Tesi sul tema "Dune éolienne"

L’érosion éolienne est un phénomène complexe avec des interactions entre la couche limite atmosphérique, le transport des particules et la déformation des dunes. Dans cette thèse des simulations numériques de transport de particules solides sur des dunes fixes ou déformables sont effectuées. L’écoulement turbulent est calculé par des simulations des grandes échelles (LES) couplée avec une méthode de frontières immergées. Les particules solides sont tractées par une approche Lagrangienne. L’entraînement des particules, leur interaction avec la surface et leur dépôt sont pris en compte par des modèles physiques complets d’érosion. D’un point de vue numérique, une méthode de frontières immergées a été introduite pour simuler les écoulements turbulents sur des frontières mouvantes. Le nouveau solveur a été validé en effectuant des comparaison avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) dans le cas d’une colline Gaussienne. D’un point de vue physique, des modèles complets ont été développés pour l’érosion éolienne en se basant sur les forces agissant sur les particules. Des modèles instantanés pour l’envol, le roulement et le glissement des particules sont développés pour initier le mouvement des particules. Leur rebond et le splash sont également pris en compte. Des équations Lagrangiennes sont utilisées pour simuler la trajectoire des particules solides dans l’air. Une équation de transport d’un lit de particules a également été développée pour les cas de glissement et de roulement des particules sur la surface. La déformation de la dune est effectuée en faisant le bilan des particules qui s’envolent et se déposent. Ces modèles ont été validés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) sur les profils de concentration autour d’une colline Gaussienne. Enfin, des simulations numériques d’une dune sinusoïdale déformable sont effectuées. La forme de la dune simulée est comparée avec les résultats expérimentaux de Ferreira and Fino (2012). Un bon agrément est obtenu a t = 2.0 min, par contre la hauteur de la dune est sous-estimée entre 4.0 min et 6.0 min. Les résultats numériques montrent que la zone de recirculation diminue progressivement quand la dune se déforme. L’érosion, due à l’envol et au splash, est important a l’avant de la dune tandis que les particules se déposent a l’arrière de la dune. Le modèle de splash a été modifié pour prendre en compte l’effet de la pente, ce qui a permis une meilleure estimation de la hauteur de la dune a t = 4.0 min
Wind erosion is a complex dynamic process consisting in an atmospheric boundary layer, aeolian particle transport, sand dune deformation and their intricate interactions. This thesis undertakes this problems by conducting three-dimensional numerical simulations of solid particle transport over a fixed or deformable sand dune. Turbulent flow is calculated by a developed numerical solver (Large-eddy simulation (LES) coupled with immersed boundary method (IBM)). Solid particle trajectories are tracked by a Lagrangian approach. Particle entrainment, particle-surface interactions and particle deposition are taken into account by physical comprehensive wind erosion models. Firstly, a new numerical solver has been developed to simulate turbulent flows over moving boundaries by introducing the IBM into LES. Two canonical simulation cases of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune and over a sinusoidal dune are performed to examine the accuracy of the developed solver. Recirculation region characteristics, mean streamwise velocity profiles, Reynolds stress profiles as well as the friction velocity over the dune are presented. In the Gaussian case, a good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the numerical ability of the improved solver. In the sinusoidal case, the developed solver with wall modeling over the immersed boundary shows a better performance than the pure one, when a relatively coarse grid is used. Secondly, physical comprehensive modeling of wind erosion is described in detail, based on the forces acting an individual particle. An instantaneous entrainment model for both lifting and rolling-sliding modes is proposed to initialize particle incipient motions. Lagrangian governing equations of aeolian particle motion are presented and used to simulate the trajectories of solid particles. Particularly, Lagrangian governing equations of bed-load particle motion are originally deduced and applied to model the particle rolling-sliding movement on the bed surface. In addition, particle-surface interactions are taken into account by probabilistic rebound/splash models. Thirdly, numerical simulations of particle transport over a fixed Gaussian dune and over a deformable sinusoidal dune are carried out. In the fixed Gaussian case, an overall good agreement on the particle concentration profiles over the dune between the simulated results and the experimental data of Simoens et al. (2015) preliminarily validates the ability and accuracy of the developed numerical solver coupled with physical comprehensive wind erosion models. In the deformable sinusoidal case, the simulated dune shapes are compared with the experimental ones of Ferreira and Fino (2012). A good agreement between them is observed at t = 2.0 min and an obvious underestimate of the dune shape is shown at t = 4.0 min and t = 6.0 min. By analyzing the simulated results, it is shown that the recirculation zone behind the dune is gradually reduced as the dune deforms and that windward erosion and lee side deposition is observed. It is also shown after testing that the splash entrainment is important for the lee side erosion. Moreover, a preliminary attempt is presented to apply an improved splash model with accounting for the bed slope effect to the simulation of sand dune deformation. A better performance on the simulated dune shape is achieved at t = 4.0 min in comparison with the experimental one

