Notions d'hydrodynamique estuarienne













 généralités

 hydrodynamique
    d'un estuaire :
  - la propagation
    de la marée
  - la propagation de la
    turbidité
et de la salinité
  - notion de prédominance

 phénomène résiduel
   en estuaire
  - généralités
  - différents types

    d'estuaires

 

 

 
 
  1.Généralités

         La marée est un phénomène complexe dans les embouchures des fleuves, lieux de rencontre de l'eau de mer et de l'eau douce, parfois turbide, des fleuves. Les processus hydrauliques sont compliqués, d'une part, par la topographie tourmentée (chenaux, bancs, faible profondeur), d'autre part, par la présence simultanée d'eaux de densité et de composition physico-chimique différentes. Les processus sédimentologiques sont encore plus compliqués, car les matériaux de fonds sont souvent des vases aux caractéristiques versatiles et dont les évolutions semblent être sous la dépendence des phénomènes hydrauliques du second ordre. Cependant, l'importance économique des estuaires, comme axes priviligiés de pénétration des grands navires au coeur des régions industrielles, font que leur étude est une nécessité actuelle en vue d'améliorer les profondeurs des chenaux de navigation. De plus, les estuaires sont encore capables d'apporter loin dans les terres les importants débits d'eau nécessaire au refroidissement des grands aménagements thermoélectriques. Enfin les estuaires sont souvent un berceau fragile de la faune et la flore, dont il convient d'éviter la destruction par des aménagements inconsidérés.

         Dans un estuaire, l'onde-marée dérivée pénètre dans une sorte d'entonnoir à profondeur faible, où les profondeurs sont d'ailleurs modifiées par la marée ;en effet, les fonds de sable ou de vase sont meubles, certains découvrent, d'autres se creusent là où s'écoule le jusant, ils sont remaniés quand le flot les recouvre. L'onde se déforme au cours de cette propagation, la pleine mer va plus vite que la basse mer ;elle la rattrape ce qui produit le phénomène du mascaret, c'est-à-dire une montée rapide de la mer en quelques minutes.

         La propagation de la marée est contrariée par le débit du fleuve qui s'écoule vers la mer. Dans certains cas, les eaux douces d'origine fluviale ne se mélangent pas immédiatement avec l'eau salée de la mer ;plus légères elles surnagent en surface. Il se forme alors un coin salé, l'eau de mer remonte l'estuaire sur le fond, l'eau du fleuve descend vers l'aval en surface. Du fait du mouvement de la marée, le coin salé n'est pas fixe ;il oscille et se déforme avec le flot et le jusant. Parfois le coin salé ne se forme pas, la salinité de l'eau varie alors progressivement de l'aval vers l'amont; l'estuaire est alors dit bien mélangé.

    
     
     
   Les marées dans les estuaires ont une importance industrielle considérable; elles conditionnent l'accès des ports situés au fond des estuaires qui sont des ports de mer dans les terres. Le problème de l'approfondissement des chenaux navigables des estuaires se repose sans cesse à mesure que croissent les tirants d'eau des navires. Dans les estuaires les gros navires se laissent porter par la pleine mer à la montée; ils sont ainsi assurés de trouver une profondeur suffisante; à la descente il s'agit d'utiliser au mieux la propagation de la marée. Pour ces raisons, l'observation des courbes de marée dans les estuaires est très développée.

         La marée dans un estuaire peut être décrite,

-soit par les courbes de marée en différents points fixes en fonction du temps ;

-soit par les courbes de marée le long de l'estuaire à un instant donné, c'est-à-dire le profil instantané de la marée ou profil de l'onde;

-soit par la courbe définie paramétriquement par où t est le paramètre, c'est-à-dire l'enveloppe des profils instantanés, ou le lieu des basses et pleines mers le long de l'estuaire.

         Ces courbes dépendent de l'amplitude de la marée incidente c'est-à-dire du coefficient de marée, du débit du fleuve, et des harmoniques contenues dans la marée incidente car chacun se comporte de façon différente dans l'estuaire.

         Les courbes intéressantes sont les lieux des pleines mers de vive-eau (PMVE) et de morte-eau (PMME), des basses mers de vive-eau et morte-eau (BMVE et BMME). Si aucun barrage ne limite artificiellement la montée de la marée dans le fleuve, ces lieux convergent au point P, qui définit administrativement la limite de la partie maritime du fleuve. Dans un fleuve bien calibré le lieu des basses mers commence par s'abaisser; en effet le lit se rétrécit vers l'amont ce qui augmente le marnage, à condition que le jusant puisse s'écouler facilement. Vers l'amont, les basses mers de morte-eau sont plus basses que les basses mers de vive-eau, car en morte-eau il y a au jusant moins d'eau à évacuer qu'en vive-eau. Le point caractéristique I où se coupent les lieux des basse-mers est donc situé d'autant plus vers l'amont que l'écoulement du jusant est facile. Au point I, les marées basses ont toujours la même cote, ce point se déplace selon le débit du fleuve.


La célérité de l'onde est :

   V étant la vitesse moyenne du fleuve.

         Le courant de flot ne prend naissance qu'un peu après la basse mer (point J de la courbe locale) et cesse après la pleine mer (point F). Les lieux des étales de flot et de jusant sont donc intérieurs aux lieux des pleines et basses mers.

