Analyse du transport sédimentaire à partir de mesures ADCP : essai d'application à un jaugeage solide de l'amazone à Manacapuru

Transcription

1 Séminaire HyBAM 31 mai 2013 UMR GET - Géosciences Environnement Toulouse Analyse du transport sédimentaire à partir de mesures ADCP : essai d'application à un jaugeage solide de l'amazone à Manacapuru Jérôme Le Coz, Benoît Camenen Irstea Lyon (France) Pour mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient Irstea Elisa Armijos, Naziano Filizola Université de Manaus (Brésil) Alain Crave, Jean-Michel Martinez, Pascal Fraizy, Jean-Loup Guyot IRD (France, Brésil) Stephanie A. Moore Université d'ottawa (Canada)

2 Objectifs de l'étude Mesure de la suspension à partir des intensités ADCP haute résolution spatiale permettant d'améliorer l'évaluation du flux mesure indirecte nécessitant l'analyse de prélèvements (concentration, granulo) surtout utile pour caractériser la suspension grossière hétérogène (sables) développement d'une méthode à base physique (théorie acoustique) Détection du charriage à partir du suivi de fond ADCP/GPS haute résolution spatiale permettant d'améliorer l'évaluation du flux mesure indirecte ne permettant pas une évaluation quantitative du charriage Comparaison à une modélisation à base hydraulique calage sur les profils verticaux de vitesse mesurés par ADCP profils verticaux de concentration de sables transport de charge de fond : formule de capacité et hypothèse sur l'épaisseur de la couche active 2

3 Bref historique des travaux de recherche Mesures hydro-acoustiques du transport solide à Irstea Lyon thèse Stephanie Moore ( ) sur les H-ADCP application à des jaugeages solides du Rhône, du Danube et du Mékong Observatoire des Sédiments du Rhône : charriage et suspension campagnes sur le Mékong en septembre 2012 et août 2013 Collaboration avec l'observatoire HyBAM conférence Hidrometria à Manaus en mai 2012 étude de faisabilité sur un jaugeage solide ADCP (Manacapuru) accueil d'elisa Armijos à Lyon en juin 2013 Perspectives pour la suite poursuite des échanges et partage de méthodes conférence Large Rivers à Manaus en juillet 2014 soumission d'un projet bilatéral COFECUB? Déploiement d'un AQUAscat sur le Mékong (campagne de septembre 2012) 3

4 Prélèvements de matériaux en suspension Prélèvements ponctuels instantanés : sur 3 verticales, à différentes profondeurs séparation par tamisage, filtration-pesée, granulométrie laser 4

5 V3 Séparation des modes granulométriques V2 2 sous-populations gaussiennes séparées : «finos» : washload d50~ µm concentration ~100 mg/l «gruesos» : sables fins d50~ µm concentration de 3 mg/l à 3 g/l Légende : Distribution mesurée Modes gaussiens Distribution reconstituée (somme des modes gaussiens) V2 au fond : Proportions de sable inférieures à celles obtenues par tamisage... 5

6 Méthode d'inversion acoustique Intensité rétrodiffusée corrigée des pertes en transmission log 10 (M g ) = 0,1 I db corrigée + K t Concentration massique de sables (on néglige la rétrodiffusion par le washload) Constante liée aux propriétés du transducteur Méthode itérative adaptée à deux populations sédimentaires : intensité corrigée des pertes en transmission : dispersion géométrique, atténuation par l'eau, atténuation par le washload et par le sable les 3 constantes d'atténuation sont calculées par des formules théoriques fonctions de la fréquence, de la température (eau) et du diamètre des particules atténuation par le washload constante car concentration constante atténuation par le sable dépend de la concentration de sable : nécessité d'une méthode de résolution itérative, cellule par cellule (logiciel SediView) 6

7 Méthode d'inversion acoustique Dispersion géométrique Atténuation par le washload Atténuation par le sable I dbcorrigée = I db + 20log(r) + 2α w r + 2M f ζ f r + 2M g ζ g r Intensité rétrodiffusée (counts ADCP convertis en db) Atténuation par l'eau Méthode itérative adaptée à deux populations sédimentaires : intensité corrigée des pertes en transmission : dispersion géométrique, atténuation par l'eau, atténuation par le washload et par le sable les 3 constantes d'atténuation sont calculées par des formules théoriques fonctions de la fréquence, de la température (eau) et du diamètre des particules atténuation par le washload constante car concentration constante atténuation par le sable dépend de la concentration de sable : nécessité d'une méthode de résolution itérative, cellule par cellule (logiciel SediView) 7

8 Comparaison des concentrations de sable ADCP/prélèvements Calage de paramètres physiques : bonne reproduction du gradient vertical, sauf au fond de V2 accord acceptable des concentrations (noter l'échelle différente pour V1) les concentrations au fond de V2 sont inexplicables... 8

9 Comparaison des concentrations de sable ADCP/prélèvements Calage de paramètres physiques : bonne reproduction du gradient vertical, sauf au fond de V2 accord acceptable des concentrations (noter l'échelle différente pour V1) les concentrations au fond de V2 sont inexplicables... 9

