Les barres sableuses pré-littorales ont un rôle fondamental en morphodynamique des plages soumises à l’action des vagues. Le déséquilibre permanent entre les flux sédimentaires induits vers laplage par les non linéarités des vagues et ceux induits vers le large par le courant de retour gouverne lamigration transversale des barres. Dans cette thèse, un nouveau modèle morphodynamique de profilde plage intégrant l’état de l’art des processus hydro-sédimentaires a été développé. Le faible coûten temps de calcul de ce modèle permet de réaliser des simulations à long terme, O(mois/années),de la morphologie de plages réelles ayant des caractéristiques variées (pente, type de déferlement,granularité). La simulation sur plusieurs jeux de données, de plages réelles et expérimentales, a permisd’identifier la contribution respective des principaux processus hydro-sedimentaires dans la dynamiquede la plage suivant les conditions de houle (e.g. Tempête, temps calme). Ces avancées scientifiques ontété intégrées à un modèle 2DH, ce qui a notamment permis de simuler pour la première fois sur des casacadémiques la formation d’une barre sableuse rectiligne à partir d’une plage parfaitement plane, suiviedu développement de corps sableux tridimensionnels. Ces résultats ouvrent la voie vers l’applicationde ce type de modèle aux plages naturelles soumises à une large variabilité de régimes de houle.

Sandbars are ubiquitous patterns along wave-dominated sandy coastlines and are key elementsin the global evolution of beaches. Cross-shore sandbar migrations are the result of the permanentimbalance between sediment flux driven by wave non-linearity and mean return current. In this thesis,we developed a new process-based beach profile model integrating the recent scientific advancesin term of hydrodynamics and sediment transport developed for beach morphodynamics. The lowcomputing time allows for long-term morphodynamic simulations (O months/years) of natural beachprofiles of diverse characteristics (beach slope, sediment grain size or type of wave breaking). Modelvalidations on several data sets, encompassing natural and experimental beach profile evolutions,highlight the respective contribution of the main hydrodynamic and sediment transport processesinvolved in specific cross-shore sandbar evolution relative to various wave conditions. Finally, all thecross-shore physical processes were integrated in a 2DH morphodynamic model, resulting for the firsttime in the simulation of a quasi-complete down state sequence showing alongshore bar generationwith subsequent spontaneous formation of transverse bar and rip morphology. These very encouragingresults pave the way for using this model to simulate 3-Dimensional evolutions of natural beachesforced by irregular wave conditions

Cette thèse présente une plateforme d'assimilation de données issues de l'imagerie vidéo et intégrée au modèle numérique d'évolution de profil de plage 1DBEACH. Le manque de jeux de données bathymétriques haute-fréquence est un des problèmes récurrents pour la modélisation morphodynamique littorale. Pourtant, des relevés topographiques réguliers sont nécessaires non seulement pour la validation de nos modèles hydro-sédimentaires mais aussi dans une perspective de prévision d'évolution morphologique de nos plages sableuses et d'évolution de la dynamique des courants de baïnes en temps réel. Les récents progrès dans le domaine de l'imagerie vidéo littorale ont permis d'envisager un moyen de suivi morphologique quasi-quotidien et bien moins coûteux que les traditionnelles campagnes de mesure. En effet, les images dérivées de la vidéo de type timex ou timestack rendent possible l'extraction de proxys bathymétriques qui permettent de caractériser et de reconstruire la morphologie de plage sous-jacente. Cependant, ces méthodes d'inversion bathymétrique directes sont limitées au cas linéaire et nécessitent, selon les conditions hydrodynamiques ambiantes, l'acquisition de données vidéo sur plusieurs heures voire plusieurs jours pour caractériser un état de plage. En réponse à ces différents points bloquants, ces travaux de thèse proposaient l'implémentation puis la validation de méthodes d'inversion bathymétrique basées sur l'assimilation dans notre modèle de différentes sources d'observations vidéo disponibles et complémentaires. A partir d'informations hétérogènes et non redondantes, ces méthodes permettent la reconstruction rapide et précise d'une morphologie de plage dans son intégralité pour ainsi bénéficier de relevés bathymétriques haute fréquence réguliers.

