Traçage sédimentaire des surfaces armurées en Loire Moyenne

La Loire est un fleuve qui a fait l’objet de nombreuses interventions humaines qui ont conduit au ralentissement de sa vitalité dans sa partie active (lit mineur). En cause, l’ensemble des opérations de dragage, de chenalage (navigation) et d’extraction de matériaux voués à la construction. L’accrétion graveleuse en Loire moyenne a été favorisée par les campagnes d’endiguement qui ont eu lieu sur l’ensemble du bassin versant (Castanet, et al., 2003) ce qui a causé une augmentation de la vitesse d’onde de crue. Chaque épisode de crue représente un évènement de mobilisation des sédiments qui se traduit par de fortes phases d’érosion et de dépôt. Ces séries d’évènements hydrologiques conduisent à la formation de schémas de mise en place des sédiments particuliers. Dans la phase de diminution de la force d’écoulement, à la surface des îles et des barres sédimentaires édifiées, a lieu la chasse des matériaux fins qui sont encore en mesure d’être transportés pour laisser place à une surface armurée qui renferme un stock de sédiments hétérogène (sub-surface). Le traçage sédimentaire est un moyen technique qui s’est généralisé dans l’étude de la dynamique sédimentaire des cours d’eau dans les années 1960 (Ramette, et al., 1962), (Leopold, et al., 1966), et qui a connu deux grandes périodes d’évolution dans ses moyens de mise en œuvre et dans ses applications : les années 1980 et les années 2000. Cette évolution résulte du fait de l’augmentation du nombre d’études de géomorphologie utilisant cette méthode. L’objet de la présente étude est la caractérisation de la taille et de la dynamique des sédiments composant les armures sédimentaires. Le moyen à l’étude est la technique de traçage par RFID passive, soit l’injection de PIT tags (Transpondeurs Passifs Intégrés) dans les sédiments. L’utilisation de PIT tags dans un cours d’eau à charge sablo-graveleuse comme la Loire, permettra d’obtenir des moyens de mise en œuvre de la méthode de traçage sédimentaire « RFID passive » sur ce type d’hydro-système afin d’étudier la structure et la dynamique des armures sédimentaires. La mise en œuvre d’un protocole de traçage sédimentaire par RFID passive répondra à plusieurs objectifs :
﹣ Etude de la dynamique morphologique de la barre forcée de Mareau-aux-Prés.
﹣ Estimation des débits de mise en mouvement d’une armure sédimentaire et du comportement des sédiments de la sub-surface.
﹣ Détermination des phases de mouvements des sédiments transportés par un évènement hydrologique. Il s’agit d’étudier dans quelles mesures il est possible de prévoir le mouvement des armures sédimentaires d’un point de vue temporel (fréquence des crues mobilisatrices) et spatial.

Localisation et dimensionnement

En termes de localisation, il est possible de situer le site d’étude selon trois échelles. D’une part, la barre sédimentaire forcée (non-migrante) de Mareau-aux-Prés évolue en Loire Moyenne (340 km entre le Bec d’Allier et le Bec de Vienne) dans la Réserve Naturelle de Saint-Mesmin, à 649 km en aval de la source du cours d’eau. Ensuite, la Loire, dans ce contexte géographique, est caractérisée par des formes de lit (dunes) conduisant à l’édification d’îles. Localisé en aval d’Orléans (45), environ à 500 m en aval de la confluence avec le Loiret, le site des îles de Mareau-aux-Prés est constitué d’une mosaïque de quatre îlots sur une superficie de treize hectares (INRAE, 2020). Enfin, la barre sédimentaire faisant l’objet de cette étude, évoluant dans le ce complexe d’îles, représente un point dur dans ce dernier.

Dans ce tronçon de rivière, ce complexe évolue au centre d’un chenal qui se caractérise par une bande active qui fluctue entre 300 et 450 m, et une pente moyenne de 0.22%0, à l’image des caractéristiques attribuées au lit de la Loire dans sa partie moyenne (0.4%0). La Loire présente une période de forts débits qui a lieu entre l’hiver et le printemps. Une station de jaugeage est située en amont du site d’étude sur la commune d’Orléans (45 234). Elle mesure les débits ainsi que la hauteur d’eau de la Loire. La station relève un débit moyen de 344 m3/s et un débit de crue sur deux ans de 1700 m3/s. Lors des hauts débits, période de crue, le débit provenant du chenal principal est réparti entre les différents chenaux créés par les îles et la barre sédimentaire. La dynamique générale de la barre sédimentaire se compose d’une forte érosion pendant la phase ascendante de la crue. De plus, la phase de dépôt qui est nécessaire pour l’approvisionnement en sédiment est remarquée après le débit le plus fort de la crue pour des crues de faibles débits. Dans le cas de crues de plus grande ampleur, les sédiments sont mobilisés depuis le canal principal, avant le débit de pointe. Sont à noter, les deux processus suivants qui précisent la dynamique des sédiments sur la barre sédimentaire : la force de trainée (dragage) et l’érosion des sédiments.

