Modélisation de l'effet des berges et des aménagements anthropiques sur la dynamique de l'Estuaire de l'Adour

 

Présentation du binôme

       Le présent binôme comprend deux étudiants du Mastère spécialisé Hydraulique. Il se compose de Duperray Olivier, étudiant issus d'une formation ingénieur INSA et de Schoorens Jérôme issus d'une formation universitaire axée vers la géologie et l'océanologie.

Problématique du sujet de binôme

La modélisation de la propagation de l'onde de marée dans l'estuaire de l'Adour nous amena à rechercher et étudier les différents processus pouvant agir sur ce phénomène. La forte attractivité économique (port) et géographique (ville de Bayonne) de l'estuaire entraîne un fort développement d'aménagements anthropiques. En effet, sur une zone allant jusqu'à environ 15 kilomètres à l'intérieur des terres, l'ensemble de l'estuaire présente pratiquement sur tout le linéaire de cette zone, des digues, des quais ainsi que des ponts.

Après un bref état des lieux de la zone et ayant remarqué cette forte urbanisation, nous avons décidé d'observer comment ces aménagements peuvent influer sur la dynamique de l'estuaire, à la fois d'une façon globale sur une zone d'étude étalée sur quelques kilomètres, et de façon localisée avec l'impact de l'implantation d'un pont sur l'écoulement du cours d'eau.

1 Description des données utilisées

Pour effectuer cette étude nous disposions de données provenant des différents organismes présentés en page d'accueil.

Nous avons utilisé :







2 Modélisation de l'effet des berges

2.1 Méthodologie

2.1.1 Cartographie et classification

Dans un premier temps, nous nous sommes proposés d'effectuer une cartographie de la typologie des berges. Cette cartographie est réalisée à l'aide de l'ortho-photo de la zone étudiée. Nous avons ainsi pu définir les différents types de berge rencontrés dans l'estuaire (fig.1), et nous les avons digitalisés avec le SIG " Mapinfo ". Cependant, ce travail est limité par la zone couverte par l'ortophoto et le fait que la prise de vue soit à un instant donné. En effet, selon l'état de la marée dans l'estuaire, il est possible que les berges soit plus ou moins immergés.

Suite à cette cartographie nous avons effectué le calcul des distances en mètres linéaires de chaque type de berge. Leur répartition sur toute la zone d'étude nous a décidé à diviser l'estuaire en quatre secteurs, chacun caractérisé par leur situation géographique, et leur proportion en différents types de berge (fig.2 et fig.3).





2.1.2 Modélisation


L'effet des berges sur l'écoulement peut se représenter avec le coefficient de Strickler. Ce coefficient est un paramètre qui caractérise la rugosité des berges. Il fut l'objet de nombreux tests expérimentaux afin de déterminer une valeur pour chaque configuration du milieu. Nous avons donc utilisé les valeurs trouvées dans la littérature afin d'associer à chaque type de berge un coefficient et ainsi calculer une moyenne suivant les proportions pour chaque secteurs(fig.4 et fig.5).



Les différentes simulations ont été réalisées avec le logiciel TELEMAC 2d. Les paramètres utilisés par le binôme s'occupant du modèle général ont été repris, et nous avons introduit un module permettant d'imposer des rugosités différentes sur les berges.

Afin de paramétrer ce module, nous avons repris le numéro de maille de chaque point du maillage compris dans les différents secteurs décrit ci-dessus. Nous avons ainsi pu intégrer pour chaque secteur un coefficient de Strickler moyen que l'on a calculé précédemment. Les différents paramètres sont ensuite transmis au logiciel, sous forme d'un fichier Fortran.

Il faut noter que l'utilisation de ce module nous a permis d'imposer des coefficients moyens pour chaque secteur, mais il ne prend pas en compte la variabilité sur la vertical de la rugosité des berges. Les simulations s'effectuent donc avec des berges homogènes sur le vertical, leurs effets sur l'écoulement sont toujours identiques, quel que soit le niveau du plan d'eau.

2.2 Simulations et résultats

2.2.1 Description des simulations

Pour étudier l'effet de la rugosité sur la dynamique de l'estuaire, nous avons réalisé deux simulations. Chacune d'entre elle est paramétré afin d'obtenir des conditions où les coefficients de marée sont extrême.

