Le transport solide en rivière : lacunes de connaissance ... · PDF filesommaire - page...

Mémoire de recherche présenté à l'Institut National Polytechnique de Grenoble

pour obtenir le Diplôme d'habilitation à diriger des recherches

Le transport solide en rivière : lacunes de connaissance et besoins

méthodologiques par

Philippe Belleudy

soutenu le 14 novembre 2001

devant le jury composé de : Jean-Pierre CHOLLET rapporteur

Mathieu MORY rapporteur

Yves ZECH rapporteur

Lucien MASBERNAT examinateur

Michel VAUCLIN examinateur

Jean CUNGE invité

sommaire - page I

Le transport solide en rivière : lacunes de connaissance et besoins méthodologiques novembre 2001 Philippe Belleudy

Sommaire

Dossier administratif ....................................................................................................5 Curriculum vitae ................................................................................................................................... 5

Activité en matière d'enseignement ..................................................................................................... 6

Activité en matière de recherche.......................................................................................................... 8

Activité en matière d'administration et d'autres responsabilités collectives ....................................... 10

Liste des publications......................................................................................................................... 12

Liste des études ................................................................................................................................. 16

Le transport solide en rivière : lacunes de connaissance et besoins méthodologiques .......................................................................................................21 1 Une expérience en recherche et développement................................................21

1.1 Développement d'outils numériques ......................................................................................... 21

1.2 Etudes d'ingénierie .................................................................................................................... 22

1.3 Le transport solide en rivière : développement et études.......................................................... 24

2 Le transport solide en rivière : les lacunes et les besoins méthodologiques .......27 2.1 Les enseignements des études réalisées ................................................................................. 27

2.2 Les lacunes de la communauté scientifique.............................................................................. 31

3 Ma recherche récente et en cours.......................................................................33 3.1 La modélisation est-elle illusoire ?............................................................................................. 33

3.2 Interactions entre les écoulements, les transports solides et la végétation dans le lit des cours d'eau................................................................................................................................ 34

4 Perspectives et projets ........................................................................................39 4.1 Engagement modéré dans les grandes échelles (détail) .......................................................... 39

4.2 Désengagement relatif des outils numériques .......................................................................... 39

4.3 Méthodes de validation : données et mesures.......................................................................... 39

4.4 Section en travers, morphologie fluviale et stabilité morphologique du lit ................................. 40

4.5 Transport solide et hydrologie ................................................................................................... 40

4.6 Qualité des eaux........................................................................................................................ 41

4.7 L'hydraulique des rivières dans une école d'ingénieurs hydrauliciens ...................................... 41

Annexes ....................................................................................................................43 Annexe 1 : Le calcul de la convection dans le logiciel CONDOR ...................................................... 44

Annexe 2 : Charriage et suspension .................................................................................................. 47

Annexe 3 : L’étude Danube/Isar......................................................................................................... 50

Annexe 4 : Restauration du lit et des bras secondaires de la Loire ................................................... 51

Annexe 5 : Filaire, ramifié, maillé, bidimensionnel, …........................................................................ 53

page II - sommaire


Annexe 6 : Directions caractéristiques et pondération ....................................................................... 54

Annexe 7 : La simulation des grandes durées ................................................................................... 56

Annexe 8 : Modélisation du transport solide de matériaux hétérogènes............................................ 58

Annexe 9 : Le rodage d’un modèle de transport solide ...................................................................... 62

Annexe 10 : Le transport solide : un sujet multiculturel ...................................................................... 64

Annexe 11 : La végétation sur l’île de Brignoud ................................................................................. 67

Annexe 12 : Le bilan sédimentaire ..................................................................................................... 68

Annexe 13 : Les échelles de temps du transport solide..................................................................... 70

Références ............................................................................................................... 71 Choix de publications................................................................................................ 75

page III


Avant propos

Ce mémoire formalise un projet d'habilitation un peu particulier. Je tente ici de faire le lien entre une carrière professionnelle en bureau d'étude et des projets universitaires.

Ces projets sont avant tout un objectif personnel de démarrer quelque chose de nouveau (à l'âge où l'on hésite habituellement entre la routine ou le cynisme). Mais aussi, alors que l'évolution habituelle d'une carrière d'ingénieur est plutôt vers des tâches administratives et commerciales, avec la volonté de conserver à mon activité un caractère technique prononcé.

Le Jury, le lecteur, pourra parfois s'étonner d'un éparpillement dans l'ensemble des sujets abordés. Cet éparpillement a comme conséquence une certaine superficialité que je reconnais. Pour ma défense, je dirai que mes activités ordinaires ne m'ont laissé que peu de répit pour l'approfondissement des sujets abordés. Dans ce mémoire, cette superficialité se traduit par des citations et des références très incomplètes : il s'agit plutôt de citer des exemples et de situer l'origine de la culture que j'ai acquise. Elle se retrouve aussi dans une liste de publications qui contient plus de documents promotionnels que de réelles contributions scientifiques.

Je reconnais que ces lacunes ne seraient pas acceptables de la part d'un chercheur qui a suivi la filière habituelle. J'apporte à titre de compensation mon expérience d'utilisateur de la recherche et de praticien des questions auxquelles cette recherche appliquée cherche une réponse. J'assume ces différences sans "complexe d'infériorité"; je tiens seulement ici à en faire l'avertissement au lecteur. En sollicitant de sa part l'acceptation de cette "diversité biologique" que nous gagnerons tous à préserver.

C'est donc bien une HDR comme les autres, où l'on demande au candidat de montrer la cohérence de sa recherche passée, de présenter des perspectives, et de prouver sa capacité à conduire ces projets et en particulier de guider le travail des étudiants dans cette recherche.

Ce dossier comporte une part importante d'annexes. Ces annexes n'ont pas une prétention scientifique très élevée. Elles sont ici pour illustrer le texte de synthèse en évitant de l'alourdir par des parenthèses trop nombreuses. Je suis aussi conscient que ce mémoire sera lu par des personnes dont les centres d'intérêt scientifique sont parfois éloignés du mien : elles serviront alors je l'espère de repères. Je les ai enfin rédigées pour tenter l'exercice de la vulgarisation.

Ces annexes ont été conçues pour être encartées dans texte de synthèse lui-même (pages paires). Elles apparaissent finalement dans une partie distincte du mémoire. C'est moins joli…, mais ce compromis me permet de terminer ce document dans les délais que je m'étais accordé. Il illustre certainement les "mauvaises manières" que j'ai acquises au cours de ma carrière d'ingénieur.

Une dernière mise en garde au lecteur : Comme souligné par l'annexe 10, j'aborde ici un sujet pluridisciplinaire avec ma culture d'ingénieur, donc un parti pris dans les approches et dans le vocabulaire que le lecteur voudra bien pardonner.

dossier administratif - page 5


Dossier administratif

Curriculum vitae

Fonctions actuelles Mon activité actuelle, depuis septembre 1997, se partage en deux mi-temps :

Ingénieur dans un bureau d'étude d'ingénierie Ingénieur, chef de projets dans la Branche Conseil du bureau SOGREAH (Société Grenobloise d'Etudes et d'Applications Hydrauliques). Mon activité touche de nombreux domaines de l'hydraulique fluviale et de l'hydrologie urbaine, en particulier le développement de méthodes et d'outils de simulation numérique utilisés pour les études.

Enseignant-chercheur Professeur Associé (PAST) à l'Institut National Polytechnique de Grenoble.

J'interviens dans le département Génie de l'Environnement de l'Ecole Nationale Supérieure d'Hydraulique et de Mécanique, plus particulièrement dans les enseignements "professionnalisants" de deuxième et troisième année de la formation des ingénieurs.

J'ai tenu aussi à m'intégrer à un laboratoire de recherche associé à l'INPG, le Laboratoire d’étude des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE), où je développe une activité de recherche en hydraulique fluviale (propagation des écoulements de crue et transports sédimentaires).

Fonctions professionnelles antérieures 06/98 Mutation à SOGREAH, Branche Conseil, suite à la cessation d'activité de la filiale

LHF. 01/90 ! 05/98 Ingénieur, chef de Projets au Laboratoire d'Hydraulique de France (LHF) 07/89 ! 01/90 Assistant de recherche (Stage Post-Doc)

Iowa Institute of Hydraulic Research, the University of Iowa, USA 05/87 ! 07/89 Ingénieur au Laboratoire d'Hydraulique de France (filiale SOGREAH/INPG) 09/81 ! 04/87 Ingénieur au Service Scientifique d'Applications de SOGREAH 10/78 ! 08/81 Doctorant à l'Institut de Mécanique de Grenoble (Groupe Hydrologie)

Allocataire de Recherche CNRS Attaché d'enseignement à l'INPG (ENS d'Hydraulique) et à l'Université Scientifique et Médicale de Grenoble (IUT Génie Civil, MST Géotechnique).

Formation et diplômes 1981 Docteur-Ingénieur de l'Institut National Polytechnique et de l'Université Scientifique et

Médicale de Grenoble. Thèse soutenue le 28 septembre 1981 : "Caractérisation des coefficients de transfert de chaleur et de masse d'un mortier de béton"

1979 Diplôme d'Etudes Approfondies de Mécanique des fluides (Institut National Polytechnique et Université Scientifique et Médicale de Grenoble)

1977 Ingénieur de l'Ecole Nationale Supérieure d'Hydraulique de Grenoble Institut National Polytechnique de Grenoble Option "Aménagement du Territoire"

dossier administratif


Activité en matière d'enseignement

Un contenu détaillé des cours, incluant des documents de travail échangés avec les étudiants (copie des transparents, exercices et sujets d'examens) est disponible sur : http://www.lthe.hmg.inpg.fr/~belleudy/enseignement.htm

Professeur Associé (PAST) à l'Ecole Nationale Supérieure d'Hydraulique et de Mécanique de Grenoble (ENSHMG). J'interviens aussi de façon plus ponctuelle dans d'autres formations : Chargé de Cours à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Intervenant en formation continue : - au CAST (INSA de Lyon), - dans différents centres de formation permanente du Ministère de l'Equipement et des

Transports : Ecole Nationale des Techniciens de l'Equipement (ENTE, Aix en Provence), Centre d'Etudes Techniques Maritimes et Fluviales, Cellule Formation (CETMEF).

- dans les actions de formation organisées par SOGREAH en interne ou pour ses clients.

Ecoulements non-permanents à surface libre, hydraulique des rivières Depuis 1994 à l'ENSHMG. Je partage ce cours avec un autre enseignant de l'ENSHMG. Dans ma partie (12 heures), je présente les méthodes de modélisation dans les études d'hydraulique fluviale. L'objectif de ce cours de 3ème année est de faire le lien entre les notions fondamentales acquises au cours de la formation d'ingénieur (mécanique des fluides, hydrologie, analyse numérique) et les pratiques en bureau d'étude. A un autre niveau et avec des objectifs différents, ces différentes notions sont aussi abordées dans des interventions de formation continue:

- depuis 2001, module hydraulique de base (10 heures) dans le cadre de la formation continue "Hydraulique des écoulements en rivière - hydrométrie" de l'INPG. Deux sessions annuelles à l'attention des ingénieurs et techniciens d'EDF et du ministère de l'Environnement.

- en décembre 1999, une intervention (7 heures) dans un cycle de formation permanente des techniciens de l'Equipement (ENTE).

- en septembre 2001, une intervention (3 heures) dans le cadre d'une formation des techniciens et commerciaux de la société Bühler-Montec (participation SOGREAH).

Transport solide en rivière Depuis 1997 à l'ENSHMG. Ce cours de 3ème année (20 heures) présente les notions fondamentales du transport sédimentaire en rivière (production des matériaux, modes de transport, capacité de transport, profil d'équilibre, granulométrie, etc.). Il esquisse ensuite les liens avec la morphologie fluviale et présente les méthodes de diagnostic et d'études des impacts sédimentologiques des aménagements. Ce cours comprend aussi une séance de travaux pratiques, une visite de sites, et des études de cas à partir de différentes études auxquelles j'ai participé.

Bureau d'Etude et Ateliers de l'Ingénierie Depuis 1997 à l'ENSHMG (2ème année). J'assure pour un volume total de 32 heures un bureau d'étude hydraulique. Je participe depuis l'année 1999-00 aux "Ateliers de l'Ingénierie" où les étudiants réalisent une étude pluridisciplinaire sur 3 mois.



J'ai participé également en 2000 à l'animation d'un atelier de modélisation numérique organisé par l'Université Technique de Cottbus en Allemagne et qui réunit des étudiants de 5 universités européennes pour la réalisation commune d'une étude hydraulique [ http://www.bauinf.tu-cottbus.de/EGW/2000/CE/Welcome.html ] Enfin j'interviens dans les formations de chef de projet organisées par le CETMEF pour les ingénieurs de l'équipement où je présente le point de vue et les méthodes des bureaux d'études dans les procédures d'appel d'offre.

Etudes d'impact et des risques J'ai assumé en 1999 la responsabilité de l'organisation d'un sous-module d'un cycle postgrade en aménagements hydrauliques de l'EPFL [http://lchpc10.epfl.ch/postgrade/index.html ]. Ce sous-module "Etudes d'impact et des risques" aborde les méthodes, la législation des études d'impact, les aspects particuliers de l'hydrologie et de l'annonce pour les phénomènes extrêmes, les aspects socio-économiques liés aux risques naturels et enfin la gestion des crises. J'assure personnellement l'exposé des méthodes. Je participe aussi à l'animation de deux ateliers (cartographie du risque et analyse de cas). Ma participation totale est de 10 heures (hors organisation du sous-module). Une brève introduction à ce thème (2 heures) est faite dans les enseignements de deuxième année de l'ENSHMG.

Modélisation en hydraulique fluviale et en hydrologie urbaine J'interviens aussi dans des sessions de formation dans le cadre de mon activité d'ingénieur. Ces sessions sont organisées à l'occasion de la vente de logiciels de simulation, ou encore en complément de certaines études. Hydrologie urbaine : deux sessions annuelles avec le CAST (INSA Lyon). En 2001 à l'ETSHER/EIER (Ouagadougou) et à SOGREAH. Hydraulique fluviale et transport sédimentaire : nombreux bureaux d'études en France, BAW Karlsruhe, RMD Munich, ENEL Milan, Universités (ISIM, UdB Munich, VU Bruxelles, Rabat), Rwanda.

Encadrement de stagiaires Et bien entendu, je participe de façon régulière (et militante) à l'encadrement de stagiaires dans le cadre de mon activité à SOGREAH depuis 20 ans.



Activité en matière de recherche

DEA et Thèse Dans le groupe hydrologie de l'Institut de Mécanique de Grenoble (IMG) sous la codirection de Georges Vachaud et Jean-François Daian. Thèse de Docteur-Ingénieur soutenue le 28 septembre 1981. - Caractérisation des coefficients de transfert de chaleur et de masse d'un mortier de béton et d'un sol", INPG et USTMG.

Direction et codirection de thèses - Direction en cours (depuis sept.99)- Catherine Allain, LTHE - "Végétation, transport

sédimentaire et propagation dans le lit des rivières", INPG.

- codirection en cours (depuis sept.00)- Cyril Mazauric, Laboratoire de Modélisation et Calcul, Direction F-X Le Dimet - "Contrôle optimal du couplage de deux modèles hydrauliques", U. Joseph Fourier, Grenoble.

- 1989 - Yang Guo Lu, codirection sous la responsabilité d'André Temperville (Institut de Mécanique de Grenoble, IMG) - "Distribution verticale du transport sédimentaire en suspension", INPG.

- 1986 - Budi Wignyosukarto, codirection sous la responsabilité d'André Temperville (IMG) - "Optimisation d'un réseau d'irrigation pour l'évacuation des produits de lessivage des sols"., INPG.

Encadrement de DEA/DRT - 2001 - Benjamin Graff - "Débit de début d'entraînement des matériaux en rivière : mise en

place d'une méthode d'évaluation in-situ", DEA MMGE, Grenoble.

- En cours, DRT (année 2000-01) - Régis Walther - "Modélisation du transport sédimentaire en estuaire", INPG.

- 1999 - Catherine Allain, direction - "Végétation dans le lit des rivières", DEA MMGE, Grenoble.

- 1998 - Philippe Viénot, codirection sous la responsabilité de T.D.Nguyen (LTHE) - "Modélisation bidimensionnelle des écoulements dans le lit des rivières", DEA MMGE, Grenoble.

- 1991 - Adel Abou Jaoudé, codirection sous la responsabilité de Michel Vauclin (LTHE) - "Erosion et infiltration dans un sillon", INPG.

- 1986 - Yang Guo Lu, codirection sous la responsabilité d'André Temperville (IMG) - "Transport sédimentaire en suspension", INPG.

- 1984 - Budi Wignyosukarto, codirection sous la responsabilité de Jean-Michel Piau (IMG) - "Méthodes de calcul de translation d'ondes utilisées pour la régulation des canaux d'irrigation", INPG

Stage Post-doc De juillet à décembre 1989 à l'Iowa Institute of Hydraulic Research - The University of Iowa, Iowa-City, Iowa, USA. Dans l'équipe du Pr. Forest M. Holly Jr.

Belleudy, Ph., Holly, F.M. and Einhellig, R. - 1990 - "Selected techniques for application of mobile-bed simulation to realistic prototype situations" - IIHR report N°176, University of Iowa



Nombre de publications de recherche Revues internationales à comité de lecture (rang A).............................7 publiées + 2 acceptées Collaboration à un ouvrage collectif.............................................................................................1 Autres revues...............................................................................................................................8 Colloques avec actes.................................................................................................................23 Rapports publiés..........................................................................................................................1 Vidéos..........................................................................................................................................3

Et bien sûr les nombreux rapports d'études ou les documentations des logiciels.

Jurys de thèses Examinateur du jury de thèse des travaux dont j'assurais le codirection essentiellement. Participations récentes : Frank Vautier (UJF, Géographie 01/2000, direction J-L. Peiry), Djamal Abderrahim (UC Louvain, Génie Civil 12/2000, direction Y. Zech).



Activité en matière d'administration et d'autres responsabilités collectives

En milieu universitaire Elles sont heureusement limitées parce que je préfère me consacrer actuellement en priorité aux activités de recherche et d'enseignement.

Animateur du groupe Transport Solide de la Société Hydrotechnique de France - J'ai organisé dans ce cadre un séminaire (Lyon, 9 novembre 2000) qui a regroupé les

différentes spécialités et les différents acteurs concernés par la relation entre le transport sédimentaire et la végétation dans le lit des rivières [http://lthent1.hmg.inpg.fr/~belleudy/recher~1/semina~1.htm ] 83 personnes ont participé à ce séminaire (35 chercheurs et étudiants, 25 représentants d'administrations ou d'organismes gestionnaires, 21 représentants de bureaux d'études).

- Participation au comité de pilotage du colloque SHF: "La gestion des sédiments : de la source à la mer", Lyon, 28-29 mars 2001 [http://www.shf.asso.fr/manif/sediments/gestion_des_sediments.htm]

Organisation du sous-module impact des aménagements du cycle post-grade Aménagements hydrauliques de l'EPFL

Mon implication dans ce cycle représente effectivement la participation de l'INPG aux côtés de l'E.P.F. Lausanne, l'E.P.F Zurich, la Technische Universität München, la Universität Innsbruck et l'Université de Liège [http://lchwww.epfl.ch/lch/enseignement/postgrade]. Je suis membre du Conseil Pédagogique du cycle postgrade.

Participation au comité de scientifique de prochaines manifestations - 3rd Int. Conf. on Water Resources and Environment Research (ICWRER), Water Quantity &

Quality Aspects in Modelling and Management of Ecosystems, 22-26 juillet 2002, Dresde, Allemagne [ http://www.tu-dresden.de/fghhihm/1st-Announc-2.htm ]

- River Flow 2002, International Conference on Fluvial Hydraulics, 4-6 septembre 2002, Louvain-la-Neuve, Belgique [http://www.gc.ucl.ac.be/riverflow/home.html]

Coordinateur du projet "Fixation de la végétation dans le lit des cours d'eau" Dans le cadre du programme Risque InOndation du Ministère de l'Aménagement du Territoire et de l'Environnement (RIO1, 1998-2001), budget 285kF TTC [http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/recher/program/rio.html]

Ingénieur

Responsable de projets, j'ai la responsabilité de budgets importants (souvent supérieurs à 500 kF).Ces projets impliquent parfois plusieurs entreprises sous-traitantes. Une liste des principaux projets auxquels j'ai participé directement est jointe à la fin de ce dossier administratif.

Responsable de l'organisation de la production au LHF en 94 et 95, ma charge était d'établir les plannings des 15 ingénieurs pour satisfaire les objectifs de production et les délais



contractuels, tout en faisant coïncider les exigences méthodologiques et les compétences de chacun.

Responsable de l'Assurance qualité au LHF entre 95 et 98. Chargé de la mise au point des documents AQ de l'entreprise et de l'orientation et de l'animation de la démarche d'assurance qualité dans les projets.



Liste des publications (Hors rapports d'études)

La flèche signale les publications jointes à la fin de ce mémoire.

Revues internationales à comité de lecture 1. 1989 Rahuel, J.L. ,

Holly, F.M., Chollet, J.P., Belleudy, Ph., Yang, G.L.

"Modelling of river bed evolution for bedload sediment mixtures"

Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Novembre 1989, Vol. 115, pp. 1521-1542

2. 1991 Yang, G., Temperville, A., Belleudy, Ph.,

"A higher order Eulerian scheme for coupled advection-diffusion transport"

Int. J. for Numerical Methods in Fluid, Vol. 12(1), pp. 43-58

3. 1991 Abou Jaoudé, A., Vauclin, M., Belleudy, Ph.

"A numerical study of infiltration through crusted soils : flat and other surface configurations"

Soil Technology, Cremlingen 1991, vol. 4, pp. 1-18

4. 1994 Belleudy, Ph. Darlet, L., Sauvaget, P.

"A New Modeller/Client/Decision-maker Interface: Video-animation - Une Nouvelle Interface Modélisateur/ Client/Décideur : l'Animation Vidéo"

Journal of Hydraulic Research;, IAHR, Vol. 32 extra issue "Hydroinformatics", pp. 153-160

5. 2000 Belleudy, Ph. "Modelling of deposition of sediment mixtures, part 1: analysis of a flume experiment"

Journal of Hydraulic Research;, IAHR, Vol. 38, n°6, pp.417-425

6. 2000 Belleudy, Ph. "Restoring flow capacity in the Loire River bed"

Hydrological Processes. vol 14, pp.2331-2344

7. 2001 Belleudy, Ph. "Modelling of deposition of sediment mixtures, part 2: a sensitivity analysis"

Journal of Hydraulic Research;, IAHR, Vol. 39, n°1, pp.25-31

8. 2001 F. Molkenthin, P. Belleudy, K.-P. Holz, J. Jozsa, R. Price, P. van der Veer

"HydroWeb: ’WWW based Collaborative Engineering in Hydroscience’ a European Education Experiment in the Internet"

Accepté pour publication - Journal of Hydroinformatics

9. 2001 Cornet, J-M, Belleudy, Ph., Gautheron, A., Gazul, L, Montgaillard, Marc, Rouas, G

"La cartographie des zones inondables avec OPTHYCA "

Accepté pour publication - Revue Internationale de Géomatique

Thèse 10. 1981 Belleudy, Ph. "Caractérisation des coefficients de

transfert de chaleur et de masse d'un mortier de béton et d'un sol"

Thèse de Docteur-Ingénieur, Institut National Polytechnique et Université Scientifique et Médicale de Grenoble, France, septembre 1981

Ouvrage 11. 1999 Couvert, B.,

Lefort, Ph, Peiry, J.L., Belleudy, Ph.

