Dissertations / Theses on the topic 'Sédiments en suspension – Transport'

La distribution verticale de la concentration des sédiments en suspension joue un rôle majeur dans l’étude du taux et la capacité de transport d’une rivière. Il existe, dans la bibliographie, plusieurs modèles de distribution des vitesses et des concentrations dont les conditions d’utilisation sont souvent ambigües. Vue la difficulté des mesures sur terrain, il est nécessaire d’utiliser et de savoir choisir un profil numérique. Le but de cette thèse est de concevoir de nouveaux outils pour étudier la distribution verticale des vitesses et des concentrations. Dans ce contexte, nous présentons deux nouveaux coefficients de diffusivités obtenus par l’introduction d’opérateurs de corrections au profil parabolique. Ces deux modèles donnent en utilisant l’équation de convection diffusion et le principe de Boussinesq deux profils analytiques de concentration et de vitesse. Aussi nous mettons au point une méthode qui permet de faire le choix entre les différents modèles mathématiques représentants le même phénomène physique et deux méthodes pour l’intersection des profils et pour l’extension des profils dans les cas où le modèle applicable n’est pas unique ou n’existe pas. Ensuite, nous appliquons cette méthode à l’étude des profils verticaux de vitesse et des distributions de la concentration des sédiments en suspension en régime stationnaire et uniforme, et nous développons le code expert pour la distribution verticale des concentrations, code_ERESA. Dans une annexe, nous testons l’utilisation du code de volumes finies code_Saturne pour l’étude de la distribution verticale des vitesses et des concentrations des sédiments en suspension dans les écoulements de surface<br>The vertical distribution of suspended sediment concentration and velocity plays a major role in the study of the transport rate and the transport capacities of a river. Many suspended sediments concentration and velocity profiles exist in the literature, having ambiguous conditions of application. In addition, it is not easy to conduct in – situ measurements. This reveals, not only the utility of using numerical profiles, but also the responsibility of choosing an optimal one. The present thesis aims to conceive new tools for studying the vertical velocity and concentration distribution. In this context, we present two new sediment diffusivity coefficients obtained by the introduction of correction operator on the parabolic diffusivity coefficient. These models are implemented in the convection diffusion equation to generate two analytical concentration profiles and using the Boussinesq assumption, they lead to two analytical velocity profiles. Also, we conceive a method for choosing between different mathematical representation of a same physical phenomenon, and two methods for the intersection between these representations when more than one is applicable and for the extension of the representations to the cases where no model is applicable. We apply this method on the study of the vertical velocity profile and the sediment distribution in steady and uniform sediment laden open channel flows, and we develop the expert system for the vertical sediment concentration distribution code_ERESA. In an appendix, we test the use of the finite volume code_Saturne for the study of the vertical velocity distribution and suspended sediment concentration in open channel flows

Dans le cadre de la reduction des rejets d'eaux pluviales chargees en matieres en suspension, au detriment de la qualite des hydrosystemes, la decantation s'avere un moyen de traitement efficace mais concerne souvent de grands volumes d'effluents. La modelisation mathematique des differents phenomenes en jeu, aussi bien du point de vue de l'hydraulique, que de celui du transport en suspension peut permettre de controler a la fois les parametres favorisant la sedimentation des particules polluantes et d'optimiser la debitance des ouvrages. Dans ce but, ce travail s'attache a comparer aux quelques mesures de taux de decantation disponibles, differents outils, codes numeriques de complexite variable et methodes simples, appliques a des ouvrages de decantation a debit traversier de geometrie rectangulaire. Une revue bibliographique expose tout d'abord differentes notions sur le transport en suspension et la decantation en ecoulements turbulents ainsi que les nombreux modeles developpes dans ce domaine. Puis, apres avoir presente un code de simulations hydrodynamiques et quatre codes de transport en suspension a notre disposition, ceux-ci sont confrontes, d'une part a un modele simple, d'autre part a deux etudes experimentales precedentes concernant un decanteur sur site et un modele reduit, en regime permanent. Les resultats sont diversement satisfaisants selon les types d'ecoulement, les configurations geometriques et les caracteristiques des particules en presence. En l'etat, dans ce type de geometrie, le nombre important de facteurs a integrer dans les simulations font que les codes les plus complexes n'apportent pas toujours des informations sur le fonctionnement des ouvrages plus fiables que les methodes classiques de dimensionnement, qui, pourtant simplifient excessivement la realite. Enfin, les divers modeles sont appliques a une typologie de bassins de stockage-depollution permettant de preciser ces facteurs preponderants et d'evaluer leurs domaines de validite

Le travail a pour objectif de déterminer quels sont les flux solides et liquides produit par un petit bassin versant de montagne en réponse à un épisode pluvieux. Il s'appuie sur des observations réalisées sur les bassins de recherche de Draix, étudie les processus et facteurs intervenant dans la formation des écoulements et quantifie leurs rôles respectifs. Différentes échelles spatiales d'analyse sont utilisées : la parcelle, le versant ou la ravine élémentaire et le bassin versant. La forte non-linéarité des réponses est mise en évidence au moyen d'une analyse statistique approfondie des données disponibles (1985-2003). Ce travail statistique est complété par l'interprétation d'observations et d'expérimentations de terrain spécifiques : expérimentations de simulation de pluie et observations sous pluies naturelles à l'échelle de la parcelle et de la ravine, suivi de l'état des stocks de sédiments dans les lits. Enfin, une première ébauche de modélisation spatialisée, à l'aide du modèle ETC (Erosion des torrents en crue) développé au Cemagref, a été réalisée, vérifiant la capacité du modèle à reproduire le fonctionnement temporel et spatial observé<br>The research aims at the determination of the hydrological and erosional response of a small mountain catch ment to a rainfall event. It leans on the data and observations from the Draix field laboratory. The work analyse the processes and factors that control the response and discuss their relative importance. Several spatial scales are investigated : the plot scale, the slope gully scale, the small basin scale. Through the statistical analysis of the data (1985-2003), the high non-linearity of the responses is pointed out. Specifie field work (rainfall simulations, measurements under natural rainfall events, field surveys of the channel network) allows the interpretation of the response in term of erosion and sediment transport processes. A first attempt of modelling with the ETC model (Erosion des torrents en crue) developed by Cemagref, is conducted to test the model ability to reproduce the spatial and temporal patterns of the erosion response observed in the field work

Un écoulement fluide (air ou liquide) au-dessus d’un matériau granulaire induit, au-delà d’un seuil, un transport de grains qui peut conduire à la formation de dunes. Dans une première partie, nous étudions la morphodynamique des dunes éoliennes. Grâce à une modélisation simplifiée des transports de sédiment, la description de la dynamique d’une dune formée sur un fond plat non-érodable sous un écoulement unidirectionnel peut se réduire à un système d’équations différentielles couplées du premier ordre. Le modèle développé permet d’identifier les mécanismes qui influencent la stabilité linéaire d’une dune transverse rectiligne. Lorsque la diffusion latérale de sédiment sur la face amont est dominante devant celle sur la face aval, notre modèle prédit la stabilité de la dune transverse. Lorsque la dune transverse est instable, elle se fragmente en dunes en forme de croissant, appelées barkhanes. Grâce aux caractéristiques morphologiques des dunes éoliennes issues des données de terrain, les paramètres macroscopiques qui influencent la stabilité sont déterminés. Dans une seconde partie, nous analysons l’influence de la présence de formes sédimentaires aquatiques sur les modes de transport de sédiment (charriage ou suspension). Des expériences en chenal hydraulique permettent de suivre la déstabilisation d’un lit plat de sédiment par un écoulement unidirectionnel. Le suivi de la morphologie du fond ainsi que le piégeage différencié des modes de transport de sédiment permettent de mettre en avant que l’apparition et la croissance de dunes s’accompagnent d’une augmentation du transport de sédiment<br>Above a threshold, a flow (of liquid or air) over a granular bed leads to grain transport that can induce dune formation. In the first part of this thesis, we study the morphodynamics of eolian dunes. With a simplified sediment transport model, the description of the dynamics of a dune formed on an non-erodible bed under unidirectional flow is reduced to a system of first order coupled differential equations. With this model, we identify the mechanisms that influence the linear stability of a rectilinear transverse dune. When lateral sediment diffusion on the upwind side of the dune prevails over the downwind side diffusion, our model predicts transverse dune stability. When the transverse dune is unstable, it breaks into crescent-shaped dunes called barchan dunes. With morphological characteristics of aeolian dunes taken from field data, macroscopic parameters influencing the dune stability are calculated. In the second part, we analyze the effect of aquatic bedforms on the mode of sediment transport (bedload or suspension). With flume experiments we follow the destabilization of a flat sediment bed under a unidirectionnal flow. Recorded bed morphology and differentiated trapping of sediment allow us to distinguish between bedload and suspension and to show that the dune formation and growth come along with an increase of sediment transport

Notre étude a porté sur la résolution de quelques problèmes qui se posent à l'environnement marin. Sa connaissance dans sa globalité semble difficile à cerner compte tenu des nombreux phénomènes qui le composent. L'effet des écoulements oscillants, que produit la houle au voisinage du fond marin, sur le transport des sédiments, constitue l'un des problèmes qui ont retenu notre attention. La prédiction du transport de ces sédiments dépend principalement du modèle de turbulence utilisé en couches limite oscillante. Pour résoudre ce problème, nous avons commencé par étudier des profils expérimentaux du flux turbulent R12 issus de mesures sur des fonds fixes. Ceci nous a permis de proposer une expression analytique instationnaire pour R12 à partir de laquelle nous avons obtenu un premier modèle de viscosité turbulente dépendant du temps. La description exponentielle instationnaire pour R12 nous a permis de proposer un second modèle. Ceci d'une part, et d'autre part nous avons introduit la condition entropique qui est une correction à la renverse appliquée à la viscosité turbulente. Ces données fondamentales pour la compréhension du phénomène nous ont permis d'établir un lien entre ces modèles et les modèles basés sur l'énergie cinétique de la turbulence. Les différentes simulations qui ont porté sur la majorité des cas étudiés nous ont aidé à tester les modèles de turbulence établis et à mettre en évidence l'avantage de la condition entropique. Les tests précédents donnent au second modèle, pour lequel les profils de turbulence ont une forme qui correspond aux fonds mobiles, une efficacité qui s'adapte à ce type de calculs. Enfin, nous avons montré comment ces calculs interviennent dans la prédiction du transport sédimentaire en zones côtières et comment le modèle devient plus accessible en pratique.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur les courants et le transport de matière solide en suspension, au voisinage de grandes structures immergées en eau peu profonde. Nous avons focalisé notre étude sur le cas de cages d'aquaculture installées dans la rade de Cherbourg. Situées dans une zone de fort courant, elles impactent leur environnement en modifiant l'écoulement et la turbidité locale. En dépit de nombreuses études déjà disponibles sur l'impact hydrodynamique de tels obstacles, de nombreuses questions se posent encore concernant l'écoulement sous la cage, la production de turbulence, l'érosion du sol et la remise en suspension de sédiments, ainsi que le devenir des déchets produits par la cage. Nous avons choisi de développer trois approches complémentaires pour apporter des éléments de réponse à ces questions. La thèse débute par une étude purement théorique de l'hydrodynamique au voisinage d'un obstacle immergé, assimilé à un milieu poreux, et dans une géométrie simplifiée. Ce modèle bi-dimensionnel, dans le plan vertical, donne de premiers ordres de grandeurs concernant la chute de pression motrice le long du courant, l'accélération du fluide sous la cage, la production de turbulence. Cette étude est suivie d'une analyse numérique de ce même modèle, dans laquelle certaines approximations seront levées. En particulier, le modèle numérique permet de considérer des cages plus imperméables que celles analysées par le modèle théorique. Il est cependant limité en nombre de Reynolds, et a été appliqué avec des échelles réduites. Ce modèle numérique a permis d'analyser le lien direct entre le coefficient de traînée effectif de la cage et diverses quantités-clés : le débit à travers la cage, la chute de pression le long du courant, la production de turbulence et l'apparition d'une zone de recirculation à l'arrière de l'obstacle. Ce dernier effet, visible seulement pour des cages très imperméables, a un impact notable sur le transport de sédiments et d'effluents : lorsque l'arrière de la cage devient une zone morte (zone de recirculation), l'essentiel du débit passe au dessous, ce qui crée de fortes survitesses et produit de la turbulence. Celle-ci peut alors entraîner des particules indésirables dans la zone morte, ce qui augmente notablement la complexité de leurs trajectoires et retarde leur évacuation. Enfin, ces études théoriques ont été complétées par des mesures vélocimétriques et turbidimétriques à l'amont et à l'aval d'une grande cage installée dans la rade de Cherbourg. Celles-ci confirment la présence d'une survitesse en provenance du dessous de la cage, comparable à celle prédite par le modèle théorique. Dans le cas d'une cage très peu perméable, la persistence d'une forte turbidité a été mesurée à l'aval de celle-ci, en accord qualitatif avec les simulations numériques<br>This manuscript presents investigations of current and sediment transport in the vicinity of large immersed structures in shallow water flows. It focuses on aquaculture cages installed in the roadstead of Cherbourg. Being located in a high stream zone, these obstacles have a non-negligible effect on currents as well as turbidity. In spite of numerous references on this topic, many questions still arise concerning the environmental impact of such objects. Quantitative information are still needed about the flow below the cage, turbulence production, erosion of the sand bed, sediments resuspension, and evacuation of effluents. To deal with these open questions, we have chosen to develop three complementary approaches. The thesis starts with an analytical study of the flow in a simplified two-dimensional model containing a large rectangular porous structure. Only the motion in the vertical mid-plane of the obstacle is considered. This preliminary model provides estimations of various dynamic quantities, like the velocity increase below the cage, the decay of piezometric pressure along the stream, and turbulence production. Then follows a numerical analysis of the very same flow, based on less stringent approximations. Because of the high cost of computations, simulations have been done at a reduced scale. Nevertheless, they confirm most of the findings of the analytical approach for very permeable cages, and provide crucial information also about weakly permeable cages which were out of reach of the analytical model. In particular, the formation of a recirculation cell behind such cages, together with turbulence production, have been studied with the numerical model. This effect has been observed to affect sediment and effluent transport: when the flow at the rear of the cage takes the form of a cell with closed streamlines, the cage can be thought of as closed and most of the flow passes below. This creates large velocity gradients and produces turbulence which significantly increases the dispersion of sediments and effluents. These particles are then likely to be captured for some time in the cell, instead of being evacuated away. In addition to these theoretical approaches, in-situ current and turbidity measurements have been performed upstream and downstream of a large cage immersed in the roadstead of Cherbourg. They confirm the existence of a fast stream emerging from below the cage. Vertical streamwise velocity profiles have been shown to agree with theoretical ones, in the case of a very permeable cage. Also, large turbidity levels have been recorded at the rear of a weakly permeable cage, in qualitative agreement with simulations

