Un modèle 3D hydro sédimentaire pour l estuaire de la Loire : comprendre la dynamique du bouchon vaseux

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1 Un modèle 3D hydro sédimentaire pour l estuaire de la Loire : comprendre la dynamique du bouchon vaseux Développement et exploitation ( ) effectuée dans le cadre du PROGRAMME DE RESTAURATION DE LA LOIRE ESTUARIENNE EN AVAL DE NANTES MES Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016

2 Le modèle global Maillage horizontal: ~ 7100 nœuds Mailles: 50 à 150m 40 km Cote (m CM SN) maille: 2.5km Maillage vertical: 16 plans horizontaux Ce modèle est forcé par: Saint Nazaire Saint Nazaire Dnoges Cordemais Nantes Ancenis 90 km Donges Point kilométrique Nantes La marée astronomique Niveau moyen à S.Nazaire Le vent Débit de la Loire Débit solide de la Loire Houle au large Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 1

3 Calage hydrodynamique en crue (bouchon vaseux expulsé) débits de crue coefficient de Nikuradse (m) Débit Disharge atniveau Montjean moy à St Nazaire Mean level Marégraphe at Saint Nazaire Modèle Niveau (m) Débit (m 3 /s) Saint Nazaire Le Pellerin Mauves sur Loire Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 2

4 Calage des frottements en fonction du débit (Calage simple) Saint Nazaire Donges zone sondée Crème de vase coefficient de Nikuradse (m) Débit (m 3 /s) Nantes PK Saint Nazaire Donges Nantes Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 3

5 Débits d étiage Calage hydrodynamique en étiage Coefficient de Nikuradse (m) Niveau (m) Débit (m 3 /s) Débit Disharge at Niveau Montjean moy à St Nazaire Mean level Marégraphe at Saint Nazaire Modèle Saint Nazaire Le Pellerin Mauves sur Loire Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 4

6 Salinité Mesures de salinité pour de faibles débits à des débits moyens débit Enveloppe de PM et BM Montoir Cordemais Mesure de salinité 1,4 m sous la surface Mesure de salinité 7,7 m sous la surface Mesure de salinité 1,5 m sous la surface Mesure de salinité 3,6 m sous la surface Salinity (g/l) Discharge (m 3 /s) Salinity (g/l) Discharge (m 3 /s) Morteseaux Viveseaux Morteseaux Viveseaux Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 5

7 Calage de la dynamique haline Mesure Salinity 1,4 m measurment sous la surface 1,4 m below Mesure surface Salinity 7,7 m measurment sous la surface 7,7 m below Salinity (g/l) Montoir Modèle Model 1,5 1,5 m sous belowla surface Modèle surface Model 7,7/ 3,6 or 3,6 m sous m below la surface Discharge (m 3 /s) Salinity (g/l) SalinityMesure measurment 1,5 m 1,5 sous m below la surface surface SalinityMesure measurment 3,6m 3,6 sous m below la surface Cordemais Salinity (g/l) Discharge (m 3 /s) Discharge (m 3 /s) Salinity (g/l) Discharge (m 3 /s) Nouveau modèle de mélange multicouche Modèle de mélange classique avec fonction d amortissement Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 6

8 Hydro-sédimentaire Processus modélisés: Processus d érosion (Sanchez et Levacher, 2008) Processus de dépôt Modèle de tassement multicouche avec loi de consolidation (Sanchez et al., 2004) Effet du glissement pour les vases liquides Vitesse de chute en fonction de la concentration et de la vitesse du courant modèle de longueur de mélange multicouche pour le calcul de la turbulence en milieu stratifié (Walther et al., 2009) Prise en compte de la houle dans le calcul de la contrainte pour le calcul des flux d érosion Apport amont en fonction du débit de Loire Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 7

9 Comparaison des MES mesurées (réseau SYVEL) et modélisées Dynamique de la MES Mesure de MES MES modélisée Débit Indicateur de marée Paimboeuf Le Pellerin MES (g/l) MES (g/l) Salinité (g/l) Niveau d eau (m) Débit (m 3 /s) MES (g/l) Débit (m 3 /s) Mesure de MES MES modélisée Mesure de Salinité Salinité modélisée Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 8

10 Dynamique de la crème de vase Mesures de la position de la crème de vase Zone sondée Crème de vase Saint Nazaire Donges Cordemais Nantes Débit (m 3 /s) 500 Kilometric points Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 9

11 Dynamique de la crème de vase modélisée Débits (m 3 /s) Pas de Creme de vase Temps en jours Epaisseur de vase (m) and >2 Pas de crème de vase St Nazaire Donges Cordemais PK Nantes Mauves Poses Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 10

12 Dynamique du bouchon vaseux et de la crème de vase Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 11

13 Conclusion sur le modèle global en calage simple Ce modèle global en calage simple est assez précis pour la géométrie actuelle de l estuaire. Il a fourni des résultats qui sont disponibles sur 8 mois représentatifs de conditions annuelles moyennes. (cartes spatiales fond/surface, max/min/moyenne et courbes temporelles à chaque pk) Niveaux d eau Vitesses Salinité MES Dynamique des dépôts Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 12

