Dynamique saisonnière des sédiments en suspension dans l'estuaire de la Gironde : modélisation opérationnelle de la réponse aux forçages hydrodynamiques, Seasonal dynamics of suspended sediment in the Gironde estuary : operational modelling under hydrodynamic forcing
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Thèse soutenue le 08 septembre 2008: Bordeaux 1
L’objectif de ce travail est d’étudier la dynamique du bouchon vaseux, ainsi que la dynamique saline, dans l’estuaire de la Gironde. La stratégie adoptée consiste à examiner, par le biais du modèle de simulation SIAM-3D, l’impact du paramétrage hydro-sédimentaire, du débit fluvial et de la bathymétrie, sur le comportement des sédiments et sur l’évolution de la salinité. L’effet de la vitesse de chute sur la dynamique sédimentaire est l’un des cas étudiés ; son impact sur la distribution des suspensions est considérable. Ainsi, la diminution de ce paramètre entraîne l’homogénéisation de la concentration sur la verticale, mais aussi l’étalement du bouchon vaseux et l’évacuation d’une masse de sédiment hors de l’estuaire. Nous avons également mis en évidence lors d’une période de débits moyens ou faibles précédée par une crue, la partition du bouchon vaseux simulé en deux masses turbides, l’une remonte l’estuaire alors que l’autre se maintient en aval. La dynamique saline a été étudiée, entre autres, par l’analyse des gradients de salinité, calculés dans l’estuaire aval et en situation de forts débits. On observe, la diminution de ces gradients avec l’augmentation de l’intensité de la marée à l’échelle des cycles vives-eaux/mortes-eaux, toutefois, de fortes valeurs sont maintenues lors de la phase d’augmentation de cette grandeur à l’échelle de la marée. D’autres résultats ont permis de vérifier la capacité du modèle à simuler des dynamiques sédimentaires observées in-situ ; on peut citer entre autres, le détachement du bouchon vaseux de la rive gauche dans l’estuaire aval et son transfert vers la rive droite, en situation de forts débits. Afin d’évaluer l’impact de l’évolution du fond des fleuves de 1959 à 2002 sur l’hydrodynamique et les dynamiques sédimentaire et saline, nous avons comparé deux simulations, l’une effectuée avec l’ancienne bathymétrie de 1959, l’autre avec la nouvelle bathymétrie de 2002. Les résultats montrent l’augmentation de la masse sédimentaire dans les fleuves avec la bathymétrie de 2002 comparée à celle de 1959, ainsi que la hausse de la salinité dans la Garonne et l’amplification de la marée dans la Dordogne. Ces résultats sont en accord avec les mesures et observations in-situ.
-Sédiments en suspension
-Modélisation 3D
-Bouchon vaseux
-Dynamique sédimentaire
-Dynamique saline
-Estuaire de la Gironde
The aim of this work is to study the turbidity maximum dynamics as well as the salinity dynamics in the Gironde estuary. The adopted strategy consists in analysing, by means of the SIAM-3D simulation model, the impact of hydro-sedimentary parameters, the fluvial flow and the bathymetry on sediment behaviour and salinity evolution. The effect of settling velocity on sediment dynamics is one of the studied cases; its impact on suspended sediment distribution is goodly. Thus, the diminution of this parameter leads to homogenisation of concentration in water column, but also spreading the turbidity maximum and evacuation of a sediment mass outside the Gironde estuary. We gave also prominence to the division of the turbidity maximum into two parts during low or mean water flow preceded by peak high water discharge, one of the parts migrates upstream whereas the other remains downstream. We studied the salinity dynamics, among others things, by means of analysing the calculated salinity gradients in the lower estuary during high water discharge. We observe the decrease of these gradients with increase of the tide intensity on a scale of spring tides/neap tides cycles, however, on a scale of tide, these gradients reach high values during the augmentation phase. Others results indicate the model capacity to simulate in-situ observations of the sediment dynamics; for example, the detachment of turbidity maximum from the left bank in the lower estuary and its transfer to the right bank during high water discharge. In order to evaluate the impact of the bed river evolution from 1959 to 2002 on hydrodynamics, sediment and salinity dynamics, we compared two simulations performed using the former (1959) and recent (2002) bathymetries. The results demonstrate that the sediment mass increase in the rivers with recent bathymetry, as well as, the salinity in the Garonne river and the tide amplitude in the Dordogne river. These results are in accordance with the in-situ measures and observations.
