Soutenance mémoire
La circulation générale en Manche Orientale
Le va et vient diurne de la marée cache un transport à long terme des particules d’eau. Après une séquence flot-jusant, les particules d’eau ne reviennent pas exactement au même endroit. Le transfert entre un mouvement purement alternatif et un mouvement moyen (ou résiduel) a pour origine les fortes amplitudes des marées et des courants couplés à une topographie du fond et à des formes de côtes mouvementées. Les usagers de la mer savent depuis longtemps que les épaves (bois flottants, détritus, algues) se déplacent sur plusieurs jours, semaines ou mois sous les effets conjugués de la marée et du vent. Depuis le début du siècle (Matthews 1911), l’étude de la salinité en Manche a révélé un mouvement général des eaux depuis l’Atlantique vers la mer du Nord. Depuis, les études menées à l’Ifremer par modélisation numérique ont permis de confirmer, de quantifier et de préciser cette hypothèse. Dans un article de synthèse Salomon et Breton (1993) ont calculé les trajectoires moyennes des particules d’eau dans la Manche. Si le transport général est dirigé vers le Pas-de-Calais et la mer du Nord, on constate que les particules ont tendance à contourner les Îles Anglo-Normandes ou le tourbillon de Barfleur. Les courants résiduels moyens sont dirigés de l’Atlantique vers la mer du Nord. Le temps de transit moyen dans la Manche est d’environ 6 mois à 1 an (Salomon et al 1993 ; Bailly du Bois et al., 2005) . La Fig. 1.2 représente la circulation moyenne des masses d’eau en Manche. La circulation en Manche orientale est marquée par la présence d’un vaste tourbillon anticyclonique (sens des aiguilles d’une montre) généré dans le sillage du Cotentin (Salomon et al., 1993 ; Thiébaut et al., 1998). Ce tourbillon anticyclonique est appelé tourbillon de Barfleur. Les vitesses sont de l’ordre de 2-3 cm/s en l’absence de vent. Plus à l’Est, l’estuaire externe de la Seine est sansdoute la région où les écarts de courants entre la surface et le fond sont les plus marqués. En surface, les courants sont dirigés vers l’Ouest puis le Nord. Près du fond, la circulation est dirigée vers l’estuaire (Thiébaut et al., 1998). La circulation au large des côtes picardes et de celles du Pas de Calais est dirigée vers le Nord et constitue l’aboutissement de la circulation générale del’Atlantique vers la mer du Nord. L’ordre de grandeur des courants résiduels dans le Pas de Calais est compris entre 5 et 10 cm/s.
Origine des courants en Manche
Le principal processus physique en Manche est la marée semi-diurne. Circulation lente observée sur la bande littoral à cause des phénomènes de friction, et circulation rapide de l’eau atlantique dans la zone centrale du détroit (Salomon, et Breton, 1993). trouve les marnages les plus importants et les courants de marée les plus intenses de toutes les côtes métropolitaines. Ces courants de marée ont un rôle important à la fois sur le transport des masses d’eau à court et long terme et sur le mélange vertical. A plus long terme, ces courants ont une composante permanente, appelée courant résiduel de marée, liée à la propagation de la marée et à l’effet du frottement. Ce courant est beaucoup plus faible que le courant instantané mais son influence sur le transport à long terme des masses d’eau est déterminante car ce courant est permanent, son intensité étant modulée par les cycles vives eaux- mortes eaux (période de 14,7 jours).Les courants en Manche sont des courants puissants, plutôt alternatifs, le flot orienté au Nord-Est et le jusant au Sud-Ouest. Le resserrement en entonnoir au niveau du Cotentin, du cap Gris-Nez et de la baie du Mont St. Michel provoque une augmentation de l’amplitude des courants de marée (2 m/s en vive eau moyenne dans le détroit du Pas-de-Calais) et l’amplification de la marée surtout en baie du Mont St. Michel (deuxième marnage le plus important au monde). Que ce soit dans le cadre de l’étude fondamentale portant sur l’évolution du niveau de la mer à long terme ou de l’étude appliquée visant le transport et la dispersion du matériel en suspension dans l’eau en zone côtière, il est crucial de savoir modéliser correctement la marée et les courants de marée représentant le forçage dominant pour la circulation régionale côtière. Une modélisation précise des courants nécessite de prendre en considération l’ensemble des ondes dominantes pour spécifier des conditions aux limites ouvertes dans des simulations tridimensionnelles plus complexes et plus réalistes dans la zone d’étude.
