Etude de la géométrie actuelle


    Afin de mener à bien notre étude et comprendre précisément les mécanismes et les forçages dans l'avant-port, on étudie au préalable le contexte initial et la géométrie actuelle. En effet, ce travail nous permettra de visualiser d'un premier abord l'agitation existante et mieux cibler les zones à protéger tout en tenant compte des paramètres influençant la houle. On cherchera ensuite à déterminer les caractéristiques les plus contraignantes pour l'agitation en faisant varier divers paramètres ce qui nous conduira à un cas de tempête de projet. On étudiera également un cas extrême qui a impacté tout le littoral, la tempête de novembre 1982. Celle-ci correspond à une tempête de temps de retour de 50 ans et a eu des conséquences dévastatrices avec des hauteurs de vagues et des surcôtes inégalées à ce jour.

1. Conditions normales



1. Étude des conditions climatiques les plus fréquentes

1.1 Vent

  

                                                  Informations sur les vents à Sète (Source : infoclimat.fr)

    Ce graphique nous montre que les vents principaux viennent de la direction 320°N de manière générale avec une intensité de 4m/s. Ce vent du NO est un vent de terre (la Tramontane), il n'est pas responsable de la formation de la houle en mer mais le connaître est important pour le positionnement des bateaux. En effet, pour plus de stabilité la coque devra être placée dans la direction de l'axe du vent.

2.2 Caractéristiques de la houle

    Pour caractériser la houle, nous avons pris connaissance des données via la bouée localisée à 5km au large de Sète. On peut alors connaître la direction, la hauteur et la période des houles arrivant sur le littoral.
 

      Positionnement du houlomètre à 5km des côtes de Sète (Source : Site du CANDHIS)

    Nos recherches nous ont mené à considérer 3 paramètres essentiels pour réaliser nos simulations. Tout d'abord il est nécessaire de savoir d'où vient la houle pour obtenir son angle d'incidence arrivant dans l'avant port ainsi que sa hauteur et sa période. On préfère utiliser la hauteur significative H1/3 correspondant à la valeur moyenne du tiers supérieur des hauteurs des vagues observées sur une durée de 30min. Cette valeur est la plus représentative des hauteurs arrivant au port, même devant Hmax, hauteur maximale de la plus grande vague observée sur une période de 30min. La hauteur de houle diminue au fur et à mesure que l'on s'approche du rivage, en effet cela est du au déferlement des plus fortes vagues qui augmentent lorsque la profondeur diminue.

    Cela s'observe bien lorsque l'on calcule la houle du large vers l'avant port où la région jusqu'à 1km des cotes possède une plus forte pente qu'au large. Le taux de déferlement QB est bien plus important lorsque la profondeur diminue.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          Modélisation du déferlement de la houle venant du large sous Artemis (Source: Binôme 1)

    Ce modèle obtenu grâce à Artémis nous permettra également d'estimer la hauteur significative de houle à l'entrée de l'avant-port car on ne connaît que leurs valeurs à 5km des côtes (au niveau de la bouée).

  • Angle d'incidence de la houle

    Pour connaître l'angle d'incidence de la houle, on possède des roses des houles établies avec les mesures du houlomètre de Sète.


Direction de provenance des vagues au large (Source : Campagne CANDHIS)

    On remarque alors que la direction privilégiée de la houle provient du SSE dans la majorité des cas. On choisira donc cette direction pour l'arrivée de la houle dans le port.

  • Période de la houle


Période de houle de hauteur H1/3 (Source : Campagne CANDHIS)

   Ce graphique, obtenu par le CANDHIS à la suite de leur campagne de mesure durant les années 2006 à 2012, nous informe que 40% de la houle de hauteur H1/3 arrivant sur le port possède une période de 4s. Nous retiendrons alors cette valeur comme référence.

  • Hauteur de houle à l'entrée du port

   En couplant les données obtenues par le CANDHIS et notre modèle réalisé sur Artémis prenant en compte la diminution de la hauteur de houle venant du large en fonction de la bathymétrie, nous avons pu déterminer la hauteur de houle arrivant sur le port la plus récurrente : 0.3 à 0.4m.