"La gestion des rivières - Transport solide et atterrissements - Guide méthodologique"

Les études des Agences de l'Eau, n°65. ISSN 1161-0425



Journaux 12. 1981 Belleudy, Ph.,

Hamburger, J., Mercier, J.L.

"Mesures thermiques transitoires des paramètres thermocinétiques et de la teneur en eau"

Recherche Géographique à Strasbourg, France, N° spécial 14, June 1981

13. 1986 Cunge, J.A., Rahuel, J.L., Belleudy, Ph.

"Mathematical modelling software for river management: CARIMA and CONDOR systems"

Adv. Eng. Software, 1986, vol. 8 N° 1

14. 1988 G. Yang, Belleudy, Ph

"Numerical scheme for Advection-Reaction Equation"

Chinese Journal of Sediment Research, 1988-6, pp 62-71

15. 1989 Belleudy, Ph., Rahuel, J.L.

"La simulation numérique des phénomènes de tri granulométrique"

La Houille Blanche, n° 3/4, 1989, pp. 268-272

16. 1989 G. Yang, Belleudy, Ph.

"A New Numerical Scheme for Scalar Transport"

Chinese Journal of Sediment Research, 1989-3, pp. 34-43

17. 1994 Belleudy, Ph., Schüttrumpf, H

"Modélisation de l'évolution morphologique du Danube et de l'Isar"

La Houille Blanche, n° 4/94 - Le fonds des rivières et du littoral, pp. 72-77

18. 1994 Ben Slama, E., Peron, S., Belleudy, Ph., Rouas, G.

"TSAR : un modèle mono dimensionnel de simulation des évolutions des fonds alluvionnaires de rivières"

La Houille Blanche n° 4/94 - Le fonds des rivières et du littoral, pp.87-95

19. 1999 Belleudy, Ph. "Le réseau hydrographique : propagation, entraînement, transfert/transport"

La Houille Blanche, n° 7-8/99 - Crues : de la normale à l'extrême, PP.66-72

Communications à des congrès, colloques 20. 1980 Belleudy, Ph.,

Hamburger, J. "Une méthode de mesure simultanée de la diffusivité de la conductivité thermique"

7th International IAHR Symposium - Toulouse, France, 1980

21. 1984 Wignyosukarto, B., Belleudy, Ph., Delclaux, F.

"Discharge releases in a reach of the Canal de Provence – Comparative study of real life observations and mathematical modelling results"

International Conference in Hydraulic Engineering Software (HYDROSOFT) - Portoroz Yougoslavie, septembre 1984

22. 1985 Belleudy, Ph., Sauvaget, P.

"A New System for Modelling Pollutant Transport in River and Canal Networks"

Proceedings 21ST AIRH Congress, Melbourne (Australia), 19-23 August 1985, theme B: "Fundamentals and computation of 2-D & 3-D flows; transport and mixing in rivers and reservoirs", vol. 2, pp 293-298

23. 1986 Belleudy, Ph., Wignyosukarto, B.

"Mathematical modelling of pollutant transport in water conveyance systems for agriculture"

Intern. Symposium on Water Management for Agricultural Development, Athènes, Grèce, avril 1986

24. 1987 Belleudy, Ph., Rahuel, J.L. , Yang, G.L.

"CARICHAR - Mobile bed modelling of graded sediments in unsteady flow"

20th AIRH Congress, Lausanne, September 1987, Proceedings of Technical Session B, Topics in Hydraulic Modelling, pp. 138-143

25. 1987 Belleudy, Ph., Yang, G.L.

"CARICHAR - Mobile bed modelling with graded sediments"

National Conf. on Hydraulic Engineering (ASCE Hydraulics Div.), Williamsburg, Virginia, USA, août 1987

26. 1988 Belleudy, Ph., Rahuel, J.L.

"La simulation numérique des phénomènes de tri granulométrique"

Colloque de la Société Hydrotechnique de France - "Transport des sédiments : Progrès et perspectives récentes : les modèles numériques" - Paris, novembre 1998



27. 1988 Belleudy, Ph., Erlich, M., Sauvaget, P.

"Sharing of simulation tools and transfer of technology"

1st Intern. Conf. in Africa on Computer Methods and Water Resources, Rabat, Morocco, March 1988 - Proceedings by Springer Verlag, vol.4, pp. 259-266

28. 1990 Belleudy, Ph., Cunge, J.A.

"La vidéo de simulations numériques : un outil de communication, d'aide à la compréhension et à la décision pour la gestion de l'eau"

Colloque Européen "La Gestion de l'Eau", Paris La Villette, December 1990, pp. 682-686

29. 1991 Belleudy, Ph. "Modelling Danube and Isar Rivers" Int. Grain Sorting seminar – ETH Zürich, Ascona, Switzerland, 21-26 october 1991

30. 1991 Sauvaget P , Belleudy, Ph.

"Modélisation numérique des écoulements stratifiés en estuaires et réservoirs "

XXIV AIRH Congress, Madrid, Spain, 3-13 September 1991, thème C: "Modèles raffinés d'écoulement", pp. C 447-C 456


"Video-animation of hydraulic simulation results"

XXIV IAHR Congress, Madrid, Spain, 3-13 September 1991, theme C: "Refined Flow Modelling", pp. C-587-C 596

32. 1992 Belleudy, Ph. "Modeling Danube and Isar Rivers morphological evolution (2nd part) : Comparison of field data with modeling results"

Proc. of the 5th International Symposium of River Sedimentation, Karlsruhe, Germany, 6-10 April 1992, Vol III, pp. 1208-1216.

33. 1992 Loy, G., Belleudy, Ph., Kellermann, J., Söhngen, B.

"Modeling Danube and Isar Rivers morphological evolution (3rd part) : Range of Uncertainty caused by Scattered Field Data with special Respect to Grain Sorting"

Proc. of the 5th International Symposium of River Sedimentation, Karlsruhe, Germany, 6-10 April 1992, pp. 1217-1227


"Modélisation de l'évolution morphologique du Danube et de l'Isar"

Colloque de la Société Hydrotechnique de France - "Le fond des rivières et du littoral" - Paris novembre 1993



Colloque de la Société Hydrotechnique de France - "Le fond des rivières et du littoral" - Paris novembre 1993



28e Congrès de l'AICPN, Séville, Espagne, 23-27 Mai 1994

37. 1994 Belleudy, Ph. "Last 10 Years' LHF Experience in Developing River Sediment Simulation Software"

International Symposium on East-West, North-South Encounter on the State-of-Art in River Engineering Methods and Design Philosophies, St-Petersburg, Russia, 16-20 May 1994


Modeling Morphological Impact of a Flood Control Dam"

Proc. of the 2nd International Conference on River Flood Hydraulics, Chapter 11 "Morphology", pp. 527-536, York, United Kingdom, 22-25 March 1994

39. 1994 Darlet, L., Sauvaget, P., Belleudy, Ph.

"A New Modeller/Client/Decision-maker Interface: Video-animation - Une Nouvelle Interface Modélisateur/ Client/Décideur : l'Animation Vidéo"

NATO ARW Workshop on Hydroinformatics, Castle de Vanenburg, Putten, the Netherlands, 11-13 April 1994



40. 1999 Belleudy, Ph. "Le réseau hydrographique : propagation, entraînement, transfert/transport"

Colloque de la Société Hydrotechnique de France - "Crues de la normale à l'extrême" - Lyon 10-11 mars 1999

41. 2001 Belleudy, Ph., Allain, C,

"Fixation de la végétation dans le lit des cours d'eau "

Actes du séminaire Risques Inondation, RIO 1, Ministère de l'Environnement et de l'Aménagement du territoire Octobre 2001, pp.35-40

42. 2001 Belleudy, Ph., Lefort, Ph.

"La continuité sédimentaire et sa rupture"

Colloque de la Société Hydrotechnique de France - "La gestion du transport solide : de la source à la mer " - Lyon 28-29 mars 2001

Rapports 43. 1990 Belleudy, Ph.,

Holly, F.M., Einhellig, R

"Selected techniques for application of mobile-bed simulation to realistic prototype situations"

IIHR report N°176, University of Iowa

Vidéos 44. 1990 Belleudy, Ph., "Perlette - Les simulations numériques

des polluants des eaux continentales" video 11 mn - LHF


"Video-animation of hydraulic simulation results"

video 9 mn, XXIV IAHR Congress, Madrid, Spain, 3-13 September 1991

46. 1992 Belleudy, Ph., "100 years of Danube Morphology with SEDICOUP"

video 6 mn, 5th International Symposium on River Sedimentation, Karlsruhe, Germany, 6-10 April 1992



Liste des études Liste non exhaustive de principales études auxquelles j'ai participé dans mon activité d'ingénieur.

RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT

Développements de systèmes logiciels (simulation numérique) Chargé depuis 1981 du développement des logiciels de modélisation de type "réseaux maillés" à SOGREAH

♦ Ecoulements en canaux et rivières depuis 1981 système CARIMA logiciels associés: CONDOR (qualité des eaux) CASCADE (régulation) CARIMAP (pré- traitement) OPTHYCA (cartographie)

1988-89 STEFLO - Développement d'un système de modélisation des écoulements permanents dans les rivières et canaux, avec transition de régime hydraulique et prise en compte des ouvrages. client : ENEL, Italie.

♦ Qualité des eaux 1992-93 CARPOL Transport de polluants dans les réseaux d'assainissement.

1981-83 CONDOR Développement d'un code de calcul du transport de polluants dans les réseaux de canaux et rivières.

♦ Transport sédimentaire 1994-95 SEDICOUP - Extension aux topologies maillées. client : BAW (Allemagne)

1992-93 SEDICOUP - Développements complémentaires. Phase d'industrialisation du code. client : BAW (Allemagne)

1989-92 SEDICOUP [Assistant de recherche, IIHR, University de l'Iowa (1989)] - Développement d'un système de modélisation du transport solide en rivière. Ce système modélise de façon entièrement couplée et implicite, l'écoulement non permanent de l'eau, du charriage et de la suspension de sédiments à granulométrie étendue.

1988-92 projet TSAR - Développement d'un code de simulation des transports solides en rivière partenaires : STCPMVN, EDF/LNH

1985-89 projet CARICHAR - Développement d'une nouvelle génération de systèmes de modélisation des rivières à fonds mobiles, simulant l'érosion/dépôt de sédiments à granulométrie étendue dans les rivières en écoulement non permanent.

♦ Hydrologie urbaine depuis 1996 CANOE - Système intégré pour la conception et la simulation des réseaux

d'assainissement (hydrologie urbaine, simulation de l'écoulement et du transport des polluants); en collaboration avec INSAVALOR.



♦ Synthèse des résultats de simulation / communication depuis 1999 OPTHYCA - Participation au développement d'un logiciel de post traitement des

résultats en hydraulique fluviale. partenaires : CETMEF, STRATEGIS, DIREN Centre, EDF/LNH

1997 - 98 CARIMAP (système CARIMA) - Développement d'une interface basée sur l'utilisation d'un SIG pour la conception du modèle et la visualisation des résultats.

1989 - 90 LANIM - Environnement logiciel permettant de visualiser automatiquement, sous une forme animée (vidéo), les résultats de simulations numériques des études hydrauliques.

Actions de recherche 1994-96 - Modélisation hydrologique des bassins montagneux pour déterminer les risques

d'inondations dus aux changements climatiques. Transport sédimentaire dans les cours d'eau à forte pente. Projet FRIMAR, Programme d'Environnement. Client : CCE/DG XII, Bruxelles, Belgique

1983-85 - Analyse comparative de systèmes de modélisation utilisés pour la régulation d'un canal d'irrigation. Etude de l'évacuation de produits de lessivage dans un réseau d'irrigation en Indonésie.

ETUDES ET CONSEILS France 2001 - Modélisation pour les études hydrauliques. Participation à la rédaction d'un guide

méthodologique. Client : CETMEF, Ministère des Transports.

France 2001 - Rejets accidentels de matières polluantes en rivière. Actualisation de l'outil de modélisation. Clients : groupement d'industriels du sud de l'agglomération grenobloise.

Uruguay 2000 - Alimentation en eau potable de la ville de Montevideo. Modélisation de la pénétration saline dans l'estuaire du Rio Santa Lucia. Client : OSE, Montevideo.

France 1998 - Etude de la gestion du transport solide et des atterrissements Participation à la rédaction de documents méthodologiques (guide méthodologique, cahier des charges type, plaquette de sensibilisation). Client : Agence de l’Eau Rhône Méditerranée Corse – Lyon

France 1996-97 - Impact morphologique de structures de navigation pour plusieurs sites sur la Loire. Etude basée sur une modélisation bidimensionnelle des écoulements. Client : Direction régionale de l'environnement - Orléans.

France 1996-97 - Expertise modélisation pour la réalisation du SAGE de la vallée de l'Arc (code ISIS). Client : SIEE, Montpellier.

France 1992-93 - Etude sur modèles mathématiques (codes TSAR et SEDICOUP) des impacts sédimentologiques du futur barrage du Veurdre sur l'Allier. Client : EPALA, Orléans

France 1992 - Simulation de la propagation de l'aide de rupture du barrage de la Buletière (code RUBAR3). Client : SOGREAH, Grenoble

Italie 1991-93 - Maintenance et assistance à l'utilisation du code STEFLO de calcul des écoulements permanents en canal avec transition de régime. Client : ENEL/CRIS, Milan

Bangladesh 1991-92 - Assistance à la modélisation (code MIKE 11) des inondations et des aménagements dans le district de JAMALPUR. Client : Banque Mondiale

Allemagne 1990-92 - Etude sur modèle mathématique (code SEDICOUP) de l'évolution sédimentologique à long terme d'un tronçon de la rivière Danube et de son affluent l'Isar pour la définition des aménagements nécessaires au maintien de la navigation. Client : BAW, Karlsruhe

France 1992 - Modélisation de la propagation de matières polluantes déversées accidentellement dans le fleuve Var. Client : Compagnie Générale des Eaux

France 1991 - Optimisation des régulateurs d'un système de bassins de rétention de crues en zone urbaine. Réalisation d'un film vidéo de présentation du fonctionnement des ouvrages.



Client : Direction de l'eau et de l'assainissement, Conseil Général de la Seine-Saint-Denis, Rosny

Chine 1989 - Mission d'identification préliminaire à l'application conjuguée d'un système de modélisation hydrologique et sédimentologique et de la télédétection pour un sous-bassin du Fleuve Jaune. Client : BRGM, Orléans

Suisse 1988 - Etude sur modèle mathématique de la capacité d'écoulement du Rhin en relation avec la construction d'un nouveau barrage à l'amont du Rheinfelden. Client : SIMULTEC, Meilen

Rwanda 1988 - Modélisation de la propagation des crues et du drainage de la rivière Nyabarongo (code CARIMA). Client : PNUD

France 1987 - Développement d'un système de régulation des écoulements pour des barrages et des usines hydroélectriques du haut Rhône. Client : CNR, Lyon

France 1986 - Etude sur modèle mathématique de structures hydrauliques : rivières Armançon, Venarey, Saint Raphaël .

France 1986 - Etude hydrologique du bassin de l'Armançon.

France 1985-86 - Plan d'Exposition aux Risques d'Inondation de la plaine de Moissac. Client : DDE du Tarn et Garonne, Montauban.

Divers 1983-87 - Etudes sur modèle mathématique de réseaux maillés de rivières et canaux : Port de Sète (France), barrage de Pak-Mun (Thaïlande), canal d'irrigation de Turkwel (Kenya), usine hydroélectrique du Rio Bravo (USA), étude des dragages de la rivière Lakhya (Bangladesh).

France 1983-87 - Etude sur modèle mathématique des intumescences provoquées dans les galeries d'usines hydroélectriques : usines de la Brillanne, le Largue et Takamaka III. Client: EDF/GRPH Méditerranée, Marseille.

Malaisie 1983 - Etude sur modèle mathématique de la pénétration saline dans la rivière Sebelak. Client: Banque Mondiale.

Sénégal-Mali 1984-87 - Etude sur modèle mathématique de la pénétration saline dans le réservoir du barrage anti-sel de Diama.

France 1982-85 - Mise au point des modules de régulation attachés au logiciel CARIMA en vue d'une concession de droit d'usage.

France 1982 - Etude de synthèse sur la pollution des zones marines littorales.

ENSEIGNEMENT - FORMATION Missions de formation réalisées dans le cadre du métier d'ingénieur (LHF et SOGREAH)

depuis 1996 - Formation des Ingénieurs d'Etudes à la modélisation des réseaux d’assainissement (CAST / INSA Lyon, SOGREAH).

depuis 1994 - Formation des Ingénieurs d'Etudes à la modélisation des écoulements à surface libre (ETSHER, Ouagadougou / ISIM, Montpellier / Service Navigation de Strasbourg / Rhein Main Donau AG, Münich/ SEEE, Bourges / ISL, Paris / Daragon Conseil, Marseille / HGM Environnement, Marseille / Université de Karlsruhe, Allemagne / Université de Bruxelles)

Juin 1992-1995 - Sessions de formation à la modélisation du transport solide en rivière et à l'utilisation du logiciel SEDICOUP. Bundesanstaldt für Wasserbau (Karlsruhe), Université de la Bundeswehr (Münich) et Compagnie Nationale du Rhône (Lyon).

Janvier 1989 et nov.92 - Formation des ingénieurs de l'ENEL (Milan, Italie) à l'utilisation et à l'entretien du logiciel STEFLO de calcul des écoulements rapidement variés.

Juin 1989 et août 1990 - Formation des ingénieurs de la BAW (Karlsruhe, Allemagne) à l'utilisation et l'entretien du logiciel CASCADE de calcul des écoulements transitoires en rivière et programmation des automates de régulation.



Mars 1988 - Ateliers de formation faisant suite à "1st Intern. Conf. in Africa on Computer Methods and Water Resources, Rabat" (formation des ingénieurs aux techniques et méthodes de modélisation mathématique appliquée aux problèmes de la prévision des crues en temps réel et aux problèmes de l'hydraulique fluviale).

Novembre 1988 - Stage de formation en hydraulique fluviale et en modélisation, destiné aux ingénieurs des travaux Publics de l'Equipement organisé par le STCPMVN à Arras

1981-1990 - Assistance auprès des ingénieurs de SOGREAH pour l'utilisation du code de calcul CARIMA (formation et conseils de modélisation pour plus d'une centaine de modèles fluviaux).

texte de synthèse - page 21


Le transport solide en rivière : lacunes de connaissance et besoins méthodologiques

Mes projets sont fortement marqués par mon expérience d'ingénieur en bureau d'étude et par les besoins que j'ai ressentis. C'est pourquoi je présente en introduction une réflexion sur mon travail d'ingénieur en modélisation.

Je préciserai particulièrement le travail réalisé dans le domaine du transport solide en rivière dont je développerai en deuxième partie les lacunes.

J'exposerai enfin en troisième partie ma recherche récente et en cours dans ce domaine particulier et je développerai enfin mes projets de recherche.

1 Une expérience en recherche et développement L'ensemble de ma carrière s'est déroulée dans la société d'ingénieur conseil SOGREAH ou dans sa filiale LHF, dans des structures dont la vocation principale est la recherche appliquée ou le développement de méthodes et d'outils logiciels dans le domaine de l'hydraulique et de l'hydrologie.

Les différentes facettes de mon activité d'ingénieur peuvent se résumer par les caractéristiques suivantes.

- l'ingénieur chef-de-projet doit participer à la recherche et à l'extension d'un marché ; ce rôle demande une initiative personnelle vers des idées et des domaines originaux ;

- l'ensemble du travail, y compris le travail de recherche, doit être fait en respectant des règles économiques strictes dans le cadre d'un contrat (avec un Client ou avec l'entreprise) ;

- le travail de l'ingénieur reste cependant un travail d'équipe, une activité "mercenaire" pour le bon fonctionnement de l'entreprise, c'est à dire dans le cadre d'objectifs définis à un niveau hiérarchique supérieur ;

- bien entendu, le travail est aussi très fréquemment interrompu par des activités plus appliquées (études, administration, assistance et entretien informatique) avec des délais souvent très courts.

Avec ces contraintes parfois contradictoires, j'ai cependant réussi à conserver à mon activité une relative unité et à construire une double compétence en modélisation numérique et en hydraulique fluviale. Les aspects abordés et les méthodes utilisées sont divers : analyse des phénomènes sur le terrain, acquisition de données et métrologie, conceptualisation et modélisation, analyse numérique, optimisation de la programmation, pré- et post-traitement, communication et transfert de technologies. L'activité de recherche et de développement s'est complétée par des applications dans le cadre d'études d'ingénierie.

1.1 Développement d'outils numériques Mon expérience du développement d'outils numériques concerne particulièrement l'hydraulique fluviale : crues et inondations, régulation, qualité des eaux et transport solide.

Ces développements sont caractérisés par une attention particulière pour la qualité des schémas numériques et pour les algorithmes de traitement. L'annexe 1 illustre la mise en œuvre du logiciel CONDOR qui calcule la convection, la diffusion et la transformation des produits en suspension ou en solution dans les systèmes fluviaux [Belleudy et Sauvaget, 1985], [Belleudy et Wignyosukarto, 1986]. Il précise en particulier l'adaptation du schéma de Holly-Preissmann pour un nombre de Courant supérieur à l'unité.

texte de synthèse


Outre ces aspects numériques, on doit citer les autres points caractéristiques des logiciels développés et utilisés en bureau d'étude par rapport aux logiciels de recherche :

Les contraintes imposées pour une utilisation industrielle opérationnelle (géométrie réelle, singularités en particulier) demandent la mise en œuvre de méthodes alternatives parfois dégradées, qui remplacent le calcul "normal" quand les hypothèses ne sont plus vérifiées (localement ou de façon temporaire). Un exemple est la désormais classique "fente de Preissmann" [Cunge et Wegner, 1964], qui permet de prendre en compte les portions où l'écoulement passe en charge dans les logiciels de calcul des écoulements à surface libre. Ces méthodes alternatives sont souvent complétées par un ensemble de dispositifs qui permettent de gérer les transitions entre les différents cas de façon numériquement acceptable. J'ai personnellement développé l'ensemble des procédures dans le logiciel de calcul sédimentaire SEDICOUP [Belleudy et al. 1990] qui permettent par exemple de calculer le transport sédimentaire dans des lits composés ou au travers de singularités (un substratum rocheux inérodable, un seuil, etc.) Doit-on avoir pour les logiciels de l'ingénierie une exigence moindre pour la représentation des phénomènes physiques ? Oui dans la mesure où on peut adapter la schématisation en fonction des phénomènes prépondérants, et surtout des exigences de l'étude. Mais cette plus grande schématisation implique souvent des efforts de validation plus importants. Enfin, ce sont parfois de "vieux" logiciels, dont la qualité et la richesse proviennent de leur mise à l'épreuve sur de nombreuses applications et de leurs raffinements successifs. Certains de ces logiciels ont dû passer de l'informatique des années 70 (qui privilégiait la rapidité de calcul et gérait des ressources réduites) à l'informatique actuelle : multiplicité des plates-formes (du PC au Cray), problématiques posées par la maintenance (standardisation, gestion de documentation, suivi de versions). Il me semble aussi que le milieu industriel paraît plus sensibilisé que les milieux académiques à la richesse de ces outils et de ces développements, et à la nécessité de pérenniser les méthodes.

La science numérique est importante mais elle ne constitue pas l'essentiel d'un logiciel de simulation. En conclusion, je dirais qu'on peut tout modéliser. La qualité et la valeur de l'outil reposent avant tout sur un ensemble cohérent de formulations et sur la capacité de le mettre en œuvre, c'est à dire sur des données pour le valider, le caler et une méthode pour l'exploiter.

1.2 Etudes d'ingénierie J'ai participé à de nombreuses études, incluant pour la plupart des tâches de modélisation numérique et avec des choix méthodologiques avancés. Ces études concernent les domaines fluviaux, urbains ou maritimes. La liste de ces études est détaillée dans le dossier administratif en tête de ce rapport.