Malgré leurs mauvaises performances, les modèles de calcul de flux polluants (MCFP) dans les rejets urbains de temps de pluie (RUTP) continuent à susciter de l’intérêt du fait du fort potentiel qu’ils présentent pour prédire et contrôler ces RUTP. La contribution des sédiments à la pollution des RUTP est aujourd’hui largement reconnue comme prépondérante ; en conséquence, une modélisation idoine des processus en réseau apparait comme un élément clé pour améliorer la qualité de ces modèles. Dans ce contexte, plusieurs éléments ont été révélés par des études récentes menées sur les dépôts de réseaux d’assainissement unitaires, notamment sur « Le Marais » : (1) la présence d’une quantité importante de dépôts grossiers quasi-stationnaires qui modifient les caractéristiques du réseau ainsi que les conditions d'écoulement ; (2) l'identification d’un dépôt organique cohésif sur le Marais, la couche organique, capable d’expliquer la contribution du réseau à la pollution de RUTP et qui se constitue dans les parties amonts des collecteurs principaux. L’objectif de cette thèse est d’examiner l’effet de l’intégration de ces observations dans un MCFP de type semi-distribué, en prenant comme cas d’étude le site expérimental du Marais.Dans la première partie, on a travaillé à la prise en compte des dépôts grossiers dans le modèle hydrodynamique, puis on a évalué l’impact de cet ajout sur les processus de transport solide dans les réseaux. Pour y parvenir, un outil de modélisation capable de gérer l’écoulement sur une bathymétrie complexe était nécessaire. Ainsi, un schéma numérique conservatif de type Godounov a été développé et validé par rapport à certains cas de référence, avant de l’appliquer à l'échelle du réseau du Marais. Les résultats ont démontré un effet significatif de ces dépôts grossiers sur l’hydraulique du réseau, qui ensuite influence la production des particules et, dans une moindre mesure, le processus de transfert.Dans la deuxième partie, des données acquises récemment sur plusieurs sites avec des contributions de dépôts aux RUTP comparables et d’états d’encrassement différents (notamment pour la couche organique) ont été analysées dans le but d’identifier le vrai rôle de cette couche organique vis-à-vis de la production en réseau par temps de pluie. Les résultats ont montré que la couche organique ne représente qu’une source mineure vis-à-vis de la production en réseau. Afin d’identifier la source majeure, le modèle hydraulique développé dans la première partie a été couplé avec le modèle d’érosion de Skipworth et le modèle d’advection simple pour tester différents scenarii de localisation de dépôts. Les résultats de ce banc d’essai sont cohérents avec ce qui précède concernant la contribution de la couche organique ; il en ressort par ailleurs que les localisations les plus vraisemblables de la source prépondérante sont, dans l’ordre, le réseau amont et les collecteurs principaux<br>Despite their disappointing performance, urban stormwater quality models are still considered to be a potentially efficient decision making tool to control combined sewer overflows (CSOs) and thus are receiving ongoing investments to improve their quality. In this respect, in-sewer sediments are now widely recognized for their preponderant contribution to the pollution of CSOs assigning therefore a particular importance to mastering sewer processes module when refining these models. Recent studies conducted on in-sewer sediments in one of the extensively investigated urban catchments in Paris, Le Marais, highlighted new elements that could be helpful when addressing this module: (1) the existence of quasi-steady sewer grits deforming sewer characteristics and thus suspected to modify sewer flow conditions; (2) the identification of the potentially eroded sediment type during wet weather that is formed at the upstream parts of the Marais main trunks, the organic layer, that showed a cohesive like characteristic during in-situ flushing experiments. A site specific model for the Marais catchment is developed in this thesis adopting a semi-distributed configuration to examine the effect of integrating these field observations in its structure on the simulation of outfall discharges’ quality.In the first part, an evaluation of the impact of considering the sewer grits in the hydrodynamic module on the solid production and transfer processes in sewer system was carried out. To do so, a special modelling tool was necessary in order to handle sewer flow over a complex bathymetry. So, a well-balanced Godunov numerical scheme was developed and verified against some reference test cases before being extended to the Marais sewer scale. Results showed a significant impact of these coarse deposits on the hydraulic parameters. Solid production was demonstrated to be more sensible to this impact than the transfer processes.In the second place, previous findings obtained on combined sewer systems having no organic layer and high sewer contribution along with those obtained on the Marais were deeply investigated to identify the real role of this organic layer in sewer wet weather production. Results showed that this latter is only a minor source for wet weather erosion. To identify the major source, a quality module based on Skipworth erosion formulation and simple advection equation was used to test several scenarios of sewer sediment localization. The benchmark confirmed that the organic layer is not the major source of sewer production and that another source is preponderant and that can be located at the upstream branches as well as along the principal collectors with more probability of the former case

Deux processus de transport des sediments fins sont etudies: i) l'erosion d'un lit depose de vase et le transport en suspension par un courant, ii) le transport lagrangien de vase induit par l'action de la houle dans une couche de vase fluide. I) une etude experimentale de l'erosion d'un lit depose de vase par un courant est realisee dans le canal sedimentologique a circulation du laboratoire d'hydraulique de france. Cette etude est precedee d'une etude hydrodynamique qui precise les conditions pour lesquelles le courant applique un frottement quasiment uniforme sur toute la surface du lit et produit une erosion reguliere du lit. Une analyse theorique montre que les effets de stratification du sediment en suspension sont negligeables lorsque la concentration moyenne sur la verticale est inferieure a 5 g/l. Les variations temporelles de la concentration de sediment en suspension permettent de mesurer l'erosion du lit. Les resultats experimentaux mettent en evidence une loi d'erosion adimensionnelle ou le taux d'erosion varie lineairement avec la difference entre le frottement exerce sur le fond par le courant et la rigidite du lit a sa surface. La dependance du coefficient de proportionnalite avec le nombre de richardson et le gradient de rigidite a la surface du lit est etudiee. Les experiences montrent que l'erosion du lit diminue significativement lorsque le gradient de rigidite a la surface du lit augmente. Ii) le transport lagrangien de vase induit par l'action de la houle dans une couche de vase fluide est etudie theoriquement dans un systeme visqueux a deux couches a partir des equations du mouvement ecrites en coordonnees de lagrange. La comparaison des resultats avec les mesures de sakakiyama & bijker (1989) montre un bon niveau de concordance

L'association des techniques de traitements d'images spatiales et des modeles mathematiques pour etudier les transferts de matieres en suspension (mes) en zone aquatique de surface a echelle locale est recente. Sur la base d'une collaboration avec le cesr de toulouse, le travail concerne le developpement et la mise en uvre numerique de modeles mathematiques d'hydrodynamique a surface libre et de transport de mes. Une revue des modeles mathematiques concernes a une, deux et trois dimensions spatiales est consignee, suivie de leur mise en uvre numerique, a partir des codes mefame, aux elements finis (modeles 1d et 2dh) et phoenics, aux volumes finis (modeles 2dv et 3d). L'application des modeles 2dh et 1d sur le site de l'embouchure du fleuve gambie fournit les champs de vitesses et de concentration, qui sont analyses en regard des champs de concentrations superficielles en mes issues des traitements, effectues au cesr, d'images spot. Une attention particuliere est portee au developpement de deux modules numeriques originaux dans le code 3d, concernant, pour l'un, la prise en compte de la surface libre et le calcul semi-implicite de son evolution temporelle dans un maillage fixe, pour l'autre, le transfert 3d de mes. Les cas tests 3d presentes et analyses concernent l'ecoulement autour d'un epi et le transfert de mes en canal

Les estuaires constituent un habitat unique pour une grande variété d'organismes vivants et des airesd'alevinage pour de nombreuses espèces marines. Cependant ils sont aussi très vulnérables. Dans lecontexte global de changement climatique et d'augmentation de la pression anthropique, lapréservation des écosystèmes marins et estuariens est une question fondamentale. Il est doncessentiel d'améliorer notre connaissance des processus hydrodynamiques qui contrôlent ladynamique et le renouvellement des masses d'eau dans les estuaires, ainsi que leur capacité àtransporter, expulser ou retenir les sédiments, les contaminants, les nutriments et les organismesvivants. Cette étude est principalement basée sur des données collectées dans l'estuaire de l'Adour,ainsi que d'un modèle numérique en trois dimensions, et a pour but d'étudier le fonctionnement decet estuaire. Les campagnes de terrain ont combiné des instruments ancrés au fond de l'estuaire surdes périodes longues et des mesures depuis un bateau, durant lesquels des données de vitesse,turbulence, salinité et concentration de sédiment en suspension ont été collectées. L'analyse desdonnées s'est concentrée sur la circulation à l'intérieur de l'estuaire et le transport des sédiments ensuspension. La circulation estuarienne est caractérisée par une grande variabilité de des champs devitesse et de salinité, qui donne lieu à un régime de coin-salé non-permanent. Il a été montré que lamarée et le débit de la rivière sont les forçages principaux de la dynamique de l'estuaire de l'Adour.La dynamique des sédiments en suspension est fortement liée à la circulation des masses d'eau, etvarie donc avec l'amplitude des marées et le débit du fleuve. Aucun bouchon vaseux n'a été observélors de cette étude, et les valeurs de concentration en sédiment observées sont très faiblescomparées à celles collectées dans d'autres estuaires tidaux.Un modèle numérique 3D réaliste de l'estuaire de l'Adour a été développé avec TELEMAC-MASCARET.Ce modèle a été calibré et validé grâce aux données collectées lors de cette étude. Une dynamiqueaussi complexe que celle de l'estuaire de l'Adour n'est pas facile à reproduire numériquement, enparticulier le gradient de densité non-permanent<br>Estuaries constitute unique habitats for a large variety of living organisms and essential nurseries formany marine species. However, they are also very vulnerable. In the overall context of climate changeand a growing anthropogenic pressure, the preservation of estuarine and marine ecosystems is a keyissue. It is therefore essential to improve our knowledge of the hydrodynamical processes controllingthe dynamics and renewal of water masses in estuaries and their ability to transport, expel or retainsediments, contaminants, nutrients and living organisms.The present study is mainly based on a series of field experimental campaigns, complemented by 3Dnumerical modeling, in order to investigate the Adour estuary functioning.The field campaigns combined long-term bottom-mooring and boat surveys, during which velocity,turbulence, salinity and suspended sediment concentration data were collected.The data processing is focused on the analysis of estuarine circulation and suspended sedimentdynamics. The estuarine circulation is characterized by a strong variability of velocity and salinityfields, which results in a time-dependent salt-wedge regime. It was shown that river flow and tidesare the main drivers of the Adour estuary dynamics. The suspended sediment dynamics is stronglyrelated to the circulation of water-masses, and thus varies with the tidal amplitude and the river flow.No ETM was observed during this study, and SSC values are very low compared to other tidalestuaries.A 3D realistic numerical modeling of the Adour estuary was developed with the TELEMAC-MASCARETsuite of solvers. This model was calibrated and validated based on the field data collected during thisstudy. Such a complex hydrodynamics is not easy to reproduce numerically, especially the unsteadyvertical density gradient

Un modèle numérique tridimensionnel du transport des matières en suspension a été développé. Il est couplé avec un modèle hydrodynamique auquel un modèle de turbulence à une équation de type "k-l" a été ajouté. Basé sur la modélisation numérique, l'objet de cette thèse est de mettre en évidence la structure hydrodynamique de la circulation, l'influence de l'amplitude de la marée, des débits fluviaux et de la circulation sur la structure saline et d'évaluer les mécanismes responsables de la formation et du déplacement du "bouchon vaseux" dans l'estuaire de la Gironde. La structure tridimensionnelle (en horizontal, en vertical dans les chenaux et sur des plans transversaux) de la circulation générale dans l'estuaire est présentée avec un maillage fin. L'organisation de la circulation résiduelle sous forme de grands tourbillons dus à la présence des bancs de sables dans l'estuaire est également mise en évidence. Les diagrammes schématiques de la circulation résiduelle sous différentes conditions de débits fluviaux sont proposés. Les phénomènes de l'intrusion saline et du déplacement du "bouchon vaseux" dans l'estuaire sont correctement reproduits sous différentes conditions de marée et de débits fluviaux. La différence de salinité entre deux rives dans la partie aval de l'estuaire est confirmée. Les effets dynamiques liés à la marée (contrainte de cisaillement sur le fond et énergie turbulente) apparaissent bien comme étant à l'origine de la formation du "bouchon vaseux" dans l'estuaire de la Gironde.