14 Le modèle global en calage couplé Calage simple: la carte de frottement sur le fond (position de la crème de vase) est figée pour un débit fluvial donné Calage couplé: la carte de frottement sur le fond est recalculée à chaque pas de temps en fonction de la distribution spatiale de la crème de vase La version couplée permet donc de nous renseigner sur la réponse à des aménagements conséquents à l échelle de l estuaire. Ce calage est par contre forcément moins précis sur l évolution temporelle des paramètres physiques sur la géométrie Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 13

15 Les variantes du modèle (en calage simple ou couplé) Deux types de variantes ont été développées: Modification de géométrie (ouvrage/bathymétrie) Exemple: Etude d un scénario de restauration morphologique Raffinement de maillage Exemple: Etude de vasières et d étiers Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 14

16 Modèle raffiné des zones submersibles Nord-Ouest Ile de Lavau Ile Pipy Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 15

17 Validation complémentaire lors du projet C3E2 Water level (m) measurement model Sur la prairie measurement model SSC (g/l) Water level (m) SSC (g/l) measurement model Sur la vasière measurement model measurement model Salinity (g/l) Water level (m) Discharge (m 2 /s) SSC (g/l) measurement model measurement model measurement model Dans un étier Validation des dépôts à court et moyen terme Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 16

18 Applications du modèle raffiné Optimisation d un projet pilote d aménagement des vasières Evaluation d actions de renforcement des échanges hydrauliques Evaluation des impacts du changement climatique sur les zones submersibles à 2040 puis 2070: Vitesses d évolution des dépôts (en comparaison à la vitesse de remontée du niveau moyen de la mer) Evolution des temps de submersion Evolution de la salinité, des concentrations en MES Impacts dans le lit mineur (niveaux, vitesses, salinité, bouchon vaseux ) projets C3E2 et ICEPEL (Voir les présentations dédiées) Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 17

19 La condition aux limites aval en MES Réimposition des flux sortant sous forme de dépôt au large de Saint-Nazaire (dans un rayon compris entre 15 et 20 km) dans l estuaire externe. Le modèle fonctionne donc en masse constante ou en augmentation au cours du temps grâce aux apports amont Les principales limites du modèle Vase pure (pas de sable), Le déplacement horizontal de la crème de vase (concentration sup. à 40g/l) n est pas pris en compte, Pas de dragages d entretien ni d immersion en mer, Incertitude sur l intensité des apports amont Calage sur des séries annuelles seulement Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 18

20 Les améliorations possibles Eloignement de la condition aux limites aval pour coupler estuaire externe et estuaire interne Cela permettra de s affranchir de la réimposition des flux de MES sortant Calage sur des séries de mesures pluri-annuelles (réseau SYVEL) Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 19

21 Nouveaux apports intrinsèques au logiciel TELEMAC-3D: Les améliorations possibles nouveaux schémas numériques, nouvelles méthodes de prise en compte de la vitesse de chute (traitement dans l étape de convection), meilleure prise en compte des bancs découvrant meilleure parallélisation (temps de calcul..) Développements effectués pour le modèle 3D de l estuaire de la Seine Prise en compte des mélanges sablo-vaseux Prise en compte des dragages et immersions en mer Possibilité d inclure les courants littoraux Modélisation de la qualité de l eau Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 20

22 Amélioration possible: modélisation de la qualité de l eau NO3 (nitrite + nitrate), NH4 (ammonium), PO4 (ortho phosphate), AAP (ortho phosphate absorbé), OXY (oxygène dissous), DET.N (azote inclus dans les détritiques), DET.C (carbone inclus dans les détritiques), DET.P (phosphore inclus dans les détritiques), OON (autre azote organique), OOC (autre carbone organique), OOP (autre phosphore organique Cap Carthage Ras Dourdas Lac Sud de Tunis Lac Nord Port de La Goulette Lac Sud Baie de Tunis Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 21

23 Calibration et validation d un modèle de qualité d eau Macro-algue Chlorophylle a Mesures SL1-SL6 Modèle - moyenne Lac Mesures - Moyenne années kg-dw/m2 Mesures SL1-SL6 Modèle - moyenne lac Mesures - moyenne années mg/m3 Résultats de la calibration sur une année moyenne j f m a m j j a s o n d Mois 0.00 j f m a m j j a s o n d Mois 0 Azote total 1.20 Oxygène dissous Mesures - SL1-SL6 Modèle - moyenne lac Mesures - moyenne années g/m g/m j f m a m j j a s o n d Mois Mesures SL1-SL6 Modèle - moyenne lac Mesures - moyenne années j f m a m j j a s o n d Mois Position des stations Phosphore total 0.20 Mesures SL1-SL6 Modèle- mayenne lac Mesures - moyenne années g/m j f m a m j j a s o n d Mois Demi-journée scientifique du GIP Loire Estuaire Nantes 9 décembre 2016 Hamm - 22