Les conditions de réalisation de ces études ne permettent pas toujours de valider et d'exploiter tous les aspects techniques, suivant l'inclination naturelle de l'ingénieur, et malgré le fait que ces études sont parfois innovantes et qu'elles concernent un domaine où les connaissances sont encore incertaines. Je vais tenter dans ce paragraphe de cerner brièvement quelques-unes unes de ces incertitudes.

♦ Inondations et risques Elles comprennent principalement les études de prévention du risque inondation (anciens Plans d'Expositions aux Risques, actuels PPR) et les études des écoulements dans le lit majeur (dans le cadre d'études d'impact ou d'aménagements).

On peut tenter une liste des processus qui sont mal connus et mal pris en compte dans les modélisations classiques utilisées pour ces études :

- la définition des événements de projet du point de vue statistique (par exemple à l'aval de deux bassins versants affluents);

- la structure et le calcul des écoulements au début du débordement; - la propagation sur fond sec (ondes de rupture de barrage par exemple). Les méthodes

numériques semblent au point [voir par exemple Alcrudo et Garcia-Navarro, 1993, Savic et Holly, 1993]; mais les phénomènes physiques sont-ils correctement modélisés?



- l'écoulement des crues dans les milieux végétalisés : forêts, taillis, cultures; - l'écoulement en zones urbaines et semi-urbaines : structure de l'écoulement, méthodes

de modélisation, embâcles, etc.; - les méthodes de la modélisation bidimensionnelle (dispersion, ouvrages, données, etc.); - les exigences topographiques en relation avec les objectifs des modélisations; - l'incertitude des mesures, et l'assimilation des diverses données de réglage; - les résultats et leur validité, l'incertitude des sur les résultats qui résulte de l'ensemble

des incertitudes amont.

Les connexions entre les rivières ou la surface libre et le sous-sol ne font pas partie de ce domaine strict. Je les signale cependant pour mémoire

La cartographie du risque d'inondation pose à la fois des questions techniques [Cornet et al., 2001] et sociologiques. Signalons enfin les problématiques spécifiquement reliées aux aspects économiques, sociologiques, juridiques ou réglementaires du risque inondations mériteraient aussi le développement de recherches pluridisciplinaires…

♦ Rivières et canaux régulés (Pour de trop rares études), j'ai abordé le domaine de la régulation des ouvrages dans les rivières et les canaux à surface libre.

Les techniques de régulation sont utilisées en hydraulique à surface libre dans le domaine de l'irrigation [Chevereau, 1991] ou pour l'optimisation d'automates de régulation. Les études que j'ai réalisées combinaient l'aspect dynamique de la propagation des ondes et l'aspect opérationnel (réalisation de consignes, souvent avec des buts multiples). J'ai été surpris dans cette activité de la très faible pénétration des techniques et des théories développées par les spécialistes des systèmes asservis et des automatismes.

♦ Propagation de traceurs dans les rivières J'ai réalisé les modélisations de plusieurs études de propagation de matières dissoutes dans les rivières (remontées salines dans des rivières à marée, transport de matières polluantes).

Les échelles de temps et d'espace considérées justifient dans la majorité des cas l'emploi de modélisations unidimensionnelles. Cependant on peut s'interroger sur la représentativité des méthodes utilisées habituellement pour reproduire les effets résultant du caractère tri-dimensionnel (vortex, zones d'eau morte) de l'écoulement et sur la recherche de solutions alternatives. La méthodologie de validation de ce type de modélisation (par la réalisation de traçages) semble encore approximative demande aussi des améliorations.

♦ Hydrologie urbaine Je participe depuis 1995 au développement d'un système de modélisation pour l'hydrologie urbaine. Le système CANOE rassemble la modélisation de l'ensemble des phénomènes qui doivent être pris en compte pour la conception ou la gestion d'un réseau d'assainissement : relation avec les bases de données pluviométriques, modélisation pluie/débit, écoulement dans les conduites, ouvrages et aménagements du réseau (déversoirs, bassins de stockage, ouvrages régulateurs, pompes, etc.), production et transport des MES, bilan de rejet au milieu naturel, etc. Le projet CANOE est réalisé en collaboration avec un ensemble de collectivités territoriales. La conception et le développements sont assurés conjointement avec l'Unité de Recherche en Génie Civil de l'INSA.

Je retiendrai uniquement les questions relatives aux préoccupations concernant la qualité des effluents et des MES à l'exutoire des réseaux :

- accumulation de matières sur les surfaces en milieu urbain; - production d'une charge polluante par ruissellement, relation avec l'événement pluvieux; - les supports solides de la charge polluante; - ensablement dans les conduites, consolidation et reprise; - métrologie.

texte de synthèse


1.3 Le transport solide en rivière : développement et études J'ai consacré plus de dix ans à l'étude et à la simulation numérique des phénomènes liés au transport sédimentaire. J'ai certes répondu aux demandes du "client" : par exemple dans la réalisation d'outils logiciels, dans le diagnostic et la proposition de solutions d'aménagement ; mais j'ai souvent terminé ces projets avec des doutes ou des interrogations nouvelles. Ici ce sont la complexité des phénomènes en jeu et les limites des savoirs théoriques qui en étaient la cause essentielle de ces doutes et de ces interrogations.

L'expertise permet traditionnellement de répondre aux questions posées. Mais pour plusieurs raisons, ce domaine plus que les autres demande une connaissance mieux formulée et l'amélioration des méthodes. En particulier par les difficultés même d'établir cette expertise (il faut de nombreuses années de pratique…), en second lieu à cause de l'émergence de techniques nouvelles, enfin en raison des exigences croissantes des demandes.

Mes travaux de recherche actuels présentés au chapitre 3 et mes projets développés au chapitre 4 sont définis par ces deux objectifs : formulation de la connaissance, amélioration des méthodes. C'est pourquoi je développe ici particulièrement les principaux points de cette expérience professionnelle.

♦ Développement d'outils logiciels (* ) Dans les années 80, une nouvelle étape du développement des logiciels de transport sédimentaire était nécessaire à SOGREAH. Elle était rendue possible à la suite des travaux de Chollet et Cunge [1980] sur la modélisation du transport solide d'une part ; d'autre part de l'expérience acquise personnellement dans la modélisation des écoulements dans les systèmes maillés fluviaux et dans les méthodes numériques et le développement du logiciel CONDOR (voir annexe 1)

Les travaux de Chollet et Cunge ont particulièrement développé les aspects de la dissipation d'énergie, en relation avec le développement de formes du fond. Le logiciel CHAR2 permettait la modélisation découplée de l'évolution des fonds par une succession de régimes quasi-stationnaires ; le logiciel CHAR3 permettait un calcul couplé de l'hydrodynamique (équations unidimensionnelles de Barré-de-Saint-Venant) et de l'évolution des fonds (équation d'Exner). Ces travaux ont essentiellement développé le savoir-faire numérique. Les essais réalisés ont fourni des résultats réalistes dans les essais basés sur des problèmes réels, mais à ma connaissance ces outils n'ont subi que des confrontations limitées avec des cas d'étude réels et des mesures.

Ces travaux ne considéraient que le transport de la charge de fond (le charriage). En faisant du transport une fonction exclusive des conditions locales (le fond, l'écoulement), ces modèles sont peu représentatifs du comportement des sédiments en suspension.

Une nouvelle étape a alors été définie par Cunge et Holly [1986]. Leurs recommandations décrivaient un calcul séparé du charriage et de la suspension; cette dernière serait traitée comme un traceur convecté par l'écoulement et qui échangerait avec les matériaux présents au voisinage du fond. Ces recommandations préconisaient le développement de modélisations couplées : les équations de l'écoulement et les équations du transport sédimentaire (par exemple la modification du lit) sont résolues simultanément. Elles soulignaient aussi l'importance des phénomènes qui résultent de l'hétérogénéité des matériaux solides dans les rivières. En ajoutant à ces recommandations les aspects propres aux réseaux maillés, les logiciels futurs devaient permettre d'envisager la réponse aux problèmes du moment (modélisation du système Gange-Brahmapoutre au Bangladesh par exemple).

L'historique et les aspects stratégiques de ces développements logiciels sont développés dans [Belleudy, 1994]. Soulignons le contexte de l'époque, parce qu'il a notablement évolué depuis :

(* ) Je limite volontairement cette description de l'état de l'art de l'époque à l'expérience de SOGREAH. Bien entendu des recherches et des développements similaires étaient poursuivis dans les milieux universitaires [Karim et Kennedy, 1982] et dans les autres grands bureaux d'étude [par exemple LNEC, 1993].



- la relative aisance financière des bureaux d'étude, qui leur permettait de développer des actions de recherche et développement sur fonds propres,

- l'existence d'une expertise réelle (et appréciée) dans ces bureaux d'étude, - le nécessaire compromis entre la demande de moyens de modélisation et la puissance

informatique.

Cette activité s'est concrétisée dans les projets SEDICOUP, CARICHAR et TSAR.

SEDICOUP devait poursuivre l'avance acquise avec IALLUVIAL [Karim et Kennedy, 1982] et les chercheurs de l'Iowa Institute of Hydraulic Research (IIHR) cherchaient à mettre au point les méthodes pour une résolution couplée du transport solide de granulométrie étendue, et du transport solide en suspension.

CARICHAR visait pour sa part la concrétisation de ces méthodes sur une topologie maillée et dans une utilisation opérationnelle. Il intégrait aussi la notion de retard au chargement ou au dépôt dans le cas de variations (spatiales ou temporelles) des conditions de transport. C'est l'idée de loi de chargement [Bell et Sutherland, 1983] qui conserve une réalité physique incontestable en suspension ou pour de courtes distances. Mais cette notion de chargement recouvre aussi certains aspects numériques (en particulier pour la modélisation des ouvrages qui interrompe la continuité du transport solide, ou encore pour lisser des discontinuités qui résultent de l'hétérogénéité des profils en travers).

Les projets CARICHAR et SEDICOUP se sont raisonnablement rejoint en 1987 [Rahuel, 1988, Rahuel et al., 1989, Holly et Rahuel, 1990a et b]. Les travaux de développement ultérieurs ont consisté à rendre le logiciel opérationnel pour les études; par exemple avec la répartition du transport dans la section en travers, la modélisation des singularités (ouvrages, secteurs inérodables) [Belleudy et al., 1990]. L'étude du Danube a nécessité la mise au point de procédures d'adaptation automatique du pas de temps pour permettre la réalisation de la simulation sur des séries temporelles longues. L'application au Rhin a demandé la prise en compte des rugosités de grain et de forme (dunes), le raffinement de la procédure de calcul de la suspension, ainsi que le développement d'une résolution sur des topologies maillées.

La démarche de TSAR était encore plus ambitieuse. Initiée en 1988 principalement par les services du Ministère des Transports de l'époque, le projet TSAR voulait développer un outil français, commun aux administrations et aux bureaux d'études. La démarche comprenait aussi la mise en œuvre d'expérimentations de laboratoire qui devaient servir à la validation des idées et du logiciel. [Labadie et al., 1991]

♦ Applications unidimensionnelles L'annexe 3 décrit la problématique et les objectifs de l'étude du Danube en Bavière. Les simulations tentent de reproduire 100 ans d'évolution du lit avec des hydrogrammes reconstitués. Le 'basculement' du profil du Danube sera limité par les phénomènes de pavage. [Söhngen et al., 1992; Belleudy, 1992, Loy et al., 1992].

Le logiciel SEDICOUP a été utilisé aussi pour l'étude d'impact sédimentologique du projet de barrage du Veurdre sur l'Allier. Les résultats de l'étude montrent que les érosions et dépôts qui se produisent au moment du fonctionnement du barrage (écrêtement de la crue) sont compensés dans un délai bref (quelques mois). [Belleudy et Schüttrumpf, 1994].

Je reviendrai plus loin sur les aspects méthodologiques de la modélisation dans ces études : la démarche de validation et de réglage de l'étude du Danube et le rodage d'une modélisation sédimentaire unidimensionnelle (annexe n°9).

♦ Les études Loire Le lit de la Loire a été aménagé au XIXème siècle pour faciliter la navigation. Ces aménagements et les déficits sédimentaires consécutifs aux extractions massives de granulats dans le lit ont entraîné une modification des bras secondaires et en particulier une diminution de la capacité en crue. Les études réalisées par SOGREAH sur la Loire pour le compte de la DIREN-Centre et de la DDE-Loiret concernent la restauration du lit et de ses bras secondaires par une modification de ces ouvrages de navigation (voir annexe n°8).

texte de synthèse


L'échelle de ces problèmes est ici différente. Il s'agit d'étudier et de modifier le lit de la rivière sur quelques kilomètres mais en prenant en compte le caractère bi-dimensionnel des écoulements. Nous avons cherché une méthodologie innovante qui combine à la fois une modélisation bidimensionnelle fine des écoulements et une expertise des phénomènes sédimentaires. La modélisation bidimensionnelle (TELEMAC-2D) a permis d'accéder aux paramètres caractéristiques du transport [Belleudy, 2000b]. Associée à des analyses hydrologique et environnementale, cette modélisation nous a conduit à définir les actions (curages, modification des ouvrages) qui permettront à terme une restauration pérenne de la richesse environnementale et des capacités d'écoulement.



2 Le transport solide en rivière : les lacunes et les besoins méthodologiques

2.1 Les enseignements des études réalisées

♦ Des enjeux forts Les exemples d'étude présentés ci-dessus montrent une partie des enjeux des études sédimentaires et de morphologie fluviale.

La protection contre les crues est souvent un enjeu direct ou indirect de ces études. C'est un enjeu direct dans le cas d'un engravement qui réduit la section efficace pour l'écoulement. Dans d'autres cas la modification du transport de sédiments modifie les caractéristiques du lit, et souvent par une diminution de la capacité d'écoulement provoque aussi un exhaussement des niveaux en crue.

Un enfoncement du lit aura des conséquences sur la stabilité des ouvrages (déchaussement de piles de pont, fragilisation des digues) ; il provoquera un abaissement des nappes dans la plaine adjacente. On recherchera aussi parfois un soutien des niveaux d'étiage pour des raisons environnementales (conservation de zones humides de grande richesse écologique).

Les transformations conséquentes du lit induisent des modifications des conditions d'écoulement. On se souciait des conséquences pour la navigabilité du Danube; on s'inquiète sur la Loire de la concentration des écoulements contre les digues et de leur fragilisation.

Ces enjeux concernent donc souvent la sécurité des personnes et des biens. Les problématiques sont principalement liées à des problèmes de rupture de la continuité sédimentaire et à une modification artificielle d'un pseudo-équilibre pré-existant (ces notions de continuité et les échelles de temps caractéristiques sont développées dans les annexes 12 et 13).

Ces études ont aussi montré un enjeu d'un autre type puisqu'il concerne plutôt les méthodes et les moyens dont les ingénieurs disposent pour répondre aux questions qui leur sont posées. Ces méthodes sont affectées par deux faits complémentaires auxquels il convient de répondre :

- la nécessaire transmission des savoirs experts qui devient problématique dans le cadre économique actuel des bureaux d'étude;

- le développement de méthodologies fondées sur des outils de simulation numériques.

♦ La modélisation : quels outils ?

Le domaine étudié présente une grande diversité de situations et de phénomènes. L'étude et la connaissance de ces phénomènes sont empirique et on doit pour chaque cas analyser les processus en jeu et adapter les méthodologies et les formulations (transport de fond ou en suspension, tri, dunes, stationnaire ou transitoire, etc.). Les études auxquelles j'ai participé utilisaient chacune des méthodologies différentes ; du moins la diversité des situations impliquait à chaque fois l'utilisation de formules de transport solide différentes ou la prise en compte par les outils de simulation de phénomènes particuliers.

Les outils de simulation développés sont puissants. Ils prennent généralement en compte la diversité des situations. Dans le cas où des formulations spécifiques sont plus adaptées ou bien si de nouveaux processus doivent être modélisés, ces outils de simulation sont perfectibles (dans la mesure où l'on en possède la maîtrise informatique).

Dans de nombreuses situations, on constate la réalité physique du couplage entre l'écoulement et le transport sédimentaire : le transport sédimentaire et donc les modifications morphologiques se produisent principalement pendant les crues qui sont des phénomènes relativement instationnaires. Dès que l'échelle de longueur considérée nécessite la prise en compte de cet aspect instationnaire, le couplage numérique est nécessaire.

texte de synthèse


Le raffinement que demande le couplage numérique ainsi que la nécessité d'évolution des outils demande un grand soin dans le choix des méthodes numériques et dans les méthodes de développement.

L'approche unidimensionnelle convient aux problèmes relatifs à la continuité sédimentaire sur une portion du profil en long. On peut par exemple évaluer les conséquences de la rupture de l'équilibre entre l'hydrologie, la pente de la rivière, le flux solide et la granulométrie. Cette approche unidimensionnelle peut être mise en application à différents niveaux de complexité : depuis la localisation des zones d'érosion et de dépôt pour un débit hydraulique donné, jusqu'à la simulation de scénarios hydrologiques ou d'aménagement sur plusieurs dizaines d'années. Cette approche unidimensionnelle de la modélisation a cependant ses limitations ; quelques exemples (voir annexe n°5 pour la définition des différents types de modèles) :

- L'écoulement est bidimensionnel dans un système de bras multiples, ouvrages. Selon l'échelle du problème une représentation unidimensionnelle maillée peut être utilisée ; on devra sinon baser la modélisation du transport solide sur une modélisation bidimensionnelle.

- Les phénomènes de dépôt/érosion, sur les berges ou les bancs ne sont pas représentés, ou sinon de façon relativement schématique et sommaire. Par exemple, la modélisation SEDICOUP permet de distinguer des zones de berges où le transport par charriage n'est pas calculé mais qui se déformeront suivant des règles prédéterminées et qui contribueront sous la forme de termes source/puits : ce fonctionnement est donc très sommaire.

- Plus généralement la prise en compte d'une répartition différenciée des dépôts et érosions dans la section en travers nécessiterait la mise au point, et la validation, de procédures adaptées. Mais il faudrait considérer aussi une répartition différenciée des granulométries dans la section en travers, ce qui rend une extension du calcul unidimensionnel très critiquable.

- Bien entendu les approches uni- et bidimensionnelles ne sont pas correctes pour représenter les processus qui résultent de l'établissement de courants hélicoïdaux dans les courbes.

- Dans le cas de rivières en tresse, on se limitera à un travail sur le profil en long. Une tentative infructueuse a été faite par l'équipe de l'UdB à Münich pour le calcul qui représenterait l'ajustement latéral de la section : divagation et la migration des bancs.

- Dans le cas d'écoulements supercritiques (nombre de Froude>1), le caractère des phénomènes change (voir annexe n°6). J'ai procédé à quelques expériences numériques avec SEDICOUP dans le cadre du projet de recherche européen FRIMAR mais qui n'ont pu aboutir en raison de moyens limités. Au-delà de cet aspect numérique, la modélisation du transport solide en conditions torrentielles demande d'intégrer les phénomènes physiques suivants :

- la formation et le déplacement des antidunes ; - la formation et les écoulements de laves ; - les phénomènes particuliers d'érosion dans ce type d'écoulement (on pensera en

particulier le véritable "recalibrage" des lits de torrents à l'occasion de certains épisodes).

Les outils bidimensionnels de modélisation du transport solide sont évidemment plus délicats à mettre en œuvre (données, problèmes numériques, représentation des ouvrages, durée des calculs). Ils sont difficiles à mettre en application sur de simulations de longues périodes (voir l'annexe n°7).

En ce qui concerne le calcul même du transport sédimentaire et de l'évolution des fonds, la limitation vient essentiellement du fait que les logiciels ont été conçus au départ pour des applications en hydraulique côtière où les sédiments sont fins et la granulométrie relativement uniforme. Nous avons réalisé quelques essais à partir du modèle de l'étude d'Ousson/Loire : si le choix d'une formule de transport plus adaptée au type de sédiments plus grossier rencontré est possible, par contre le défaut de prise en compte des phénomènes de tri granulométrique est rédhibitoire pour ce type d'application. Des projets sont actuellement en cours pour le développement d'outils de simulations adaptés mais ils impliquent des travaux importants [Walther, 2001].



Les simulations bidimensionnelles permettent cependant de reproduire les conditions d'écoulement en détail (niveaux, vitesses) (évidemment le caractère tri-dimensionnel éventuel n'est pas reproduit…). L'analyse (par post-traitement informatique) permet de calculer les paramètres caractéristiques du transport sédimentaire. C'est la démarche utilisée pour les études de la Loire.

Enfin la connaissance et l'état de l'art de la modélisation numérique des phénomènes de transport solide sont de loin moins avancés que ceux des écoulements (la propagation des crues par exemple). On constate en conséquence un décalage entre les attentes du "Client", et les réponses que peuvent fournir l'expertise et surtout la modélisation numérique.

♦ Les processus sont-ils correctement reproduits par les simulations ? Oui, si l’on intègre ces processus dans les simulations. Par exemple dans SEDICOUP un ensemble de formulations permet de reproduire (dans le calcul de la capacité d’écoulement, et dans le calcul du transport solide) les rugosités de grain et de forme.

Un autre exemple est celui de la modélisation des phénomènes de masquage et de tri granulométrique qui sont déterminants dans la formation et l'évolution du lit des rivières étudiées (voir annexe n°8). Les logiciels développés prennent en compte ces aspects par la décomposition du transport de différentes classes de sédiments. Par exemple lors du pavage, le concept de "couche de mélange" permet de reproduire l'appauvrissement en sédiments fins de la surface du lit exposée à l'écoulement ; la prise en compte des effets de masquage dans les formules de transport sédimentaire permet de reproduire la diminution de l'exposition des sédiments fins du fait de la présence de sédiments grossiers; on constate cependant que ces modèles juxtaposent des concepts élaborés de façon empirique dans des situations parfois simples. On pourra parfois se demander si cette accumulation de concepts est cohérente.

♦ La méthodologie L'étude du transport sédimentaire et plus généralement les études d'aménagement dans les rivières ne peuvent se réduire à la seule compétence de l'hydraulicien-hydrologue : une approche pluridisciplinaire est nécessaire pour prendre en compte les spécificités du milieu.

Par exemple, l'objectif des études réalisées sur la Loire (restauration des conditions d'écoulement) a rapidement conduit à étudier les conditions de colonisation des bras secondaires et des bancs par la végétation : ceci se produit quand le brassage des matériaux de surface est insuffisant et trop rare (crues moins fréquentes, terrains exhaussés, déficit de la charge solide provenant de l'amont). L'association de spécialistes des disciplines concernées (biologistes, écologues) et de leurs techniques a permis de préciser les méthodes d'entretien du lit.

Du point de vue strict de la simulation des écoulements et du transport sédimentaire nous avons dû reconnaître pour ces études un certain manque de références pour reproduire avec assurance le frottement et le transport sédimentaire dans les zones végétalisées.

