Modèles hydro-sédimentaires
Les modèles hydro-sédimentaires développés pour le compte du GIP Loire Estuaire constituent des outils performants de représentation des processus physiques et d'évaluation des projets ou des évolutions tendancielles.
Modèle HySQEL - Hydro-Sédimentaire et de la Qualité des eaux de l’Estuaire de la Loire
Intérêt d'un tel outil
La complexité des processus physiques estuariens, dans l’eau, liés aux sédiments, nécessite de disposer d'un outil représentant leurs interactions. Le modèle HySQEL succède au précédent modèle hydro-sédimentaire dans le triple objectif :
- d’affiner la représentation de la dynamique hydrosédimentaire à l’échelle de l’estuaire ;
- d’affiner la représentation des dragages d’entretien et les immersions (clapages) à la Lambarde, liés à l’activité portuaire, pour garantir le maintien des profondeurs d’eau - Composante sédimentaire ;
- de représenter l’oxygénation des eaux
Le modèle HySQEL s’étend de Saint-Florent-le-Vieil (49) jusqu’à plus d’une centaine de kilomètres au large de Saint-Nazaire (44).
Emprise géographique du modèle HySQEL
Cet outil constitue une amélioration, un redéveloppement et une extension par rapport au précédent modèle 3D hydro-sédimentaire, élaboré de 2009 à 2012. Il est mobilisé pour l’accompagnement de divers projets pour le fleuve et son estuaire.
Mise au point de l'outil
Le développement du modèle HySQEL a été confié au bureau d’études ARTELIA. Il est réalisé sous le Système Open TELEMAC-MASCARET (EDF R&D). La construction a débuté en 2021 et l’outil continue à être complété au fil des projets.
La modélisation hydro-sédimentaire se compose :
- d’un modèle global, de Saint-Florent-le-Vieil jusqu’au large de Saint-Nazaire, comprenant le lit mineur et la plaine alluviale submersible lors de vives eaux, entre Le Pellerin et Donges (44) ;
- d’un modèle raffiné de l’estuaire externe sur la partie littorale pour mieux représenter les phénomènes de déferlement ;
- d’un modèle de stabilité sur le site de la Lambarde pour évaluer la conservation des sédiments immergés suite aux dragages d’entretien du chenal de navigation et des accès portuaires.
La modélisation de la qualité des eaux s’est concentrée actuellement sur un modèle oxygène dissous couplé au modèle global. Il est envisagé à l’avenir de l’améliorer et de l’élargir à d’autres paramètres, tels que les nutriments.
Le maillage comporte en 3D, environ 655 000 nœuds de calcul. Il est réduit en 2D à environ 55000 nœuds.
Les sédiments sont réprésentés avec un type de vase réparti en 16 couches de concentrations différentes et une classe de sable, qui n’est pas transporté (remis dans le remplissage initiale).
Les forçages amont comprennent les débits liquides (Loire et affluents) et les débits solides (Loire et Èvre). Les forcages aval comprennent la marée astronomique, le niveau moyen marin (press. atm.), la houle et le vent.
Les processus représentent :
- dans la colonne d’eau la stratification verticale des courants, le gradient de salinité, la vitesse de chute avec les phénomènes de floculation-défloculation des sédiments fins, et - de manière simplifiée - l’oxygénation ;.
- à l’interface eau/sol, les phénomènes de dépôt/érosion, et les dragages d’entretien liés au chenal de navigation et aux installations portuaires ;
- dans le sol : le tassement des sédiments avec le modèle de consolidation et le phénomène de glissement.
Ces processus peuvent être calculés sur des cycles courts de quelques marées jusqu'à plusieurs années.
Selon les études,le modèle HySQEL peut ainsi être mobilisé en 2D, 3D et en différentes configurations. Les couplages de TELEMAC-3D s’opèrent avec TOMAWAC (houle), GAIA et TRANSPOR2004 1DV (gestion du sol) et WAQTEL (qualité de l’eau).
Un Comité d’Experts (COMEX) a été invité à suivre le développement. En parallèle, le CEREMA (Compiègne) et le GIP LE ont conclu un partenariat technique et scientifique.
Exploitation de l’outil
Le modèle HySQEL a été exploité en 2022 et 2023 pour plusieurs simulations :
- trois modélisations hydro-sédimentaires sur deux mois d’étiage sévères à débit fixé à 110, 90 et 80 m3/s par comparaison de l’étiage sévère 2019.
- L’objectif étant d’analyser la remontée, le temps de présence du bouchon vaseux et de son panache, en particulier au droit des prises d’eau en Loire destinées à l’alimentation en eau potable ;
- des modélisations d’oxygène dissous sur 4 mois d’étiage (2018) avec, et sans action de dragage d’entretien.
- L’objectif est de suivre les conditions d’oxygénation au cours de l’étiage et d’estimer l’effet de la remobilisation des sédiments par dragage, et donc de la matière organique sur l’oxygénation de l’eau ;
- modélisation hydro-sédimentaire des dépôts de dragages d’entretien immergés en mer à la Lambarde sur 13 ans (2021-2034).
- L’objectif est d’évaluer la stabilité de ce site de clapage ;
- l’analyse sédimentaire de l’estuaire de la Loire, dans le cadre du renouvellement de l’autorisation des opérations de dragage d’entretien et d’immersion des matériaux en mer.
- L’objectif est d’approcher le bilan sédimentaire de l’estuaire de la Loire pour suivre parallèlement la dynamique sédimentaire du bouchon vaseux et celle des sédiments clapés à la Lambarde, au cours d’une année hydrologique.
