Continuité sédimentaire

Comme cela a déjà remarqué, selon l'article L214-17 du Code de l'Environnement le Salat est une rivière de classe II. Cette classe rassemble les cours d'eau soumis aux obligations de la classe I mais devant également « assurer le transport suffisant des sédiments »

Dans cette section nous nous intéresserons donc à la modélisation du transport sédimentaire afin d'assurer la continuité sédimentaire. Pour cela la mise en place un ouvrage de dégravement en période de crue est nécessaire. Ceci permettra un fonctionnement de l'aménagement hydroélectrique sans incidence sur le transport solide.

Donc le but final de cette étude sera, d'après les résultats, de proposer un type de vanne pour l'ouvrage, sa mise en place et son dimensionnement.

 

Étude théorique préliminaire

Dans une première partie nous allons brièvement présenter les mécanismes dirigeants le transport sédimentaire [cf : Théorie du transport sédimentaire, travail réalisé par C. Coutey dans le cadre de l'ENSEEIHT].

Le transport sédimentaire est caractérisé par plusieurs modes: le roulement, la saltation et la suspension. Les deux premiers modes sont souvent regroupés dans un terme: le charriage. Les dynamiques de chacun de ces modes sont différentes et sont fonctions des paramètres propres aux sédiments comme on peut le voir sur la figure ci-dessous.

- Théorie du transport sédimentaire -

[Source : [4.1]]

  1. Le mode de transport sédimentaire par roulement est un mode dans lequel les grains restent en contact avec le lit de la rivière. Ce sont donc des gros grains avec des poids importants qui sont transportés dans ce mode.
  2. Le mode de transport sédimentaire par saltation est un mode dans lequel les grains effectuent des déplacements sous forme de petits sauts. Ils ne sont donc pas en permanence en contact avec le lit de la rivière. Toutefois, leur poids et leur taille restent assez important du fait qu'il restent dans la partie inférieure de la rivière.
  3. Le mode de transport sédimentaire par suspension est un mode de transport dans lequel les grains sont transportés par l'écoulement sur de longues distances. Contrairement aux deux premiers modes, les sédiments ne sont jamais en contact avec le lit de la rivière. Le poids et la taille des grains sont donc faibles car il est fortement influencé par l'hydrodynamique.

 

Application au Pont de la Taule

Le Salat au niveau du Pont de la Taule est une rivière de type torrent de montagne. C'est pourquoi la granulométrie est très largement dominé par des graviers, des galets de rivière et quelques blocs. Nous fixerons le diamètre moyen à 6 cm et sa masse volumique à 1700 kg/m3.

Un sédiment de cette taille va donc être déplacé uniquement par un phénomène de charriage et sera insensible à la suspension.

De plus cette étude de la dynamique sédimentaire ne sera intéressante que pour des débits susceptible de déplacer une grande quantité de galets. Nous allons donc effectuer notre étude sous le débit annuel, c'est à dire $48 m^3/s$.

Critère de mise en mouvement des sédiments

Le but de cette partie est de vérifier si oui ou non le débit annuel sera suffisant à la mise en mouvement des sédiments.

Pour cela nous allons utiliser la courbe de Shields [1936] qui indique le seuil de mise en mouvement d'un sédiment dont le diamètre est connu.

- Courbe de Shields -

[source: thèse de P. Meunier "Dynamique des rivières en tresses" [4.1]]

En abscisse est décrit le nombre de Reynolds particulaire:

$$Re_* = \frac{u^* d}{\nu}$$

En ordonnée est décrit le paramètre de Shields $\theta$, ou encore cisaillement de Shields $\tau_{*cr}$:

$$\tau_{*cr}= \frac{\tau_b}{(\rho_s - \rho) g d}$$

avec :

     - $u^*$ : vitesse de frottement, approximée au fond par :

$$u^*=\sqrt{\frac{\tau_b}{\rho}}$$

     - $d$ : diamètre d50 des grains, c'est à dire le diamètre médian de l'ensemble de la granulométrie

     - $\nu$ : viscosité cinématique de l'eau 10-6m2.s-1  

     - $\tau_b$ : cisaillement qu'exerce l'eau sur les sédiments, donné par :

$$\tau_b=\frac{\rho g \overline{U}^2}{k^2 h^{1/3}}$$

     - $\rho_s$ : masse volumique de la particule solide 1700 kg.m-3

     - $\rho$ : masse volumique de l'eau 1000 kg.m-3

     - $g$ : accélération de la pesanteur 9.8 m.s-2

     - $\overline{U}$ : vitesse moyenne de l'écoulement

     - $k$ : le paramètre de Strickler, 25 pour le lit mineur

     - $h$ : hauteur moyenne de l'écoulement

Si pour un Reynolds particulaire donné, le cisaillement de Shields calculé avec nos paramètres est supérieur au cisaillement critique fourni par la courbe, alors il y a mouvement de la particule solide.