Plusieurs mesures du transport éolien ont été effectuées sur les plages macrotidales de la Côte d'Opale, en vue d'apprécier la façon dont leur morphologie à barres intertidales module les processus éoliens. Les résultats montrent que malgré un fetch de vent potentiel qui peut être très important du fait de la largeur de ces plages, le fetch effectif réel est réduit au haut de plage et à la première barre, et de surcroît, souvent segmenté par les bâches, qui interceptent le sable. Les taux de piégeage, dépendant avant tout de la vitesse du vent, ont été variables, souvent faibles, ce qui peut être un facteur limitant pour l'alimentation des dunes, notamment dans la mesure où les vents de terre constituent la composante dominante sur les sites expérimentaux donnant sur la Mer du Nord. Le suivi par MNT du bilan sédimentaire a permis de cerner l'efficacité des mesures de réhabilitation des dunes bordières et de mettre en évidence les étapes de transfert de sables des plages vers des dunes
Several experiments aimed at elucidating the effects of ridge and runnel morphology on aeolian transport were carried out on macrotidal beaches on the Opal Coast. The results show that in spite of a potentially large wind fetch with onshore winds given the width of these beaches, the effective fetch is generally limited to the upper beach terrace and to the first ridge on the upper beach, and is especially segmented by the runnels which may act as efficient sand traps. The results also highlight highly variable trapping rates. The rates were commonly weak and this could be a limiting factor in terms of beach-dune sand transfers, especially in view of the fact that the dominant winds on the North Sea sites are essentially obliquely offshore. The short term topographic surveys and digital elevation models have highlighted the efficiency of dune management and rehabilitation schemes. Differential contour maps generated by these surveys bring out the stages of foredune accretion

Les dunes de sable éoliennes à différentes échelles (m-km) sont les principales formes topographiques dans les systèmes éoliens et se retrouvent sur divers corps planétaires comme la Terre, Mars ou Vénus. Elles résultent de l'interaction entre le vent, les sédiments transportés et le substratum. La forme, la taille, la disposition spatiale et le déplacement des dunes permet d'analyser les interactions entre les flux d'air et l'apport de sédiments, modulés par les conditions de surface. La production de cartes détaillées des caractéristiques individuelles des dunes couplée à une analyse statistique morphométrique spatialisée devient donc nécessaire pour mieux comprendre et caractériser l'origine de la formation et de l'évolution des dunes éoliennes.Cependant, cartographier les dunes avec précision sur de grandes étendues reste encore aujourd'hui une tâche difficile pour deux raisons. Tout d'abord, compte tenu de la disponibilité des ensembles de données de télédétection avec une résolution spatiale (et temporelle) toujours croissante, une telle cartographie nécessite des procédés automatisés car la numérisation manuelle i) est chronophage et ii) peut être d'une subjectivité et d'une qualité non-uniformes. Ces limites sont principalement dues au fait que les opérateurs humains ne peuvent pas suivre des critères de cartographie similaires sur de vastes zones d'étude, en particulier lorsqu'il s'agit de morphologies complexes. Ensuite, cette cartographie se révèle ardue ; notamment en raison de la complexité de certaines formes et de l'absence de classification universellement acceptée des dunes, malgré les efforts de recherche récents.Ce travail a donc pour objectif premier de proposer une nouvelle méthode de cartographie des dunes éoliennes axée sur une approche couplant du Deep Learning pour tracer le contour des dunes, une "squelettisation" et une analyse de réseau pour cartographier leurs crêtes et leurs connectivités (défauts). L'originalité de cette étude réside dans la capacité à cartographier ces caractéristiques à différentes échelles, allant de quelques kilomètres au désert entier. Les algorithmes développés montrent d'excellentes performances pour analyser des zones géographiques étendues et complexes avec une précision de l'ordre de 90 %. Cette méthode a permis de créer, pour la première fois, une base de données de plusieurs milliers de dunes du désert du Rub'Al Khali (le plus grand désert actif au monde), avec une fidélité élevée par rapport aux observations visuelles des dunes présentes sur le MNT.À partir de cette base de données, nous avons étudié la variabilité morphologique des dunes en les comparant avec les données de vent (ERA5 Land Reanalysis) à l'échelle du désert, afin de quantifier et de comprendre leurs changements morphologiques et leurs répartitions spatiales en lien avec la dynamique des vents. Cette analyse morphométrique spatialisée est basée sur une Analyse en Composante Principale (ACP) et met en évidence les paramètres dominants suivant : la longueur des dunes (PC1) explique plus de 50 % de la variance et décrit les dunes linéaires du SW du désert ; la hauteur (PC2) représente 18 % de la variance et décrit les dunes en croissant du NW ; et la densité de défauts (PC3) explique 14 % de la variance, représentant les dunes en étoile et en dôme au SE. Des tests de p-value ont aussi été réalisés sur ces paramètres et révèlent des valeurs inférieures à 0,05, confirmant ainsi une organisation spatiale significative des dunes à l’échelle du désert.Chaque forme archétypale de dune est dominée par l'un des trois paramètres identifiés par l'ACP, et les transitions entre ces formes représentent des étapes évolutives. En comparant ces résultats avec les données de vent, nous obtenons un modèle évolutif où la forme, la taille et l'orientation des dunes sont fortement influencées par les caractéristiques directionnelles du flux de sable associés aux vents du Shamal et du Kharif.(...)
Aeolian dunes at different scales (m-km) are the primary topographic forms in aeolian systems and are found on various planetary bodies such as Earth, Mars, or Venus. They result from the interaction between wind, transported sediments, and the substrate. The shape, size, spatial arrangement, and movement of dunes allow for the analysis of interactions between airflows and sediment supply, modulated by surface conditions. The production of detailed maps of individual dune characteristics, coupled with spatial morphometric statistical analysis, is thus necessary to understand better and characterize the origin of dune formation and evolution.However, accurately mapping dunes over large areas remains a challenging task today for two reasons. Firstly, considering the availability of remote sensing datasets with ever-increasing spatial (and temporal) resolution, such mapping requires automated processes since manual digitization i) is time-consuming and ii) can be subjective and of uneven quality. These limitations are mainly because human operators cannot maintain consistent mapping criteria across large study areas, especially when dealing with complex morphologies. Secondly, this mapping is challenging, particularly due to the complexity of some forms and the lack of a universally accepted dune classification, despite recent research efforts.The primary objective of this work is to propose a new method for mapping aeolian dunes, focusing on an approach that couples Deep Learning to delineate the dune outlines, "skeletonization," and network analysis to map their crestlines and connectivities (defects). The originality of this study lies in the ability to map these features at various scales, ranging from a few kilometers to entire deserts. The developed algorithms demonstrate excellent performance in analyzing large and complex geographic areas with an accuracy of around 90%. This method has enabled the creation, for the first time, of a database containing several thousand dunes from the Rub'Al Khali desert (the largest active desert in the world), with high fidelity compared to visual observations of the dunes present in the Digital Elevation Model (DEM).From this database, we studied the morphological variability of the dunes by comparing them with wind data (ERA5 Land Reanalysis) on a desert scale, in order to quantify and understand their morphological changes and spatial distributions in relation to wind dynamics. This spatialized morphometric analysis is based on Principal Component Analysis (PCA) and highlights the dominant parameters as follows: dune length (PC1) explains more than 50% of the variance and describes the linear dunes in the SW of the desert; height (PC2) represents 18% of the variance and describes the crescent-shaped dunes in the NW; and defect density (PC3) explains 14% of the variance, representing star and dome dunes in the SE. P-value tests were also conducted on these parameters and revealed values below 0.05, thus confirming a significant spatial organization of dunes at the desert scale.Each archetypal dune form is dominated by one of the three parameters identified by the PCA, and transitions between these forms represent evolutionary stages. By comparing these results with wind data, we obtain an evolutionary model in which dunes shape, size, and orientation are strongly influenced by the directional characteristics of sand flow associated with the Shamal and Kharif winds. The analysis of wind data to the different statistically defined dune populations also revealed two dune growth modes: an elongation mode in the west, where the crests of linear dunes align with the sediment flow, favoring their stretching, and an instability mode in the east, where isolated and crescentic dunes, perpendicular to the flow, optimize their vertical growth

