Etude courantologie

 

    Nous avons choisi de procéder par étapes, en commençant par inclure seulement le forçage du à la marée puis en complexifiant peu à peu l'étude en considérant les forçages causés par le vent et par une éventuelle surcote entre la mer et la hauteur de l'eau à l'Etang de l'Or.

 

    Nous avons en premier lieu modélisé notre zone d'étude avec la configuration barrage ouvert (illustration 13) afin de pouvoir observer si l'on a ou pas le besoin de le fermer (côte de l'eau au barrage supérieure à +35cm).

 

 

 

Illustration 13 : Tronçon du grau reliant le port de Carnon et l'étang de l'Or

Source : Google map

 

 

 

 

 

 

Forçage de la marée

 

    Comme expliqué dans la partie "Modélisation de la zone d'étude" (ici), la marée a été simulée numériquement par une entrée sinusoïdale en hauteur d'eau sur la frontière Sud de notre domaine d'étude.

   Nous avons pris une période de 43 200 secondes soient 12 heures qui sont observables en réalité. De plus, l'amplitude de marée que nous avons simulée est de 0.2 mètres. C'est une valeur que nous avons trouvé lors de notre étude bibliographique et qui correspond à une marée moyenne dans cette région de France. Les premiers résultats obtenus sont indiqués sur l'illustration 14 :

 

Illustration 14 : Modélisation de la marée dans l'arrière port et le grau de Carnon

 

    Les illustrations 15,16 et 17 présentent maintenant les graphiques de vitesses et de la surface libre à la frontière Nord de notre zone d'étude (c'est à dire au niveau du barrage entre la mer et l'étang de l'Or) :

Illustration 15 : Surface libre dans le canal en fonction du temps : cycle de la marée

 

Ici nous illustrons le champ des vitesses dans la zone que nous étudions :

  • L'illustration 16 montre les champs de vitesses au cours d'un cycle de marée.
  • L'illustration 17 présente des vitesses au niveau du barrage en fonction du temps.

 

Illustration 16 : Champs de vitesses au cours d'un cycle de marée dans la zone étudiée

(grau et arrière port)

 

 

Illustration 17 : Vitesses au niveau du barrage en fonction du temps sur un cycle de marée

 

 

 

Interprétation :

    Pour ce qui est des hauteurs d'eau, nous observons nettement avec l'illustration 16 les cycles de marée en entrée du port qui gagnent ensuite l'arrière port. La surface libre de l'eau augmente et redescend périodiquement, avec la période T que nous lui avons fixée dans le fichier .cas de Telemac (T=43200s) et une amplitude de 0.2 mètres. L'évolution de la surface libre varie elle entre -0.06 et 0.31 m, ce qui implique que le barrage reste ouvert dans de telles conditions.

 

    En ce qui concerne les vitesses et les courants au sein du grau, avec la seule marée, la vitesse moyenne dans le grau est de : 0.35 m/s (calculs effectués sur Matlab avec les résultats obtenus sur Fudda) et nous observons que ces vitesses dans le canal sont toujours orientée vers la mer. Donc nous n'avons pas ici de changement de direction du champ de vitesse : les courants sont uniformes dans le grau avec seulement le phénomène de marée.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Forçage du vent

 

    Nous avons ensuite souhaité ajouter aux effets de marée les effets du vent sur la courantologie au sein du grau. En effet, nous pensons que le vent joue un rôle important dans l'établissement des courants qui ont lieu dans le canal. Afin de modéliser cet effet, nous avons modifié le fichier .cas qui pilote Telemac, comme expliqué précédemment. Quatre direction de vent ont été simulées : NO ; NE ; SO ; SE. A chaque fois, ce sont des vents d'intensités importantes (entre 60 et 100km/h) qui ont été simulés dans un canal ouvert (communication entre l'étang et la mer). La vitesse maximale réaliste que nous nous sommes fixé pour simuler le vent est de 100 km/h. Il est extrêmement rare en effet d'avoir un vent de plus de 100 km/h sur cette zone (une rafale de quelques secondes oui mais pas un vent en continu sur plusieurs heures).

