MORPHOLOGIE, HABITATS ET BIOCÉNOSES : PHYSIQUE ET ÉCOLOGIE FLUVIALE

Cette séquence va être consacrée aux liens entre la physique (la géomorphologie) et l'écologie. On va aborder successivement différentes notions afin de comprendre :

• comment s’expriment ces liens
• comment une modification de la physique influence la qualité écologique
• comment et pourquoi réparer certains dommages physiques enregistrés par le cours d’eau à la suite de différentes pressions humaines

LES SÉDIMENTS CHARRIÉS EN RIVIÈRE. PROCESSUS ET MESURES SUR LE TERRAIN (2)

Protocole de mesure granulométrique de Wolman (vidéo complémentaire)

Voici une petite vidéo complémentaire sur la mesure granulométrique de surface. Une analyse incontournable en géomorphologie fluviale consiste à étudier la taille des sédiments se trouvant à la surface du lit du cours d’eau, en mesurant leur distribution en taille ou distribution granulométrique. La méthode la plus classique et la plus utilisée est la méthode du "Wolman PebbleCount". Ce protocole de mesure consiste à échantillonner une centaine de particules à la surface du lit de la rivière (...)

LES SÉDIMENTS CHARRIÉS EN RIVIÈRE. PROCESSUS ET MESURES SUR LE TERRAIN (1)

Pour comprendre le fonctionnement hydro-sédimentaire d’un cours d’eau et identifier des ajustements fluviaux ou des impacts sur les milieux aquatiques en lien avec des actions humaines, une étape importante du diagnostic géomorphologique consiste à étudier les sédiments grossiers transportés par le cours d’eau. L’objectif de cette séquence est de vous présenter différentes techniques de mesures sur le terrain permettant d’évaluer les caractéristiques de ces sédiments, ainsi que leur mobilité au fil des crues. Je vous présenterai tout d’abord des techniques de mesures granulométriques des sédiments déposés à la surface du lit du cours d’eau, puis une méthode permettant de mesurer la granulométrie des couches de surface et de sub-surface pour diagnostiquer un éventuel pavage du lit. Je vous présenterai ensuite une méthode pour caractériser le colmatage par infiltration des sédiments fins dans ce substrat grossier. Et je vous parlerai enfin des différentes méthodes de mesure du seuil de mise en mouvement par charriage et de débit solide.

LE DIAGNOSTIC GÉOMORPHOLOGIQUE : MESURER LES CHANGEMENTS DE GÉOMÉTRIE ET LES INTERPRÉTER

Dans cette séquence, nous allons voir comment établir un diagnostic géomorphologique en centrant le propos sur l’étude des formes fluviales. La question ici est de savoir comment identifier les changements enregistrés par le cours d’eau.

Pour établir un tel diagnostic, le géomorphologue ne s'appuie pas seulement sur des informations granulométriques ou sédimentologiques prises sur le terrain. Il va utiliser également des données planimétriques et topographiques. Au cours de cette séquence, je présenterai ces données et les informations que l’on peut en tirer, notamment pour établir un budget sédimentaire. Enfin, nous verrons comment l’ensemble de ces informations conduit à un diagnostic géomorphologique.

URBANISATION ET AJUSTEMENTS HYDRO-MORPHOLOGIQUES : VIDÉO COMPLÉMENTAIRE (3)

Vidéo supplémentaire 3 : vigilance sur quelques points méthodologiques

J’aimerais attirer votre attention sur deux points méthodologiques importants lorsque l’on étudie des cours d’eau en milieux urbain et périurbain. Comme vous le savez, la délimitation du bassin et du réseau de drainage est essentielle en hydrologie comme en géomorphologie fluviale. Or en milieu périurbain, leur définition à partir de cartes ou de photos aériennes seules est délicate, compte-tenu de la complexité du réseau de surface et sousterrain, qu’il soit naturel ou artificiel. Un diagnostic sur le terrain et des relevés au GPS sont donc indispensables. Une attention toute particulière doit être portée à la représentation fine du tracé des routes, des chemins, des fossés drainants, des bassins de stockage, du réseau d’assainissement séparatif ou unitaire, et de la position des déversoirs d’orage ou d'autres rejets.

URBANISATION ET AJUSTEMENTS HYDRO-MORPHOLOGIQUES : VIDÉO COMPLÉMENTAIRE (2)

Vidéo supplémentaire 1 : le concept de débit effectif et de débit morphogène.