   Afin de vérifier nos estimations, nous avons utilisé d'autres sites fournissant des données de hauteurs de houle: par exemple, allosurf nous renseigne sur la houle arrivant sur la plage Les Roquilles (à côté du port de Carnon). Voici un exemple de données obtenues sur 4 jours :

Prévision du temps, ainsi que de la hauteur de houle par Allosurf

      La valeur moyenne de la hauteur de houle prédite par Allosurf est de 0.3m.

      Nous choisissons donc une hauteur de houle à l'entrée du port de référence d'une valeur de 0.3m.

 


2. Récapitulatif du cas où les conditions climatiques sont les plus fréquentes

  • Hauteur significative de la houle à l'entrée de l'avant-port H1/3= 0.3m
  • Période de la houle T= 4s
  • Angle d'incidence: 120°N (arrivée de la houle dans le port)
  • Cote initiale dans l'avant-port: +0.1 NGF (0.1m au dessus du niveau moyen des mers)

 

3. Étude de l'agitation sous Artemis

    Grâce à la bathymétrie fournie par notre contact chez EGIS Eau, on maille l'avant-port sous MATISSE. Cette bathymétrie correspond à l'état du port en 2010 après le dragage des sédiments, la profondeur est donc supérieure aux années précédentes.


                                      Bathymétrie de l'avant-port et valeurs des coefficients de réflexion (Source: Binôme 1 du BEI)

 

    L'image ci-dessus nous montre les différentes frontières de l'avant-port qui vont constituer nos conditions aux limites sous Artemis. On distingue plusieurs zones, tout d'abord l'entrée de l'avant-port par laquelle entre la houle du large, la sortie vers le chenal et le port intérieur ainsi que les frontières solides: les bords du chenal et les digues. On caractérise ces frontières par leur coefficient de réflexion, CR, variant entre 0 et 1.

   En effet, les digues étant en enrochements, elles ne réfléchiront pas totalement la houle. De même, le bord du chenal Ouest est renforcé d'amas rocheux. Cependant ces amas sont implantés de manière plus régulière et ont tendance à avoir un coefficient de réflexion plus élevé que les enrochements des digues. Le bord Est quant à lui, est constitué de quais qui ont une réflexion proche de 1, tel un béton correctement lissé. En revanche, des bateaux sont continûment amarrés le long de ce bord et vont donc avoir un effet dissipatif sur l'énergie de la houle. Il faudra prendre en compte ces bateaux dans l'établissement des paramètres des conditions limites.

    On retiendra donc les coefficients de réflexion présentés sur l'image ci-dessus.

    Une fois ces conditions fixées, on peut étudier le comportement de l'avant-port dans des conditions météorologiques normales choisies dans le paragraphe précédent (H1/3= 0.3m, T= 4s, angle d'incidence: 120°N, cote initiale: +0.1 NGF)

    On calcule alors la hauteur d'eau et l'agitation. 


                                Hauteur d'eau en conditions normales et géométrie actuelle sous Artemis (Source: Binôme 1 du BEI)

 

   Du fait de la bathymétrie, certaines zones sont plus profondes que d'autres et par conséquent ce sont les plus propices pour l'installation de places à flots. En effet, il faut une profondeur minimale pour les bateaux au niveau de leur poste d'amarrage. Au milieu du port se trouve les zones les plus profondes mais la création de places gênerait le passage entre le port et la mer. On retient donc le côté droit dont la hauteur d'eau est également assez élevée, entre 2.5 et 3.6m, pour un possible aménagement.


                      Hauteur de houle en conditions normales et géométrie actuelle sous Artemis (Source: Binôme 1 du BEI)

 

    On remarque que l'agitation est comprise entre 0.04m et 0.08m la plupart du temps. Sa valeur maximale à l'intérieur du port ne dépasse pas 0.2m.

