Ecole Doctorale

ESPACES, CULTURES, SOCIETES - Aix Marseille

Spécialité

Géographie

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

morphodynamique,transport sédimentaire,géomorphologie fluviale,hydrologie,

Keywords

morphodynamics,sediment transport,fluvial geomorphology,Hydrology,

Titre de thèse

Interactions entre hydrologie, morphologie, et transport sédimentaire dans une rivière alpine en tresse (le Buëch, SE France)
Interactions between hydrology, morphology and sediment transport in an Alpine braided river (The Buëch, SE France)

Date

Jeudi 18 février 2021 à 14:00

Adresse

CEREGE,Bâtiment Pasteur Europole Mediterraneen de l'Arbois BP80 13545 Aix-en-Provence amphi CEREGE

Jury

Rapporteur M. Frédéric LIEBAULT INRAE
Rapporteur M. François METIVIER INSTITUT PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS (IPGP)
Examinateur Mme Magali JODEAU EDF – R&D - LNHE
Examinateur M. Claude VELLA Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement (CEREGE)
CoDirecteur de these Mme Michal TAL Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement (CEREGE)
Directeur de these M. Edward ANTHONY Centre Européen de Recherche et d'Enseignement des Géosciences de l'Environnement (CEREGE)

Résumé de la thèse

Les rivières alluviales en tresse sont des milieux fortement dynamiques, en évolution constante du fait des rétroactions entre l’hydraulique de l’écoulement, le transport sédimentaire et la morphologie du lit. La quantification de ces interactions morphodynamiques nécessite la compréhension des flux sédimentaire et hydraulique, particulièrement difficile à estimer dans des rivières en tresses à lit de galets. Pour dépasser cette difficulté, une approche indirecte de la quantification du transport sédimentaire basée sur l’analyse de l’évolution morphologique du lit, appelé « la méthode morphologique », a été développée. Cette méthode a connu un regain d’intérêt grâces aux évolutions technologiques récentes, notamment le Light Detection And Ranging (LIDAR) et, plus récemment, la photogrammétrie haute résolution, qui permettent la mise en place de suivis topographiques fréquents à des échelles sub-métrique. Cette thèse étudie la morphodynamique d’une rivière alpine en tresse à lit de galets : Le Buëch. Cette étude repose sur le suivi d’un tronçon de 7 km sur le Buëch aval (Alpes-de-Haute-Provence, France) entre janvier 2016 et juin 2019. L’exploitation hydroélectrique du Buëch et la gestion d’un piège à graviers en aval permet d’estimer l’hydrologie et le volume de sédiments transporté à l’aval du tronçon d’étude (Vs piège). Ces données, couplées aux Modèles Numériques d’Élévation (MNEs) issus des acquisitions de photogrammétries et à la modélisation hydraulique des écoulements de pointe(s), ont permis d’étudier la variabilité temporelle et spatiale de la morphologie, de l’écoulement et du transport solide sur 4 périodes de durées variables. La distance de transport moyenne des particules a été estimée à partir de l’évolution morphologique du lit entre 100 et 300 m au cours des 4 périodes d’études. Les résultats ont montré une corrélation entre 𝜔* et distance de transport des sédiments consistante avec la littérature basée sur l’utilisation de traceurs. Ce résultat nous a permis d’estimer le flux de sédiments transporté (𝜙s) à partir de la méthode morphologique. Nos analyses ont confirmé un contrôle de la morphologie de la bande active sur la distance de transport des sédiments et sur 𝜙s. Nous avons observé des relations non linéaires entre l’évolution morphologique de la bande active (rugosité latérale, largeur de la bande active) et le flux de sédiments transporté. Ces observations, couplées à la corrélation mise en évidence entre Vs piège et 𝜔* (moyenné sur le tronçon), nous ont permis de confirmer l’existence d’une influence de l’évolution spatiale de l'hydraulique de l’écoulement sur 𝜙s. La modélisation hydraulique 2D des écoulements de pointes pour chaque période a été exploitée pour caractériser l’évolution spatiale de l’hydraulique. Une corrélation forte (R²>0.90) entre le 𝜙s et 𝜔*, calculé dans les sous-tronçons définis plus tôt, a été observée, et nous a permis de mettre en évidence l’existence d’un seuil de 𝜔* critique (ωc*=0.05, équivalent à un débit de 45 m3/s) pour le transport de sédiments. Cette estimation est cohérente avec de précédentes études réalisées sur le Buëch. Nous avons également montré que des conditions donnant un 𝜔* environs deux fois supérieur à ωc* (0.12 à 0.13) sont associés à une mobilité totale des sédiments du lit. Nos résultats des relations entre 𝜙s et 𝜔* valident des résultats issus d’études précédentes en canal. Enfin, nous avons montré que les corrélations entre 𝜙s et la fraction de la largeur mouillée morphologiquement active observée en canal ne sont pas validées sur le terrain pour des tronçons associés à un bilan sédimentaire non nul. Ce travail de thèse est une contribution à la compréhension de l’influence de la morphologie sur le transport de sédiments dans un système tressé naturel et illustre le potentiel de l’emploi d’indicateur morphologique pour caractériser la distance de transport et le seuil critique de mise en mouvement des sédiments du lit.