On étudie le transport et la dispersion hydrodynamique d’un traceur passif et/ou d’une suspension de particules dans deux fractures modèles avec deux parois lisses ou avec une distribution aléatoire d’obstacles dans l’ouverture. On utilise un écoulement oscillant d’un fluide newtonien afin d’observer les effets sur la dispersion de la réversibilité du déplacement. On caractérise de manière quantitative l’influence des paramètres caractéristiques de l’écoulement: période T et amplitude A des oscillations et temps caractéristique τ_m de diffusion moléculaire sur l’épaisseur.Dans le cas de parois lisses, on montre que les régimes de dispersion sont déterminés par le rapport τ_m/T . Pour τ_m/T≤2, le régime de dispersion de Taylor est dominant et irréversible à l’échelle globale. Pour τ_m/T≥20, on a un régime partiellement réversible pour lequel le mélange reste diffusif à l’échelle globale mais où, localement, la distribution des particules de traceur dans l’épaisseur suit les oscillations de la vitesse locale v_x (z,t) . Dans ce cas, il existe une composante purement convective et réversible de la dispersion.Dans le cas d’une cellule rugueuse, le désordre induit par les obstacles fait apparaitre une composante de dispersion géométrique quand τ_m/T≤0,6, pour laquelle la dispersivité normalisée par l’amplitude l_d/A ne dépend pas de la période T. On observe le régime de dispersion de Taylor dans une gamme 〖0,8≤τ〗_m/T≤1 dépendant de l’amplitude de l’oscillation. Lorsque τ_m/T≥20, on observe le régime de dispersion partiellement réversible déjà observé précédemment dans la cellule lisse. En comparant ces mesures avec celles obtenues par des techniques complémentaires (écho et transmission), on a pu séparer la composante irréversible de la dispersion de la composante réversible associée à des chenaux macroscopiques d’écoulement préférentiel dus à la géométrie de la fracture. L’influence sur la dispersion de particules de 40 µm de diamètre en suspension dans l’écoulement oscillant a été ensuite étudiée dans la cellule lisse. La mesure globale de dispersion a mis en évidence les mêmes régimes d’écoulement qu’en l’absence de particules avec des domaines d’existence déterminés, comme dans ce cas, par la valeur du rapport τ_m/T.Pour mieux comprendre l’origine microscopique des résultats, nous avons suivi les trajectoires individuelles des particules dans un écoulement oscillant. Leur mouvement et la distribution de leurs vitesses ont été mesurés dans plusieurs couches à différentes distances dans l’épaisseur. On observe que les particules suivent les lignes de courant et que le profil de leurs vitesses dans l’épaisseur a la forme parabolique d’un profil de Poiseuille. Par ailleurs, nous avons comparé les distributions des particules après un certain nombre d’oscillations à celles au temps initial et observé, pour de longues périodes T, une migration des particules vers les parois de la cellule. Enfin, certaines particules présentant une réversibilité cinématique de leur mouvement, avec des allers retours suivant la même trajectoire, même en présence d’interactions entre elles.Enfin, en augmentant la concentration des particules, on observe une structuration de la suspension en bandes perpendiculaires à l’écoulement. On a étudié la longueur d’onde λ de cette instabilité en fonction de paramètres géométriques (épaisseur H et largeur de la cellule, diamètre des particules), physiques (viscosité et densité du fluide, densité des particules) et de l’écoulement (variation sinusoïdale ou carrée du débit, amplitude A et période T). La longueur d’onde normalisée λ/H augmente linéairement avec l’amplitude normalisée A/H mais est constante avec T et H et avec le diamètre des particules. Au niveau local, l’instabilité correspond à des variations périodiques de concentration suivant la largeur de la cellule et présentes dans toute l’épaisseur<br>We study the transport and the hydrodynamical dispersion of a passive tracer and/or a suspension of non-Brownian particles in two model fractures with smooth walls or a random distribution of obstacles in the aperture. We use an oscillating flow of a Newtonian fluid in order to study the effects of the reversibility of the displacement on dispersion. We characterize quantitatively the effects of the characteristic parameters of the flow: period T and amplitude A of the oscillations, and characteristic time τ_m of molecular diffusion across the thickness of the cell.In the case of smooth walls, we show that the dispersion regimes are determined by the value of the ratio τ_m/T. For τ_m/T≤2, the Taylor dispersion mechanism is dominant and irreversible at the global scale. For τ_m/T≥20, one has a partly reversible regime in which mixing remains diffusive at the global scale but, locally, the distribution of the particles in the thickness of the cell follows the oscillations v_x (z,t) of the local velocity. In this case, there exists a purely convective and reversible dispersion component.In the case of a cell with rough walls, flow disorder due to the obstacles results in a geometrical dispersion component when τ_m/T≤0,6, for which the dispersivity normalized by the amplitude l_d/A does not depend on the period T. The Taylor dispersion regime is observed in a range 0,8≤τ_m/T≤1 depending on the amplitude of the oscillation. When τ_m/T≥20, one obtains the partly reversible dispersion regime already observed previously for the smooth cell. Comparing these results to those obtained by complementary techniques (echo and transmission) allows us to separate the irreversible component of dispersion from the reversible one associated to macroscopic preferential flow channels due to the fracture geometry.The influence on dispersion of a suspension of 40 µm diameter non Brownian particles in the oscillating flow has then be studied in the cell with smooth walls. The global tracer dispersion measurements have shown the same dispersion regimes than without particles with domains of existence determined, like in this latter case, by the value of the ratio τ_m/T.In order to understand better the origin of these results at the microscopic scale, we tracked the individual trajectories of the particles in an oscillating flow. Their motion and the distribution of their velocities have been measured in several layers at different distances from the walls in the cell thickness. The particles are observed to follow the flow liens; the profile of their velocities in the thickness displays the parabolic shape of a Posieuille profile. Moreover, we compared the distribution of the particles after a certain number of oscillations to those at the initial time and observed, for long periods T, a migration of the particles towards the vicinity of the cell walls. Moreover, the motion of some particles display a kinematic reversibility and follow the same trajectory for both directions of the flow, even when there are interactions with the others.Finally, when the concentration of the particles is increased, one observes a structuration of the suspension into bands perpendicular to the flow. The wavelength λ of this instability has been studied as a function of geometrical (thickness H and width of the cell, particle diameter) and physical parameters (viscosity and density of the fluid, particle density) and of the characteristics of the flow (sine or square wave variation of the flow, amplitude A et period T). The normalized wavelength λ/H increases linearly with the normalized amplitude A/H but is constant with T and H and with the particle diameter. At the local level, the instability corresponds to periodic variations of the particle concentration along the length of the cell which extend across its whole thickness H<br>Se estudió el transporte y dispersión hidrodinámica de un trazador pasivo y/o de una suspensión de partículas en una fractura de paredes lisas y en otra, con una distribución aleatoria de obstáculos en su espesor. Se utiliza un flujo oscilante de un fluido newtoniano, permitiéndonos observar los efectos de la reversibilidad del desplazamiento sobre el fenómeno. En todos los casos se buscó cuantificar la influencia de los parámetros característicos del flujo: el período T y la amplitud A de las oscilaciones, el tiempo característico de difusión molecular sobre el espesor τ_m, la concentración y el tamaño de las partículas. En el caso de paredes lisas, se puso en evidencia que los regímenes de dispersión están gobernados por la relación τ_m /T. Se encontró que, a bajos τ_m /T ≤ 2, el régimen de dispersión de Taylor es dominante y, a escala global, es irreversible. Para τ_m /T ≥ 20 encontramos un régimen parcialmente reversible donde la mezcla continúa siendo difusiva a escala global; sin embargo, localmente, las simulaciones numéricas de tipo Monte Carlo mostraron que la distribución de partículas de trazador en el espesor sigue las oscilaciones de la velocidad local v_x (z, t). En este caso, el coeficiente de dispersión tiene una componente puramente convectiva, que es reversible. En el caso de una celda rugosa, el desorden introducido por los obstáculos hizo aparecer la dispersión geométrica a τ_m /T ≤ 0,6, donde la dispersividad ldg varía con la amplitud y no depende del período de la oscilación del flujo. El régimen de dispersión de Taylor se detectó en un intervalo de la relación entre los tiempos característicos más estrecho que en el caso de celda lisa, 〖0,8≤τ〗_m/T≤1, este rango depende de la amplitud de la oscilación. También se encontró el régimen de dispersión parcialmente reversible, para τ_m /T ≥ 20, correspondiendo con lo visto previamente en la celda de paredes lisas. Con técnicas complementarias (eco y transmisión), se aisló la componente de la dispersión irreversible de la reversible indicando la existencia de canales de flujo macroscópicos generados por la geometría de la fractura. Luego, se estudió el efecto sobre la dispersión por la presencia de una suspensión de partículas de poliestireno de 40 μm de diámetro, en la celda de Hele-Shaw lisa, con un flujo oscilante. En la medida global de la dispersión, se encontraron básicamente los mismos regímenes que en la celda lisa. Luego, en una escala microscópica, para terminar de comprender lo que sucede en el fenómeno de dispersión, se realizó el seguimiento de las trayectorias individuales de las partículas dentro de la celda sometidas a un flujo oscilante. Se analizó el movimiento en diferentes capas del espesor y se obtuvieron las distribuciones de velocidades. Se pudo observar que, las partículas se mueven siguiendo las diferentes líneas de corriente y su perfil de velocidades mantiene la forma parabólica característica de Poiseuille. Por otro lado, se aislaron las trayectorias que presentan reversibilidad cinemática, comprobando que hay partículas que van y vienen por el mismo camino, aún en presencia de interacciones débiles entre ellas. Por último, se aumentó la concentración de partículas presentes en la suspensión y se observó que, con un flujo oscilante, la suspensión dentro de la celda se estructura formando bandas periódicas transversales al flujo. Se caracterizó la dependencia de la longitud de onda λ de esta inestabilidad en función de parámetros geométricos (apertura y ancho de la celda, diámetro de partículas); físicos (viscosidad del fluido, densidad de las partículas) y geometría de flujo (sinusoidal, onda cuadrada, T y A). Se encontró que: para cada espesor de la celda, diferente diámetro y densidad de las partículas, viscosidades del fluido, λ resulta constante con T y aumenta linealmente con A. Localmente, se observó que la inestabilidad corresponde a variaciones de la concentración de las partículas en el espesor de la celda

Nous traitons ici du problème de la modélisation tridimensionnelle des phénomènes de transport des matières en suspension dans un milieu fluvial soumis à l'action combinée du débit fluvial et de l'onde de marée. Cette étude comporte trois parties. La première est relative à la modélisation hydrodynamique de l 'écoulement dans un milieu fluvial, la seconde concerne la modélisation de la matière en suspension, enfin la troisième partie est consacrée au couplage des deux modèles avec une application réelle sur l'estuaire de la Seine. Le modèle hydrodynamique est construit à partir des équations de Saint-Venant que nous traitons par une discrétisation en différences finies. Afin d'assurer une bonne prise en compte des variations spatiales du domaine, le maillage utilisé est curviligne. Nous proposons un modèle à séparation de variables adapté à la modélisation simultanée du courant fluvial et de l'onde de marée. Le modèle utilisé en milieu naturel répond parfaitement à notre attente et vérifie avec une bonne précision les mesures de terrain. Le traitement des équations de transport est fait par une méthode particulaire. Cette méthode permet de mettre en évidence les petits déplacements de matière au sein de l'écoulement en autorisant un suivi continu d'une quantité physique donnée dans le temps et dans l'espace. Là encore le modèle est utilisé en milieu naturel. Les trajectoires des particules sont étudiées en fonction de leur position d'origine dans la tranche d'eau. Les renseignements apportés par cette méthode permettent une meilleure interprétation des mesures et offre une possibilité de couplage avec d'autres modèles biologiques ou chimiques<br>The goal of this work is to modelize in three dimensions the suspended matter transport in a river with tidal effect. This studie includes three parts. The first one is about hydrodynamic modelization in rivers, the second concern suspended matter transport modelization, the third part is devoted to coupling together the two last models and to apply them to the Seine estuary. In our hydrodynamic model we take into account the tidal wave which is propagated in the opposite direction from the river flow. We have chosen to do a tridimensionnal modelization to represent as well as possible the recirculation phenomena generate by bends and slopes. The treatment of the transport equation was done by a lagrangian method. This method was used to better visualize small displacements of matter in flow and to follow them in time and space. The coupling of models is applied to test areas and then to the Seine estuary

Dans le cadre d'un projet français d’étude technologique et économique de l'exploitation des nodules polymétalliques, on s'intéresse, plus particulièrement au comportement rhéologique d'une pulpe de nodules en écoulement vertical, ainsi qu'à l'influence de l'attrition des particules sur l'évolution des caractéristiques rhéologiques de la pulpe au cours de la remontée. Cette pulpe est constituée de particules de nodule concassées, suspendues dans un fluide porteur à base de sédiment marin. La première phase des travaux présentés, porte sur l'étude de la formulation de la pulpe et des propriétés rhéologiques du fluide porteur. Dans un second temps, à l'aide d'une bouche de transport vertical instrumentée en capteurs de pression, débit et température, nous avons étudié et modélisé le comportement rhéologique de la pulpe de nodules, et l'influence des paramétrés de formulation. Parallèlement, compte tenu de la friabilité des particules de nodule, nous avons été amenés à étudier à l'aide d'un dispositif de type couette, la cinétique d'attrition de la pulpe et le taux de fines particules produites. Finalement, un modèle général d'écoulement vertical est présenté, tenant compte de l'influence de l'attrition sur l'évolution du comportement rhéologique de la pulpe. De plus, une application du modèle à un système industriel, nous permet de définir un domaine de fonctionnement optimal.

Ce travail de recherche s'attache a comprendre les principes de dynamique du depot en collecteur d'assainissement, en relation avec les sequences d'alimentation de l'ouvrage et les caracteristiques de ce materiau particulier. Des observations sont realisees a marseille dans le cas d'un collecteur unitaire, visitable, equipe d'avaloirs non selectifs. Des profils en long de hauteur de depot sont mesures deux a trois fois par semaine, tous les 10 metres, le long des 460 metres ensables de cet ouvrage specifiquement amenage pour la metrologie. Les resultats obtenus pendant les deux premieres annees sont analyses en terme de hauteurs et de volumes de depot en relation avec la pluviometrie correspondante, graphiquement et par traitement numerique de ces series chronologiques. Les pluies peuvent etre responsables d'augmentations brusques du volume des depots et d'erosions tres localisees, en fonction des singularites existantes dans le collecteur. Les ecoulements de temps sec regularisent la surface du depot et constituent un nouveau lit dont la pente se raidit au fur et a mesure des apports. Ce phenomene contribue a augmenter la capacite de transport solide ce qui, a terme, peut conduire vers une situation d'equilibre. Les conditions aux limites de depot sont alors etudiees en fonction des caracteristiques de l'ecoulement, et des solides a transporter. Un modele global permet de tester la coherence de cette description. Des principes de solutions techniques pour lutter contre l'ensablement des ouvrages sont egalement proposes

Au moyen d'une approche géomorphologique, ont été étudiés les formes et processus actuels caractéristiques du corridor alluvial, les variations morphologiques et les tendances évolutives. Enfin, ont été décrites les cartes réalisées aussi bien dans un but cognitif que dans un but de gestion. La méthodologie reperage des zones de recharges potentielles en sediments est inspirée d'une etude analogue faite en France, en l'adaptant au cas étudié. Il s'agit d'une méthodologie semi quantitative, basée sur l'attribution de points aux paramètres retenus les plus importants dans le processus de production des sédiments, proportionnels à l'importance que chacun d'eux joue, ou que l'on pense qu'il joue, dans le processus global. On a successivement décrit la méthodologie adoptée pour la réalisation de bilans sédimentaires dans le cas du bassin du fleuve Magra en s'appuyant sur deux approches. La première consiste en la réalisation d'un bilan dans un laps de temps de l'ordre de deux décennies, la seconde de l'ordre de quelques années. Les bilans ont été réalisés en utilisant une approche combinée à la fois géomorphologique et hydraulique afin d'obtenir des résultats quantitatifs (caractéristiques des methods hydrauliques) et tenant compte des processus actifs réels le long du cours du fleuve (caractéristique des méthodes géomorphologiques). L'Objectif général de phase finale du projet de recherche est de définir des stratégies, lignes de conduite et recommandations pour la gestion de la bande de mobilité fonctionnelle et des sediments, dans un but de conservation et/ou d'amélioration des conditions actuelles des bandes actives<br>The objective of this research project is to develop a methodology aimed to identify extent, severity and possible trends of instability processes (erosion, deposition) at the catchment scale, to provide a basic knowledge to support sediment management. The methodology is intended to be specifically suitable in the Alpine - Apennine context, where channels are typically characterised by a relatively high sediment transport. The methodology includes three main modules: (1) Historical and recent channel changes. The results of this phase will consist on an accurate reconstruction of past channel changes, identifying areas of higher channel instability, types of adjustments, rates of channel migration, etc. (2) Potential reintroduction areas of sediment. We adopt a semi-quantitative methodology based on the attribution of different scores, considered the more important parameters in relation to the process of sediment production. (3) Sediment budgets. In order to quantify channel changes and responsible processes, sediment budgets can be conducted by traditional hydraulic methods combined with geomorphological methods and grain size surveys. (4) Strategy of sediment management. In the last phase we define the strategies and the recommendations for the management of sediment based on conservation or improvement of the actual condition of active channel

L'étude du transfert des polluants en Seine et du rôle de la phase solide (matières en suspension et sédiments) dans ce processus a été conduite sur le parcours le plus anthropisé de la rivière, en insistant sur le rôle décisif des techniques d'échantillonnage pour l'obtention de prélèvements représentatifs. Ces techniques doivent tenir compte des rythmes journaliers (observés en particulier à l'aval de la station d'Achères) et des délais d'homogénéisation des flux après une confluence ou un rejet. Si la pollution ammoniacale la plus évidente à l'aval d'Achères transite essentiellement en phase dissoute et ne diminue que très en aval par nitrification, les pollutions carbonée, azotée organique et phosphorée sont liées majoritairement à la phase particulaire. Les matières en suspension sont également le véhicule privilégié des métaux et des hydrocarbures aromatiques polycycliques. En régime de basses eaux, quelques kilomètres après un effluent polluant, on ne retrouve plus l'impact de celui-ci sur la qualité de la matière particulaire du fait de la rapide sédimentation de cette dernière, alors que la phase dissoute reste marquée sur des dizaines de kilomètres en aval. Mais le cycle sédimentation (en basses eaux) et remise en suspension (épisodes de crues) ainsi que les phénomènes d'échange à l'interface eau-sédiment entretiennent une source de pollution latente liée à la phase solide sédimentée. Indépendamment des variations du régime hydraulique de la rivière pour le transport de la pollution, des phénomènes saisonniers biologiques et biochimiques interviennent dans les processus de transfert. Les épisodes de blooms algaux, au printemps, modifient la composition de la charge particulaire favorisant l'élimination des métaux de la colonne d'eau, en particulier par élévation du ph. D'autre part en été, lorsque l'activité biologique est maximale, les relargages vers la colonne d'eau deviennent importants, tant pour l'azote ammoniacal que pour des métaux tels que Pb, Fe et Mn, ce qui conduit à un certain nettoyage du sédiment

