Transports solides et gestion des sédiments en milieux naturels et urbains (suite)

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1 DOI /lhb: Transport solide en Loire moyenne lors des crues justification des mesures in situ et quantification Sediment gauging during flood events in the Middle Loire Rationale and results Jean-Noël Gautier Agence de l eau Loire-Bretagne Avenue Buffon, BP 6339, F Orléans Cedex 2 Tél : +33 (0) , Fax : +33 (0) , jean-noel.gautier@eau-loire-bretagne.fr Stéphane Rodrigues Université F. Rabelais, laboratoire de Géologie des Environnements Aquatiques Continentaux (GéEAC) Parc de Grandmont, F Tours Tél : +33 (0) , Fax : 33 (0) , srodrigues@univ-tours.fr Jean Jacques Peters MARIMORPH SPRL 44 rue Philippe de Champagne, B 1000 Bruxelles Tél : +32 (0) , Fax : +32 (0) , jjpeters@rivers-morphology.org Pierre Peeters DHI Eau & Environnement 2/4 rue Edouard Nignon, CS 47202, F Nantes Cedex 3 Tél : +33 (0) , Fax : +33 (0) , ppe@dhigroup.com Philippe Jugé Université F. Rabelais Tours Centre universitaire de Chinon, 11 quai Danton, F Chinon Tél : +33 (0) , Fax : +33 (0) , juge@univ-tours.fr Une campagne de mesures hydrauliques et de transport solide a été effectuée en mars 2007 sur la Loire moyenne sur le site de Bréhémont. Elle avait pour but de recueillir des données utiles à la compréhension des mécanismes fluviomorphologiques. Un protocole de mesures mis au point à la fin des années 1960 croisant un suivi bathymétrique et le déploiement d échantillonneurs iso-cinétiques a été mis en œuvre parallèlement à des techniques plus modernes, telles que positionnement par satellite et jaugeages liquides avec ADCP. La campagne de mesures a permis de chiffrer le transport solide des fractions granulométriques supérieures à 50 microns. Les résultats obtenus confirment les hypothèses émises précédemment concernant l existence d une charge solide transportée près du fond et qui se distingue de la charge de suspension telle que décrite dans les théories. Cette charge a été baptisée «morphologique» et est composée de sédiments dont les diamètres se situent entre ceux du lit fluvial et ceux de la suspension à des niveaux plus élevés. Cette constatation, faite à partir de mesures sur d autres grands fleuves en Afrique, Asie et Amériques met en question les concepts sur lesquels sont basées la plupart des théories de transport solide. Ces mesures montrent que des campagnes de ce genre sont nécessaires pour comprendre les processus, condition préalable à la recherche de solutions. A hydraulic and sediment transport survey campaign was organised in March 2007 on the Loire River, at the Bréhémont site. The aim was to collect data useful for the understanding of fluviomorphological mechanisms. A survey procedure, established at the end of the 1960 s and relying on a follow-up bathymetric surveys and ancient sediments samplers was combined with modern technologies such as DGPS satellite positioning and ADCP flow gauging. The survey campaign allowed quantifying the sediment transport rates of the size fractions larger than 50 microns. The results confirm the earlier made hypothesis concerning the existence of a sediment load moving close to the bottom and distinct from the suspended load as described in the theories. This load was called morphological and is composed of solids having sizes between those of the river bed and those moving in suspension at higher elevations. This statement, made on the basis of surveys on other large streams in Africa, Asia and the America s questions the concepts on which have been based the majority of the sediment transport theories. The present surveys show that campaigns as these are necessary in order to comprehend the processes, a condition prior to investigating solutions. 71 LA HOUILLE BLANCHE/N

