Etude et aménagement d'une zone portuaire
Etude et aménagement d'une zone portuaire
Port de Carnon, Hérault (Source: lien)
Membres de l'équipe:
Tian CHEN Fabien RIOU 
Matthieu DECUUPERE Isabelle SOLEILHAVOUP
Nicolas LORRAIN Alice VALLOT
Emeline PERRET
Introduction
Aménagement d'une zone portuaire
Au travers de ce rapport, vous pourrez visualiser le travail effectué par des étudiants de l'INPT dans le cadre des Bureau d' Etudes Industrielles.
Le BEI est un projet de groupe réalisé en dernière année d'école. Il s'étale sur 6 semaines et permet aux étudiants de mettre en oeuvre leurs acquis sur une étude concrète. De plus, étant nombreux dans le groupe, le BEI s'avère être une bonne application de travail en équipe ainsi que de gestion de projet.
Nous avons choisi de nous intéresser à divers aspects d'un aménagement portuaire et plus précisément dans le port de Carnon situé dans le département de l'Hérault. Grâce à cette étude nous allons travailler et développer plusieurs sujets vus lors de notre cycle de formation tels l'hydrodynamique littorale et côtière, la sédimentologie, l'étude d'écoulements à surface libre ou encore la mécanique des sols. Deux zones du ports seront étudiées en fonction de nos axes d'études: d'une part l'aménagement et le transport sédimentaire de l'avant-port et d'autre part une étude courantologique et de qualité des eaux dans l'arrière port.
Source de l'image : lien
Avant-projet
Dans le but de structurer l'avancée du projet et de respecter les délais un cahier des charges de groupe a été effectué. Ce cahier des charges aura pour but de nous guider dans la réalisation du projet mais également permettra de construire un lien constant entre tous les membres du groupe.
Le cahier des charges présente le contexte général du projet, la zone d'étude, les objectifs et axes d'étude principaux, l'organisation du travail selon différentes thématiques, et enfin les outils qui seront utilisés pour réaliser le projet.
Un cahier des charges par sous-groupe sera rédigé détaillant l'avancée du projet selon les divers axes d'étude développés (1 trinôme et 2 binômes).
Cahier des charges de groupe
Présentation de l'équipe
Nous sommes une équipe de 7 étudiants ENSEEIHT, école d'ingénieur toulousaine, en filière hydraulique effectuant un projet long de groupe concernant l'étude d'une zone portuaire. Ce projet est encadré par une équipe enseignante durant la période de février à mi mars 2013.
Voici les membres de l'équipe :
CHEN Tian
élève ingénieur ENSEEIHT, hydraulique, Sciences de l'eau et de l'environnement
LORRAIN Nicolas
élève ingénieur ENSEEIHT, hydraulique, Sciences de l'eau et de l'environnement
PERRET Emeline
élève ingénieure ENSEEIHT, hydraulique, Sciences de l'eau et de l'environnement
RIOU Fabien
élève ingénieur ENSEEIHT, hydraulique, Sciences de l'eau et de l'environnement
SOLEILHAVOUP Isabelle
élève ingénieure ENSEEIHT, hydraulique, Sciences de l'eau et de l'environnement
DECUUPERE Matthieu
élève ingénieur ENSEEIHT, hydraulique, Sciences de l'eau et de l'environnement
VALLOT Alice
élève ingénieure ENSEEIHT, hydraulique, Sciences de l'eau et de l'environnement
Contexte général
Devant le nombre croissant de demande de places dans les ports de plaisance, de nombreux projets sont à l'étude pour leur agrandissement. Une des problématiques majeures dans le cas des extensions portuaires est la considération de la qualité de l'eau dans le futur port. Toute implantation ou modification de géométrie influe sur le renouvellement de l'eau et donc de sa qualité. Nous pouvons citer les problèmes liés à la qualité écologique de l'eau, au transport sédimentaire, à l'envasement, gêne qui s'avère coûteuse et difficile à solutionner.
Nous étudierons un cas concret : celui du port de Carnon dans l'Herault. La zone portuaire présente une géométrie particulière, en effet, le chenal du port est aussi le chenal d'entrée d'un étang situé dans les terres. Nous étudierons l'implantation d'une nouvelle digue en mer ainsi que l'élargissement du chenal reliant le port et le canal du Rhone à Sète. Cette étude permettra d'ouvrir le débat et de donner des pistes pour un futur projet d'extension portuaire.
