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OSUG - Terre Univers Environnement

Clément MISSET

soutenance en 2019

25 novembre 2016 ( maj : 24 février 2017 )

Modélisation du transport solide par suspension en rivières alpines


directeurs de thèse : Cédric LEGOÛT et Alain RECKING

Thèse en financée par IRSTEA et EDF-DTG

Date de début de thèse : octobre 2016

SUMMARY

Suspended load can represent up to 80% of the total load transported by rivers. This is particularly crucial for gravel bed rivers, where suspension strongly impacts ecosystems (by settling in the flood plain) and water resources (deposition in dams for instance). In contrast to bedload transport, for which a lot of formulations have been proposed during the last decades, only a few formulations were proposed for describing suspension in Alpine rivers. Actually, most suspended load formulations of the literature were developed for lowland rivers, marine and estuarine environments characterized by mild slopes and organic-rich fine sediments. The specificity of gravel-bed rivers is that a large part of the suspended load can be produced by the bed itself, when the coarse surface layer is remobilized. A good understanding of interactions between bedload and suspended load is thus crucial in such rivers.

The objectives of the thesis are twofold. First, it is of important, for a given river, to know if suspended sediments are produced by the bed itself or are exogenous (wash-load). A methodology will be sought from the analysis of discharge-suspended load signals, using the shape of hysteresis as a proxy for the sediment origin. Secondly, conceptual models will be investigated for situations where the suspended load is produced by the bed. The standard approaches (statistical, energy-based, and mechanistic) will be revisited, and will be adapted for taking into account bedload and suspended load interactions. This theoretical analysis will use well documented data sets produced during the thesis.

A. CADRE SCIENTIFIQUE

Contexte

Le transport solide par suspension (TSS) peut atteindre près de 80% de la charge solide totale dans beaucoup de cours d’eau. Malgré ces flux importants, la recherche sur les outils de modélisation du TSS est restée modeste au cours des dernières décennies, par comparaison au transport solide par charriage, pour lequel on dénombre des dizaines de formules de transport [Recking et al., 2012]. Cette différence peut s’expliquer par une demande forte de l’ingénierie (aménagement fluviaux), le charriage pouvant impacter la morphologie d’un cours d’eau à l’échelle de l’évènement, alors que le TSS s’exprime plutôt sur le moyen, voire le long terme, et affecte principalement les zones de sédimentation, comme par exemple les bras secondaires ou les estuaires. Et pourtant les besoins en connaissances sur les processus du TSS répondent à une demande sociale forte. C’est depuis longtemps le cas pour les gestionnaires de barrages qui sont progressivement confrontés à une perte de rentabilité de leurs ouvrages. C’est de plus en plus le cas pour des préoccupations environnementales (par exemple pour la restauration des bras secondaires du Rhône), de ressources (en eau potable), de qualité des milieux (flux de nutriments adsorbés) et de santé publique (flux de contaminants adsorbés comme par exemple des PCB). Les effets du réchauffement climatique sur le retrait des glaciers et sur le dégel du permafrost pourraient également rapidement nous rappeler combien il est important de se préoccuper de la charge transportée en suspension.

Objectifs scientifiques

Les principaux outils disponibles pour la modélisation du TSS sont issus des communautés travaillant sur le milieu marin ou sur les grands fleuves, et confrontés à des problématiques de navigation [Van Rijn, 1984 ; Camenen and Larson, 2007]. Un récent travail de Master [Briguet, 2011]a montré que ces outils, dérivés de la mécanique des fluides pour des faibles pentes et de très faibles rugosités, ne sont plus valables en milieux alpins, à pente forte (>0.5%) et granulométrie grossière. L’objectif de la thèse sera donc de développer des outils spécifiques permettant de mieux caractériser la charge en suspension des rivières alpines. Elle s’appuiera sur les derniers développements métrologiques en termes de mesure des vitesses de sédimentation (projet ANR scaf) et d’intégration de différents capteurs dans une plateforme mobile de mesure du transport sédimentaire en rivière (Equipex CRITEX), sur les connaissances acquises en mobilité des lits (projet ANR Gestrans https://gestrans.cemagref.fr/) et sur les données de suivi des réseaux de mesures existants : site expérimental de Draix http://oredraixbleone.irstea.fr/, réseau RBV http://portailrbv.sedoo.fr/, mesures de l’observatoire des sédiments du Rhône http://www.graie.org/osr/, réseau EDF, données internationales (déjà collectées par Irstea en grande partie).

Une particularité des rivières alpines est qu’une grande partie des matériaux fins contribuant à la suspension peut se retrouver piégée entre chaque crue sous une couche de surface pavée constituée de matériaux grossiers [Navratil et al., 2010]. Ce stock n’est vraiment mobilisé que lorsque les conditions de charriage permettent une destruction du pavage et un des objectifs de la thèse sera donc d’essayer de mieux comprendre les interactions entre le charriage et la suspension [Turowski et al., 2010]. Mais les sources de matières en suspension (MES) sont variées, et une partie de la charge en suspension peut également provenir directement des bassins sources, sans interaction avec le lit (Wash-Load). Un objectif préalable de la thèse sera donc également de proposer une méthodologie de caractérisation de l’origine des sédiments fins, sur la base d’une analyse de la forme des hystérésis dans les signaux Débit-MES.

REFERENCES

Briguet, V. (2011), Modélisation du transport solide par suspension en rivièreRep., 44 pp, ENSE3.

Camenen, B., and M. Larson (2007), A unified transport formulation for coastal inlet application (http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA472064)Rep., 248 pp, US Army Corps of Ingineers, ERDC/CHL CR-07-1

Navratil, O., C. Legout, D. Gateuille, M. Esteves, and F. Liebault (2010), Assessment of intermediate fine sediment storage in a braided river reach (southern French Prealps), Hydrological processes.

Turowski, J. M., D. Rickenmann, and S. J. Dadson (2010), The partitioning of the total sediment load of a river into suspended load and bedload : a review of empirical data, Sedimentology, 1-21.

Van Rijn, L. C. (1984), Sediment Transport, Part II : Suspended Load Transport, Journal of Hydraulic Engineering, 110(11), 1613-1641.