Top Banner
Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus Fluviatiles : eau, sédiment 1
69

Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Jun 21, 2022

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN

Processus Fluviatiles : eau, sédiment

1

Page 2: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Processus Fluviatiles : eau, sédiment (4 h)

1. Eléments d’hydraulique fluviale

2. Phénoménologie du transport sédimentaire

3. Observations et mesures

4. Lois d’érosion et de transport

Livres et documents (en anglais): THE BOUQUIN ABSOLU :

Geomorphology : the mechanics and chemistry of landscape, Anderson & Anderson, Cambridge University Press, 2010.

Fluvial forms & processes, D. Knighton, Arnold (Bib CAREN), chap 4

River Mechanics, P. Y. Julien, Cambridge university Press (Bib CAREN), chap 2,4

Erosion and sedimentation, Pierre Y. Julien, Cambridge University Press (Bib CAREN)

2

Page 3: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Pourquoi s’intéresser à ces processus ?

Forme de la rivière

Ecoulement fluide

Erosion, transport, dépôt

sédiment

I :Hydraulique fluviale

II : Mécanismes et lois d’érosion, transport

et dépôts de sédiment

III : Bilan de masse

3

Page 4: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Objectifs Connaitre quelques éléments clefs :

Contrainte cisaillante

Lois de friction hydraulique

Seuil de transport

Loi de transport

Avoir “conscience” du degré de facilité de la mesure de ces paramètres sur le terrain ou en laboratoire

TD : calculs simples sur la stabilité d’un fond de rivière et le transport de sédiment

4

From « key Concepts in Geomorphology »

Page 5: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Éléments d’hydraulique fluviale :

2 forces agissent sur l’écoulement d’eau :

La gravité qui entraîne l’eau vers le bas

La friction sur le fond et le bord de la rivière qui s’oppose à ce mouvement et entraine un cisaillement sur le fond

Il en résulte différents comportements :

Ecoulement uniforme/non-uniforme

Ecoulement stationnaire/non-stationnaire

5

From « key Concepts in Geomorphology »

Page 6: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Contrainte cisaillante dans un chenal rectangulaire Paramètre physique d’ordre 1 contrôlant le transport de

sédiment

Ecoulement uniforme stationnaire dans un chenal droitrectangulaire

WD

Sin ~ tan = S

Frottement sur les parois Force de gravité

2

WDg S

W D

Approximation W/D > 10 :

gDS

( 2 ) moyW D dx gWD S dx

6

From « key Concepts in Geomorphology »

Page 7: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Points importants

Expression valide seulement en ecoulement UNIFORME (ou très légérement non-uniforme)

Décrit la contrainte cisaillante moyenne sur toute la surface

Seulement égal à la contrainte cisaillante basale pour des rivières larges et peu profondes

La prédiction de la contrainte cisaillante latérale sur les berges reste complexe

7

Page 8: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Ecoulement non uniforme

8

Page 9: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Classification des écoulements Ecoulement laminaire/turbulent

Laminaire -> forces visqueuses dominent

Turbulent -> forces inertielles dominent:

→ tourbillons (« eddies ») de différentes tailles accélérant/décélérant l’écoulement à des différentes échelles spatiales

Nombre de Reynolds : ν ~ 10-6 m²/s à 20°c (viscosité cinématique)

Le choix de L dépend des configurations. En rivière on prend D ou le rayon hydraulique Rh.

Re < 500 : écoulement laminaire, Re > 2500 : écoulement turbulent, sinon écoulement transitionnel.

V L V Lmoy moy

eR

9

Page 10: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Ecoulement turbulent

http://www.water.tkk.fi/wr/kurssit/Yhd-

12.121/www_book/fr_exa_e.htm 10

Page 11: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Quid des rivières Calcul de Reynolds typique

L’écoulement en rivière est-il plutôt turbulent ou laminaire ?

Profils de vitesse :

T : turbulent

L : laminaire

Origine des différences ?

11

Page 12: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Ecoulement turbulent Très complexe -> on ne peut prédire exactement (i.e.

analytiquement) le profil exact de vitesse dans une rivière. Toutes les méthodes sont semi-empiriques et nécessitent une calibration expérimentale.

Le gros problème est de comprendre ce qui se passe au fond de la rivière puisque cela influence l’écoulement sur une grande hauteur/à un écoulement laminaire

Comment varie la friction avec la nature du sédiment, ou la présence de végétation ou de formes du fond ?