Ce travail doctoral a pour objectif de caractériser la dynamique éolienne sur un système dune-plage sous l'influence des vents de terre dominants. Pour y répondre, le site de Leucate-Plage est un candidat idéal en raison de la présence de la Tramontane, un vent de terre de Nord-Ouest soufflant plus de 70 % du temps. Ce site présente également une unique dune peu développée, un aspect microtidal et des tempêtes marines rares, mais parfois intenses. Ces caractéristiques font de cette zone d'étude un des systèmes dune-plage représentatifs des littoraux du Golfe du Lion. Ces recherches montrent par l'utilisation complémentaire des observations et de la modélisation qu'une dune de petite taille peut malgré tout avoir des effets significatifs sur la dynamique éolienne. Ce travail met en évidence une zone de séparation et de recirculation du vent dans la région sous le vent de la dune lors d'un vent perpendiculaire. Cependant, celle-ci n'occasionne pas de transport vers le pied de la dune. Peu importe les vitesses de vent incidentes, les vitesses seuils de déplacement des grains ne sont jamais atteintes dans cette zone de recirculation. La dune de Leucate-Plage étant anthropique, des variations longitudinales de sa morphologie sont observées dues à des différences de techniques de construction. Elles occasionnent des perturbations de l'écoulement duvent et du transport éolien variables. Dans certains cas, le vent au passage de la dune est uniquement dévié et moins atténué permettant le déplacement des sédiments. Dans tous les cas, le vent sera accéléré à l'approche de la crête de dune d'autant plus fort que le vent est perpendiculaire, atteignant jusqu'à 2 fois la vitesse du vent incident. Le déplacement de ces sédiments est dépendant de nombreux facteurs de contrôle, parmi eux, ce travail s'est concentré sur la granulométrie qui est souvent négligée dans les études. Les résultats montrent pourtant que ce paramètre peut avoir de fortes conséquences sur les taux de transport observés et calculés. Dans un environnement présentant de fortes variations de la taille des grains au cours du temps, les taux de transport calculés à l'échelle annuelle peuvent être plus de 75 fois différents de ceux observés. Dans le cas des vents de terre, la distribution des vitesses et du transport éolien associé est inégale sur la plage, une accentuation de ces derniers est observée en s'éloignant de la dune. Ainsi, les taux de transport peuvent aisément dépasser les 100 kg/m/h à l'extrémité de la plage au niveau de la berme. La conséquence de ce transport éolien dirigé vers la mer peut entraîner une érosion significative de la plage aérienne en fonction des vitesses de vent et de l'état granulométrique de la plage. Celle-ci peut atteindre des valeurs supérieures à 50 cm sur la berme en quelques heures. Cette thèse met donc en avant l'impact des vents de terre sur un littoral microtidal ainsi que l'influence d'une dune artificielle et de ses méthodes de construction sur l'écoulement et le transport sédimentaire éolien. Elle met également en garde sur l'utilisation d'une taille de grain appropriée pour le calcul des taux de transport éolien dans un environnement à granulométrie hétérogène
This Research aims to characterize the aeolian processes on a beach-dune system under prevailing offshore winds. To achieve this, the site of Leucate-Plage has been chosen due to the Tramontane, an offshore wind blowing more than 70 % of thetime. This field site is composed of a small foredune on a microtidal area sometimes hit by intense marine storms. These characteristics make this site one of the representative coastal areas present on the Gulf of Lion. This research demonstrates, using observations and modelisations, that a small dune can nonetheless have significant effects on aeolian dynamics. This work highlights an area of wind separation and recirculation in the leeward region of the dune during perpendicular wind. However, this does not cause transport towards the dune foot because, regardless of the incident wind speeds, the threshold shear velocity for grain movement is never reached in this recirculation zone. the dune at Leucate-Plage is human-made, this cause longitudinal variations in its morphology due to different construction methods. These variations create variable disturbances in wind flow and aeolian transport. In some cases, with gentler dune slopes, the wind is not separated but only deflected and much less attenuated when passing over the dune, allowing sediment transport in the lee side. In all cases, the wind is accelerated approaching the dune crest, especially when the wind is perpendicular, reaching up to twice the speed of the incident wind. Aeolian sand transport depends on many control factors, this work focused on the beach grain size and histemporal variability, often neglected in studies. The results show that this parameter can have significant consequences on the observed and calculated transport rates. In an environment with wide variations in grain size over time, annual transport rates can differ by more than 75 times from those observed depending on the grain size applied to the transport formula. In the case of offshore winds, the distribution of wind speeds and aeolian sand transport fluxes is unequal across the beach profile, with an increase observed moving away from the dune. Thus, transport rates can easily exceed 100 kg/m/h at the berm. The consequence of this seaward aeolian transport can cause significant erosion of the beach, depending on wind speeds and beach's grain size state. This erosion can reach values greater than 50 cm on the berm and 20 cm on the beach in a few hours. This thesis highlights the impact of offshore winds on a microtidal beach and the influence of an artificial dune and its construction methods, on wind flow and aeolian sediment transport. It also warns about using an appropriate grain size for calculating aeolian transport rates in a heterogeneous and variable grain size environment

