Enjeux de détermination des flux hydrosédimentaires d’un cours d’eau

Enjeux de détermination des flux hydrosédimentaires d’un cours d’eau

Les barres sédimentaires sont des macroformes et représentent donc des stocks importants de sédiments en transit qu’il est nécessaire de prendre en compte. En effet, l’évolution d’une structure sédimentaire dans le temps ou la création de nouvelles peuvent être problématiques pour les activités humaines (centrale nucléaire, barrages, etc..).

Ainsi, les enjeux principaux de la modélisation du transport solide sont, d’une part, de comprendre le fonctionnement hydrosédimentaire d’un système fluvial et, d’autre part, d’améliorer le management d’une rivière pour répondre aux différentes activités et aux différents besoins tout au long du bassin versant.

La réalisation d’un modèle de transport sédimentaire est intéressante à plusieurs titres :

Pérennité des activités et des usages
Dans les lits sablo-graveleux, la relative mobilité des sédiments en lien avec un seuil de mise en mouvement plus faible, engendre, fréquemment, une rapide migration des barres sédimentaires comme c’est le cas dans la Loire (France), au niveau de la Centrale Nucléaire d’Avoine-Chinon (Claude et al, 2014). Des enjeux forts sont présents dans cette configuration du fait que la migration d’une barre sédimentaire peut obstruer la prise d’eau utile au refroidissement des réacteurs. La sécurité publique est mise en danger dans cette situation.

Efficacité des travaux entrepris
La compréhension du fonctionnement hydrosédimentaire d’un cours d’eau peut aussi permettre d’améliorer l’efficacité des travaux (d’aménagement ou de restauration). Des économies peuvent donc être réalisées à l’aide de l’outil de modélisation. A titre d’exemple, la connaissance de la migration des barres sédimentaires évitera de réaliser des opérations de dragage ou de curage inutiles, si l’ensemble de la zone se retrouve rapidement comblée par une autre barre sédimentaire. Autre exemple, la présence d’une barre sédimentaire engendre une diminution de la section du lit mineur. Par conséquent, une élévation de la hauteur d’eau sera observée dans cette zone aboutissant à un accroissement du risque inondation. Ce risque est aussi augmenter du fait que la barre sédimentaire représente une rugosité, et, selon le type d’écoulement, va contrôler la hauteur d’eau en amont (régime fluvial, nombre de Froude < 1). Des dispositifs de renforcement de berge et de réduction du risque inondation (merlon, digues, etc…), peuvent devenir inefficaces dans le cas d’une forte augmentation de la ligne d’eau lors de la variation de la géométrie de la section par exemple.

Préservation des habitats pour la biologie
Les barres sédimentaires peuvent aussi avoir un rôle de niche écologique et d’habitat (Rodrigues, 2014). Certaines peuvent être colonisées par des oiseaux pendant la zone de ponte par exemple. De même, la libération rapide de sédiments dans le cours d’eau lors de crue ou de fort débit pourraient aussi impacter les différents habitats le long du cours d’eau.

Intérêts de la prise en compte des dunes dans la migration des barres sédimentaires

Des études ont pu montrer l’impact de la présence de dunes sur les écoulements qui, par rétroaction, vont influencer la migration des dunes. En effet, la réponse de la surface libre à la présence de ce type de forme de lit induit une accélération des vitesses d’écoulement près du fond sur la face érosive (Ferret, 2011). Dans ces conditions, la force de cisaillement, motrice de la mise en mouvement des sédiments, augmente sur la face érosive et diminue sur la face d’abris. Par conséquent, l’impact majeur des dunes sur les écoulements est représenté par une action de résistance (rugosité de peau et rugosité de forme) (Villard et Church, 2005). Ces impacts induisent des macro-turbulences comme les bouillonnements à la surface de l’eau parfois visibles (Ferret, 2011).

Néanmoins, ces structures n’affectent pas uniquement l’écoulement et leur migration. Les dunes sont fréquemment superposées aux barres sédimentaires (Rodrigues, 2014). Or, peu d’études se sont intéressées à ces intéractions dunes/barres, pouvant se définir comme des intéractions à échelles différentes selon la taille respective des structures. Les dunes surimposées à des unités sédimentaires peuvent jouer un rôle dans la migration de la structure hôte. En effet, l’étude de Reesink & Bridge de 2009, schématise les « boucles» ou macro turbulences au niveau de la face d’abris, symbolisant les intéractions entre les écoulements et les corps sédimentaires lors de rugosité de forme (Fig 1). Une modification des positions des zones érosives et de dépôt est donc identifiable et représente un impact des structures superposées sur leur structure hôte. Concernant les vitesses de migration de ces deux corps sédimentaires, il est généralement admis que la forme superposée possède des vitesses de migration plus importantes que la structure hôte (Reesink & Bridge, 2009).