Même si la part de sédiment transporté au fond de la rivière est faible (cf plus loin), c’est essentiellement elle qui gouverne la géométrie du chenal et son évolution

12

Page 13: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Law of the wall (loi du mur) Valide pour un écoulement turbulent proche du fond

u*=√(τ/ρ) : Vitesse de cisaillement

k: constante de Von Karman = 0.4 (empirique)

z0: rugosité de Nikuradse

Estimation de Vmoy (vitesse moyennée verticalement)

Vmoy ~ vitesse à une hauteur de 0.4D.

Vmoy ~0.8 Vsurf

13

*

0

ln( )u z

Uk z

From Anderson², Geomorphology:the mechanics and chemistry of landscapes

Page 14: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Exemples

14From Anderson², Geomorphology:the mechanics and chemistry of landscapes

Mississipi river Conduite expérimentale IPR

3 débits différents

Page 15: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Ecoulements hydrauliquement lisses et rugueux (notion de couche limite) Existence d’une couche près du bord ou la viscosité

« moléculaire » est supérieure à la viscosité turbulente

→ écoulement laminaire

Définition du Reynolds de cisaillement ou Reynolds de Grain R* = u* D50 / ν U* : vitesse de cisaillement, D50 : Diam grain, ν : viscosité cinematique

Si R* < 3 → écoulement lisse : la couche visqueuse est plus épaisse que les grains

Zo= ν/9u*

Si R* > 100 → écoulement rugueux : la couche visqueuse est plus petite que les grains

Zo= D84 /30

Entre 2, zone de transition avec lois empiriques15

Page 16: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Profils de vitesse correspondant

16

Page 17: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Lois de friction hydraulique en rivière Lois prédisant la vitesse moyenne d’écoulement en

fonction de la géométrie du chenal (pente, section) et de la rugosité du fond.

Facteurs influençant la rugosité hydraulique

Matériel au fond du lit

Rugosité relative H/D50 (profondeur/taille grain mediane)

Formes sédimentaires : barres, dunes etc….

Végétation et obstruction (arbres, rochers…)

Sinuosité et écoulements non-uniformes

→ Pléthore de travaux sur la caractérisation de la rugosité

17

Page 18: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Lois de friction hydraulique Cf cours pour notations

Intégration de la loi du mur

Permet de faire le lien entre des coefficients macroscopiques (C, n, fdw) et l’écoulement turbulent micro (z0)

18

Page 19: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Cas de Manning Utilisé fréquemment pour les écoulements profonds,

rugueux et turbulents (Profondeur/D50>100)

Valeur du coefficient de friction n indépendante du Reynolds

19

Page 20: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Coefficients de Manning

20From « key Concepts in Geomorphology »

Page 21: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Loi de Manning Application controversée pour les rivières à forte

rugosité:

21

Page 22: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Effet de la géométrie du chenal

Yen, B. C., Open Channel Flow Resistance, Journal of Hydraulic Engineering,

january 2002

Coefficient de manning en fonction de la hauteur d’eau relative

à la hauteur pleine

22

Page 23: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

EX : Effet des dunes

Modification de la résistance à l’écoulement durant le transport….

23

Page 24: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Aspects liés à la végétation

3 couches : zone 1 : intra canopée, zone 2 : transition, et zone 3 : traditionnal

Turbulent zone

24

Page 25: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

A retenir Important effort de recherche actuel pour la prise en

compte de la rugosité pour les calculs de vitesses et de débit dans les cas complexes :

Rivières torrentielles

Effet de la végétation

La contrainte cisaillante basale peut-être estimée simplement en contexte stationaire/uniforme et pour des chenaux avec W/D >> 10

La contrainte cisaillante latérale est complexe à prédire

25

Page 26: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

26Anderson and Anderson, draft textbook, 2009

Principe de la mesure de débit

Page 27: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesure des débits d’eau en rivière Jaugeage des cours d’eau

. Mesure de la surface mouillée

. Mesure de la vitesse moyenne d’écoulement

27

Page 28: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Cableway* measurements: flow velocity at intervals across the channel

*or from a bridge or wading

Snake River at Moran, WY (USGS)

http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/sws/fieldmethods/walkthrough/

srmr7.htm

Page 29: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesures modernes du champ de vitesse Acoustic Doppler Current Profiler

Exemple d’un adcp fixe au sol. Les 3 orientations

permettent d’obtenir les 3 composantes du champ

de vitesse 29

Page 30: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Incertitude forte au niveau du fond du chenal -> difficile d’estimer les

Contraintes cisaillantes précisemment par exemple

Mesure de vitesse dans l’Amazone (IRD)

30

Page 31: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesure depuis un bateau, pont ou un cable

31

(Jonhson et al., 2012, Comparison of Index Velocity measurement…)