Les régions sèches situées à la périphérie des déserts sont généralement peuplées et mises en valeur sur un mode sédentaire. Elles partagent cependant avec les milieux désertiques des conditions environnementales qui les rendent sensibles et fragiles. Cela implique de bien connaître les mécanismes de leurs milieux, a fortiori dans un contexte de désertification qui augmente le risque environnemental. Celui-ci est souvent évalué par le suivi de la végétation, mais l’expérience de terrain montre que les formes éoliennes pourraient apporter des compléments utiles. La morphodynamique éolienne joue en effet un rôle non négligeable dans le risque environnemental en régions sèches. Si, dans les systèmes désertiques, l’influence des activités humaines sur l’évolution des formes éoliennes de grande taille est réduite, dans les régions sèches non-désertiques, elles sont de plus petite dimension et leur vitesse de réaction aux changements des conditions du milieu est élevée. Elles sont de surcroît liées aux autres composants du paysage, avec lesquels elles interagissent fortement, et leur fonctionnement peut être corrélé aux modalités d’exploitation du milieu. Cela en fait des indicateurs pertinents et leur suivi doit donc être conçu dans une approche systémique appuyée sur une bonne maîtrise des fondements physiques de l’étude de la morphodynamique éolienne qui sont présentés en ouverture de ce mémoire. Différents outils et concepts élaborés dans les contextes désertiques, parmi lesquels les déplacements potentiels sableux et la densité d’obstacle, sont détaillés. Les effets paysagers de la morphodynamique éolienne sont illustrés par divers exemples. Son intégration dans les études de suivi est alors questionnée pour démontrer que de nouvelles approches peuvent être explorées. Les propositions faites s’intéressent en particulier à un objet, la forme éolienne d’obstacle, qui reste mal connu malgré la place qu’il tient dans les paysages des régions sèches. Une grille de caractérisation fine de cet objet est définie, à partir de laquelle un protocole de quantification et d’évaluation qualitative nécessaire à la production d’indicateurs peut être élaboré. Pour cela, les méthodes développées doivent être reproductibles et minimiser la complexité et les coûts de mise en oeuvre. Dans le domaine de la télédétection, la facilité d’utilisation et la précision des images du Pixy, paramoteur léger à voile souple, démontrent le potentiel des vecteurs de type drone. L’intérêt des satellites à très haute résolution spatiale pour, notamment, la généralisation d’études ciblées est également démontré. Les images produites correspondent notamment à une échelle intermédiaire qui faisait jusqu’alors défaut. Parmi les fournisseurs d’images très haute résolution spatiale, Google Earth est une alternative possible des fournisseurs commerciaux. La disponibilité de plus en plus grande d’images de résolution très élevée offre des perspectives d’applications dans des domaines variés. Leur exploitation présente cependant des contraintes que la Morphologie Mathématique (MM), discipline de l’analyse d’image orientée-objet, permet de contourner. Les outils de la MM facilitent l’analyse façon robuste des images non corrigées, du type Pixy ou Google Earth. Elle s’appuie sur des procédures simples à reproduire, dont les résultats s’expliquent facilement. Elle participe ainsi à réduire le coût des études. Or, la question économique du diagnostic environnemental ne peut être évacuée, en particulier dans les pays concernés par la lutte contre la désertification. Chaque chapitre de ce mémoire démontre l’importance de la prise en considération de deux seuils : d’une part, le seuil d’hétérogénéité, en-deçà duquel l’information recherchée est noyée dans le bruit d’un trop grand détail, d’autre part, le seuil d’homogénéité, au-delà duquel la maille d’analyse fait que l’information est trop lissée pour être pertinente
Drylands share with deserts many environmental conditions that make them sensitive and fragile. It is a necessity to understand the mechanisms of these environments, especially in contexts where there is a risk of desertification. Such an understanding is often assessed by monitoring vegetation. Field experience, however, shows that aeolian morphodynamics may provide useful additional information. The aeolian morphodynamics plays indeed a significant role in the environmental risk of drylands. In desert systems, the anthropogenic pressure on aeolian processes is low. On the other hand, in non-desert drylands, features are smaller but have a faster reaction time to environmental change. They interact strongly with other components of the landscape, such as human activities. Accordingly, the study of non-desertic aeolian morphodynamics has to be designed following a systematic approach. It relies on a good knowledge of fundamental physics of wind geomorphology that is described in this dissertation. Various tools and concepts developed in desert environments, including potential displacement and roughness density, are given. The effects of aeolian morphodynamics on landscapes are illustrated by various examples. Standard studies of wind dynamics are discussed and questioned to demonstrate that new approaches can be explored. This study focuses anchored dunes, which remain poorly studied despite their importance in drylands. Anchored dunes are described and characterized in detail. Then a protocole of quantification and qualitative evaluation can be elaborated.Our aim was to develop methods that are reproducible and minimize the complexity and costs of implementation. The unmanned platform, Pixy, illustrates the potential of drones which provide accurate images with a great flexibility of use. The interest of very high spatial resolution imagery provided by satellites such as QuickBird is also demonstrated. Their images introduce to an intermediate scale between field and large-scale satellite imagery. Among the providers of very high spatial resolution imagery, Google Earth (GE) appears to be a good alternative to commercial suppliers. Increasing availability of free high resolution images offers potential applications in various fields. However, their use has constraints that are managed by Mathematical Morphology (MM), an object-oriented image analysis discipline. Tools from MM allow the analysis of uncorrected images, like those of Pixy or GE. It relies on simple procedures easy to reproduce and explain. It thus contributes to reducing the cost of studies. This economic issue of environmental diagnosis cannot be ignored, especially in the countries concerned by the fight against desertification.Each chapter of this thesis demonstrates the importance of two thresholds through particular example. The threshold of heterogeneity, below which information is embedded in the background noise produced by too much detail, is the first one. The threshold of homogeneity, beyond which information is too smooth to be relevant, is the second one. This work attempts to show how these thresholds may have direct effects on results of a remote sensing study. This consideration is thus a structuring element of the methods used. Beyond the issue of aeolian morphodynamics, this thesis combines semi-automatic characterization methods of landscape elements with processes of multi-scalar integration. The results are potentially useful to any approach that seeks to understand the effects of a phenomenon at different scales