Vue aérienne du port de Carnon, source internet (Site officiel du port)
Objectifs de l'étude
Comme de nombreuses communes situées près du littoral, l'attrait des plaisanciers joue un rôle essentiel dans le développement économique de la commune. Dans ce cas, une capacité d'accueil plus importante permet une meilleure attraction touristique.
L'objectif de notre étude est de porter un regard critique sur un possible projet d'extension portuaire dans la commune de Carnon.
Ce projet se caractérisera par deux opérations, d'un côté par l'agrandissement de digue en mer ainsi que par l'élargissement du chenal entre le port intérieur de Carnon et le canal du Rhone.
Notre travail se fera par l'intermédiaire d'une étude de faisabilité au niveau des digues externes, d'une étude de qualité de l'eau et enfin d'une étude hydro-sédimentaire concernant l'envasement futur mais aussi actuel du port.
Les axes d'étude
Pour traiter ces problématiques, trois principaux axes d'études ont été déterminés. Ces axes d'étude seront développés par binômes ou trinôme.
- Axe n°1 : Dimensionnement de aménagement de la digue d'avant-port
Emeline Perret et Alice Vallot
Ce projet étudie la possibilité d’une extension du port et son impact. Un premier axe de travail est donc le dimensionnement d’une nouvelle digue ayant pour objectif d’aménager l’avant-port et le rajout de places à flots. Une des premières contraintes est le respect des limites administratives du port puis ensuite d'envisager une géométrie en adéquation avec un respect des règles et une protection optimale du port. Nous appliquerons des critères de stabilité en choisissant une houle de projet pour voir l’impact sur notre édifice ainsi que sa durabilité et fiabilité.
Afin de modéliser notre digue, nous utiliserons le logiciel Comsol dans la majorité des cas. Ce logiciel nous permettra d'évaluer la réponse des matériaux à la pression de la houle ainsi qu’au déferlement des vagues. Nous ferons un état des lieux du fonctionnement de la digue et des différentes solutions envisagées en adoptant divers regards et point de vue tels que l'hydraulique, celui du génie civil et de la géotechnique.
- Axe n°2 : Etude courantologique et qualité de l'eau
Isabelle Soleihavoup, Tian Chen, Matthieu Décuupère
La qualité de l'eau est un problème pris très au sérieux dans les ports, qu'ils soient maritimes ou fluviaux. Dans le cas du port de Carnon, le lien entre la mer et un étang en fait une configuration spatiale originale et intéressante. Il va exister une relation entre les courants influencés par les digues du côté maritime ainsi que le renouvellement de l'eau "quasi stagnante" côté étang. Sachant que c'est le grau qui permet de relier l'étang au port, il sera le siège d'échanges de courants importants (notamment à cause des marées, des courants marins ainsi que du passage de bateaux). Ces différents phénomènes vont avoir une influence quant à la qualité de l'eau.
Afin d'étudier ces courants d'échanges nous utiliserons le logiciel TELEMAC2D qui se trouve être particulièrement adapté pour les modélisations d'hydraulique à surface libre. Nous concentrerons ainsi notre étude sur les courants d'échanges mer/étang, pour en étudier l'influence sur la qualité de l'eau dans le port.
- Axe n°3 : Modélisation hydro-sédimentologique
Nicolas Lorrain et Fabien Riou
Le but dans cette partie est d'étudier l'hydro-sédimentation présente dans le port et le chenal. Cette étude se fera par le biais d'une étude courantologique et sédimentaire. Le taux de sédiments présents dans l'eau a un effet important sur la qualité de l'eau et une influence sur les phénomènes d'envasement.
Dans un second temps, l'étude de l’envasement dans le port sera effectuée. Le but est de déterminer l'ampleur du phénomène en considérant à la fois l'ancienne géométrie et la nouvelle. Une étude comparative avec certains ports pourra permettre d'évaluer le coût du désenvasement attendu. Il pourra être intéressant de proposer une solution permettant la réduction du taux d'envasement comme par exemple une modification partielle de la géométrie initiale.
Moyens et outils spécifiques
Durant notre étude, nous allons devoir utiliser de nombreux outils permettant de réaliser des études différentes : étude sédimentaire, dimensionnement d'ouvrage, étude courantologique, ...