Pour vous présenter le concept de débit effectif et de débit morphogène, je reprends ici les explications de la publication de Wolman et Miller de 1959. A partir d’une chronique de débit suffisamment longue (plusieurs années), nous pouvons calculer la distribution fréquentielle de débit, avec ici le domaine des crues fréquentes et ici, le domaine des crues rares. On peut superposer à cette courbe une relation débit solide vs. débit liquide. Cette courbe peut être issue d’un calcul théorique (à partir d’une estimation de la pente, la granulométrie, la largeur de la bande active) ou mieux encore, issue de mesures sur le terrain pour de nombreux évènements de crue. Le transport de sédiment a bien entendu lieu uniquement au-delà de ce seuil de charriage. Grâce à ces deux relations, nous pouvons alors estimer la quantité de sédiment que transporte chacun de ces débits dans l’année. Wolman et Miller ont ainsi mis en avant l’idée que les crues fréquentes transportaient le plus de sédiment sur le long terme.

URBANISATION ET AJUSTEMENTS HYDRO-MORPHOLOGIQUES : VIDÉO COMPLÉMENTAIRE (1)

Vidéo supplémentaire 1 : éléments de gestion pour limiter le risque d’incision.

Dans cette vidéo complémentaire, je vais vous présenter quelques éléments de gestion pour limiter le risque d’incision de ces cours d’eau périurbains.

Tout d’abord, si l’on veut limiter directement les incisions, on peut apporter des mesures de correction du cours d’eau. Une première approche consiste donc à stabiliser les berges par des enrochements ou des techniques de génie végétal, ou stabiliser la pente du fond du lit à l’aide de seuils transversaux. Toutefois, ces seuils peuvent poser des problèmes de continuité écologique importante.

Des techniques d’élargissement du lit de la rivière, pour redonner au cours d’eau de la place pour inonder dans des zones à moindre enjeu, peuvent permettre aussi d’abaisser les hauteurs d’eau dans la rivière ainsi que les vitesses dans le lit mineur et de diminuer l’intensité des pics de crues fréquentes par effet de laminage. Ces mesures de ralentissement dynamique ne changeront pas lesvolumes ruisselés, mais pourront écrêter les crues et diminuer le risque d’incision (...)

URBANISATION ET AJUSTEMENTS HYDRO-MORPHOLOGIQUES. ENJEUX, MÉTHODES DE DIAGNOSTIC

Cette séquence abordera un exemple d’ajustement hydro-morphologique en lien avec un changement d’occupation des sols particulier : l’urbanisation.

L’urbanisation est un phénomène global qui progresse très rapidement à travers le monde. Il concerne depuis 2008 plus de la moitié de la population mondiale et en concernera près de 60 % en 2030. Les enjeux socio-économiques et environnementaux associés à ces territoires sont donc considérables. On associe généralement l’urbanisation aux phénomènes d’inondation et de dégradation de la qualité de l’eau des rivières qui se jouent sur des temps plutôt courts. Or à des échelles de temps plus longues se jouent aussi, au fil des crues, des processus d’ajustement morphologique d’incision des cours d’eau urbains en lien avec l’imperméabilisation des sols et le ruissellement des eaux pluviales.

Au cours de cette séquence, j’illustrerai cette problématique en m’appuyant sur les résultats de recherches menées sur le bassin versant de l’Yzeron, un bassin périurbain de 150 km², situé dans la couronne urbaine de Lyon, qui compte environ 2 millions d’habitants. Je présenterai dans un premier temps les enjeux liés aux incisions de cours d’eau en milieu urbain. Je reviendrai ensuite sur des éléments d’hydrologie urbaine et les processus d’ajustements morphologiques en lien avec l’imperméabilisation des sols. Et je vous présenterai enfin une méthode basée sur des mesures de terrain pour diagnostiquer et quantifier ces incisions sur un bassin versant périurbain.

LES AJUSTEMENTS FLUVIAUX. EFFETS MORPHOLOGIQUES DES ACTIVITÉS HUMAINES

L'objectif de cette  séquence est de décrire les ajustements fluviaux et de les illustrer à travers plusieurs exemples.

Nous aborderons d’abord les formes d’ajustement, nous les illustrerons par quelques exemples, puis nous analyserons les facteurs qui les contrôlent ; enfin nous introduirons les notions de sensibilité du cours d’eau et le temps nécessaire à l’ajustement. Nous allons tout d’abord voir quelles sont les évolutions qu'un cours d'eau peut enregistrer. Il peut s'inciser c'est-à-dire, creuser son lit. Inversement, il peut s'exhausser si, par exemple, tout d'un coup il dispose d'une charge plus abondante, comme dans le cas de cette rivière néo-zélandaise où l’exhaussement est tel, qu’il a enseveli un pont (je pense que la photo est très expressive). Il peut aussi se rétrécir ou au contraire s'élargir. Le lit peut se fixer ou au contraire, devenir de plus en plus mobile latéralement. La taille des sédiments de son lit peut aussi évoluer. Ceux-ci peuvent devenir plus grossiers ou aucontraire, ils peuvent devenir plus fins (...)