Nous avons constaté le bien fondé de la démarche entreprise, qui consiste à développer des outils de simulation complets, qui prennent en compte des phénomènes "secondaires" (tri granulométrique, masquage, couplage entre la granulométrie et la rugosité, etc.). Mais nous avons constaté en même temps la grande sensibilité des résultats obtenus quand on fait varier la formulation qui modélise ces processus, ou même en fonction des paramètres utilisés. Ces formulations et ces paramètres sont issus de l'expérience, celle-ci est souvent unique et acquise dans des conditions particulières et donc difficilement généralisables. En l'état actuel, nous recommandons donc de limiter les ambitions lors d'une modélisation en ne mettant en fonctionnement les options offertes que si elles sont absolument évidentes et nécessaires, et progressivement après en avoir testé les effets de manière séparée. La variabilité obtenue, en particulier quand on donne aux paramètres des valeurs "probables", doit permettre de cerner le degré d'incertitude sur les résultats de la simulation. Lors de l'étude de l'impact d'un facteur extérieur (aménagement, modification hydrologique), les simulations permettent cependant des résultats significatifs et relativement fiables par comparaison.

texte de synthèse


Les recommandations que l'on peut faire pour la collecte de données de construction des modèles des études sédimentaires ne diffèrent pas foncièrement des recommandations que l'on fait en "fond fixe" (profils en travers en densité suffisante, etc.). Bien entendu on ajoutera une description de la granulométrie des sédiments : dans le profil en long (attention aux "points durs", par exemple les affleurements rocheux plus ou moins fracturés), mais aussi en explorant la variabilité transversale (fond, grèves, bancs) et en observant aussi la présence éventuelle de pavages dynamique ou statique (voir annexe n°8). Naturellement on tiendra compte particulièrement de la date de relevé des données (évolution à l'échelle humaine, respiration saisonnière). Comme pour les modèles à fond fixe, et quel que soit l'objectif du modèle, on rappellera la nécessité absolue de valider la géométrie du modèle par la reproduction d'une ligne d'eau d'étiage.

Signalons enfin un phénomène particulier rencontré pour le modèle de l'Allier : la géométrie effective du lit résulte par endroit de phénomènes locaux (par exemple à l'aval immédiat d'un pont, on retrouve une "mouille" profonde de plusieurs mètres). La schématisation (unidimensionnelle) de la simulation ne reproduit évidemment pas ces phénomènes locaux. On constatera donc un "rodage" du modèle dans les premiers temps de la simulation (jours, mois selon l'intensité du transport) qui correspond à l'effacement de ces conditions topographiques particulières et à la mise en conformité du modèle avec la modélisation (annexe n°9).

La condition de débit solide à la limite amont du modèle est généralement une hypothèse de "saturation" : le débit solide est calculé automatiquement en fonction des conditions d'écoulement. Il est donc sensible directement au calage de la formule de transport solide, mais aussi à la qualité du réglage des conditions d'écoulement en amont du modèle. Un défaut de réglage de ces conditions d'écoulement se traduira par un déficit (ou un excès) de débit solide introduit à l'amont du modèle et donc produira une érosion (respectivement un dépôt) dans les premiers kilomètres. Le défaut de réglage de la formule de transport solide sera donc aggravé si l'on ne prend pas soin de placer la limite amont du modèle suffisamment loin du domaine d'intérêt, ou encore si l'on exploite le modèle sur des durées simulation si longues que la perturbation atteint cette même zone d'étude.

Rappelons aussi que l'on ne peut pas fixer dans une modélisation le flux solide à l'aval : la structure de l'équation de continuité solide (équation d'EXNER) ne le permet pas (voir l’annexe n°6). Un barrage ou un seuil ne retiennent pas à proprement parler le débit solide, ils modifient par remous les conditions hydrauliques ce qui provoque le dépôt des sédiments provenant de l'amont ou dans certains cas (seuil) la formation de la "pelle" qui permettra à terme la continuité du transit.

♦ Où est la priorité pour les études ? A mon avis dans la validation des modèles.

Les méthodes de validation sont héritées de la modélisation des écoulements. On demandera naturellement au modèle de reproduire des niveaux, une ligne d'eau, une relation niveau-débit. La mesure des ces grandeurs est facile à réaliser. Elle permet de caler les paramètres de perte de charge (le coefficient de rugosité en particulier).

On cherchera ensuite à représenter correctement les paramètres hydrauliques caractéristiques du transport solide. Dans un modèle unidimensionnel, la concordance de la vitesse d'écoulement est automatiquement réalisée quand le niveau de la surface libre est bien reproduit (à la condition que la répartition de l'écoulement soit relativement homogène dans la section en travers). Le modèle bidimensionnel en revanche cherche à reproduire les hétérogénéités transversales et naturellement il faudra s'assurer que les flux sont correctement reproduits par le modèle : valeurs locales caractéristiques de la vitesse, débit d'échanges entre les différentes zones d'écoulement (par exemple dans chacun des bras secondaires).

Enfin il faudra aussi valider le transport solide lui-même. On peut disposer de mesures directes fiables du transport sédimentaire, mais ponctuellement et avec des moyens importants [voir par exemple Habersack et al., 2001]. Pour l'étude Danube/Isar, je disposais par exemple de la relation débit solide total/débit liquide mesurée et analysée en trois sections du fleuve par les services de navigation.



On devra souvent « inventer », au cas par cas, des méthodes indirectes de validation, mais ces méthodes seront souvent intégratrices (elles permettent de régler globalement une modélisation, sans distinguer les multiples processus qui la conditionnent). Pour l'étude Danube/Isar, on a complété cette validation à partir des données dragages d’entretien qui sont réalisées en cherchant à reproduire les dépôts que ces dragages cherchent à compenser [figure 3 dans Belleudy, 1992]

Au minimum, on demandera au modèle d'être cohérent avec l'état observé de la rivière. Par exemple si le site est en équilibre (stabilité des relations hauteur/débit, pas d'érosion visible des berges), le modèle reproduit-il cet équilibre? Nous ne disposions pas d'un bilan sédimentaire satisfaisant pour le modèle de l'Allier mais nous avons montré pendant l'étape de validation que l'équilibre actuel de la rivière était reproduit de façon satisfaisante par plusieurs formules de transport solide différentes, et aussi que les conclusions de l’étude restaient inchangées, même avec cette incertitude sur le flux de transport solide.

La priorité en ce qui concerne le développement des modèles numériques et de simulations pour les études est donc dans la mise au point de protocoles d'observation et de mesures. Ces mesures devront être simples et instantanées si possible, ou alors elles devront s'intégrer dans l'ensemble des mesures faites régulièrement par les organismes gestionnaires. Par exemple pour le calage d'un modèle bi-dimensionnel, on peut disposer assez facilement de mesures de niveaux, il reste à inventer le dispositif qui permette une mesure instantanée, étendue et accessible de la vitesse d'écoulement (ou à valider et utiliser ce dispositif s’il existe…).

Je conclurai enfin par une remarque qui concerne à la fois le phénomène, les incertitudes de validation, et les difficultés de mesure et qui a trait à la fréquence et l'échelle de temps des phénomènes associés au transport solide :

Les échelles de temps (de quelques années au siècle pour les problèmes d'impact humains) sont d'un ordre de grandeur supérieures à celles auxquelles nous sommes habitués avec les phénomènes liés à la propagation des écoulements (les crues), ce qui rend les phénomènes à étudier plus complexes à observer et la sensibilité des acteurs moins vigilante. Les phénomènes de transport sédimentaire, de dépôt et d'érosion qui peuvent être considérables et très rapides en crue (ce qui justifie le couplage nécessaire avec l'hydraulique), sont effectivement les plus importants aux débits intermédiaires (plus fréquents). Une des phases les plus sensibles est le voisinage du débit de début de transport parce qu'il correspond au maximum de fréquence et que l'implication des granulométries et des régions du lit y est la plus diversifiée.

2.2 Les lacunes de la communauté scientifique Une lecture suivie des revues internationales qui traitent de l'hydraulique des rivières montre l'importance des questions relatives au transport sédimentaire chez les hydrauliciens. Par exemple, sur la période janvier 2000 - juillet 2001, le Journal of Hydraulic Research de l'AIRH a publié 88 articles scientifiques dont 25 articles relatifs au transport solide (soit 28%) :

- 6 traitant de la morphologie fluviale, du transport dans les bras secondaires, et du transport solide en général,

- 8 dont la préoccupation principale est le frottement : résistance à l'écoulement ou moteur du transport,

- plus 3 traitant ce sujet mais s'intéressant principalement aux formes du lit (dunes, ou bancs alternés,

- 4 articles sur le transport de mélanges granulométriques, - 4 articles sur les problèmes d'érosion locale (structures, jets), - 2 articles exclusivement sur des techniques de mesure du transport solide (au

laboratoire ou dans la nature), - enfin un article sur les écoulements multiphasiques ("debris flows")

Cette constatation d'une part, que l'on peut compléter par les conclusions du groupe de travail de l'ASCE (American Society of Civil Engineers) sur les processus et la modélisation de l'évolution latérale du lit des rivières [Thorne, 1998] montrent que le transport solide est un sujet de recherche parmi les plus vivants en hydraulique fluviale. Un débat a été récemment lancé par Roger Bettess [Rivers-List in : http://www.iahr.org ] en vue de recenser les dix "défis" de

texte de synthèse


l'hydraulique des rivières du XXI siècle. Parmi les sujets fréquemment proposés, on trouve en effet :

- Les sédiments et la qualité du milieu. Les relations entre les composantes de l'hydrosystème, en particulier entre la morphologie et l'écologie fluviales. Les conséquences de la rupture de la continuité solide et les questions liées aux envasements. Les polluants fixés aux sédiments, en hydraulique fluviale mais aussi en rejoignant les problématiques de qualité en hydrologie urbaine.

- La morphologie des rivières. : L'équilibre entre le transport solide, l'hydraulique et la géométrie du lit. La stabilité morphologique des chenaux. Les aspects bi- et tri-dimensionnels. Les phénomènes locaux d'érosion. L'évolution en plan de la rivière, la divagation et le méandrement

- Les phénomènes liés à l'étendue granulométrique dans la rivière, en particulier le tri granulométrique, et le début de transport. Ces questions sont bien entendu liées aux formes du fond et à la distribution des contraintes d'entraînement sur le lit.

- La fréquence et les rythmes d'évolution. - Les rivières torrentielles. La migration des bancs et des formes et sa modélisation. [par

exemple Jaeggi 1987]. Les phénomènes d'antidunes dans les rivières à fortes pentes. - La métrologie détaillée des écoulements et du transport sédimentaire à toutes les

échelles spatiales et temporelles.



3 Ma recherche récente et en cours Mes travaux de recherche récents au LTHE ont été définis directement à partir de cette expérience. Ils sont développés ici sous deux rubriques :

- La modélisation est-elle illusoire ? Il s'agit de deux exercices de modélisation en application directe du savoir-faire acquis en modélisation.

- Les interactions entre les écoulements, les transports solides et la végétation dans le lit des cours d'eau.

3.1 La modélisation est-elle illusoire ? Devant l'ampleur des incertitudes et de la difficulté de choisir et de régler l'ensemble des processus modélisables dans les codes de calcul, la réaction d'une partie de la profession (les ingénieurs) est que la modélisation n'est pas opérationnelle. Il faut selon ces personnes revenir à des méthodes plus traditionnelles (l'expertise) ou utiliser des outils sommaires. J'ai conduit récemment deux actions qui poursuivent le travail de justification des techniques de modélisation pour l'étude des transports sédimentaires.

♦ Modélisation unidimensionnelle d'essais de laboratoire J'ai tenté avec SEDICOUP la reproduction d'une série d'essais de laboratoire publiée dans la littérature [Seal et al., 1997] . Ces essais reproduisent les phénomènes de tri en granulométrie étendue. La démarche que j'ai recherchée est similaire à la démarche engagée en 1990 dans le programme TSAR [Labadie et al., 1991] qui est de guider l'expérimentation. Les travaux réalisés montrent la concordance de la modélisation et de l'expérimentation. L'analyse des résultats de la modélisation permet d'accéder, comme une mesure non destructive, à certains détails en cours de la modélisation qui n'avaient pas pu être mesurés. Dans une deuxième partie, j'engage une réflexion sur les phénomènes pris en compte par la modélisation et sur la sensibilité de celle-ci aux options et aux paramètres utilisés. Je souligne enfin les différences entre ces exercices à l'échelle du laboratoire et le comportement et la modélisation aux échelles de temps et d'espace des rivières.

Ce travail est présenté dans les publications [Belleudy, 2000a] et [Belleudy, 2001] présentées avec ce mémoire.

♦ Application au site de Brignoud des méthodes d'études utilisées pour les études de la Loire

Comme pour les sites des études Loire, le site de Brignoud sur l'Isère présente une rapide végétalisation(∗ ) des zones d'écoulement secondaires. Ce site fait l'objet d'un suivi continu par des équipes de géomorphologues et de biologistes depuis plusieurs années. Une modélisation bidimensionnelle a été réalisée (conduite avec le logiciel TELEMAC 2D) [Allain, 1999]. L'objectif était avant tout de reproduire les écoulements et les paramètres caractéristiques du transport sédimentaire et de démontrer les possibilités de la modélisation en complément des travaux qui avaient été réalisés [voir par exemple Peiry 1997].

Quelques différences doivent cependant être notées par rapport aux sites étudiés sur la Loire : alors que les études Loire concernaient l'obstruction progressive de bras secondaires, le lit de l'Isère, d'avantage corseté entre ses digues, subit un envahissement progressif des bancs alternés au contact immédiat du lit actif (voir annexe n°11). L'avancement de cette végétalisation, en particulier sur le site de Brignoud, impliquait d'avantage l'étude des conditions d'écoulement et de transport solide sur ces zones secondaires, plutôt que l'étude des conditions de la colonisation et de la fixation des bancs par la végétation.

∗ "végétalisé" et "végétalisation" sont des barbarismes. J'utilise ici ces mots pour tenter d'alléger le texte. végétalisation : processus de colonisation d'une surface par la végétation. végétalisé : qualifie une surface couverte de végétation.

texte de synthèse


Ce travail a été soutenu en 1999 par le Pôle Grenoblois d'Etudes et de Recherche pour la Prévention des Risques Naturels dans le cadre d'une action de recherche (coordonnateur T.D.Nguyen).

Plusieurs constatations ont été faites à la suite de ce travail : - La modélisation permet effectivement reproduire le détail des écoulements (champ de

courant en particulier) et de calculer les paramètres caractéristiques du transport solide (par exemple la distribution des contraintes de cisaillement). Dans la configuration présente (juxtaposition de zones d'écoulement très différenciées) les critères numériques et les paramètres de réglage du modèle doivent être choisis et validés avec soin.

- La végétation en place est le facteur déterminant de ces écoulements. Elle conditionne les pertes de charge et détermine la capacité respective de chaque partie du lit à évacuer la crue. La végétation retient les limons en suspension et chaque crue importante exhausse le niveau des îles.

- Les enjeux sont importants. Sur l'Isère ils concernent principalement les risques de submersion des digues en crue, la fragilisation de ces mêmes digues du fait de la concentration des écoulements, les risques d'embâcles consécutifs à un éventuel arrachage de la végétation arbustive.

Enfin une constatation plus personnelle : - Si le travail universitaire permet effectivement une réflexion plus "sereine", les moyens

disponibles dans le cadre de ce projet ne permettaient pas l'acquisition des données, en particulier topographiques, qui auraient été celles dont j'aurais pu disposer dans le cadre d'une étude d'ingénierie. Cette remarque concerne surtout les relevés bathymétriques du lit de l’Isère.

Du fait des enjeux et de la nécessité d'entretien du lit, nous avons réussi à intéresser dans cette recherche les services opérationnels gestionnaires de l'entretien du lit et des digues (et nous disposons pour la suite du travail des profils récents relevés pour ces services).

Le cadre limité dans lequel ce travail était effectué ne permettait pas de "clôturer" le sujet. L'objectif premier de justification des techniques de modélisation pour l'étude des transports sédimentaires est bien entendu atteint : Ce travail a permis d'initier une recherche pluridisciplinaire de plus grande envergure avec les géomorphologues et les biologistes présents sur le site. C'est le début de cette recherche qui est exposé dans le point suivant.

3.2 Interactions entre les écoulements, les transports solides et la végétation dans le lit des cours d'eau

Le projet FLOBAR "Floodplain Biodiversity and Restoration" (Contrat C.E. ENV4-CT96-0317) a été réalisé de 1994 à 1999 par un ensemble de laboratoires coordonnés par le Département de Géographie de l'Université de Cambridge. Les objectifs de ce programme comprenaient l'étude des conditions hydrologiques et sédimentaires favorables à la végétalisation de certaines espèces végétales.

L'Isère entre La Gache et Grenoble, et plus particulièrement le site de Brignoud, ont fait l'objet d'observations détaillées dans le cadre de FLOBAR. Ces observations ont mis en évidence la transformation des bancs, leur colonisation progressive par la végétation et leur exhaussement progressif. Le travail réalisé par les géomophologues [Vautier, 2000] décrit aussi la variabilité des types et tente une sectorisation dans le tronçon de rivière considéré (environ 60 km). Parallèlement, un travail de recensement de la végétation (espèces, maturité, localisation) a été fait qui met en évidence en particulier la présence et la croissance des différentes espèces avec les conditions hydriques (en particulier la profondeur de la nappe).

Un ensemble de mesures et d'observations étaient donc disponibles sur le site de Brignoud qui permettaient la mise en œuvre directe des méthodes de modélisation exposées ci-dessus. Mais plus encore que la démonstration des possibilités de la modélisation, c'est l'expérience d'un travail pluridisciplinaire qui a motivé l'engagement des recherches sur les interactions entre les écoulements, les transports solides et la végétation.



Il m'a semblé intéressant de compléter les travaux de FLOBAR par une approche hydraulicienne :

- en décrivant les écoulements et le transport solide de façon mécaniste (malgré une bonne dose d'empirisme dans les formulations habituelles);

- en intégrant la variabilité hydrologique.

Les premières étapes de cette recherche ont été de compléter les mesures existantes dans les domaines topographiques, l'enregistrement d'hydrogrammes, la mesure de champ de vitesses, la mesure du volume et de la granulométrie des sédiments déposés sur l'île par les différentes crues.

Les recherches, initiées dans l'action financée par le Pôle Grenoblois d'Etudes et de Recherche pour la Prévention des Risques Naturels, sont poursuivies actuellement dans le cadre du programme "Risque Inondation" du Ministère de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement. Cette approche a aussi été intégrée au nouveau programme FLOBAR 2 "Floodplain Biodiversity and Restoration" soutenu par le Programme Energie, Environnement et Développement durable (contrat C.E. ENK1-CT-1999-00031).

Les travaux s'orientent dans les trois "couples" : - végétation et écoulement; - végétation et transport solide; - transport solide, morphologie et hydrologie.

♦ Végétation et écoulement La végétation ralentit les écoulements. Dans un lit de rivière, les zones végétalisées participent faiblement à l'écoulement des crues. En Loire, la fermeture des bras secondaires est responsable de la hausse des niveaux de crue ; on constate de façon similaire un exhaussement du niveau de l'Isère à Brignoud [Allain, 1999]. Cet exhaussement est-il dû à l'occupation croissante des bancs par la végétation ?

Une première étape a été réalisée par Catherine Allain lors d'un séjour dans le Département de Génie Civil de l'Ecole Polytechnique de Montréal [Allain, 2000]. Ce travail comprenait à la fois une synthèse bibliographique, et des expérimentations (limitées) en laboratoire.

Les approches habituelles, que reflète la bibliographie et en particulier les expériences réalisées (surtout en canal de laboratoire) montrent, malgré la grande diversité des situations et des préoccupations de leurs auteurs deux tendances principales. Ces deux tendances peuvent s'exprimer aussi en deux niveaux d'échelles :

- une approche empirique qui reproduit le point de vue du modélisateur ("Je cherche à caler un coefficient de rugosité Strickler pour ma modélisation…") [Klaasen et Van der Swaard, 1973, Tsujimoto et al., 1996];

- une approche totalement mécaniste, à une échelle fine, qui ferait un bilan des échanges d'énergie et de quantité de mouvement dans la veine fluide [Stone, 1997].

Les travaux actuellement en cours consistent essentiellement en l'acquisition sur l'Isère : - du relevé systématique des niveaux : l’objectif principal est de quantifier les

événements ; on cherchera aussi à confirmer l'évolution de la relation niveau/débit; - du relevé des laisses de crues (niveaux, direction des vitesses) pour le calage du modèle

(rugosité macroscopique, diffusion); - de la mesure des écoulements in situ (mais difficultés d'accès lors des crues); - des enregistrements simultanés des niveaux à Brignoud et Saint-Martin-d'Hères pour

étudier la propagation.

Bien entendu des échanges réguliers ont lieu dans le cadre du projet FLOBAR2 avec les autres équipes du groupe de travail chargé d'étudier "la résistance à l'écoulement dans la ripisylve à partir d'études sur le terrain et de modélisation numérique".

Nous avons actuellement deux objectifs sur ce thème : - satisfaire le niveau macroscopique du modélisateur évoqué ci-dessus; en reprenant les

modélisations bidimensionnelles TELEMAC et en les confrontant aux mesures plus complètes que nous aurons recueillies.

texte de synthèse


- définir une échelle intermédiaire qui rendrait mieux compte des caractéristiques des écoulements dans les milieux végétalisés; mais en restant dans un cadre opérationnel et en cherchant à éviter l'approche fine que j'ai évoquée ci-dessus.

♦ Végétation et transport solide Les crues sont parfois très chargées en sédiments fins (des limons), le ralentissement des écoulements dans la végétation et la structure particulière du profil vertical de vitesse sont favorables au dépôt de limons sur les parties végétalisées du lit.

Une hydrologie exceptionnelle (3 crues majeures en mai 1999, octobre 2000, mars 2001) a provoqué les dépôts successifs de limons sur l'île de Brignoud. En certains endroits, des hauteurs de dépôt dépassant 1 m ont été observées à la suite de la crue de 1999. Les relevés topographiques annuels ont été complétés par des relevés détaillés de l'épaisseur et de la granulométrie de ces dépôts.

L'ensemble des données topographiques, sédimentologiques et de végétation sont regroupées sur un même support topographique pour permettre leur rapprochement. Elles seront exploitées en particulier par deux types de modélisation :

- En continuation de la modélisation bidimensionnelle des écoulements; et en recherchant une cohérence des paramètres déterminants du transport solide avec les dépôts mesurés (quantité et granulométrie).

- Pour valider une formulation bicouche de l'écoulement et du dépôt sédimentaire dans la végétation. Cette formulation a été mise au point et programmée sur le logiciel SEDICOUP à la suite de la synthèse des expressions de la rugosité de végétation et d'une formulation originale adaptée pour le calcul du transport et des dépôts de limons.

♦ Morphologie et hydrologie Le troisième volet de ce projet tente de faire le lien avec le travail et les méthodes des géomorphologues.

L'étude de la végétalisation et de la transformation des îles de l'Isère a été faite par Vautier [2000]. Ce travail décrit en particulier le processus d'exhaussement des bancs. Il distingue dans ces évolutions différents tronçons sur la portion de rivière étudiée.

Notre objectif est de compléter cette analyse (descriptive) par une approche hydraulicienne en abordant et en explorant en particulier les aspects suivants :

- La chronologie et la localisation des exhaussements et de la végétalisation sont-elles explicables par des considérations de pente, de vitesse, de granulométrie ?

- La fréquence de submersion des îles par les crues. Comment évolue-t-elle ? Quels sont les épisodes qui ont provoqué les exhaussements majeurs ?

Pour tenter de répondre à ces questions, une modélisation unidimensionnelle de l'évolution du profil en long et de l'historique de l'évolution morphologique du lit de l'Isère est en cours avec le logiciel SEDICOUP.

♦ Ecoulements, transports solides et végétation : des enjeux pour la gestion et l'entretien des rivières

Ce travail est donc réalisé dans une collaboration pluridisciplinaire : l'hydrologie, la géomorphologie et la biologie. Il faut aussi souligner les efforts pour que cette recherche aboutisse à des résultats opérationnels. C'est une exigence du programme RIO du MATE ; c'est aussi une perspective dans laquelle j'ai engagé cette recherche pour garantir l'intérêt qu'elle pourra susciter chez les praticiens, et plus prosaïquement pour m'assurer de leur soutien pour les projets futurs.