Les flux transitant par le détroit du Pas de Calais
Le flux moyen est dirigé de l’Atlantique vers la mer du Nord. Les valeurs de ces flux en moyenne annuelle sont assez cohérentes bien quelles aient été obtenues par des moyens différents. La mesure donne un flux moyen de 94 000 m3 /s (Prandle et al.,1996) et une étude par modélisation validée sur la dispersion des radionucléides propose une valeur un peu plus forte de 130 000 m3/s. Parmi tous les processus physiques générant des courants et décritsau § 1, la part attribuable aux seuls effets résiduels de la marée est de l’ordre de 40 000 m3 /s (Salomon et al., 1993 ; Sentchev and Yaremchuk 2007), le reste étant attribuable aux gradients de pression à grande échelle, aux effets du vent et aux gradients de densité. Une étude récente par modèle numérique (Holt et al., 2008) montre que les flux varient entre 130 000 m3/s en hiver, 60 000 m3 /s au printemps et en été et 40 000 m3 /s en automne.
Modélisation hydrodynamique
MARS (Model for Applications at Regional Scales) est un modèle communautaire développé et diffusé par l’équipe DYNECO/PHYSED (laboratoire de PHYsique et SEDimentologie du département DYNamiques de l’Environnement COtier) de l’IFREMER. Cet outil informatique est dédié à la modélisation océanographique côtière, des échelles régionales jusqu’aux échelles littorales (quelques centaines voire dizaines de mètres) et intègre une forte composante environnementale (modules de sédimentologie et biogéochimie). A l’Ifremer, le modèle pluridisciplinaire MARS est principalement appliqué à la modélisation régionale des façades maritimes métropolitaines par le biais de configurations côtières dédiées à l’étude de sites et d’ écosystèmes d’intérêt économique ou territorial. Il est aussi utilisé par différents organismes de recherche pour des besoins spécifiques variés, par exemple étudier l’hydrodynamique (risque naturel : surcote, inondations, …) et la morphodynamique littorale [BRGM, UMR EPOC], l’hydrodynamique lagonaire (Nouméa, Tuamotu) et lagunaire (Terminos et Cienfuegos) [IRD], l’hydrodynamique estuarienne et application au transport des sédiments fins [INA, IMFIA, CIMA (Argentine)]… Enfin, le code de calcul MARS, est exploité par plusieurs sociétés privées pour réaliser des études d’impact à destination des collectivités locales et par le système d’océanographie côtière opérationnelle PREVIMER (http://www.previmer.org) qui fournit quotidiennement des prévisions hydrodynamiques et environnementales. Le modèle MARS 3D, (Lazure et Dumas, 2007) est un modèle à surface libre aux différences finies fondé sur la résolution des équations de Navier-Stokes. Il introduit l’approximation de Boussinesq et l’hypothèse d’hydrostaticité sur la verticale. Ce modèle, inspiré de celui de Blumberg et Mellor (1987), est basé sur la séparation des modes barotropes et baroclines. Un modèle 2D, qui fournit l’élévation de la surface libre et les courants barotropes, est ainsi couplé au modèle 3D, qui fournit les courants baroclines, afin de considérer séparément les ondes de gravité de surface et les ondes internes. Les équations de ces deux modes sont résolues séparément mais avec le même pas de temps à l’aide d’une méthode itérative. Les équations résolues pour le mode barocline et pour le mode barotrope ainsi que le mode de couplage utilisé sont décrits dans cette section. Dans MARS-3D, les équations sont écrites en coordonnées sphériques suivant le plan horizontal et en coordonnées sigmas (σ) sur la verticale. Dans un souci de clarté, les équations sont données ici pour un repère cartésien (x,y,z). L’axe x est orienté vers l’Est, l’axe y vers le Nord et l’axe z vers le haut.