Plusieurs moyens sont disponibles à l'ENSEEIHT. On utilisera les logiciels suivants:
- Telemac 2D : Modélisation des courants d'échange étang/mer
- Module Subief de Telemac : Etude de l'envasement
- Comsol : Dimensionnement de la digue
- Matlab : Calculs annexes
- Ripple Tank Simulation
D'autres logiciels tels que Arcgis, Fluent, Big Flow, Excel pourront également être utiles.
Les données important pour notre étude ont été mise à notre disposition par l'intermédiaire du bureau d'études EGIS EAU à Montpellier.
Contacts:
- Mr Jacques Piallat, Chef de projet à EGIS EAU, Montpellier
- Mme Patricia Bendinelli, Directrice du Port de Carnon
Diagramme de Gantt
Voici un récapitulatif des tâches à effectuer durant le projet ainsi que les délais à respecter :
Diagramme de Gantt provisoire réalisé sous GanttProject
Cahiers des charges par binômes/trinôme
Comme décrit précédemment, notre travail se décompose en trois axes qui seront traités soit en binôme, soit en trinôme. En cliquant sur l'une de ces pages, vous accèderez au cahier des charges de chaque binôme/trinôme.
Binôme 1 : Aménagement et dimensionnement de l'avant-port
Binôme 1: Aménagement de dimensionnement de l'avant-port
(Image internet: site_source)
Pour cette étude, l'équipe est composée de:
- Emeline PERRET
- Alice VALLOT
Rappel du contexte
Le port de Carnon accueille actuellement 800 bateaux à flots.
Cependant, ces dernières années, beaucoup de demandes d'amarrage de nouveaux bateaux ont été effectuées: environ 400 bateaux sont en attentes d'un poste d'amarrage. Sur ces 400 bateaux, 40% seraient des bateaux à moteur et 60% seraient des voiliers. La demande est donc variée et importante.
Le port de Carnon ne pouvant plus accueillir de nouveaux usagers, celui-ci doit trouver une solution pour répondre à cette demande et ainsi évoluer économiquement.
Une des manière d'optimiser la capacité d'accueil du port est sans doute d'utiliser la place dans l'avant port qui possède un espace navigable d'environ 4ha.
Mais est-il faisable et possible d'envisager l'aménagement de place à flots dans cette zone?
Zone de l'étude (source : Google Map)
Rappelons que le port de Carnon est soumis à un climat venteux. Le vent venant du large est souvent très intense ce qui engendre de forte agitation dans l'avant port.Ces dernières seront ressenties plus fortement que si l'on se trouvait dans le bassin intérieur. En effet, le vent est freiné par les aménagements terrestres et diminue en intensité.
Objectifs
Augmenter la capacité d'accueil du port en exploitant toutes les ressources de celui-ci sans pour autant nuire aux activités portuaires déjà existantes.
Les solutions envisagées devront respecter une certaine qualité environnementale et être économiquement réalisables.
Pour réaliser cela, des contraintes techniques, environnementales, administratives et financières seront présentes.
Méthodologie
Les différentes phases d'études:
Dans un premier temps, une étude de la configuration initiale de l'avant port sera effectuée pour faire l'état des lieux de l'agitation dans l'avant port. Ceci nous permettra de déceler la dynamique globale dans l'avant port et d'envisager des solutions pour améliorer les conditions d'amarrage pour les bateaux.
Ensuite, une nouvelle géométrie de la digue sera élaborée sous une houle de projet choisie puis elle sera testée pour des scénarios plus rares et extrêmes tels que des tempêtes. Il faudra s'assurer que le renouvellement de l'eau s'effectue correctement et que les courants soient redirigés vers la sortie. Cette géométrie servira de base pour l'étude de transport sédimentaire assurée par le binôme3. En effet, l'évolution des sols constitue un élément essentiel pour le dimensionnement de la digue (érosion) mais également pour avoir une idée de la profondeur du tirant d'eau et ainsi prédire si un bateau assez conséquent pourra circuler.
Si l'aménagement retenu n'est pas suffisant pour assurer une agitation résiduelle acceptable pour un bateau : un autre aménagement à l'intérieur du port devra être envisagé. Un contre-épi serait un bon moyen de protéger les bateaux contre les agitation fortes. La forme de cet épi, ses dimensions ainsi que l'endroit où nous le placerons devront être optimisés.
