Observation et modélisation des flux de sable dans les grands cours d’eau

Abstract

Suspended-sand budgets estimation are important for hydrologists and river managers. It is required for river restoration and monitoring, river engineering, flood risk evaluation. Suspended-sand budgets are still difficult to establish, due to large uncertainty and scarce data, which does not allow appropriate diagnosis and decision making. Two main modes of sand transport are currently described : bedload and graded suspended load. The moving sand load depends both on the transport capacity of the river reach and on the supply of sand from upstream, river-bed and banks. The main motivation of this thesis is to quantify and reduce suspended-sand fluxes uncertainty in large rivers with a physically based approach. This work looks at the main uncertainty sources in suspended-sand flux data, related to sampling representativeness, sample analysis, and computation in the cross-section. One highlighted concern is that without a sand suitable analysis protocol, the amount of sand can be underestimated. A field measurement protocol and a surrogate method for suspended-sand flux computation in the cross-section are proposed. The method combines point sampling measurements and ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) data. This approach is applied on four large rivers in various morphological and flow conditions : the Colorado, Rhône, Mekong, and Amazon Rivers. Various sand rating curves approaches (physically based or empirical) are studied. The results of suspended sand flux measurements combined with suspended sand rating curve models allow, by a Bayesian approach, to determine continuous suspended-sand load, budgets and their associated uncertaintiesDisposer de bilans de flux de sable dans les cours d'eau est important. Les enjeux socio-économiques sont multiples avec des aspects écologiques, industriels et de sécurité notamment. Les bilans de flux de sable restent actuellement difficiles à établir, du fait de la grande incertitude du peu de données existantes, ce qui ne permet pas un diagnostic et une prise de décision efficaces. Le sable des cours d'eau est transporté par charriage et suspension graduée. Les volumes de sable déplacés sont déterminés par la capacité de transport de l'écoulement et par la disponibilité des matériaux (apports amont, fond, berges). La motivation générale de cette thèse est de quantifier et réduire l'incertitude sur les flux de sable dans les grands cours d'eau par une approche à base physique. Ce travail explore les principales sources d'incertitude des jaugeages solides, liées à la représentativité des prélèvements, aux analyses, au calcul de flux dans la section. Il ressort que sans procédure d'analyse adaptée, la proportion de sable peut être fortement sous-estimée. Un protocole de mesure de terrain et une méthode alternative de calcul de flux sont proposées. La méthode combine des prélèvements ponctuels et des mesures ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Cette approche est testée sur plusieurs grands fleuves (Colorado, Rhône, Mékong, Amazone). Plusieurs types de courbes de tarage de sable (empiriques ou à base physique) sont ensuite testées. Les résultats de jaugeages solides, combinés à des modèles de courbe de tarage de sable vont ensuite permettre, par une approche bayésienne, de déterminer des séries temporelles et des bilans de flux de sable ainsi que leurs incertitudes associée