La Potamologie ou la Science des Rivières

Potamologie 1 Prof. Em. Ir. J.J. Peters | Ingénieur conseil

Hydraulique Fluviale

Notions de base relatives à l’ingénierie fluviale


Hydraulique des canaux découverts • Le régime fluvial des fleuves et rivières alluviales

dépend des caractéristiques de l’écoulement et du transport de sédiment

• Les paramètres hydrauliques clés sont la tension de cisaillement, la vitesse de l’écoulement, la résistance à l’écoulement et la pente hydraulique

• Les théories d’hydraulique ont été développées sur base d’essais de laboratoire sur canaux à fond fixe


La tension de cisaillement, un mythe ? • Est une notion théorique mais complexe dans la

réalité; ne peut être mesurée directement • Son calcul est basé sur des hypothèses très

primitives qui ne prennent pas en compte la structure réelle de l’écoulement

• Une façon de la calculer se base sur en écoulement « en masse » τ0 = gρySf avec

• g = accélération de la gravité • ρ = masse spécifique • y = profondeur d’eau • Sf = pente de frottement


Vitesse d’écoulement • L’écoulement est turbulent dans les chenaux

naturels • Les calculs hydrauliques prennent en compte la

vitesse moyenne dans le temps et l’effet de la turbulence se retrouve dans des coefficients tels que la résistance à l’écoulement ou les de mélange (« diffusivité »)

• Le profil vertical de la vitesse (sur la profondeur) est déterminé par la friction au fond et par la turbulence


Vitesse d’écoulement • La formule théorique utilisée pour décrire le

profil de vitesse sur la verticale est logarithmique ; elle a été établie sur base d’essais en laboratoire en écoulement bidimensionnel

• La forme du profil ne dépend pas seulement de la « rugosité » du fond et d’autres facteurs interviennent tels que la distribution spatiale des écoulements, la turbulence, les courants secondaires (tel que hélicoïdal), etc.


Vitesse d’écoulement • Il existe une relation théorique entre la forme du

profil de vitesse et la tension de cisaillement, un paramètre de base pour les calculs de transport de sédiment

• Selon la loi logarithmique de Prandtl, la pente d’une droite de régression par les points de vitesse portés en fonction des logarithmes de la profondeur donne la vitesse de cisaillement V*


Profil de vitesse et vitesse de cisaillement

y = 0.3201x + 0.2352

y = 0.6015x - 0.0007

y = 0.7784x - 0.3712

y = 0.9846x - 1.102

y = 0.8693x - 0.6271

y = 0.4402x + 0.3821

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

1.70

1.80

1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 2.80 2.90Log H (Elevation above riverbed, in cm

Verticale 1 - Chenal sec.Verticale 2Verticale 3Verticale 4Verticale 5Verticale 6Verticale 1 - Chenal sec. : y = 0.3201x + 0.2352Verticale 2 : y = 0.6015x - 0.0007Verticale 3 : y = 0.7784x - 0.3712Verticale 4 : y = 0.9846x - 1.102Verticale 5 : y = 0.8693x - 0.6271Verticale 6 : y = 0.4402x + 0.3821

Log de la profondeur H en cm


Vitesse et tension de cisaillement • La vitesse de cisaillement peut être obtenue en

multipliant la vitesse de cisaillement au carré avec la masse spécifique τ0 = ρV*

2 • Cette valeur obtenue à partir du profil vertical de

vitesse peut fortement différer de celle obtenue à partir de la pente de la ligne d’eau (elles devraient correspondre dans le cas d’un écoulement parfaitement bidimensionnel)


Résistance à l’écoulement (rugosité) • La résistance à l’écoulement est le résultat d’un

grand nombre de processus de dissipation d’énergie mécanique en chaleur

• Cette dissipation dépend du frottement sur le fond et les parois du cours d’eau, mais aussi d’autres processus internes tel que la turbulence

• La structure de la turbulence dépend de la géométrie du lit fluvial (la « rugosité ») et des formes de fond (dunes et autres)


Couche limite En théorie, il existe une couche limite laminaire, en dessous de l’écoulement turbulent Cependant, cette couche n’existe pas vraiment dans les cours d’eau naturels, certainement pas en présence d’un fond mobile avec transport intense


Pente hydraulique • Dans un cours d’eau naturel, les pentes de surface

et d’énergie varient avec les pertes de charge

• L’observation de ces variations ne sont pas faciles à déceler, encore moins les pentes transversales

• L’observation de pentes locales fournissent cependant des indications fort utiles pour l’analyse du comportement morphologique des cours d’eau


Hydraulique à fond mobile • Les phénomènes de transport solide sont fort

complexes et il n’y a pas de théorie unique, acceptée universellement

• La plupart des théories ont été développées à

partir d’essais en canaux de laboratoire, dans des conditions fortement différentes de ce qu’on rencontre dans les cours d’eau