La première est paramétrée pour représenter les conditions hydrologiques et tidales de la journée du 20 Mars 2005. Les débits pour la Nive et l'Adour ont été enregistré par les stations de mesure disposées en amont de la zone de calcul. Ils sont respectivement de 32,1 m3/s pour la Nive et 225,55 m3/s pour l'Adour. Les côtes de la frontière du domaine situé en zone océanique (zone externe de l'estuaire), ont été imposées afin de reproduire un coefficient de marée de 26. Ces paramètres décrivent des conditions où le régime tidale est en mortes eaux.

La seconde simulation correspond à un cas théorique, pour lequel les débits sont fixés à 22 m3/s pour la Nive, et à 200 m3/s pour l'Adour. La cote des frontières liquides a été imposée afin d'obtenir des conditions où le coefficient de marée est de 118. Cette simulation s'oriente donc plus vers des conditions où le coefficient de marée est au plus fort décrivant ainsi une dynamique de l'estuaire influencé par les marées d'équinoxe.

2.2.2 Résultats

    Etude de la cote du plan d'eau :

Pour les deux simulations, nous avons réalisé des profils de la variation de la cote du plan d'eau en fonction du temps. Ceci permet de représenter les cycles de marée en différents points situés prés des berges de l'estuaire (fig.7). Nous avons effectué la comparaison de ces courbes, avec les résultats obtenus par le binôme modélisant avec un coefficient de Strickler constant sur tout l'estuaire.
Cependant, seul les résultats de la simulation pour un coefficient de marée de 118 sont présentés (fig.6). En effet, pour l'autre simulation, nos résultats coïncident avec ceux du binôme de comparaison. L'ajustement de la rugosité des berges pour le modèle n'est donc pas valable pour de faible coefficient de marée.

Pour les résultats de la simulation avec un fort coefficient de marée, leur comparaison fait ressortir une légère différence (fig.6). L'ajustement de la rugosité des berges est donc pris en compte par le modèle pour cette simulation. Sur les deux points de mesures " Converge et Urt ", on constate que sur certaines périodes des deux cycles de marée, il y a une très légère différence entre les deux courbes.
Au niveau du point de mesure " Lesseps ", on constate que cette différence est représentée par une augmentation de la cote d'eau d'environ 30 cm le long de tout le profil. Sur cette zone d'étude, le coefficient de Strickler a été diminué rendant les berges plus rugueuses. Ceci peut entraîner la diminution des vitesses de l'écoulement à proximité des berges, est donc augmenter la cote du plan d'eau.
Malgré une diminution du coefficient de Strickler utilisé dans le modèle général sur tous les secteurs, on constate que cette tendance n'est observée qu'au point de mesure " Lesseps". L'effet des berges sur l'écoulement est unique pour chaque zone présentant des particularités différentes (orientation par rapport à l'écoulement, bathymétrie ).





    Etude des vitesses :

Pour cette partie nous avons utilisé la simulation avec un coefficient de marée de 26. Nous avons réalisé l'étude des vitesses sur deux secteurs. Le premier, c'est le secteur 4. Il présente la plus forte différence avec le coefficient de Strickler utilisé pour le modèle globale (55). Le coefficient de ce secteur est fixé à 36. L'autre secteur avec un coefficient de 51 est celui qui présente le moins de différence.
Les résultats sont présentés sur la figure8, avec pour les deux graphiques la comparaison entre le cas ou il y a ajustement du coefficient et celui où le coefficient est unique pour tout l'estuaire.
En déterminant le point de mesure sur le modèle, nous nous sommes rendu compte que seul sur les nœuds des berges nous pouvons observer ce type de résultat. Sur les autres nœuds, aucune différence a été remarquée. L'application d'un ajustement du coefficient de Strickler semble donc s'appliquer juste au point concerné par cet ajustement.

Cependant, comme le montre les deux graphiques, la diminution du coefficient de Strickler sur les nœuds situés sur les berges, réduit les vitesses. Cette diminution de vitesse s'effectue sans changement de leurs fluctuations dans le temps. L'augmentation de la rugosité des berges est donc pris en compte et agit seulement sur l'intensité des vitesses de l'écoulement.