Une fois ces modifications validées par notre houle de projet et nos événements extrêmes, nous pouvons poursuivre sur la partie dimensionnement. Les études précédentes auront pour but de nous fournir un état des lieux global. Dans cette partie, nous allons nous intéresser plus en détails aux ouvrages : leurs conceptions, leurs matériaux, l'estimation de leurs coûts. ll faudra s'assurer de leurs bons fonctionnements, leurs fiabilités et leur durabilités. Pour cela, nous allons utiliser la méthode de dimensionnement présentée dans le "Rock Manual" qui nous permettra d'éviter certaines pathologies récurantes des ouvrages maritimes (tassement, érosion, renversement, rupture, ...).
Pour terminer, nous nous intéresserons à un problème très présent dans l'avant port : celui de l'ensablement. En effet, dans cette partie l'envasement est plutôt faible, c'est l'ensablement qui domine. Celui ci est due principalement au transit éolien qui transporte du sédiment provenant des plages voisines à l'intérieur de l'avant port. Mais ce transport sédimentaire, pourrait également provenir de la digue. L'eau se charge en sédiment sableux et percole à l'intérieur de la digue pour ensuite pénétrer dans l'avant port. Le caractère poreux des digues maritimes augmentent donc le phénomène d'ensablement. Quelles seraient les solutions à envisager? Ce problème de percolation n'accentue t-il pas l'érosion de la digue qui conduirait à sa rupture?
En résumé, nous étudierons les 5 points suivants:
Les logiciels utilisés:
Pour les parties étude de la courantologie de l'état initial puis avec les nouvelles géométries de digues, nous avons décidé d'utiliser le module Artemis de la suite Télémac. Grâce à celui-ci nous pourrons visualiser l'agitation maximale dans l'avant port.
Pour le dimensionnement des digues, le logiciel Comsol est privilégié. En effet, il nous permettra d'observer les contraintes supportées par les enrochements et ainsi se placer dans un scénario d'érosion minimale. Néanmoins, la méthode de dimensionnement sera principalement guidée par le 'Rock Manual' et les calculs effectués sur Matlab.
Planning prévisionnel
Pour structurer nos différentes études et les accomplir dans le temps imparti, on établit un diagramme de Gantt en reprenant les étapes détaillées précédement.
Diagramme de Gantt (cliquer sur l'image pour agrandir)
Trinôme 2 : Etude courantologique et qualité
Trinôme 2 : Etude courantologique et qualité
Contexte de notre étude
Ce trinôme a pour objectif d'étudier les interactions entre la mer Méditerrannée et l'étang L'Or qui est situé un peu plus dans les terres reliés par le grau. Nous allons procéder à une étude courantologique qui nous permettra d'établir des zones mortes dans le port où l'eau est susceptible d'être hautement polluée l'été, période touristique de haute fréquentation du port.
Plan de la zone d'étude : liaison entre la mer Méditerranée et l'étang L'Or (source : Google Map)
Pour mener à bien ce projet, nous sommes une équipe de trois étudiants, issus de la filière Mécanique des Fluides de l'ENSEEIHT, école d'ingénieur de Toulouse. Nous sommes tous spécialisés dans la section Science de l'Eau et l'Environnement.
Notre équipe se compose de :
- Tian Chen
- Matthieu Decuupere
- Isabelle Soleilhavoup
Objectifs
Objectifs :
Au sein de ce projet, notre trinôme aura pour mission de procéder à une étude courantologique. Nous allons estimer et modéliser les courants qui ont lieu entre la mer Méditerranée et l'étang de L'Or (plus l'intérieur des terres), dans le grau. Afin de simuler ces courants, nous allons inclure différents forçages naturels afin de se rapprocher au mieux des conditions réelles. Par exemple l'influence du vent, des marées, de la végétation (et de la salinité) vont nous permettre de modéliser les courants au sein de ce canal entre la mer et l'étang.
Une fois cette étude courantologique faite, nous utiliserons les résultats que nous aurons établis afin d'étudier le renouvellement de l'eau dans l'arrière-port de Carnon. En effet, cette zone est souvent sujette à des rejets d'eaux usées l'été ce qui constitue une nuisance odorante importante pour les habitants. Nous analyserons alors si il existe des zones de recirculation de l'eau mais également si des zones mortes existent.
Illustration des zones à étudier en détail pour l'évaluation de la qualité de l'eau (arrière port de Carnon). Source image : http://www.sea-seek.com/?geo=2269
Problématique :
Analyse courantologique du grau en vue d'estimer les nuisances polluantes au niveau de l'arrière-port.
Méthodologie
Méthode de travail
Afin de ne pas nous égarer et de mener à bien notre travail nous nous imposons une certaine méthode de travail.
