This thesis is a study of organization in rivers. Riffle-pool sequences determine the macro-scale structure in a broad range ofgravel-bed rivers. Thcy arc dcflncd by a scaling relation with stream width, sorting of sediment by size, and the formation of lateral bars. These features are of intercst because thcy excrt a significant control on stream stability and ecology. In spite of considerable effort, there is no consensus on the rncchanism(s) by which the forms develop and are maintaincd. This problem is retated to three factors:​ field data that is inadequate to accept or reject proposed hypotheses, the complexity ofthe possible interactions between the flow, sediment transport and bed form development, and inadequate consideration ofthe cffects of turbulence. The approach of this thesis is to address these factors simultaneously through new modetiing strategies and improved fictd methods and measurements. The specific objectives are:​ (a) to develop a rnodcl to simulate flow and sediment dynamics in order to examine the dynamics ofbcd form devclopment in gravel-bed rivers and to demonstrate the role of feedback mechanisms in bcd form development including the effect of turbulence;​ (b) to test available instrumentation for measuring turbulent flow properties in gravcl-bed rivers during floods;​ (c) to measure and characterize the mean and turbulent flow dynamics ofa forced rime-pool and the sediment and morphologic dynarnics in a forccd riffic-pool;​ and (d) to use both the numerical simulations and analysis ofthe ficld data, to idcntify the mechanisms that lead to the formation and maintenance ofriffle-pools in gravcl-bcd rivers.

Based on the assumption that a gravel-bed river may be described as a complex system, we developed a discrete particle mode! that simulates the transport ofindividual particles based on local mies to determine particle entrainrnent and the fecdbacks between flow and bed form development. Physical processes were simplified to allow us to consider the mechanisms by which bed forms occur and are maintaincd. The model is capable of generating a wide range ofbed forms at different scales. By varying turbulence intensity in response to iow acceleration and deceleration, we demonstrated the emergence ofmacro-scaie bed forms.

To measure and characterize the flow and sediment dynamics ofriffle-pools, we monitored a forccd riffle-pool intensely for an 18 month period. The site is located in Moras Creek, a 6 m wide gravel bed stream near Victoriaville (Quebec). The location of the riffle-pool is forced by a large tree with an intact root wad that sud in to the stream. The study pcriod was geornorphica[Ïy active. At the beginning of the study period, a large flood event rotateded the tree and reinitiated pool scour. A series of subsequent events, the largest ofwhich had a return period of approximately 15 years, changed pool gcometry. We sampled series of instantaneous velocity at up to 270 points through the study site during floods as high as the bankfull level. To measure velocity, we used Electromagnetic Current Meters (ECMs). These instruments were tested in comparable highly turbulent environments to ensure accuracy. The hydraulic data from the forced riffie-pool yielded a number of important and original results. Flow deceleration and acccteration were found to dominate the pool-head and pool-tail, respectively. This has a strong effect on the shape of mean velocity profiles, such that reiatively low velocities occur near the bed in deceterating flows while retatively high velocities occur near the bed in acceicrating flows. This effect explains the occurrence ofa near-bcd velocity reversai between the riffle and the pool-tau. However, mean velocity is not adequate to explain sedirnent transport in the pool-hcad. Instead, we observed high turbulence intensities, and it appears that intermittent flow separation near the bed generates high amplitude and short duration turbulent fluctuations that may be sufficient to initiate sedirnent transport.

To tag and track the movernents of sediment particles, we utilized a reiativety new technique based on Passive Integrated Transponder (PIT) tags. We followed morpÏiological changes during the study period by repeatedly surveying the bcd topography. Morphology and sediment transport rdflect the observed variability of flow hydraulics. Downstrearn of the tree, ail sizes of taggcd particles were evacuated from the pool center and tau on at least two occasions and progressive crosion takes place so that the pool increased in Iength through the study period. In contrast, the region upstrearn of the trcc was characterizcd by altemate cycles of scour and fill and highly size-seiective sediment entrainment. Tagged particles larger than the D84 wcrc not transported out of the pool-head during the study period in spite oC events as large as the 15 year flood.

The key conclusion from both the numerical modelling and the field study is that turbulence is a critical factor in the formation of riffle-pools. Sediment transport by high turbulence in zones of low mean vclocity appears to initiate pool scour and selectively transport the finer sediments out of the pool-head. Thc numerical modet is criticat in the generalization of resuits because it demonstrates that bed forrns with similar size, sorting, and stability to riffle-pools can emerge in the absence of forcing elements if thrcc elcments are included:​ 1) a rule that links acceleration to turbulence intensity, 2) flow separation downstream ofstcep 1cc slopes, and 3) heerogeneous sediments. The convergence of modeling resuits with ficld observations encourages the conclusion that acceteration and dcccleration combincd with turbulence gcneration arc at the core ofa gencral modcl of riffle-pool formation. Forcing elcmcnts appear to act as a catalyst to activatc processes associated with nou-uniforrn flow that eau also emcrgc from the complex system ofa gravel—bed river. These results are unique in the literature and offer a new insight into thc flow and sediment dynamics, complcxity, and organization of a gravel-bed river system.

