Forme d'équilibre d'une rivière

• Auteur / Autrice : Grégoire Seizilles de Mazancourt
• Direction : Eric Lajeunesse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Cours d'eau alluvionnaires

Sédiments (géologie) -- Transport

Géomorphologie

Résumé

La forme des rivières alluviales est contrôlée par l'interaction des sédiments composant le lit avec l'écoulement : l'écoulement, déterminé par la forme du lit, entraîne les sédiments et modifie la forme du lit. Pour les rivières qui ne transportent pas de sédiments, la contrainte sur les berges est égale au seuil de mise en mouvement. Cette condition détermine entièrement la forme de la rivière. L'intégration de l'écoulement sur la section permet d'obtenir des équations de régime déterminant la variation de la largeur et de la pente avec le débit d'eau. Ces équations de régime prédisent correctement la forme de micro-rivières de laboratoires. L'application aux données de terrain est moins satisfaisante : l'exposant des lois d'échelle est bien prédit mais le rapport d'aspect des rivières naturelles est souvent supérieur à sa valeur théorique. Cet effet s'explique par le fait que la forme des rivières dépend aussi de la quantité de sédiments charriés. Au cours de son transport par l'écoulement, la trajectoire de chaque grain dévie transversalement à l'écoulement, ce qui crée un phénomène de diffusion. Cette diffusion explique la stabilité d'une rivière pour laquelle la contrainte sur les berges est supérieure au seuil de mise en mouvement. Nous déterminons ainsi des équations de régime valables pour le cas des rivières avec transport de sédiments qui montrent en particulier qu'augmenter le transport de sédiments augmente le rapport d'aspect et la pente de la rivière. Ce comportement est vérifié qualitativement à la fois expérimentalement et dans la nature. Au-delà d'un rapport d'aspect critique, le chenal se déstabilise, conduisant à la formation d'une rivière en tresse

The shape of alluvial rivers is controlled by the feedback between the water flow and sediment transport. The flow, depends on the shape of the banks. It then entrains sediments and modifies the shape of the bed. First, we discuss rivers without any sediment transport. In this case, the tangential stress exerted on the banks equals the threshold stress. This condition selects the river morphology and predicts the width and slope of the river as a function of the water discharge. These equations correctly predict the shape of laminar laboratory rivers. The application to field data is less satisfactory: the exponent of the scaling laws are well predicted but the aspect ratio of natural rivers is wider than predicted from the equations. We show that the shape of a river cross-section also depends on the sediment discharge. In addition to their downstream motion, sediments entrained by the flow show fluctuations of their cross-stream velocity, likely due to the roughness of the underlying sediment bed. This causes particles to disperse laterally. This lateral spreading is the manifestation of a random walk, which causes transverse Fickian diffusion. The shape of a river cross-section is selected by the balance between the transyerse flux of sediments induced by gravity and this diffusive process. This balance leads to new equations relating the river width and slope to the sediment and water discharges. In particular, increasing the sediment discharge increasing the aspect ratio and the slope of the river. Above a threshold aspect ratio, the river destabilizes and forms a braided river. This behavior is observed qualitatively in both laminar flow experiments and in nature.