L'évolution des caractéristiques des particules en suspension au cours de leur transfert au sein des bassins versants est encore mal connue. Ceci limite actuellement notre aptitude à prédire correctement l'érosion ou les flux de matières en suspension (MES) et rend difficile la proposition de pratiques de gestion adaptées aux réglementations en vigueur. A partir d'expériences en milieu contrôlé, nous avons montré que les particules de sols ont tendance à se désagréger en milieu turbulent. Il semble de plus qu'une augmentation de la concentration en suspension accélère cette désagrégation et conduise à des particules plus fines. Même si l'évolution des particules à l'échelle horaire semble rester de second ordre derrière les caractéristiques des sols sources, il est indispensable de pouvoir vérifier si les particules en suspension se comportent de la même manière en conditions naturelles où des interactions complexes entre processus peuvent avoir lieu. Cependant l'absence de méthode de mesure permettant le suivi des propriétés de transport des sédiments en écoulements très concentrés (de 1 plusieurs centaines de grammes par litre) dans les bassins élémentaires limite notre capacité à hiérarchiser les processus à considérer pour modéliser le transfert sédimentaire ou améliorer la gestion opérationnelle des sédiments. Afin de répondre à ce besoin instrumental, nous avons développé un Système de Caractérisation des Agrégats et des Flocs (SCAF). Cet instrument est conçu pour être incorporé dans les stations de suivi hydro-sédimentaire. La mesure est réalisée immédiatement après prélèvement d'un échantillon de la suspension à caractériser par une série de capteurs optiques qui suivent l'évolution de l'absorbance optique durant la sédimentation de l'échantillon. Nous proposons une méthode de traitement des données optiques donnant accès à la distribution des vitesses de chute de la suspension ainsi qu'à un indice de floculation qui renseigne sur la capacité des MES à floculer durant leur sédimentation. Les distributions de vitesses de chute mesurées sont validées sur une large gamme de matériaux et de régimes de sédimentation, afin de couvrir la variabilité des types de matériaux et des concentrations observées en milieu naturel. Pour des sédiments non cohésifs ou floculant peu durant leur sédimentation les mesures du SCAF s'ajustent sur celles issues des autres méthodes. Pour les suspensions qui floculent durant leur sédimentation, la plupart des méthodes de mesure classiques conduisent à des vitesses de chute non représentatives de la suspension. Nous avons montré que les variations des propriétés optiques des matières en suspension lors de leur floculation impactent nos mesures. La méthode proposée permet cependant de quantifier l'augmentation des vitesses de chute avec la floculation, et d'encadrer l'incertitude des mesures. Pour les mesures à forte concentration (&gt;10 g/l), un front d'entravement peut se former durant la sédimentation, le SCAF mesurant alors précisément les vitesses de chute du front. La mesure des distributions des vitesses de chute et de la cohésion des particules en suspension peut permettre d'identifier différentes populations de particules formant une suspension (grains de sables, flocs, matières fines...). Le suivi de telles informations au sein de bassins versants ouvre de nouvelles perspectives pour aborder la connectivité sédimentaire et s'orienter vers une gestion optimale des flux de MES<br>Little is known about the processes that govern the evolution of suspended particle characteristics during their transport through a river basin. This is a main limitation for modelling erosion severity or suspended solids (SS) fluxes. It also leads to difficulties to propose management policies adapted to environmental legislation. Based on experiments in controlled environments, we have shown that soil particles tend to disaggregate in turbulent flows. The increase in SS concentration was associated to an increase of the disaggregation of SS particles, leading to smaller final particle sizes. Laboratory experiments also showed that the variability of the particle sizes due to their evolution over one hour was smaller than the variability due to the soil type from which the particles originated. However it is important to ensure that the suspended particles behave in the same way in natural conditions, where complex interactions between hydraulic, chemical and biological processes can influence their evolution. Up to now no measurement method allows measuring continuously the suspended sediment properties in highly concentrated fluids (from one to hundreds grams per liter), such as those observed in headwater catchments during runoff events. This severely limits the possibility to identify the processes that are important to consider in numerical models. The Aggregate and Floc Characterization System (SCAF) has been developed in order to measure SS properties for a wide range of SS concentrations. It was designed to be easily incorporated into sequential samplers. Immediately after the collection of a sample from the river, the sedimentation of the suspension is recorded by continuous measurements of the absorbance by a series of optical sensors. A method was proposed to processes the raw optical data in order to obtain the settling velocity distribution of the suspension. It also provides a flocculation index representing the tendency of the particles to flocculate during their sedimentation. The calculated settling velocity distributions were validated on a large range of materials and settling regimes in order to cover the natural variability of suspended sediments. For sediments that hardly flocculate during their sedimentation or are non-cohesive, the measurements of the SCAF were similar to those from other methods. In the case of suspensions that strongly flocculate during sedimentation, most of the classical methods give non-representative falling velocities. In this case, the optical property of the particles may vary during settling, affecting the optical measurement. The proposed method allowed quantifying the increase of settling velocity induced by flocculation, and provided confidence intervals for the settling velocities. For high SS concentrations ( &gt; 10 g/l), a settling front can be formed during the sedimentation, which is well characterized by the SCAF. The measurement of the settling velocity distributions and of the flocculation index can be used to identify different particle populations (sand grains, flocs, individual particles) forming a suspension. Monitoring these properties in watersheds offers new insights to explore sediment connectivity within river basins and to optimize water management strategies

La remise en suspension du microphytobenthos est un processus clé du couplage benthos-pelagos dans de nombreux écosystèmes marins côtiers. Si les facteurs physiques comme l’hydrodynamisme ou le vent participent largement à cette remise en suspension, la macrofaune benthique joue également un rôle primordial par les processus de bioturbation. De plus, les diatomées benthiques, constituant la communauté la plus importante du microphytobenthos, sont capables de modifier leur propre remise en suspension par l’excrétion de substances exopolymériques limitant l’érosion du sédiment. La complexité de la remise en suspension réside donc dans la multiplicité des variables physiques, chimiques et biologiques associées. L’objectif de cette étude était donc de mieux comprendre la remise en suspension des diatomées benthiques à l’échelle de l’écosystème, par l’étude du couplage benthos-pelagos au niveau de deux écosystèmes côtiers contrastés comme à l’échelle des processus impliqués par l’étude de la remise en suspension en érodimètre. La remise en suspension joue un rôle primordial dans les écosystèmes estuariens et modifie l’équilibre des systèmes de façon saisonnière. Les caractéristiques sédimentaires des écosystèmes conditionnent la remise en suspension par l’interaction de l’état physiologique du biofilm et de la structure des mélanges sablo-vaseux. La présence de faune rajoute un degré d’interaction, à l’exemple de la coque Cerastoderma edule qui se révèle être un acteur majeur du couplage benthos-pelagos<br>La remise en suspension du microphytobenthos est un processus clé du couplage benthos-pelagos dans de nombreux écosystèmes marins côtiers. Si les facteurs physiques comme l’hydrodynamisme ou le vent participent largement à cette remise en suspension, la macrofaune benthique joue également un rôle primordial par les processus de bioturbation. De plus, les diatomées benthiques, constituant la communauté la plus importante du microphytobenthos, sont capables de modifier leur propre remise en suspension par l’excrétion de substances exopolymériques limitant l’érosion du sédiment. La complexité de la remise en suspension réside donc dans la multiplicité des variables physiques, chimiques et biologiques associées. L’objectif de cette étude était donc de mieux comprendre la remise en suspension des diatomées benthiques à l’échelle de l’écosystème, par l’étude du couplage benthos-pelagos au niveau de deux écosystèmes côtiers contrastés comme à l’échelle des processus impliqués par l’étude de la remise en suspension en érodimètre. La remise en suspension joue un rôle primordial dans les écosystèmes estuariens et modifie l’équilibre des systèmes de façon saisonnière. Les caractéristiques sédimentaires des écosystèmes conditionnent la remise en suspension par l’interaction de l’état physiologique du biofilm et de la structure des mélanges sablo-vaseux. La présence de faune rajoute un degré d’interaction, à l’exemple de la coque Cerastoderma edule qui se révèle être un acteur majeur du couplage benthos-pelagos

Ce travail de thèse porte sur la dynamique des matériaux en suspension (MES) dans des rivières aménagées de montagne, l'Arc en Maurienne et l'Isère. Un des modes de gestion de l'envasement des différents ouvrages hydro-électriques de l'Arc consiste à réaliser des chasses de barrage annuellement. Lors de ces chasses hydrauliques, les sédiments remobilisés du fond des retenues sont transportés à l'aval des ouvrages sur plusieurs dizaines de kilomètres. L'enjeu est alors de quantifier la propagation en aval de ces MES, afin de comprendre l'impact des chasses de barrage sur le lit de la rivière. Dans une première partie, des données de concentration en MES et de débit, mesurées pendant les chasses de barrage de l'Arc entre 2006 et 2012, sont analysées, critiquées et complétées. A partir de ce jeu de données, des cartes spatiales de flux de MES générés par les chasses de barrage sont dressées, et mettent en évidence des répartitions de zones de dépôt et d'érosion. L'incertitude liée au calcul de ces bilans de masse est quantifiée, et les dynamiques de reprise et de dépôt sont discutées. A titre de comparaison, cette méthode a été appliquée à d'autres événements de crues naturelles et de laves torrentielles, pré-échantillonnées à partir de chroniques de mesures en continu. Enfin, pour mieux caractériser les MES transportées pendant ces épisodes de chasse, des mesures complémentaires de granulométrie et de vitesse de chute ont été réalisées quasiment in situ pendant les chasses de 2011 et 2012. Les dynamiques spatiale et temporelle des ces grandeurs permettent d'établir une stratégie de paramétrisation de modèle numérique. La modélisation numérique hydrosédimentaire 1D fait l'objet de la seconde partie de ce travail de thèse. Le code de calcul d'hydraulique à surface libre MASCARET a été utilisé pour modéliser les écoulements générés par les chasses de barrage entre 2006 et 2012. Cette modélisation hydraulique met en évidence le rôle joué par la présence de bancs alternés de rugosités différentes dans le lit de la rivière. Le code de calcul COURLIS, couplé à MASCARET, a été modifié pour modéliser le transport sédimentaire en suspension. Pour prendre en compte la modélisation du transport de MES en lit composé, une méthode d'estimation d'une concentration moyenne par lit est proposée à partir de données issues de la littérature. Le nouveau modèle ainsi obtenu est comparé avec le modèle homogène dans la section sur des cas réels de crue (mai 2010) et de chasses de barrage (2010, 2011 et 2012). Les résultats de modélisation montrent la capacité du nouveau modèle à reproduire les flux mesurés dans les plages d'incertitude calculées, sans avoir recours à une calibration non physique des paramètres.

Dans cette étude, un modèle numérique tridimensionnel est développé pour le calcul du volume et du niveau des sédiments dans les réservoirs pendant la chasse de barrages. Les équations de Reynolds moyennées de Navier-Stokes (RANS) sont résolues numériquement par la méthode des volumes finis. Des modèles de turbulence du type k - [epsilon] et RNG k- [epsilon] sont aussi employés pour fermer ces équations. Les résultats du phénomène hydrodynamique sont utilisés comme des données d'entrée supplémentaires pour le module morphologique. Les équations de convection-diffusion pour la concentration des sédiments suspendus sont résolues en adoptant l'équation proposée par Van-Rijn (1987) comme condition limite. L'équation de charriage de Van-Rijn a été aussi utilisée pour calculer le transport de charriage adjacent au fond du réservoir. Ceci est combiné avec la concentration calculée des équations de convection-diffusion pour évaluer la concentration de l'ensemble des sédiments. Les changements de fond de réservoir sont obtenus par application de l'équation de conservation de la masse. La méthode de volumes finis est aussi utilisée pour résoudre les équations de transport de sédiment. Les résultats des simulations numériques sont comparés aux données expérimentales disponibles dans la littérature. Une étude d'un cas réel (réservoir de Sefid-Rud en Iran) a été réalisée. Pour ce cas, un bon accord entre la simulation et les données expérimentales a été obtenu pour les sédiments évacués du réservoir pendant la chasse. Ceci montre que le modèle développé peut raisonnablement simuler la chasse de pression. Cependant, quelques déviations ont été observées pour la chasse avec flux libre et cela peut être justifié par une modélisation incomplète de la surface libre de l'eau.

L'étude du transport fluvial des matières en suspension (MES) et du carbone organique dans les rivières du monde informe sur le taux d'érosion des continents, le cycle du carbone et la contribution du carbone terrestre à l'océan. Les objectifs du travail sont, d'une part, de décrire, analyser et quantifier la dynamique des MES et du carbone organique, particulaire (COP) et dissous (COD), lors des périodes de crue, d'évaluer la contribution des événements de crue sur les flux annuels et, d'autre part, de quantifier ces flux sur le long terme par une approche de modélisation agro-hydrologique. L'étude expérimentale est basée sur l'échantillonnage à l'exutoire des données par un prélèvement manuel et automatique dans un bassin versant agricole de 1 110 km2 du Sud-ouest de la France, la Save, un affluent de la Garonne, de Janvier 2007 à Juin 2009. Concernant l'approche de modélisation, le modèle SWAT 2005 (Soil and Water Assessment Tool) est utilisé pour décrire le transport et quantifier le flux des MES et du COP sur du long terme (1999-2008) intégrant les données hydro-climatiques, l'occupation du sol et les itinéraires techniques des pratiques agricoles dans ce bassin. Les résultats montrent la forte variabilité temporelle de la dynamique de transport des MES, COP et COD durant les différentes crues saisonnières. Ces flux sont notamment transportés au printemps grâce aux fréquences importantes des crues et à la durée des crues. La quantification de flux (MES, COP et COD) pendant les crues contribuant aux flux annuel à été estimé. Le flux annuel des MES en 2007 est de 16 614 tonnes, représentant 15 t km-2 (85% du flux annuel transporté en crue pour 16% de la durée annuelle) et il est de 77 960 tonnes représentant 70 t km-2 en 2008 (95% du flux annuel transporté en crue pour 20% de la durée annuelle). Le transport du COP et COD durant les crues est respectivement de 76% et 62% du flux total pour 22% de la durée totale (Janvier 2008 à Juin 2009). Les flux de COP et COD exportés de la Save sont de 3091 tonnes et 1238 tonnes, représentant respectivement, 1,8 t km-2 an-1 et 0,7 t km-2 an-1. En utilisant des analyses statistiques, les facteurs hydro-climatiques qui conditionnent la dynamique du transport montrent de bonnes corrélations entre la précipitation totale, le débit de crue, le flux d'eau et les flux de MES, COP et COD. De plus, la dynamique des MES, COP et COD pour les différents crues a été examinée, en utilisant l'analyse des hystérésis. Les résultats du modèle agro-hydrologique SWAT montrent la forte variabilité temporelle des flux annuels de MES et COP (1999-2008). Le flux annuel de MES varie de 4 766 tonnes à 123 000 tonnes, représentant un flux spécifique de 48 t km-2 an-1 et le flux annuel de POC varie de 120 tonnes à 3 100 tonnes, représentant un flux spécifique de 1,2 t km-2 an-1. La régression entre le flux d'eau annuel et le flux de MES simulé a été établie et les zones potentielles d'érosion sont également identifiées par modélisation pour le bassin versant de la Save.