Cœur hydrodynamique du modèle
Le code MARS résout les équations primitives d’un milieu incompressible, hydrostatique suivant l’hypothèse de Boussinesq, et s’appuie sur des schémas classiques en différences finies sur une grille Arakawa C (verticale et horizontale). La coordonnée verticale utilisée est de type sigmasgénéralisés. L’originalité du code MARS est le traitement du mode barotrope, évalué de façon semiimplicite, qui permet de s’affranchir d’un time-splitting et autorise un couplage plus direct entre les modes barotrope et barocline. Une autre particularité concerne les conditions aux limites ouvertes qui sont exprimées au centre de la maille (forçage en niveau) car MARS était initialement dédié à la modélisation d’écoulements forcés par la marée. Durant ces dernières années, le code a été largement revisité et amélioré, tant du point de vue des schémas numériques que des techniques de parallélisation et optimisation. Les modules d’écosystèmes ont aussi évolué pour élargir leur domaine d’application. Les méthodes numériques au cœur du modèle hydrodynamique ont été reprises et mises au point avec l’aide des numériciens du laboratoire Jean Kuntzmann à Grenoble. Les schémas numériques (schéma temporel, couplage barotrope barocline, schémas d’advection) sont d’ordre élevé ; ils limitent les erreurs de dispersion et de dissipation, et améliorent la stabilité du code. Le mode splitting permet une même discrétisation du temps de de l ‘espace offrant au modèle un pas de temps élevé. L’usage d’un schéma implicite pour le mode interne (barocline) et d’un ADI (alternate direction semi-implicite pour le mode externe (barotrope) permet egalement un couplage entre les deux modes et des échanges auto-correctifs conférant une haute stabilité au modèle MARS3D.
Validation fréquentielle: analyse harmonique du signal de marée
Le signal de marée peut être représenté par la somme de fonctions trigonométriques ayant une amplitude et une phase caractéristiques, appelées constantes harmoniques. Ces constantes ne dépendent que du lieu d’observation, c’est pour cette raison que la connaissance de ces constantes harmoniques permet de prévoir l’évolution de la marée dans un lieu d’observation (par exemple dans les ports). Il est possible de retrouver ces constantes à partir des séries d’observations grâce à la méthode de l’analyse harmonique. Les mesures de pression (donc hauteurs d’eau) et les vitesses sont analysées de façon à pouvoir dissocier signal de marée et signal résiduel. L’estimation des constantes harmoniques est effectuée par le logiciel (T_Tide, PAWLOWICZ et al., 2002). Notons que, dans un tel traitement appliqué à un mois de mesure, les périodes (des composantes de marée) les plus longues prises en compte sont de 20 jours. Les oscillations possibles, d’origine autre que la marée, de 50 à 70 jours n’ont donc aucune influence sur le traitement de marée fait ici. Une fois les composantes de marée extraites (hauteur d’eau h, composantes de vitesse), le signal est recomposé en signal temporel. Afin de vérifier la qualité de l’analyse harmonique, les niveaux d’eau bruts et les niveaux d’eau obtenus après analyse harmonique sur la durée d’un mois sont comparés de nouveau. Cette analyse permet de reproduire le signal brut observé avec un écart RMS de 2 cm. Sur cette même période de 30 j, les analyses donnent des écarts de 1 à 2,5 cm entre la marée issue de MARS et le niveau d’eau brut mesuré. L’analyse T_Tide peut donc être considérée comme satisfaisante. La validation dite «fréquentielle» consiste en une décomposition du signal de marée suivant les différentes ondes qui le compose. Pour se faire, nous avons choisi les 12 ondes principales : Q1,O1,P1,K1,M2,S2,N2,K2,2N2,M4,MN4,MS4. Le procédé d’inférence a été développé pour les composants astronomiques ayant une fréquence moindre que la limite de résolution de Rayleigh. Nous avons utilisé des informations sur l’amplitude et la phase des ondes de marée disponibles dans la base de données du SHOM.
