se sont révélés d'une précision satisfaisante pour décrire la variation des flux liés à la présence des macroformes (barres) et des mésoformes (dunes). D'autre part, le programme de restauration du lit de la Loire aval (Contrat pour la Loire et ses Annexes), auquel s'adosse ce travail de thèse, nécessite l'acquisition de connaissances sur les flux solides à l'entrée du bief estuarien. Les mesures réalisées ont permis l'établissement d'une courbe de tarage solide qui permet la quantification du charriage annuel en amont du secteur visé par ce programme. La comparaison avec les lois de tarages préexistantes montre une décroissance des flux vers l'aval sans toutefois tenir compte des éventuels effets de site et du phasage des crues. Au sein des systèmes sablo-graveleux, il apparait que les barres sédimentaires peuvent être considérées comme des acteurs de la dynamique sédimentaire en assurant une déflection des écoulements pouvant se solder par érosion latérale des barres environnantes. Leur présence conditionne également la distribution et la géométrie des sous-chenaux de basses eaux pouvant mener à l'apparition de barres secondaires. Ces formes du lit se sont révélées interagir avec les formes environnantes de même échelle, mais aussi avec les dunes qui leur sont superposées. Les caractéristiques géométriques des barres (pente de la face aval et hauteur relative) permettent une action plus importante de ces dernières sur les écoulements. Elles influencent de manière significative les vitesses transversales et longitudinales. Ce paramètre étant un des paramètres de contrôle de la formation des dunes superposées, les barres sont donc en mesure d'influencer la morphologie des dunes. Cependant, l'évolution de la géométrie des dunes sur les barres demeure difficilement interprétable du fait du jeu complexe des différentes variables impliquées.

The incision of river systems, observed throughout Europe, results of river training policies and exploitation of their resources. These processes trigger environmental problems that might have a significant impact on river morphodynamics. The latter is closely related to bedform dynamics. In large sandy-gravel systems, sediment transport is mainly illustrated by bars and dunes. According to flow and sediment characteristics, these bedforms may coexist, conditioning both transverse and longitudinal distribution of bedload transport. Bedforms must therefore be taken into account to correctly estimate sediment transport fluxes on a river reach. The application of passive and active acoustic tools (hydrophone and aDcp) has evidenced promising results, by optimizing the methods commonly used to quantify bedload transport, and by providing a better discretization of sediment fluxes. The domain of applicability of hydrophones has been extended from coarse sediments and steep slope fluvial environments to large sandy-gravel-bed rivers. These tools have also proven to be accurate enough to measure the variation of sediment fluxes on macroforms (bars) and mesoforms (dunes). In the framework of the bed restoration program of the downstream reaches of the Loire River (Contrat pour la Loire et ses Annexes), a large dataset of sediment transport measurements has been captured at the entrance of the estuary. These measurements allowed to determine a sediment rating curve for quantifying the annual bedload transport in the study area. Comparisons with existing rating curves shows a downstream decreasing trend of bedload sediment fluxes. Bars developed in sandy-gravel systems influence the sedimentary dynamics by inducing a flow deflection that can result in lateral erosion of the neighboring bars. Their presence also modifies the distribution and geometry of the low flow channels, leading to the formation of secondary bars. These bedforms have been shown to interact with neighboring bedforms and with superimposed dunes. Geometrical characteristics of bars (e.g. lee face slope and amplitude) significantly influence flow velocities (in both streamwise and crosswise directions). This behavior explains the influence of bars on the formation of superimposed dunes. Conversely, no satisfactory explanation has been found to explain the influence of superimposed dunes on bar dynamics.