Dans sa localisation, la barre sédimentaire étudiée se situe dans un tronçon de la Loire qui présente une morphologie fluviale sous forme d’anabranches, avec une zone d’expansion/contraction qui fait varier la largeur du chenal entre 270 et 430 mètres. Au droit du site, le lit de la rivière est donc élargi. En termes de dimensions, la barre sédimentaire présente une superficie de 26 700 m² et une longueur de 260 m. La barre étudiée a une forme plane triangulaire et son altitude moyenne est de 83,8 m au-dessus du niveau de la mer. Les sédiments sont principalement constitués  d’un mélange de particules siliceuses allant des galets aux sables fins, même si certains galets de silex résultant de l’altération du substrat rocheux calcaire sont présents. Sur cette barre non-migratrice, lors des crues, deux zones sont à distinguer, la zone centrale qui est fixe car soumise seulement à des faibles phénomènes d’érosion et de dépôt et les zones au bord de la barre qui sont eux, très mobiles (Wintenberger, 2015). Au sein de cette zone centrale citée précédemment, précisons que la moitié amont constitue un site préférentiel pour le développement d’armures sédimentaires.

Caractéristiques et disposition des matériaux

Des études de granulométries ont été réalisées sur la barre sédimentaire de Mareau auxPrés répartis sur 6 des 12 coupes transversales qui ont été définis pour la bathymétrie.

Les sédiments ont été échantillonnés en surface pour la plupart des échantillons, et un prélèvement en profondeur a été effectué lorsqu’il a été remarqué la présence de surfaces armurées (ces points de prélèvement présentent donc un échantillon de surface et un échantillon de sous-couche). Le D50 (granulométrie médiane), le D90 (90% de l’échantillon est plus fin que cette taille) et les autres paramètres granulométriques ont été obtenus en utilisant la feuille de calcul Gradistat 4.0 (Blott, et al., 2001) à la suite d’une analyse par tamisage (Wintenberger, 2015).

Les caractéristiques granulométriques de la barre sédimentaire qui fait l’objet de cette étude ont été analysées. Trois tailles de grain différentes sont à distinguer sur l’ensemble de la barre : les sédiments fins (D50 < 2.10−3 m) apportés par le chenal principal lors des crues, les sédiments moyens (2.10−3 < D50 < 6.10−3 m) et les sédiments grossiers (D50 > 6,10−3 m) qui correspondent aux surfaces armurées.

Comme dit précédemment, deux zones distinctes sont à noter au niveau de la dynamique de mobilisation des sédiments. La partie amont et centrale de la barre sédimentaire est caractérisée par des zones fixes avec peu de remodelages des couches sédimentaires de la barre. La partie aval de la barre sédimentaire constitue une zone de mouvement intense des sédiments qui sont constamment érodés(Wintenberger, 2015). Les échantillons qui présentent une majorité de gravier (D50 > 2.10-3 m) par rapport aux sables sont ceux situés sur la partie amont de la barre sédimentaire. La différence des proportions moyennes de graviers entre les points C1 à C8 (amont) et les points C16 à C27 est de 12% (Blott, et al., 2001) (Figure 3). Le positionnement des matériaux disponibles sur le site d’étude a été précisé par une analyse rapide synthétisée sur la figure ci-après.

La zone d’intérêt principale concernant les armures sédimentaires se traduit donc, d’après la disposition surfacique des matériaux sur les transects d’études les plus en amont (Figure 2). Concernant la disposition verticale des matériaux, la barre sédimentaire de Mareau-aux-Prés présente une gamme de tailles de sédiments plutôt homogène sur la partie aval. La moitié amont de la barre présente un gradient vertical de taille. La prise en compte de cette variable pour la mise en œuvre d’un protocole de traçage efficace est capitale mais doit tout de même concorder avec les limites de la technique de traçage employée (I.2, I.3, I.4Protocole). Dans l’étude des armures sédimentaires, le choix qui est fait, pour préciser leur dynamique par leur capacité à se mettre en mouvement par rapport à un évènement hydrologique donné, est celui de l’étude par le gradient vertical qui est associé à la structure de l’armure sédimentaire. Au second plan, l’étude surfacique est tout de même possible par le repérage des surfaces qui sont encore en place sur la barre (soit les traceurs toujours présents).

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Table des matières

I. Préambule
II. Introduction
III. Approche et Matériel
1. Site d’étude
1. Localisation et dimensionnement
2. Caractéristiques et disposition des matériaux
2. Méthode de traçage RFID et approche retenue
IV. Résultats
1. Contexte et objectifs
2. Protocole d’étude
3. Manipulations préalables à l’implantation des traceurs
4. Stratégies d’implantation et d’injection
1. Implantation des transpondeurs et injection des sédiments équipés : stratégie
principale
2. Implantation des transpondeurs et injection des sédiments équipés : stratégie
secondaire
V. Prospection et résultats attendus
1. Généralités et points techniques
2. Stratégie de prospection des opération de suivis
1. Cas de la détection locale via un système de résultat binaire : présence / absence
2. Cas de la recherche en aval de la barre sédimentaire
3. Distances de déplacement théoriques et couplage aux données flux liquide
VI. Discussion
VII. Conclusion
VIII. Annexes
IX. Bibliographie

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