Première étape :
Nous commencerons par une étude bibliographique. Cette partie de notre travail aura pour but de nous familiariser avec les enjeux de notre problématique et notamment avec les notions relatives à la pollution. Par le biais de recherches sur internet mais aussi à la bibliothèque nous devrons trouver quels sont les ordres de grandeur des différents forçages que nous souhaitons étudier (vitesse du vent dans la zone, concentration en pollution et hauteur de marée par exemple). Nous aurons aussi à définir quels types de polluant nous allons à étudier, et notamment quelles sont les bactéries qui prolifèrent le plus dans les zones portuaires. En outre, il sera intéressant de trouver les seuils de concentration de ces bactéries à ne pas dépasser pour assurer une zone saine. Ceci sera bien sûr à coupler avec nos études numériques puisque le renouvellement de l'eau, les courants seront facteur clé dans cette étude. Cette recherche de qualité sera primordiale, car c'est dans ce domaine que nous disposons le moins de connaissances. Il sera également intéressant d'obtenir les normes pour le calcul de la contrainte due au vent à la surface de l'eau. Nous attendons également de cette recherche bibliographique d'en apprendre plus quant aux conditions météorologiques et leurs effets sur des masses d'eau.
Deuxième étape :
En second lieu, nous nous adapterons les éléments bibliographiques au port de Carnon. L'étude complète des courants et de la qualité de l'eau sera trop complexe, il sera alors nécessaire de faire des hypothèses et des simplifications. Avec le temps qui nous est imparti il sera judicieux de ne prendre en compte que les phénomènes prédominants.
Troisième étape :
Dans un troisième temps nous aborderons nos modélisations numériques avec la géométrie initiale. Ceci nous permettra d'avoir une première idée des courants dans le port, l'avant port et le grau. Nous commencerons par étudier l'influence de la marée seule dans un premier temps. Ensuite nous étudierons les effets du vent seul (sans la marée) sur les courants dans le port et le grau. Enfin, nous étudierons la combinaison marée+vent sur les courants dans le port. Cette première étude nous permettra de déterminer les zones mortes qui s'avéreront être intéressantes pour le groupe 3. De cette manière ils sauront à quel endroit raffiner plus ou moins leur maillage. En parallèle dès que le groupe 1 nous fournit une nouvelle géométrie nous pourrons effectuer les mêmes démarches sur le nouveau maillage. Nous serons amenés principalement à utiliser TELEMAC 2D pour les courants ainsi que son module SUBIEF pour l'étude de qualité des eaux.
Quatrième étape :
Une fois les modélisations numériques terminées il sera temps de finaliser nos analyses et de former nos conclusions finales. Il sera également judicieux de vérifier les éventuelles hypothèses que nous aurons prises.
Diagramme des tâches
Nous avons également souhaité présenter les différentes étapes de notre projet sous forme d'un diagramme des tâches, outil couramment utilisé dans la gestion de projet.
Logiciels utilisés
Nous pensons utiliser le logiciel Telemac 2D pour mener à bien notre étude et ainsi réaliser les calculs de régimes hydrodynamiques permanents. Il est probable que nous ayons également recours au logiciel Artemis pour modéliser la houle et les rafales de vent au plus proche de la réalité (prise en compte de longueurs d'ondes plus faibles que dans le logiciel Telemac). Nous traiterons la problématique de la qualité des eaux avec le logiciel Sisyphe, qui est une suite de Telamac 2D. Pour les calculs annexes, nous utiliserons les logiciels Matlab et Excel. Nous pourrons également recourir au logiciel Ripple Tank Simulation pour visualiser les effets de la houle.
Données nécessaires
En ce qui concerne les données nécessaires à la réalisation de notre étude, nous aurons besoin de :
- le MNT (Modèle Numérique de Terrain) de la zone étudiée, c'est à dire entre la Mer Méditerranée et l'étang L'Or.
- le coefficient de Strickler sur les berges et au fond du lit dans cette zone.
- les conditions d’écoulement en entrée de la zone de calcul.
Plannig prévisionnel
Planning prévisionnel
Afin de parer les imprévus et les contretemps nous avons établi un diagramme spécifique à notre trinôme. Tout d'abord nous allons nous concentrer sur des recherches bibliographiques concernant le rejet des eaux usées dans les ports afin d'avoir une idée des concentrations en polluants. Il sera intéressant de trouver des seuils maximaux à ne pas dépasser afin de préserver une certaine qualité de l'eau mais aussi d'éviter les odeurs.