La dégradation de la qualité des eaux des rivières par les particules (et polluants associés), transférées par l'érosion des sols agricoles, est une question abordée par le programme Piren-Seine sur le plateau briard (bassin versant du grand Morin). Le 137cs (t1/2 : 30 a), essentiellement produit lors des essais nucléaires en atmosphère (1952-63), est rapidement et fortement fixé aux particules du sol dont il marque les déplacements. Ces retombées sont considérées uniformes à l'échelle du bassin versant mais celles issues de l'accident de Tchernobyl perturbent ce marquage. L'image issue de l'application de la méthode (activité de référence : 3170 bq/m2 (au 1/1/1996) dont 792 bq/m2 de Tchernobyl) sur une parcelle culturale de 11,2 ha (champ hardy : 160 carottes) montre une redistribution de 137cs assez mal structurée. La mosaïque d'aires d'érosion et d'accumulation tend à prouver que les relais constituent un élément majeur de la dynamique érosive. Aucun élément du paysage ne se distingue clairement pour expliquer la redistribution des particules sur notre parcelle mais la partie amont présente un fonctionnement complexe par rapport a la partie aval en pentes plus fortes (> 5 %). La quantification des déplacements de particules sur le versant sud (3,5 ha) de la parcelle permet de calculer un bilan sédimentaire (taux d'érosion net : 0,4 kg/m2/an ; rapport de fourniture sédimentaire : 40 %). L'étude des M. E. S. Exportées par un réseau de drainage agricole enterre (spécificité de l'agriculture en Brie) montre de fortes activités en 137cs, 7be (t1/2 : 53 d) et 210pb (exc) (t1/2 :22 a) traduisant des transferts directs et rapides des argiles fines (0,5-0,1 @m) en provenance quasi-exclusive de la couche labourée. Dans le cours amont du Vannetin, l'activité des M. E. S. Demeure identique à celle des réseaux de drainage montrant leur influence. En revanche, dans le cours moyen, les sources de M. E. S. Se diversifient et diluent les concentrations des marqueurs radioactifs.

La Seine, fleuve à régime pluvial océanique et à faible débit, débouche sur le plateau continental nord-ouest européen. Son estuaire, de type macrotidal, est fortement chenalisé et anthropisé. La marée et le débit fluvial agissent sur le transfert du matériel particulaire en suspension au sein des 120 km du secteur estuarien non soumis à l'intrusion saline. Les méandres et quelques zones non endiguées contribuent au stockage du matériel fin. Les crues apportent 75% du matériel sédimentaire structuré en microflocs et macroflocs. L'augmentation du débit fluvial provoque une très forte atténuation de la dynamique de marée. Les zones intertidales du fleuve constituent les lieux de dépôt temporaire pour 1/3 du matériel fin qui est restitué après la crue. Le matériel piégé dans les bassins et les souilles des infrastructures portuaires est exclu du bilan de transfert par immobilisation définitive et exportation par dragage. Pendant l'étiage, la dynamique de marée domine le transfert particulaire dans l'estuaire amont. Des cycles semi-diurnes et semi-lunaires d'érosion/sédimentation du matériel particulaire sont observés. En vives-eaux, un important pompage tidal stoppe localement le transit particulaire vers l'estuaire moyen : le temps de résidence des particules est accru et la remontée de particules marines dans l'estuaire amont est observée. En fin de période de vives-eaux, les concentrations particulaires en suspension et les volumes d'eau stockés dans l'estuaire amont sont les plus élevés. Ces volumes d'eau et de matériel particulaire sont évacués vers l'estuaire moyen en période de déchet. Le régime macrotidal de l'estuaire de la Seine, retarde le transit sédimentaire fin issu du bassin versant. La dynamique de marée contrôle ainsi près de la moitie du transit sédimentaire fin.

L'originalité de la thèse est de considérer des catégories de matériaux très divers (matières en suspension, nutriments dissous et totaux, ions dissous) pour des bassins couvrant une grande gamme de variabilité hydrologique (2000 années-stations de concentrations et débits journaliers en France, Europe et Etats-Unis pour des tailles de 600km² à 1 000 000 km²) et en testant 9 méthodes de calcul des flux innovantes ou couramment utilisées. Pour chaque méthode de calcul, la comparaison des flux annuels estimés à partir des suivis discrets et des flux annuels de référence permet d'évaluer les incertitudes en termes de biais et d'imprécisions. Ces incertitudes ont pu être étudiées en lien avec la variabilité hydrologique, hydrochimique et sédimentologique des matériaux. Les résultats de la thèse sont donc de deux ordres : (1) fondamental, avec la mise en relation des incertitudes avec les deux facteurs de contrôle -W2% et b50sup- qui caractérisent les variabilités des débits et des concentrations, (2) appliqué, avec l'optimisation des suivis en terme d'intervalle d'échantillonnage et de durée de calcul des flux et la détermination des incertitudes sur les populations de flux déjà publiées.

La recherche sur le transport de sédiments dans les réservoirs vise principalement à optimiser la conception du réservoir dans les réseaux d’assainissement. La structure de l'écoulement, qui fait l’objet de cette recherche, représente le facteur principal de contrôle du mouvement des particules et conditionne leur dépôt. Le travail réalisé s’est basé aussi bien sur les méthodes numériques que les essais expérimentaux. La simulation numérique est traitée en utilisant trois géométries différentes, où un volume de modèle de fluide est appliqué pour le suivi de la surface libre et un modèle de phase discrète est utilisé pour calculer la trajectoire des particules, et une fonction définie par l'utilisateur basée sur la courbe de Shields est implémentée comme condition limite pour augmenter les taux de déposition simulés. Des séries d'expériences sont réalisées dans un réservoir rectangulaire avec une cavité, pour mesurer le champ de vitesses dans différentes conditions d’écoulement, et déterminer les zones de dépôts des sédiments au fond du réservoir. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux montre une bonne concordance des résultats obtenus pour la prédiction des écoulements et des dépôts. L'amélioration du dépôt de particules nécessite une modification supplémentaire du modèle de suivi des particules<br>The investigation on sediment transport in tanks is mainly for optimizing the design of tank in stormwater system and sewers. The flow pattern is the primary factor controlling the movement of particle. Therefore, the emphasis of this investigation is to determine the flow pattern and estimate the deposition of particle. Both computational fluid dynamics and experimental methods are applied to accomplish the research. Numerical simulation are processed by using three different geometries, where a volume of fluid model is applied for tracking the free-surface and a discrete phase model is used for calculation of particle trajectory, and an user defined function based on Shields curve is implemented to the boundary for improving the simulation on sedimentation. A series of experiments are carried out in a rectangular tank with a cavity, where velocity measurements are finished for experiments under different conditions and the sediment deposition is recorded. The comparison between numerical simulation and experimental results show better agreement in the prediction of flow, the improvement on particle deposition needs further modification in the particle tracking model

L’étude des mécanismes d’érosion hydrique des sols et de transfert de matières en suspension (MES) des bassins versants vers les rivières revêt des enjeux environnementaux et socio-économiques prégnants face à une pression anthropique grandissante et au changement climatique. L'objectif de cette thèse est de comprendre comment la variabilité de la pluie contrôle l’activation de différentes zones sources de MES et la dynamique des flux hydro-sédimentaires dans deux bassins versants méditerranéens de méso-échelle, la Claduègne (42 km²) et le Galabre (20 km2) membres de l’infrastructure de recherche sur la zone critique OZCAR.Dans la première partie, les contributions des zones d'érosion aux MES à l’exutoire de la Claduègne ont été quantifiées à haute résolution temporelle avec une approche low-cost de traçage. Deux ensembles de traceurs (spectres colorimétriques et de fluorescence X) et trois modèles de mélange ont été comparés pour évaluer la sensibilité des contributions de sources à ces choix méthodologiques. Les principales sources de MES identifiées sont les zones de badlands marno-calcaires. Une approche similaire conduite sur le bassin versant du Galabre a mis en avant la dominance des badlands sur molasses dans les flux de MES. La comparaison des traceurs et des modèles de mélange, a montré que les choix méthodologiques génèrent des différences importantes, qui amènent à recommander une approche d’ensemble multi-traceurs-multi-modèle pour obtenir des résultats plus robustes. L’application de cette approche à un grand nombre d’échantillons de MES a souligné l’importante variabilité inter et intra évènements des contributions des différentes sources de MES, soulevant des questions sur les processus hydro-sédimentaires à l'origine de la variabilité des flux de MES.Le concept de connectivité hydrosédimentaire a été testé en posant l’hypothèse que cette variabilité résultait de distributions des temps de transfert des MES très variables contrôlées par i) les caractéristiques inhérentes aux bassins versants comme la localisation des différentes sources de MES et la façon dont elles sont liées à l’exutoire (i.e. connectivité structurelle) et ii) les caractéristiques spatio-temporelles des évènements pluvieux qui activent et impactent les vitesses de transfert (i.e. connectivité fonctionnelle). Ainsi, dans la deuxième partie, un modèle numérique distribué basé sur la résolution des équations de Saint Venant couplé à un module d’érosion multi-sources de MES, a été utilisé pour évaluer les rôles respectifs des connectivités structurelle et fonctionnelle. L’analyse de sensibilité aux choix de discrétisation et de paramétrisation (i.e. seuil d’aire drainée pour distinguer la rivière des versants, valeurs de coefficients de frottement sur les versants et la rivière) a montré que la localisation des sources de MES dans le bassin versant était plus importante que les choix de modélisation à condition que les paramètres soient dans une gamme réaliste et limitée. Un schéma général de réponse temporelle du bassin versant par type de sources a été observé, cohérent avec les résultats de l’approche de traçage et la distribution des distances des sources à la rivière et à l'exutoire. Ce même schéma persiste pour différentes durées ou intensités des précipitations mais devient beaucoup plus variable lorsque des hyétogrammes bimodaux ou des précipitations variables dans l'espace sont appliquées. En outre, la localisation de la pluie par rapport aux sources détermine les contributions moyennes des sources et donc les différences entre les événements de pluie.Les deux approches de traçage des MES et de modélisation numérique se sont avérées complémentaires et leur application combinée présente un fort potentiel pour comprendre comment les interactions entre connectivité structurelle et fonctionnelle contrôlent la dynamique des flux de MES aux exutoires de bassins versants de méso-échelle<br>The study of soil erosion by water and the transfer of suspended solids from watersheds to rivers is crucial given the environmental and socio-economic issues with regards to growing human influence and the expected intensification of these processes under climate change. The objective of this thesis is to understand how rainfall variability controls the activation of different sediment source zones and the dynamics of hydro-sedimentary flows in two mesoscale Mediterranean catchments, i.e. the Claduègne (42 km², subcatchment of the Ardèche) and the Galabre (20 km2 , subcatchment of the Durance) which are members of the OZCAR critical zone research infrastructure.In the first part, the contributions of the erosion zones to sediment fluxes at the outlet of the Claduègne catchment were quantified at high temporal resolution with a low-cost sediment fingerprinting approach. Two sets of tracers (Color and X-ray fluorescence tracers) and three mixing models were compared to assess the sensitivity of estimated source contributions to these methodological choices. Marly-calcareous badlands were identified as the main sediment source. A similar approach carried out on the Galabre catchment area showed that badlands on molasses were the main source. The comparison of tracer sets and mixing models, showed that the methodological choices generated important differences. Thus, we suggest a multi-tracer-multi-model ensemble approach to obtain more robust results. The application of this approach to a large number of sediment samples highlighted the important within and between event variability in the contributions of different sediment sources, raising questions about the hydro-sedimentary processes that cause this variability.We hypothesized that this variability resulted from variable suspended sediment transit time distributions governed by the interplay of (i) catchment characteristics such as the location of different sources and how they are linked to the outlet (referred to as structural sediment connectivity) and (ii) the spatio-temporal characteristics of rain events that activate and impact transfer velocities (i.e. functional connectivity).Thus, in the second part, a distributed numerical model based on the resolution of Saint Venant equations coupled to a multi-source erosion module was used to evaluate the respective roles of structural and functional connectivity. Sensitivity analysis of the discretization and parameterization choices (i.e. threshold of contributing drainage area to identify the river network, values of roughness coefficients on hillslopes and the river) showed that the location of the sediment sources in the watershed was more important than the modeling choices when the parameters were limited to realistic range. A general temporal pattern of source contributions was observed. This was consistent with the results of the fingerprinting approach and the distribution of distances from the sources to the river and the outlet. The same pattern persists for different rainfall durations or intensities but became much more variable when bimodal hyetographs or spatially variable precipitation was applied. In addition, the location of the rainfall with respect to the sources determined the average contributions of the sources and thus differences between rainfall events.The two approaches, sediment fingerprinting and numerical modeling, were found to complement each other and their combined application has a high potential for understanding how interactions between structural and functional connectivity control the dynamics of sediment fluxes in mesoscale catchments

La dynamique des écoulements sédimentaires est un sujet qui concerne de nombreuses applications en géophysiques, qui vont des questions d'ensablement des estuaires à la compréhension des bassins sédimentaires. Le sujet de cette thèse porte sur la modélisation numérique à haute résolution de ces écoulements et l'implémentation des algorithmes associés sur accélérateurs. Les écoulements sédimentaires font intervenir plusieurs phases qui interagissent, donnant lieu à plusieurs types d'instabilités comme les instabilités de Rayleigh-Taylor et de double diffusivité. Les difficultés pour la simulation numérique de ces écoulements tiennent à la complexité des interactions fluides/sédiments qui font intervenir des échelles physiques différentes. En effet, ces interactions sont difficiles à traiter du fait de la grande variabilité des paramètres de diffusion dans les deux phases et les méthodes classiques présentent certaines limites pour traiter les cas où le rapport des diffusivités, donné par le nombre de Schmidt, est trop élevé. Cette thèse étend les récents résultats obtenus sur la résolution directe de la dynamique du transport d'un scalaire passif à haut Schmidt sur architecture hybride CPU-GPU et valide cette approche sur les instabilités qui interviennent dans des écoulements sédimentaires. Ce travail revisite tout d'abord les méthodes numériques adaptées aux écoulements à haut Schmidt afin de pouvoir appliquer des stratégies d'implémentations efficaces sur accélérateurs et propose une implémentation de référence open source nommée HySoP. L'implémentation proposée permet, entre autres, de simuler des écoulements régis par les équations de Navier-Stokes incompressibles entièrement sur accélérateur ou coprocesseur grâce au standard OpenCL et tend vers des performances optimales indépendamment du matériel utilisé. La méthode numérique et son implémentation sont tout d'abord validées sur plusieurs cas tests classiques avant d'être appliquées à la dynamique des écoulements sédimentaires qui font intervenir un couplage bidirectionnel entre les scalaires transportés et les équations de Navier-Stokes. Nous montrons que l'utilisation conjointe de méthodes numériques adaptées et de leur implémentation sur accélérateur permet de décrire précisément, à coût très raisonnable, le transport sédimentaire pour des nombres de Schmidt difficilement accessibles par d'autres méthodes<br>The dynamic of sediment flows is a subject that covers many applications in geophysics, ranging from estuary silting issues to the comprehension of sedimentary basins. This PhD thesis deals with high resolution numerical modeling of sediment flows and implementation of the corresponding algorithms on hybrid calculators. Sedimentary flows involve multiple interacting phases, giving rise to several types of instabilities such as Rayleigh-Taylor instabilities and double diffusivity. The difficulties for the numerical simulation of these flows arise from the complex fluid/sediment interactions involving different physical scales. Indeed, these interactions are difficult to treat because of the great variability of the diffusion parameters in the two phases. When the ratio of the diffusivities, given by the Schmidt number, is too high, conventional methods show some limitations. This thesis extends the recent results obtained on the direct resolution of the transport of a passive scalar at high Schmidt number on hybrid CPU-GPU architectures and validates this approach on instabilities that occur in sediment flows. This work first reviews the numerical methods which are adapted to high Schmidt flows in order to apply effective accelerator implementation strategies and proposes an open source reference implementation named HySoP. The proposed implementation makes it possible, among other things, to simulate flows governed by the incompressible Navier-Stokes equations entirely on accelerator or coprocessor thanks to the OpenCL standard and tends towards optimal performances independently of the hardware. The numerical method and its implementation are first validated on several classical test cases and then applied to the dynamics of sediment flows which involve a two-way coupling between the transported scalars and the Navier-Stokes equations. We show that the joint use of adapted numerical methods and their implementation on accelerator makes it possible to describe accurately, at a very reasonable cost, sediment transport for Schmidt numbers difficult to reach with other methods

