Dynamics of deposited cohesive sediments in gravel-bed rivers : Approach combining in situ monitoring and numerical modeling

Le transport de sédiments fins dans les rivières est associé à des enjeux socio-économiques et environnementaux importants. Le transport de nutriments et de contaminants adsorbés, la dégradation de la qualité des milieux aquatiques, l’envasement des retenues hydroélectriques ainsi que l’accroissement des problèmes de sûreté des barrages en sont quelques exemples. Dans les rivières de montagne, ces particules fines transportées en suspension peuvent être stockées temporairement à la surface des bancs de graviers. Lors de crues naturelles ou artificielles (chasse de barrages), les dépôts peuvent augmenter par sédimentation de nouvelles particules fines arrivant de l’amont ou au contraire subir de l’érosion et contribuer au flux de matière en suspension de manière significative. La compréhension des phases de dépôt et de reprise des particules fines dans les lits de rivières ainsi que leurs facteurs de contrôle constitue un des verrous majeurs en transport sédimentaire. L’objectif de cette thèse est de caractériser la variabilité spatio-temporelle des propriétés des sédiments cohésifs déposés dans les lits de rivières à graviers, en particulier leur érodibilité (propriétés d’érosion : contraintes critiques et taux d’érosion), pour alimenter les modèles numériques à base physique et tester leur sensibilité à ces mesures in situ.Deux sites d’étude à la fois représentatifs des rivières alpines et contrastés en termes de morphologies et de régimes hydro-sédimentaires ont été choisis : l’Isère en Combe de Savoie (Zone Atelier du Bassin du Rhône) et le Galabre (Observatoire Draix-Bléone). Une première analyse de sensibilité numérique de l’évolution des stocks de sédiments cohésifs présents à la surface des bancs à la paramétrisation du dépôt et de l’érosion des sédiments cohésifs a été réalisée sur l’Isère avec le modèle hydro-sédimentaire 2D TELEMAC-SISYPHE. Les résultats montrent une sensibilité forte des propriétés d’érosion et de dépôt mais différente selon les conditions initiales et limites testées. La sensibilité aux propriétés d’érosion devient particulièrement importante lorsque le stock initial de sédiments cohésifs présents à la surface des bancs de graviers est important. Dix campagnes de mesures in situ ont été menées pour caractériser la variabilité spatio-temporelle de l’érodibilité des dépôts de sédiments fins à l’aide de deux érodimètres : le CSM et l’EROMES. Les variabilités spatiale et temporelle de l’érodibilité sont prononcées sur les deux sites d’étude. La variabilité spatiale est contrôlée par l’humidité, la position et l’altitude des dépôts. Les dépôts marginaux, dont les gammes d’humidité sont moyennes, sont plus résistants que les dépôts en eau ou surfaciques. La variabilité temporelle est due à la nature variable des sédiments déposés dans le temps suite aux apports et exports des crues et à la consolidation des dépôts. Un modèle hydro-sédimentaire 2D TELEMAC-GAIA a alors été construit sur le Galabre pour investiguer la sensibilité des masses érodées modélisées à la variabilité spatiale de l’érodibilité des sédiments cohésifs. Dans le cas d’un jeu de données caractérisant l’érodibilité de manière exhaustive, cette sensibilité est modérée, mais avec une caractérisation incomplète, les résultats sont à considérer avec précaution. Les résultats montrent égale ment qu’utiliser une valeur unique des paramètres d’érodibilité sur le domaine peut suffire pour modéliser les masses totales érodées sur le tronçon, mais sans assurer que les évolutions locales des différentes zones de dépôts soient correctes.L’ensemble des mesures réalisées ainsi que les analyses de sensibilité numérique permettent d’aboutir à des recommandations de mesures pour capturer correctement la variabilité spatiale et temporelle des propriétés d’érosion pour la paramétrisation de l’érodibilité dans les modèles numériques.The presence of large quantities of fine sediments transported in rivers shows important socio-economic and environmental issues in terms of pollution, water quality and hydropower plants safety and management. In mountain rivers, these fine particles transported in suspension can be temporarily stored at the surface of gravel bars. During natural or artificial (dam flushing) hydraulic events, the deposits can increase by sedimentation of fine particles arriving from upstream. The deposits can also undergo erosion and contribute significantly to the flow of suspended matter. The understanding of deposit and re-entrainment phases of fine sediments stored in riverbeds and their main controlling factors remains a major challenge in sediment transport. The aim of this PhD thesis is to characterize the spatial and temporal variability of the properties of cohesive sediments deposited in gravel bed rivers. This thesis focuses on their erodibility (erosion parameters: critical shear stresses and erosion rates), in order to improve physically based numerical models and to test their sensitivity to in situ measurements.To this end, two study sites representative of Alpine rivers and contrasting in terms of morphology and hydro-sedimentary regimes were chosen: the Isère in the Combe de Savoie (Rhone Basin Workshop Area) and the Galabre (Draix-Bléone Observatory). A first numerical sensitivity analysis of the evolution of cohesive sediment stocks at the surface of the bars to the parameterization of deposition and erosion of cohesive sediments was carried out on the Isère with the TELEMAC-SISYPHE 2D hydro-sedimentary model. The results show a strong sensitivity to the erosion and deposition properties but can be different depending on to the initial and boundary conditions. The sensitivity to the erodibility becomes particularly important when the initial stock of cohesive sediments is important. 10 in situ measurement campaigns were conducted to characterize the spatial and temporal variability of erodibility of fine sediment deposits using two erosion devices: the CSM and EROMES. Spatial and temporal variability of erodibility are pronounced at the two study sites. Spatial variability is controlled by the moisture, location, and elevation of deposits. Marginal deposits with medium moisture ranges are more resistant than deposits very close to the flow or superficial deposits. The temporal variability is due to the variable nature of the deposited sediments over time, caused by floods and the consolidation of the deposits. A TELEMAC-GAIA 2D hydro-sedimentary model was built on the Galabre to investigate the sensitivity of the eroded masses to the spatial variability of the erodibility. If the dataset characterizes exhaustively the erodibility, this sensitivity is moderate, but with an incomplete characterization of the variability, the results should be considered with caution. The results also show that using a single value of the erosion properties over the domain may be sufficient to model the total eroded masses over the reach, but without ensuring that the local ev olutions of the deposit zones are correct.All the measurements carried out as well as the numerical sensitivity results provided insights and lead to recommendations for a measurement protocol allowing to correctly assess the spatial and temporal variability of erosion properties for the parameterization of the numerical settings