Puis nous commencerons nos simulations numériques qui nous permettront d'avoir une idée des zones mortes et des zones de recirculation dans le port. Il est prévu de travailler en parallèle sur la géométrie initiale fournit par notre contact mais aussi sur de nouvelles géométries fournies par le groupe 1. Ces études permettront d'indiquer au groupe 3 quelles zones seront les plus sensibles au dépôt de sédiments.
Enfin nous avons prévu un certain afin d'établir nos conclusions en tant que trinôme mais aussi au niveau du groupe.
Source : document personnel réalisé avec le logiciel GanttProject
Limites et relations avec les autres binômes
Limites de notre étude
Comme tout projet, notre étude courantologique comporte des hypothèses simplificatrices dont il faut tenir compte.
En ce qui concerne les forçages extérieurs aux courants, nous allons commencer par une analyse simple et nous allons ensuite la complexifier de plus en plus en ajoutant au fur et à mesure de plus en plus d'interactions avec l'extérieur.
Relations avec les autres binômes
Afin de maintenir l'unité de notre groupe de travail et sa cohésion, nous allons bien sûr être amené à communiquer avec les deux autres binômes.
Dans un premier temps nous allons beaucoup échanger avec le binôme travaillant sur l'aménagement de la digue. En effet, nous allons poursuivre l'étude que ce binôme aura commencée : une fois le réaménagement de la digue effectué par ce binôme, nous allons utiliser leurs résultats pour modéliser les nouveaux échanges dans le grau suite à la modification de la géométrie.
Dans un second temps, nous serons amenés à interagir avec le binôme travaillant sur le transport sédimentaire au sein du port de Carnon. En effet, nous leur fournirons nos analyses courantologiques afin qu'ils les utilisent dans leurs modélisations.
Binôme 3: Etude hydrosédimentaire de l'avant-port
Étude hydrosédimentaire de l'avant-port
Contexte de l'étude hydrosédimentaire
Dans le contexte d'une extension ou réaménagement portuaire, il convient de comprendre quelles sont les agencements optimaux, qui permettront un moindre apport sédimentaire. Ces sédiments sont un grave problème pour les ports. Dans le cas de fort ensablement, des travaux de dragage doivent être réalisés, ce qui représente un poids financier important. Prédire la quantité de sédiments se déposant dans le port, en fonction de l'aménagement, est donc important.
L'avant-port de Carnon s'ensable depuis quelques années, ce qui pose le problème des travaux de dragage. Cet ensablement est dû à trois facteurs. Le premier est le vent. Le sable des plages environnantes est transporté par le vent et s'accumule le long des digues. C'est surtout le cas de la digue Ouest, car le vent d'Est propulse le sable de la plage à l'Est du port. Cette plage est crée par un brise lame qui tend à accumuler le sable autour de lui. Le deuxième facteur est la percolation d'eau de mer chargée en sédiment à travers les digues. On a donc un apport de sédiments venant des digues elles-mêmes. Le troisième facteur est bien sûr le transport de sédiments venus de la mer méditerranée. Ce sédiment rentre par le chenal, mû par l'agitation et la marée.
Objectifs
L'objectif de cette étude est de mettre en évidence les zones de déposition des sédiments dans l'avant-port, et d'en évaluer les quantités. Il serait donc possible de donner un avis sur l'optimalité de la géométrie considérée, d'un point de vue sédimentaire. Dans un prémier temps, l'étude se fera sur la géométrie actuelle pour pouvoir juger la bonne confrontation de nos résultats aux zones critiques existantes. Dans un second temps, les nouvelles configurations développées par le binôme 1 permettront d'effectuer une étude hydrosédimentaire de l'avant-port.
Méthodologie
Durant ce projet, la méthodologie adoptée sera la suivante:
Etape 1 : Recherche bibliographique
La modélisation hydrosédimentaire qui est entreprise ici nous force à effectuer des recherche bibliographiques. Ceci nous permettra de déterminer quels sont les données importantes qui permettront de paramètrer notre problème de sédimentation et de déterminer les phénomènes dominants. Le lien entre ces connaissance et notre cas d'étude sera établie.
Cette étape nous permettra également d'approfondir nos connaissances des modules de la suite Télémac que nous utiliserons.