2 I n Introduction La quantification des flux solides au sein des cours d eau constitue une étape majeure dans la compréhension du fonctionnement hydrosédimentaire des systèmes fluviatiles. Le développement des techniques a permis d affiner la mesure des flux de matières en suspension, mais des interrogations subsistent sur l évaluation du charriage ainsi que sur sa distribution au sein des chenaux fluviaux larges affectés par une morphologie complexe et une granulométrie étendue comme ceux de la Loire. Ces questions sur les processus et les flux empêchent leur conceptualisation en vue d établir des modèles (physiques et numériques) et justifient l acquisition de données in-situ comme cela a déjà été entrepris sur d autres systèmes [1], [2], [3]. L évaluation des flux solides véhiculés par les cours d eau s intègre également dans la gestion «raisonnée» des sédiments au sein des lits affectés par l incision. Ce phénomène, fréquemment constaté [4], s accompagne «d effets secondaires» comme la mise en péril des ponts et digues et par la déconnexion entre chenaux principaux et secondaires soumis alors à un fort développement végétal. Cette problématique est essentielle pour l hydrosystème ligérien où d importants travaux d entretien visent à réduire le déficit sédimentaire affectant le chenal principal. Ces opérations souffrent du manque de connaissances sur le fonctionnement hydrosédimentaire de la Loire. Afin de pallier ce manque, deux campagnes de mesure du transport solide (charriage et suspension) ont été réalisées sur la Loire moyenne. La première (test de l appareillage) a eu lieu en 2003 dans le secteur de Saumur (49) [5]. La seconde a été réalisée en mars 2007 dans le secteur de Bréhémont (37). Les objectifs de cette dernière étaient 1) de valider un protocole de mesure, 2) de valider sur la Loire la notion de «charge morphologique» (concept né à la fin des années 60) [6], 3) de compléter les investigations sédimentologiques menées depuis plusieurs années sur les chenaux secondaires du site [7] en estimant le transport solide en crue par des mesures in-situ selon une approche multidisciplinaire, II n Présentation du site de mesures Le site se localise en rive sud de la Loire, près du village de Bréhémont, 30 km en aval de Tours (figure 1). Dans ce secteur, la largeur du lit endigué est d environ 700 m, celle du chenal principal varie entre 175 m et 300 m, et la pente est de l ordre de 0,3. La dynamique fluviale de la Loire y développe un style en anabranches caractérisé par un chenal principal reporté en rive droite et par trois chenaux secondaires (A, B et C) séparés par des îles végétalisées en rive gauche. Le chenal secondaire A, long d environ 650 m et d une largeur maximale est de 120 m est le plus actif du point de vue hydrosédimentaire [7]. Le chenal secondaire C n est affecté que par des modifications morphologiques mineures depuis 1999 ; l essentiel du transport solide semble survenir dans le chenal principal ainsi qu au sein du chenal A. Les études hydrosédimentaires et morphologiques réalisées sur ce site buttent sur l estimation du transport solide total et de sa répartition entre les différents chenaux. La campagne de mesures, présentée dans cet article, a été réalisée après un pic de crue de m 3.s -1 (à la station de Langeais localisée 4,5 km à l amont). III n Protocole de mesures l III.1 Topo-bathymétrie La cartographie des formes du lit permet d apprécier la morphologie du fond du lit à proximité des sites de mesures. Quatre profils bathymétriques longitudinaux espacés d environ 50 m ont été réalisés dans le chenal principal et dans le chenal secondaire A (figure 1). Ce suivi a été complété par des profils en travers à proximité des transects de mesures du transport solide. Les mesures, y compris celles d hydrométrie et de sédimentologie, ont été réalisées sur une durée la plus courte possible afin de limiter les effets dus à l évolution des débits. Des mesures bathymétriques complémentaires ont été réalisées au cours de la décrue pour analyser l évolution morphologique post-crue du lit (figure 2). l III.2 