    Des normes usuelles d'agitations ont été définies pour évaluer l'agitation résiduelle, qu'un bateau dans un port de plaisance, peut supportée. Généralement,

  • L'agitation résiduelle annuelle doit être de l'ordre de 0.3m,
  • L'agitation maximale résiduelle autorisée est de 0.5m,
  • L'agitation résiduelle de confort pour un bateau est de 0.15m.

    Il faut rappeler que l'agitation doit être évaluée également en fonction de la période des vagues à l'intérieur du port. En effet, une agitation avec une période très rapide sera plus désagréable et contraignante pour un bateau qu'une agitation de même intensité avec une période plus lente.

    Ces critères sont donc à adapter en fonction de chaque situation. Dans le cas du port de Carnon les périodes varient faiblement, on pourra alors considérer ces agitations résiduelles comme valables dans tous les cas.

   Revenons au cas étudié, l'agitation résiduelle dans le port rentre parfaitement dans l'intervalle requis. Nous sommes en situation de confort. En revanche, nous pouvons supposer qu'en cas de tempête ou de mauvais temps ces normes ne seront plus respectées ce qui impliquerait l'impossibilité de stationner dans l'avant-port. Il semble donc important d'étudier des cas plus contraignants au niveau des conditions climatiques afin d'imaginer ou non une éventuelle restructuration de l'avant port. 

 


2. Tempête de projet



1. Détermination de notre tempête de projet

    On choisit un cas de tempête de projet pour les études ultérieures de géométries. Pour cela, on va faire varier la période de la houle et les angles d'incidence en se fixant une hauteur de houle à 2.5m correspondant à un cas de très mauvais temps avec une surcote de 1m. On remarque que les houles pouvant pénétrer dans l'avant-port ont une direction comprise entre 90°N et 160°N et que les périodes vont généralement de 4s (en temps normal) jusqu'à 12s (pour les tempêtes extrêmes). On choisit alors de fixer la période en faisant varier les angles puis une fois les directions critiques déterminées, on regarde quelle est la période la plus dommageable. 

    Comme on la vu précédemment, étant donné la hauteur d'eau propice à l'accueil de bateaux, on s'intéresse à la partie Est de l'avant port. Les critères d'agitation résiduelle seront observés dans cette zone ainsi qu'au centre de l'avant port (lieu de passage des bateaux entrant et sortant du port intérieur).

Angle d'incidence (°N) Angle dans Artemis (°) Période Hauteur de houle Commentaire
90 180 4   Forte agitation sur la partie avant Ouest
100 170 4   Agitation Ouest importante
110 160 4   Agitation globalement homogène
120 150 4   Agitation forte
130 140 4   Agitation forte
140 130 4   Agitation globalement homogène
150 120 4   Agitation de 0.5 : limite
160 110 4   Agitation de 0.5 : limite

  Légende :

  Agitation côté Est très forte : jusqu' à 1 mètre
  Agitation côté Est forte : jusqu'à 0.8 mètre
  Agitation côté Est moyenne : jusqu'à 0.6 mètre
  Agitation côté Est faible : jusqu'à 0.5 mètre

   Dans le cas d'un angle d'incidence de 90°N la houle pénètre directement dans l'avant-port et s'impacte sur la digue Ouest. Cela génère des hauteurs d'eau très élevées à l'entrée du port cependant, même si elle gêne beaucoup le trafic maritime pour les entrées et sortie des bateaux, ce n'est pas le cas le plus contraignant pour la localisation des places à flots dans la zone NE du port. 

   Le cas critique, d'après nos calculs, se situe entre 120°N et 140°N ce qui se confirme en observant les données réelles de tempêtes.

   On peut observer la phase de la houle sur les graphes ci-dessous pour deux directions différentes.