10 Application au jaugeage solide La mesure ADCP serait surtout utile pour améliorer la mesure du flux de suspension hétérogène grossière (sables) : la suspension fine homogène (washload) est plus précisément estimée en multipliant le débit jaugé par la concentration moyenne en washload pour les sables, l'acoustique permet de mieux mesurer les gradients de concentration, qui entraînent une forte incertitude d'interpolation entre les points de prélèvement Exemple des concentrations de sables mesurées par ADCP sur le «transect» correspondant aux prélèvements (interruptions de l'enregistrement) 10

11 Comparaison à un modèle de suspension Formule pour la suspension non-cohésive (Camenen et al., 2008) calage du coefficient de friction sur les profils de vitesse mesurés par l'adcp prédiction du profil vertical de concentration en sable 11

12 Modélisation de la suspension Comparaison modèle/adcp/prélèvements accord raisonnable sur les 3 verticales (sauf les prélèvements au fond de V2...) le modèle reproduit correctement le gradient vertical mais surestime la concentration près de la surface, ce qui est lié au modèle de diffusion verticale utilisé 12

13 Détection du charriage par ADCP La différence vectorielle entre la vitesse de déplacement mesurée par GPS et celle du bottom-tracking de l'adcp fournit la vitesse apparente de déplacement du fond, en chaque verticale ADCP. exemple d'une traversée à Manacapuru En rouge trajectoire bottom-track ADCP biaisée vers l'amont, à cause du fond mobile En bleu trajectoire GPS non biaisée vecteurs vitesse apparente de déplacement du fond 13

14 Comparaison avec des modèles de charriage Prédictions de la vitesse de fond, en supposant une épaisseur formules de capacité de charriage (Meyer-Peter et Mueller 1948, Camenen et al., 2005) Exemple d'une traversée à Manacapuru profils h et V vitesse de fond ADCP (et moyenne) vitesses prédites moins bon accord que sur nos cas du Mékong... hétérogénéité du fond? Apports amont? Influence de la suspension concentrée au fond sur la dérive ADCP? 14

15 Conclusions Mesures hydro-acoustiques une inversion des intensités ADCP a pu être faite avec des paramètres physiques, en détournant SediView pour prendre en compte deux populations sédimentaires en suspension (washload et sables à diamètres constants) la méthode de mesure de la suspension grossière par analyse ADCP est prometteuse pour améliorer les mesures de flux l'analyse du suivi de fond ADCP/GPS permet de cartographier les vitesses apparentes du charriage (ou de la suspension proche du fond) Prélèvements et analyses des échantillons grand avantage de prélèvements locaux, pas intégrés sur la verticale doutes sur la représentativité de certains prélèvements au centre et près du fond fort intérêt de mesurer les distributions granulométriques, pour les analyses acoustiques comme pour la modélisation (toutes deux y sont très sensibles) séparation des modes gaussiens par optimisation de vraisemblance (routine R) Modélisation du transport solide bon accord des profils verticaux de concentration avec les mesures des différences dans la distribution du charriage qui restent à étudier potentiel de la modélisation pour évaluer des flux sur de longues périodes 15

16 Perspectives à discuter Mesures hydro-acoustiques des mesures multi-fréquences permettraient de lever l'ambiguïté sur les distributions granulométriques (2 ADCP? AQUAscat) l'aquascat permet une mesure plus robuste (atténuation dans une suspension homogène), locale mais à plus haute résolution spatiale et temporelle un profil en long ADCP peut permettre de mesurer le transport de sable en suspension en crête de dunes intérêt de mesures bathymétriques par ADCP ou échosondeur pour cartographier les formes de fond (dunes), et éventuellement les suivre (dune-tracking) Prélèvements et analyses des échantillons pour le sable, des prélèvements intégrés dans le temps seraient sans doute plus représentatifs : bouteille de Delft? Préleveur intégratif à déclenchement distant? prélèvements de charge de fond? (a priori trop dangereux) une caméra acoustique (ou échosondeur) permettraient de localiser les prélèvements par rapport aux formes de fond (dunes) Modélisation du transport solide établissement de courbes de tarage solides pour évaluer les bilans de flux prise en compte des apports amont et des hétérogénéités du fond 16

17 Références bibliographiques Mesures hydro-acoustiques du transport sédimentaire L. Tiron, J. Le Coz, M. Provansal, N. Panin, G. Raccasi, G. Dramais, P. Dussouillez (2009). Flow and sediment processes in a cutoff meander of the Danube Delta during episodic flooding. Geomorphology, vol. 106, n 3-4, p S. A. Moore (2011). Monitoring flow and fluxes of suspended sediment in rivers using sidelooking acoustic Doppler current profilers, PhD dissertation. S. A. Moore, J. Le Coz, D. Hurther, A. Paquier (2012). On the Application of Horizontal ADCPs to Suspended Sediment Transport Surveys in Rivers, Continental Shelf Research, 46: S. A. Moore, J. Le Coz, A. Paquier, D. Hurther (2013). Using multi-frequency attenuation to monitor grain size and concentration of suspended sediment in rivers, Journal of the Acoustical Society of America, 133(4), G. Dramais, P. Dussouillez, S. Moore, J. Le Coz, B. Camenen (2013). Study of the sediment fluxes of the Lower Mekong River, Technical report, 73 p. Modélisation du transport solide Camenen, B., Larson, M., A general formula for non-cohesive bed load sediment transport. Estuarine, Coastal, and Shelf Science, 63, Camenen, B., Larson, M., A general formula for noncohesive suspended sediment transport. Journal of Coastal Research, 24 (3),