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s'est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l'OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l'hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l'analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l'efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress - BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L'approche Euler-Lagrange dite " particle tracking " a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l'aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n'étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l'efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantes

Résumé L’accumulation de sédiments sur le fond des égouts à faible pente est une contrainte au bon fonctionnement hydraulique et à la gestion des réseaux d’assainissement unitaire. Le recours à la chasse hydraulique est alors une pratique envisagée par les gestionnaires de réseau pour le nettoyage des canaux souterrains. Les processus de transport sédimentaire dans les réseaux d’assainissement unitaire est rendu complexe en raison du jeu de nombreux phénomènes tels que la variabilité de l’étendue granulométrique des sédiments et la cohésion. La thèse présente les résultats expérimentaux et numériques obtenus avant et après une chasse hydraulique réalisée dans le réseau unitaire parisien. Une campagne de mesures a permis d’acquérir des données hydro-sédimentaires à haute résolution, permettant de caractériser et quantifier les processus d’érosion, de transport et de sédimentation agissant sous l’effet de la chasse hydraulique, du reste performante dans le nettoyage du réseau étudié. Deux modèles de transport sédimentaire comportant un modèle simple en condition de transport uniforme, et un modèle plus complexe impliquant le transport non-uniforme ont été développés afin de mettre en place un outil prédictif des mouvements des particules solides pendant le phénomène de chasse. Les deux modèles ont été capables d’évaluer à différents niveaux de précision l’efficacité de la chasse hydraulique en termes de transport sédimentaire. La comparaison des résultats issus des deux modèles permet de déterminer les avantages et les contraintes de chacun, révélant ainsi l’importance de prendre en compte l’hétérogénéité texturale des dépôts dans l’analyse de l’érosion, du transport et de la sédimentation des particules solides sous l’effet des chasses hydrauliques. De plus, une analyse de sensibilité de la gamme d’application de certains paramètres d’entrée du modèle de transport non-uniforme des sédiments a été réalisée. Les résultats ont confirmé le bon fonctionnement du modèle<br>Sediment accumulation on the invert of sewer channels has been recognized as one of the important sources of problems for the management of sewer networks.In the two most recent decades, flushing has been put forward as one of the most common methods of sewer cleaning, to limit sediment accumulation especially in large trunk sewers.Sewer sediment transport processes are not fully understood yet, due to numerous unknown variables and difficult measuring conditions. The current research aimed firstly to setup a field experimental campaign to obtain high-quality data. This data allowed understanding of the processes associated with flushing operation in sewers. In addition, this study aimed to model the flushing processes properly in order to set-up an adequate and practical numerical tool able to predict sediment removal of flushing in the sewer network of Paris. To this purpose, two models were used: (i) a simple model for uniform sediment transport, which is the most common used approach; and (ii) a more complex model for non-uniform sediment transport of mixtures. A comparative analysis was carried out to highlight advantages and drawbacks of either. Overall, the results pointed out that the numerical modelling is able to reproduce faithfully hydrodynamics and sediment transport during flushing operations. In fact, both models enabled evaluation of flush behaviour and associated sediment transport. However, despite its higher complexity and computational burden, the latter model provides better insight into the prediction of the removal effectiveness of flushes

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s’est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l’OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l’hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l’analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l’efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress – BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L’approche Euler-Lagrange dite « particle tracking » a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l’aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n’étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l’efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantes<br>Stormwater detention basins are used to preserve the quality of receiving waters by sedimentation during the wet weather. However, the removal efficiencies of basin were not satisfactory due to the not well understanding of the sedimentation processes. In order to further understand these processes in the real facilities, this thesis therefore focuses both on in situ experiments and modeling of the hydrodynamic and sediment transport in field detention basin and in small scale basin in laboratory. This research was supported by large part on the Django Reinhardt basin (DRB) in Chassieu within the OTHU program and the experimental data deriving from Dufresne (2008) and Vosswinkel et al. (2012). Samples of sediments accumulated in the basin were collected and their physical characteristics were analyzed in order to determine their spatial distribution. Concerning numerical modeling, the hydrodynamic simulations in steady state were performed using CFD software Fluent and were evaluated by the correlation analysis between the hydrodynamic behavior of DRB and the spatial distribution of the physical characteristics of sediments. The bed boundary conditions used in the literatures were tested in order to represent the spatial distribution of sediments and removal efficiency of DRB. The conditions tested were: i) critical bed shear stress - BSS and ii) critical bed turbulent kinetic energy - BTKE. Because of the failure prediction of DRB deposit zones with usual bed boundary conditions, a new relationship based on particle settling velocities has been proposed to estimate the BTKE threshold for the bed boundary condition. The proposed boundary condition was tested in a pilot basin (Dufresne, 2008) and the DRB using the Euler-Lagrange approach under steady flow conditions. The results were not very satisfactory regarding the DRB deposit zones, even considering non-uniform grain size. In order to better predict the deposit zones and settling efficiency in field detention basins, a new method has been proposed accounting for the sediment transport, settling and erosion under unsteady conditions. Based on this proposed method for representing the particle transport, settling and erosion processes under unsteady conditions, various simulations with different bed boundary conditions were carried out in a pilot rectangular basin (Vosswinkel et al., 2012). The predictions of removal efficiencies and deposition zones are satisfactory. Hence, taking into account transient effects on both hydrodynamics and sediment transport leads to drastically improve the spatial and temporal distributions of sediments in settling detention basins

Afin de caractériser la nature et le rôle des particules fines et colloïdales (PFC) dans les milieux de subsurface, le suivi dans le temps des PFC contenues à la fois dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration et la détermination des facteurs contrôlant la distribution et l'évolution des PFC dans l'environnement a été réalisée. La démarche utilisée est basée essentiellement sur des observations in situ et consiste à prélever mensuellement, sur le terrain, les PFC contenues dans les retombées atmosphériques et dans les eaux d'infiltration d'un sol. L'étude en MET/EDX des PFC individuelles à permis de réaliser une caractérisation typologique et physico-chimiques et d'étudier leur abondance et leur réactivité face aux contaminants. Par ailleurs, la connaissance des paramètres environnementaux de chacun des sites et l'étude statistique détaillée de l'évolution de PFC a permis de proposer un modèle conceptuel de la l'évolution dynamique (distribution, réactivité) des PFC dans les environnements considérés. Les résultats obtenus en microscopie montrent que la très grande majorité des particules ont un diamètre inférieur à 0,45 µm. L'étude systématique au MET et à l'EDX des échantillons a permis de caractériser les particules présentes et de différencier plusieurs types récurrents dans des contextes environnementaux distincts, ainsi les PFC sont, (i) minérales et constituées par des argiles plus ou moins altérées, des oxy-hydroxydes et des sels (sulfures, chlorures) avec la présence ponctuelle de carbonates et de tectosilicates, ou (ii) organiques et constituées par des bactéries ou de la matière organique non-vivante (exsudats de bactérie et matière organique dégradée), ou encore (iii) des associations mixtes de particules organiques et minérales formant des micro-agrégats organo-minéraux. Au-delà de l'étude typologique, la caractérisation des propriétés physico-chimiques des différents types de PFC a permis d'en identifier les sources, l'abondance et la réactivité. L'étude de la distribution au cours du temps des PFC des retombées atmosphériques et la connaissances des facteurs environnementaux sur les deux sites étudiés a permis de mettre en évidence les facteurs clefs contrôlant la distribution des PFC. Ainsi, il apparaît, dans un premier temps, que l'intensité et la hauteur de pluie sont les facteurs principaux mis en jeu. Cependant, la localisation et le mode d'occupation des sols influent également en modifiant, en amont, les sources de PFC et en aval l'action de la pluie. En effet, si l'étude de la dynamique des PFC des retombées atmosphériques sur les deux sites montre une influence très nette de la pluie, les deux sites montrent une réponse différente. L'acteur majeur contrôlant les dépôts de PFC est la pluie, modifié par la présence de couvert végétal qui induit un enrichissement en éléments et l'agrégation des PFC sur les feuilles. L'acteur majeur contrôlant les PFC dans les eaux d'infiltration du sol étudié est la dynamique hydrique du sol et donc les fluctuations de son état de saturation en fonction de la profondeur considérée et de la pluviosité. Enfin, ce travail permet de souligner trois résultats importants que sont : la mise au point d'une méthodologie efficace, la mise en évidence d'un vecteur de contaminants essentiel et souvent négligé que sont les bactéries, via les observations in situ et des expériences en laboratoire et l'importance des mécanismes d'agrégation dans le transport des PFC.

Les processus hydrodynamiques et sédimentaires subtidaux sont étudiés en Manche au niveau du détroit du Pas-de-Calais et de son littoral méridional, et de la Mer d'Iroise et de la Baie de Douarnenez, à travers diverses modalités d'influence de l'hétérogénéité spatiale des sédiments de fond, de la houle via son interaction avec le courant en couche limite de fond et du vent. Une procédure nouvelle d'interpolation spatiale des distributions granulométriques permet de respecter l'hétérogénéité du substrat. L'approche méthodologique combine et confronte mesures de terrain et modélisation numérique. La modélisation, couplant des codes de circulation 3D (COHERENS) et de propagation de houle (SWAN), incorpore des modules de transport sédimentaire non-cohésif multiclasse, un module spécifique d'interaction houle-courant et diverses paramétrisations liées aux rides sableuses de fond (géométrie, coefficient de frottement), ainsi qu'un calcul optimisé du dépôt à l'interface eau-sédiment. La comparaison des prédictions numériques aux mesures recueillies le long du littoral méridional du détroit du Pas-de-Calais montre les interactions entre la bande littorale de sables fins envasés et la variabilité spatio-temporelle de l'hydrodynamique en conditions de courant de marée seul et superposé à une houle de Nord. La modélisation est ensuite appliquée à l'ensemble de la Manche orientale et centrale. En Baie de Douarnenez, l'analyse locale débouche sur une modélisation des influences respectives des courants de marée seuls, d'une houle de tempête superposée aux courants de marée et du vent. Enfin, une étude théorique des effets d'un cap sur la formation des bancs en drapeau est présentée.

Le frottement exerce par l'ecoulement sur un fond plat lisse est calcule a l'aide d'un modele de fermeture turbulente de type k-l en 1dv. Les resultats generalises sous une forme parametrique permettent de calculer rapidement les frottements maximum et moyen pour toutes les combinaisons d'un courant et d'une houle colineaires ou obliques. La distribution verticale et la variation temporelle de sediment en suspension sur un fond rugueux sont examinees par une autre version de ce meme modele. Les comparaisons intensives avec les experiences montrent les limites et les applications possibles de ce type de modele dans le genie cotier. La couche limite oscillatoire sur les fonds de rides est etudiee a l'aide d'une version 2dv du modele k-l et d'un modele de type vortex discret. La generation, le developpement et l'ejection des vortex autour des rides sont clairement reproduits par les modeles

Actuellement, la Loire, voit sa géodynamique de plus en plus détériorée. Le déficit du transport solide provoque un enfoncement du lit mineur sur plusieurs secteurs du bassin Amont. Ceci a pour conséquence une déstabilisation progressive des ouvrages (digues, ponts) et l'érosion ou le colmatage des berges ainsi qu'une baisse du niveau piézométrique des nappes alluviales. Le traitement de ces problèmes passe par une meilleure connaissance des processus d'érosion et d'incision fluviale, le premier laissant place au second une fois que la couche « alluviale » a été totalement emportée, laissant apparaître un affleurement rocheux dans le lit du cours d'eau. Ce phénomène complexe est actuellement constaté en divers endroits de la Loire, dans la plaine du Forez. Nous proposons trois approches pour l'analyser.La première approche est fondée sur la modélisation numérique utilisant les équations de Barré-Saint-Venant, pour l'écoulement, couplées aux équations d'Exner et de Meyer-Peter Müller pour le transport solide. Ce modèle monodimensionnel permet d'obtenir la côte du fond du lit de la rivière et le flux solide au droit de chaque point de calcul.La seconde approche, mécaniste, consiste à déterminer de façon semi-empirique le taux d'incision du substratum marneux à partir de deux variables majeures: la puissance hydraulique totale et le coefficient d'abrasion en un point donné. La puissance hydraulique est calculée à l'aide d'un modèle hydraulique tandis que le nombre d'abrasion est une propriété mécanique de la marne qui est déterminée à partir d'essais en laboratoire. La troisième approche relève de la géochimie. Elle consiste à déterminer les provenances des matériaux contribuant à la recharge latérale des sédiments, à partir de leurs signatures géochimiques. Ceci a fait l'objet d'analyses en laboratoire sur des échantillons prélevés sur l'ensemble du linéaire entre Grangent et Balbigny. Les résultats obtenus montrent que ces approches indépendantes sont complémentaires et permettent une description à la fois qualitative et quantitative de l'enfoncement du lit de la Loire dans le secteur d'étude<br>Currently, the Loire river, sees its geodynamic increasingly deteriorated. The deficit of sediment transport causes erosion of the bed on several areas of the basin. This results in a gradual destabilization of structures (dams, bridges), erosion or clogging of banks or a decline in piezometric level alluvial.Treating these problems requires a better understanding of the processes of erosion and river incision, the second succeeding the first, once the alluvial material of the bottom was completely removed, revealing a bed outcrop.This complex phenomenon is currently found in various parts of the Loire river, in the plain of Forez.We propose three approaches for this analysis.The first approach is based on numerical modeling using the equations of Barre-de-Saint-Venant, for flow, coupled with the equations of Exner and Meyer-Peter Müller for sediment transport. This monodimensional model allows the simulation of riverbed changement and sediment discharge, right each calculation point of grid mesh.The second approach is mechanistic and consists of determining the rate of marly bedrock incision by a semi-empirical method by the use of two major variables: the total hydraulic power and an abrasion coefficient. The hydraulic power is calculated using a hydraulic model, while the abrasion coefficient is a mechanical property of the marl which is determined from laboratory tests.The third approach is the geochemistry. It consists in determining the provenance of the materials from tributaries and in the main chanel by analyzing their geochemical signatures. This has been the subject of laboratory tests on samples taken across the linear from Grangent to Balbigny.The results obtained show that these independent approaches are complementary and provide both a qualitative and quantitative description of the incision of the Loire river in the study area