Etape 2 : Mise en place du problème
Une fois ciblés les élements importants de la sédimentation portuaire, il faudra s'intéresser plus particulièrement au port de Carnon. Les phénomènes liés au transport de sédiment dans l'avant-port étant complexes, il sera nécessaire d'entreprendre un travail de simplification de notre problème, notamment concernant l'apport de sédiments. Il nous faudra alors intégrer ces phénomènes dans notre modèle de simulation.
Etape 3 : Modélisation avec géométrie initiale
Une fois les hypothèses du code ce calcul vérifiées, le travail de simulation du transport sédimentaire pourra être effectué. Les résultats du trinôme 2 (Étude courantologique dans le port, influence du grau) permettront de nous orienter dans les conditions limites de notre domaine d'étude.
Etape 4 : Modélisation avec les nouvelles géométries
Les géométries déterminées par le binôme 1 permettront d'alimenter notre étude de sédimentation dans le cas de l'extension portuaire. Nos résultats seront directement retransmis à ce binôm.
Planning prévisionnel, diagramme de Gantt
Voici le diagramme de Gantt qui régira l'organisation de notre binôme tout au long du projet.
Les premières étapes du projet se réaliseront de manière indépendante entre chaque équipes. Pour pouvoir effectuer nos modélisations sur la géométrie initiales, certains résultats du trinôme 2 seront necéssaires. De la même façon, l'étude des nouvelles géométrie effectuée par le binôme 1 servira à modéliser le transport sédimentaire dans l'avant-port. Ainsi, les équipes travaillerons en synergie.
Projet
Voici les différents axes abordés pour répondre à notre problématique générale :
Aménagement et dimensionnement de l'avant port
INTRODUCTION
La première partie de ce BEI est consacrée à l'aménagement de l'avant-port. En effet, on a vu précédemment la volonté d'accroire la capacité portuaire de Carnon en installant des places à flots supplémentaires. En revanche, cette volonté nécessite dans un premier temps une certaine restructuration de l'avant-port afin que l'agitation résiduelle soit conforme aux normes pour l'amarrage des bateaux. Nôtre binôme s'emploiera par conséquent à trouver l'emplacement des places potentielles.
Nous étudierons les hauteurs de houle grâce au code Artémis de la suite Télémac, dans l'avant-port avec la géométrie actuelle puis avec des nouveaux aménagements comme l'implantation d'un contre-épi ou l'extension des digues d'origine. On cherchera alors à optimiser l'avant-port pour permettre le stationnement de nouveaux bateaux. Enfin, on dimensionnera les futurs aménagements pour estimer les matériaux nécessaires et le coût de tels travaux. Le dernier point que nous étudierons sera consacré à un problème actuellement rencontré dans l'avant-port, celui de la percolation de sable à travers les digues causant une forte érosion à l'intérieur de celles-ci.
Mauguio-Carnon (Source: Marie-Louis Martinez)
Notre recherche bibliographique nous a conduit vers plusieurs sites et documents intéressants pour notre sujet. En plus de la bathymétrie fourni par notre contact chez EGIS Eau, nous avons pris connaissance des données de houle via la bouée localisée à 5km au large de Sète. Grâce à une campagne de mesure effectuée entre 2006 à 2012 à cet endroit, nous avons pu déterminer nos tempêtes de projet et les différentes cas que nous allions traiter. Pour le dimensionnement, nous utiliserons en grande partie le "Rock Manual", un guide très détaillé du CETMEF sur la conception de digues en enrochements. Celui-ci nous fournira toutes les informations relatives et nécessaire au dimensionnement et à la construction de nos aménagements.
Sommaire
II- Etude de la géométrie actuelle
II-3 Cas réel : tempête de 1982
III-1 Extension de la digue Ouest
III-3 Implantation d'un contre-épi
III-4 Contre-épi et allongement de la digue Ouest
III-5 Propagation des ondes dans la nouvelle géométrie
IV- Dimensionnement de la nouvelle géométrie
IV-2 Calculs de dimensionnement
L'outil Artemis
1. Caractéristiques de l'outils
Notre outil principal pour la simulation de l'agitation dans l'avant-port est le code Artemis (Agitation and Refraction with TElemac on a Mild Slope) de la suite TELEMAC. Celui-ci résout l'équation de Berkhoff par une méthode d'éléments finis.