Le travail présenté dans cette thèse s'inscrit dans la problématique du transport éolien du sable. L'étude principale porte sur un aspect particulier du transport par saltation. La saltation désigne le mouvement par sauts des grains de sable emportés par le vent. Lors du rebond du grain en saltation sur le lit de sable, certains grains peuvent être éjectés. Ce mécanisme d'éjection a été étudié à partir d'une expérience modèle de collision d'une bille sur unempilement mensionnel de mêmes billes, en fonction de la vitesse d'impact, du nombre de couches dans l'empilement, des propriétés dissipatives des billes ainsi que du désordre des contacts dans l'empilement. Des lois de distributions des vitesses d'éjection ont été établies. Un modèle sochastique a été développé qui permet d'interpréter certains résultats expérimentaux du processus d'éjection. La dernière partie de cette thèse aborde un autre aspect du transport éolien: celui de la formation des structures éoliennes telles que les rides et les dunes. Nous proposons un modèle de formation des rides capable de prédire l'évolutionspatio-temporelle de ces structures.

Le travail de cette thèse s'inscrit dans la problématique générale de la migration des dunes éoliennes. Le premier aspect étudié concerne les processus d'érosion et de déposition lors d'une avalanche de grains. A l'aide d'un dispositif expérimental permettant de lâcher sans vitesse initiale une colonne de grains sur une pente granulaire, nous avons quantifié l'importance relative des phénomènes d'érosion et de déposition notamment en déterminant l'angle neutre qui définit la pente critique pour laquelle ces deux processus s'équilibrent. Le second aspect abordé concerne la structure interne d'une dune. Nous avons développé avec nos collaborateurs de l'Université de Cornell des sondes capacitives permettant d'accéder à la compacité et à la teneur en eau d'un empilement granulaire par de simples mesures de permittivité électrique. Grâce à ces sondes, nous avons pu réaliser des stratigraphies sur des dunes en Mauritanie. Ces mesures ont montré notamment que la structure interne des dunes présentent une stratification marquée avec une alternance de couches lâches et compactes
This thesis addresses two questions related to the general topic of aeolian dune migration. The first aspect concerns the processes of erosion and deposition during an avalanche of grains. By means of an experimental device allowing to drop a column of grains without initial speed on a granular slope, we have quantified the relative importance of erosion and deposition phenomena. In particular we have measured the neutral angle which defines the critical slope at which these two processes balance each other. The second aspect focuses on the internal structure of aeolian dunes. With our co-workers from the University of Cornell (USA), we have developed capacitance probes allowing to determine the volume fraction and water content of a granular pile from measurements of electric permittivity. Thanks to these probes, we were able to characterize the stratigraphy of dunes in Mauritania. Our results showed that the internal structure of the dunes presents a marked stratification with an alternation of loose and compact layers

Une étude morphodynamique des avant-dunes des côtes bas-normandes est réalisée. Après une revue de la terminologie des dunes littorales, la synthèse bibliographique expose l'ensemble des paramètres à prendre en compte pour caractériser l'activité éolienne en milieu tempéré. Le domaine de validité des prédictions des transports à partir de formules et les protocoles à mettre en œuvre à court terme sont précisés. Les limites de l'approche analytique sont exposées à travers une intégration à moyen terme (39 mois) des calculs de transport comparés à l'évolution volumétrique de la dune. Des mesures d'écoulement du vent, de transport et d'évolution morphologique sur des durées horaires permettent de mettre en évidence les paramètres contrôlant les transferts éoliens plage-dune. A moyen terme, une analyse originale des suivis topométriques sur une période de 5 ans est proposée. Un modèle conceptuel d'évolution est développé retenant les rôles de la pente et de la hauteur en pied en dune reliés à la dynamique du trait de côte.