Pour l'application numérique nous utiliserons les paramètres hydrodynamiques suivant :

     - $\overline{U}$ = 2.6 m.s-1

     - h = 1.6 m

Ces valeurs correspondent à la crue annuelle et nous les avons obtenues par une simulation Telemac sur notre bathymétrie.

Nous obtenons alors :

     - $\tau_b$ = 90.6

     - u* = 0.3

     - $\tau_{*cr}$ = 0.22

     - Re* = 1.8e4

Donc en prolongeant la courbe de Shields pour une telle valeur de Reynolds particulaire nous lisons un seuil de mise en mouvement valant $\tau_{*cr}$ = 0.045. Avec notre cisaillement de 0.22 nous nous trouvons donc dans la partie supérieur à la courbe de Shields.

Il y a donc bien mouvement des particules solides.

 

Modélisations

Bathymétrie

Cette étude portera sur le seuil et son environnement proche uniquement. C'est pourquoi pour créer notre bathymétrie nous repartirons de celle modélisée dans la partie passes à poissons et implantation. Cependant nous allons raffiner les reliefs au niveau du seuil afin que celui-ci soit très marqué. C'est en effet juste en amont du seuil que la grande partie des sédiments sera entassé. Il faut donc ajouter des points définissant la bathymétrie du seuil tout le long de celui-ci.

- Bathymétrie au seuil -

Maillage

Comme nous voulons détailler au maximum le seuil, il est nécessaire que les tailles des mailles soit au moins du même ordre de grandeur que les tailles caractéristiques des variations de hauteur du seuil. Nous choisissons donc de raffiner le maillage au niveau du seuil avec des mailles de tailles 0.03 m et des tailles de 1 m dans le reste du domaine.

Le maillage présente alors 19157 noeuds.

- Maillage du domaine -

Conditions aux limites

Nous divisons nos frontières en trois parties: en bleu l'entrée, en vert la sortie et en orange les bord. L'entrée est définie de façon à englober exactement le lit mineur.

Sur les bords nous posons des conditions de glissement pour les vitesses et la hauteur.

De plus, comme nous avons diminué la taille des mailles et pour des raisons de stabilité numérique, il a aussi été nécessaire pour la suite de réduire le pas de temps afin de vérifier la condition de CFL. Nous fixons donc un pas de temps à 0.012 secondes, ce qui rallonge considérablement les temps de calcul.

Ajout de la vanne

Dans la deuxième partie de notre étude nous allons modéliser la présence d'une vanne ouverte. Pour cela il faut donc modifier la bathymétrie afin de placer un creux dans le seuil pour simuler une vanne ouverte.

Nous choisirons une ouverture de 1 m de large, prenant toute la hauteur du seuil.

Sur Matisse nous modélisons alors la vanne ouverte à l'endroit souhaité sur le seuil. La visualisation sur Fudaa nous montre alors :

- Profil du seuil avec présence de vanne ouverte -

Le fond au niveau de la vanne ouverte est alors interpolé entre la topographie avant et après le seuil.

Ces deux bathymétrie vont alors nous permettre de modéliser l'influence de l'ouverture d'une vanne sur la continuité sédimentaire.

 

 

Fichiers de paramètres

Pour mener à bien la modélisation de la dynamique sédimentaire par l'utilisation de Telemac2D et Sisyphe, il est nécessaire d'utiliser trois fichiers "cas" différents. Nous allons par la suite décrire et expliquer ces trois fichiers. Dans ces trois fichiers les options numériques n'ont pas été modifiées par rapport au cas exemple dont nous sommes partis.

Initialisation de l'hydrodynamique : fichier CASINIT

Avant d'effectuer le couplage entre les deux logiciels, il est nécessaire d'initialiser l'hydrodynamique afin de se placer en régime permanent. Pour cela nous utiliserons le fichier "casinit.txt" qui lance ce calcul hydrodynamique. Nous utilisons alors les fichiers de géométrie et de conditions aux limites générés par le mailleur. Comme dit précédemment, le pas de temps sera de 0.012 secondes pour une simulation de 11 minutes et 40 secondes en temps réel. Ce temps est largement suffisant à l'établissement du régime permanent.