Les thèmes de cette recherche ont fait l'objet d'un séminaire que j'ai organisé en novembre 2000 dans le cadre de la section Transport Solides de la Société Hydrotechnique de France.

L'objectif de ce séminaire était une "confrontation" des perspectives des différents groupes qui sont amenés à intervenir dans les rivières. Il a rassemblé 83 personnes, réparties de façon sensiblement égales dans les trois familles suivantes :



- Les chercheurs, universitaires et étudiants des trois disciplines ont souligné la continuité de l'entretien des rivières dans l'histoire, l'évolution récente, et les différents mécanismes mis en fonctionnement.

- Les ingénieurs des bureaux d'étude qui ont présenté des projets en cours et les méthodes qu'ils ont mises en œuvre.

- Les gestionnaires, représentants d'administrations, de collectivités, de syndicats, avec l'exposé de leurs demandes précises, et souvent de leurs solutions opérationnelles.

Le programme et le résumé des interventions sont présentés sur le site : http://lthent1.hmg.inpg.fr/~belleudy/recher~1/semina~1.htm



4 Perspectives et projets Bien entendu les projets engagés mobiliseront probablement plusieurs années. Les projets que je développe ci-après forment une liste par avance trop ambitieuse. D'autres idées naîtront au fur et à mesure de l'avancement et de la réflexion.

Je précise aussi, parce que je ne l'ai pas fait explicitement auparavant, les directions que je ne souhaite pas poursuivre. Je propose aussi d'autres thèmes connexes que je tenterai de développer dès que l'occasion s'en présentera.

4.1 Engagement modéré dans les grandes échelles (détail) L'explication et la formalisation du transport sédimentaire des matériaux fins, en particulier dans la végétation, "entraînent" vers l'observation détaillée des écoulements et vers des approches qui tentent de rechercher le comportement des particules dans les structures turbulentes de ces écoulements [Yvergniaux, 1990]. Ce domaine de recherche ne correspond pas aux directions et aux objectifs que j'ai fixés (applications opérationnelles, pluridisciplinarité avec les biologistes et les géomorphologues). C'est pourquoi, tout en reconnaissant le bien fondé de ces approches, je ne m'engagerai dans cette voie que de façon "minimale" en ce qui concerne les théories. Je privilégierai dans ce domaine l'observation (sur le terrain actuellement, éventuellement au laboratoire) avec comme objectif une description "macroscopique" et le développement de méthodes plus intégratrices (formulations pour les modèles).

4.2 Désengagement relatif des outils numériques Je ne chercherai pas à développer et à raffiner des codes de calcul et des méthodes numériques. J'ai montré dans les paragraphes précédents leurs possibilités, mais aussi les besoins actuels de validation de ces outils. Je profiterai cependant de mes acquis personnels et de la disponibilité de ces outils et je continuerai une activité de modélisation :

- Parce que les méthodes de validation des outils de simulation font partie de mes objectifs : quelles données ? Comment valider ? Quels résultats ?

- Parce que la modélisation peut être un outil de recherche pour la compréhension des phénomènes, l'étude de la sensibilité et du couplage des processus, et enfin pour guider l'expérimentation.

4.3 Méthodes de validation : données et mesures. On l'a vu, les lacunes les plus importantes pour la validation de la connaissance ou pour la validation des études sont dans le domaine des données et de la mesure.

Ces projets de recherche concernent le développement des capteurs et des moyens de mesure mais aussi la méthodologie de mesure : comment réaliser et comment utiliser la mesure. Avec ces objectifs (recherche et ingénierie), je propose de développer particulièrement les domaines de mesure suivants :

♦ Champ de courant La connaissance de la vitesse de l'écoulement permet de comprendre et d'apprécier les phénomènes liés de transport solide. Pour le réglage des modèles numériques, en particulier bi- et tri-dimensionnels, la bonne reproduction du champ des vitesses est essentielle (la bonne reproduction des niveaux mesurés ne suffit pas). Il n'existe pas actuellement de méthode fiable pour la mesure de cette grandeur qui soit opérationnelle, en particulier aux moments cruciaux de la crue. Les travaux les plus avancés à ce jour sont à ma connaissance ceux de Fujita et al. [1998], qui réalisent une cartographie de la vitesse de surface par analyse d'images. Il existerait aussi un appareil qui permettrait une mesure ponctuelle par radar. Le développement d'un tel dispositif de mesure à distance et surtout son utilisation opérationnelle en recherche et en ingénierie est nécessaire.

texte de synthèse


♦ Caractérisation du début du transport solide Le transport solide par charriage est un phénomène « à seuil » : il ne se produit dans une rivière que si les conditions d’entraînement sont suffisantes.

La mesure et la caractérisation de ces conditions (sous la forme d’un débit liquide minimum en particulier) sont nécessaire pour mes projets exposés ci-après d’étude de la mobilisation des différents matériaux et des différentes régions du lit ( § 4.4) et d’exploration des relations entre le transport solide et l’hydrologie (§ 4.5).

Pour l’ingénieur, l’application directe de ces recherches serait l’amélioration des méthodes de bilan sédimentaire (voir annexe 12)

L’utilisation d’un hydrophone, c’est à dire l’enregistrement et l’analyse des « bruits » à l’intérieur de la veine fluide pourrait être un moyen pour cette mesure. C’est une méthode déjà ancienne, mais les recherches ont surtout concerné la mesure du débit solide lui-même [Rickenmann et al., 1997]. Je compte pour ce projet, qui a donné lieu récemment à un travail exploratoire dans le cadre d’un DEA [Graff, 2001], bénéficier de l’amélioration des capteurs et des méthodes de traitement du signal.

♦ La mesure de l'évolution des fonds au cours d'un événement Développement d’un capteur, et de méthodes pour le suivi de l'évolution du lit et du fond de la rivière au moment de la crue. Les motivations sont développées dans le paragraphe suivant.

4.4 Section en travers, morphologie fluviale et stabilité morphologique du lit Je peux formuler, à propos de ces thèmes, de nombreuses questions :

- Comment se mobilisent les matériaux d'un lit en tresse au moment de la crue ? Comment se détruisent et se reforment les chenaux et les bancs ? Quelle est la modification de stock alluvial associée et quelle est l'implication sur le bilan sédimentaire? Peut-on affiner la notion de débit morphogène ?

- Au-delà des variations, ou de la stabilité, à long terme du lit, quelle est l'ampleur des phénomènes de "respiration" ? A l'échelle d'une crue avec son implication pour les affouillements d'ouvrages et de berges ? A l'échelle de la relaxation après un phénomène exceptionnel ? Dans quelles conditions mobilise-t-on les différentes sources sédimentaires (versants affluents, berges, fond) ?

- Que deviennent ces phénomènes de stockage de matériaux dans les rivières à forte pente ? Quelle est son interaction avec le phénomène des antidunes ?

La définition d'un programme de recherche complet sur l'ensemble de ces thèmes est difficile dans l'état actuel, elle est aussi probablement trop ambitieuse vis à vis des connaissances actuelles et de nos moyens.

Cependant, je propose la mise en place d'un ensemble d'actions d'observation et de métrologie qui serviront dans un premier temps à la préparation des recherches ultérieures.

4.5 Transport solide et hydrologie Ce projet vise à explorer la variabilité temporelle du transport solide en relation avec la variabilité des débits, les échelles de temps des phénomènes de transport solide, la continuité sédimentaire et sa rupture.

Peut-on préciser les conditions de début de transport, les épisodes morphogènes, et en particulier en fonction d’autres grandeurs caractéristiques (la pente du fond, le diamètre moyen bien entendu, mais aussi la superficie du bassin versant, les débits de crue caractéristiques)

On pourrait aussi s’orienter vers une tentative de régionalisation des conditions de début de transport solide, vers la définition d’un indicateur (à la manière du module).

Cette recherche suppose la mise au point préalable d’un moyen de détection du transport solide par charriage (l’hydrophone par exemple). Elle s’appuierait sur des méthodes développées par les hydrologues. Elle s’enrichirait d’une collaboration pluridisciplinaire avec les géomorphologues.



4.6 Qualité des eaux Il s'agit de l'extension des méthodes et des connaissances développées aux problématiques liées aux polluants fixés sur les sédiments. Dans le domaine du transport et du dépôt, des pollutions anciennes (par exemple dans les retenues hydroélectriques sur des rivières traversant des sites industriels anciens), des relations avec l'hydrosystème (biologie). Ce thème est aussi très proche des questions posées en hydrologie urbaine qui concernent la qualité des eaux de ruissellement collectées dans les réseaux d'assainissement en temps d'orage.

Remarquons que ce thème, comme le précédent, a l’avantage de lier ces projets de recherche dans le domaine du transport solide aux autres domaines étudiés au LTHE.

4.7 L'hydraulique des rivières dans une école d'ingénieurs hydrauliciens Bien entendu, ces projets coïncident avec la nécessité de poursuivre (renforcer ? …) à l'Ecole Nationale Supérieure d'Hydraulique et de Mécanique un domaine de compétence traditionnel, celui de l'hydraulique des rivières.

Ce domaine, qui a connu sa gloire au XIXème siècle, et un certain intérêt à l’époque de «l’aménagement du territoire», semble maintenant trop proche de disciplines jugées moins nobles dans le monde de la mécanique

L'hydraulique des rivières semble cependant une recherche vivante dans d'autres pays. Pour les ingénieurs elle reste effectivement un besoin pour l’étude et la gestion des ressources et de l’espace.

annexes - page 43

Annexes

Annexe 1 : Le calcul de la convection dans le logiciel CONDOR.............................................. 44

Annexe 2 : Charriage et suspension.......................................................................................... 47

Annexe 3 : L’étude Danube/Isar ................................................................................................ 50

Annexe 4 : Restauration du lit et des bras secondaires de la Loire........................................... 51

Annexe 5 : Filaire, ramifié, maillé, bidimensionnel, … ............................................................... 53

Annexe 6 : Directions caractéristiques et pondération .............................................................. 54

Annexe 7 : La simulation des grandes durées........................................................................... 56

Annexe 8 : Modélisation du transport solide de matériaux hétérogènes ................................... 58

Annexe 9 : Le rodage d’un modèle de transport solide ............................................................. 62

Annexe 10 : Le transport solide : un sujet multiculturel ............................................................. 64

Annexe 11 : La végétation sur l’île de Brignoud ........................................................................ 67

Annexe 12 : Le bilan sédimentaire............................................................................................. 68

Annexe 13 : Les échelles de temps du transport solide ............................................................ 70

annexes

Annexe 1 : Le calcul de la convection dans le logiciel CONDOR

La convection d'un produit dissous ou en suspension L'objectif est la modélisation du transport et du devenir de traceurs dans une rivière. Par exemple pour étudier l'impact d'une pollution par un rejet accidentel. On se place dans les conditions où les hypothèses unidimensionnelles sont acceptables ; c'est à dire en particulier suffisamment loin du point de rejet (la concentration peut être considérée uniforme dans la section en travers). L'équation suivante décrit les phénomènes de transport, de dispersion et de disparition de la matière polluante :

0SxCD

xCU

tC

2

2

=+∂∂−

∂∂+

∂∂

:(e1-1)

où x, la distance longitudinale et t, le temps sont les variables indépendantes ; C est la concentration (kg m-3) ; U(x,t) est la vitesse du courant; D est le coefficient de diffusion longitudinale (m2s-1) ; S est un terme source (kg m-3s-1). Si l'on connaît les caractéristiques de l'écoulement, on peut alors calculer la concentration moyenne en tout point et son évolution dans le temps. Les principaux éléments qui vont déterminer la qualité du résultat sont les suivants : (a) La qualité de la connaissance des écoulements obtenus dans notre cas par une

modélisation hydrodynamique. (b) La qualité du schéma numérique pour le calcul de la convection en particulier. C'est

naturellement une méthode de caractéristiques qui est utilisée pour résoudre cette étape de convection. Une grille de calcul fixe est généralement adoptée en raison de la variabilité spatiale de la géométrie du lit et de la présence de singularités.

(c) Le traitement des irrégularités et des singularités. Une description des différentes "pathologies" rencontrées dans les schémas aux différences finies est faite par Abbot [1976]. Abbot [1976] et Owen [1984] soulignent en particulier les problèmes de diffusion numérique caractéristiques de la résolution de ce type de problème.

Le schéma de Holly-Preissmann Le schéma numérique aux différences finies proposé par Holly et Preissmann [1977] permet, grâce à une interpolation hermitienne au pied de la caractéristique d'améliorer sensiblement la qualité des résultats quand on s'éloigne de l'optimum que constitue un nombre de Courant Ct égal à l'unité.

xtUCt ∆

∆= , où ∆t et ∆x sont

respectivement les pas de temps et d'espace de la discrétisation. Ce schéma permet de diminuer la diffusion numérique et conserver les fronts "raides". Cette méthode, impose cependant le calcul couplé du gradient longitudinal de

concentration xC

∂∂ .

x

1njC +

∆x

A

∆t

j

t

maille de calcul

n

n+1

njC

n1jC −

j-1 j

discrétisation aux différences finies dans la méthode aux caractéristiques de Holly_Preissmann

annexes - page 45

On ne peut pas respecter toujours la condition Ct<1 La mise en œuvre de la méthode de Holly-Preissmann a été faite dans le logiciel CONDOR [Belleudy, Sauvaget, 1985] et plus tard dans le logiciel SEDICOUP pour le calcul du transport sédimentaire en suspension [Rahuel et al., 1989, Holly et Rahuel, 1990a]. Les premières applications ont été décrites par Wignyosukarto [1986] et Belleudy et Wygnyosukarto [1986]. Dans ces logiciels, l'hydrodynamique est calculée précédemment (CONDOR) ou simultanément (SEDICOUP). Les caractéristiques des modélisations hydrodynamiques imposent parfois de dépasser la contrainte 1Ct0 ≤≤ . Pour permettre sa mise en œuvre, le schéma Holly-Preissmann a été complété par une méthode d'interpolation originale quand le nombre de Courant est supérieur à l'unité. Une interpolation parabolique des valeurs connues au point amont (au pas de temps précédent, mais aussi au temps calculé) permet de rester à chaque fois à l'intérieur du domaine de la maille de calcul considérée. Cette propriété permet une résolution point par point simple et économique, elle permet aussi de prendre en compte l'ensemble des singularités que l'on peut rencontrer dans les modèles opérationnels. Une analyse de la qualité de cette adaptation a été présentée dans [Yang et Belleudy, 1989]. L'analyse du schéma montre en particulier que si l'amélioration est toujours conséquente par rapport à une interpolation linéaire, on ne retrouve cependant pas la même qualité avec Ct>1 qu'avec l'interpolation originale (Ct<1).

Quelques singularités Les mêmes idées qui ont permis cette extension ont été aussi exploitées pour améliorer le calcul en aval des singularités. Par exemple à la limite amont du modèle, on évaluera le gradient CX à partir des variations de concentration et de la vitesse U de l'écoulement.

∆−

=∂∂ +

tCC

U1

xC n

01n

0

Ce qui permet de profiter des qualités du schéma de Holly-Preissmann dès la première maille de calcul. Des relations de conservation appropriées permettent de calculer la concentration à l'aval des singularités (un seuil par exemple) ou des confluences. On appliquera

une méthode similaire pour évaluer le gradient de concentration à l'aval de ces singularités.

∆x

A ∆t

j-1 j

x

t

maille de calcul

n

n+1

1njC +

1n1jC +

−

n1jC −

la méthode des caractéristiques quand le nombre de Courant dépasse 1

∆x

A ∆t

1

x

t

première maille de calcul

n

n+1

1n1C +1n

0C +

n0C

la méthode des caractéristiques à la limite amont

annexes

Diffusion et réaction Enfin dans CONDOR, les processus de diffusion et de réaction ont été résolus par "éclatement d'opérateurs", c'est à dire de manière découplée pour permettre l'utilisation de schémas numériques adaptés. La partie "diffusion" de l'équation (e1-1), associée à l'expression même du gradient de concentration permet d'écrire un système parabolique similaire au système qui résulte de la discrétisation des équations de l'écoulement (Barré-de-Saint-Venant). Il est résolu par la même méthode de double balayage [décrite par Cunge et al., 1980] qui permet de résoudre économiquement le système d'équations contenu dans un réseau maillé. Enfin l'étape de "réaction" résout point par point les termes source :

- dans CONDOR, on tiendra compte en particulier des interactions entre les différentes espèces présentes (par exemple l'oxydation de la DBO et la consommation d'OD)

- dans SEDICOUP, on décrira dans cette étape le dépôt de sédiments en suspension, et l'érosion éventuelle de sédiments du fond, via la couche de transport en charriage.

annexes - page 47

Annexe 2 : Charriage et suspension

Des phénomènes aux caractéristiques très différentes Les matériaux qui composent le lit de la rivière sont exposés à un ensemble de forces exercées par le fluide : des forces de traînée, des forces de pression. Ces matériaux vont rouler sur le fond, éventuellement effectuer des déplacements dans les parties basses de la veine fluide. On estime par exemple que la taille maximum de ces déplacements est de l'ordre de 100 "diamètres". Ce type de transport solide, généralement caractérisé par un seuil est globalement regroupé sous le terme de charriage. La vitesse propre des particules est faible, mais on considérera plutôt le taux de renouvellement des bancs ou la vitesse d'avancée des formes du lit. Les matériaux qui atteignent la partie principale de la veine fluide sont soumis à un autre type de transport : la suspension. Il s'agit en général de particules plus fines (les forces de viscosité sont alors bien supérieures aux forces de gravité). Le matériau se déplace avec le fluide et sensiblement avec sa vitesse. Les quantités de matières transportées sont considérables (par exemple il passe en moyenne 200 tonnes de sédiments par jour sous chaque pont de l'Isère). Dans les deux cas, le moteur du transport solide est le fluide. Une partie de la perte d'énergie (mais laquelle?) est consommée par la mise en transport des matériaux. Différentes formulations empiriques ont été mises au point pour évaluer la capacité de transport. Ces formules sont choisies en fonction du type de matériaux, des conditions d'entraînement, et éventuellement du milieu considéré (par exemple la pente de la rivière).

Une frontière floue Le régions de la veine fluide où se produisent ces différents types de transport sont difficiles à caractériser. Une particule en "saltation" (un charriage un peu prononcé qui fait décoller la particule solide) peut éventuellement atteindre des régions intermédiaires de la veine fluide où elle sera soumise aux mêmes actions que les particules en suspension. [Bravard et Petit, 1997] citent des exemples où des blocs de plusieurs kilogrammes ont été transportés dans la partie supérieure de la veine fluide.

Les échanges avec le fond Le transport par charriage est directement lié aux échanges avec les matériaux du fond. Ce sont donc les conditions de transport locales et la qualité des sédiments du fond qui déterminent le flux de matières transportées. Les matériaux qui sont transportés par charriage sont généralement les matériaux du lit, à l'endroit considéré. Une exception est pour l'ingénieur le signe d'un dysfonctionnement probable. Les matériaux en suspension qui se déplacent à la vitesse du courant ont beaucoup moins d'échanges avec les matériaux du fond. Leur présence dans la veine fluide résulte d'un équilibre entre le poids des particules et l'action de l'agitation turbulente. La distribution spatiale de l'intensité turbulente produit généralement une distribution particulière des matériaux en suspension. Le profil de Rouse est le plus classique . Mais d'autres auteurs ont défini d'autres lois de distribution [compilation dans Yang, 1989]. L'homogénéisation est d'autant meilleure que

l'agitation est importante (caractérisée par exemple par le nombre de Schmidt-Rouse *U4.0Z ω=

Une schématisation des domaines respectifs du transport solide par charriage et en suspension

suspension

charriage

frontière charriage-suspension

annexes

où ω est la vitesse de chute des matériaux considérés et fghS*U = est la vitesse de frottement). Si les conditions d'écoulement sont localement plus calmes (par exemple dans une retenue, dans une zone d'expansion du lit), les matériaux en suspension provenant de l'amont vont "décanter" et rejoindre progressivement le voisinage du fond : les régions du charriage et le lit proprement dit. Inversement une eau claire se chargera progressivement en contact avec un fond formé de particules fines si les conditions d'entraînement sont suffisantes. Ce chargement se produira tant que la capacité de transport n'est pas satisfaite. Dans la plupart des problèmes qu'ils résolvent, les ingénieurs et les géomorphologues négligent le transport en suspension : malgré des flux considérables, les échanges avec le fond sont généralement très faibles. Les matériaux proviennent de l'amont et transitent dans la rivière sans dépôt ni suspension notables. C'est ce que l'on nomme le "wash-load".

Et dans les modèles ? Des formulations adaptées ont été mises au point pour chacun des phénomènes et pour des domaines d'application bien définis (en premier lieu une plage de diamètre et une plage de contrainte). Par exemple, la plus populaire pour les rivières torrentielles est celle de Meyer-Peter et Müller [1948]. Le débit solide s'exprime en fonction des variables qui caractérisent l'écoulement, dans la plupart des cas par l'intermédiaire de la contrainte adimensionnelle de cisaillement θ :

dhS

w

ws

f

ρρ−ρ

=θ

où h est la hauteur d'eau, Sf est la pente de la ligne d'énergie, ρs et ρw les masses volumiques du solide et du fluide, respectivement, d le "diamètre" des sédiments considérés.

validité de différentes formules de transport en fonction de la granulométrie moyenne des sédiments du lit (mm)

Meyer-Peter et Müller

Ackers & White

Van Rijn

Shen & Hung

Engelund & Hansen

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

validité des différentes formules de transport en fonction du régime de transport (contrainte adimensionnelle θ )

charriage prépondérant charriage et suspension

suspension pondérante

transport nul

Shen & Hung

Engelund & Hansen

Van Rijn

Meyer-Peter et Müller

0.01 0.1 1 10

annexes - page 49

Ces formulations permettent de calculer une "capacité de transport" plutôt que le transport effectif. On observera une différence entre le transport effectif et la capacité de transport par charriage au voisinage immédiat de discontinuités (par exemple le chargement progressif d'un écoulement au passage brutal d'un radier bétonné ou rocheux à un fond érodable). Daubert et Lebreton [1967], Bell et Sutherland [1983] ont formalisé des lois de chargement à partir des observations faites en canal de laboratoire (sur des petites distances). Le retard au chargement (et au déchargement) du transport par charriage est en général négligeable à l'échelle d'une rivière; aussi, la plupart des modélisations du charriage identifient cette valeur au transport lui-même. La prise en compte du retard au chargement dans les modélisations peut être cependant justifiée pour des raisons numériques. Un calcul séparé du transport en suspension est nécessaire dans certains cas. Par exemple si on veut étudier les phénomènes propres liés au transport en suspension : bilan à l'exutoire, pollution liée, sédimentation dans le lit majeur, processus créés liés au transport de matériaux fins (dunes par exemple). Un calcul séparé est bien entendu nécessaire dans les cas où le wash-load est susceptible de se déposer : retenues, enlimonage de zones d'écoulement secondaire. Une formulation eulérienne du transport (uni-, ou bi-dimensionnelle) permet alors de prendre en compte effectivement le transport des particules solides en suspension, comme on le ferait pour le transport d'un "traceur" dissout. Les phénomènes de dépôt et de mise en suspension sont ajoutés à cette formulation sous la forme de termes source/puits. Malgré des approches différentes des formulations similaires ont été développées pour les calculs de sédimentologie marine (voir par exemple les formulations de Krone [1962] et Partheniades [1965]). Des formulations du transport total sont parfois aussi utilisées. Une décomposition de la contribution respective de chacun des modes est alors possible : voir par exemple les mesures de Laursen [1958] rapportées par Van Rijn [1984]. L'application de ces formules de transport total est délicate, en particulier dans les modèles, à cause des célérités caractéristiques très différentes des deux modes de transport.

charriage

profil de répartition de concentration en suspension

dépôt/mise en suspension

échanges entre le charriage et la suspension formulé par termes source/puits au travers d'une frontière entre les régions respectives de chacun des modes de transport solide

à l'aval du radier, le transport solide potentiel s'établit progressivement

distance

débit solide potentiel G*

débit solide effectif G : chargement progressif

débit solide

dans cette zone érodée, la pente est moindre et la capacité de transport est nulle

érosion progressive

annexes

Annexe 3 : L’étude Danube/Isar En Bavière, le Danube est une rivière de plaine, aménagée pour la navigation à l'aval de la jonction avec l'aménagement avec le Main et le Rhin. Il reçoit quelque 60 km en aval de cette jonction les eaux, et les sédiments, de l'Isar. Cet apport perturbe le cours du Danube en aval de la confluence : la pente y est localement plus importante, et le surplus de charge solide apporté par l'Isar (50 000 m3 annuellement en moyenne) se répartit sur près de 30 km, obligeant les services de navigation à un entretien permanent du chenal de navigation. La question posée était celle de la modification des conditions de navigation dans le Danube qu'entraînera le tarissement progressif de ce surplus de charge solide qui résultera de l'aménagement de l'Isar à l'aval de Munich. Le modèle décrit les lits du Danube en Bavière et de l'Isar sur une longueur totale de 110 km. Les simulations tentent de reproduire 100 ans d'évolution du lit avec des hydrogrammes reconstitués. Le 'basculement' du profil du Danube sera limité par les phénomènes de pavage.

