Morphodynamique des rivières: Sélection de la largeur, rides et dunes. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2009

Morphodynamique des rivières: Sélection de la largeur, rides et dunes.

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Abstract

The river morphology results from the interplay between the turbulent flow over an erodible bed and the sediment transport dynamics. This PhD thesis investigates two river related problems, shedding some light on both aspects. We have investigated experimentally the river width selection problem, comparing measurements performed in the field and on laboratory micro-rivers. We have show, that the power-law relating width and water discharge results form the local river dynamics, and not from the self-organization of river basins. We have analyzed the mean velocity fields and shown that transverse diffusion of momentum should be taken into account to reproduce experimental measurements. In order to investigate the formation of ripples and dunes on a river bed, we have performed the linear stability analysis of a sand bed sheared by a turbulent flow. We have computed the turbulent flow over a relief and characterized the effect of the various dynamical mechanisms (inertia, hydrodynamic roughness, turbulent fluctuations, free surface). We have shown that ripples form by a primary linear instability and that their initial wavelength is governed by the sediment transport relaxation length. On the contrary, dunes form by progressive merging of bedforms. This non-linear pattern coarsening is limited by the stabilizing effect of the free surface. Moreover, the same general framework has allowed to address the formation of Aeolian giant dunes.
La morphologie des rivières met en jeu deux composantes physiques aujourd'hui encore mal comprises: l'hydrodynamique au-dessus d'un fond érodable et la dynamique du transport sédimentaire. Nous avons mis à jour deux problèmes touchant aux rivières et éclairant chacun de ces aspects. Nous avons abordé le problème de la sélection de la largeur des rivières de manière expérimentale, en confrontant mesures de terrain et résultats de laboratoire. Nous avons montré que la loi de puissance reliant largeur et débit résulte d'une dynamique locale et non de l'auto-organisation des bassins versants. Nous avons analysé les champs de vitesse moyenne et montré que la diffusion transverse de quantité de mouvement, habituellement négligée, doit être prise en compte pour reproduire les mesures expérimentales. Pour étudier la formation de rides et de dunes sur le lit des rivières, nous avons effectué l'analyse de stabilité linéaire d'un lit sableux cisaillé par un écoulement turbulent. Pour ce faire, nous avons calculé l'écoulement turbulent au dessus d'un relief et caractérisé l'effet des différents mécanismes physiques (inertie, rugosité hydrodynamique, fluctuations turbulentes, surface libre). Nous avons montré que les rides se forment par instabilité linéaire et que la longueur d'onde à laquelle elles apparaissent est contrôlée par la longueur de relaxation du transport de sédiments. A l'inverse, les dunes se forment par coalescence progressive de structures, cette évolution non-linéaire étant limitée par l'effet stabilisant de la surface libre. Enfin, le formalisme général que nous avons adopté nous a permis de transposer cette étude théorique à la formation des dunes géantes dans les déserts.
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Dates and versions

pastel-00005562 , version 1 (07-12-2009)

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  • HAL Id : pastel-00005562 , version 1

Cite

Antoine Fourrière. Morphodynamique des rivières: Sélection de la largeur, rides et dunes.. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00005562⟩
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