    De plus, nous avons en premier lieu modélisé les écoulements en configuration barrage ouvert. Puis nous avons analysé nos résultats et c'est en fonction des côtes d'eau trouvées que nous avons dû ou pas refaire la simulation en configuration fermée. (selon si la côte critique +35cm est dépassée ou non).

 

Voilà nos résultats principaux :

 


  • Marée + Vent Nord-Est (NE) de 100 km/h + barrage ouvert

 

       

 

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Illustrations 18 et 19 : Minimum et maximum de la surface libre dans le port

 

Illustration 20 : Champs de vitesse dans la zone étudiée

 
Observations courantologiques :

    - Les illustrations 18, 19 et 20 montrent que la surface libre de l'eau dans le grau varie entre - 0.08  m et +0.29 m donc le barrage reste ouvert pour un vent de Nord-Est. (côte inférieure à +35cm)

   - Pour ce qui est des vitesses et des courants dans le grau, la vitesse moyenne dans le grau de 0.35 m/s = 1.26 km/h. De plus, les champs de courants sont ici aussi uniformes (comme dans le cas sans vent) : les courants dans le grau sont toujours orientés depuis l'étang vers la mer tout au long du cycle de la marée. Notons que de faibles recirculations de vitesse existent dans les deux ailes latérales de l'arrière port.

 

 


  • Marée + Vent Nord-Ouest (NO) de 100 km/h + barrage ouvert

   

 

 

Illustration 21 : surface libre de l'eau au barrage sur un cycle de marée

 
Observations :

    - L'illustration 21 montre que la côte de la surface libre dans le grau entre - 0.12 m et + 0.29 m donc là encore le barrage doit rester ouvert quelque soit l'intensité d'un vent venant de Nord-Ouest.

    - La vitesse moyenne dans le grau est de  0.10 m/s = 0.36 km/h et l'on remarque que le courant dans le grau est encore une fois uniformément dirigé depuis l'étang de l'Or vers la mer.

 

 


  • Marée + Vent Sud-Ouest (SO) de 80 km/h + barrage ouvert

 

Illustration 22 : Surface libre et vitesse avec un vent de 80 km/h de Sud-Ouest

 

Observations :

    - L'illustration 22 indiquer que la côte de la surface libre dans le grau entre -0.23 m à + 0.34m donc dans cette configuration, le barrage peut rester ouvert.

    - En ce qui concerne les courants au sein du grau, le champ de vitesse est rapidement uniforme, dirigé de l'étang vers la mer.

    Le niveau critique de +35cm est presque dépassé avec cette vitesse de vent. Nous allons faire une nouvelle simulation avec un vent de force légèrement supérieure afin de trouver la vitesse de vent de Sud-Ouest critique quiv provoque la fermeture du barrage.

 

 

  • Marée + Vent Sud-Ouest (SO) de 90 km/h + barrage ouvert

    Avec un tel vent, la simulation permet d'obtenir l'illustration 23 ci-dessous :

Illustration 23 : Surface libre (m) au barrage en fonction du temps

 

Interprétation :

    - L'illustration 23 nous indique que la côte de la surface libre dans le grau entre - 0.04 m et + 0.35 m donc là encore le barrage doit se fermer. La vitesse limite du vent de direction Sud-Ouest pour fermer le barrage est donc de 90 km/h.

    - La vitesse moyenne dans le grau est de 0.35  m/s =  1.26 km/h et l'on remarque que la vitesse a toujours la même direction (due au débit venant de l'étang).

    La fermeture du barrage permet d'éviter que les eaux salées de la mer "contaminent" l'étang de l'Or. Nous allons étudier dans une partie suivante (bas de page) la configuration Vent Sud-Ouest de 90 km/h avec le barrage fermé.

 

 


  • Marée + Vent Sud-Est (SE) de 60 km/h + barrage ouvert

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Illustration 24 : Minimum de la surface dans le port                         Illustration 25 : Maximum de la surface dans le port

Illustration 26 : Allure de la surface libre en fonction du temps dans le grau

Illustration 27 : Courants dans le grau avec un vent de 60 km/h soufflant depuis le sud-est

 

Observations :

    - Les illustrations 24, 25 et 26 permet de confirmer que la côte de la surface libre dans le grau évolue périodiquement entre -0.06m à +0.33 m donc avec un tel vent le barrage peut rester ouvert.