Les sédiments (charge solide) • Une rivière peut transporter des matériaux aussi

divers que l’argile, le sable, les graviers, des rochers, des branchages et autres débris

• D’une façon générale, la dimension des particules décroit vers l’aval, mais tout dépend des sources de sédiment en cours de route

• Les sédiments les plus fins comme l’argile sont cohésifs, ce qui influence leur comportement


Mécanismes de transport solide Pour la charge solide, on fait une distinction en fonction de l’origine : •Charge de fond ou du lit fluvial = tous les solides qui composent le lit •Charge de lavage = les particules provenant du lessivage des terres et entrainées en suspension sans rejoindre le fond, ou rarement ; on le prend comme un paramètre de l’eau


Mécanismes de transport solide Pour la transport solide, on fait une distinction en fonction du mode de transport : •Charriage = mouvement en contact avec le lit •Suspension = mouvement dans la colonne d’eau • Saltation = sauts de particules qui partent en suspension bien que trop lourdes pour être de la suspension


Mécanismes de transport solide Norme IS0 3716, 1977 : Mesure de débit des liquides dans les canaux découverts -- Spécifications de fonctionnement et caractéristiques des appareils d'échantillonnage pour la détermination des charges sédimentaires en suspension

Charge totale (origine) Charge totale

(transport)

Charge de lavage en suspension

Suspension

Charriage Sur le fond

Charge de fond

En suspension


Critique des théories de transport solide • Des observations et mesures de terrain on

démontré la difficulté de faire une distinction entre charriage et suspension

• Peu de théories et de modèles traitent de transport solide avec une granulométrie étendue

• Nous avons proposé un nouveau paradigme : la

charge morphologique, toutes les particules qui participent aux changements morphologiques


Théories de transport solide Modèle traditionnel (Loi de Rouse)


Mécanismes de transport solide

Mesures dans la Rivière Jamuna (Brahmapoutra), Bangladesh (1995) Le détail près du fond montre une décroissance progressive de la taille des sédiments du fond vers la surface, malgré une variation apparamment erratique du taux de transport de sédiment (figure ci-dessus) ; Observations similaires dans la Loire

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

0 100 200 300 400 500

Sediment particle size (µm)

Elev

atio

n ab

ove

bed

(cm

)D35D50D65

0100200300400500

600700800900

1000

0 100 200 300 400 500

Sediment particle size (µm)

Elev

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n ab

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bed

(cm

)

D35D50D65

0100

200300

400500

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700800

9001000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Sand transport rate (m3/m.day)

Elev

atio

n ab

ove

bed

(cm

)


Résistance à l’écoulement – fond mobile • Les théories ont été développées en laboratoire

(Fort Collins, années 1960), montrant des changements de type de formes de fond pendant les crues

• Les observations et mesures in situ ont révélé d’autres formes inconnues (Fleuve Congo, 1969)

• Il y a une adaptation continuelle des formes de fond non seulement à l’écoulement mais aussi au taux de transport solide (différent de la capacité de transport solide)


Résistance à l’écoulement – fond mobile Classification théorique (Fort Collins, années 1960)


Résistance à l’écoulement – fond mobile Evolution de la résistance à l’écoulement: -Augmentation de n (Manning) dans le régime inférieur -Diminution de n dans la transition -Augmentation de n à la fin du régime supérieur


Résistance à l’écoulement – fond mobile Les nouvelles technologies permettent d’observer les lits fluviaux avec grande précision spatiale : Sondeurs multifaisceaux LIDAR ou mesure du relief par laser aéroporté

pour la topographie émergée SHOALS sorte de LIDAR mais permettant

aussi la mesure sous eaux lorsque la visibilité est suffisante (donc bathymétrie et topographie simultanée)


Résistance à l’écoulement – fond mobile Mesures dans l’estuaire de l’Escaut

Car

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Conclusions générales • L’ingénieur est confronté à des problèmes de plus

en plus complexes dans le domaine de la gestion morphologique des cours d’eau

• Il faut de nouvelles approches et les modèles numériques seuls ne peuvent donner les réponses

• Les technologies nouvelles permettent d’acquérir des données exceptionnellement détaillées pour la topo-bathymétrie et les écoulements

• On manque malheureusement cela pour le transport solide


Conclusions générales • Les modèles réduits, fort longtemps négligés au

profit du numérique, ont un rôle à jouer et sont complémentaires aux modèles numériques

• L’expertise a été encore plus négligée dans un monde où l’ingénieur ne connaît souvent pas le terrain ; l’analyse de documents de cartes, de rapports et livres (Dion, Babonnaux) est importante, de même que l’expérience des locaux

• Les étudiants doivent être motivés pour aller au terrain

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