Pour les conditions aux limites nous imposons le débit annuel de 48 m3/s en entrée et imposons la hauteur en sortie en utilisant la courbe de tarage présentée dans la page précédente.

Couplage hydrodynamique et dynamique sédimentaire : fichiers CAS et CASSIS

Le calcul est effectué par couplage entre Telemac2D, qui calcule le régime hydrodynamique, et Sisyphe, qui calcule la dynamique sédimentaire. C'est pourquoi les fichiers "cas" et "casinit" sont très liés.

Fichier "cas"

Telemac a besoin de savoir avec quel fichier "casinit" il est couplé, et à partir de quel régime hydrodynamique permanent il part. Tout ça est indiqué dans la première partie du fichier :

FICHIER DES PARAMETRES DE SISYPHE          : './cassis.txt'
FICHIER DES CONDITIONS AUX LIMITES         : './conlim'
FICHIER DE GEOMETRIE                       : './pap'
FICHIER DES RESULTATS                      : './telcoupl.res'
FICHIER DU CALCUL PRECEDENT                : './telinit.res'
SUITE DE CALCUL                            : OUI
REMISE A ZERO DU TEMPS                     : OUI

Ensuite il est nécessaire de fixer le seuil comme non érodable car il est fabriqué de ciment et non de galet comme le reste du sol. En effet avec de telles vitesses d'écoulement, le seuil serait entièrement érodé. Pour cela nous allons faire appelle à un fichier fortran "noerod.f" :

FICHIER FORTRAN                            : './noerod.f'

Ce fichier disponible dans la bibliothèque Telemac permet avec la fonction "inoply" d'imposer une condition de non érodabilité sur un ensemble de point délimité par une enveloppe que nous indiquerons dans le code fortran. De plus nous fixons le sol deux mètres plus bas que la bathymétrie initiale non-érodable afin de ne pas nous retrouver avec un sol creusé sur des profondeurs totalement irréalistes.

Là encore le pas de temps sera de 0.012 secondes :

PAS DE TEMPS = 0.012
DUREE DU CALCUL =  2000
PERIODE DE SORTIE LISTING = 100
PERIODE POUR LES SORTIES GRAPHIQUES = 100

Le calcul est ici lancé sur 33 minutes et 20 secondes de temps réel, ce qui est suffisant pour créer un entassement sédimentaire au niveau de la retenue crée par le seuil.

Nous imposons les mêmes conditions aux limites que pour l'initialisation hydrodynamique avec débit annuel en entrée et hauteur déterminée avec la courbe de tarage en sortie.

Enfin nous indiquons le couplage avec Sisyphe ainsi que la période de couplage, c'est à dire la période à laquelle Sisyphe va demander un nouveaux calcul hydrodynamique avec le nouveau fond :

COUPLAGE AVEC                              : 'SISYPHE'
PERIODE DE COUPLAGE POUR SISYPHE           : 1

Fichier "cassis"

Le fichier cassis recense toutes les informations relatives au transport sédimentaire. On commence par lui indiquer les mêmes fichiers de géométrie et conditions aux limites que précédemment :

FICHIER DES CONDITIONS AUX LIMITES         : './conlim3'
FICHIER DE GEOMETRIE                       : './pap3'            FICHIER DES RESULTATS                      : './siscoupl.res'

Ensuite on entre les valeurs de granulométries :

MASSE VOLUMIQUE DU SEDIMENT                = 1700
DIAMETRE MOYEN DES GRAINS                  = 0.06

Enfin il faut entrer les informations nécessaires pour caractériser le déplacement sédimentaire:

CHARRIAGE                                  = OUI
/SUSPENSION                                = OUI
FORMULE DE TRANSPORT SOLIDE                = 1

Comme nous l'avons dit précédemment le galet est seulement sujet au charriage et ne subit pas de suspension. Ensuite nous choisissons la formule de transport solide. Nous opterons pour la formule de Peter-Meyer car elle correspond à une granulométrie de diamètre supérieur à 1mm, ce qui est notre cas puisque nous avons imposé d50 = 6cm.

Encore une fois, le reste des options numériques sont tirées des exemples de fichier disponible dans la base de données Telemac.

