Auto-organisation du transport sédimentaire dans les rivières alluviales

Self organisation of sediment transport in alluvial rivers

• Auteur / Autrice : Anaïs Abramian
• Direction : Eric Lajeunesse, Olivier Devauchelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers. Géophysique
• Date : Soutenance le 15/11/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Jaupart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Lajeunesse, Olivier Devauchelle, Valérie Vidal, Pascale Aussillous, Philippe Gondret, Philippe Claudin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Vidal, Pascale Aussillous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instabilités hydrodynamiques

Sédiments (géologie) -- Transport

Physique statistique

Milieux granulaires

Géomorphologie fluviale

Mots clés libres

Géomorphologie

Matériaux granulaires

Physique statistique

Transport de sédiments

Instabilités

Geomorphology

Granular matter

Statistical physics

Sediment transport

Instabilities

Résumé

Une rivière alluviale s'écoule sur une épaisse couche de sédiments. Lorsqu'elle construit son lit, elle entraîne, transporte et dépose des sédiments, façonnant ainsi sa propre forme. Ainsi, le couplage entre l'écoulement et le transport sédimentaire régit la taille et la forme de la rivière. Dans cette thèse, nous étudions l'influence du transport sédimentaire sur la forme et la stabilité d'une rivière alluviale. Pour ce faire, nous reproduisons des rivières en laboratoire en laissant s'écouler un liquide visqueux sur un lit granulaire. L'aspect du chenal ainsi formé dépend des débits de liquide et de sédiment injectés en entrée. A l'aide de ces expériences, nous mettons en évidence les deux mécanismes qui contrôlent l'équilibre d'une rivière. D'abord, la gravité entraîne les grains vers le centre du chenal. Ce mécanisme érode continuellement les berges de la rivière, et tend donc à l'élargir. Cependant, les collisions d'un grain avec le lit dévient sa trajectoire dans la direction transverse à l'écoulement. Les grains se comportent ainsi comme des marcheurs aléatoires, qui, collectivement, diffusent vers les berges de la rivière. A l'équilibre, cette diffusion compense la gravité, et fixe ainsi la forme de la rivière. Lorsque la diffusion prend le dessus sur la gravité, elle peut induire une instabilité. En effet, si on perturbe un lit sédimentaire avec des stries longitudinales, le cisaillement fluide est plus faible là où l'écoulement est moins profond. Par conséquent, les grains diffusent depuis les creux de la perturbation vers ses crêtes. Cette rétroaction déstabilisante pourrait générer de nouveaux chenaux, et expliquer la formation des rivières en tresses.

An alluvial river builds its own bed with the sediment it transports. The channel bounds the flow, which in turns deforms the channel through erosion and deposition. This coupling between flow and sediment transport selects the shape and the size of the river. In this manuscript, we investigate it using laboratory experiments. The first ingredient of this coupling is gravity, which pulls the moving grains towards the center of the channel, thus continually eroding the banks. However, due to the roughness of the bed, the trajectory of a moving grain fluctuates across the stream. The bedload layer is therefore a collection of random walkers which diffuse towards the less active areas of the bed. In a river at equilibrium, this diffusion counteracts gravity to maintain the banks. When gravity and diffusion are out of balance, their interaction causes an instability. Indeed, if an initially flat bed of sediment is perturbed with longitudinal streaks, the flow-induced shear stress is weaker where the flow is shallower. Therefore, bedload diffusion induces a sediment flux towards the crests of the perturbation. This positive feedback induces an instability which can generate new channels. We suggest that this mechanism could initiate the braiding of alluvial rivers.