Rapports d’étude d’ARTELIA
Construction, calage et validation du modèle global 3D hydrosédimentaire et oxygène dissous
Annexe 1 : Vues générales maillage / bathymétrie
Annexe 2 : Résultats du calage hydrodynamique
Annexe 3 : Résultats de la validation hydrodynamique
Annexe 4 : Calage et validation salinité
Annexe 5 : Calage et validation houle
Annexe 7 : Calage et validation du modèle d’oxygène dissous sur l’été 2019
Construction, calage et validation du modèle raffiné estuaire externe
Modèle hydro-sédimentaire en 3D de l'estuaire de la Loire
Intérêt d'un tel outil
La définition d'un scénario de rééquilibrage du fonctionnement hydro-sédimentaire de l'estuaire de la Loire a nécessité de disposer d'un outil de représentation des processus physiques à l'oeuvre dans l'estuaire.
Cet outil a été développé en trois dimensions afin de pouvoir représenter les gradients de salinité sur la verticale et la dynamique sédimentaire du bouchon vaseux.
Il permet de représenter le fonctionnement hydraulique (niveaux, courants), la salinité, ainsi que les matières en suspension. Ces processus peuvent être calculés sur des cycles courts de quelques marées jusqu'à une année hydrologique complète.
Ce modèle hydro-sédimentaire couvre un champ géographique large intégrant le lit mineur entre Saint-Nazaire et Ancenis, la plaine alluviale submersible entre Le Pellerin et Donges et le domaine maritime jusqu'à quarante kilomètres au large.
Emprise géographique du modèle 3D
Mise au point de l'outil
L'outil, dans sa forme actuelle, a été mis au point en 2008-2009 par le bureau d'études français Artelia, encadré dans son travail par un comité d'experts international. Il résulte de l'évolution progressive d'un outil développé à partir de 2004 en 2 dimensions. Il est construit à l'aide du logiciel Telemac, et s'est appuyé sur les référentiels topographiques et bathymétriques du groupement. Il a bénéficié également d'importantes campagnes d'acquisition de données hydrologiques pour son calage et a été validé sur des séries de données longues produites par le réseau de mesures en continu SYVEL. Différentes données de forçage (marée, débits de la Loire, houle, vent, apports de sédiments) sont prises en compte pour faire fonctionner le modèle.
Il est disponible en deux versions : un modèle global pour étudier les phénomènes à l'échelle de l'estuaire et un modèle fin permettant de représenter de manière très précise les submersions sur la plaine alluviale entre Donges et Cordemais.
L'effort de développement consacré à l'outil a permis d'aboutir à une représentation réaliste de la dynamique spatiale du bouchon vaseux sur des cycles hydrologiques variés (de l'étiage à la crue).
Détail de la structure du modèle fin (maillage) entre Donges et Cordemais
Utilisations possibles
Le modèle permet d'étudier le fonctionnement de l'estuaire de la Loire, dans sa situation actuelle, ou dans le futur, en tenant compte par exemple des effets du changement climatique. Il permet également de tester différentes configurations ou interventions dans l'estuaire et de mesurer leurs effets sur le fonctionnement de l'estuaire, y compris dans des contextes d'évolution de la morphologie importante. Il permet également de mesurer les effets de ces interventions sur certains usages à partir de la définition d'indicateurs ad hoc (par exemple, disponibilité de la masse d'eau par rapport à des seuils, indicateurs surfaciques de submersibilité pour des conditions hydrologiques données, etc.)
Evolution sur 30 jours de la concentration en Matières en suspension (MES) sur un profil en long de l'estuaire, pour l'état actuel à l'étiage.
Phénomène de submersion de la plaine alluviale entre Donges et Cordemais, par coefficient de marée de 107
Rapports d'étude Artelia/SOGREAH
Rapport R7 : construction du modèle et calage simple
Rapport R7 (annexes) : construction du modèle et calage simple
Rapport R9 : cadre d'exploitation
Modèle hydro-sédimentaire en 1D/2D de la Loire entre Nantes et Les Ponts de Cé
Intérêt d'un tel outil
Cet outil opérationnel de modélisation hydro-sédimentaire de la Loire a été construit et exploité en 2011- 2013 pour définir un programme d'actions visant à rééquilbrer le lit de la Loire entre Nantes etLes Ponts-de-Cé. Cet outil simule en une dimension (et deux dimensions sur les zones d'épis) l'hydraulique du fleuve (lignes d'eau, courants) et la dynamique sédimentaire (sable) sur des périodes de plusieurs décennies.
Mise au point de l'outil
L'outil a été mis au point en 2011-2012 par le bureau d'études français Hydratec, encadré dans son travail par un comité d'experts international. Il est construit à partir du référentiel topographique et bathymétrique du groupement représentant le lit mineur de la Loire (bras principal et principaux bras secondaires) entre Les Ponts-de-Cé et Le Pellerin.
Calé à partir des données de lignes d'eau du lit, le modèle fonctionne à partir des données de forçage suivantes : marée, débits de la Loire, apports de sédiments depuis l'amont.
Exploitation de l'outil
L'outil est utilisé en mode prédictif pour estimer les évolutions futures des fonds et des lignes d'eau sur 40 ans ou plus, dans différentes configurations : évolution tendancielle, actions pour rééquilibrer la morphologie du lit.
Il permet ainsi de mesurer l'efficacité à long terme de différents scénarios d'intervention et d'évaluer leurs effets sur l'équilibre morphologique du lit. Il permet également de mesurer les effets de ces scénarii sur certains usages ou milieux à partir de la définition d'indicateurs ad hoc (par exemple, tirant d'eau pour la navigation, relèvement de la ligne d'eau au droit des annexes fluviales, élargissement du lit actif, etc.)
Exemple de sortie donnée par le modèle hydro-sédimentaire de la Loire : évolution tendancielle des fonds sur 40 ans par grand secteur (absence d'intervention)
Rapport Hydratec phase 1 - Annexe