Cette équation provient de celle de Navier-stockes à laquelle des hypothèses ont été appliquées telles que : la considération d'une faible pente de fond, mais aussi d'une faible cambrure de la houle.
$$ \nabla .(C C_g \nabla \phi ) + C C_g k^2 \phi =0 $$
Avec :
- $ C=\frac{\omega}{k}$
- $C_g= \frac 1{2} [1+ \frac {2kh}{sh(2kh)}] $
- $\phi $ : le potentiel réduit
- $C$ : célérité de phase (obtenue en supposant que le fond est horizontal)
- $C_g$ : célérité de groupe (obtenue en supposant que le fond est horizontal)
- $k$ : nombre d'onde
L'équation de Berkhoff est un modèle en deux dimensions. Elle permet de prendre en compte de nombreux phénomènes importants dans les zones portuaires tels que la réfraction en fonction de la bathymétrie et la diffraction due aux musoirs des digues du port. Il sera très important de bien définir les conditions limites de l'étude notamment sur les digues (parois) qui détermineront si la réflexion sera ou non prise en compte.
Ce logiciel permet d'étudier efficacement le comportement de la houle dans un port (agitation, réflexion, diffraction, déferlement, etc) et ainsi estimer les conséquences de la modification de la géométrie de l'avant port.
La version d'Artemis que nous utilisons v6.1, permet de prendre en compte les fortes variations de la bathymétrie. Or, nous verrons que dans notre cas, la pente de fond située devant l'avant port est faible. En revanche, une modification de l'équation de Berkhoff doit être effectuée pour prendre en compte le déferlement bathymétrique et le frottement au fond comme le proposent Booij, De Girolamo et al.
Voici l'expression modifiée :
$$ \nabla .(C C_g \nabla \phi ) + C C_g (k^2 + i k \mu) \phi =0 $$
Avec:
- $\phi$ : le potentiel réduit de la forme $\phi = A e^{i\beta}$
- $A$ : l'amplitude du potentiel
- $B$ : la phase du potentiel
- $\mu$ : coefficient de dissipation
Plusieurs modèles sont exposés au sein du manuel d'Artemis pour calculer le coefficient de dissipation $\mu$. Au vu de notre étude, nous avons choisi d'estimer la dissipation d'énergie par déferlement à l'aide de la méthode proposée par Dally et al.
$$\mu = \frac{K}{h} \left\{1-\left\{\frac{\Gamma h}{H}\right\}^2\right\} $$
Avec :
- $h$ : la hauteur d'eau
- $K$ : paramètre de Dally et al.
- $\Gamma$ : paramètre de Dally et al.
- $H$ : hauteur d'eau de la houle
Dans un premier temps, on crée un maillage de l'avant port sous MATISSE grâce aux relevés bathymétriques fournis par EGIS ce qui aboutit à un fichier de géométrie geo et un fichier de conditions aux limites conlim.
Il est nécessaire de créer deux fichiers supplémentaires pour utiliser Artemis: le fichier cas et le fichier fortran borh.f
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Dans le cas on peut spécifier diverses caractéristiques de la houle, en particulier pour nous: la direction, la période et la côte initiale que nous feront varier suivant les scénarios. Il permet également de déterminer quels phénomènes seront pris en compte (déferlement, variations de la pente,...) ainsi que les équations associées.
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Le borh.f complète les conditions aux limites du conlim. En connaissant les numéros de chaque noeud du maillage, on peut définir plus précisément les frontières. On impose une onde incidente au large et on définit alors la hauteur et la direction de la houle, une sortie libre vers le port intérieur et plusieurs frontières solides pour les digues en fonction du coefficient de réflexion CR de chaque élément.
Un point important à déterminer est la direction prise par la houle en entrée. En effet, nos recherches nous ont mené à des angles définis par rapport au Nord (°N) alors que sous Artemis les angles sont calculés par rapport à la direction x du maillage en degrés. On doit donc les convertir comme montré sur le schéma ci-dessous.
Exemple de détermination de l'angle correspondant à 120°N
Voici un tableau d'exemple de fichiers utiles pour un calcul avec Artemis : calcul du cas initial.
| Nom du fichier | Description | Fichier source |
| geo | Fichier de géométrie | geoinit.geo |
| conlim | Fichier de conditions limites | conliminit.txt |
| borh.f | Fichier de gestion des conditions limites | borh.f |
| cas | Fichier principal | cas.txt |
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
- 2. Récapitulatif du cas où les conditions climatiques sont les plus fréquentes
- 3. Étude de l'agitation sous Artemis
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.