ÉROSION DE BERGES DANS LE DELTA DU MÉKONG

Cette séquence est consacrée à l’érosion des berges dans le delta du Mékong. Elle se constitue d'une présentation en quatre parties :

• la situation actuelle d’érosion des berges à partir de deux exemples
  
• l’analyse des causes d’érosion de berges dans le delta du Mékong
  
• l’étude du site de Binh Duc comprenant une campagne de mesure piézométrique dans la berge
  
• la simulation hydraulique de l’écoulement dans la rivière

ÉROSION ET STABILITÉ DES BERGES

Cette séquence a trait à l’érosion et à la stabilité des berges de rivières. L’érosion, surtout l’érosion latérale, et l’instabilité des berges peuvent endommager des ouvrages construits le long des berges de rivières, comme des maisons, des ponts, des chaussées, etc., et quelquefois des vies humaines.

La connaissance de base sur ces problèmes devient nécessaire pour les hommes. Cette présentation se compose des quatre parties suivantes :

• les modes d’érosion latérale pour différents types de berges
• les causes d’érosion latérale
• les méthodes de prédiction d’érosion latérale et de stabilité des berges
• quelques conclusions de fin d'exposé

ÉVOLUTION MORPHOLOGIQUE. RÉPONSES DE LA RIVIÈRE.

Dans cette séquence, nous allons parler de l'évolution morphologique des rivières. En fait, la question que nous allons nous poser, c'est de savoir comment la rivière réagit à ses propres modifications naturelles, ou comment elle réagit à des modifications induites par l'homme. Et nous verrons que ce sera l'occasion d'utiliser à peu près toutes les notions hydrauliques et sédimentologiques que nous avons vues dans les cours précédents. Nous allons en fait utiliser un exemple pour comprendre ce qui se passe : l'exemple d'un rétrécissement local, c'est quelque chose qui est assez fréquent par exemple ici, nous avons une rivière de montagne qui est rétrécie pour son passage à travers la ville. Et nous verrons qu'il y a des conséquences hydrodynamiques, mais qu'il y a aussi des conséquences sédimentologiques.

LOIS PHYSIQUES. TRANSPORT SOLIDE PAR CHARRIAGE (5)

Cette séquence aborde le calcul du transport solide proprement dit, en commençant par découvrir comment Meyer-Peter et Müller ont établit leur loi de transport bien connue. Les expériences de Meyer-Peter et Müller ont été menées dans un canal comme celui qui est schématisé ici, dont les parois sont suffisamment lisses pour pouvoir négliger leur rugosité, et muni d’une trappe qui récolte les sédiments transportés par l’écoulement. Différentes conditions d’écoulement uniforme ont été étudiées, correspondant chacune à des débits liquides et solides différents, et avec des grains de diamètres différents. Pour chaque cas, Meyer-Peter et Müller ont d’une part mesuré la profondeur d’eau h et pente de fond S0, dont ils ont pu déduire par la formule de Manning, par exemple, le coefficient de frottement du lit nb, et d’autre part mesuré le transport solide par unité de largeur du canal via le poids déjaugé des grains qui se retrouvaient dans la trappe.

LOIS PHYSIQUES. TRANSPORT SOLIDE PAR CHARRIAGE (4)

Dans cette séquence, nous allons découvrir comment calculer le débit solide charrié. Le débit solide charrié, ce sont les sédiments qui sont transportés par charriage le long du lit des cours d’eau. Cela concerne essentiellement les sédiments plutôt grossiers comme les sables ou les graviers, comme ceux que l’on peut voir sur cette photo qui montre le Rhône tel qu’il coule en Suisse.

Pour cela, avant de nous attaquer directement à la définition du charriage, nous allons commencer par voir quelles sont les formes de fond que l’on peut observer dans le lit des cours d’eau. En effet, celles-ci peuvent avoir une influence considérable sur l’écoulement. Ensuite, nous découvrirons à partir de l’exemple de Meyer-Peter et Müller comment on peut établir une loi de transport solide. Et enfin, nous terminerons cette leçon par quelques questions relatives aux conditions d’application de toutes ces lois.

LOIS PHYSIQUES. TRANSPORT SOLIDE PAR CHARRIAGE (3)

Nous voici donc dans la dernière ligne droite de cette leçon, au cours de laquelle nous allons découvrir les conditions de mise en mouvement des grains sur le lit sédimentaire. Pour cela, il va nous falloir donner quelques définitions. Il existe en sédimentologie une série de variables adimensionnelles caractéristiques qui permettent de définir le seuil de transport. Pour obtenir ces variables il faut procéder à une analyse dimensionnelle. Nous n’allons pas ici faire de démonstration détaillée, mais simplement vous expliquer ce que chacune de ces variables représentent. Je vais donc vous présenter le résultat de cette analyse dimensionnelle. Vous verrez d’ailleurs que plusieurs de ces variables font appel la vitesse u* que nous avons vue précédemment.