   - On remarque sur l'illustration 27 ci-dessus que les courants dans le grau sont légèrement moins forts lorsque la marée est haute (couleurs rouges sur l'animation). De manière approximative on peut calculer la vitesse moyenne dans le grau en marée montante qui est de l'ordre de 0.20 m/s, tandis qu'en marée descendante (couleurs vertes sur l'animation) la vitesse moyenne dans le grau est de l'ordre de 0.24 m/s. Soit 20% d'écart entre les vitesses marée montante et descendante. Ceci est logique puisque lorsque la marée montée de l'eau rentre dans le port et vient contrer le débit entrant par la frontière nord. Ceci engendre donc des vitesses plus faibles dans le grau sans toutefois parvenir à les inverser. De plus, un vent qui permettrait d'inverser les courants serait si important que le barrage serait monté depuis longtemps. En effet, la hausse de la côte de la surface imposerait au barrage de monter avant que le vent permettant d'inverser les courants soit atteint.

 

    Après avoir réalisé plusieurs calculs on s'aperçoit que la vitesse limite du vent venant du Sud-Ouest pour que le barrage doive se fermer est de 70 km/h.

    L'étude dans le cas barrage fermé va être faite par la suite avec une telle direction de vent.

 



  • Marée + Vent Sud-Ouest (SO) de 100 km/h + BARRAGE FERME

 

Illustration 28 : Champ de vitesse au sein de la zone d'étude en configuration barrage fermé

 
 
Observations :

    - La côte de la surface libre dans le grau évolue périodiquement entre -0.24 à +0.41 m. Nous notons que les valeurs sont légèrement plus basses que lorsque le barrage était ouvert.

   - L'illustration 28 permet d'étudier le champ de vitesse dans notre zone et par extension de déterminer la vitesse moyenne dans le grau qui est de 0.04 m/s. On remarque pour la première fois une inversion du sens du courant dans le grau. Cette inversion est en accord avec le sens du flux puis du reflux de la marée et évolue donc de façon périodique (période de 12 heures).

Ici le champ de vitesse n'est plus établi uniformément de l'étang vers le grau comme précédement.  Dans les ailes gauche et droite de l'arrière port, des recirculations existent comme dans le cas barrage ouvert.

 

 

 


  • Marée + Vent Sud-Est (SE) de 90 km/h + barrage fermé

Observations :

    - La côte de la surface libre dans le grau évolue périodiquement entre -0.12 à +0.45 m donc là nous observons une légère modification des côtes de la surface libre comparé au cas barage ouvert.

    - La vitesse moyenne dans le grau est de 0.0408 m/s et l'on remarque une inversion du sens du courant en accord avec le sens du flux puis du reflux de la marée.

 

 


Tableau récapitulatif des résultats:

 

 

  Direction du vent
NE NO SO SE
 

Vitesse

du vent

(km/h)

60

courant uniforme

courant uniforme courant uniforme courant uniforme
70 courant uniforme  courant uniforme courant uniforme courant alterné 
90

courant uniforme

courant uniforme courant uniforme courant alterné
100 courant uniforme courant uniforme courant alterné courant alterné

Illustration 29 : Tableau récapitulatif

 

Légende de la figure 29:

 

  • vert : configuration barrage ouvert
  • rouge : configuration barrage fermé

    Dans les cases de l'illustration 29, un état du champ de vitesse dans le grau est écrit.

 

 

 

 

Forçage d'une surcote

 

    Nous avons ensuite pensé qu'il serait judicieux d'étudier l'influence d'une différence de hauteur entre le niveau de la mer et celui du port. Cette différence de hauteur peut être causée par une dépression qui a lieu sur la mer comme expliqué dans la partie "Modélisation de la zone d'étude" ici.

   Nous avons donc introduit une condition limite de Z=0.2m en moyenne sur la frontière Sud afin de simuler la surcote générée par une dépression au large du port de Carnon.

