Sujet de thèse-LNHE-FR

F32956

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Extrait

Sujet de thèse

« Rétablissement de la Dynamique Sédimentaire dans les Cours

d’Eau Aménagés : Modélisation Physique et Numérique. Cas du

Vieux-Rhin »

Laboratoire d’accueil

Electricité De France (EDF)-Recherche & Développement

(R&D), Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement

(LNHE, Chatou, France)

Encadrement LNHE

Kamal EL KADI ABDERREZZAK

Direction de thèse

Erik MOSSELMAN (Deltares, Delft, Pays-Bas), Catherine

VILLARET (LNHE, Chatou, France)

Durée

3 ans (à partir de la rentrée universitaire 2009)

Mots clefs

: Ecoulement à surface libre ; Expérimentation ; Modèle physique ; Modélisation

numérique bi-dimensionnelle (2-D) ; Restauration, Transport de sédiment

1.

OBJECTIF

La thèse proposée a pour objectif d’évaluer l’efficacité de plusieurs scénarios de recharge

sédimentaire (e.g. érosion maîtrisée des berges, injection de sédiments dans le lit). Pour ce

faire, un modèle physique réduit du Vieux-Rhin sera exploité. La thèse fera également appel

à la modélisation numérique hydro-sédimentaire 2-D charriage.

2.

ENJEUX

Les cours d’eau ainsi que les zones humides qui leur sont associées comptent parmi les

milieux qui sont soumis à de fortes pressions liées à l’action de l’homme et à celle de la

nature (crues importantes,

a fortiori

exceptionnelles). De nombreux aménagements (e.g.

épis, digues, barrages…) ont été construits afin de lutter contre les inondations, de protéger

les riverains contre la divagation du lit, de réduire l’érosion des terres cultivées, de produire

de l’électricité ou encore de faciliter la navigation. Ces travaux d’aménagement ont eu des

effets pervers non prévus, perturbant le fonctionnement hydrologique et morphodynamique

des systèmes fluviaux, et baissant ainsi la valeur écologique des habitats aquatiques.

Rétablir dans les secteurs banalisés une dynamique sédimentaire plus naturelle respectant

les exigences de l’écologie et de la protection contre les crues, tels sont les enjeux actuels

en matière de gestion et de protection des milieux naturels. En France, la loi sur l’Eau

souligne le transport de sédiment comme une composante majeure du fonctionnement des

hydrosystèmes, et affirme que l’utilisation de l’eau doit se faire dans le respect des équilibres

naturels. D’autre part, la Directive Cadre Européenne sur l’Eau fixe l’objectif du "retour au

bon état écologique des cours d’eau" d’ici 2015. Le concept de restauration, consistant à

rendre au cours d’eau son espace de liberté et sa dynamique fluviale, a ainsi émergé et

commence à être appliqué.

Dans ce contexte, et plus précisément sur le Vieux Rhin, EDF projette de rétablir le transport

de sédiment en aval du barrage de Kembs (bief de 50 km de long entre Kembs et Breisach).

Parmi les mesures retenues, il est prévu d’augmenter les débits réservés dans le Vieux Rhin

et de rétablir la dynamique sédimentaire du lit. L’alimentation du Vieux Rhin en sédiments

mobiles peut s’effectuer :

-

par démantèlement des digues et des enrochements qui contiennent le lit ou par

aménagement/démantèlement d’épis afin de favoriser l’érosion des berges et des

terrasses alluviales

-

par la création de formes fluviales artificielles,

-

ou encore par injection de sédiments dans le lit.

3.

ETAT DE L’ART

Bien que le concept de restauration des cours d’eau émerge de plus en plus depuis

quelques années, le choix du/des meilleur(s) scénario(s) pour rétablir la dynamique

sédimentaire reste difficile à définir. En effet, les retours d’expérience pour comprendre

l’entreprise, les conséquences ainsi que les effets des mesures de recharge sédimentaire

(exemples du Mississipi, Danube, Rhône, Loire, Rhin aval) sont insuffisants et ne permettent

pas de rendre compte de l’efficacité de ces mesures et de leurs éventuels effets

indésirables. D’autre part, les progrès récents en mécanique des fluides numérique

permettent d’utiliser les codes de calcul numériques comme outils pour étudier l’efficacité et

l’impact des mesures de recharge sédimentaire sur le comportement morphodynamique des

cours d’eau. Mais la modélisation de l’évolution d’un lit de rivière reste délicate (Cao et

Carling, 2002), particulièrement à des échelles locales ou le recours à une modélisation 2-D

ou 3-D devient nécessaire. En effet, l’approche numérique n’a de sens que si elle adhère le

plus rigoureusement possible à la physique, et les codes de calcul nécessitent souvent le

calage de nombreux paramètres physiques, variables dans le temps et dans l’espace. Ces

paramètres doivent être validés (ou calés sur) par des données de terrain qui ne sont pas

toujours accessibles et précises (particulièrement celles relatives au transport de sédiment).