 2.L'hydrodynamique d'un estuaire

     La propagation de la marée     (cf annexe)

     La propagation de la salinité et la turbidité

         L'équation de diffusion traduit la conservation de la masse de sel; elle s'écrit en désignant par :

- s(x,t) la salinité moyenne dans la section,

- K(x,t) le coefficientht de diffusion turbulente longitudinal moyen dans la section :

         Le calcul de s(x,t) s'obtient en résolvant cette équation transformée en équation aux différences finies, le débit Q(x,t) étant déduit du calcul du régime hydraulique et le coefficient de diffusion étant donné par la relation :

K=20Ru*

         La turbidité c(x,t) moyenne dans la section est obtenue à partir d'une équation analogue :

dans laquelle F désigne le flux d'échange entre le fluide et le fond, c'est-à-dire le débit solide qui passe par unité de surface du fond vers le fluide ou inversement. F est positif si le débit d'érosion est supérieure au débit de dépôt, négatif dans le cas contraire ; si l'érosion est nulle F s'exprime à partir de la vitesse de chute W des particules en suspension, près du fond:

F=-W

         En fait cette schématisation est beaucoup trop simpliste, car dans un estuaire il existe un assez fort gradient vertical de turbidité surtout au voisinage du fond.

         L'étude du transfert thermique dans l'estuaire s'effectue de la même façon, en tenant compte d'un échange de chaleur avec l'atmosphère par la surface libre.

     Notions de prédominance

        Dans un estuaire, les valeurs moyennes au cours d'une marée des différentes grandeurs physiques sont fondamentales ; elles sont désignées par prédominance.

         Les prédominances sont des manifestations des phénomènes résiduels dans les estuaires. Ils sont dus aux courants secondaires et sont responsables des conditions de sédimentation dans l'estuaire. Par exemple les zones où au fond voisinent des prédominances de flot et de jusant, sont des régions priviligiées de dépots, du fait de la rencontre des courants secondaires ascendants l'un salé et floculant et l'autre turbide.

 3.La théorie des phénomènes résiduels en estuaire

    Généralités

         La sauvegarde de la qualité de l'eau des estuaires passe par la connaissance des mélanges à long terme des eaux estuarienes de différentes provenances : la mer, les fleuves et les rejets des industries riveraines. L'objectif que peut poursuivre l'hydrodynamicien est, à défaut de maîtriser ces mélanges, de tout au moins les contrôler. La théorie des phénomènes résiduels traite des évolutions moyennes à long terme supposant les mouvements à court terme tels que la marée, comme des phénomènes fluctuants moteurs du mélange des eaux estuariennes. Cette théorie ne donne donc qu'une vision globale de la qualité des eaux de l'estuaire à la suite d'effets prolongés ; elle ne renseigne en rien sur des événements locaux de courte durée. Son intérêt est cependant d'être un outil de prédiction d'un usage économique.

    Les différents types d'estuaires

         Le mélange de eaux estuariennes peut s'effectuer de trois façons différentes :

     Estuaire à coin salé

         Lorsque le fleuve par son débit a plus de puissance que la marée, l'eau douce d'amont coule en surface sur l'eau salée et garde son individualité assez loin en mer; c'est le cas du Rhône, du Mississipi et, en général, des estuaires qui sont des branches de deltas. La pénétration du coin d'eau salée de fond vers l'amont, augmente avec la hauteur du niveau de la mer et diminue avec le débit du fleuve. La friction qui se manifeste au contact des eaux douces et salées, circulant à des vitesses différentes, engendre une turbulence constituée de tourbillons à axes horizontaux. Leur effet est de mélanger les eaux inférieures et supérieures, mais seulement localement du fait de la faible ampleur des tourbillons et de l'effet oppposé de la pesanteur des eaux salées inférieures. En définitive, dans ce système d'écoulement, les mélanges locaux sont faibles et les problèmes importants soulevés sont surtout les remontées ou les descentes extrêmes d'eau salée préjudiciables soit à l'agriculture soit aux industries utilisant l'eau salée ou l'eau douce.

     Estuaires bien mélangés

         On appelle estuaires bien melangés les embouchures où la transition entre la mer et le fleuve s'effectue progressivement, la salinité variant le long de l'estuaire en fluctuant au rythme de la marée ou des variations du débit fleuve, mais en étant pratiquement constante à un instant donné dans chaque section de l'estuaire, c'est-à-dire sans stractification de densité sur la verticale.

         Cette situation idéale est assez rare, son intérêt est d'avoir inspiré les premières approximations de la théorie des courants résiduels, car l'homogénéité saline sur la verticale n'exclut pas des répartitions de vitesses complexes sur la verticale et l'apparition de stratification en ce qui concerne les autres constituants de l'eau.

     Estuaires partiellement mélangés

         C'est le cas le plus général ; la salinité varie progressivement de l'aval vers l'amont, oscillant au rythme des marées et du débit du fleuve, en étant un peu différente entre le fond et la surface, par exemple 2 à 5 g/l.

         Pratiquement, dans ces deux derniers types d'estuaires mélangés, la salinité résultante est le fait de grands tourbillons à axe vertical engendrés par le frottement sur les rives ou les bancs de sable et par la différence de vitesse entre les différents chenaux de l'estuaire; parfois par exemple, le flot se manifeste d'abord sur les rives et le jusant débute dans l'axe de l'estuaire. Ceci montre, d'une part combien la conception de l'estuaire bien mélangé est idéale, à moins de remplacer la notion de section par celle de zone à la dimension des tourbillons verticaux, c'est-à-dire de l'ordre du kilomètre, d'autre part qu'à la notion de stratification saline sur la verticale, il faudrait ajouter celles de fluctuation de vitesse et salinité sur la largeur, variations que la théorie des courants résiduels ignore volontairement.

  

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