 

► Voilà le résultat de nos simulations :

    Comme expliqué dans la partie "Modélisation de la zone d'étude", les surcôtes n'ont lieu que lorsque le vent souffle dans la direction du Sud (de la mer vers la terre). Lorsqu'il vient du Nord (de la terre vers la mer), c'est le phénomène de décote qui a lieu et donc le niveau de la surface libre baisse ce qui induit que la problématique de la fermeture du barrage n'a plus lieu : le barrage reste ouvert.

    Nos premières simulations sont dans la configuration barrage ouvert. C'est en fonction des résultats que l'on pourra alors conclure si le barrage doit se fermer ou non.

 


  • Avec marée et surcote de 0.2 m à la frontière Sud sans vent et barrage ouvert.

 

Illustration 30 : Surface libre de l'eau au barrage sur un cycle de marée

 

Illustration 31 : Champ de vitesse dans l'arrière port de Carnon et le grau

 

Interprétation :

     Nous constatons grâce à l'illustration 30 qu'en présence d'une surcote et avec la marée, le seuil de fermeture du barrage est dépassé. En effet, la valeur critique de +35cm est dépassée au cours du cycle, et cela même si l'on n'a pas simulé de vent. Nous constatons ici que les effets de la surcote sont très importants et engendrent automatiquement une fermeture du canal.

    En ce qui concerne les courants au sein du grau, nous observons sur l'illustration 31 qu'ils sont uniformément dirigés vers la mer. Cela va probablement être modifié par la fermeture du canal.

 

 


  • Avec marée, vent SE de 80km/h et surcote de 0.2 m à la frontière Sud

 

Illustration 32 : Évolution de la surface libre dans le canal en fonction du temps

 

Illustration 33 : Variation des hauteurs d'eau dans la zone étudiée

 

Interprétation :

   Ici, la vitesse moyenne dans le grau avec Z=0.2m en entrée sud de la zone d'étude vaut 0.32 m/s =  1.15 km/h.

   Grâce à l'illustration 32 nous remarquons que la surface libre oscille entre +0.07 m et +0.45 m. Le barrage doit donc se fermer ici aussi (limite de +0.35m franchie). Nous nous attendions à un tel résultat étant donné que même sans vent, le barrage doit se fermer. Ici, en ajoutant un vent du sud (qui "pousse" donc l'eau vers le port et augmenta la surface libre) nous obtenons un niveau d'eau supérieur au cas sans vent (45cm>41cm).

   Il est de plus intéressant de remarquer que lorsque le vent seul souffle depuis la direction SE, le niveau de la mer monte jusqu'à +33cm (<+45cm). Ainsi, il semble que l'influence du vent sur la mer qui est à l'origine de la surcote soit plus forte dans le grau comparée à l'action du seul vent sur l'arrière port.

   Le débit est presque constant dans le grau et vaut 0.87 m²/s et le champ de vitesse est dirigé uniformément vers la mer sans variation de sens..

 

 

 


  • Avec marée, vent SO de 80km/h et une surcote de 0.2 m à la frontière Sud

 

 

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Illustrations 34 et 35 : Surface libre minimum et maximum au cours d'un cycle de marée

 

 

Interprétation :

    Les illustrations 34 et 35 montrent que la surface libre varie de +0.05 m à +0.43 m. Le barrage doit donc se fermer là aussi (limite de +0.35m franchie). Il est intéressant de remarquer que lorsque seul le vent Sud Ouest souffle (sans surcôte), les variations de hauteur d'eau sont comprises entre -0.23 et +0.34cm. Ces résultats nous montrent l'importance jouée par le phénomène de surcote sur la hauteur du niveau d'eau et donc sur la fermeture du barrage.

    Le débit est presque constant dans le grau et vaut 0.93 m²/s.

 

 

 


 

► Conclusion sur le forçage d'une surcote d'eau:

    Avec un phénomène de dépression au large qui provoque une surcote dans le port de Carnon, la côte limite de +0.35m est immédiatement franchie au niveau du barrage. Ainsi, même sans vent, les portes du barrage se ferment si une surcote existe, afin d'éviter de saler les eaux de l'étang. Ce phénomène est renforcé lorsque le vent souffle en même temps. Donc dans tous les cas, en présence d'une surcote au large, le barrage entre en configuration barrage fermé et donc les courants dans le grau sont alternés. (avec la même période que la marée, accordé suivant le flux et le reflux de la marée).