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Table des matières
Remerciements
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 La région Manche orientale
1.1 Contexte régional
1.2 Contexte marégraphique et courantologie
1.2.1 La circulation générale en Manche orientale
1.2.2 Origine des courants en Manche
1.2.3 L’onde de marée en Manche Orientale
1.2.4 Les flux transitant par le détroit du Nord Pas de Calais
1.3 Contexte météorologique régional
1.3.1 Le régime des vents
1.3.2 Le niveau moyen et les effets du vent sur la circulation
1.3.3 Le régime des houles
1.3.4 Les apports fluviaux
1.3.5 La pluviométrie
CHAPITRE 2 Outils de modélisation
2.1 Modélisation hydrodynamique
2.1.1 Introduction
2.1.2 Le cœur hydrodynamique du modèle
2.1.3 Équations du modèle 3D
2.1.4 Équations du modèle 2D
2.2 Paramétrisation de la dissipation turbulente
2.2.1Fermeture turbulente sur la verticale
2.2.1.1 Modèle de Pacanowski et Philander
2.2.1.2 Modèle de Gaspar
2.2.2 Dissipation horizontale
2.3 Conditions aux limites
2.3.1En surface
2.3.2 Au fond
2.3.3 Aux frontières latérales
2.3.4 Principe de résolution numérique
2.3.5 Développement d’un modèle régional
2.4 Validation du Modèle hydrodynamique MARS3D en Manche Orientale
2.4.1 Méthode
2.4.2 Validation de la modélisation pour le niveau de la mer
2.4.3 Validation fréquentielle: analyse harmonique de marée
2.4.4 Validation avec des mesures RADAR VHF
2.4.5 Utilisation de bouées ARGOS pour la validation
2.4.6 Validation à l’aide de mesures ADCP
2.4.6.1 Fonctionnement d’un Acoustic Doppler Current Profiler
2.4.6.2 Comparaison modèle/adcp periode de mars 2009
2.4.6.3 Comparaison modèle/adcp periode de juin 2012
2.5 Le transport Lagrangienne
2.5.1 Le module de transport Lagrangien : ICHTHYOP
2.5.2 Étude de cas tests : méthode
2.5.3 Analyse des courants résiduels et trajectoires des traceurs
2.5.4 Développements complémentaires du logiciel ICHTHYOP
2.6 Conclusions
CHAPITRE 3 Circulation régionale des masses d’eaux en Manche Orientale
introduction
3.1 Contexte hydrologique régional
3.1.1 Interface mer-cours d’eau
3.1.2 La zone frontale
3.2 approche expérimentale de la circulation côtière
3.2.1 La cyclicité semi-diurne
3.2.2 Caractérisation spatiale de la circulation côtière
3.2.3 Caractérisation temporelle de la circulation côtière
3.2.4 La cyclicité semi-mensuelle
3.3 Caractérisation MARS 3D du fleuve côtier
3.3.1 Configuration régionale du modèle
3.3.2 Analyse courantometrique et dispersion lagrangienne
3.3.3 Variabilité spatiale de la circulation côtière
3.3.4 Variabilité temporelle de la circulation côtière
3.4 conclusions
CHAPITRE 4 Caractérisation du transport et de la dispersion de traceurs passifs sur le littoral du Nord-Pas -de-Calais: application à la rade de Boulogne-surMer
Introduction
4.1 Domaine d’étude et méthodologie
4.1.1 Le domaine
4.1.2 Le régime des vents à BLM
4.1.3 La liane
4.1.3.1 Hydrographie
4.1.3.2 État écologique
4.1.4 Méthodologie
4.1.4.1 Configuration du modèle
4.1.4.2 Le suivi lagrangien
4.1.4.3 La campagne ADCP de Mars 2012
4.2 L’hydrodynamisme en rade de Boulogne -sur-Mer
4.2.1 Courants instantanés
4.2.2 Courant résiduels et moyens
