Dynamique des sédiments fins dans les systèmes de bancs de galets alternés d’une rivière de montagne aménagée

Fine sediment dynamics in alternating pebble bank systems of a developed mountain river

• Auteur / Autrice : Junjian Deng
• Direction : Benoît Camenen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RiverLy (Lyon ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Ivana Vinkovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Camenen, Sandra Soares-Frazão, Alain Recking, Cédric Legout, Lionel Pénard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sandra Soares-Frazão, Alain Recking

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Sédiments en suspension

Sédiments (géologie) -- Transport

Hydrologie des montagnes

Mots clés libres

Rivière alpine

Analyse d'image

Protocole de terrain

Modélisation numérique

Dynamique des sédiments fins

Alpine river

Fine sediment dynamics

Image analysis

In-situ measurement

Numerical modelling

Résumé

L’endiguement des rivières alpines et leur aménagement par des équipements hydrauliques affectent la morphologie des lits. Les rivières initialement en tresses développent souvent des bancs alternés entre digues. Une grande quantité de sédiments fins transportés dans les rivières alpines aménagées interagit avec le lit et est associée à des problématiques environnementales dans les milieux, de sureté pour les aménagements et du risque d’inondation pour les habitats. Il est donc important de mieux comprendre la dynamique des sédiments fins dans les rivières alpines aménagées pour arriver à une gestion sédimentaire plus efficace et durable pour ce type de rivières. Dans ce contexte, ce travail de thèse concerne la dynamique des sédiments fins (argiles, limons, sables) et le rôle du lit sur cette dynamique dans les rivières alpines aménagées. La première partie de ce travail vise à comprendre la dynamique des sédiments fins à l’échelle d’un banc de galets pendant les évènements hydro-météorologiques. À l’aide d’une nouvelle méthode d’analyse d’image calée et validée au cours de la thèse, une base de données journalière sur deux ans pour les dépôts de sédiments fins à la surface d’un banc est construite. Elle a permis de révéler les facteurs importants permettant d’exprimer l’érosion et le dépôt des sédiments fins sur un banc après un évènement hydrologique, en particulier l’équilibre potentiel entre la concentration en sédiments en suspension et la contrainte sur le lit. Cette étude montre aussi que les brises de vallée peuvent mettre en mouvement des dépôts de sédiments fins à la surface d’un banc et les disperser vers le chenal en eau. Cela illustre l’importance du transport éolien en ces vallées alpines. La seconde partie de ce travail complète la première partie en étendant la zone d’étude d’un banc à l’échelle d’un tronçon avec plusieurs bancs. Elle vise à comprendre le rôle des bancs sur la dynamique des sédiments fins en lien avec la mobilité de la rivière. Dans cette partie, un nouveau protocole de terrain développé pendant la thèse est proposé pour quantifier les sédiments fins y compris les sables, non seulement à la surface des bancs mais aussi dans la matrice de galets. Cette étude révèle une quantité très importante de sables stockés dans les rivières alpines et confirme l’importance des bancs de galets des rivières alpines sur le transport des sédiments fins. Un stock non négligeable peut être restitué lorsque le lit de la rivière évolue via les processus morphologiques comme l’avulsion et l’affouillement. La dernière partie de la thèse consiste en une étude numérique sur la dynamique globale des sédiments fins dans une rivière alpine aménagée à moyen et long-terme. Un effort est réalisé quant à la dynamique des différentes classes de sédiments fins et les échanges avec le lit moyen (bancs de galets). Les résultats du modèle sur des chasses de barrage montrent un échange important avec le lit pendant ces événements, notamment pour les sables. Cette dynamique est très sensible à la fois aux stocks initiaux dans le lit et à la rugosité du lit moyen. Une simulation sur dix ans a permis d’appréhender la dynamique des sédiments fins à long terme. Concernant les sédiments très fins (argiles et limons), les échanges avec le lit moyen restent très faibles avec l’atteinte d’un équilibre au bout de quelques années et leur dynamique est principalement liée aux apports en amont. Au contraire, pour les sables, le lit joue un rôle important avec une forte interaction entre les stocks sur les bancs et les apports liés aux crues. Nous avons aussi pu montrer le potentiel impact de la végétation sur la dynamique des fines même si cette thématique mériterait une étude plus approfondie.

The embankment of alpine rivers and the construction of hydraulic structures strongly affect the morphology of the riverbeds. The morphology of such rivers often shifted from initially braided rivers to a system characterized by alternate gravel bars. A large amount of fine sediments transported in alpine rivers interacts with such macroforms and is thus associated with environmental, hydraulic structure safety and flood risk issues. It is therefore important to better understand the dynamics of fine sediments in embanked alpine rivers in order to achieve a more efficient and sustainable sediment management for these rivers. In this context, this PhD work deals with the dynamics of fine sediments (clay, silt and sand) and the role of the riverbed on these dynamics in alpine rivers. The first part of this work aims at understanding such dynamics on a single gravel bar during hydro-meteorological events. Using a new image analysis method calibrated and validated during this PhD work, a high frequency two-year database of fine deposits on the surface of the studied bar is constructed. It highlights the drivers which trigger the erosion and deposition processes of fine sediments on a bar after a hydrological event, i.e. some equilibrium between suspended sediment concentrations and bed shear stresses. Moreover, this study also shows that valley breezes can winnow fine sediment deposits on the surface of the studied bar and disperse them towards the river channel. This finding illustrates the importance of aeolian transport on the dynamics of fine sediments in alpine rivers. The second part of this PhD work extends the study area from one bar to a river reach with several bars. It aims to understand the role of bars on the dynamics of fine sediments in relation to the river bed mobility. In this study, thanks to a new field protocol developed during this PhD work, surface and sub-surface stocks of fine sediments including sand fractions are quantified along the river system. This study shows that a large amount of sand is stored in alpine rivers. It also confirms the importance of the riverbed on the fine sediment transport when erosion occurs during a flood due to channel avulsion and scouring. The last part of this PhD work consists of a numerical study on the global fine sediment dynamics in an alpine river in mid and long term. A special effort is made to investigate the dynamics of different classes of fine sediments and the potential exchanges with the riverbed. Results of the dam flushing model show that there are significant fine sediments exchanges with the bed during dam flushes, especially for sands. These dynamics are very sensitive to both the initial stocks in the riverbed and the bed roughness. A ten-year simulation is also carried out to understand long-term fine sediment dynamics. The results show that the dynamics of the very fine sediments are mainly linked to the upstream sediment inputs, with an equilibrium in river bed stocks reached after a few years. One the other hand, gravel bars play an important role for sand transport and stocks varies significantly with sand supplies during floods. At this multi-annual scale, we showed the effect of vegetation on the transport of fine sediments as well. However, this issue would need a more specific study.