Thesis resume

Braided alluvial rivers are highly dynamic environments, in constant evolution due to the feedback between flow hydraulics, sediment transport and bed morphology. The quantification of these morphodynamic interactions requires the understanding of sedimentary and hydraulic flows, which is particularly difficult to estimate in braided rivers with pebble beds. To overcome this difficulty, an indirect approach to the quantification of sediment transport based on the analysis of the morphological evolution of the bed, called "the morphological method", has been developed. This method has gained renewed interest thanks to recent technological developments, notably Light Detection And Ranging (LIDAR) and, more recently, high-resolution photogrammetry, which allow the implementation of frequent topographic monitoring at sub-metric scales. The objective of this thesis is to study the morphodynamics of an alpine river in pebble-bed braid: The Buëch. This study is based on the monitoring of a 7 km section of the downstream Buëch (Alpes-de-Haute-Provence, France) between January 2016 and June 2019. The hydroelectric exploitation of Le Buëch and the management of a gravel trap downstream allows to estimate the hydrology and the volume of sediments transported downstream of the study section (Vs trap). These data, coupled with Digital Elevation Models (DEMs) from photogrammetry acquisitions and hydraulic modeling of peaks flows, allowed the study of the temporal and spatial variability of the morphology, flow and solid transport over 4 periods of variable durations. The mean transport distance of the particles was estimated from the morphological evolution of the bed between 100 and 300 m during the 4 study periods. The results showed a correlation between 𝜔* and sediment transport distance consistent with the literature based on the use of tracers. This result allowed us to estimate the transported sediment flux (𝜙s) from the morphological method. Our analyses confirmed a control of the active band morphology over the sediment transport distance and on 𝜙s. We observed non-linear relations between the morphological evolution of the active band (lateral roughness, active band width) and the transported sediment flow. These observations, coupled with the correlation highlighted between Vs trap and 𝜔* (averaged over the stretch), allowed us to confirm the existence of an influence of the spatial evolution of the flow hydraulics on 𝜙s. The 2D hydraulic modeling of the peak flows for each period was exploited to characterize the spatial evolution of the hydraulics. A strong correlation (R²>0.90) between 𝜙s and 𝜔*, calculated in the sub-sections defined earlier, was observed, and allowed us to highlight the existence of a critical 𝜔* threshold (ωc*=0.05, equivalent to a flow rate of 45 m3/s) for sediment transport. This estimate is consistent with previous studies carried out on the Buëch. We have also shown that conditions giving an 𝜔* about twice as high as ωc* (0.12 to 0.13) are associated with total bed sediment mobility. Our results of the relationships between 𝜙s and 𝜔* validate results from previous channel studies. Finally, we have shown that the correlations between 𝜙s and the fraction of morphologically active wetted width observed in the canal are not validated in the field for sections associated with a non-zero sediment budget. This thesis work is a contribution to the understanding of the influence of morphology on sediment transport in a natural braided system and illustrates the potential of the use of morphological indicators to characterize the transport distance and the critical threshold of bed sediment movement.