Les grains de sables transportés par le vent dans le désert se déplacent par bonds successifs sur un lit granulaire ; lors de leur impact sur le sol, ils peuvent éjecter d’autres grains. Afin d’étudier ce processus, nous avons réalisé une expérience modèle de collision d'une bille sur un empilement de billes identiques. Nous avons réalisé une étude systématique en faisant varier nos paramètres de contrôle (vitesse et angle d’impact) dans une large gamme. Les résultats obtenus montrent que la bille incidente, lors du rebond, dissipe moins d'énergie pour des impacts rasants, mais qu’en contrepartie, le nombre des grains éjectés est dans ce cas moins important. Les caractéristiques moyennes des éjectats (vitesse et angle d’éjection) sont, au premier ordre, insensibles aux caractéristiques cinématiques de la bille incidente. Par ailleurs, nous avons mis en évidence que l’énergie cinétique totale des éjectats est directement proportionnelle à la fraction d'énergie fournie au lit
Sand grains transported by the desert wind move in successive jumps on a granular bed. During the impact, they can eject other grains. To study this process, we collided a single bead on a packing of identical grains. We reported the experiment for a broad range of incident speeds and impact angles. The results show that, although the incident bead dissipates less energy for grazing impacts, the number of ejected grains is smaller in this case. The mean values of the ejection speed and ejection angle are, to first order, insensitive to the kinematics characteristics of the incident bead. In addition, the total kinetic energy of ejected beads is directly proportional to the fraction of incident energy given

Le travail mené dans cette thèse se présente sous la forme d'études expérimentales des processus d'érosion, de transport et d'avalanches relatifs à la migration et la formation des dunes. Il est divisé en deux grandes parties : La première retrace les résultats d'un ensemble d'expériences et de mesures effectuées sur un champ de dunes dans le nord de la Mauritanie. Ces mesures et observations ont été effectuées sur une période de six mois, dans l'optique d'analyser le transport éolien au coeur du champ de dunes et le mode de déplacement de celles-ci. Cette étude a été complétée par des expériences réalisées en soufflerie pour étudier l'érosion d'un tas de sable en mode contrôlé. La deuxième partie concerne des expériences faites en laboratoire sur des écoulements de grains sur plan incliné, dans une configuration bi-dimensionnelle. Nous avons étudié entre autres les processus dynamiques d'érosion et d'accrétion lors d'avalanches dans ce type d'écoulement

La façade littorale du Grand Port Maritime de Dunkerque est une cellule sédimentaire quasi-fermée où les formes dunaires résultent de l'imbrication de facteurs humains et naturels. Ce littoral peut être divisé en deux parties : la partie Ouest est constituée d'un cordon bordier sur une longueur de 7 km (plage du Clipon) et le long de la partie Est, la plage est adossée à une digue en enrobé bitumineux de 6 km de long (digue du Braek) où des transferts sableux se produisent. L'objectif de cette étude est de (1) caractériser les formes dunaires et leur évolution sur un site artificiel, (2) quantifier le transport éolien sur le haut de plage, le versant externe de la dune bordière et la digue du Braek, et (3) proposer des mesures de gestion afin de remédier aux contraintes d'exploitation engendrées par les dépôts éoliens sur les infrastructures. A moyen terme (28 ans), l'analyse diachronique de photographies aériennes montre que les superficies dunaires ont fortement augmenté depuis 1983. A court terme (2 ans), des mesures topographiques révèlent que les dunes continuent de se développer aujourd'hui mais gardent la marque des interventions anthropiques passées. Sur la digue du Braek, des formes dunaires se sont naturellement constituées sur l'asphalte. Le sable a été colonisé par Ammophila arenaria qui s'est enraciné sous l'enrobé par l'intermédiaire de fissures. Une typologie de ces dunes de digue a été proposée. A l'Est, des dunes se développent en pied de digue en raison de l'interruption des transferts sédimentaires longitudinaux par une jetée. Des piégeages éoliens in situ ont montré que le transport éolien était essentiellement contrôlé par la vitesse du vent et la source de sable disponible. Par vents frontaux et obliques, les dunes de pied de digue constituent la principale source des envols, et le transport éolien est favorisé par une accélération du vent sur le versant exposé. Différents types de brise-vent ont été testés sur l'ensemble du site afin de trouver le meilleur mode de gestion souple de ces envols de sable. Ces analyses montrent que si la localisation des structures brise-vent a une grande influence sur leur efficacité, les systèmes habituellement utilisés sur les plages (ganivelles, filets synthétiques) peuvent aussi favoriser le développement de dunes sur une digue en asphalte. Les mesures de gestion envisagées sont la stabilisation des principales sources de sable en pied de digue ainsi que le renforcement de la dune bordière aux endroits les plus fragiles.