290

295

300

305

310

315

320

325

2 2402 2502 2602 2702 2802 2902 3002 3102 3202 330distance (km)

élévation(m üM)

0

10

20

30

40

50

60

70f lux solide annuel

(milliers de m3)

Isar pente S=0.001

Danube amont S=0.00012

Danube aval S=0.00027

Profil en long du Danube et de l'Isar en Bavière (altitude du fond du lit). En pointillés (échelle à droite), les flux charriés moyens estimés (à partir des actions d'entretien du chenal navigable). On remarque les apports importants de l'Isar et l'augmentation de pente qui en résulte pour le Danube à l'aval de la confluence (cet effet est lié aussi au fait que les matériaux apportés par l'Isar sont plus grossiers, voir l'annexe 8).

annexes - page 51

Annexe 4 : Restauration du lit et des bras secondaires de la Loire

Les anciens ouvrages de navigation de la Loire Le lit de la Loire a été aménagé au XIXème siècle pour faciliter la navigation. Les "chevrettes", les "duits" sont des épis obliques ou longitudinaux destinés à concentrer l'écoulement au moment des basses eaux où ils permettaient de maintenir des conditions de navigation acceptables. Ces aménagements sont parfois complémentaires des canaux latéraux navigables : à Givry-Fourchambault en aval du Bec d'Allier, ils permettaient de relier l'écluse vers le canal en rive gauche aux fonderies de la rive droite. Sur le site d'Ousson et Châtillon sur

Loire, ils faisaient office de "passage à niveau" pour la navigation sur le canal latéral à la Loire entre 1838 et 1896 (date de construction du pont-canal de Briare). Dans d'autres cas, ils permettaient la concentration des écoulements en basses eaux dans le cadre d'un lit endigué large : île de la Charité/Loire, traversée d'Orléans. En crue, ces ouvrages étaient submergés et ne perturbaient que modérément les écoulements. Le calage de ces ouvrages était particulièrement efficace et leur fonctionnement est resté satisfaisant pendant près d'un siècle. Plusieurs changements ont perturbé ce fonctionnement dans la deuxième moitié du XXème siècle : L'entretien du lit a été négligé : il était assuré traditionnellement par l'essartage des boisements dans le lit pour les besoins de chauffage, dans certains cas pour permettre le halage des embarcations. Le pâturage de certaines îles ou zones d'écoulement de crue a aussi régressé. Le fleuve a subi des extractions massives de matériaux (granulats pour les constructions, les remblais, etc.). Le déficit sédimentaire résultant a provoqué un enfoncement du lit principal, et une transformation des grèves.

Vue vers l'aval depuis le pont de Fourchambault

La Loire à Givry-Fourchambault (document DIREN Centre).

On remarque successivement à l'aval du pont la chevrette de Fourchambault ancrée en rive droite qui conduit les basses eaux devant l'écluse de Givry, puis la chevrette de Givry ancrée en RG qui permettait aux embarcations de rejoindre les usines fe Fourchambault en RD.

photo

annexes

La demande Trois sites ont été étudiés par SOGREAH, avec une méthodologie équivalente dans le cadre du Plan Loire Grandeur Nature. Les objectifs des études étaient les suivants : - Augmenter la protection contre les crues. C'est à dire baisser les niveaux atteints lors des crues

fortes et exceptionnelles débordantes et éviter la fragilisation des berges par le courant. - Favoriser la richesse écologique et piscicole : une flore diversifiée, un classement d'intérêt

ornithologique, de nombreuses frayères à brochet. - Préserver le "patrimoine" paysager et architectural. En particulier proposer des solutions qui

respectent les anciens ouvrages de navigation. Préserver et mettre en valeur le paysage fluvial. Ces deux derniers objectifs étant servis en particulier par un relèvement des niveaux d'étiage de manière à préserver les zones humides pionnières et à restaurer l'écoulement le long des berges.

Les méthodes La première partie de l'étude comprend : - un diagnostic du fonctionnement hydraulique et sédimentaire du site. Il a mis en évidence les pertes

de charge induites par la concentration des écoulements et un déséquilibre des conditions d'alimentation liquide/solide des différents bras, qui conduit à leur fermeture progressive.

- un inventaire des richesses écologiques (milieux, flore, faune) et des sites d'intérêt piscicole, et un recensement des attentes et des demandes des riverains.

Il s'agit bien entendu d'un travail pluridisciplinaire qui a demandé la collaboration de biologistes écologues, d'hydrauliciens, et de géomorphologues. Pour l'étude, particulièrement sensible de la traversée d'Orléans, un conseil en communication a géré les relations avec les élus et le public. Ce diagnostic a permis deux constats (a) l'irréversibilité de la situation actuelle, en particulier du développement d'atterrissements le long des chevrettes (b) le délabrement des ouvrages qui entraîne leur ruine en l'absence d'action. La mise au point progressive des aménagements, de l'aval vers l'amont, et la précision des conditions de réalisation (phasage, conditions de mise en œuvre, procédures de suivi). Enfin, la vérification de la conformité des aménagements proposés vis-à-vis des contraintes environnementales et bien entendu la présentation et l'explication auprès des élus et des riverains. Pour la phase de diagnostic, comme pour la phase de mise au point des aménagements, une modélisation bidimensionnelle détaillée des écoulements a permis de calculer les conditions hydrauliques pour les débits caractéristiques (étiage, débits et crues "morphogènes", crues exceptionnelles). Une expertise sédimentologique a utilisé les résultats de la modélisation pour définir un fonctionnement satisfaisant et qui soit pérenne (en particulier où les conditions hydrauliques aux différents débits assurent l'auto-entretien des chenaux en évitant les atterrissements et le développement de la végétation).

Les aménagements proposés Les ouvrages devront être restaurés et les brèches réparées. Pour certains de ces ouvrages, une modification de la cote de déversement devrait permettre un meilleur équilibre de l'alimentation en matériaux des bras secondaires. Un curage léger et un déboisement de ces bras secondaires permettent de rétablir leur capacité d'écoulement, ainsi que la réalisation de conditions de pente et de vitesse suffisante pour assurer un auto curage et minimiser les actions d'entretien futures. Le calcul montre que ces aménagements permettent d'abaisser de plusieurs dizaines de centimètres les niveaux atteints par les crues.

La restauration de la chevrette des Mantelots à Fourchambault a mis à nu l'ouvrage original. Dans l'arrière plan, la chevrette hâtivement

réparée dans le passé et végétalisée.

annexes - page 53

Annexe 5 : Filaire, ramifié, maillé, bidimensionnel, … La schématisation que l'on peut accepter pour une modélisation dépend de la topologie, des phénomènes étudiées, et de l'échelle de détail recherchée. Ici en quelques schémas le jargon des modélisateurs en hydraulique fluviale.

La modélisation unidimensionnelle repose sur l'utilisation de valeurs moyennes, sinon uniformes, dans la section en travers. Cette section en travers sert parfois à décrire un ensemble de sous-sections de caractéristiques différentes où la définition de valeurs moyennes pour décrire les écoulements constitue schématisation notable. Si le problème posé et son échelle le permettent, la modélisation unidimensionnelle peut être utilisée pour des situations relativement complexes. L'utilisation de relations particulières pour les ouvrages et les nœuds du réseau (confluences) permet de construire des modèles unidimensionnels pour des réeaux ramifiés ou maillés. Le modèle "à casiers", parfois appelé quasi-bidimensionnel permet de traiter les écoulements et le stockage dans la plaine inondable.

Quand un calcul raffiné des conditions d'écoulement est nécessaire, on préfèrera à l'heure actuelle une modélisation bidimensionnelle.

modèle à casier utilisé pour l'étude des écoulements dans la plaine de Baume-les-Dames

maillage bidimensionnel TELEMAC pour l'étude du lit de la Loire à Givry_Fourchambault [d'après Belleudy, 2000]

lit mineur

lit majeur

coteau

point de calcul

section en travers

tronçon de calcul

schéma d'une modélisation fluviale unidimensionnelle

schéma d'une modélisation fluviale maillée

annexes

Annexe 6 : Directions caractéristiques et pondération

Les directions caractéristiques en écoulement unidimensionnel Dans une modélisation unidimensionnelle non permanente, les équations de Barré-de-Saint-Venant (qui décrivent l'écoulement) forment un système hyperbolique de deux équations différentielles à 2 inconnues. Les variables indépendantes sont le temps t et la distance longitudinale x. L'analyse des directions caractéristiques montre que, en écoulement subcritique (nombre de Froude < 1, "écoulement fluvial"), les perturbations hydrauliques se propagent dans les deux directions. C'est le phénomène des "ronds dans l'eau". C'est aussi une expression du "remous hydraulique". Pour calculer l'écoulement, on doit connaître une relation entre les deux variables dépendantes (généralement le niveau et le débit) à chacune des extrémités du modèle.

Les directions caractéristiques en présence de transport solide Dans une modélisation du transport solide, on associe aux équations de l'écoulement l'équation d'Exner qui exprime la continuité solide et éventuellement d'autres équations qui modélisent les autres phénomènes que l'on cherche à modéliser (par exemple pour prendre en compte la granulométrie étendue et le retard au chargement, le système utilisé pour l'étude du Danube comportait 15 équations de 15 inconnues résolues de façon couplée).

Le système d'équations reste hyperbolique et l'on peut pareillement étudier les directions caractéristiques. Pour le système le plus simple (3 équations), on trouvera cette analyse par exemple dans Cunge et al. [1980]. Cette analyse a été étendue en granulométrie étendue et pour des systèmes d'équations plus complets par Rahuel [1988] et Sieben [1997].

Ces analyses montrent que, en écoulement subcritique (Fr<1), l'ensemble des directions caractéristiques qui expriment les phénomènes de transport solide sont dirigées de l'amont vers l'aval. La seule influence aval reste donc celle caractéristique des écoulements.

En écoulement supercritique (Fr>1), l'équation d'Exner (continuité solide) propage une information de l'aval vers l'amont, toutes les autres informations, y compris les deux caractéristiques issues des équations de Barré-de-Saint-Venant, propagent une information d'amont en aval.

t

amont : Q y aval : zf supercritique

limites du modèle

C+

CSC-

C+

C-

CS

x

subcritiqueamont : Q zf aval : y

CSC-

t limites du modèle

C+

C+

C-CS

x

limite amont limite aval

temps

C+

C+

C-

C- C-

distance

courbes caractéristiques C+ et C- dans un écoulement subcrtique (fluvial)

annexes - page 55

Signification physique Le débit solide se propage d'amont en aval. Mais aussi, en régime subcritique, toute perturbation qui pourrait survenir à l'amont. Exemple 1 : si l'on déverse sur le fond un surplus de matériaux, la "bosse" ainsi formée va s'étaler vers l'aval. Exemple 2 : 'un pavage va modifier le transport solide et les érosions à l'aval, mais il ne va pas perturber le transport solide à l'amont. L'érosion et le dépôt "régressifs" ne sont en fait que des conséquences de la modification des conditions hydrauliques. C'est le remous hydraulique (et la caractéristique hydraulique dirigée vers l'amont) qui en est responsable.

La signification et les conséquences de la caractéristique "solide" aval! amont en écoulement supercritique sont plus difficiles à concevoir, et plus délicates à expliquer. La manifestation la plus évidente de cette propriété est le phénomène d'érosion régressive en écoulement supercritique. Selon cette propriété, c'est par un ouvrage aval que l'on stabilise la cote du fond d'un tronçon de pente supercritique. Les antidunes (qui se propagent vers l'amont) [Yalin, 1977] en sont-elles aussi une illustration ?

Conditions aux limites Ces propriétés déterminent les conditions aux limites que l'on doit imposer dans une modélisation. En écoulement subcritique, c'est donc à l'amont du modèle que l'on doit imposer les variables solides (par exemple la cote du fond, le débit solide, la granulométrie) ou des relations entre ces variables.

Dans la plupart des modèles, on ne sait pas imposer, à l'aval du bief ou au travers d'un ouvrage, une condition de débit solide nul. Si on sait le faire dans un barrage réel, c'est que d'autres processus interviennent, qui ne sont pas pris en compte par la modélisation.

Des conséquences sur le traitement numérique des équations Ces propriétés des directions caractéristiques déterminent aussi les conditions de stabilité des discrétisations. On cite souvent l'exemple classique de la stabilité conditionnelle des discrétisations explicites des équations de Barré-de-Saint-Venant.

L'analyse faite par Rahuel [1988] a permis de choisir les pondérations des équations du transport solide dans SEDICOUP (une pondération "aval" dans la plupart des équations : la variation de la cote du fond et de sa ganulométrie sont calculées en fonction du gradient de flux à l'amont du point considéré). Ce qui assure une grande stabilité au calcul.

Inversement dans le cas de l'apparition de conditions faiblement supercritiques, l'utilisation de SEDICOUP avec cette même pondération aval montre le développement d'instabilités numériques (voir les figures 2 et 6 dans [Belleudy, 2000a] jointe à ce rapport).

régime accéléré : érosion régressive pente normale : équilibre

pente normale : équilibre

érosion régressive consécutive au recoupement d'un méandre

annexes

Annexe 7 : La simulation des grandes durées La simulation des grandes durées posera toujours un problème au modélisateur : à l'accroissement des possibilités des ordinateurs, on répond par des systèmes toujours plus complexes, des domaines toujours plus étendus. A partir de quelques exemples (vécus) en hydraulique fluviale, maritime ou d'assainissement, je vais tenter de pointer les difficultés et quelques-unes unes des solutions à la disposition des modélisateurs.

Exemple 1 : je cherche à établir le bilan annuel de rejet de pollution à l'exutoire d'un réseau d'assainissement. Ce bilan annuel sera calculé par la simulation de la série des événements pluvieux sur la période considérée.

Méthode 1 : Je considère différemment (a) les périodes de temps sec : la durée de ces périodes me permet de calculer l'accumulation de la pollution sur les bassins versants amont; (b) les épisodes pluvieux : je calcule dans le réseau les apports, le transfert et les rejets d'eau et de polluant.

Méthode 2 : (a) J'identifie des classes d'événements (par exemple par l'intensité maximale); (b) j'évalue les apports de pollution pour un événement de chaque classe; (c) je calcule le bilan annuel en affectant l'apport type de chaque classe par le nombre d'événements. Cette dernière méthode est difficilement applicable quand plusieurs critères conditionnent le bilan d'un événement: Intensité maximale, durée de la pluie, durée du temps sec précédent l'épisode pluvieux par exemple.

Exemple 2 : je cherche à simuler l'évolution morphologique d'une rivière Cette évolution morphologique va se poursuivre pendant plusieurs dizaines d'années :

Le transport solide est "efficace" pour les débits moyens et forts (supposons que l'ensemble des matériaux du lit soit mobilisé à partir de 200 m3s-1) : l'ensemble des matériaux est mobilisé. Un filtrage que ne retiendrait que ces épisodes forts serait cependant dangereux, parce que le comportement du lit dépend effectivement des phénomènes de pavage que construisent les débits intermédiaires.

C'est pourquoi pour les études du Danube et de l'Allier, nous avons choisi de simuler l'ensemble de la période considérée avec des hydrogrammes réels (ou des reconstitués). Un raffinement

hyétogrammes de pluie

0

50

100

150

200

date

intensité de la pluie (mm pendant 5 mn)

débit Isar (m3/s)

-

200

400

600

800

1 000

j-74 j-75 j-76 j-77 j-78 j-79 j-80 j-81 j-82 j-83 j-84 j-85 j-86 j-87date (années)

annexes - page 57

du programme permet de faire varier automatiquement le pas de temps de calcul en fonction du débit et du transport solide.

Cette option suppose cependant que le comportement hydrosédimentaire sera constant sur la période simulée; des procédures particulières doivent être développées si d'éventuels effets de seuil modifient le fonctionnement du système. Elle oblige aussi à évaluer la sensibilité du comportement à la composition de la série hydrologique.

A cause de l'importance des événements moyens, et surtout de l'importance de la séquence des crues dans les séries, l'analyse de classes d'événements est difficilement envisageable. C'est cependant la méthode utilisée pour les études des ouvrages de la Loire à cause de la complexité complémentaire due au caractère bidimensionnel des écoulements.

Exemple 3 : Superposition de deux phénomènes dont les échelles de temps sont différentes C'est une question qui n'est pas résolue (à ma connaissance). Elle fait actuellement l'objet (à SOGREAH mais aussi dans d'autres bureaux d'étude [Latteux, 1995]) de recherches méthodologiques.

Par exemple je cherche à simuler le comportement à long terme d'un système fluvial sous influence maritime. L'évolution du système est fonction des apports amont (donc de longues séries hydrologiques, qui pourront éventuellement être décomposées en classes d'événements), et des conditions hydrauliques imposées par les marées (que l'on calcule généralement avec un pas de temps faible, de l'ordre de 15 minutes).

Faut-il envisager des échelles de temps différentes pour les phénomènes d'écoulement, de transport, de dépôt ? Doit-on rechercher des analogies méthodologiques avec les simulations sur modèle du laboratoire (recherche de marées équivalentes)?

annexes

Annexe 8 : Modélisation du transport solide de matériaux hétérogènes Le transport par charriage est par essence relié aux matériaux présents sur le fond du lit. Dans les mêmes conditions hydrauliques, les matériaux les plus fins sont transportés plus facilement que les matériaux grossiers. Le débit seuil de début de transport croît quand on considère des granulométries plus importantes (voir figure).

Cette propriété est responsable des phénomènes de tri granulométrique et de pavage.

Tri granulométrique Le dépôt des sédiments à l'entrée d'une retenue illustre le phénomène de tri granulométrique. Les conditions reproduites expérimentalement par Seal et al [1997], et numériquement par Belleudy [2000a] détaillent ce processus.

Les différents types de pavage Si, à partir d'un lit de granulométrie étendue, mais uniforme de l'amont à l'aval, on réalise un équilibre (le flux de sédiments sortant su système est égal au flux de sédiments entrant), on constatera que les matériaux à la surface du lit, au contact de la veine fluide, sont plus grossiers que les matériaux sous-jacents. Et aussi que la granulométrie du mélange transporté est plus fine que la granulométrie de cette couche de surface. C'est le phénomène de pavage dynamique [défini par Parker et Klingeman, 1982]. Il résulte de la meilleure facilité de transport des matériaux fins.

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0 10 20 30 40 50 60 Dow nstream distance (m)

Bedl

oad

trans

port

rate

(k

g/s)

d1 = 0.18 mm��d2 = 0.35 mm��d3 = 0.71 mmd4 = 1.41 mmd5 = 2.83 mmd6 = 5.66 mmd7 = 11.3 mmd8 = 22.6 mmd9 = 45.2 mm

On calcule ici la progression d'un dépôt dans un canal de laboratoire. La figure montre le débit solide de chaque type de sédiment qui constitue le mélange introduit à l'amont. La décroissance des courbes qui leur correspond indique que les sédiments les plus grossiers se déposent dans la partie amont du canal, avant le front de dépôt. Celui-ci, entre les abscisses 20 et 30 est constitué des sédiments moyens. En aval, où les conditions d'écoulement sont relativement tranquilles, on assise enfin au dépôt progressif des sédiments les plus fins

Sensibilité MPM au diamètre

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

débit liquide Q (m3/s)

débi

t sol

ide

Gv

(m3/

s)

d= 0.003 mmd= 0.007 mmd= 0.02 mmd= 0.03 mm

exemple : Durance à CavaillonS0=0.0026b=50m

Sensibilité de la formule de Meyer-Peter et Müller à la taille des matériaux (relation débit solide-débit liquide calculée sur un cas

schématique avec les caractéristiques de la Durance

annexes - page 59

Le pavage statique que l'on appelle aussi armurage [Harrison, 1950, Bray et Church, 1980] provient de l'épuisement des matériaux mobiles et de la protection des matériaux du lit par une carapace de matériaux grossiers. Le phénomène de constitution d'un pavage statique illustré sur le schéma ci-contre.

Sur la figure ci-dessous, on illustre le pavage à l'aval d'un ouvrage dans le lit de l'Isar. L'enfoncement du lit est limité par l'augmentation progressive du diamètre moyen des sédiments du fond. Une crue plus importante peut cependant mobiliser les matériaux qui constituent le pavage; les matériaux plus fins sont découverts; et l'érosion peut reprendre.

La couche mélangée Dans les calculs et les modélisations, les matériaux du lit et en transport sont classés en un nombre fini de "classes granulométriques". Le calcul du transport solide est fait séparément pour chacune des classes. La granulométrie du fond est décrite par les fractions volumiques de chacune des classes de sédiment.

��

��

��

��

-

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.25 - 1 mm 1 - 4 mm 4 - 16 mm 16 - 63 mm

fraction (en masse)

Danube, amont de laconfluenceisar��Danube aval de la confluence

- 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0.1 1.0 10.0 100.0

diamètre (mm)

% passantDanube amont confluence

Danube aval confluence

Isar

décomposition de la granulométrie du Danube en 4 classes

constitution d'un pavage statique par érosion des sédiments fins

Les courbes 7, 9 et 11 montrent les phases d'érosions déclenchées par les crues importantes à l'aval de radiers d e protection du lit. En abscisse le temps en année; la simulation utilise un hydrogramme reconstitué d'une durée de 100 ans.

annexes

Pour décrire la granulométrie des matériaux de la surface, on distingue généralement la couche mélangée qui permet de représenter plusieurs phénomènes :

- Les matériaux brassés au voisinage du fond, par exemple dans une dune. On dira aussi "couche mélangée"

- Les matériaux exposés, disponibles pour le transport solide. C'est l'épaisseur du pavage dynamique, quantifiée en fonction de la granulométrie (donc variable) par Borah, et al. [1982].

- La couche pavée, qui est l'évolution limite du pavage dynamique.

Les modélisations utilisent alors une équation de conservation pour exprimer les variations de la fraction volumétrique βj de chaque classe de sédiment dans la couche mélangée.

Au-delà des significations physiques décrites ci-dessus, il faut aussi reconnaître que cette idée de couche de mélange est un outil numérique.

Il permet par exemple, au cours de processus de dépôt, comme dans [Belleudy, 2000a, 2001], de constituer des strates progressives et de garder la mémoire de la qualité des matériaux déposés.

Cet outil permet aussi de reproduire le transit des matériaux sur les fonds inérodables [Belleudy et al., 1990].