Page 32: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesures par drone aquatique Drone radiocommandé équipé d’un ADCP

32

Riverdrone

Page 33: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Système fixe : ADCP horizontale

33

Page 34: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesure en continu du niveau d’eau

Sonde de pression

Capteur ultrason

Désormais avec

transmission automatique

des données par GSM

Dans certaines régions

Il faut tarer chaque

année la rivière pour

Transformer l’info

hauteur en débit

Mesure des débits d’eau en rivière

34

Page 35: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

35

Rating curve: empirical relationship between flow depth and discharge

Rating Curve

Charles River at Waltham, MA

y = 0.171x0.524

R2 = 0.942

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0 20 40 60 80 100 120 140

discharge (m3/s)

flo

w d

ep

th (

m)

Page 36: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Exemple de rivière détarrée

36

Page 37: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Salt dilution method

Anderson & Anderson, 2009 draft

Page 38: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesures plus récentesRadar de surface

38

Page 39: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesures plus récentesParticle Tracking Velocimetry: film de la surface de l’eau pour en déduire la vitesse de surface

E.g.: caméra fixe sur pont, drone stationnaire

https://riverhydraulics.inrae.fr/outils/logiciels/fudaa-lspiv/

TRACTRAC

39

Page 40: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Phénoménologie du transport sédimentaire

http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.htm

40

Page 41: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Caractéristiques du sédiment 1 grain :

Masse volumique ρs , poids spécifique γs =g ρs,

Gravité spécifique G= γs/ γw

Taille du sédiment, facteur de forme de Corey : Co=lc/√(la lb)

Vitesse de chute libre dans l’eau

Population de grains

Caractérisée par la distribution cumulée (obtenue par tamisage

ou granulométre laser) et certains percentiles : D50, D16, D84…

Définition du « Shield’s stress »

*

s w gD

41

Valeur adimensionnelle prenant en compte

le diamétre D du grain

Page 42: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Exemple de courbes granulométriques

http://www2.ulg.ac.be/geolsed/processus/processus.htm42

Page 43: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Seuil de mise en mouvement (critical shear stress)

Courbe de Shields obtenue expérimentalement pour des lits

monodisperses

43

Page 44: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Version plus pratique de la courbe de Shields

44

Page 45: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Influence de la méthode de mesure

(Buffington and Montgomery, Water Resour. Res., 1997, vol 33, N8, pp1993-2029)

Détection visuelle du

mouvement

Estimation du seuil par

prolongement de la loi

de transport

45

Page 46: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Complexité supplémentaire Aspect temporel du seuil

fluctuations de la turbulence (à u* constant): il y’aura toujours une variation locale du champ de vitesse qui permettra éventuellement de déplacer une particule → pas de seuil en vitesse de cisaillement absolu

Hétérogénéité du lit

Le seuil ne dépend pas seulement du D50 mais aussi de la distribution de tailles de grain

Les grosses particules sont entrainées plus facilement que sur un lit monodisperse à cause de leur protrusion et de la résistance réduite au déplacement

C’est l’opposé pour les petites particules qui sont « cachées » par les grosses → notion de « Equal Mobility »

46

Page 47: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mode de transport Contrôlé par le nombre de Rouse

Rapport entre la vitesse de chute d’une particule ws et l’intensité de la turbulence (qui remet les particules en suspension). Cette dernière est caractérisée par u*

*

, 0.4 (Von Karman's constant)swRouse k

ku

Rouse > 2 : transport de fond : roulement + glissement

0.6 < Rouse < 2 : Saltation dominante

Rouse < 0.6-0.8: Suspension dominante

47

Page 48: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

48

Vitesse de sédimentation

des particules

Page 49: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Diagramme de transport Combinaison de la courbe de Shields et du nombre de

Rouse = 1

49

Page 50: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Profil de concentration en sédiment : cas général Equilibre entre :

flux vertical vers le bas de particules lié à la concentration en particules et à la vitesse de chute

Flux vertical vers le haut lié aux fluctuations de vitesses verticales (qui s’apparente à un phénomène de diffusion)

Pour la prédire on suppose que les grains diffusent de la même manière que la turbulence (a une constant de proportionnalité prés β)

( )Z

a

c h D h a

c h D a

Ca : concentration de référence à la hauteur a

D : hauteur d’eau

h : hauteur au dessus du fond

*

swZ

ku Modified Rouse

Number

50

Page 51: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Transport des sédiments en suspension Profils de concentration en fct du nombre de rouse Z

(Vanoni, 1975, Sedimentation Engineering: American Society of Civil Engineers)51

Page 52: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesures en rivière Mesures in situ de la concentration en sédiment en

suspension pour différents débits :

Qs = a Qb avec b variant de 1.5 à 3.