Les dépôts éoliens quaternaires du Bassin aquitain constituent un rare exemple de système éolien périglaciaire fossile loin des marges des grands inlandsis. L'étude de ce système permet d'appréhender l'expression de la dynamique éolienne dans une région située, au cours des stades gla- ciaires, à la charnière entre le domaine nord- européen sous influence du pergélisol continu et la ceinture semi-aride/aride à gel saisonnier du sud de l'Europe. L'étude de ces dépôts éoliens contribue enfin à améliorer la caractérisation des paysages auxquels les groupes paléolithiques du SO de la France ont été confrontés. Dans cette perspective, ce travail propose un bilan chronostratigraphique des accumulations sableuses plé- istocènes et holocènes dans le désert des Landes, ainsi qu'une analyse cartographique des principaux faciès éoliens du Bassin Aquitain. Le bilan est fondé sur l'étude stratigraphique détaillée (faciès sédimentaires, paléopédologie) de nombreuses coupes inédites et sur 75 dates numériques (OSL, ESR, 14C). La morphologie des édifices dunaires, l'organisation spatiale des faciès et leur origine sont abordées en combinant : 1) une étude cartographique des dunes à l'aide d'un SIG; 2) une étude géostatistique des variations d'épaisseur et des gradients granulométriques; 3) une étude géochimique (statistiques multivariées pour données compositionnelles) des dépôts loessiques et de leurs sources potentielles. L'histoire de l'erg landais qui en résulte s'avère être complexe. Cet erg s'installe dès le Pléistocène inférieur et des épandages sableux Pléistocène moyen ont été documentés, en accord avec les enregistrements en milieu loessique. Un cadre chronostratigraphique détaillé est établi pour le Pléistocène supérieur. La phase la plus ancienne (56-50 ka) correspond à des épandages sableux en contexte relativement humide, influencé par les variations du niveau de la nappe phréatique et associé à de vastes champs de rides barkhanoïdes ou transverses de faible ampleur (type zibars). Pendant cette phase, un gley tourbeux se développe et témoigne d'un épisode de diminution de la sédimentation sableuse (probablement GI-14), associé à une végétation steppique à graminées et armoises. Entre 50 et 25 ka les accumulations sableuses sont rares en réponse à l'éloignement du rivage lié à la baisse du niveau marin et/ou à cause d'une diminution de l'activité éolienne suite à l'installation d'un pergélisol. Entre 25 et 14 ka, de vastes épandages sableux se forment dans un contexte de plus en plus sec et cette phase correspond vraisemblablement à l'extension maximum du désert des Landes. Au Tardiglaciaire, la colonisation des sables par la végétation est tardive et la dynamique éolienne reste active tout au long du Bølling et jusqu'à la première partie de l'Allerød. L'installation d'une forêt boréale dans les Landes se produit à la fin de l'Allerød et se marque par le développement d'un podzosol juvénile. Au cours de la détérioration climatique du Dryas récent, des champs de dunes paraboliques s'édifient. Leur mise en place semble avoir débuté localement dès l'oscillation froide intra-Allerød. Pour le Pléistocène supérieur, les principaux facteurs qui ont contrôlé la distribution des faciès éoliens et le bilan sédimentaire ont pu être définis. D'un point de vue paléogéographique, l'erg aquitain apparait composé d'une mosaïque de dépôts éoliens d'âge différent : principalement Pléistoce ne moyen dans le Médoc, Pléniglaciaire moyen weichsélien au sud du Plateau Girondin et Pléniglaciaire supérieur dans le sud des Landes. La comparaison avec les enregistrements éoliens eu- ropéens (Pays-Bas, Angleterre, NO de la France, Espagne, Portugal) montre que le Bassin Aquitain présente de nombreuses affinités avec le SO de l'Europe. La modélisation spatiale de la granularité des dépôts éoliens et l'étude géochimique convergent vers une relation génétique entre les différents facie s éoliens. Les loess dérivent principalement de l'abrasion des sables. Seuls les loess de l'Entre-deux-Mers montrent une contribution d'origine fluviatile significative. La direction des vents nourriciers, obtenue à partir des gradients granulométriques et des morphologies dunaires, semble avoir changé au cours du temps. Celle-ci est orientée O-E au Pléniglaciaire moyen, puis NO-SE au Pléniglaciaire supérieur, tandis qu'au Dryas récent la direction est plutôt SSO-NNE. Dans ce travail, l'hypothèse d'un changement de la saison à laquelle les sables sont remobilisés est privilégiée. Ainsi, par comparaison avec la distribution azimutale actuelle des vents à l'échelle de l'année et en accord avec les reconstitutions pour le LGM, il est suggéré qu'au Pléniglaciaire supérieur la déflation éolienne était décalée vers la saison estivale, c'est-à-dire après la phase de dégel des sols et de fonte de la neige. Au contraire, les orientations établies pour le Pléniglaciaire moyen et le Dyras récent refléteraient une déflation active en période hivernale.

Le système holocène de la région d'Essaouira connaît une dynamique éolienne très active représentée par un géosystème dunaire littoral dont je recherche la signification en étudiant les interactions entre éléments biotiques, abiotiques et anthropiques, qui définissent ses propres caractères. Leur description forme un premier volet ; une deuxième partie porte sur la dynamique spatiale du géosystème et le troisième volet retrace sa dynamique temporelle à l'échelle de Holocène supérieur, à partir d'analyses sédimentologiques et géo-historiques.
Je mets en relief deux géofaciès structurants : un géofaciès dunaire et un géofaciès lagunaire présent dans la partie ouest au contact géosystème / espace urbain. Horizontalement, leur organisation spatiale prend la forme d'une mosaïque où ils s'interpénètrent. Et verticalement, le premier se superpose au second dont la lithomasse limono-argileuse constitue le substratum. Aussi, la partie supérieure de ce dernier forme une surface d'érosion décapée par l'alizé notamment dans le couloir de déflation principal. Cette déflation est mesurée et indique une ablation cumulée de sables et limons de 3 cm/an en moyenne depuis 50 ans. Mais l'efficacité de la dynamique éolienne est aussi démontrée par l'analyse diachronique de photographies aériennes, soulignant l'évolution considérable de la forme et de la répartition des dunes à la périphérie de la ville entre 1953 et 1984. De façon cohérente, l'index de mobilité de Lancaster M = 160 marque une instabilité élevée des versants et des sommets. La réalisation des assemblages de phytolithes actuels calibrés sur la végétation, permet de calculer les index du couvert arboré, de l'aridité édaphique et du climat (d/P = 0,5 ; Iph = 91 % et Ic = 27 %). Ces quantifications montrent le positionnement actuel vers l'aride et le chaud contraignant le géosystème à une mutation accélérée, d'autant plus que l'anthropisation récente exerce une pression élevée et crée des couloirs de déflation hiérarchisés.
Ma réflexion porte aussi sur l'étude du passé et des relations à l'environnement naturel. La présence humaine marque le site dès la fin du Néolithique et les rapports mutuels entre nature et sociétés sont jalonnés de crises depuis au moins cinq siècles. Alors que sur le plan morphoclimatique, j'observe un assèchement du climat à partir de 4 350 +/- 120 ans cal BP sur un carottage effectué dans le substratum limono-argileux dont les dépôts paléo-synsédimentaires continentaux sont liés à la régression océanique post-mellahienne.
Il apparaît clairement qu'une mutation si rapide du paysage autour d'Essaouira est principalement contrôlée ou incontrôlée par les activités humaines. Un petit « Sahara » s'est formé fonctionnant comme un désert brumeux particulier, unique dans le domaine macaronésien. J'en déduit, d'une part que des boucles de rétroaction (pouvant être récursives) liées au mode d'anthropisation et aux activités humaines se forment dans le géo-système et accroissent sa complexité ; d'autre part, que le paysage en transformation permanente n'est que la partie émergée du géo-système qui tend à assurer son autoconservation.