Ce caractère numérique donne cependant à la couche mélangée des propriétés "artificielles". Par exemple un pas de temps trop long entre deux cycles de calcul risque d'épuiser une couche mélangée trop fine. Au contraire, la granulométrie variera peu dans une couche mélangée trop volumineuse ; et on minimisera alors les effets de tri et de pavage.

Masquage et exposition En granulométrie étendue, la capacité de transport solide des particules d'un diamètre donné est modifiée par rapport à ce qu'elle serait si les sédiments étaient uniformes :

- La capacité de transport solide par charriage des sédiments de classe j, est directement reliée à la quantité de sédiments de cette classe exposés au transport;

- Sur la surface, les particules les plus grossières sont généralement plus exposées sur la surface ("elles dépassent"); chacune de ces particules sera plus sensible à l'action du courant, que si elle était entourée de particules semblables. Inversement, les particules les plus fines sont généralement à l'abri, masquées par les sédiments les plus grossiers; on peut cependant imaginer une augmentation de la turbulence derrière les particules grossières, et donc une capacité de transport accrue pour les fines…

L'ensemble de ces phénomènes est généralement décrit par les termes de masquage et d'exposition et doivent être considéré si l'on veut estimer correctement le transport de chaque classe de sédiment.

Les formules de transport solide, généralement établies pour une granulométrie "serrée", et exprimées pour un diamètre moyen (dm ou d50), sont adaptées pour tenter de prendre en compte la présence de sédiments de différentes tailles sur la surface du lit et en charriage. Voici les idées

La variation du volume de sédiments de classe j dans la couche mélangée estcalculée à partir du gradient de charriage de ces sédiments et de la variationd'épaisseur de cette couche mélangée (échanges avec la strate supérieure)

couche mélangée (épaisseur Em)

strate supérieure

charriage Gj

dunes, d'après Yalin, 1977

zone d'érosion

zone de dépot

annexes - page 61

utilisées par SEDICOUP, et à quelques variantes près par de nombreuses modélisations [par exemple Armanini et Di Silvio, 1987] :

a) La capacité de transport solide par charriage des sédiments de classe j, est directement reliée à la quantité de sédiments de cette classe exposés au transport, c'est à dire à la fraction volumétrique βj de la classe j dans la couche de mélange. On écrit naturellement :

( )jjj dGG β= , où ( )jdG est le débit solide calculé pour les sédiments de classe j s'ils étaient seuls présents (granulométrie uniforme).

b) Le masquage et l'exposition sont pris en compte en modifiant la contrainte critique de début de transport pour cette taille de sédiment (c'est généralement une formule à seuil qui est utilisée en charriage), ou-bien en modifiant la contrainte efficace, de façon différente pour chacune des classes granulométriques, par exemple avec la formule de Meyer-Peter et Müller(MPM) :

( ) 23

jj3j

sjj cdgAbG θξ−θ

ρρ−ρ

β= (e8-1)

où A est une constante, b (m) la largeur du lit, g (ms-2) la gravité, ρs et ρωla masse volumique des grains et de l'eau, respectivement, θc la contrainte critique de début d'entraînement θc=0.047 selon

MPM et

jw

ws

fj

d

hS

ρ

ρ−ρ=θ la contrainte adimensionnelle d'entraînement pour les sédiments de

diamètre dj.

Le facteur de masquage ξ j été proposé pour la première fois par Einstein [1950], des variantes ont été proposées par plusieurs chercheurs [Egiazaroff, 1965, White et Day, 1982]. Il est supérieur à l'unité pour les sédiments fins masqués par les sédiments plus grossiers, et inférieur à l'unité pour ces derniers, mieux exposés à la surface du lit.

Enfin quand les conditions d'entraînement sont importantes (au-delà de 3 fois le seuil de début de transport), on peut selon [White et Day, 1982] considérer la disparition de ces effets de masquage et "l'égale mobilité" des différents matériaux.

Une théorie cohérente ? L'équation (e8-1) qui exprime le débit solide de la classe j contient deux facteurs correcteurs pour le calcul des sédiments dans le mélange granulométrique : la fraction βj qui exprime la présence relative de cette classe de sédiments d'une part, le facteur de masquage ξ j d'autre part. Cette équation est intégrée à un système d'équation, où l'on exprime aussi la continuité solide des sédiments j dans la couche mélangée dont l'épaisseur dépend de la composition granulométrique. Ce système d'équation peut aussi comporter une expression de la rugosité (donc de la dissipation d'énergie et de la contrainte d'entraînement) en fonction de la granulométrie de la surface.

Pour se rapprocher encore de la complexité des systèmes que nous cherchons à reproduire, la modélisation peur encore être raffinée; par exemple Di Silvio [1991] propose en outre la décomposition de la couche mélangée en deux sous-ensembles.

Les différentes formulations qui sont utilisées ont été validées par leurs auteurs ; elles modélisent chacune des phénomènes physiques réels. On réalise cependant parfois des outils de simulation comportant de multiples "potentiomètres" très sensibles et difficiles à maîtriser.

Surtout, on doit se poser la question de la cohérence de la juxtaposition de ces formulations dans un système de modélisation, et du danger cumuler leurs effets respectifs par cette juxtaposition.

annexes

Annexe 9 : Le rodage d’un modèle de transport solide

La stabilité du lit de l'Allier Le lit de l’Allier, en aval de Moulins et jusqu’au barrage du Guétin (5 km avant sa confluence avec la Loire) ne montre pas de désordre particulier. La présence de nombreux bancs vifs témoigne d’un transport solide régulier et relativement actif. A l’occasion de l’étude de l’impact sédimentologique du projet de barrage écrêteur du Veurdre, un modèle numérique a été construit et mis au point.

Des sections en travers de la rivière ont été relevées en préalable à cette étude. Ces sections (espacées d’environ 500 m) ont été utilisées pour décrire les points de calcul successifs dans le modèle.

Des résultats de la simulation, dans l’état actuel non aménagé, d’une série hydrologique d’une durée de 10 ans sont montrés sur la figure ci-contre. Les variations calculées de la cote du fond en différents points du modèle reproduisent la relative stabilité de la rivière sur la période considérée et des variations parfois importantes qui correspondent à chaque événement de crue.

Les premiers temps de la modélisation Pour certains points, la première année de simulation montre par contre des variations importantes, que ne peut pas expliquer l’hydraulicité qui n’est pas exceptionnelle. Par exemple à l'abscisse x=14600 on calcule un engravement de 2,8 mètres ; au contraire à l'abscisse x=15200 on assiste à une érosion de près d'un mètre pendant cette première année simulation. Ces anomalies sont plus ou moins importantes, quasi inexistantes pour certaines sections du modèle.

La section x=15200 est située entre deux coudes de la rivière. C’est un seuil entre deux mouilles. La section x=14600 est située à l’aval immédiat d'un pont, où se produit la dissipation de la survitesse provoquée par la contraction de l’écoulement entre les piles du pont. Ces deux sections, comme les autres pour lesquelles le calcul présente cette anomalie initiale, sont en fait façonnées par

une structure d’écoulement particulière (vortex, tourbillons).

Stabilité du lit de l'Allier sur une période de 10 années

Rodage des sections singulières au début du calcul

annexes - page 63

Le modèle est undimensionnel, mais la bathymétrie est tri-dimensionnelle La modélisation unidimensionnelle de SEDICOUP ne reproduit pas ces particularités de l’écoulement. Le calcul de la capacité de transport solide est directement lié à la pente de frottement. Il est donc logique que SEDICOUP cherche à niveler ces singularités.

Plusieurs options pourraient être prises pour prendre en considération ce phénomène :

a) Raffiner le calcul et le niveau de détail. En restant unidimensionnel, une première modification serait de calculer la contrainte de cisaillement à partir de la perte de charge totale : frottements et dissipation singulière (sous la forme d’une formule de Borda par exemple). Mais ceci implique une validation préalable.

b) Reconnaître et accepter cette anomalie ; savoir les limites et en tenir compte pour l’interprétation des résultats ; savoir aussi « vendre » cette schématisation. Nous considérons par exemple ici qu’il s’agit d’un rodage de la topographie réelle, pour la mettre en conformité avec la modélisation unidimensionnelle.

c) Mais alors dira le « client », pourquoi m’avez vous imposé des travaux topographiques coûteux en préalable à cette modélisation ? Certes une modélisation plus schématique encore aurait été possible. Les modélisateurs d’ondes de rupture de barrage en particulier utilisent de telles sections simplifiées.

L’option (b) est à mon avis la plus raisonnable pour le court terme, c'est aussi la moins coûteuse (a) n’est acceptable que si le niveau de raffinement de la modélisation est amélioré de façon homogène ; enfin (c) est séduisant parce qu’il diminue le coût de l’étude. Il constitue cependant un repliement vers une méthodologie plus traditionnelle à base d’outils simples et limités.

La modélisation est fiable, mais seulement pour ce qu’elle calcule. On ne saurait lui faire dire que ce qu'elle calcule effectivement. On peut citer d’autres exemples : - les instabilités du calcul par les équations de Barré-de-Saint-Venant au voisinage d'un front

raide, qui ont été interprétées parfois comme des représentations du ressaut ondulé (ondes de Favre):

- l'interprétation des calculs unidimensionnels ou à casiers pour l'obtention de vitesses d'écoulement dans le lit majeur : cette pratique est courante dans les rapports d'étude, parce que c'est une exigence légale des Plans de Préventions des Risques ; il n'en reste que cette interprétation à partir des calculs qui sont faits habituellement fait une large part à l'expertise de l'ingénieur chargé de l'étude;

- l'extrapolation des niveaux dans le lit mineur à partir d'une modélisation «à casiers » qui rend délicate les tentatives de cartographie à partir des calculs [Cornet et al., 2001].

Réflexion sur un mur : Qaval=00.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

distance (km)

niveau (m)t = 0 st = 360 st = 720 st = 1080 st = 1440 st = 1800 st = 2160 st = 2520 st = 2880 st = 3240 st = 3600 st = 3960 s

annexes

Annexe 10 : Le transport solide : un sujet multiculturel On rencontre des phénomènes de transport solide dans différents milieux : dans les rivières (avec leur diversité), dans les estuaires, dans les environnements artificiels. On trouvera pour chacun de ces domaines des problématiques différentes, qui seront approchées et étudiées pas des communautés scientifiques ou techniques diverses. Cette approche diversifiée (communautés et milieux) a permis le développement d'autant de méthodes et de lexiques particuliers qui ont isolent souvent ces communautés qui travaillent cependant sur le même sujet.

Le transport solide est-il le même dans différents milieux ?

♦ Les fleuves et les rivières Pente, section, hydrologie et granulométrie vont déterminer le type morphologique de la rivière. On distinguera pour schématiser (i) les torrents (ii) les rivières torrentielles, (iii) les rivières de plaine. A chaque type seront associés des problématiques particulières, mais aussi des demandes spécifiques.

Les problèmes seront essentiellement liés à une rupture de la continuité sédimentaire (d'origine naturelle ou anthropique) [Couvert et al., 1999] ; mais on devra considérer la variabilité hydrologique de la rivière ainsi que les échelles de temps caractéristiques des évolutions pour traiter ces questions (voir annexe n°13).

D'autres questions seront relatives à la répartition du transport dans la section en travers : fragilisation d'ouvrages ou d'endiguement par mauvaise répartition des écoulements, maintien des bras secondaires ou de chenaux de navigation, écoulements autour de structures, prises d'eau.

♦ Les retenues Le caractère de l'écoulement change dans une retenue ou un lac. La vitesse d'écoulement chute brutalement. L'écoulement perd son caractère essentiellement unidimensionnel. Les matériaux transportés par la rivière se déposent donc en formant un cône plus ou moins trié. On parlera d'engravement dans certains cas, d'envasement dans d'autres (essentiellement en relation avec la granulométrie des matériaux). Les problèmes posés seront alors les suivants :

- La diminution de la capacité de la retenue et l'altération du fonctionnement des ouvrages (dans le cas par exemple d'un lac de barrage). Par une gestion adaptée des ouvrages, ou par des politiques de chasses ou d'entretien, on cherchera à diminuer ces impacts ou à chasser régulièrement les matériaux accumulés.

- Les questions relatives à la qualité du milieu. En particulier, ces sédiments sont parfois chargés en polluants. Certains ouvrages anciens accumulent des pollutions provenant d'anciennes industries établies en amont [Hopquin, 2000].

Un ouvrage décanteur est une retenue particulière : on cherche ici à provoquer le dépôt des matières solides transportées. Dans ce cas, comme dans les précédents se poseront aussi le problème de l'évacuation et du stockage des produits de curage.

♦ L'assainissement urbain Dans les réseaux d'assainissement, les préoccupations seront liées à la quantité et la qualité des sédiments.

Les dépôts de sédiments se produisent dans certaines conduites, mais surtout dans les singularités et les ouvrages, qui présentent généralement des zones ou l'écoulement est ralenti [Bachoc, 1992].

La charge polluante des matières en suspension est ici critique. On devra savoir l'évaluer pour optimiser le fonctionnement des ouvrages de traitement, et pour diminuer les rejets vers le milieu naturel par temps d'orage.

annexes - page 65

Les lacunes les plus importantes sont dans la quantification et la qualification des matières collectées sur les surfaces drainées et entrant dans les réseaux.

♦ Les domaines estuairiens et côtiers "Les grands mouvements sédimentaires s'effectuent surtout en suspension et affectent principalement les éléments très fins constitués par des particules inférieures à 100 microns avec une prédominance de vases" [Mignot, 1982]. La spécificité provient de la rencontre entre l'eau douce de la rivière et l'eau salée de la mer. On rencontrera de fortes stratifications, mais aussi des cisaillements importants. Le non-spécialiste retiendra le "bouchon vaseux qui concentre matière et pollution. Il sera parfois dérouté par les termes "cohésifs" et "non cohésifs" appliqués aux sédiments : Ils s'appliquent le plus souvent aux sédiments en place (au sol), qui acquièrent par tassement une résistance à l'érosion plus importante. Ils s'appliquent aussi parfois à la propriété qu'ont les sédiments fins en suspension de s'agglomérer et former des amas plus volumineux et dont les propriétés de transport sont différentes; cette propriété est favorisée en milieu salin).

Bien entendu, les formulations utilisées pour calculer le transport solide dans ce domaine côtier ne sont pas le mêmes que pour le domaine fluvial : aux actions des courants s'ajoutent celles de la houle. Alors que le transport en rivière considère en priorité la capacité de transport, les méthodes des spécialistes de ce domaine côtier considèrent plus volontiers les flux de dépôt et de mise en suspension [Krone, 1962, Parthéniades, 1965]. Mais on retrouvera en fait des formulations équivalentes si l'on compare ces formulations à celles qui sont développées pour calculer les échanges des particules fines entre la veine fluide et les sédiments du fond.

Ce qui différencie le transport solide dans ces différents milieux, ce sont les questions posées, les particularités des écoulements, et souvent un couplage du transport solide avec d'autres phénomènes.

Ce qui les rassemblent c'est qu'ils traitent tous de particules solides dans l'écoulement, soumises aux lois de la mécanique.

Le transport solide fluvial : des communautés qui s'ignorent Dans les rivières, doit-on parler de "transport solide" ou de "transport sédimentaire"? Cette question soulèvera dans certains cercles de longues discussions. La diversité des domaines et des préoccupations entraîne aussi un cloisonnement des pratiques que je vais essayer de peindre ci-après.

♦ Hydrologues, hydrauliciens et mécaniciens "Tous ces transports sont régis par les lois de la mécanique" ai-je dit. Mais j'hésiterai lorsque je devrai regarder précisément la structure turbulente de l'écoulement et les interactions entre le fluide et les particules solides. Je préfère une vision macroscopique, qui me permettra d'envisager des domaines plus vastes (ceux qui sont traités par l'ingénieur). Je me classe donc dans cette famille des hydrauliciens.

A cette hydraulique "du XIXème siècle", je rajouterai seulement une dimension temporelle, qui prend en compte le rôle de la variabilité hydrologique dans le processus de transformation du lit des rivières.

annexes

♦ Ingénieurs Ils ne sont plus les "bétonneurs" qu'ils étaient mais les réputations sont difficiles à détruire. D'autant plus qu'ils sont chargés de définir des aménagements, et d'en assumer l'impact. On leur demande aussi parfois de tenter de corriger leurs erreurs passées.

Espérons que la nouvelle génération sera différente de la précédente. Alors que j'essayais de le faire participer à une discussion pluiridisciplinaire, un "ancien" m'a répondu : "Ce sont des géographes et des biologistes ; nous ne parlons pas des mêmes rivières !"

♦ Géographes et géomorphologues Si les mécaniciens regardent parfois les hydrauliciens avec condescendance, ces derniers se vengent sur les "géographes" dont ils critiquent un manque de rationalisme (Ils travaillent sans équations aux dérivées partielles !).

Le travail d'observation qu'ils ont réalisé, et en général leur pratique du terrain leur donne souvent une connaissance très complète et efficace de la gestion de ces milieux [voir par exemple Bravard et Petit, 1997, Peiry, 1997]. Leur approche naturaliste (ou un discours plus accessible ?) les fait aussi souvent préférer aux ingénieurs pour la résolution des problèmes d'aménagements

♦ Latins et anglo-saxons (?) Cette analyse est-elle trop française ? Les frontières semblent moins tranchées dans certains pays, et notamment au Royaume-Uni.

L'approche même des processus semble différente selon les cultures et les habitudes. L'étude de la littérature et des formules de calcul du transport illustre ces différences. Nous traduisons "bed load" par charriage, le transport de fond que l'on doit opposer au transport en suspension. Dans la littérature anglo-saxonne le "bed-load" est le plus souvent un transport total, ou du moins la part du transport solide qui interagit avec le lit de la rivière, dont la présence explique la morphologie du cours d'eau. On lui opposera plutôt le "wash-load", le transport qui ne fait que traverser le tronçon de rivière considéré, sans échange avec les matériaux du lit, parfois arbitrairement défini par une taille limite de sédiments [voir par exemple Brownlie, 1981].

Soulignons aussi que les pratiques, et les motivations sont guidées aussi par les législations. Par exemple celles concernant la gestion de l'engravement des retenues est différente en France et en Suisse.

Enfin, et pour illustrer la richesse de cette diversité culturelle, je tiens à citer la très pragmatique (et très efficace) présentation des différentes formules de calcul du transport solide à l'usage des ingénieurs due au Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau [1990].

Je ne peux conclure cet exposé que par une évidence en soulignant la nécessité d'une approche pluridisciplinaire qui s'enrichit des méthodes et des spécialités de chacun.

Et bien entendu demander l'indulgence du lecteur dans tout le reste de ce rapport pour l'emploi d'un certain vocabulaire, et avec certaines significations, que je partage avec une partie de la communauté, mais certainement pas avec tous.

annexes - page 67

chenal

île de Brignoud

Annexe 11 : La végétation sur l’île de Brignoud

année 10 : débordement en crue

enlimonage progressif des bancs végétalisés

déficit sédimentaire : enfoncement du chenal, fixation des bancs

état initial

Ces îles sont séparées de la berge par un chenal étroit caractéristique, alimenté par l'amont pour des débits intermédiaires (environ 50 jours/an) . Quels sont les facteurs qui garantissent la pérennité de ce chenal ? (ici vu de l'amont en période de fonctionnement et après une crue) En bordure de l'Isère après la crue de

juin 1999. Les strates correspondent aux maxima successifs de la (longue) période de hautes eaux

crue du 22 03 2001

24 03 2001 : dépôts limoneux après la crue. Les laisses de crues sont encore visibles sur la végétation (au niveau de la flèche)

Phot

o En

verg

ure

SA -

janv

ier 2

001

annexes

Annexe 12 : Le bilan sédimentaire

Le transport solide est un phénomène intermittent La capacité de transport est discontinue. Le transport n'est possible que si la contrainte d'entraînement dépasse une valeur minimale (seuil), c’est à dire quand le débit est supérieur au débit critique de début d’entraînement. Pour la basse Durance, avant son équipement hydroélectrique, on a évalué que le transport solide par charriage ne se produisait en moyenne que 111 jours par an.

La courbe des débits classés et la relation G(Q) (débit solide fonction du débit liquide) permettent donc d’évaluer en chaque point la capacité de transport annuelle moyenne. C’est le bilan sédimentaire.

La continuité et sa rupture L'équilibre sédimentaire d'un cours d'eau dépend d'une adéquation entre les trois facteurs suivants :

- l'hydraulicité du cours d'eau; - la granulométrie des sédiments présents dans le lit; - la pente de ce cours d'eau.

Dans l'état naturel et en dehors de toute perturbation, on observera des variations longitudinales faibles de ces trois facteurs et une évolution lente dans le temps (à une échelle de temps géologique).

Une perturbation naturelle mais plus souvent la modification locale de la capacité de transport par un aménagement, va provoquer une réaction de la rivière, plus ou moins rapide en fonction de la capacité de transport et de l’intensité de la perturbation. Le flux solide provenant de l’amont, s’il n’est pas transporté vers l’aval, se déposera dans le lit. Inversement, une augmentation de la capacité de transport vers l’aval se fera au détriment de lit (et des berges) de la rivière. Par l’érosion ou l’engravement, la rivière va modifier sa pente pour mettre en conformité le transport solide local avec les apports liquide et solide (quantité et granulométrie) arrivant de l’amont.

La comparaison du bilan sédimentaire en différentes sections de la rivière traduit cet équilibre et ses perturbations. Cet outil simple permet donc à l’ingénieur de comprendre la rivière, son évolution, de diagnostiquer les perturbations subies et de prévoir les impacts d’une modification de la capacité de transport.

Les figures ci-après illustrent la mise en œuvre de cette méthode pour l'étude du diagnostic du fonctionnement hydrosédimentaire du Rhône. On remarque la diminution générale de la capacité de transport du fait des aménagements hydroélectriques. La diminution de la mobilité entraîne une transformation morphologique du lit. Pour déduire les tendances à l'érosion ou au dépôt, il faut rapprocher les analyse similaires faites sur les apports des affluents.

Comparaison des débits classés à Mallemort

10

100

1000

10000

0.01 0.1 1 10 100 1000

Naturels (1918 - 1958)

Influencés (1972 - 1993)

Débits

Nb de jours

débit de début de transport

6 jours

111 jours

document B. Couvert, SOGREAH, d'après Belleudy, 2001

annexes - page 69

Quelles sont les limites de cette méthode ? En granulométrie étendue, la capacité de transport de chaque type de matériau est différente. La formation éventuelle d’un pavage va modifier cette capacité de transport. Le bilan sur un lit pavé est plus délicat à établir.

L’érosion et le dépôt ne sont pas seulement un phénomène de basculement du profil. La rivière en érosion va emprunter des matériaux à son lit, en enfonçant son lit d’étiage ou bien en érodant ses berges. La théorie du régime [originalement Lacey, 1946, analysé par exemple par Ramette, 1990] a cherché à expliquer l’équilibre des chenaux. Un état de l'art des différentes approches qui ont été faites pour déterminer la largeur « idéale » d’une rivière a été fait par un groupe de travail de l'ASCE [Thorne, 1998].

Sur une échelle de temps plus courte, il serait avantageux de mieux connaître les mécanismes de mobilisation des matériaux du lit au moment de la crue, en particulier la participation des bancs d’un lit en tresse lors d’un destockage.

D’autres questions se poseront aussi dans certains cas plus particuliers : mise en transport de sédiments partiellement consolidés (armurage « cimenté » tels que décrit par Vautier [2000], bancs végétalisés) ; antidunes dans le cas de fortes pentes ; remobilisation de sédiments anciens pollués.