 

 

 

 

 

 

 

 

                            

  Phase de la houle à 90°N                                              Phase de la houle à 120°N   

    On s'intéresse donc aux directions entre 120 et 140°N pour voir l'influence de la période. 
    A partir de 7s, on voit une très forte agitation dans les zones potentielles de places à flots, celle-ci atteint une hauteur de 0.6 à 1m. Cette agitation augmente encore jusqu'à 9s, période que l'on retiendra dans notre cas de tempête de projet.
    Lorsque la période dépasse 9s, le côté Est redevient plus calme. Nous observons donc l'importance de la période sur le bon fonctionnement du port.

 


2. Tempête de Projet  

    On retient alors les paramètres suivants, caractéristiques d'une mer de vent du secteur Est-Sud-Est:

  • H1/3 = 2.5m
  • côte initiale = +1.1 m NGF
  • Angle = 120°N
  • T = 9s

3. Etude du cas de la tempête de projet

    On simule alors ce cas sous Artemis.
   On trouve des hauteurs de houle très élevées, de 0.6 à 1.2 m, dans tout l'avant-port ce qui n'est pas tolérable pour les bateaux.

   Cette tempête a les mêmes caractéristiques qu'une tempête de temps de retour 1 an. Pour ces cas, on possède de nombreuses données grâce aux houlomètres installés au large. En revanche, pour des temps de retour supérieurs à 10 ans, les données manquent et il est nécessaire de caler une loi statistique. Cela a été fait lors de la campagne CANDHIS où les mesures sur une durée de 5 ans environ ont permis d'estimer une loi statistique. Une loi souvent utilisée est la loi GPD, loi de Paréto généralisée:

$$ F_u(x)=1-(1-k.\frac{x-u}{\sigma})^\frac 1{k} $$

où les paramètres calés sont les suivants:   k = 0.23
                                                                     σ =0.9

et la valeur seuil   u = 2.75m
 

    Cette loi permet alors d'appréhender la hauteur de houle pour des tempêtes extrêmes. 


 

    On remarque une assez bonne corrélation pour les temps de retour faibles où l'on retrouve les hauteurs de houle observées. En revanche, au delà de Tr=10, les hauteurs sont moins adaptées. Néanmoins cela permet une estimation relativement correcte lorsque les données manquent.

 

 

3. Cas réel: Tempête de 1982


Application à un cas réel: la tempête de 1982 (Tr=50ans)

    Une des tempêtes les plus dévastatrices de ces dernières décennies est bien celle de novembre 1982. Le port de Carnon a vu au large des hauteurs de houle atteignant 8.35m ce qui, grâce à notre modèle de la mer au large sous Artemis,  correspond à une hauteur de 4.8m à l'entrée de l'avant-port avec une période de 11.2s et une direction de 120°N.

    On trouve l'agitation suivante:
   

    On remarque que l'agitation est plus conséquente à l'intérieur de l'avant port que dans le cas de la tempête de projet. En revanche, cette simulation de la tempête de 1982 n'est pas entièrement représentative de la réalité. En effet, elle ne parait pas très impressionnante compte tenu de sa hauteur d'eau de 1.24 m dans l'avant port. Nous passons d'une hauteur de houle de 8m au large pour arriver à 1.24m dans l'avant port.
    Grâce à nos recherches, nous savons que la tempête de 1982 a été bien plus dévastatrice. Cette différence peut s'expliquer par les limites du logiciel. En effet, Artemis ne permet pas la prise en compte du franchissement des digues par les vagues causant une agitation très importante dans l'avant-port. Notre maillage considère toutes les bordures comme des contours de hauteur infinie causant le déferlement de quasiment toute la houle entrante. Le franchissement est impossible.


    On ne peut donc pas utiliser ce cas pour caractériser l'agitation maximale, en revanche, due à la très forte pression des vagues exercée sur les digues cette tempête sera considérée pour le dimensionnement des digues. En étudiant l'historique de Carnon, on a pu voir que ces digues, construites en même temps que le port en 1960, ont subi de nombreuses tempêtes et surtout deux particulièrement féroces , celle de 1982 suivi en 1997 par une tempête de temps de retour 30 ans.