Le travail effectué au cours de cette thèse s'inscrit au sein du projet ANR Mascaret, dont l'objectif est la compréhension du phénomène de mascaret, l'étude de ses conséquences sur l'environnement et sa sensibilité aux modifications de cet environnement. La contribution de cette thèse s'inscrit uniquement dans la partie numérique de ce projet. Seul l'aspect transport sédimentaire causé par le mascaret sera abordé. Le but est de construire un modèle numérique de transport sédimentaire général qui pourra notamment s'appliquer au cas du mascaret. Trois méthodes numériques sont explorées, une première permettant le suivi individuel des grains sédimentaires et deux autres permettant de suivre l'évolution de la concentration en grains au sein de l'écoulement. La première méthode considérera les plus petites échelles et sera appelée méthode tracker et consistera en un suivi individuel des grains sédimentaires. La seconde méthode, dite méthode particulaire, portera sur des échelles plus larges et le transport d'une concentration locale en grains sédimentaires. Enfin, la troisième méthode, que l'on appellera méthode des moments, s'intéressera aux échelles les plus larges en transportant un nuage de particules sédimentaires dans son ensemble grâce à une seule particule numérique caractérisée par les moments de sa distribution en concentration interne. Ceci permettra de caractériser le transport sédimentaire de manière locale qui se produit lors du passage d'un mascaret. Deux mascarets ondulés de nombre de Froude proches seront étudiés. Il sera notamment montré que le nombre de Froude n'est pas un critère permettant de caractériser le transport sédimentaire induit par les mascarets<br>The work performed during this thesis is a part of the Mascaret ANR project, which aims to understand the phenomenon of tidal bore, the study of its impact on the environment and its sensitivity to changes in that environment. The contribution of this thesis lies solely in the numerical part of this project. Only the sediment transport caused by the tidal bore is discussed. The goal is to build a generic numerical model of sediment transport which can therefore be applied to the specific case of tidal bores. Three methods are explored, a first for individual tracking of sediment grains and two to model the concentration of grains in the flow. The first method considers the smallest scales and will be called tracking method and consists of individual tracking of sediment grains. The second method, called particle method, focuses on larger scales and the transport of local concentration of sedimentary grains. The third method, which we call moments method, will focus on the largest scales, carrying a cloud of sediment grains as a whole using a single numerical particle characterized by the moments of its internal concentration distribution. This will characterize the local sediment transport process occurring during the passage of a tidal bore. Two undulating bores will be studied whose Froude numbers are close. It will be shown in particular that the Froude number is not a criterion to deduce the intensity of the induced tidal bores sediment transport

This thesis deals with the role of precipitation on erosion and landscape formation in the Nepal Himalayas. I investigate all successive steps involved in the erosion process: 1) Starting from the evaluation of precipitation datasets, 2) the transfer of precipitation to river discharge, 3) the mobilization and transport of material out of the mountain range, 4) and finally, erosion constrains over longer time-scales. I show that the dataset derived from the interpolation of rain gauge data performs best in the Himalayas. I demonstrate the importance of an until now unconsidered, major compartment of the Himalayan discharge cycle, which I identify as a fractured basement aquifer, and estimate the snow and ice melt contribution to the Himalayan rivers. Erosion rates calculated from suspended sediment fluxes and cosmogenic nuclide analysis range between 0.1 and 4 mm/yr. The rivers in the Nepal Himalayas are supply limited and the hillslopes as contributing source are transport limited. Last I show that over several thousand years erosion is not related with precipitation, but with relief.<br>Cette thèse porte sur le rôle des précipitations sur l’érosion et la formation des reliefs dans l’Himalaya Népalais. J’étudie chaque étape du processus d’érosion : 1) Evaluation des bases de données de précipitations, 2) Transfert des précipitations au débit fluvial, 3) Mobilisation et transport du matériel dans le bassin versant, et enfin 4) Mécanismes d’érosion sur de longues échelles de temps. Je montre que la base de données de précipitations obtenue par interpolation de données pluviométriques est la plus performante pour la région de l\'Himalaya. Je démontre l’importance d’une composante majeure, jusqu’alors ignorée, du cycle de débit de l’Himalaya que j’identifie comme étant les aquifères de sous-sol fracturé, et j’évalue la contribution de la fonte des neiges et glaces aux rivières Himalayennes. Les taux d’érosion calculés à partir des flux de sédiments en suspension et des analyses de nucléides cosmogéniques varient de 0.1 à 4 mm/a. Les rivières au Népal sont limitées par l’apport sédimentaire alors que les versants, en tant que source de sédiments, sont limités par le transport. Enfin, je montre que l’érosion sur des milliers d’années ne dépend des précipitations mais du relief.<br>Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle des Niederschlag bei Erosions- und Oberflächenprozessen im nepalesischen Himalaja. Ich untersuche die Abfolge der Erosionspsozesse im Himalaja: 1) Ausgehend von der Bewertung von Niederschlagsdatensätzen, 2) die Prozesse der Abflussbildung in Flüssen, 3) die Mobilisierung und Transport von Material, 4) und Erosionsraten über längere Zeiträume. Ich zeige, dass interpolierte Niederschlagsdaten die beste Qualität im Himalaya haben. Ich zeige auf, wie wichtig der bislang unberücksichtigt Grundwasserzwischenspeicher für die Abflussbildung im Himalaya ist und schätze den Anteil der Schnee-und Eisschmelze an dem Gesamtabfluss der Flüssen im Himalaja. Erosionsraten die mittels Schwebestofffracht und der Analyse kosmogener Nukluide berechnet wurden, liegen zwischen 0,1 und 4 mm pro Jahr. Der Sedimenttransport in den Flüssen in Nepal ist limitiert durch die Verfügbarkeit von transportierbarem Material, während der Transport und die Mobilisierung auf den Hängen durch die Verfügbarkeit von Wasser limitiert ist. Zudem sind die Erosionsraten über mehrere Jahrhundert nicht von der Niederschlagsverteilung abhängig sondern vom Relief.

Cette thèse valorise les données de mesure en continu de pluie de débit et de turbidité, ainsi que les bases de donnée de résultat d'analyse et les connaissances acquises dans le cadre des trois observatoires français en hydrologie urbaine, OPUR-Paris, OTHU-Lyon et ONEVU Nantes, pour valider et améliorer les connaissances sur les flux et les sources de particules vectrices de contaminants, en réseaux d'assainissement unitaire. Les données provenant de 6 sites expérimentaux drainés par un réseau d'assainissement unitaire ont été exploitées : Marais, Quais et Clichy à Paris, Cordon Bleu et Saint-Mihiel à Nantes et Écully à Lyon, avec sur chaque site des bases de données de longue durée qui ont permis des études statistiques sur des échantillons de plusieurs dizaines d'événements pluvieux et de journées de temps sec. Cette thèse a permis : 1- d'évaluer la représentativité de la turbidité pour analyser du transport solide en réseau ; 2- d'analyser et de modéliser statistiquement les concentrations et les masses de particules à l'échelle événementielle ; 3- d'étudier la dynamique des flux et des concentrations à l'échelle intra-événementielle. Les résultats obtenus indiquent d'une part, que la turbidité permet de décrire les dynamiques intra-événementielles des flux et des concentrations à condition d'exprimer ceux-ci sous forme relative, normalisée par les valeurs moyennes événementielles. En revanche, ces valeurs événementielles sont attachées par des erreurs systématiques non négligeables induites par les variations inter-événementielles de la relation MES-Turbidité (intervalle de confiance de l'ordre de 30% de la moyenne). Ils confirment d'autre part que la contribution des dépôts aux flux de temps de pluie est importante mais variable (entre 20 et 80% de la masse à l'exutoire selon l'événement), y compris sur un site réputé exempt de dépôts (grossiers). Autrement dit, les problématiques d'ensablement et de pollution de temps de pluie ne sont pas nécessairement liées. L'autre contribution majeure est celle des eaux usées « de temps sec ». De plus, ils nous ont permis de progresser dans la compréhension des phénomènes de décalage temporel entre hydrogramme et pollutogramme et d'effet piston<br>This thesis exploits continuous measurement of rainfall, discharge and turbidity data and the knowledge acquired by three French observatories in urban hydrology, OPUR-Paris, OTHU Lyon and ONEVU-Nantes, to validate and improve knowledge on suspended solids discharges and sources of particles, which are major vectors of contaminants in combined sewer systems. Data from six experimental sites served by a combined sewer system were used: Marais, Quais and Clichy in Paris, Cordon Bleu and Saint-Mihiel in Nantes and Ecully in Lyon. At each site, a long duration databases enabled statistical studies on samples of several tens of rainfall events and dry weather days. This thesis allowed: 1-to assess the representativeness of turbidity to analyze sediments transport in network; 2-to analyze and model concentrations and masses of particles at the scale of rain events; 3-to study the dynamics of fluxes and concentrations at intra-event scale. Results show that turbidity can describe the dynamics of intra-event fluxes and concentrations provided these are expressed in a relative form, normalized by the event mean values. However, these mean values are attached by significant systematic errors induced by variations of the inter-event TSS-turbidity relationship (95% confidence interval about 30% of average). The contribution of sewer deposits to wet weather suspended solids discharges is important but variable (between 20 and 80% of the mass at the outlet depending on the event), including for a site allegedly free of (coarse) sewer deposits. In other words, the problems of silting and contribution from deposits to wet weather pollution are not necessarily related. The other major contribution is from “dry weather” wastewater. In addition, they we made some progress in understanding the lag-time phenomena between hydrograph and pollutograph and the piston effect

This thesis deals with the role of precipitation on erosion and landscape formation in the Nepal Himalayas. I investigate all successive steps involved in the erosion process: 1) Starting from the evaluation of precipitation datasets, 2) the transfer of precipitation to river discharge, 3) the mobilization and transport of material out of the mountain range, 4) and finally, erosion constrains over longer time-scales. I show that the dataset derived from the interpolation of rain gauge data performs best in the Himalayas. I demonstrate the importance of an until now unconsidered, major compartment of the Himalayan discharge cycle, which I identify as a fractured basement aquifer, and estimate the snow and ice melt contribution to the Himalayan rivers. Erosion rates calculated from suspended sediment fluxes and cosmogenic nuclide analysis range between 0.1 and 4 mm/yr. The rivers in the Nepal Himalayas are supply limited and the hillslopes as contributing source are transport limited. Last I show that over several thousand years erosion is not related with precipitation, but with relief<br>Cette thèse porte sur le rôle des précipitations sur l’érosion et la formation des reliefs dans l’Himalaya Népalais. J’étudie chaque étape du processus d’érosion : 1) Evaluation des bases de données de précipitations, 2) Transfert des précipitations au débit fluvial, 3) Mobilisation et transport du matériel dans le bassin versant, et enfin 4) Mécanismes d’érosion sur de longues échelles de temps. Je montre que la base de données de précipitations obtenue par interpolation de données pluviométriques est la plus performante pour la région de l\'Himalaya. Je démontre l’importance d’une composante majeure, jusqu’alors ignorée, du cycle de débit de l’Himalaya que j’identifie comme étant les aquifères de sous-sol fracturé, et j’évalue la contribution de la fonte des neiges et glaces aux rivières Himalayennes. Les taux d’érosion calculés à partir des flux de sédiments en suspension et des analyses de nucléides cosmogéniques varient de 0.1 à 4 mm/a. Les rivières au Népal sont limitées par l’apport sédimentaire alors que les versants, en tant que source de sédiments, sont limités par le transport. Enfin, je montre que l’érosion sur des milliers d’années ne dépend des précipitations mais du relief<br>Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle des Niederschlag bei Erosions- und Oberflächenprozessen im nepalesischen Himalaja. Ich untersuche die Abfolge der Erosionspsozesse im Himalaja: 1) Ausgehend von der Bewertung von Niederschlagsdatensätzen, 2) die Prozesse der Abflussbildung in Flüssen, 3) die Mobilisierung und Transport von Material, 4) und Erosionsraten über längere Zeiträume. Ich zeige, dass interpolierte Niederschlagsdaten die beste Qualität im Himalaya haben. Ich zeige auf, wie wichtig der bislang unberücksichtigt Grundwasserzwischenspeicher für die Abflussbildung im Himalaya ist und schätze den Anteil der Schnee-und Eisschmelze an dem Gesamtabfluss der Flüssen im Himalaja. Erosionsraten die mittels Schwebestofffracht und der Analyse kosmogener Nukluide berechnet wurden, liegen zwischen 0,1 und 4 mm pro Jahr. Der Sedimenttransport in den Flüssen in Nepal ist limitiert durch die Verfügbarkeit von transportierbarem Material, während der Transport und die Mobilisierung auf den Hängen durch die Verfügbarkeit von Wasser limitiert ist. Zudem sind die Erosionsraten über mehrere Jahrhundert nicht von der Niederschlagsverteilung abhängig sondern vom Relief

La production de pétrole s’accompagne de la formation d’émulsions eau-pétrole dont la séparation est réalisée dans des décanteurs gravitaires horizontaux fonctionnant en continu. La coalescence lente des gouttes d’eau avec l’interface huile-eau forme une zone dense (DPZ) dont les gouttes peuvent être remises en suspension et réentraînée. L’objectif de ce travail consiste à identifier et quantifier les mécanismes de réentraînement par une étude expérimentale. Un canal rectangulaire fermé par un déversoir permet de reproduire l’écoulement stratifié huile-DPZ-eau. Considérant la DPZ comme un système non coalescent, des particules solides remplacent les gouttes d’eau. Trois phénomènes ont été observés. (1) Le charriage des particules à la surface du lit. Contrôlé par la contrainte de cisaillement de l’écoulement du fluide, il apparait si la contrainte adimensionnelle thetadépasse le seuil critique de mise en mouvement estimé à theta c = 0. 23. Une fois les particules en mouvement, le débit adimensionnel de charriage est fonction de theta et s’écrit phi = 0. 417D*3/2. Theta puissance 3. 2) L’arrachage des particules du lit situées juste en amont du déversoir. Ce phénomène transitoire est dû aux recirculations du fluide devant le déversoir et apparait si theta &gt; 0. 7theta c. (3) La déformation du lit de particules en amont du déversoir. Résultat des mécanismes précédents, une dune se crée, suivie d’une zone d’affouillement, et atteint un état stationnaire dont la position et la forme ne dépendent que de la hauteur du déversoir. Les résultats indiquent que la position de la crête de la dune xc est telle que xc /Ho = 0. 75<br>In crude oil industry, dispersion separation is frequently achieved using continuously running, horizontal gravity settlers designed to produce well defined layers of oil and water. The slow coalescence of the micron-sized water drops at the oil-water interface (OWI), results in an accumulation of drops called dense-packed zone (DPZ), which may be re-entrained into oil. This experimental work aimed at determining and quantifying the mechanisms of re-entrainment of the DPZ. Experiments were conducted in a rectangular open channel ended by a vertical weir in which a mineral oil and tap water were re-circulated. Assuming the DPZ as a non coalescing system, a granular non-cohesive bed was deposited at the OWI to replace the DPZ. Three phenomena were revealed. (1) Bed load transport occurred when the dimensionless shear stress exerted by oil flow on the particles exceeded a critical value theta c = 0. 23. The corresponding dimensionless bed load rate  was found to be a function of theta such that phi = 0. 417D*3/2. Theta puissance 3. (2) Transient particle re-entrainment in the vicinity of the weir. Because of the flow recirculation ahead the weir, particles were lifted and transported above the weir when theta &gt; 0. 7theta c. These two mechanisms drove the formation and the evolution of (3) the bed deformation. Within about 150 mm upstream of the weir, the initial flat bed took the shape of a dune followed by a small scour hole. At steady state, the position and the size of the dune were independent of the operating flow rate Q but were affected by the weir height Ho. Results show that the position of the crest xc is a function of Ho such that xc /Ho = 0. 75