Hydrométrie Les pentes locales ont été déterminées par des relevés de niveaux d eau au DGPS. Vingt mesures ont été réalisées sur les berges du chenal principal et trois au centre du chenal secondaire A. La ligne d eau observée par DGPS pendant la campagne de mesures montre des différences entre rive gauche (RG) et rive droite (RD). La pente hydraulique est de l ordre de 0,3 m par kilomètre, mais peut localement différer de cette valeur moyenne de 0,1 à 0,4 m par kilomètre. Un jaugeage du débit total à l ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) a été réalisé sur les sections L24, L44 et L20 (figure 1) respectivement les 8, 9 et 10 mars 2007 pour des débits à Langeais s étalant entre m 3 /s et m 3 /s (figure 2), en partie en dessous de la limite de m 3 /s d alimentation du chenal secondaire. Cette technique permet une mesure quasi instantanée des débits liquides à plusieurs moments lors de la campagne de mesures. LA HOUILLE BLANCHE/N

3 Transport solide en Loire moyenne lors des crues justification des mesures in situ et quantification Figure n o 2 : Débit lors des mesures bathymétriques et de transport solide pendant la crue de mars 2007 Pour compléter ces mesures, une dizaine de flotteurs équipés d un GPS ont permis d obtenir un réseau de trajectoires de courant couvrant le tronçon étudié. Leur analyse n est pas présentée dans cet article. l III.3 Sédimentologie Une mesure de débit liquide à l ADCP a précédé les jaugeages solides au niveau des sections de mesure. Elle a permis i) de visualiser la distribution des vitesses sur la section transversale et ii) de localiser les points de mesure (profils verticaux des vitesses et d échantillonnage du transport solide). Les profils verticaux de vitesses ont été réalisés selon la méthode standard d exploration du champ de vitesse au moulinet hydrométrique («méthode des six profondeurs»). La vitesse a été mesurée sur un pas de temps de 30 secondes. Suivant l amplitude des fluctuations, la mesure était répétée de 3 à 6 fois afin d obtenir une vitesse représentative à chaque niveau. La vitesse de cisaillement a été déterminée grâce à ces mesures. La figure n o 2, montre que les jaugeages solides ont été réalisés du 8 au 10 mars lors d une phase de décrue. Il faut en tenir compte dans l interprétation des résultats à cause du phénomène d hystérèse dans la relation débit solide - débit liquide, d autant plus qu il a été observé un fort remodelage des fonds. Les mesures du transport en suspension ont été réalisées avec l échantillonneur «Bouteille de Delft» qui a permis la mesure du taux de transport de sable/gravier dans le haut de la colonne d eau et à proximité du fond (suspension graduée) avec une grande précision sur la verticale. Dans ce cas, l échantillonneur est placé sur un chariot posé sur le fond et réalise des prélèvements à 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm au-dessus du fond. La durée assez longue du prélèvement donne une valeur moyenne sur le temps de l échantillonnage. Les mesures de charriage ont été réalisées avec un BTMA («Bed Load Transport Meter Arnhem»). La forme de ce piège à sable et gravier induit une différence de pression assurant l entrée de l eau et des particules de façon quasiment iso-cinétique. Malgré les incertitudes et les erreurs de mesures possibles, cet appareil donne des mesures comparables entre elles. Le caractère pulsant du transport par charriage requiert plusieurs prises par verticale, généralement au nombre de 4. Le stock sédimentaire disponible dans le lit de la Loire pour être transporté est variable minéralogiquement et granulométriquement. De ce fait, il est nécessaire de réaliser des mesures du stock alluvial au cours de la crue et pas seulement à l issue de celle-ci. L échantillonneur US BM-54 muni d une coupelle de prélèvement se refermant par rotation de 180 o a été choisi pour les deux prélèvements de fond au droit de chaque verticale. IV n Interprétation des résultats l IV.1 Distribution granulométrique des sédiments transportés Dans les trois sections jaugées pour le transport solide, 14 verticales ont été échantillonnées. Sur chaque verticale ont été prélevés au moins 2 échantillons du lit, au moins 4 de charriage et en moyenne 6 à 7 de suspension. L analyse granulométrique des 169 échantillons de sédiments du lit et 73 LA HOUILLE BLANCHE/N