2.3 Conclusion

Le travail réalisé sur l'ajustement des coefficients de rugosité par cartographie à permis d'évaluer le potentiel de TELEMAC 2D face à ce type de démarche. Le modèle prend en compte cet ajustement, cependant, les effets sur l'écoulement s'effectuent qu'à une échelle locale. Il serait donc judicieux de réaliser se type d'ajustement pour des zones de faible étendue. Sur ce type d'étude, le maillage au bord des berges pourrait être affiner et ainsi mettre en évidence leur effet sur l'écoulement.
Enfin, afin de pouvoir vérifier nos résultats, il faudrait effectuer une campagne de mesure sur le terrain avec la mise en place de courantomètres et marégraphes à proximité des berges.

3 L'influence du pont Saint-Esprit sur l'écoulement de l'Adour

3.1 Présentation de l'ouvrage





L'objectif de cette étude fut de comprendre les écoulements caractéristiques provoqués par la présence d'un pont et les conséquences induites sur le fond et les niveaux d'eau.

Pour réaliser cette étude, nous nous sommes appuyés sur le rapport de visite du pont, une inspection technique réalisée en 2001. Ce document nous a été fournit par Monsieur Moutengou de la DDE des Pyrénées-Atlantique. Il nous informe sur les caractéristiques de l'ouvrage (plan du pont, dimension, matériaux, état de conservation des fondations) et du milieu environnant (caractéristiques du cours d'eau, nature du fond, bathymétrie à 20m de part et d'autre du pont). Le pont Saint-Esprit, long de 230m, est constitué de deux culées et sept piles. Tous les appuis de l'ouvrage sont situés en eau. Les piles mesurent toutes 13m de long pour une largeur moyenne de 3.5m. Il existe des enrochements en amont de chaque pile et un redan (prolongement en V) en aval.

Différentes observations nous informent sur l'état de l'ouvrage. Les piles sont toutes en bon état et ne nécessitent aucun aménagement. Deux affouillements ont été repérés sur la passe rive gauche et sur la culée rive droite, où les matériaux ont été érodés sur quelques dizaines de centimètres de longueur. Les conclusions du rapport proposent la réparation de ces affouillements et garantie la stabilité de l'ouvrage à moyen terme.



3.2 Objectifs



L'étude hydrodynamique aux environs du pont a pour premier objectif d'étudier la surface libre à cet endroit notamment en cas de crue importante. L'implantation des piles d'un pont a pour effet de réduire sensiblement la section de passage ce qui influe sur les courants et les niveaux d'eau aussi bien en amont qu'en aval.



Le schéma précédent illustre l'influence sur les lignes de courant de l'obstruction du lit de la rivière par une pile de pont et deux culées. En aval des ouvrages, on peut observer des zones ombragées qui peuvent s'apparenter à des zones de recirculation avec des courants plus faibles et des dépôts de sédiments. Nous nous attacherons donc à étudier ces effets par des simulations sous Telemac-2d. Ces recirculations affectent principalement la bathymétrie des lieux avec une érosion dans les zones où les courants sont les plus élevés et un dépôt de sédiments là où les courants sont faibles voire quasi-nuls.

De plus, nous allons étudier un deuxième aspect concernant l'écoulement au passage d'un pont. Nous allons simuler la surface libre de chaque côté du pont pour tenter d'évaluer une probable élévation du niveau dans les cas de forts débits. Comme le montre le schéma suivant, il apparaît une élévation du niveau en amont du pont où la surface d'eau n'est plus tout à fait parallèle au fond. Dans cette zone, l'écoulement est toujours fluvial (Froude inférieur à 1) mais plus uniforme.



Enfin, un élément également très important à prendre en compte pour garantir l'état des piles de pont est le phénomène d'affouillement. Les courants créés au voisinage de la pile de pont ont pour effet de creuser le sol en aval de celle-ci jusqu'au point d'attaquer les fondations de l'ouvrage. Ce phénomène est la principale cause de détérioration des ponts, et il justifie les inspections auxquelles ils sont soumis régulièrement.



Cependant ces phénomènes nécessitent une étude 3D plus complexe qui sort du cadre de ce BEI.

3.3 Modélisation

3.3.1 Etude de la bathymétrie

La bathymétrie de notre zone d'étude provient de la réunion des relevés du rapport d'entretien et des données bathymétriques données à notre groupe par le laboratoire LASSAGEC afin de couvrir une zone suffisamment étendue pour ce type d'étude. Usuellement, l'étude d'impact d'un pont prend en compte une zone s'étalant en aval et en amont sur environ une longueur de pont. Une incertitude existe concernant la réunion de ces deux sources de relevés bathymétriques car aucune référence de type NGF n'existe sur le rapport de la DDE et nous n'avons pu obtenir cette précision par la suite.