Mesure de la

concentration en

Sédiment en fonction

Du débit avant (clair) et

après le séisme de

Chi-Chi.

A : b= 1.8

B : b= 2.7

Dadson et al.,

Geology, 2004

52

Page 53: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Lois de transport de la charge de fond

Notation :

Flux unitaire de sédiment : qb=flux total Qb/largeur rivière W

Flux unitaire de sédiment adimensionné

32 1

bb

s

q

D g

53

Taille de grain

Page 54: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Charge de fond: les grandes tendances I Lois en contrainte cisaillante de Shields:

Toutes les lois de transport de charge de fond obéissent peu ou prou à la même loi d’échelle :

DuBoys (1879)

Meyer-Peter Müller (1948) : a = 8

Fernandez-Luque and van Beck (1976) : a = 5.7

… les équations différent dans la gamme d’états de transport sur lesquelles elles ont été calibrées

32* *( )b ca

54

Page 55: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Charge de fond : Les grandes tendances II Lois en puissance unitaire (approche Bagnold)

Idée : une fraction de l’énergie dissipée par la rivière est convertie en transport de sédiment

Approche probabiliste (Einstein-Brown)

Etude de la probabilité d’entrainement d’un grain et de sa trajectoire

Intégration au niveau d’une population de grains

s b

gQSq u

W

55

Page 56: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Au final….

Pleins de lois pour des contextes différents

Pas de modèle universel

Modèles généralement définis pour une taille de grain

Premiers modèles pour population de grains hétérogène (Wilcock and Crowe, 2003)

Vanoni et al., 1960

56

Page 57: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Lois de transport total Combine charge de fond et suspension

Modèles basiques : intégration d’un modèle de charge de fond + flux en suspension :

Combinaison du profil de vitesse horizontale avec le profil de concentration, le tout intégré sur la tranche d’eau et sur la largeur du chenal

Lois empiriques

Hengelund and Hansen (1967)

Van Rijn (1984)

2.5

tq

57

Page 58: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesure du flux en suspension

Echantilloneurs

Mécaniques

Automatiques prélévant

par tuyau jusqu’à une centrale

Turbidimètres

Nécessite d’être calibré pour avoir des mesures absolues

En fonction de la granulo et du type de sédiment

Ne mesure pas les particules trop grosses (> 500 µm)

Méthode acoustique basée sur l’intensité rétrodiffusée des particules en suspension

58

Cf cours et TD sur les Matières en Suspension

Page 59: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Ex: canne turbidimétrique

Mesure spatio-temporelle de turbidité dans l’estuaire

de la Gironde

8 heures

2 m

ètr

es

C > 300 g/l

C < 5 g/l

59

Page 60: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Le problème de la charge de fond Mesure possible pour les

petits débits et sable/graviers

Pièges à sédiment

Mesures de vitesse par ADCP (le fond bouge….)

60

Page 61: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Exemples d’échantilloneurs Pour les rivières à gros galets et/ou fort débits

Gros bassins de retention (cher…)

Pas grand-chose…domaine actif de recherche

Méthodes acoustiques passive :

hydrophone : écoute des chocs des galets.

Capteurs d’impact sur le fond : comptage

Traceurs magnétiques

Bruit sismique

61

Page 62: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Transport annuel de galets

62

Page 63: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Mesures par geophone

http://www.wsl.ch/forschung/forschungsproj

ekte/bedload/index_EN63

Page 64: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Capteurs d’impact

64

Page 65: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Bruit sismique des rivières de montagne

65

Page 66: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Compléments

66

Page 67: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Calcul de contrainte cisaillante basale et latérale

Très difficile à prédire analytiquement

Complexité induite par des courants secondaires :

Complexité supplémentaire lorsqu’il y’a une plaine d’inondation

Nécessite de résoudre l’écoulement fluide en 2D ou 3D

→ lourd, mais faisable (enfin pas par le premier programme venu)

67

Page 68: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Méthodes de calcul approximatif Expression empiriques déduite de mesures

expérimentales pour chenaux trapézoidaux

Méthodes géométrique (Kodashenas and Paquier, Journal of Hydraulic Engineering, 1999;

Turowski et al., J. Geophys. Research, 2009)

Méthode semi-géométrique par intégration du profil d’écoulement turbulent (law of the wall)

(Wobus et al., 2006, Geophysical Research Letter)

68

Page 69: Dimitri Lague, Géosciences Rennes, Bat CAREN Processus ...

Ex : méthode géométrique

69(Turowski et al., EPSL 2008)