Nous avons alors tous les éléments nécessaires pour passer aux modélisations Telemac2D et Sisyphe de la dynamique sédimentaire.

Fichiers de paramètres :

casinit.txt

cas.txt

cassis.txt

noerod.txt

Analyse des Résultats

Il est alors temps de lancer les simulations et d'observer les résultats. Nous avons modélisé les dynamiques hydrauliques et sédimentaires dans deux cas. En premier lieu sur la bathymétrie actuelle avec la présence du seuil sur toute la section de la rivière. Ensuite avec l'installation d'une vanne dans le seuil.

Bathymétrie initiale

Nous commençons par modéliser l'hydrodynamique sur la géométrie intacte, sans vanne.

- Distribution de vitesse en amont du seuil -

Nous observons bien sur la distribution des vitesses une accélération lorsque l'eau passe au dessus du seuil. C'est à partir de ces vitesses que nous avons pu vérifier la mise en mouvement du galet dans la partie Étude théorique préliminaire.

Ensuite nous pouvons lancer le couplage entre Telemac2D et Sisyphe. Nous pouvons alors observer l'évolution, c'est la différence de la bathymétrie au pas de temps souhaité par rapport à la bathymétrie initiale.

- Dépôt de sédiments -

On constate bien un entassement des sédiments au niveau du seuil. On note que le seuil est saturé en sédiments au bout de 6 minutes sous un débit de 48 m3/s. Après saturation le sédiment passe au dessus du seuil et peu alors continuer sa descente vers l'aval.

Le couplage entre Telemac et Sisyphe entraîne une modification de la bathymétrie à chaque pas de temps suite aux évolutions sédimentaires. Nous pouvons alors observer les bathymétrie des coupes du seuil à l'état initial et au bout des 33 minutes:

- Coupe de la bathymétrie du seuil -

En rouge est tracée la bathymétrie après les 33 minutes de crue. On relève très bien ici la saturation en sédiment de l'amont direct du seuil.

Le but de l'ajout de la vanne va être alors d'évacuer complètement tout le sédiment entassé au niveau du seuil.

Bathymétrie avec vanne ouverte

Nous simulons alors l'écoulement après avoir ajouté un creux de 1 mètre de large dans le seuil afin de modéliser une vanne ouverte.

Nous relançons la modélisation sur une période de 33 minutes en temps réel et observons alors les résultats de la dynamique sédimentaire:

- Dépôts sédimentaires -

Les résultats sont alors mitigés. Nous observons d'abord qu'une partie importante des sédiments passe par l'intervalle créé par la vanne ouverte. Cela se voit bien en observant le flux de charriage au niveau du seuil au bout d'une demi heure de crue :

- Flux de charriage -

Cependant une grande partie des sédiments reste entassé dans les parties restantes du seuil. Comme nous pouvons le constater en regardant une coupe permettant la comparaison entre les bathymétrie de l'état initial (marron)  et après l'entassement sédimentaire (rouge) :

- Coupe de la bathymétrie du seuil -

 

Le seuil actuellement présent est un frein non négligeable à la continuité sédimentaire imposée par le Code de l'Environnement. Une vanne incrustée dans le seuil permet d'assurer le passage des galets en cas de crue. Cependant, nos simulations nous montrent qu'une vanne d'un mètre de large n'est pas suffisante et qu'il faudrait donc installer une vanne d'une longueur plus importante sur le seuil déjà existant.

 

Vanne à installer

Nous avons donc vu précédemment qu'une vanne de 1 mètre de long permettait de faire passer une grande partie des sédiments entassés à l'amont du seuil. Cependant, afin de maintenir une parfaite continuité sédimentaire, il serait plus adapté d'installer une vanne d'au moins 3 mètres de long. Au vu de l'état actuel du seuil, le clapet reste le plus efficace car il n'y a que très peu d'éléments offrant une prise aux embacles.

 

- Exemple de clapet à Tourouzelle sur l'Aude -

[source: Eaucéa]

Une vanne de ce type est actionné par un vérin et son ouverture peut être déclenchée à partir d'une certaine côte d'alerte.

 

Pour entrer parfaitement dans les réglementations imposées par le code de l'environnement, il est nécessaire d'assurer une continuité sédimentaire, le Salat étant référencé  en classe II. Pour cela nous avons vu que l'ajout d'une vanne à la place du seuil permettait le passage des sédiments. L'état des lieux actuel nous suggère grandement un clapet, ce qui résoudrait efficacement notre problématique.