-Suspended sediment
-3D modelling
-Turbidity maximum
-Sediment dynamics
-Salinity dynamics
-Gironde estuary
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13618/document
N° d'ordre : 3618
THESE
PRESENTEE A
L'UNIVERSITE BORDEAUX 1
ECOLE DOCTORALE SCIENCES ET ENVIRONNEMENTS
par M. Abdelkader BENAOUDA
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPECIALITE : PHYSIQUE DE L’ENVIRONNEMENT
SUJET
DYNAMIQUE SAISONNIERE DES SEDIMENTS EN SUSPENSION DANS L’ESTUAIRE DE LA
GIRONDE : MODELISATION OPERATIONNELLE DE LA REPONSE AUX FORCAGES
HYDRODYNAMIQUES
Soutenue le : 08 septembre 2008
Après avis de :
M. Thierry GARLAN, Ingénieur H.D.R. au SHOM Brest Rapporteur
M. Robert LAFITE, Professeur à l’Université de Rouen Rapporteur
Devant la commission d'examen formée de :
M. Philippe BERTRAND, Directeur de Recherche au CNRS Président
M. Patrice CASTAING, Professeur à l’Université Bordeaux1 Examinateur
M. Thierry GARLAN, Ingénieur H.D.R. au SHOM Brest Rapporteur
M. Robert LAFITE, Professeur à l’Université de Rouen Rapporteur
M. Pierre LE HIR, Chercheur à l’IFREMER Brest Examinateur
M. Aldo SOTTOLICHIO, Enseignant-Chercheur à l’Université Bordeaux1 Examinateur
-2008- Remerciements
Mes premiers remerciements vont naturellement à Patrice Castaing et Aldo Sottolichio pour m’avoir
encadré et suivi, de façon continue tout au long de cette thèse.
Je teins également à remercier Rémi Butel pour son aide sur l’implantation du code numérique
SIAM&3D sous linux, et sur lequel, repose, la possibilité de simuler la dynamique sédimentaire.
Je remercie également Nans Bujan pour son aide sur l’interprétation des données bathymétriques.
Je suis particulièrement flatté de la présence au sein du jury de Thierry Garlan et de Robert Lafite en
tant que rapporteurs, et de Philippe Bertrand et Pierre Le Hir en qualité d’examinateurs.
Mes gratitudes s’adressent également aux personnels du laboratoire EPOC (particulièrement Jean&
Michel Escalier et Philippe Bertrand) pour m’avoir accueilli, et fournie le matériel nécessaire au bon
déroulement de cette thèse.
Je n’oublie évidemment pas, tous les doctorants du laboratoire, nouveaux et anciens, pour leur
sympathie et leur réconfort pendant les moments difficiles, je les remercie infiniment.
3
Table des matières
Introduction........................................................................................................................... 9
Chapitre I
Morphologie, hydrodynamique et dynamique
sédimentaire de la Gironde
I.1& Le système estuarien de la Gironde................................................................................... 15
I.1.1& Cadre géographique............................................................................................... 15
I.1.2& Estuaire fluvial ...................................................................................................... 15
I.1.3& Estuaire proprement dit ......................................................................................... 15
I.2& L’embouchure.................................................................................................................... 19
I.3& L’hydrodynamique ............................................................................................................ 20
I.3.1& La marée............................................................................................................... 20
I.3.2& Volume d’eau introduit par la marée .................................................................... 22
I.3.3& Les courants de marée........................................................................................... 22
I.3.4& La circulation résiduelle........................................................................................ 33
I.4& la dynamique des sédiments fin......................................................................................... 35
I.4.1& Généralités sur le transport en suspension. ........................................................... 35
I.4.2& Granulométrie et minéralogie des matières en suspension ................................... 36
I.4.3& Le bouchon vaseux................................................................................................ 38
I.4.4& La crème de vase................................................................................................... 41
I.4.5& Transfert latéral des sédiments.............................................................................. 42
I.4.6& Phénomènes d’hystérésis ...................................................................................... 43
I.4.7& Devenir des sédiments évacués hors de l’estuaire ................................................ 43
I.5& Conclusion. ........................................................................................................................ 46
Chapitre II
Application des modèles numériques simulant la dynamique des
sédiments en suspension
II.1& Introduction ...................................................................................................................... 51
II.2& Les modèles tridimensionnels en milieu estuarien........................................................... 51
II.2.1& Lang et al. (1989)................................................................................................. 51
II.2.2& Cancino et al. (1994)............................................................................................ 51
II.2.3& Brenon (1997) ...................................................................................................... 52
II.2.4& Le Normant (2000) .............................................................................................. 52
II.2.5& Burchard et al. (2004) .......................................................................................... 53
II.2.6& Wang et al. (2005)................................................................................................ 53
II.3& Les modèles tridimensionnels et bidimensionnels appliqués à l’estuaire de la Gironde . 53
II.3.1& Les modèles tridimensionnels.............................................................................. 53
II.3.1.1& Sottolichio (1999).................................................................................... 53
II.3.1.2& Cancino et al. (1999) ............................................................................... 54
4 II.3.1.3& Vinh Phan (2002) .................................................................................... 54
II.3.2& Les modèles bidimensionnels .............................................................................. 55
II.3.2.1& Du Penhoat et al. (1979).......................................................................... 55
II.3.2.2& Li (1994).................................................................................................. 55
II.3.2.3& Sottolichio (1999).................................................................................... 56
II.4& Conclusion........................................................................................................................ 56
Chapitre III
Le modèle numérique SIAM de la Gironde
III.1& Introduction..................................................................................................................... 59
III.2& La physique du modèle SIAM&3D .................................................................................. 59
III.2.1& Equations de Navier Stokes................................................................................ 59
III.2.2& Equations de Saint&Venant ................................................................................. 61
III.2.3& Couplage des équations de Navier&Stokes et de Saint&Venant au
travers de la contrainte de cisaillement au fond ............................................... .62
III.2.4& Modèle de turbulence ......................................................................................... 64
III.2.5& Equation de transport.......................................................................................... 65
III.2.6& Conditions aux limites............