This thesis presents data-model assimilation techniques using video-derived beach information to improve the modelling of beach profile evolution.The acquisition of accurate and recurrent nearshore bathymetric data is a difficult and challenging task which limits our understanding of nearshore morphological changes. This is particularly true in the surf zone which exhibits the largest degree of morphological variability. In addition, surfzone bathymetric data are crucial from many perspectives such as numerical model validation, operational rip current prediction or real-time nearshore evolution modelling. In parallel, video imagery recently arose as a low-cost alternative to direct measurement in order to daily monitor beach morphological changes. Indeed, bathymetry proxies can be extracted from video-derived images such as timex or timestacks. These data can be then used to estimate underlying beach morphologies. However, simple linear depth inversion techniques still suffer from some restrictions and require up to a 3-day dataset to completely characterize a given beach morphology. As an alternative, this thesis presents and validates data-assimilation methods that combine multiple sources of available video-derived bathymetry proxies to provide a rapid,…

Ces dernières années, de nouvelles stratégies ciblant un accompagnement de la mobilité du trait de côte plutôt que sa fixation ont vu le jour. Parmi celles-ci, les ouvrages atténuateur de houle visent à protéger la côte en dissipant l’énergie des vagues par déferlement bathymétrique, tout en restant invisibles depuis la plage. Leur utilisation a toutefois eu des effets contrastés et les processus hydro-sédimentaires induits par ces structures restent mal connus. L’objectif général de ce travail est de mieux comprendre les effets de ces atténuateurs de houle sur la morphodynamique littorale, notamment sur des sites où l’évolution de l’avant-côte est complexe et dynamique. L’observation des effets induits par un atténuateur de houle installé au lido de Sète (Golfe du Lion), sur la dynamique littorale est réalisée via un dispositif vidéo qui permet de caractériser l’évolution morphologique du système. En s’appuyant sur une méthode automatique de correction des images développée dans le cadre de cette thèse, l’estimation de la bathymétrie par inversion de la célérité des vagues et ses erreurs associées sont évaluées pour la première fois en Méditerranée. Les observations montrent que l’atténuateur de houle impacte de manière importante la morphologie et la dynamique des barres sableuses pré-littorales et révèlent que l’élargissement de la plage résulte principalement de son couplage avec la nouvelle forme de barre plus linéaire. Le modèle morphodynamique 2DBeach est ensuite implémenté sur Sète et sur un second site atelier en Australie où un récif artificiel de taille et de forme différente a été mis en place. Les simulations réalisées permettent de déterminer les circulations induites par ces ouvrages ainsi que les évolutions sédimentaires associées. Enfin, ce travail met en lumière les différents processus physiques contrôlant l’influence d’un atténuateur de houle sur les évolutions morphologiques des barres sableuses pré-littorales et du trait de côte, et renforce des connaissances essentielles à la gestion durable des plages sableuses.

In recent years, traditional coastal defense strategy has become increasingly unpopular as it is costly and lastingly scars the landscape with sometimes limited effectiveness or even adverse impact. Mimicking natural reefs, submerged breakwaters aims to protect the coast, decreasing wave energy through wave breaking offshore with the advantage of remaining invisible from the beach. The general objective of this work is to better understand the different morphodynamic processes that interact in the presence of these structures, especially for complex beach morphology with highly dynamic sandbars. The observation of the effects induced by a submerged breakwater deployed at the Lido of Sète (Gulf of Lions) on the morphological response is performed using a video monitoring system. Based on an automatic method for image correction developed in this thesis, a video-derived depth inversion algorithm was tested to infer nearshore bathymetry from remotely-sensed wave parameters. Our…

Les littoraux sableux dominés par l'action des vagues sont des zones très dynamiques où l'aléa érosion menace les activités humaines et la sécurité des personnes. Comprendre et prévoir les évolutions du trait de côte est crucial pour informer et guider les gestionnaires du littoral. Actuellement, aucun modèle numérique ne permet de reproduire les évolutions du trait de côte sur l'ensemble des échelles spatio-temporelles et des configurations de côte requises du fait de limitations numériques et physiques. Cette thèse se concentre sur le développement de nouveaux outils de modélisation à complexité réduite pour simuler les évolutions du trait de côte le long des littoraux sableux dominés par l'action des vagues sur des échelles de temps allant de l'heure à plusieurs décennies avec des temps de calcul réduits. D'abord, un modèle statistique de trait de côte s'appuyant uniquement sur les occurrences saisonnières de régimes de temps est développé. Ce modèle permet de simuler la variabilité du trait de côte à l'échelle pluriannuelle, sans avoir besoin de connaitre les conditions de vagues ou de modéliser le transport sédimentaire. Puis, un nouveau modèle numérique de trait de côte basé sur les vagues (LX-Shore) est développé en intégrant entre autres les forces de certains modèles existants. Il inclut les processus cross-shore et longshore, et couple la dynamique du trait de côte à la propagation des vagues via le modèle spectral de vagues SWAN. Ce modèle permet de simuler l'évolution de formes complexes comme par exemple les flèches sableuses. Ces outils ouvrent aussi la voie vers une meilleure évaluation des évolutions futures du trait de côte, ainsi que de la contribution respective des processus impliqués.

