Two-dimensional numerical modelling of bed load transport and fluvial morphology. Validation on two sites on the Loire river and on the Arc river.
Modélisation numérique bidimensionnelle du transport solide et de la dynamique fluviale. Validation sur deux sites en Loire et sur l'Arc.
Résumé
Numerical modelling of morphological evolutions in rivers at a fine spatial scale can be undertaken with models solving the two-dimensional shallow water equations and computing bed load transport and the resulting bed evolution on a mesh representing the topography of the site.
These tools are not widely used in engineering applications yet because there remain large uncertainties on the physical processes to take into account and the corresponding formulations (bed load/suspension, bed forms, graded sediment, bed slope effects ...).
The goal of this work is to assess the possibilities of this kind of tools and to define a methodology for their use. The tool we will use is a commercial modelling package (TELEMAC system) that has most of the necessary functionalities (dry bed, coupling between hydrodynamic and sediment computations, rigid bed, graded sediment...) already implemented.
We will apply this tool on two sites where detailed data are available. One of them is on the Loire river near Fresne-sur-Loire and Ingrandes, the other on the river Arc in Savoie near La Chambre. In both cases, bed load is the main transport process. The periods simulated are floods for which computed bed evolutions are compared to measurements. Longer term simulations (a few years) are also presented in the case of the Loire river. The measured evolutions are well reproduced by the model. The formulations used are coherent between the two cases, but the physical features and processes taken into account are different: dunes in the case of the Loire which is a sand-bed river, graded sediment and bed slope effects in the case of the Arc which is a gravel bed river.
The pertinence of the numerical tool tested is demonstrated, and many advises are presented about the way it should be used. They concern in particular the choice of formulations to represent physical processes depending on the site studied, and the way these formulations should be calibrated with the available data.
These tools are not widely used in engineering applications yet because there remain large uncertainties on the physical processes to take into account and the corresponding formulations (bed load/suspension, bed forms, graded sediment, bed slope effects ...).
The goal of this work is to assess the possibilities of this kind of tools and to define a methodology for their use. The tool we will use is a commercial modelling package (TELEMAC system) that has most of the necessary functionalities (dry bed, coupling between hydrodynamic and sediment computations, rigid bed, graded sediment...) already implemented.
We will apply this tool on two sites where detailed data are available. One of them is on the Loire river near Fresne-sur-Loire and Ingrandes, the other on the river Arc in Savoie near La Chambre. In both cases, bed load is the main transport process. The periods simulated are floods for which computed bed evolutions are compared to measurements. Longer term simulations (a few years) are also presented in the case of the Loire river. The measured evolutions are well reproduced by the model. The formulations used are coherent between the two cases, but the physical features and processes taken into account are different: dunes in the case of the Loire which is a sand-bed river, graded sediment and bed slope effects in the case of the Arc which is a gravel bed river.
The pertinence of the numerical tool tested is demonstrated, and many advises are presented about the way it should be used. They concern in particular the choice of formulations to represent physical processes depending on the site studied, and the way these formulations should be calibrated with the available data.
La modélisation à une échelle fine des évolutions morphologiques à court terme (quelques années au maximum) en rivière est rendue possible par des outils numériques qui résolvent les équations de Saint-Venant bidimensionnelles et calculent le transport solide et l'évolution du lit résultante sur un maillage représentant la topographie du site. Ces outils sont encore peu utilisés en ingénierie car il existe de fortes incertitudes sur les processus physiques à prendre en compte et les formulations à utiliser pour les représenter (charriage/suspension, formes de fond, granulométrie étendue, effet de la pente ...).
Le but de la thèse est de tester les possibilités de ce type d'outils et de définir une méthodologie pour leur application. L'outil utilisé est un code industriel (système TELEMAC) qui dispose de la plupart des fonctionnalités nécessaires dont le couplage entre calculs hydrauliques et sédimentaires, la prise en compte des fonds non-érodables et la granulométrie étendue. La démarche suivie consiste à appliquer ce code à deux cas pour lesquels des campagnes de mesures détaillées sont disponibles. L'un des sites choisis se trouve sur la Loire près du Fresne-sur-Loire et d'Ingrandes, l'autre sur l'Arc en Savoie près de La Chambre. Dans les deux cas le processus de transport dominant est le charriage. Les périodes simulées sont des crues pour lesquelles l'évolution bathymétrique du lit a été mesurée ; dans le cas de la Loire des simulations à plus long terme (quelques années) sont aussi présentées. Les évolutions mesurées sont reproduites de manière satisfaisante. Les formulations utilisées sont cohérentes entre les deux cas, mais les processus pris en compte sont différents : dans le cas de la Loire qui est une rivière de sable il est nécessaire de tenir compte des dunes, alors que dans le cas de l'Arc qui est une rivière de gravier les processus prépondérants sont le tri granulométrique et les effets de pente.
L'intérêt de l'outil a donc été démontré, et des enseignements précieux pour son utilisation ont été dégagés. Ils concernent en particulier le choix des formulations pour représenter les processus physiques, la définition de la complexité minimale nécessaire de ces formulations selon les sites et les objectifs de la modélisation, et la méthodologie de calage de ces formulations à partir des données disponibles.
Le but de la thèse est de tester les possibilités de ce type d'outils et de définir une méthodologie pour leur application. L'outil utilisé est un code industriel (système TELEMAC) qui dispose de la plupart des fonctionnalités nécessaires dont le couplage entre calculs hydrauliques et sédimentaires, la prise en compte des fonds non-érodables et la granulométrie étendue. La démarche suivie consiste à appliquer ce code à deux cas pour lesquels des campagnes de mesures détaillées sont disponibles. L'un des sites choisis se trouve sur la Loire près du Fresne-sur-Loire et d'Ingrandes, l'autre sur l'Arc en Savoie près de La Chambre. Dans les deux cas le processus de transport dominant est le charriage. Les périodes simulées sont des crues pour lesquelles l'évolution bathymétrique du lit a été mesurée ; dans le cas de la Loire des simulations à plus long terme (quelques années) sont aussi présentées. Les évolutions mesurées sont reproduites de manière satisfaisante. Les formulations utilisées sont cohérentes entre les deux cas, mais les processus pris en compte sont différents : dans le cas de la Loire qui est une rivière de sable il est nécessaire de tenir compte des dunes, alors que dans le cas de l'Arc qui est une rivière de gravier les processus prépondérants sont le tri granulométrique et les effets de pente.
L'intérêt de l'outil a donc été démontré, et des enseignements précieux pour son utilisation ont été dégagés. Ils concernent en particulier le choix des formulations pour représenter les processus physiques, la définition de la complexité minimale nécessaire de ces formulations selon les sites et les objectifs de la modélisation, et la méthodologie de calage de ces formulations à partir des données disponibles.
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