Certains auteurs ont essayé d’introduire une hauteur seuil des structures surimposées selon laquelle des effets significatifs sur la migration de la structure hôte apparaitraient. En effet, une hauteur de la dune supérieure à 25 % de la hauteur de la structure hôte engendrerait des modifications suffisantes des conditions hydrodynamiques pour impacter la morphologie et la migration de cette dernière (Reesink, A., & Bridge, J., 2011). D’autres auteurs ont émis l’hypothèse que la fusion de dunes serait un catalyseur pour la création des barres sédimentaires (Ashworth, et al., 2000).

Modélisation des flux hydrosédimentaires 

Tout l’enjeu du sujet de P.F.E proposé est de trouver une méthode de modélisation de dunes superposées aux barres sédimentaires, afin de déterminer l’impact de ces dernières sur la migration de la structure hôte. Dans la présente étude, deux modules (TELEMAC 2D et SISYPHE), rattachés au système de modélisation TELEMAC-MASCARET ont été utilisés du fait de la gratuité et du caractère opensource de ces outils. Le fonctionnement de ce système de modélisation sera explicité ultérieurement.

Principes généraux de la modélisation du transport sédimentaire

La modélisation est une tentative de représentation de la réalité. Cette méthode est simplifiée du fait de nombreuses hypothèses simplificatrices permettant de représenter des systèmes complexes. Ces outils sont importants de nos jours, notamment pour les décideurs lors de projets d’aménagement par exemple. Néanmoins, plusieurs types de modèle existent. D’un point de vue terminologique, les modèles physiques sont des modèles impliquant la réalisation d’une maquette du phénomène étudié à une échelle adaptée. Les modèles numériques sont, quant à eux, basés sur des équations mathématiques afin de décrire le phénomène étudié (transport solide, écoulement, etc…). L’activité de modélisation numérique nécessite l’utilisation de formules mathématiques appropriées aux problèmes d’étude. Ces systèmes numériques sont en perpétuel amélioration afin de résoudre des problèmes de plus en plus complexes et d’associer représentativité des résultats avec un temps de calcul raisonnable. De manière générale, la modélisation numérique des flux sédimentaires nécessite le couplage de deux composantes : la partie hydrodynamique et la partie morphodynamique.

Equations mathématiques gouvernant les modélisations numériques : 

La partie hydrodynamique est représentée à l’aide des travaux d’Adhémar Barré Saint-Venant (F.Cordier, 2018). Les équations obtenues, appelées Equations de Saint-Venant ou Shallow Water Equation (SWE), permettent de résoudre des problèmes unidirectionnels ou bidimensionnels caractérisant des milieux de faibles profondeurs. Dans le détail, ce système d’équations se décompose en deux équations permettant de représenter la loi de conservation de la masse et la loi de conservation de la quantité de mouvement. La partie morphodynamique est généralement décrite selon l’équation d’Exner (1920), prenant en compte la loi de conservation de la masse (F.Cordier, 2018). Concernant la capacité de transport théorique d’un cours d’eau, plusieurs formules empiriques sont utilisées telles que les équations de Meyer Peter & Muller ou d’Engelund-Hanser par exemple. Néanmoins, la plupart de ces équations de capacité de transport néglige l’effet de la gravité, en prenant comme hypothèse la présence d’un lit plat. Par conséquent, les capacités de transport sont minimisées. Des méthodes de correction existent et se basent sur d’autres formules empiriques (Koch and Flokstra, 1980).

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Table des matières

Introduction
I. Description des unités sédimentaires étudiées
II. Enjeux de détermination des flux hydrosédimentaires d’un cours d’eau
III. Intérêts de la prise en compte des dunes dans la migration des barres sédimentaires
IV. Modélisation des flux hydrosédimentaires
A. Principes généraux de la modélisation du transport sédimentaire
B. Système de modélisation TELEMAC-MASCARET
C. Logiciel TELEMAC 2D
1. Informations générales sur le logiciel TELEMAC 2D
2. Gestion des fichiers du logiciel TELEMAC 2D
D. MODULE SISYPHE
1. Informations générales sur le logiciel SISYPHE
2. Ensemble de fichiers de simulation de SISYPHE
3. Couplage modules hydrodynamique/morphodynamique
V. Matériels et méthodes
A. Géométrie
B. Maillage
C. Conditions aux limites
D. Rugosité du modèle
VI. Résultats
A. Cas géométrie du 05/12/2017
B. Cas géométrie du 19/01/2018
VII. Discussion
A. Cas géométrie du 05/12/2017
B. Cas géométrie du 19/01/2018
Conclusion
Bibliographie

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