4 Figure n o 3 : Evolution de la distribution granulométrique sur la verticale 4 (L20) entre le fond (échantillonneur USBM-54), charriage (BTMA), transport en suspension (DBF : Bouteille de Delft, entre 0,10 à 0,50 m au-dessus du fond ; DBS : Bouteille de Delft au-dessus de 0,5 m au-dessus du fond) Figure n o 4 : Evolution du D50 en fonction de la profondeur pour les différentes verticales du transect L44. L ordre des verticales de la rive gauche à la rive droite est : V2, V6, V3, V5, V4. La V1/Ibis est située dans le chenal secondaire. Mesures réalisées pour un débit variant entre m 3 /s et m 3 /s à Langeais. transportés en suspension ou par charriage a été effectuée par tamisage pour les 57 échantillons d un volume suffisant et par technique laser pour les 112 petits volumes. Les résultats par verticale montrent une ségrégation plus ou moins marquée du fond vers la surface (figure 3), ce qui correspond à une mise en suspension et un transport solide sélectif. Il faut remarquer que la fraction granulométrique en dessous de 50 microns a été exclue, soit lors de l échantillonnage, soit au laboratoire. l IV.2 Charge morphologique La figure n o 4 montre que les dimensions des grains de la charge solide diminuent du fond vers la surface et restent assez constantes au-dessus d une limite qui dans la section de jaugeage principale L44 se situe vers 0,5 m au-dessus du lit fluvial. Au-dessus de cette limite, le diamètre moyen est assez constant, environ 500 μm alors que les D50 peuvent dépasser μm dans la zone affectée par le charriage. LA HOUILLE BLANCHE/N

5 Transport solide en Loire moyenne lors des crues justification des mesures in situ et quantification La distribution granulométrique observée sur la verticale 2 diffère de celle visible sur l ensemble des verticales de la section. Cette verticale se situe en rive gauche du chenal principal, environ 175 m en aval de la bifurcation du bras secondaire dans une zone où l écoulement est perturbé (encombres, pied de berge). De plus, cette verticale se situe à proximité du front d une barre sédimentaire (figure 5) visible sur les chroniques de photographies aériennes et les campagnes bathymétriques anciennes de la Diren. Ces variations importantes de la morphologie peuvent peut-être expliquer cette évolution différente du D50 de la verticale V2. Le très faible décalage perceptible entre la verticale V1/1bis (chenal secondaire) et les autres verticales suggère une similarité de la granularité du stock sédimentaire transporté, même si les débits solides sont moins importants que ceux caractérisant le chenal principal. Les résultats de la section L24 (figure 6) présentent une évolution assez semblable pour la partie supérieure de la colonne d eau avec des D50 aussi de l ordre de 500 microns, mais la limite de la charge morphologique semble se situer à un niveau plus élevé : plus d un mètre au-dessus du lit fluvial. Cette section a été jaugée le premier jour, le 8 mars 2007, avec un débit de m 3 /s. La figure n o 7 montre les résultats des mesures du 10 mars sur la section L20, en amont de la section L24, lorsque le débit était retombé en dessous de m 3 /s. La limite de la charge morphologique est en dessous de 0,50 m au-dessus du fond. Figure n o 5 Localisation des transects de mesures sur le profil bathymétrique en long P3 passant à proximité de la verticale V2 de la section L44 Figure n o 6 : Evolution du D50 en fonction de la profondeur pour les différentes verticales du transect L24 Figure n o 7 : Evolution du D50 en fonction de la profondeur pour les différentes verticales du transect L20 75 LA HOUILLE BLANCHE/N

