Physical analysis of sediment transport and sand dune morphodynamics

Analyse physique du transport sédimentaire et morphodynamique des dunes

Lucie Guignier (1, 2)

1 IPR - Institut de Physique de Rennes
2 GR - Géosciences Rennes

Above a threshold, a flow (of liquid or air) over a granular bed leads to grain transport that can induce dune formation. In the first part of this thesis, we study the morphodynamics of eolian dunes. With a simplified sediment transport model, the description of the dynamics of a dune formed on an non-erodible bed under unidirectional flow is reduced to a system of first order coupled differential equations. With this model, we identify the mechanisms that influence the linear stability of a rectilinear transverse dune. When lateral sediment diffusion on the upwind side of the dune prevails over the downwind side diffusion, our model predicts transverse dune stability. When the transverse dune is unstable, it breaks into crescent-shaped dunes called barchan dunes. With morphological characteristics of aeolian dunes taken from field data, macroscopic parameters influencing the dune stability are calculated. In the second part, we analyze the effect of aquatic bedforms on the mode of sediment transport (bedload or suspension). With flume experiments we follow the destabilization of a flat sediment bed under a unidirectionnal flow. Recorded bed morphology and differentiated trapping of sediment allow us to distinguish between bedload and suspension and to show that the dune formation and growth come along with an increase of sediment transport.

Un écoulement fluide (air ou liquide) au-dessus d’un matériau granulaire induit, au-delà d’un seuil, un transport de grains qui peut conduire à la formation de dunes. Dans une première partie, nous étudions la morphodynamique des dunes éoliennes. Grâce à une modélisation simplifiée des transports de sédiment, la description de la dynamique d’une dune formée sur un fond plat non-érodable sous un écoulement unidirectionnel peut se réduire à un système d’équations différentielles couplées du premier ordre. Le modèle développé permet d’identifier les mécanismes qui influencent la stabilité linéaire d’une dune transverse rectiligne. Lorsque la diffusion latérale de sédiment sur la face amont est dominante devant celle sur la face aval, notre modèle prédit la stabilité de la dune transverse. Lorsque la dune transverse est instable, elle se fragmente en dunes en forme de croissant, appelées barkhanes. Grâce aux caractéristiques morphologiques des dunes éoliennes issues des données de terrain, les paramètres macroscopiques qui influencent la stabilité sont déterminés. Dans une seconde partie, nous analysons l’influence de la présence de formes sédimentaires aquatiques sur les modes de transport de sédiment (charriage ou suspension). Des expériences en chenal hydraulique permettent de suivre la déstabilisation d’un lit plat de sédiment par un écoulement unidirectionnel. Le suivi de la morphologie du fond ainsi que le piégeage différencié des modes de transport de sédiment permettent de mettre en avant que l’apparition et la croissance de dunes s’accompagnent d’une augmentation du transport de sédiment.

Mots clés: Granular Materials; Sand dunes; Models; Sediment transport; Bedload; Suspension; Experiments

Mots clés: Milieux granulaires; Sable; Dunes; Modélisation; Transport des sédiments; Charriage; Suspension; Expériences

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Lucie Guignier. Analyse physique du transport sédimentaire et morphodynamique des dunes. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Rennes, 2014. Français. ⟨NNT : 2014REN1S095⟩. ⟨tel-01127914⟩