4.2.3 Effets de la marée sur la dispersion
4.3 Sensibilité du transport aux forçages
4.3.1 Effet du débit variable
4.3.2 Effet de la la direction du vent
4.3.2.1 Le vent de Sud-Ouest
4.3.2.2 Le vent de Nord-Est
4.3.3 Effet de l’intensité du vent
4.4 Effets d’aménagements côtiers sur la circulation et le transport
4.5 Conclusions
CHAPITRE 5 Caractérisation du transport et de la dispersion en Baie de Somme
Introduction
5.1 La baie de Somme
5.1.1 Contexte géographique et problématique
5.1.2 Contexte météorologique local
5.1.2.1 Régime climatique
5.1.2.2 Régime marégraphique
5.1.2.3 Régime des vents
5.1.2.4 Régime des houle
5.1.2.5 Apports fluviaux et flux en MES
5.1.2.6 Évolution morpho-dynamique de la baie de Somme
5.1.3 Contexte microbiologique
5.1.3.1 Pression liée à l’urbanisme
5.1.3.2 Pression liée à l’industrie
5.1.3.3 Pression liée à l’agriculture
5.1.4 Contexte législatif
5.1.4.1 Directive cadre de l’eau (DCE)
5.1.4.2 Directive eaux conchilicoles
5.1.4.3 Directive eaux de baignade
5.2 Travaux et études antérieures
5.2.1Etude Sogreah
5.2.2 Etude Gemel
5.2.3 Étude Saunier
5.3 Méthodologie et configuration du modèle
5.3.1 configuration du modèle et des eaux environnantes
5.4 Courantometrie en baie de Somme
5.4.1 Les courants de marée en baie de Somme
5.4.2 Courants instantanés
5.4.3 Courants résiduels
5.4.4 Temps de résidence des eaux
5.4.5 Les zones d’influence d’eau douce
5.4.6 Influence du moment de lâcher sur le transport des traceurs passifs
5.5 Suivi Lagrangien et étude de la dynamique des eaux de la baie
5.5.1 Temps de résidence des traceurs
5.5.2 Trajectoires des traceurs
5.5.3 Effet d’un aménagement côtier: «la Somme au Hourdel»
5.6 Répartition spatio-temporelle des particules
5.6.1 Suivi par zone (approche Eulérienne)
5.6.2 Suivi par source (approche Lagrangienne)
5.6.3 Classement des zones et degré de vulnérabilité
5.7 Conclusions
6 – CONCLUSIONS GENERALES
7- VALORISATION DU TRAVAIL
8 – REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
9 – ANNEXES
A1-Annexe du 2.3.2 comparaison SSH modèle/marégraphes-12 ports
A2-Annexe du 2.4.3 Analyses des amplitudes et phases des ondes principales
A3- Annexe du 4.2.1 Courants moyens selon les forçages pendant un cycle de marée
A4- Annexe du 4.2.2 Courants moyens selon les aménagements de la rade pendant un cycle de marée
A5- Annexe du 4.4.1 Courants instantanés aménagements côtiers
A6 annexe du 5.6- Résultats obtenus pour 240h de transport
A7 -annexe du 5.6.1 analyse des zone A et B
10- PUBLICATIONS
P1 Publication 1 Jouanneau, N., Sentchev, A., Dumas, F., – 2012. High resolution modelling of circulation an dispersion processes in Boulogne sur mer harbour (Eastern English Channel) : sensitivity to physical forcing and harbour configuration. ( accepté dans Ocean dynamics dans le cadre du JONSMOD 2012).
P2- Publication. 2 Jouanneau, N., Sentchev, A., – 2010. Caracterisation de la dispersion du materiel en suspension dans un écoulement côtier soumis à un regime macro-tidal et aux forçages météorologiques: Application en Manche Orientale. UOF-Le 26eme forum des jeunes océanographes , pages 119-
124.
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