La bathymétrie a été réalisée à l'aide du logiciel Surfer. Une première observation montre déjà un impact important du pont sur la bathymétrie locale avec un fond très bosselé, notamment en aval, avec des creux proches profonds de plusieurs mètres.



Malgré les incertitudes expliquées précédemment, cette bathymétrie a semblé plausible pour réaliser la modélisation numérique des écoulements.

3.3.2 Conditions aux limites

Pour se faire, la bathymétrie a été reprise avec le logiciel Matisse. Les photos et descriptions du rapport technique nous informent que nos frontières sont constituées en majorité d'enrochement. Les résultats obtenus dans l'étude globale précédente ont montré que caractériser chaque zone avec des rugosités propres avait une influence faible sur les résultats. Nous avons donc pris en compte un coefficient de Strickler moyen caractéristique des enrochements de 25. Les débits d'entrées ont été imposés selon les données recueillies par le LASSAGEC. Nous avons étudié trois débits caractéristiques : un débit d'étiage de 52m3, un débit moyen de 300m3 et un dernier débit de crue de 1000m3.



3.3.3 Simulations et résultats

Trois domaines de simulation ont été étudiés pour rendre compte des situations normales caractéristiques.

    Débit d'étiage :

Nous avons considéré ici le cumul des débits minimum pour la Nive et pour l'Adour, soit un total de 52 m3/s. Les sorties prises en compte concernent les courants, les vitesses et les surfaces d'eau.



Les courants observés concordent bien avec les prévisions. Il y a une accélération importante des vitesses au passage du pont qui explique la formation de courants particuliers en aval des piles de pont. Il existe derrière la culée de gauche une zone de recirculation qui doit se traduire par un dépôt de sédiments. Malheureusement le manque de points de bathymétrie en cet endroit ne nous permet pas de vérifier cette hypothèse.


    Débit moyen :

Dans ce cas, le débit considéré en entrée est de 300 m3/s.



La première figure montre l'augmentation des vitesses logique avec le débit plus important. La seconde témoigne de l'élévation du niveau d'eau en amont des piles (prise au passage entre deux piles). Cependant, l'élévation, de l'ordre du millimètre, est moindre que ce qu'on pouvait attendre. Tout d'abord, la question de savoir si Telemac-2d peut simuler ce type de simulation peut se poser avec les hypothèses qu'il utilise. Ensuite, il s'avère que pour un projet type lié à la construction d'un pont, les élévations prises en compte par les bureaux d'étude sont de l'ordre de la dizaine de millimètre en cas de forte crue. Il s'agit donc d'élévation qui peuvent paraître de faible incidence mais qui doivent être étudiées à chaque fois.


    Débit de crue :

A présent, la sortie d'étude est soumise à un débit de crue de 1000 m3/s.



L'étude de ces lignes de courants pourrait être intéressante pour l'étude de l'implantation d'un pont afin d'anticiper l'impact futur sur le fond et les berges en terme d'érosion et ainsi de prévoir les aménagements adaptés.

3.4 Conclusion

Cette étude a permis de se rendre compte des problèmes concrets auxquels peuvent être confrontés les bureaux d'études chargés de la conception des ponts et les services de l'équipement dont le rôle est de surveiller le bon état général de l'ouvrage et de ses fondations. Des phénomènes exceptionnels à courts termes doivent être pris en compte. Les crues importantes constituent un danger réel pour les pont avec la modification des régimes d'écoulement et des débits qui sollicitent fortement les structures du pont. De plus, le phénomène d'embâcle (accumulation de matériaux bloqués par les piles) peut révéler les fragilités des piles et mener à la rupture du pont. A plus long terme, l'usure naturelle des matériaux constituant du pont doit être surveillée, notamment le phénomène d'affouillement qui use les fondations et peut là-aussi mener à la rupture d'une pile du pont.

Bibliographie

G.J Arcement, Jr. And V.R Schneider,Guide for selesting Manning's Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains - USGS Paper 2339. (site internet HEC-HMS)

G. Degoutte, Traité d'hydraulique à surface libre.

P. Dernès, (2005). Hydraulique unidimensionnelle Partie 1 - Cemagref Edition, 275p.