Les steppes algériennes sont situées entre le Sahara et la méditerranée. Le climat semi-aride autorise le développement d’une végétation naturelle et le maintien du pâturage. Ce milieu, à équilibre environnement fragile est le théâtre de changements, avec le déclin du nomadisme, la transformation des éleveurs en agro-pasteurs, l’extension de l’agriculture et l’urbanisation. Nous abordons ces points en articulant le passé au présent pour mettre en lumière le poids de l’activité d’élevage fortement enracinée dans la polarisation des tendances actuelles.Basé sur une méthode quantitative par télédétection et d’analyse d’un nombre important d’images satellitaires, ce travail capte les changements opérés sur les processus environnementaux et recherche des liens utiles d’interactions entre eux. L’analyse des précipitations par un indicateur spécialisé (SPI) révèle son caractère fluctuant. Les séquences sèches laissent des conséquences dommageables sur la végétation, l’activité humaine et la réactivation d’ensablement.Des changements spectaculaires sont observés, l’agriculture est sortie des endroits préférentiels pour conquérir de nouveaux espaces dans les plaines et terrasses. Le sable réapparaît occasionnellement, sa corrélation avec la sécheresse a pu être démontrée. L’ensablement s’amorce après la persistance de trois années sèches. En revanche, une année humide est suffisante pour réduire substantiellement la surface ensablée. C’est pourquoi, l’interaction entre l’activité hydrique et éolienne est analysée. Nous proposons un modèle d’échange sédimentaire, en introduisant la notion de recyclage sédimentaire, transport additionné et transport opposé.En termes d’aménagement, les mesures protectrices a priori sont privilégiées à la gestion postérieure des impacts de la dégradation. Par ailleurs, la gestion prospective est abordée à travers l’exploitation des données de prévisions météorologiques et l’identification des variations spectrales indicatrices de réactivation du processus d’ensablement dans l’imagerie satellitaire
The Algerian steppes are located between the Sahara and the Mediterranean. The semi-arid climate allows the development of natural vegetation and the maintenance of pasture. This fragile environment is the scene of change, with the decline of nomadism, the transformation of pastoralists into agro-pastoralists, the extension of agriculture and urbanization. We approach these points by articulating the past to the present to highlight the weight of the livestock activity strongly rooted in the polarization of current trends.Based on a quantitative remote sensing and analysis method for large number of satellite images, this work captures changes in environmental processes and seeks useful links between them. The precipitation analysis by a specialized indicator (SPI) reveals its fluctuating nature. Dry sequences leave damaging consequences on vegetation, human activity and sand drift reactivation.Spectacular changes are observed, agriculture has emerged from preferential places to conquer new spaces in the plains and terraces. The sand occasionally reappears, its correlation with the drought could be demonstrated. The sand drift begins after the persistence of three dry years. On the other hand, a wet year is enough to substantially reduce the sand area. This is why the interaction between water and wind activity is analyzed. We propose a model of sedimentary exchange, introducing the concept of sedimentary recycling, added transport and opposite transport.In terms of management, anticipatory protective measures are favored for the later management of the impacts of degradation. Furthermore, the prospective management is approached through the exploitation of meteorological forecast data and the identification of spectral variations indicative of reactivation of the sand drift in satellite imagery

Les massifs dunaires de la côte picarde ont fait l'objet d'une analyse haute résolution sur des bases stratigraphique, sédimentologique, eustatique et paléoclimatique. Ce travail a été argumenté par plus de 60 nouvelles datations, par la recalibration des données anciennes disponibles et par la décompaction des tourbes et sédiments fins observés en sondages. Cette analyse a permis de bâtir une séquence chronostratigraphique régionale qui a ensuite été élargie aux séquences de la Mer du Nord, de la Manche et de la façade atlantique française. Ce travail d'inter-comparaison, qui a permis de réaliser une séquence d'enregistrements paléoenvironnementaux, a finalement été traduit en termes de stratigraphie séquentielle du prisme holocène. L'apport de cette étude a été de montrer: 1°/ le caractère relativement simple de la transgression holocène tout en incluant les MeltWater Pulses, 2°/ un maximum eustatique à environ 1 m 50 au-dessus de l'actuel (5500 BC), 3°/ une régression temporaire marquée au Subboréal, 4°/ un niveau marin légèrement régressif depuis malgré plusieurs petits maxima voisins de l'actuel et surtout, 5°/ une augmentation de la fréquence et de la violence des tempêtes depuis l'époque romaine. Ce dernier point est caractérisé par la mise en place de massifs dunaires et d'invasions marines épisodiques liées aux surcotes de tempêtes, confondues avec des épisodes transgressifs vrais. Ce travail montre finalement que l'essentiel de la formation des corps dunaires est plutôt contrôlé par le refroidissement progressif du climat depuis l'Optimum Holocène et par la réorganisation de la circulation atmosphérique qui en découle que par une régression eustatique importante.