6 La charge morphologique correspond au matériau transporté ayant une influence prépondérante sur l évolution de la morphologie. Il s agit d un matériau plus grossier que la suspension et se déplaçant plus vite que par charriage. La hauteur de déplacement de cette charge et ses caractéristiques granulométriques sont fonction de la nature du sédiment et de la puissance du cours d eau. Lors de mesures faites au Bangladesh dans le fleuve Jamuna (Brahmapoutre), la charge morphologique avait jusqu à 2 mètres d épaisseur. On ne peut utiliser le concept de saltation, sans doute applicable dans des canaux de laboratoire, mais pas dans des fleuves et rivières dont les écoulements sont éminemment turbulents au-dessus de fonds couverts de dunes. l IV.3 Quantification et distribution des flux solides sur section La spatialisation des mesures de transport solide et de vitesse sur la section rend possible la quantification des flux solides de la Loire lors des campagnes de mesures. L analyse de la figure n o 8 montre que charriage et suspension présentent une distribution transversale différente. La distribution de la charge en suspension semble relativement homogène sur la section ; son évolution est semblable à celle de la vitesse de surface. La légère augmentation de cette charge constatée en rive gauche (à +/- 50 m) amène à s interroger sur sa potentialité à alimenter les chenaux secondaires qui bifurquent un peu plus en aval. Pour le charriage, les débits solides les plus importants sont constatés dans la partie centrale de la section. Ces données révèlent la présence d un axe de charriage central qui alimente la barre sédimentaire située un peu plus en aval (figure n o 1). Le débit liquide jaugé était de l ordre de m 3 /s et le transport solide de m 3 /j, soit 0,015 m3 de sable et gravier par m3 d eau. Il apparaît que les taux de transport par charriage sont très forts atteignant environ 20 % dans deux sections et même 40 % dans la section L20. Il est paradoxal que le taux de transport solide le plus élevé corresponde au débit liquide le plus faible. Peut-être est-ce dû à des réajustements morphologiques ou lié au phénomène d hystérèse entre le débit solide et le débit liquide? Figure n o 8 : Débits solides (suspension charriage) calculés à partir des verticales de mesures réparties sur la section L20 (10 mars 2007, Q : m3/s à Langeais). Tableau 1 Estimation des flux solides en suspension, par charriage et totaux Section date Débit liquide par ADCP Débit solide en suspension Débit solide par charriage Débit solide total Pourcentage de charriage (m3/j) (m3/j) (m3/j) (m3/j) % L24 08/03/ L44 09/03/ Chenal A 09/03/ L44 complet L20 10/03/ Ces résultats de la section dans le chenal secondaire A sont obtenus à partir d une seule verticale LA HOUILLE BLANCHE/N

7 Transport solide en Loire moyenne lors des crues justification des mesures in situ et quantification Lors des jaugeages du 10 mars dans la section L20, l ADCP a été monté sur le bateau de jaugeage, ce qui a permis de mesurer en continu pendant près d une heure les vitesses de l eau et le mouvement du lit fluvial (Bottom track). Seules les mesures sur les verticales 2, 3 et 4 sont utilisables. Elles renseignent un mouvement fluctuant avec des vitesses moyennes du fond de l ordre de quelques centimètres par seconde : 0.02 m/s pour la verticale V2 et 0.06 m/s pour les verticales V3 et V4, donc assez bien en concordance avec les mesures de charriage. Le fond semble parfois rester immobile et parfois se déplacer plus rapidement, avec des valeurs moyennes de près de 0,15 m/s. Ce phénomène de pulsation peut être mis en parallèle avec la migration de mésoformes visibles sur les profils bathymétriques en long (figure 9). On remarque que la section L24 lors des jaugeages du 9 mars 2007 se situait dans une région de grandes dunes, probablement fort actives, alors que les formes de fond