Wave-dominated sandy coasts are highly dynamic and populated systems increasingly threatened by erosion hazard. Understanding and predicting shoreline change is critical to inform and guide stakeholders. However, there is currently no numerical model able to reproduce and predict shoreline evolution over the full range of temporal scales and coastal geometries owing to numerical and physical limitations. This thesis focuses on the development of new reduced-complexity models to simulate shoreline change along wave-dominated sandy coasts on the timescales from hours to decades with low computation time. First, a statistical shoreline change model based on the seasonal occurrences of some oceanic basin weather regimes is developed. This model allows simulating shoreline variability at the seasonal and interannual scales, without resorting to wave data or sediment transport modeling. Second, a new so-called LX-Shore numerical wave-driven shoreline change model is developed, which takes the best from some existing models and includes additional numerical and physical developments. LX-Shore couples the primary longshore and cross-shore processes and includes the feedback of shoreline and bathymetric evolution on the wave field using a spectral wave model. LX-Shore successfully simulates the dynamics of coastal…

Le but de cette étude était de développer une méthodologie pour évaluer la résilience des littoraux aux évènements de tempêtes, à des échelles de temps différentes pour une plage située à une latitude moyenne (Biscarrosse, France). Un site pilote des tropiques, la plage de Jamestown (Ghana), non soumis aux tempêtes, a également été analysé. 6 ans (2007-2012) de données sur la position du trait de côte,obtenues quotidiennement par imagerie vidéo, ainsi que les prévisions hydrodynamiques (ECMWF EraInterim) ont été analysées. Le climat de vagues est dominé par les tempêtes (Hs> 5% de seuil de dépassement) et leurs fluctuations saisonnières; 75% des tempêtes se produisent en hiver, et plus de 60tempêtes ont été identifiées au cours de la période d'étude. Une régression multiple, montre qu’alors que les intensités des tempêtes actuelle et précédente ont un rôle majeur sur l'impact de la tempête, la marée et les barres sableuses jouent un rôle majeur sur la récupération de plage. La position moyenne du trait de côte calculée sur la période de récupération post-tempête montre que la plage de Biscarrosse se reconstruit rapidement (9 jours) après un évènement isolé et que les séries de tempêtes (clusters) ont un effet cumulatif diminué. Les résultats indiquent que le récurrence individuelle des tempêtes est clé. Si l'intervalle entre deux tempêtes est faible par rapport à la période de récupération, la plage devient plus résistante aux tempêtes suivantes; par conséquent, la première tempête d’une série a un impact plus important que les suivantes. Le trait de côte répond, par ordre décroissant, aux évènements saisonniers,à la fréquence des tempête et aux d’échelle annuelle. La méthode EOF montre de bonnes capacité à séparer la dynamique « uniforme » et « non-uniforme » du littoral et décrit différentes variabilités temporelles: les échelles saisonnières et à court terme dominent, respectivement, la première EOF (2D)et le second mode (3D). Le littoral de Jamestown a été étudié comme base d’un projet pilote entre 2013-2014. Les fluctuations du niveau de l'eau jouent un rôle prédominant sur l’évolution de la position du trait de côte. Les vagues et les estimations des marées obtenues par l’exploitation d’images vidéo sont corrélées avec les données de prévisions. Cette étude pionnière montre que cette technique peut être généralisée à toute l’Afrique de l'Ouest en tenant compte des multiples diversités et de la variabilité du climat régional, à travers un réseau d'observations.

The aim of this study was to develop a methodology to statistically assess the shorelineresilience to storms at different time scales for a storm-dominated mid-latitude beach(Biscarrosse, France). On a pilot base, storm-free tropical Jamestown beach (Ghana) was alsoanalysed. 6-years (2007-2012) of continuous video-derived shoreline data and hindcastedhydrodynamics were analysed. Wave climate is dominated by storms (Hs>5% exceedancelimit) and their seasonal fluctuations; 75% of storms occur in winter with more than 60identified storms during the study…