Cette thèse doctorale porte sur l'organisation des rivières à lit de graviers. La formation du lit en séquences à grande échelle - les séquences seuil-mouille - est une caractéristique de ces rivières qui contrôle la stabilité et la productivité écologique. Malgré son importance, le mécanisme qui génère les seuil-mouilles reste obscur. Ce problème est lié à trois facteurs:​ les données de terrain qui existent ne sont pas suffisantes pour accepter ou rejeter les hypothèses qui existent;​ la complexité des interactions entre l'écoulement, le transport des sédiments, et les formes du lit;​ et le rôle de la turbulence qui n'est pas considéré de façon adéquate. L'approche de cette thèse est d'aborder ces facteurs simultanément avec des méthodes innovatrices pour mesurer les paramètres importants sur le terrain et de modéliser des processus non linéaires dans une rivière. Les objectifs sont:​ (a) de développer un modèle qui est capable de simuler le transport des sédiments et les interactions avec l'écoulement turbulent, (b) en utilisant le modèle, de montrer le rôle des mécanismes de rétroaction dans le développement des formes du lit, (c) de tester les vélocimètres dans des écoulements à fortes vitesses et fortes intensités turbulente, (d) de mesurer et caractériser les dynamiques de l'écoulement dans un seuil-mouille forcé, (e) de mesurer et caractériser les dynamiques de la sédimentologie et la morphologie dans un seuil-mouille forcé, et (f) en utilisant le modèle et l'analyse des données de terrain, d'identifier les mécanismes qui contribuent à la formation des seuils-mouilles.

En considérant une rivière comme un système complexe, nous avons créé un modèle qui simule le transport des sédiments individuellement, c'est-à-dire un modèle 'discret'. Les particules répondent aux paramètres locaux de l'écoulement et des boucles de rétroaction sont possibles. Les processus physiques sont simplifiés afin de permettre la considération des mécanismes qui génèrent les formes du lit. Nous montrons que les formes du lit à grande échelle émergent quand la turbulence varie en fonction de l'accélération et de la décélération de l'écoulement.

Nous avons suivi les dynamiques d'un seuil-mouille forcé pendant 18 mois. Cette période était très active en terme de changements géomorphologiqies à cause d'une série de crues de haut niveau. La plus grande était une crue d'une période de 15 ans. Nous avons échantillonné des séries de vitesses instantanées à 90 - 270 positions au site pendant des crues de bas niveau jusqu'a plein bord. Les instruments ont été testés dans les environnements comparables afin d'assurer leurs capacités de fonctionner comme prévu. Les données hydrauliques nous ont montré quelques résultats importants. La décélération et l'accélération définissent respectivement l'écoulement dans le début et la fin de la mouille. Ceci a un effet important sur la forme des profils de vitesse moyenne, où des vitesses relativement basses sont présentes proche du lit dans la zone de décélération et des vitesses relativement hautes sont présentes proche du lit dans la zone d'accélération. Cet effet explique les observations d'un renversement de vitesses. Cependant, le renversement de vitesses est présent seulement dans la zone vers la fin de la mouille où la pente du lit est positive. Pour expliquer le transport des sédiments dans le début de la mouille, un effet secondaire est requis. Dans cet environnement, l'intensité de la turbulence est haute. Nous avons observé la séparation intermittente de l'écoulement dans cette région de l'écoulement et il apparaît que cette zone génère la turbulence observée.

Afin de suivre les mouvements des particules et de caractériser les patrons spatiaux du transport des sédiments, nous avons utilisé une technique relativement nouvelle basé sur les 'Passive Integrated Transponder (PIT) tags'. Nous avons marqué 300 roches de différentes tailles. Nous avons aussi cartographié le lit de la rivière plusieurs fois pendant cette même période afin de suivre les changements morphologiques. Un événement majeur s'est passé au début de la période d'étude. Cet événement a déplacé l'arbre qui détermine le lieu de la mouille, ce qui a provoqué une nouvelle période de développement morphologique que nous avons caractérisée. En général, la morphologie et le transport de sédiment reflètent la variabilité de l'écoulement. En aval de l'arbre, toutes les tailles de particules marquées ont été enlevées de la mouille et l'érosion de la mouille à été progressive. En contraste, en amont de l'arbre nous avons observé que le transport de sédiment est très sensible aux tailles des particules et que deux cycles d'aggradation et de dégradation se sont produits. Les particules plus larges que le D84 n'ont pas été déplacées du début de la mouille pendant la période d'études, malgré au moins un événement avec unc fréquence de retour de 15 ans.

La conclusion centrale de la modélisation et de l'étude de terrain est que la turbulence est nécessaire pour expliquer la formation des seuil-mouilles. Le modèle est très important pour la généralisation des résultats parce qu'il démontre que des formes du lit avec une taille, un triage de particule par taille, et une stabilité similaire à ce que nous observons dans les seuil-mouilles naturels peuvent être générées sans qu'un élément comme l'arbre soit présent pour le provoquer. Pour cela, il faut que le modèle inclue une règle qui lie la turbulence à l'accélération, une autre règle qui imite l'effet de la séparation de l'écoulement, et les sédiments de tailles hétérogènes. La convergence de ces facteurs avec les observations de terrain encourage l'hypothèse que tous les seuil-mouilles sont générés par un mécanisme similaire. Il apparaît que les éléments qui forcent les seuil-mouilles fonctionnent comme des catalyseurs qui activent les processus associés à l'écoulement non uniforme, mais que ces processus peuvent aussi émerger du système complexe qui constitue une rivière à lit graveleux. Ces résultats sont uniques dans la littérature et portent une nouvelle vision sur les dynamiques fluviales, la complexité, et l'organisation d'une rivière.