observées dans la section L20 étaient bien plus modestes. Pendant la décrue les changements importants des formes de fond entre les linéaires 100 et 300 se sont soldés par un lissage des dunes se traduisant par un fond plus plat en fin de décrue. Ces observations rappellent certains résultats évoqués sur la Waal [8]. V n Conclusions Une première étape sur la création de jeux de données hydrosédimentaires permettant de comprendre la dynamique fluviale de la Loire est franchie. Cette campagne de mesures atteste la possibilité de collecter des données interprétables. Elles ont permis d estimer le transport solide à Bréhémont pour un débit à Langeais supérieur à m 3 /s et de vérifier l existence d une «charge morphologique» se déplaçant dans une épaisseur d eau variant de quelques centimètres à quelques décimètres du fond. Cette charge a des caractéristiques granulométriques différentes du charriage ou de la suspension. Elle joue un rôle prépondérant pour l évolution morphologique de la Loire, et devrait faire l objet de recherches approfondies pour poursuivre les travaux menés depuis la fin des années 1960 par J. J. PETERS et A.KHOKHLOF et qui ont vérifié son existence sur différents cours d eau du monde (Peters, communication personnelle). La réalisation de telles mesures sur plusieurs sites et pour d autres débits permettra de conceptualiser la dynamique morphologique de la Loire, puis de généraliser le concept à d autres types de cours d eau à chenaux multiples. Les campagnes de mesures sur la Loire menées par l université de Tours et J.J. PETERS, pourraient s inscrire dans la plateforme «Recherches, Données, Informations» du plan Loire. VI n Remerciements Les auteurs remercient G. Zorzan et F. Ronflette du Laboratoire de Recherches Hydraulique du Ministère Wallon de l Equipement et du Transport ainsi que S. Ides et Y. Planke du Laboratoire Hydraulique de Bogerhout pour leur participation efficace aux mesures avec le matériel mis à disposition par leurs laboratoires respectifs.. C. Rambault (Université de Tours) et E. Cazeneuve (DHI France) sont également remerciés pour l aide de qualité apportée lors des campagnes de mesures. L expérience et l efficacité de P. Mikkelsen (DHI Dk) ont également été très appréciées en ce qui concerne les mesures ADCPM. Figure n o 9 Evolution post-crue d un profil, en long dans le chenal principal en particulier en ce qui concerne l évolution des formes du lit. 77 LA HOUILLE BLANCHE/N

8 VII n Références et citations [1] Peters J.J. (1993) Morphological studies and data needs. In. Proceedings of the International Workshop on Morphological Behaviour of Major Rivers in Bangladesh. FAP-24, Dhaka. [2] Rakoczi L., Szekeres J. (2002) Fields instrumentation and remote sensing methods in-situ checking the performance of bed-load samplers by underwater video. River Flow. [3] Antonelli C., Provansal M. (2002) Charactérisation and assessment of the sand fluxes in the lower Rhone river, France. River Flow. [4] Gautier J.N., Peters J.J. (2005) Bedload transport surveys to improve morphological understandings. 3 rd International Symposium on Flood Defence, Nijmegen. [5] Petts G., Moller H., Roux A.L. (1989) Historical change of large alluvial rivers, Western Europe. John Wiley and Sons, Chichester. [6] Peters J.J. (1971) La dynamique de la sédimentation dans la région divagante du bief maritime du fleuve Congo, Académie royale des Sciences d Outre-Mer - Laboratoire de Recherches Hydrauliques, Ministère belge des Travaux Publics. Rapport «Mateba 7» : 109 figs [7] Rod r i g u e s S., Bre h e r e t J.G., Mac a i r e J.J., Mo ata r F., Nistoran D., Juge P. (2006) Flow and sediment dynamics in the vegetated secondary channels of an anabranching river : the Loire River (France). Sedimentary Geology [8] Wilbers A.W.E., Ten Brinke W.B.M. (2003) The response of subaqueous dunes to floods in sand and gravel bed reaches of the Dutch Rhine. Sedimentology LA HOUILLE BLANCHE/N