LOIS PHYSIQUES. TRANSPORT SOLIDE PAR CHARRIAGE (2)

Plus le débit augmente, plus l’entraînement des grains va être important. Nous allons maintenant caractériser le profil de vitesses type dans un écoulement à surface libre.

Voici une photo d’un écoulement sur lit granulaire prise en laboratoire. On observe que le profil de vitesses qui s’établit dans l’écoulement n’est pas uniforme sur la profondeur. Cela est dû au frottement sur le fond. En effet, l’écoulement exerce une force sur le lit, appelée la force tractrice, qui va tendre à arracher les grains du lit. Mais en retour, le lit exerce une force sur l’écoulement, tendant à le freiner, ce qui provoque le ralentissement de l’écoulement près du lit. Ces forces s’exerçant sur tout le périmètre mouillé de la section, on les représente via une contrainte de cisaillement « tau 0 ». Nous avons donc la contrainte « tau 0 » exercée par le lit sur l’écoulement représentée par une flèche dirigée vers l’amont, puisqu’elle va s’opposer à l’écoulement, et d’autre part, la contrainte « tau 0 » exercée de manière symétrique par l’écoulement sur le lit, etre présentée par une flèche dirigée vers l’aval (...)

LOIS PHYSIQUES. TRANSPORT SOLIDE PAR CHARRIAGE (1)

L’objectif de cette séquence est de vous faire découvrir le transport de sédiments par charriage et de déterminer les conditions de mise en mouvement des grains sur le lit sédimentaire sous l’action de l’écoulement.

A cet effet, nous allons commencer par définir les hypothèses de notre problème et définir les sédiments que nous allons considérer. Ensuite, je vous présenterai les deux principaux modes de transport des sédiments, afin de bien situer ce que représente le charriage. A partir de là, nous pourrons caractériser l’écoulement, notamment en définissant le profil de vitesses type qu’on retrouve dans un écoulement uniforme. Sur cette base, nous allons pouvoir mettre en évidence une série de variables adimensionnelles très utiles en sédimentologie pour caractériser le transport solide. Nous aurons alors à notre disposition tous les outils nécessaires pour, à partir du diagramme de Shields – Van Rijn, déterminer les conditions nécessaires de mise en mouvement des grains sur le lit. Enfin, nous terminerons tout cela par un exemple concret qui vous permettra de mettre en application ces nouvelles connaissances.

PRÉDICTION D’INONDATION AVEC TELEMAC 2D

Cette séquence est consacrée à l’application du modèle Telemac 2D à la prédiction de l’inondation à Hô-Chi-Minh-Ville, cas où il y a une rupture du barrage de Dau Tieng.

Cette présentation comprend 5 parties : la première partie est une présentation au réservoir de Dau Tieng ; la partie suivante présente une introduction au Telemac 2D ; il s'en suivra une modélisation du problème puis les résultats obtenus ; enfin quelques conclusions seront données en clôture de cette séquence.

LA MODÉLISATION HYDRAULIQUE EN PRATIQUE

Les étapes de sa mise en œuvre. Ses limites.

Cette séquence aborde les différentes étapes requises pour la mise en œuvre d’un modèle hydraulique sur le terrain. La première étape consiste à effectuer un diagnostic hydraulique complet de la rivière. Ce diagnostic guidera alors notre choix de modèle et donc la collecte de données d’entrée nécessaires à sa mise en œuvre. Viendra ensuite l’étape de calage et de validation du modèle. Cette étape permet d’assurer une cohérence entre les résultats du modèle et les observations de terrain. Enfin, une dernière étape consiste à tester la sensibilité du modèle, afin de prendre en compte les incertitudes sur les données d’entrée. Cette étape est incontournable si l’on veut disposer d’un outil d’aide à la décision robuste pour une bonne gestion des cours d’eau. En effet, seuls les hydrauliciens les plus inexpérimentés peuvent encore afficher une confiance aveugle dans les résultats de leur modèle.

MODÉLISATION HYDRAULIQUE À SURFACE LIBRE

Principes et applications. Choix des modèles.

Cette séquence aborde l’utilisation et l'application des équations de base utilisées en hydraulique fluviale : c’est l’étape de la modélisation hydraulique.

Elle se focalise tout d’abord sur les enjeux de la modélisation hydraulique ; elle présente ensuite la structure des modèles et les équations physiques que l’on choisira en fonction des objectifs de l’étude et du site d’étude. Elle finit sur un exemple pour illustrer cette structure générale des modèles et les données  d’entrée nécessaires.