0

100000

200000

300000

400000

500000

Genève

Seyss

el

Loye

tte

Vaugri

s

Saint V

allier

Avigon

Beauc

aire

tran

sit d

es g

ravi

ers

(m3/

an)

050100150200250300

fréq

uenc

e de

cha

rria

ge (j

/an)

capacité de transport par charriage avant aménagements

05000

1000015000200002500030000

Genève

Seyss

el

Loye

tte

Vaugri

s

Saint V

allier

Avigon

Beauc

aire

tran

sit d

es g

ravi

ers

(m3/

an)

0

5

10

15

20

fréq

uenc

e de

cha

rria

ge (j

/an)

capacité actuelle de transport par charriaged'après Couvert et Cortier, 2001

annexes

Annexe 13 : Les échelles de temps du transport solide La rupture de continuité provient parfois d'un déséquilibre des apports (solide et liquide) en provenance des bassins versants. Un événement extrême sur un bassin amont ou dans un affluent produira des conditions particulières qui ne correspondent pas à l’équilibre moyen de cette partie du cours d’eau. On assistera alors pour les crues moins exceptionnelles qui suivront à une relaxation de la rivière sous la forme d’une élimination progressive vers l’aval des conditions de déséquilibre. Les cônes au débouché des torrents de montagne illustrent ce processus.

La discontinuité a le plus souvent des origines artificielles liées aux activités humaines et aux aménagements : par exemple extractions de matériaux, aménagement hydroélectrique, endiguement.

Le cours d'eau retrouve son équilibre initial après plusieurs dizaines d'années. C'est par exemple l'ordre de grandeur du temps nécessaire pour rétablir un transit solide "normal" après la fin des extractions des granulats dans le lit actif. Ce retour à l'équilibre initial peut cependant être compromis si la rivière a développé un style morphologique différent à la suite des perturbations (par exemple le passage d'un lit en tresse à un lit unique) ou bien entendu si la perturbation est durable (par exemple une dérivation des débits par un ensemble d'aménagements

hydroélectriques).

Cette différence entre les échelles de temps caractéristiques des causes (les crues) et les effets (le retour à un équilibre) ont des conséquences sur la perception des phénomènes de transport solide et sur les actions d'aménagement ou les actions correctives.

A l'urgence et à la rapidité de l'onde liquide, il faut associer la perception même du phénomène et la demande d'action qui en résulte. De cette perception aiguë découle des décisions rapides ; les actions annoncées sont souvent spectaculaires et la réglementation est parfois extrême.

La perception du phénomène sédimentaire est en comparaison généralement faible, en proportion directe de sa lenteur apparente. Cette perception dépend aussi du type du cours d'eau, et donc de l'ampleur des phénomènes sédimentaires. Elle est faible pour les fleuves de plaine. La demande conséquente des riverains est exceptionnelle, le plus souvent liée à une attaque ponctuelle de berge. La relation entre la crue et le transport sédimentaire est plus aiguë quand le caractère divaguant du cours d'eau est plus affirmé. Le riverain fait souvent la relation entre la diminution de la section et de la capacité d'écoulement et le relèvement des niveaux en crue. Dans le cas ou cette variation de section d'écoulement est due à un atterrissement, un curage sera demandé, parfois au mépris des équilibres sédimentaires et avec des effets contraires à moyen et long terme.

géologique

glaciaire

curage

respiration saisonnière

crue (apport solide)

crue (eau)

0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 100.000 1000.000 10000.000 100000.000temps caractéristique (années)

extraction, hydroélectricité, aménagement

retour à l'équilibre morphologique après une crue

perturbationsanthropiques

morphologiques et des évènements hydrologiquesLes échelles de temps caractéristiques des variations

références - page 71


Références 1. Abbott, M.B. , 1976 , "Computational hydraulics : a short pathology" , J. of Hydraulic Research, Vol.14,

n°4, pp.271-285.

2. Alcrudo, F. and Garcia-Navarro, P. , 1993 , "A high-resolution Godunov-type scheme in finite volumes for the 2D shallow-water equations" , Internat. J. Numer. Methods Fluids, 16:489--505.

3. Allain, C. , 1999 , "Evolution morphologique du lit des rivières " , Rapport de DEA MMGE, INP Grenoble.

4. Allain, C. , 2000 , "Caractérisation expérimentale de l'écoulement dans une végétation rigide" , Rapport de stage, Ecole Polytechnique de Montréal.

5. Armanini, A., Di Silvio, G. , 1987 , "Erosion-deposition processes in tidal channels with non-uniform bottom materials" , Proceedings 22nd IAHR Congress, Lausanne (Switzerland), Sept 1987, 6p.

6. Bachoc, A. , 1992 , "Le transfert des solides dans les réseaux d'assainissement unitaires" , Thèse, Institut National Polytechnique de Toulouse, France.

7. Bell, R.G. et Sutherland, A.J. , 1983 , "Non equilibrium bed-load transport by steady flow" , J. of Hydraulic Engineering, ASCE, vol.109, n°3, pp.351-367.

8. Belleudy, Ph., et Sauvaget, P. , 1985 , "A New System for Modelling Pollutant Transport in River and Canal Networks" , Proceedings 21ST AIRH Congress, Melbourne (Australia), 19-23 August 1985, theme B: "Fundamentals and computation of 2-D & 3-D flows; transport and mixing in rivers and reservoirs", vol. 2, pp 293-298.

9. Belleudy, Ph., et Wignyosukarto, B. , 1986 , "Mathematical modelling of pollutant transport in water conveyance systems for agriculture" , Intern. Symposium on Water Management for Agricultural Development, Athènes, Grèce, avril 1986.

10. Belleudy, Ph., Holly, F.M., et Einhellig, R , 1990 , "Selected techniques for application of mobile-bed simulation to realistic prototype situations" , IIHR report n°176, University of Iowa.

11. Belleudy, Ph. , 1992 , "Modeling Danube and Isar Rivers morphological evolution (2nd part) : Comparison of field data with modeling results" , Proc. of the 5th International Symposium of River Sedimentation, Karlsruhe, Germany, 6-10 April 1992, Vol III, pp. 1208-1216.

12. Belleudy, Ph. , 1994 , "Last 10 Years' LHF Experience in Developing River Sediment Simulation Software" , International Symposium on East-West, North-South Encounter on the State-of-Art in River Engineering Methods and Design Philosophies, St-Petersburg, Russia, 16-20 May 1994.

13. Belleudy, Ph., Schüttrumpf, H , 1994 , "Modeling Morphological Impact of a Flood Control Dam" , Proc. of the 2nd International Conference on River Flood Hydraulics, Chapter 11 "Morphology", pp. 527-536, York, United Kingdom, 22-25 March 1994.

14. Belleudy, Ph. , 2000a , "Modelling of deposition of sediment mixtures, part 1: analysis of a flume experiment" , Journal of Hydraulic Research , IAHR, Vol. 38, n°6, pp.417-425.

15. Belleudy, Ph. , 2000b , "Restoring flow capacity in the Loire River bed" , Hydrological Processes. vol 14, pp.2331-2344.

16. Belleudy, Ph. , 2001 , "Modelling of deposition of sediment mixtures, part 2: a sensitivity analysis" , Journal of Hydraulic Research , IAHR, Vol. 39, n°1, pp.25-31.

17. Borah, D.K., Alonso, C.V., Prasad, S.N. , 1982 , "Routing graded sediments in streams. Formulations" , J. of the Hydraulic Division, ASCE - vol.108(HY 12).

18. Bravard, J-P., Petit, F. , 1997 , "Les cours d'eau - Dynamique du système fluvial" , Masson & Armand Colin, Paris, 222 p.

19. Bray, D.I., Church, M. , 1980 , "Armored versus paved gravel beds" , J. Hydraulic Division, ASCE, vol.106, n°HY11.

20. Brownlie, W.R. , 1981 , "Compilation of alluvial channel data : laboratory and field" , W.M.Keck Laboratory of Hydraulics and Water Resources, Report KH-R-43B, 209 p.

21. Chevereau G , 1991 , "Contribution à l'étude de la régulation dans les systèmes hydrauliques à surface libre" , Thèse de Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Grenoble, 122 p.

références


22. Chollet, J-P., et Cunge, J.A. , 1980 , "Simulation of unstesdy flow in alluvial streams" , Applied Mathematical Modelling, vol.4, August.

23. Cornet, J-M, Belleudy, Ph., Gautheron, A., Gazul, L, Montgaillard, Marc, et Rouas, G , 2001 , "La cartographie des zones inondables avec OPTHYCA " , Accepté pour publication - Revue Internationale de Géomatique.

24. Couvert, B., Lefort, Ph, Peiry, J.L., Belleudy, Ph., 1999, "La gestion des rivières - Transport solide et atterrissements - Guide méthodologique", Les études des Agences de l'Eau, n°65.

25. Couvert, B. et Cortier, B. , 2001 , "Apports sédimentaires des bassins versants au littoral : les échelles de temps, leurs perturbations (exemple du Rhône)" , Gestion des sédiments : de la source à la mer. Colloque SHF, mars 2001, Lyon.

26. Cunge, J.A., Wegner, M. , 1964 , " Intégration numérique des équations d'écoulement de Barre de St. Venant par un schéma implicite de différences finies. Application au cas d'une galerie tantôt en charge tantôt a surface libre" , La Houille Blanche, no. 1, p. 33-39.

27. Cunge, J.A., Holly, F.M., Verwey, A. , 1980 , "Practical aspects of computational river hydraulics" , PITMAN, reprinted and available from IIHR, the University of Iowa, Iowa City.

28. Cunge, J.A., Holly, F.M. , 1986 , "Development strategy for a one-dimensional mobile-bed modelling system" , 3rd. Int. Symp. on River Sedimentation, March 31-April 4, Jackson, Mississipi, USA.

29. Daubert, A. and Lebreton, J.-C. , 1967 , "Etude expérimentale et sur modèle mathématique de quelques aspects des processus d’érosion des lits alluvionnaires, en régime permanent et non-permanent" , Proc. of XXII congress, IAHR.

30. Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau , 1990 , "Sediment transport in open-channels - Calculation procedures for the engineering practice" , bull.27, Verlag Paul Parey, 1990, 121 p.

31. Di Silvio, P. , 1991 , " Sediment exchange between stream and bottom : a four layer model" , Proc. of the Int. Grain Sorting Seminar. Oct.1991, Ascona-Switzerland. Mitt. der Versuchanstaldt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH-Zürich. - Nr.117, 196-191.

32. Egiazaroff, I.A. , 1965 , "Calculation of non-uniform sediment concentrations" , J. of the Hydraulic Division, ASCE - 91(HY 4), pp.225-247.

33. Einstein, H.A. , 1950 , "The bed load function for sediment transportation in open channels" , Tech.bul. 1026, US Dep. of agriculture, Soil Conservation Service, Washington.

34. Fujita, I., Muste, M. and Kruger, A. , 1998 , "Large-Scale Particle Image Velocimetry for Flow Analysis in Hydraulic Applications" , J. Hydr. Res., 36(3), pp. 397-414.

35. Habersack, H.M., Nachtnebel, H.P., Laronne, J.B. , 2001 , "The continuous measurement of bedload discharge in a large alpine gravel bed river" , J. of Hydraulic Research, Vol.39, n°2, pp.125-133.

36. Harrison, A.S. , 1950 , "The segregation of grain sizes in a degrading bed" , Thesis, Dep. of civil eng., University of California.

37. Holly, F.M.Jr, Preissmann, A. , 1977 , "Accurate calculation of transport in two dimensions" , J. Hydraulic Division, ASCE, vol.103, n°HY11, November, pp.1559-1277.

38. Holly, Jr. F.M. and Rahuel, J-L , 1990a , "New numerical/physical framework for mobile bed modeling, Part 1: Numerical and physical principles" , J. Hydraulic Research, IAHR - 28(4), pp.401-416.

39. Holly, Jr. F.M. and Rahuel, J-L , 1990b , "New numerical/physical framework for mobile bed modeling, Part 2: Test applications" , J. Hydraulic Research, IAHR - 28(5), pp.545-563.

40. Hopquin, B. , 2000 , "Sauviat, ou le barrage enlisé dans les métaux lourds" & "Un casse-tête pour EDF" , Journal Le Monde, mardi 20 juin 2000.

41. Jaeggi, N.R. , 1987 , "Interaction of bed-load transport with bars" , Sediment Transport in Gravel-Bed Rivers, Ed. by Hey, R.D., Bathurst, J.C. and Thorne, C.R., John Wiley and Sons Ldt. - pp.829-841.

42. Karim, M, Kennedy, J.F. , 1982 , "IALLUVIAL : a computer based flow and sediment routing model for alluvial streams and its application to the Missouri river" , IIHR report N°250, University of Iowa.

43. Klaasen, G.J., et Van de Zwaard, J.J. , 1973 , "Roughness coefficients of vegetated flood plains" , J. of Hydraulic Research, Vol.12, n°1, pp.43-63.

44. Krone, R.B. , 1962 , "Flume studies of the transport of sediment in estuarine shoaling processes" , Tech.Rep. Hydraulic Eng. Lab., Iniversity of California, Berckeley.

références - page 73


45. Labadie, G., Ben Slama, E., Chee, P., Rahuel, J-L. , 1991 , "Modélisation monodimensionnelle du transport solide en granulométrie étendue" , XXIV AIRH Congress, Madrid, Spain, 3-13 September 1991, vol.II, pp.403-411.

46. Lacey, G. , 1946 , "A general theory of flow in alluvium" , J. Institution of Civil Engineers, London, vol.27, pp.16-47.

47. Latteux, B. , 1995 , "Techniques for long-term morphological simulation under tidal action" , Marine Geology. 126, 129-141.

48. Laursen, E.M. , 1958 , "The total sediment load of streams" , J. of the Hydraulic Division, ASCE - HY 1.

49. LNEC , 1993 , "Validation document of MOBFLOW, mobile boundary flow model with sediment sorting" , Report ***/93-NHHF, Laboratório Nacional de Engenheria Civil, Lisboa, Portugal.

50. Loy, G., Belleudy, Ph., Kellermann, J., Söhngen, B. , 1992 , "Modeling Danube and Isar Rivers morphological evolution (3rd part) : Range of Uncertainty caused by Scattered Field Data with special Respect to Grain Sorting" , Proc. of the 5th International Symposium of River Sedimentation, Karlsruhe, Germany, 6-10 April 1992, pp. 1217-1227.

51. Meyer-Peter, Müller , 1948 , "Formula for bed load transport". Proc., 2nd IAHR Congress, Stockholm.

52. Mignot, C. , 1982 , "Etude de la dynamique sédimentaire marine, fluviale et estuarienne" , Thèse de Doctorat d'état es-sciences naturelles, Université de Paris-Sud, Orsay.

53. Owen, A. , 1984 , "Artificial diffusion in the numerical modelling of the advective transport of salinity" , Appl. Math. Modelling, Vol.8, April, pp.116-120.

54. Parker, G., Klingeman, P.C. , 1982 , "On why gravel bed streams are paved" , Water Resources Research, vol.18, n°5.

55. Partheniades, E. , 1965 , "Erosion and deposition of cohesive soils" , J. Hydraulic Division, ASCE, vol.91, n°HY1, November, pp.105-139.

56. Peiry, J-L. , 1997 , "Recherches en géomorphologie fluviale dans les hydrosystèmes fluviaux des Alpes du Nord" , Diplôme d'Habilitation à diriger les recherches, U. Joseph Fourier, Grenoble, Octobre 1997.

57. Rahuel, J-L. , 1988 , "Modélisation de l'évolution du lit des rivières alluvionnaires à granulométrie étendue" , Thèse, Institut National Polytechnique de Grenoble, France.

58. Rahuel, J.L. , Holly, F.M., Chollet, J.P., Belleudy, Ph., Yang, G.L. , 1989 , "Modelling of river bed evolution for bedload sediment mixtures" , Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Novembre 1989, Vol. 115, pp. 1521-1542.

59. Ramette, M. , 1990 , "Essai d'explication et de quantification des morphologies fluviales à partir de la théorie du régime" , La Houille Blanche, N°1/1990, pp.43-60.

60. Rickenmann, D., Hofer, B., Fritschi, B. , 1997 , "Geschiebemessungen mittels Hydrophon (hydrophone measurements of bed load transport)" , Oesterreich. Wasserwirtschaft, Wien, Jg.49, Heft 11/12, pp.219-228.

61. Savic, LJ., Holly, F.M.Jr , 1993 , "Dambreak flood waves computed by modified Godunov method" , J. of Hydraulic Research, Vol.31, n°2, pp.187-204.

62. Seal, R., Paola, C, Parker, G., Southar, J.B., Wilcock, P.R. , 1997 , " Experiments on downstream fining of gravel : 1. Narrow-channel runs" , J. Hydraulic Engineering, ASCE - 123(10), 874-884.

63. Sieben, A. , 1997 , "Modeling of hydraulics and morphology in mountain rivers" , Thesis, Delft University of Technology, The Netherlands.

64. Söhngen, B., Kellermann, J., Loy, G. , 1992 , "Modeling Danube and Isar rivers Morphological evolution. Part I : Measurements and formulation" , Proc. of the 5th Int. Symp. on River Sedimentation, Karlsruhe, Germany - Vol 3, 1175-1207.

65. Stone, B.M. , 1997 , "Hydraulics of flow in vegetated channels" , Thesis, Department of Civil and Env. Eng., Clarkson university, Potsdam, NY.

66. Thorne, C. (ASCE Task commitee on hydraulics, Bank, Mechanics, and Modelling of River Width Adjustment) , 1998 , " River Width Adjustment. Part 1 : Processes and Mechanisms ; Part 2 : Modelling" , Journal of HydraulicEngineering, ASCE, vol.124, n°9-sept., pp881-917.

67. Tsujimoto, T., Kitamura, T., Fujii, Y. et Nagakawa, H. , 1996 , "Hydraulic resistance of flow with flexible vegetation in open channel" , J. of Hydroscience and Hydraulic Eng., Jap.Soc.Civil Eng., Vol.14, n°1, pp.47-56.

références


68. van Rijn, L.C. , 1984 , "Sediment transport, Part II : Suspended load transport" , J. of Hydraulic Engineering, ASCE, vol.110, n°11, pp.1613-1639.

69. Vautier, F. , 2000 , " Dynamique géomophologique et végétalisation des cours d'eau endigués : l'exemple de l'Isère dans le Grésivaudan" , Thèse, Université Joseph Fourier-Grenoble 1, Sciences et Géographie.

70. Walther, R. , 2001 , "Modélisation numérique du transport sédimentaire en milieu estuarien" , DRT (Diplôme de recherche Technologique), INP Grenoble.

71. White, R.W., Day, T.J. , 1982 , "Transport of graded gravel bed material" , in " Gravel bed rivers". Ed. by Hey, R.D., Bathurst, J.C. and Thorne, C.R., John Wiley and Sons Ldt. - pp.181-213.

72. Wignyosukarto, B. , 1986 , "Optimisation d'un réseau d'irrigation pour l'évacuation des produits de lessivage des sols" , Thèse, Institut National Polytechnique de Grenoble, France.

73. Yalin, S. , 1977 , "Mechanics of sediment transport" , Pergamon Press, 2nd. edition, chapter 7.

74. Yang Guo Lu , 1989 , "Modèle de transport complet en rivière avec granulométrie étendue " , Thèse, Institut National Polytechnique de Grenoble, France.

75. Yang Guo Lu, Belleudy, Ph. , 1989 , "A New Numerical Scheme for Scalar Transport" , Chinese Journal of Sediment Research, 1989-3, pp. 34-43.

76. Yvergniaux, Ph. , 1990 , "Simulation euléro-lagrangienne du transport de particules solides en suspension dans un écoulement turbulent en canal" , Thèse, Institut National Polytechnique de Grenoble, France.

choix de publications - page 75


Choix de publications

Une sélection des plus "prestigieuses", des plus récentes, des plus personnelles, de celles qui illustrent mon activité d'ingénieur en recherche et de développement

1. Rahuel, J.L. , Holly, F.M., Chollet, J.P., Belleudy, Ph., Yang, G.L., 1989, "Modelling of river bed evolution for bedload sediment mixtures", Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Novembre 1989, Vol. 115, pp. 1521-1542

2. Yang, G.L., Temperville, A., Belleudy, Ph., 1991, "A higher order Eulerian scheme for coupled advection-diffusion transport", Int. J. for Numerical Methods in Fluid, Vol. 12(1), pp. 43-58

Deux publications rédigées à l'occasion des développements de systèmes logiciels de transport sédimentaires.

3. Abou Jaoudé, A., Vauclin, M., Belleudy, Ph., 1991, "A numerical study of infiltration through crusted soils : flat and other surface configurations", Soil Technology, Cremlingen 1991, vol. 4, pp. 1-18

Concrétise ma participation à l'encadrement du DEA d'Adel Abou Jaoudé.

4. Belleudy, Ph., Darlet, L., Sauvaget, P., 1994, "A New Modeller/Client/Decision-maker Interface: Video-animation - Une Nouvelle Interface Modélisateur/ Client/Décideur : l'Animation Vidéo", Journal of Hydraulic Research;, IAHR, Vol. 32 extra issue "Hydroinformatics", pp. 153-160

J'ai développé les techniques de "fabrication" des animations vidéo à partir des résultats de simulation, à une époque où les ordinateurs et leur possibilités graphiques étaient encore relativement limitées (1990). A cette occasion, j'ai aussi travaillé sur la communication des résultats des études vers un public de non spécialistes ainsi que sur la représentativité de tels documents (impact du scénario et des choix graphiques).

5. Belleudy, Ph., 2000, "Modelling of deposition of sediment mixtures, part 1: analysis of a flume experiment", Journal of Hydraulic Research;, IAHR, Vol. 38, n°6, pp.417-425

6. Belleudy, Ph., 2001,. , "Modelling of deposition of sediment mixtures, part 2: a sensitivity analysis", Journal of Hydraulic Research;, IAHR, Vol. 39, n°1, pp.25-31

Un exercice de modélisation numérique d'essais de laboratoire publiés dans le littérature.

7. Belleudy, Ph., 1992, "Modeling Danube and Isar Rivers morphological evolution (2nd part) : Comparison of field data with modeling results", Proc. of the 5th International Symposium of River Sedimentation, Karlsruhe, Germany, 6-10 April 1992, Vol III, pp. 1208-1216.

8. Loy, G., Belleudy, Ph., Kellermann, J., Söhngen, B., 1992, "Modeling Danube and Isar Rivers morphological evolution (3rd part) : Range of Uncertainty caused by Scattered Field Data with special Respect to Grain Sorting", Proc. of the 5th International Symposium of River Sedimentation, Karlsruhe, Germany, 6-10 April 1992, pp. 1217-1227

9. Belleudy, Ph., 2000, "Restoring flow capacity in the Loire River bed", Hydrological Processes. vol 14, pp.2331-2344

Ces trois publications détaillent les méthodes et les résultats de deux études sédimentaires.

10. Couvert, B., Lefort, Ph, Peiry, J.L., Belleudy, Ph., 1999, "La gestion des rivières - Transport solide et atterrissements - Guide méthodologique", Les études des Agences de l'Eau, n°65. ISSN 1161-0425

Je ne suis pas l'auteur principal de cet ouvrage. Je le mentionne ici et j'en reproduits le sommaire et un extrait parce qu'il représente efficacement un aspect important de mes activités d'ingénieur et aussi d'enseignant. Je collabore actuellement à un ouvrage similaire en préparation sur les méthodologies de simulation pour les études hydrauliques.

11. Belleudy, Ph., 1999, "Le réseau hydrographique : propagation, entraînement, transfert/transport", La Houille Blanche, n° 7-8/99 - Crues : de la normale à l'extrême, PP.66-72

Le transport solide en rivière : lacunes de connaissance ... · PDF filesommaire - page...

Documents

Transcript of Le transport solide en rivière : lacunes de connaissance ... · PDF filesommaire - page...