Erosion et transferts de matières (i.e. matières en suspension-MES, associées avec le carbone et les éléments traces métalliques - ETM) par les fleuves et rivières sont contrôlés par des facteurs naturels (ex. géologie, climat) et peuvent être significativement modifiés par les pressions anthropiques et/ou, le changement climatique. En se basant sur une banque de données de concentrations en MES et de débits, à hautes résolutions temporelles (journalières) sur le long terme (1960-2008) à l’exutoire du bassin versant du Fleuve Rouge (Chine/Vietnam), les taux d’érosion ont été estimés en moyenne à 600 t/km²/an avec des valeurs variant de 160 à 1330 t/km²/an selon les années. Cette large gamme de taux d’érosion est liée fortement aux conditions hydrologiques interannualles, mais aussi à la présence de réservoir de HoaBinh en 1989. En effet, à partir 1989, chaque année, 50% de matières transportées par le Fleuve Rouge sont piégées dans ce réservoir, correspondant à un taux de sédimentation dans le réservoir de 52 à 200 cm/an. La variabilité spatiale des flux de MES du bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam suggère que les MES du Fleuve Rouge viennent principalement de l’érosion en amont du bassin versant (~80%), contrairement à ce que l’on observe pour le flux liquide (~21%). De plus, l’échange des processus érosion-transport-sédimentation dans la partie médiane du bassin versant dépend fortement des conditions hydrologiques ; à l’inverse, une forte sédimentation a été observée à l’entrée du Fleuve Rouge dans le delta, quelle que soit la condition hydrologique. De même, dans la partie vietnamienne du Fleuve Rouge, les facteurs majeurs influant sur le taux d’érosion seraient les maximas d’élévation et la pente moyenne du bassin. Un suivi hebdomadaire à bimestriel en 2008-2009 des paramètres biogéochimiques (carbone et ETM) ont permis de caractériser la qualité des eaux et des particules sur l’ensemble du bassin versant du Fleuve Rouge. Les concentrations en carbone organique (particulaire et dissous) dans les eaux du Fleuve Rouge sont relativement faibles et majoritairement d’origine allochtone. Les concentrations en carbone inorganique dissous (CID) sont très importantes, en faisant le composé majoritaire (60-90%) des eaux du Fleuve Rouge, en relation avec la présence de roches carbonatées dans le bassin versant. En terme de concentrations en ETM, la qualité des eaux et des particules transportées dans le bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam peut être qualifiée de mauvaise dans la partie amont et de médiocre en aval. L’étude de la répartition entre phase dissoute et phase particulaire a montré que l’essentiel des transferts se fait sous forme particulaire pour plupart des ETM (excepté Mo), dû aux forts taux d’érosion mécanique. De plus, l’étude à haute résolution spatiale (40 points) réalisée sur l’ensemble bassin versant du Fleuve Rouge au Vietnam des concentrations en ETM et de leur spéciation (dissous et particulaire) a mis en évidence de fortes anomalies géochimiques dans la partie amont. Enfin, l’identification des signatures géochimiques des particules érodées a révélé des signatures similaires entre les particules de l’amont et de l’aval du Fleuve Rouge, démontrant une contribution quasi-exclusive de la partie chinoise aux flux de matière (80-95% au flux total)<br>Erosion and transfer of suspended particulate matter (SPM), and associated elements (e.g. carbon, trace metal elements-ETM) by river are attributed to a combination of natural parameters related to geology and climatic influences and affected by human disturbance. Based on an extensive dataset of daily water discharge and SPM concentrations between 1960 and 2008 at the outlet of the Red River system, the annual SPM yield of the Red River is estimated at 600 t/km²/yr (ranged between 160 and 1330 t/km²/yr). This large range of sediment yield is strongly related to the inter-annual hydrological conditions and the operation of the HoaBinh Reservoir in 1989. In fact, the HoaBinh Reservoir reduces annual SPM delivery to the delta by half after 1989, i.e. the mean sedimentation rate of 52-200 cm/yr. The spatial variability of SPM fluxes in the Red River watershed suggests that most SPM were eroded from the upstream catchment located in China (80%), contrasting the water discharge with only 21%. In addition, the complex processes of erosion/sedimentation occurring in the middle Red River basin strongly depend on hydrological conditions; in contrast, an important sedimentation was observed at the entry point to the Red River Delta whatever the hydrological conditions. The major factors controlling the spatial variation of the sediment yields of the Vietnamese Red River watershed are maximum elevation and mean surface.During 2008-2009, high resolution sampling (weekly to bimestrial) of biogeochemical parameters (carbon and ETM) were performed at five key sites along the Red River system. The organic carbon (particulate and dissolved) concentrations in the Red River are relatively low and mainly allochtonous; in contrast, the dissolved inorganic carbon are very important and is the major carbon form (60 -90%) in relation to the abundance of carbonate rocks in the Red River watershed. In terms of ETM concentrations, the quality of water and SPM transported in the Vietnamese Red River watershed can be classified as poor upstream and as mediocre downstream. The study of the partition between the dissolved and particulate phases showed that most ETM transported in the Red River are in particulate phase (except Mo), due to the high mechanical erosion rate. In addition, high spatial resolution study (40 sites) performed in the Vietnamese Red River watershed of ETM concentrations and their speciation (dissolved and particulate) has highlighted strong geochemical anomalies in the upstream Red River. Finally, the identification of geochemical signals showed a similarity in the geochemical signal of particulate metal transport between upstream and downstream of the Red River, suggesting a contribution quasi-exclusively from the upstream part (in China) in the ETM fluxes of the Red River (80 -95%)<br>Quá trình xói mòn và vận chuyển vật chất (chất rắn lơ lửng, các-bon và kim loại nặng) bởi các dòng sông, suối chịu ảnh hưởng tổng hợp từ các quá trình tự nhiên (địa chất, khí hậu) và các hoạt động của con người. Dựa trên các bảng số liệu ngày về hàm lượng chất rắn lơ lửng và lưu lượng nước trong giai đoạn từ năm 1960 đến năm 2008 trên trục chính của sông Hồng tại trạm Sơn Tây (hạ nguồn của hệ thông sông Hồng trước khi chảy vào vùng đồng bằng), mục tiêu đầu tiên của luận án là nghiên cứu sự biến đổi theo thời gian tải lượng trung bình chất rắn lơ lửng của sông Hồng. Các kết quả cho thấy trong giai đoạn quan trắc, hàng năm sông Hồng chuyển tải ra biển khoảng 24×106 đến 200×106 tấn/năm (trung bình các năm là 90×106 tấn /năm), tương đương với hệ số xâm thực từ 160 đến 1330 tấn/km²/năm. Chính sự phụ thuộc mạnh mẽ của hàm lượng chất rắn lơ lửng vào các điều kiện thuỷ văn khác nhau đã tạo ra sự đa dạng về tải lượng chất rắn chuyển tải hàng năm của hệ thống sông Hồng. Tuy nhiên, trong những năm 1989-1990, khi hồ chứa Hoà Bình đi vào hoạt động, tải lượng chất rắn lơ lửng chuyển tải ra biển của hệ thống sông Hồng đã giảm sút còn khoảng 50×106 tấn, tức là đã giảm khoảng 50%. Dựa trên chiều cao và thể tích của hồ Hoà Bình, hệ số lắng đọng chất rắn lơ lửng trong lòng hồ được xác định vào khoảng 52-200 cm/năm. Như vậy, sau 20 năm đi vào hoạt động, độ dầy lớp bùn đất lắng đọng trong hồ Hoà Bình khoảng 10.4-40m, làm giảm đáng kể thể tích của hồ Hoà Bình.Mục tiêu tiếp theo của luận án là thiết lập cân bằng hàm lượng chất rắn lơ lửng trong các đoạn sông từ thượng nguồn sông Hồng (trạm Lào Cai), tại các hạ nguồn của 3 nhánh sông chính (sông Hồng tại Phú Thọ, sông Đà và sông Lô tại Việt Trì) và tại Sơn Tây trong thời kỳ 2003-2008. Diễn biến của các quá trình xói mòn, chuyển tải và lắng đọng diễn ra trên các đoạn sông một cách phức tạp, đan xen lẫn nhau và phụ thuộc chặt chẽ vào các điều kiện thuỷ văn. Tuy vậy, hiện tượng lắng đọng mạnh mẽ các chất rắn lơ lửng trong vùng hạ nguồn của hệ thống sông Hồng (từ Phú Thọ đến Sơn Tây) đã được ghi nhận trong tất cả các năm quan trắc, không phụ thuộc vào điều kiện thuỷ văn. Ngoài ra, dựa vào các số liệu thu thập được, chúng tôi đã lập bản đồ xói mòn cho toàn bộ lưu vực sông Hồng tại Việt Nam. Hơn thế, các kết quả còn chỉ ra rằng độ cao và độ dốc trung bình lưu vực là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ số xâm thực của lưu vực sông Hồng.Đánh giá chất lượng nước và chất lượng chất rắn lơ lửng chuyển tải trong hệ thống sông Hồng là mục tiêu thứ 3 của luận án. Để đạt được mục tiêu trên, chúng tôi đã tiến hành lấy các mẫu nước và chất rắn lơ lủng trên trục chính cũng như trên các nhánh sông chính của sông Hồng để phân tích hàm lượng các-bon hữu cơ và vô cơ cũng như hàm lượng kim loại nặng trong hai năm 2008-2009, với chu kì lấy mẫu hàng tuần đến hàng tháng. Hàm lượng các-bon hữu cơ (dạng hoà tan và lơ lửng) trong nước sông Hồng tương đối thấp tại tất cả các điểm lấy mẫu và nguồn gốc chính của các-bon hữu cơ là allochtone. Ngược lại, hàm lượng các-bon vô cơ hoà tan rất cao, chiếm khoảng 60-90% hàm lượng các-bon tổng và được giải thích bằng sự có mặt phong phú của núi đá vôi trên toàn lưu vực. Đối với kim loại nặng, dựa trên các kết quả phân tích về hàm lượng kim loại nặng trong nước và trong chất rắn lơ lửng và các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng nước QCVN 08, chúng tôi đã đánh giá chất lượng nước cho toàn bộ hệ thống sông Hồng từ Lào Cai đến Sơn Tây. Nếu nước sông Hồng trên vùng thượng nguồn (tại Lào Cai và Phú Thọ) không đảm bảo chất lượng để có thể sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt thì tại các vùng hạ lưu của sông Hồng, sông Đà và sông Lô, nhìn chung nước của 3 nhánh sông có thể dùng để cung cấp nước sinh hoạt nhưng phải qua các quá trình xử lí tách cặn lơ lửng. Hơn nữa, trong năm 2008, chúng tôi đã thực hiện hai chương trình lấy mẫu nước, chất rắn lơ lửng và trầm tích trên 40 điểm phân bố đều trên toàn bộ lưu vực sông Hồng tại Việt Nam trong mùa cạn và mùa mưa

A travers cette thèse, nous avons cherché à développer de nouvelles méthodes de mesure, basées sur la rétrodiffusion acoustique, pour estimer la concentration massique des sédiments en suspension dans les rivières. Souvent, ces sédiments présentent une distribution granulométrique bimodale, i.e. constituée d’un mélange de sédiments fins et de sable. Le principal avantage des méthodes hydroacoustiques est leur capacité à fournir des mesures avec une résolution spatiale et temporelle bien meilleure que les techniques classiques type prélèvement. L’objectif est in fine d’améliorer l’estimation du flux sédimentaire dans les cours d’eau. Des mesures acoustiques multifréquences, associées à des prélèvements physiques, ont été réalisées sur le terrain et dans une cuve expérimentale au laboratoire. Des méthodes d’inversion du signal acoustique ont été testées et développées au laboratoire sur une suspension homogène de sédiments fins. Une nouvelle méthode en particulier, combinant analyse de la rétrodiffusion et de l’atténuation acoustique, a permis de retrouver la concentration massique des sédiments avec une précision de l’ordre de ± 20 %. En rivière, une méthode mixte alliant données de calibration et inversion du signal acoustique à deux fréquences a été développée, permettant, dans certaines conditions, d’estimer la concentration des sédiments fins et du sable sur l’ensemble de la section en travers d’un cours d’eau. Ce résultat confirme la capacité de la technologie hydroacoustique à fournir une information spatiale sur la suspension. Des écarts parfois importants ont été observés entre la réponse acoustique théorique, calculée à partir des données de concentration et de granulométrie, et les mesures acoustiques sur le terrain. Il semble que ces écarts soient dus à la présence d’autres corps diffusants dans les rivières, probablement des flocs et/ou des micro-bulles d’air. Ces travaux appellent au développement d’un cadre théorique plus performant et adapté aux suspensions rencontrées en rivière<br>With this PhD, we have tried to develop new measurement methods, based on acoustic backscattering, to estimate the mass concentration of suspended sediments in rivers. These sediments often show a bimodal grain-size distribution, i.e. composed of a mixture of fine and sand particles. The main advantage of hydroacoustic methods is their ability to provide measurements with a much better spatial and temporal resolution than conventional sampling techniques. The ultimate goal is to improve the sediment load estimation in rivers. Multifrequency acoustic measurements, combined with physical sampling, were carried out in the field and in an experimental laboratory tank. Acoustic inversion methods were tested and developed on a homogeneous suspension of fine sediments in the laboratory. A new method was implemented, combining the analysis of acoustic backscatter and attenuation, and led to retrieve the sediment mass concentration with a precision in the order of ± 20%. In rivers, a semi-empirical method combining calibration data and acoustic inversion at two frequencies has been developed, allowing, under certain conditions, to estimate the concentration of fine and sand sediments throughout the entire river cross-section. This result confirms the ability of hydroacoustic technology to provide spatial information on the suspension. Significant differences were frequently observed between the theoretical acoustic response, computed from concentration and particle size data, and the acoustic measurements in rivers. It seems that these differences could be due to the presence of other scatterers in rivers, probably flocs and/or air micro-bubbles. This work calls for the development of a more efficient theoretical framework suitable for river suspensions

Cette thèse aborde la fragmentation d'un milieu lui-même divisé, en l'occurrence, un liquide visqueux contenant des billes ou fibres solides interagissant uniquement mécaniquement. Des expériences sur des ponts et jets capillaires étirés permettent de distinguer un étirement newtonien du jet de sa brisure catastrophique résultant d'effets de taille finie. La phase d'étirement est déterminée par une viscosité élongationnelle, indiscernable de celle de cisaillement pour des billes, et en accord avec des prédictions existantes supposant un alignement des fibres avec le jet. La brisure est caractérisée par le diamètre du jet auquel elle se manifeste. Ces éléments permettent d'expliquer la longueur d'un jet de suspension mesurée sur une large gamme de débits, viscosités du liquide et tailles des billes, couvrant les régimes d'étirement visqueux et inertiel et les régimes où les effets capillaires dominent ou sont écrantés par les effets de taille finie. Ils serviront de base à la compréhension des tailles gouttes produites par la fragmentation et documentées ici<br>This thesis address the fragmentation of a media which is itself divided, which is is this case a viscous liquid containing solid beads or fibers that are only interacting through mechanical contacts. Experiments on capillary bridges and elongated capillary jets are carried out in order to distinguish a Newtonian elongation from a catastrophic break-up, the latter resulting from the discrete size effects. The stretching regime is determined by an elongational viscosity, indistinguishable from shear viscosity in the case of the beads, and in agreement from existing theories for aligned fibers in the jet. The break-up is characterized by the diameter at which it occurs. All these elements allow to explain the length of a jet of suspension, measured over a wide range of debits, liquid viscosity and beads diameter, for the viscous and inertial stretching and regimes where capillary effects dominates or are screened by finite size effects. They will be useful for the understanding of the droplets sizes produced during the fragmentation, documented in this manuscript