Afin d’étudier en détail les scénarios de recharge sédimentaire (e.g. érosion maîtrisée,

injection de sédiments dans le lit), de définir la façon de procéder, et d’évaluer l’ampleur du

transport solide et l’extension des érosions, EDF prévoit de construire un modèle physique

réduit du Vieux Rhin au Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement (LNHE) à

Chatou (El kadi Abderrezzak et al., 2009). Le modèle physique permettra de représenter

fidèlement les phénomènes physiques, d’effectuer facilement des mesures et de suivre

l’évolution morphologique du lit. En outre, les mesures obtenues sur le modèle physique

permettront de développer et valider les outils numériques de modélisation du transport de

sédiment dans les cours d’eau.

L’originalité de la thèse se situe dans l’exploitation de deux outils différents et

complémentaires : la modélisation physique et modélisation numérique. L’accent sera

porté sur l’exploitation du modèle physique.

Le modèle physique ainsi que la

modélisation numérique permettent de tester à moindre coût des solutions diverses de

recharge sédimentaire, démarche qui ne peut être effectuée par des tests en grandeur

nature. D’autre part, la modélisation numérique pourrait permettre d’appréhender les effets

des processus qui ne sont pas pris en compte en laboratoire tels que le pavage…

4.

PROGRAMME DE TRAVAIL

4.1

OBJECTIFS SCIENTIFIQUES

La thèse se focalisera sur les axes de travail suivants :

1. Utilisation du modèle physique pour tester des scénarios de recharge sédimentaire et

leurs impacts sur la morphologie du lit. Trois types de scénarios sont identifiés, à

savoir : (i) injection de sédiments dans le lit, (ii) création de formes fluviales

artificielles, et (iii) modification d’épis existants ;ces deux derniers scénarios ont pour

objectif de favoriser l’érosion des berges et des terrasses alluviales. Pour chaque

scénario, les essais sur modèle physique seront réalisés pour différentes situations

de crue et les mesures suivantes seront effectuées :

a. Champs de vitesse.

b. Mesures de topographie du lit.

c. Flux sédimentaire et granulométrie des sédiments.

2. Analyse des mesures: en fonction de l’hydraulique, on examinera l’évolution des

fonds et la formation « éventuelle » de bancs, îlots, mouilles, radiers... Les résultats

obtenus permettront de décrire les processus de remobilisation des sédiments et

d’alluvionnement ainsi que de définir le rendement de chacun des scénarios testés.

3. Modélisation hydro-sédimentaire 2-D du

modèle physique réduit

(code calcul

TELEMAC couplé avec le code de calcul SISYPHE simulant le transport solide)

a. La comparaison des résultats numériques avec les données du modèle

physique permettra d’apprécier les capacités de l’outil numérique à reproduire

les évolutions du fond.

b. En fonction des résultats obtenus, des développements peuvent être

envisagés pour introduire dans le code des processus non pris en compte.

4.2

CALENDRIER

2009-2010- thèse année 1

: bibliographie, connaissance du contexte sédimentaire global

sur le vieux Rhin, analyse des mesures déjà acquises sur le modèle physique (la

construction du modèle est prévue en 2009, avant l’arrivée du doctorant), poursuite des

expérimentations, prise en main des codes de calcul 2-D, et rédaction d’une communication

pour un congrès scientifique.

2010-2011- thèse année 2

: poursuite de l’acquisition de données sur modèle physique,

Rédaction d’un article sur la partie expérimentale de la thèse, et d’un rapport d’avancement.

2011-2012- thèse année 3

: modélisation numérique du modèle réduit à l’aide des codes de

calcul 2-D TELEMAC (hydraulique) et SISYPHE (transport solide), calage et exploitation des

simulations numériques, rédaction d’un article sur les résultats numériques, rédaction du

manuscrit de thèse et soutenance.

5.

COLLABORATION

Le doctorant participera à des actions en partenariat avec des équipes de recherche en

modélisation hydraulique et morphologique, notamment du Cemagref de Lyon (thèse prévue

sur la modélisation numérique du transport solide dans le Vieux Rhin), les partenaires

géomorphologues lyonnais (UMR5600), les services opérationnels et scientifiques d’EDF et

de l’Etat (Diren, Service de Navigation Strasbourg…), ainsi que les partenaires allemands

(hydrauliciens du LWI, services de navigation WSA, BAW, etc.).

6.

PROFIL DU CANDIDAT RECHERCHE

Le candidat doit être titulaire d’un Master Sciences (MSc) ou d’un diplôme équivalent.

Hydraulique fluviale, transport de sédiment, Mécanique des fluides.

Goût pour la physique expérimentale et la modélisation numérique.

Compétences en informatique (programmation Fortran, Matlab/Scillab).

Maîtrise de l’anglais (scientifique), du français (notions).

Le thésard sera basé au Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement (EDF-R&D), 6

quai Watier, 78400 Chatou, France.

7.

COMMENT CANDIDATER

Les candidats doivent soumettre

-

une lettre de motivation

-

un CV détaillé, ainsi que le nom et l’adresse de deux référents

-

le relevé de note du MsC

-

un rapport de stage

à Kamal El kadi Abderrezzak, Tél. [phone], email

[e-mail]

et

Magali JODEAU, Tél. [phone], email

[e-mail]

8.

REFERENCES

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